一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括模擬稻田裝置、控制器、蓄水池、集水池、水位傳感器、濕度傳感器、溶解氧傳感器和加氣泵；模擬稻田裝置為無蓋的內(nèi)盛土壤的容器；容器的土壤中設(shè)有加氣管道；加氣管道與容器外的加氣泵相連；加氣泵受控于控制器；蓄水池通過進(jìn)水管與模擬稻田裝置相連，進(jìn)水管上設(shè)有第一電磁閥；模擬稻田裝置通過排水管與集水池相連，排水管上設(shè)有第二電磁閥；水位傳感器、濕度傳感器和溶解氧傳感器均與控制器相連。發(fā)明還包括排水再利用機(jī)構(gòu)，主要是通過渠道收集稻田的回歸水匯集到集水池，來達(dá)到灌溉水的可持續(xù)利用，解決干旱時(shí)山區(qū)調(diào)水難的問題。系統(tǒng)簡(jiǎn)潔高效，具有巨大的推廣潛力。
【專利說明】
一種稻田増氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水稻長(zhǎng)期處于淹水或接近飽和的水分狀態(tài)，使得根區(qū)土壤多處于還原狀態(tài)，會(huì)導(dǎo) 致還原性物質(zhì)的富集，雖然水稻根系有泌氧作用，但也會(huì)出現(xiàn)黑根等現(xiàn)象，從而影響水稻根 系生長(zhǎng)。加氣灌溉可實(shí)現(xiàn)根域氣體環(huán)境的改善，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高根系活力，增加水肥利 用率，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，達(dá)到高效高產(chǎn)、高品質(zhì)的目的。水稻常規(guī)灌溉供氧不足導(dǎo)致根 部的各項(xiàng)指標(biāo)下降，成為微生物細(xì)菌和病原體感染攻擊的目標(biāo)，引發(fā)病蟲害，根系水肥利用 率下降，引起作物產(chǎn)量與品質(zhì)下降。并且在不同生育階段葉片的光合速率得到顯著增強(qiáng).劉 杰等研究了根區(qū)加氣對(duì)溫室小型西瓜形態(tài)指標(biāo)〃產(chǎn)量〃品質(zhì)的影響，結(jié)果表明根區(qū)加氣處理 對(duì)地下滴灌條件下日光溫室小型西瓜形態(tài)指標(biāo)〃產(chǎn)量〃品質(zhì)產(chǎn)生了明顯影響，加氣頻率采用 1次/2d處理優(yōu)于其他加氣處理?，F(xiàn)有技術(shù)中，沒有專門的模擬裝置以研究水稻的灌排和增 氧對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法，該稻 田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)采用集中控制模式，結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)施，且具有良好的節(jié)水效 果。
[0004] 發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0005] -種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，包括模擬稻田裝置、控制器、蓄水池、集水池、水 位傳感器、濕度傳感器、溶解氧傳感器和加氣栗；
[0006] 模擬稻田裝置為無蓋的內(nèi)盛土壤的容器;容器的土壤中設(shè)有加氣管道;加氣管道 與容器外的加氣栗相連;加氣栗受控于控制器；
[0007] 蓄水池通過進(jìn)水管與模擬稻田裝置相連，進(jìn)水管上設(shè)有受控于控制器的第一電磁 閥；
[0008] 模擬稻田裝置通過排水管與集水池相連，排水管上設(shè)有受控于控制器的第二電磁 閥；
[0009] 水位傳感器、濕度傳感器和溶解氧傳感器均與控制器相連。
[0010] 控制器為單片機(jī)、DSP或ARM處理器。
[0011] 控制器置于智能控制箱中。
[0012] 智能控制箱內(nèi)設(shè)有遠(yuǎn)程通信模塊。
[0013] 蓄水池通過供水管與集水池相連，供水管上設(shè)有受控于控制器的水栗；蓄水池內(nèi) 設(shè)有浮球閥。
[0014] -種稻田增氧灌排模擬控制方法，采用前述的的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)模擬 稻田增氧灌排。
[0015] 在水稻的分蘗期間，在上午7-9點(diǎn)之間以及下午的4-6點(diǎn)之間通過加氣栗增氧2-5 分鐘。優(yōu)選上午的7點(diǎn)，下午的5點(diǎn)半。
[0016] 增氧時(shí)間為3分鐘。
[0017] 在水稻的返青期、分蘗期、灌漿抽穗期，以稻田水層深度作為控制依據(jù)，水層深度 低于1CM，灌溉水，直到水層深度為3CM，水層深度高于3CM則排水；
[0018] 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘗期是指分蘗后25-30天;拔節(jié)孕穗期指拔節(jié) 后第18-25天;灌漿抽穗期指灌漿后第15-30天;黃熟期指進(jìn)入黃熟后10-15天。灌漿抽穗期 結(jié)束后就進(jìn)入黃熟期，該階段延續(xù)10-15天。
[0019] 在水稻的返青期和灌漿抽穗期，上午的7點(diǎn)和下午的5:30通入氣體2-5分鐘，優(yōu)選3 分鐘。
[0020] 本發(fā)明以稻田水層深度和田間含水率的上下限作為自動(dòng)灌溉標(biāo)準(zhǔn)，通過水位傳感 器測(cè)針獲取田間水位或田間含水率，將其與設(shè)定的最佳值比較，得到的差值作為控制器的 輸入變量，建立控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)、控制電閥門的開啟，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌排，與此同時(shí)，利用稻田表 面土壤水溶解氧量一天的變化趨勢(shì)，控制增氧灌溉時(shí)間，達(dá)到適時(shí)適量高效節(jié)水灌溉目的。 該增氧灌溉灌排控制系統(tǒng)主要是采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)的水位傳感器對(duì)水位進(jìn)行調(diào)控以達(dá)到淺濕 灌溉，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)目的，利用夏季晴天稻田表面土壤水溶解氧量一天的變化趨勢(shì)，控制增 氧灌溉時(shí)間；控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取了控制信號(hào)的通用性，既能控制電機(jī)，又能控制電磁 閥。
[0021] 有益效果：
[0022] 本發(fā)明存在以下優(yōu)點(diǎn)：
[0023]本發(fā)明根據(jù)不同水稻生長(zhǎng)時(shí)期稻田的需水量及土壤含水量，利用電磁閥調(diào)節(jié)灌排 水量。先通過水位、濕度傳感器和溶解氧傳感器監(jiān)測(cè)稻田水層、稻田表層土壤水溶解氧含 量、水稻根系層土壤含水量的變化來獲得水稻生長(zhǎng)的盈虧水狀況及增氧灌溉時(shí)間，并反饋 給中央處理器，而后處理器根據(jù)水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期的需水量及灌溉技術(shù)來調(diào)節(jié)稻田的灌溉 水量，以達(dá)到灌溉的最優(yōu)化。比如，當(dāng)?shù)咎锼畬舆^高時(shí)，則通過調(diào)節(jié)田坎出水管的電磁閥排 水，調(diào)節(jié)稻田水位到適宜水稻生長(zhǎng)的狀態(tài)；當(dāng)?shù)咎锿寥篮窟^低時(shí)，則打開電磁閥進(jìn)行灌 溉，并確定每天的增氧灌溉時(shí)間。發(fā)明還包括排水再利用，主要是通過渠道收集稻田的回歸 水匯集到集水池，來達(dá)到灌溉水的可持續(xù)利用，解決干旱時(shí)山區(qū)調(diào)水難的問題。系統(tǒng)簡(jiǎn)潔高 效，具有巨大的推廣潛力。
【附圖說明】
[0024]圖1為稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖2為稻田表層土壤水溶解氧含量變化量趨勢(shì)圖；
[0026] 圖3為節(jié)水灌溉的自動(dòng)控制主程序方框圖。
[0027] 標(biāo)號(hào)說明：1、水栗;2、加氣栗;3、浮球閥；4、加氣管道;5、溶解氧傳感器;6、溫度傳 感器;7、過濾網(wǎng)；8、水位傳感器;9、第一電磁閥；10、第二電磁閥。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實(shí)施例對(duì)本文發(fā)明做更全 面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于一下具體實(shí)施例。
[0029] 除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解含義相 同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實(shí)施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
[0030] 實(shí)施例：
[0031] 參見圖1，一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，包括模擬稻田裝置、控制器、蓄水池、 集水池、水位傳感器8、濕度傳感器6、溶解氧傳感器5和加氣栗2;
[0032]模擬稻田裝置為無蓋的內(nèi)盛土壤的容器;容器的土壤中設(shè)有加氣管道4;加氣管道 與容器外的加氣栗相連;加氣栗受控于控制器；
[0033]蓄水池通過進(jìn)水管與模擬稻田裝置相連，進(jìn)水管上設(shè)有受控于控制器的第一電磁 閥9;
[0034]模擬稻田裝置通過排水管與集水池相連，排水管上設(shè)有受控于控制器的第二電磁 閥10;
[0035] 水位傳感器、濕度傳感器和溶解氧傳感器均與控制器相連。
[0036] 控制器為單片機(jī)、DSP或ARM處理器。
[0037]控制器置于智能控制箱中。
[0038] 智能控制箱內(nèi)設(shè)有遠(yuǎn)程通信模塊。
[0039] 蓄水池通過供水管與集水池相連，供水管上設(shè)有受控于控制器的水栗1;蓄水池內(nèi) 設(shè)有浮球閥3;水管與模擬稻田裝置接通處設(shè)有過濾網(wǎng)7。
[0040] 一種稻田增氧灌排模擬控制方法，采用前述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)模擬稻 田增氧灌排。
[0041] 在水稻的分蘗期間，在上午7-9點(diǎn)之間以及下午的4-6點(diǎn)之間通過加氣栗增氧2-5 分鐘。優(yōu)選上午的7點(diǎn)，下午的5點(diǎn)半。
[0042] 增氧時(shí)間為3分鐘。
[0043]在水稻的返青期、分蘗期、灌漿抽穗期，以稻田水層深度作為控制依據(jù)，水層深度 低于1CM，灌溉水，直到水層深度為3CM，水層深度高于3CM則排水；
[0044] 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘗期是指分蘗后25-30天;拔節(jié)孕穗期指拔節(jié) 后第18-25天;灌漿抽穗期指灌漿后第15-30天;黃熟期指進(jìn)入黃熟后10-15天。灌漿抽穗期 結(jié)束后就進(jìn)入黃熟期，該階段延續(xù)10-15天。
[0045] 在水稻的返青期和灌漿抽穗期，上午的7點(diǎn)和下午的5:30通入氣體2-5分鐘，優(yōu)選3 分鐘。
[0046]本系統(tǒng)選用中央控制模式，包括智能控制箱、單片機(jī)、蓄水池，集水池、水位、濕度 傳感器和溶解氧傳感器及其附件。蓄水池用于模擬山區(qū)水塘水庫(kù)蓄水用于灌溉;模擬稻田 池中設(shè)有濕度，水位高度及溶解氧傳感器采集稻田信息，調(diào)控灌排與增氧;集水池，用于收 集多余的雨水和灌溉用水，以備旱季缺水之需;遠(yuǎn)程智能控制箱，由顯示屏和單片機(jī)兩大部 分組成，外設(shè)小型信號(hào)塔用以通訊和傳輸數(shù)據(jù)。顯示屏上顯示有水位高度，土壤濕度，溶解 氧量及水稻所處生長(zhǎng)時(shí)期等參數(shù)。
[0047]多年來，農(nóng)業(yè)專家一直致力于水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的研究，也推廣了各種節(jié)水灌溉 方式，本系統(tǒng)采取的是單季水稻的"淺、濕、干"節(jié)水灌溉方式。"淺"指灌溉水層上限為30mm; "濕"指水層為零，土壤含水量100% ; "干"指各生育期土壤含水量要求的下限值，可通過儀 器測(cè)試，或依據(jù)不同下限值對(duì)應(yīng)的土壤裂縫寬度、腳印深度等經(jīng)驗(yàn)值判斷。一般不到土壤含 水量下限值不灌溉。何時(shí)灌水依據(jù)土壤含水量而定，到了下限值就灌，不到就等。除了大量 降水超過規(guī)定的蓄雨上限和鹽堿地排堿要求外，一般不排水。該技術(shù)可節(jié)約30.5%左右的 水資源，提高約9%的水稻產(chǎn)量。"控制灌溉"是指稻苗本田移栽后，田面保持5~25mm薄水層 返青活苗，在返青以后的各個(gè)生育階段，田面不建立灌溉水層，以根層土壤含水率作為控制 指標(biāo)，遇雨可保持一定水層，如表1所示。
[0048]表1水稻生育階段稻田水層控制標(biāo)準(zhǔn)
[0051] 返青期是指移栽后15-25天，分蘗期是指分蘗后25-30天;拔節(jié)孕穗期指拔節(jié)后第 18-25天;灌漿抽穗期指灌漿第15-30天;黃熟期指黃熟第10-15天。
[0052] 返青期、分蘗期、灌漿抽穗期水層為田間水層深度，控制在l-3Cm;黃熟期末不再灌 水，使田間水分自然落干;表中所列含水量均指體積含量，為根層觀測(cè)深度內(nèi)土壤含水量平 均值，
[0053] 拔節(jié)孕穗期與黃熟期指各階段飽和含水量;灌水上下限含水量由飽和含水量與各 生育階段設(shè)定的控制百分比（70%_100%)相乘得到。
[0054] 從表1中可知，水稻的灌溉可以控制稻田水層深度，且不同的生育期的控制要求不 同。水稻灌溉從蓄水池自流灌溉，通過調(diào)節(jié)灌溉水位來控制灌溉量，農(nóng)田灌溉量的多少由水 稻生長(zhǎng)需水量來調(diào)節(jié)。
[0055] 返青期、分蘗期、灌漿抽穗期:應(yīng)用水位傳感器采集稻田水位，并將它們與設(shè)定值 比較，大于設(shè)定值3CM則排水，接近設(shè)定值下限1CM則灌溉，調(diào)節(jié)水位到（1CM-3CM)，所選取的 輸入變量不僅反映了土壤情況，還反映了田間氣候、作物的生長(zhǎng)狀況。根據(jù)稻田的水位，控 制電磁閥門進(jìn)水、排水。
[0056] 拔節(jié)孕穗期、黃熟期。應(yīng)用濕度傳感器采集稻田土壤含水量，并將它們與設(shè)定值比 較，大于設(shè)定值70%則排水，接近設(shè)定值下限70%則噴水灌溉，根據(jù)稻田土壤含水量，控制 電磁閥門進(jìn)水、排水。
[0057] 為進(jìn)行系統(tǒng)控制，本項(xiàng)目組成員以分蘗期為例，于2015年7月13日對(duì)盆栽水稻進(jìn)行 稻田表層土壤水溶解氧含量測(cè)定，其結(jié)果如下：
[0058]分蘗期稻田表層土壤水溶解氧含量測(cè)定值(mg/L)
[0061]本試驗(yàn)在水稻分蘗期分別于上午8點(diǎn)與下午5點(diǎn)用加氣栗加2-53分鐘氣以增氧。根 據(jù)稻田表層土壤水溶解氧含量變化趨勢(shì)，CK組在上午10點(diǎn)50出現(xiàn)最大值10.03mg/L，而增氧 組在12點(diǎn)40出現(xiàn)最大值6.81mg/L，且本試驗(yàn)分別于上午8點(diǎn)與下午5點(diǎn)用加氣栗加3分鐘氣 以增氧，發(fā)現(xiàn)加氧后表層土壤水溶解氧含量分別出現(xiàn)降低值5.21mg/L與4.72mg/L，說明可 用表層土壤水溶解氧含量出現(xiàn)最低值作為增氧時(shí)間，接近該數(shù)值，則加入氧氣2-5103分鐘。 [0062]結(jié)論:返青期、分蘗期、灌漿抽穗期:則以稻田水層深度作為計(jì)算依據(jù)，少于1CM，灌 溉水，直到3CM，多于3CM則排水，同時(shí)，分別在上午的7點(diǎn)和下午的5:30通入氣體2-5分鐘。 [0063]拔節(jié)孕穗期、黃熟期：則以飽和含水量作為計(jì)算依據(jù)，少于70%，灌溉水，直到 100%，飽和含水量= 78%，不需要通氣 [0064]黃熟期末不再灌水，使田間水分自然落干。
[0065]水稻節(jié)水灌溉的流程圖如圖3所示，當(dāng)田間水層高于最大允許值時(shí)，排水；當(dāng)田間 水層低于最小允許值時(shí)，進(jìn)行灌溉。
[0066] 1)該傳感器具有高精度和高準(zhǔn)確性，且性能穩(wěn)定，能真實(shí)反映傳感器附近稻田水 分、稻田表層土壤水溶解氧含量狀況。
[0067] 2)該系統(tǒng)可防止過量灌溉，還提高了灌溉效率，節(jié)省了水資源。該系統(tǒng)根據(jù)電容式 水位傳感器測(cè)量稻田水位數(shù)值，進(jìn)行自動(dòng)灌溉，無需維護(hù)，大大節(jié)省了人力及維護(hù)費(fèi)用。根 據(jù)水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期需水量進(jìn)行灌溉，大大提高了灌溉效率，防止了以往的根據(jù)定時(shí)器進(jìn) 行灌溉導(dǎo)致的水資源的浪費(fèi)，大大節(jié)約了水和電的消耗。該系統(tǒng)只在作物需要灌溉時(shí)才灌 溉，需要增氧時(shí)才增氧，可根據(jù)設(shè)定的上限和下限，自動(dòng)適應(yīng)在任何氣候環(huán)境下進(jìn)行灌溉。
[0068] 監(jiān)控員在電腦上可查看灌溉活動(dòng)，并進(jìn)行灌溉設(shè)置，讓灌溉更簡(jiǎn)單、靈活。
[0069] 本發(fā)明的特色：
[0070] 1)首次提出利用稻田表層土壤水溶解氧含量確變化趨勢(shì)確定增氧時(shí)間；
[0071] 2)利用加氣栗對(duì)土壤加氣，不是利用滴管系統(tǒng)加氧，而是通過在不同土層布設(shè)不 同的加氣管，并以梅花狀布置氣孔，這更有助于土壤下層各點(diǎn)均勻受氣；
[0072] 3)蓄水池中設(shè)有浮球閥，當(dāng)蓄水池中蓄水過低或干旱時(shí)期，可從集水池中抽取部 分水混合灌溉，實(shí)現(xiàn)水的高效利用；
[0073] 4)盆栽實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明的應(yīng)用效果好，增氧灌溉對(duì)水稻不同生育階段葉綠素、可 溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度增加，葉片光合速率得到顯著增強(qiáng)，增氧 灌溉尤其對(duì)水稻分蘗期作用顯著，分蘗數(shù)、株高、根系活力、根系發(fā)達(dá)程度、生物量積累和光 合特征指標(biāo)都明顯優(yōu)于常規(guī)灌溉對(duì)照處理，水稻生育后期根系功能增強(qiáng)，葉片超氧化物歧 化酶活性提高，最終促進(jìn)籽粒灌漿結(jié)實(shí)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，包括模擬稻田裝置、控制器、蓄水池、 集水池、水位傳感器、濕度傳感器、溶解氧傳感器和加氣栗； 模擬稻田裝置為無蓋的內(nèi)盛土壤的容器;容器的土壤中設(shè)有加氣管道;加氣管道與容 器外的加氣栗相連;加氣栗受控于控制器； 蓄水池通過進(jìn)水管與模擬稻田裝置相連，進(jìn)水管上設(shè)有受控于控制器的第一電磁閥； 模擬稻田裝置通過排水管與集水池相連，排水管上設(shè)有受控于控制器的第二電磁閥； 水位傳感器、濕度傳感器和溶解氧傳感器均與控制器相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，控制器為單片機(jī)、 DSP或ARM處理器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，控制器置于智能控 制箱中。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，智能控制箱內(nèi)設(shè)有 遠(yuǎn)程通信模塊。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，蓄水池通過供水管 與集水池相連，供水管上設(shè)有受控于控制器的水栗;蓄水池內(nèi)設(shè)有浮球閥。6. -種稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的稻田 增氧灌排模擬控制系統(tǒng)模擬稻田增氧灌排。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，在水稻的分蘗期 間，在上午7-9點(diǎn)之間以及下午的4-6點(diǎn)之間通過加氣栗增氧2-5分鐘。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，增氧時(shí)間為3分鐘。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，在水稻的返青期、 分蘗期、灌漿抽穗期，以稻田水層深度作為控制依據(jù)，水層深度低于1CM，灌溉水，直到水層 深度為3CM，水層深度高于3CM則排水； 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘗期是指分蘗后25-30天;拔節(jié)孕穗期指拔節(jié)后第 18-25天;灌漿抽穗期指灌漿后第15-30天;黃熟期指進(jìn)入黃熟后10-15天。10. 根據(jù)權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，在水稻 的返青期和灌漿抽穗期，上午的7點(diǎn)和下午的5:30通入氣體2-5分鐘。
【文檔編號(hào)】A01G25/16GK105850674SQ201610235676
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】張文萍, 胡文武, 肖衛(wèi)華, 姚幫松, 曾鵬, 黃蔚, 陳家立, 熊子維, 張哲棟
【申請(qǐng)人】湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)