一种温室大棚集雨节灌自动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及雨水集流与节水灌溉技术领域。

背景技术

以日光温室、塑料大棚为主要形式的设施农业生产技术，为人们提供了新鲜的反季节蔬菜、水果、食用菌及花卉等，对提高人们生活水平、增加农民收入具有十分重要的意义。由于缺少水源，一些地区的大棚只能采取旱作种植模式。旱作温室大棚种植由于缺乏水源，一是导致作物种植品种受限、生产方式落后；二是难以提高产品品质和产量，生产效益不高；三是施用的化肥农药无法直接快速深入根系，造成药肥浪费和药害残留。

目前在我国的农业生产中，水资源供需矛盾突出，大部分地区水资源缺乏，降雨季节性分布不均，旱涝交替，同时暴雨灾害不定时发生。雨水集流可以减轻雨水灾害，减缓水资源供需矛盾；缺乏灌溉水源的地方，雨水成为农业生产的唯一水源，不集不行，雨水集流成为设施农业生产的重要保障；有地下水源的地方，集雨可以大大节约地下水资源，减少地下水开采量，有利于解决地面沉降、下降漏斗等生态环境问题。雨水高效利用技术已经成为目前旱作农业地区发展农业生产，特别是进行设施农业生产和实现农业产业化、集约化经营的主要途径。在半干旱地区，以塑料大棚棚面集雨，棚内高效灌溉利用的水量自给模式，是一种实用和经济的雨水利用方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种温室大棚集雨节灌自动控制系统及其实施方法，能够为设施农业生产提供水资源保障，为节水灌溉自动化提供技术手段，同时实现不同灌水定额的自动化控制。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种温室大棚集雨节灌自动控制系统，该系统的结构中包括温室大棚集雨系统、管道系统和节灌自动控制系统；所述温室大棚集雨系统包括位于温室大棚顶部外周的集雨面、设置在集雨面低端的汇流槽和设置在地上或地下的集雨池，所述集雨池通过导水管与所述汇流槽接通；所述管道系统包括输配水管道和毛管，所述输配水管道上设置有阀门；所述节灌自动控制系统包括直流电源、与直流电源电学连接的中央智能控制器、设置在土壤内部进行土壤湿度测量并位于中央智能控制器信号输入端的土壤水分传感器、设置在所述集雨池内部进行水位蓄积量测量并位于中央智能控制器信号输入端的水位传感器和设置在所述集雨池底端并位于中央智能控制器信号输出端的水泵。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述温室大棚集雨系统中，所述集雨面为温室大棚的不透水倾斜膜面，此膜面被所述汇流槽分割成上下两部分，其中上部膜面的下端固定在汇流槽的内侧将雨水直接导入汇流槽槽内，而其下部膜面的上端固定在汇流槽的外侧避免雨水外流。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述温室大棚集雨系统中，所述汇流槽水平固定在温室大棚的骨架上，汇流槽轴向的一端被封住，其另一端通过导水管与所述集雨池相连通。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述温室大棚集雨系统中，所述集雨池设置在温室大棚的外部且位于地下，其埋深30-70cm，在集雨池上部留有进水口与出水口；集雨池的体积依据如下公式确定：V=W_集-W_用；式中：V—集雨池的体积，W_集—雨季集水量，W_用—雨季用水量。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述管道系统中，所述输配水管道采用塑料软管并包含主管和若干支管，主管与支管之间通过三通、弯头等连接；所述毛管采用内镶贴片式滴灌带，并通过旁通与所述输配水管道相连。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述节灌自动控制系统中，所述直流电源采用太阳能充电系统，此系统包括太阳能板、充电控制器和电瓶；所述中央智能控制器的信号输入端同时连接土壤水分传感器和水位传感器，此两组传感器组成双约束条件的串联模式，当土壤水分传感器向中央智能控制器输入的电压信号超出预设值从而使得中央智能控制器驱动报警输出通道K1闭合，并且水位传感器向中央智能控制器输入的电压信号在预设值区间内从而使得中央智能控制器驱动报警输出通道K2闭合，两个条件同时满足则中央智能控制器控制水泵才开启；而只要K1与K2中有一个断开，水泵处于关闭状态。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述节灌自动控制系统中还包括多处理灌水定额减量子系统，此多处理灌水定额减量子系统包括与直流电源电学连接并与所述中央智能控制器通信的智能时间控制器，此智能时间控制器为具有多个继电器输出通道的可编程时间控制装置，在其不同的输出通道的管路上均设置电磁阀，设置智能时间控制器的工作模式为计时模式，同时设置其通道1、2、3、…、n同时接通一定时间a秒，接着各个通道依次断开一定时间b秒，当某一通道m断开时，前面的通道1、2、3…m-1继续保持断开，当最后一个通道n也同样断开b秒后，各个通道再次同时接通，进行循环；这样，通道1每接通a秒就断开n×b秒，通道2每接通a秒就断开（n-1）×b秒，通道3每接通a秒就断开（n-2）×b秒，通道n每接通a秒就断开b秒，实现不同区域的灌水定额减量自动控制。

一种温室大棚集雨节灌自动控制实施方法，利用温室大棚不透水和倾斜的膜面作为集雨面，对天然降雨进行雨水的集流，并通过汇流槽储存在集雨池中，为温室大棚灌溉提供水源；中央智能控制器在直流电源供电条件下，通过电源输出通道分别为土壤水分传感器与水位传感器提供直流电源，同时分别通过两路电压输入通道，接收土壤水分传感器与水位传感器分别根据土壤湿度状态与集雨池水位高低发送回来的两组不同电压信号，该两个不同电压信号将分别与预先设定的报警电压值进行比较，当两个条件，即土壤湿度代表的电压值低于预先设定的报警电压值且集雨池内水位代表的电压值高于预先设定的报警电压值同时满足时，中央智能控制器通过报警输出通道驱动水泵通电开始抽水工作，并通过输配水管道与毛管将集雨池内收集的雨水输送到作物根系土壤，为作物正常生长提供水源；而当土壤湿度增加到预先设定的报警值与回差值之和时，或者集雨池内的水位降低到预先设定的报警值与回差值之差时，中央智能控制器将通过报警输出通道驱动水泵断电停止抽水工作；在灌水作业时进一步设置多处理灌水定额减量子系统，在计时周期内设置不同通道的打开时间依次梯度减量，实现不同处理区域的灌水定额减量自动控制。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的土壤水分传感器埋深在作物根层，土壤的田间持水量为x，相对应的电压信号为o，预先设置中央智能控制器的报警电压值为p，土壤田间持水量的p／o，回差值为q=o－p，当土壤含水量低于p／o时，中央智能控制器驱动报警输出通道闭合，此时若同时满足集雨池水位高低约束条件，则电磁阀打开开始灌水；当土壤含水量增加到预先设定的回差值q与报警值p之和o时，中央智能控制器将驱动报警输出通道断开，电磁阀关闭。

作为本发明的一种优选技术方案，多处理灌水定额减量子系统作业时设置四个处理，四个处理的灌水定额分别为处理一减量30%、处理二减量20%、处理三减量10%、作为对照的处理四；智能时间控制器与所述中央智能控制器通信并接收开启灌水的控制信号，设置智能时间控制器与处理一、处理二、处理三分别对应的通道1、2、3同时打开1分钟，然后通道1关闭6秒，接着通道2关闭6秒，此时通道1继续关闭，接着通道3关闭6秒，此时通道1、2继续关闭，然后通道1、2、3再同时打开，通道4一直开启；进行循环。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明面向农业现代化与水资源安全的需战略求，围绕降水资源利用率低与节水灌溉自动化水平较低的问题，开展温室大棚集雨节灌自动控制系统及方法的研究，集成创新现代传感器技术与智能控制技术，实现不同灌水定额的自动化控制，为设施农业生产提供水资源保障，为节水灌溉自动化提供技术手段。本发明能够利用温室大棚膜面自动收集雨水，并根据土壤湿度（含水量）大小适时、适量进行节水灌溉的自动控制系统及方法，提高天然降水资源的利用率与节水灌溉的自动化水平，具有节能、环保、绿色、低碳的特点。本发明的系统及方法可广泛应用于我国北方广大缺水地区的设施农业生产与节水灌溉中，提高降水资源利用率与灌溉保证率，降低大棚生产用水对外界的依赖，节省灌溉费用，促进农药及肥料的利用效率，提高产品品质。

本发明的节灌自动控制系统不仅充分考虑了温室大棚集雨膜面与汇流槽的结构优化问题，同时实现了节水灌溉的全自动化控制，特别是在防止因集雨池内无水与水泵空转而可能引发的水泵烧毁问题进行了系统考虑，通过双约束条件的串联模式，很好地解决了只有当集雨池内有雨水的时候，水泵才会根据土壤湿度的大小及时启闭的问题。

本发明的多处理灌水定额减量子系统实现了不同灌水定额的自动化控制，为节水灌溉试验的自动化提供了技术手段，针对滴头瞬时流量测试限时，该系统工作稳定，能够轻松实现滴灌情况下不同灌水定额的自动化控制。

附图说明

图1是本发明温室大棚集雨系统的结构示意图，图中给出了两种不同的实施情景。

图2是本发明管道系统的结构示意图。

图中：温室大棚（1）、集雨面（11）、汇流槽（12）、导水管（13）、集雨池（14）、输配水管道（21）、毛管（22）。

具体实施方式

以下实施例详细说明了本发明。本发明所使用的各种原料及各项设备均为常规市售产品，均能够通过市场购买直接获得。

实施例1、温室大棚集雨节灌自动控制系统。

参看附图，本发明的自动控制系统包括温室大棚集雨系统、管道系统和节灌自动控制系统。

一、温室大棚集雨系统。该系统包括位于温室大棚1顶部外周的集雨面11、设置在集雨面11低端的汇流槽12和设置在地下的集雨池14，集雨池14通过导水管13与汇流槽12接通；在温室大棚集雨系统中，集雨面11为温室大棚的不透水倾斜膜面，此膜面被汇流槽12分割成上下两部分，其中上部膜面的下端固定在汇流槽12的内侧将雨水直接导入汇流槽12槽内，而其下部膜面的上端固定在汇流槽12的外侧避免雨水外流；汇流槽12水平固定在温室大棚的骨架上且距地面高度为0.5m或5m，汇流槽12轴向的一端被封住，其另一端通过导水管13与集雨池相连通；集雨池14设置在温室大棚的外部且位于地下，其埋深50cm，在集雨池14上部留有进水口与出水口；本发明技术研发的一个难点是大棚集雨池尺寸的设计。我们通过当地气象数据，特别是降水数据的分析，重点开展了棚面集雨过程试验，实验结果，雨水集流效率与降雨强度、大棚面积和棚面弯曲度密切相关，塑料温室大棚雨水集流效率年平均为73.0%，雨季平均为91.0%。并以此为依据，提出了温室大棚集雨池尺寸设计的计算公式：V=W_集-W_用；式中：V—集雨池的体积（m³），W_集—雨季集水量（m³），W_用—雨季用水量（m³）。按照每个温室大棚面积0.1公顷计算，在石家庄地区，每个大棚雨季集水量为352.8>3；一般每个温室大棚雨季用水量为225立方米；那么每个温室大棚集雨池的设计尺寸为127立方米左右。如果按照每个温室大棚的年集雨水量计算，仅采用温室大棚集雨技术，就可满足设施大棚二分之一的用水需求，相对于节水50%。加之膜下滴灌、渗灌、PRD滴灌等现代节水技术的应用，可见设施大棚集雨高效利用技术的节水潜力是非常巨大的。华北平原多年平均降雨量为500-900mm，换算成水资源量则达1500-2700亿m³，这对于水资源严重短缺地区来说是一笔很大的财富，雨水利用潜力还是非常巨大的。

二、管道系统。该系统包括输配水管道21和毛管22，输配水管道21上设置有阀门；输配水管道21采用聚乙烯塑料软管并包含主管和若干支管，主管与支管之间通过三通、弯头等连接；毛管22采用Φ16内镶贴片式滴灌带，并通过旁通与输配水管道21相连。

三、节灌自动控制系统。该系统包括直流电源、与直流电源电学连接的中央智能控制器、设置在土壤内部进行土壤湿度测量并位于中央智能控制器信号输入端的土壤水分传感器、设置在集雨池内部进行水位蓄积量测量并位于中央智能控制器信号输入端的水位传感器和设置在集雨池底端并位于中央智能控制器信号输出端的水泵， 水泵为直流（DC12v或24v）潜水泵，流量4-6m³/h，扬程6-8米；直流电源采用太阳能充电系统，此系统包括太阳能板、充电控制器和DC12V电瓶；中央智能控制器具有1路电源输出通道、4路继电器报警输出通道、4路电压信号输入通道，供电电压为直流DC24V；土壤水分传感器为电压型传感器，量程为0-100%，在直流DC12V电源供电条件下根据土壤湿度（含水量）的大小输出一个0-5V直流电压信号，土壤含水量（Q）电压信号（v）的关系是：Q=V/5；水位传感器为电压型传感器，在直流DC12V电源供电条件下根据水位的高低输出一个0-5V直流电压信号；中央智能控制器的信号输入端同时连接土壤水分传感器和水位传感器，此两组传感器组成双约束条件的串联模式，当土壤水分传感器向中央智能控制器输入的电压信号超出预设值从而使得中央智能控制器驱动报警输出通道K1闭合，并且水位传感器向中央智能控制器输入的电压信号在预设值区间内从而使得中央智能控制器驱动报警输出通道K2闭合，两个条件同时满足则中央智能控制器控制水泵才开启；而只要K1与K2中有一个断开，水泵处于关闭状态；在节灌自动控制系统中还包括多处理灌水定额减量子系统，此多处理灌水定额减量子系统包括与直流电源电学连接并与中央智能控制器通信的智能时间控制器，此智能时间控制器为具有多个继电器输出通道的可编程时间控制装置，在其不同的输出通道的管路上均设置电磁阀，设置智能时间控制器的工作模式为计时模式，同时设置其通道1、2、3、…、n同时接通一定时间a秒，接着各个通道依次断开一定时间b秒，当某一通道m断开时，前面的通道1、2、3…m-1继续保持断开，当最后一个通道n也同样断开b秒后，各个通道再次同时接通，进行循环；这样，通道1每接通a秒就断开n×b秒，通道2每接通a秒就断开（n-1）×b秒，通道3每接通a秒就断开（n-2）×b秒，通道n每接通a秒就断开b秒，实现不同区域的灌水定额减量自动控制。

实施例2、温室大棚集雨节灌自动控制实施方法。

参见附图，温室大棚集雨节灌自动控制的实施方法是利用温室大棚不透水和倾斜的膜面作为集雨面11，对天然降雨进行雨水的集流，并通过汇流槽12储存在集雨池14中，为温室大棚灌溉提供水源；中央智能控制器在直流电源供电条件下，通过电源输出通道分别为土壤水分传感器与水位传感器提供直流电源，同时分别通过两路电压输入通道，接收土壤水分传感器与水位传感器分别根据土壤湿度状态与集雨池水位高低发送回来的两组不同电压信号，该两个不同电压信号将分别与预先设定的报警电压值进行比较，当两个条件，即土壤湿度代表的电压值低于预先设定的报警电压值且集雨池内水位代表的电压值高于预先设定的报警电压值同时满足时，中央智能控制器通过报警输出通道驱动水泵通电开始抽水工作，并通过输配水管道与毛管将集雨池14内收集的雨水输送到作物根系土壤，为作物正常生长提供水源；而当土壤湿度增加到预先设定的报警值与回差值之和时，或者集雨池14内的水位降低到预先设定的报警值与回差值之差时，中央智能控制器将通过报警输出通道驱动水泵断电停止抽水工作；在灌水作业时进一步设置多处理灌水定额减量子系统，在计时周期内设置不同通道的打开时间依次梯度减量，实现不同处理区域的灌水定额减量自动控制；

更具体的，在中央智能总控系统中，土壤水分传感器位于温室大棚的土壤中，埋深在作物根层附近。假设土壤的田间持水量为40.0%，相对应的电压信号为2.000v，预先设置中央智能控制器的报警电压值为1.600v，土壤含水量为32.0%（相当于土壤田间持水量的80%），回差值为0.400v，也就是当土壤含水量低于田间持水量的80%的时候，中央智能控制器将驱动报警输出通道（K1）闭合；当土壤含水量增加到预先设定的报警值（1.600v）与回差值（0.400v）之和（2.000v）时，也就是土壤的田间持水量的时候，中央智能控制器将驱动报警输出通道（K1）断开；水位传感器位于集雨池内，埋深在集雨池的底部。假设水位传感器的量程为0-1.000m，相对应的电压信号为0-5.000v，预先设置中央智能控制器的报警电压值为1.000v，相当于集雨池内水深为0.200m，也就是当集雨池内的水深超过0.200m的时候，中央智能控制器将驱动报警输出通道（K2）闭合；当集雨池内的水深下降到预先设定的报警值（1.000v）与回差值（0.500v）之差（0.500v）时，也就是当集雨池内的水深低于0.100m的时候，中央智能控制器将驱动报警输出通道（K2）断开；在土壤湿度大小与集雨池内水位高低双约束条件的串联模式下，只有当K1与K2同时闭合时，水泵才开启；只要K1与K2中有一个断开，水泵便关闭。这样，不仅保证了当土壤湿度（含水量）降低到一定程度时，集雨池内的水能够及时、适时、适量的通过水泵、输配水管道输送到作物附近，同时，还避免了因集雨池内无水与水泵空转而可能引发的水泵烧毁问题。当然，当集雨池内无水，同时估计近期也无降雨发生时，可以利用其他水源进行适当的补充，以保证温室大棚作物需水；

进一步的，在多处理灌水定额减量子系统中，作业时设置四个处理，四个处理的灌水定额分别为处理一减量30%、处理二减量20%、处理三减量10%、作为对照的处理四；智能时间控制器与中央智能控制器通信并接收开启灌水的控制信号，设置智能时间控制器与处理一、处理二、处理三分别对应的通道1、2、3同时打开1分钟，然后通道1关闭6秒，接着通道2关闭6秒，此时通道1继续关闭，接着通道3关闭6秒，此时通道1、2继续关闭，然后通道1、2、3再同时打开，通道4一直开启；进行循环。这样的结果就是，处理一每打开1分钟关闭18秒、处理二每打开1分钟关闭12秒、处理三每打开1分钟关闭6秒，对照每打开1分钟关闭0秒。对四组处理各自的滴头瞬时流量分别进行三次重复测验，结果如下表1所示：

表1 滴头瞬时流量测定结果

测试结果表明，多处理灌水定额减量子系统工作稳定，能够轻松实现滴灌情况下不同灌水定额的自动化控制。

上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。