基于作物蒸散量模型的智能滴灌控制器设计与研究

论文摘要

滴灌技术能够较精确地控制灌水量,把水和养分直接输送到作物根部附近的土壤中,因此在农业生产中得到广泛应用。但目前的滴灌系统大多由人工按照经验进行控制,难以把握作物的精确用水需求,而现代化的全自动滴灌系统价格昂贵,一般中小面积的灌溉用户难以承受。针对这一问题,本研究设计出一套由作物蒸散量模型计算作物灌溉量的智能化滴灌控制系统。采用温湿度传感器测量不同高度上的温湿度差,利用波文比-能量平衡法计算出作物的蒸散量,并将蒸散量换算为灌溉量,通过单片机设定程序控制电磁阀的开关时间即控制灌溉量多少。同时完成了波文比计算值和称重法真实值的对比试验验证,表明两者趋势基本一致,曲线相关性达到R2=0.9672。主要研究内容如下：1.建立灌溉量控制的决策模型,利用波文比-能量平衡法测出不同高度的空气温度、湿度差及净辐射值就可以推算出这一时间内的作物蒸散量,进而推导出作物的灌溉量,精确补充作物散失的水分。2.完成智能滴灌控制器的设计,包括电源供电模块、数据采集转化模块、微处理器控制模块、液晶显示模块、人机交互按键模块和输出驱动模块几个部分。温度湿度传感器以及光敏电阻采集到空气温度湿度和光敏电压信号,经过A/D转换成相应的数字信号传送到单片机中,利用灌溉量决策模型计算出作物蒸散量显示到液晶屏上。微处理器将蒸散量换算成滴灌时间,通过驱动电路控制电磁阀的开闭,实现精确灌溉。系统另设人机交互界面,实现在自动模式条件下按照理论计算蒸散量精确滴灌,在手动模式条件下用户任意设定滴灌时间进行灌溉。3.设计滴灌均匀性试验表明,不同时间条件下滴箭出水量均匀性都较好,一分组相对误差范围为1.68%～9.73%,二分组相对误差范围为0.48%～8.56%,三分组相对误差范围为0.65%～3.59%。可以看出三分组的误差最小,均匀性最好,平均相对误差为1.57%,而一分组的误差最大,平均相对误差为5.75%。根据三组实验整体来说,滴灌均匀性相对误差绝对值都在10%以内,基本符合均匀性条件需要,可以作为计算整体黄瓜滴灌量的依据。4.完成温室实际作物对比试验,通过分析蒸散量日变化规律以及环境因子对蒸散量的影响,从中可以看出滴灌量基本变化趋势是从早上8点左右开始增加直到中午12点左右最大,之后随着净辐射值的下降滴灌量减小,直至傍晚不需要滴灌,相较于温度湿度而言,净辐射是影响作物滴灌量变化的主要因素。在此基础上,完成波文比计算值与真实称重值的对比试验,试验表明两者趋势基本一致,曲线相关性达到R2=0.9672,说明能够采用波文比-能量平衡法计算作物灌溉量,用于温室大棚的精确灌溉。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外智能滴灌的发展与现状
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 我国滴灌控制系统存在的问题
• 1.4 本文研究的主要目的与内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 智能滴灌控制器灌溉量模型决策设计
• 2.1 蒸散量模型的提出
• 2.1.1 蒸散量的测量方法
• 2.1.2 蒸散量的计算方法
• 2.2 波文比-能量平衡法的提出
• 2.3 本章小结
• 第三章 智能滴灌控制器的总体框架及硬件设计
• 3.1 智能滴灌器的总体设计
• 3.2 净辐射传感器设计
• 3.2.1 光敏电压与光照度之间的转换关系
• 3.2.1.1 光敏电阻原理及特性
• 3.2.1.2 光敏电阻在净辐射传感器中的应用
• 3.2.2 光照度与净辐射之间的转换关系
• 3.2.3 净辐射与总辐射之间的转换关系
• 3.3 本章小结
• 第四章 智能滴灌控制器软件设计
• 4.1 KEIL软件开发环境简介
• 4.2 主程序
• 4.3 液晶显示功能
• 4.4 按键面板功能
• 4.5 蒸散量模型计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 滴灌系统试验验证与分析
• 5.1 滴灌系统均匀性试验验证
• 5.1.1 均匀性试验总体设计
• 5.1.2 均匀性试验测量结果
• 5.2 温室试验验证分析
• 5.2.1 试验基本情况
• 5.2.2 试验方法
• 5.2.3 试验结果及分析
• 5.2.3.1 蒸散量日变化过程
• 5.2.3.2 环境因子对作物蒸散量日变化的影响分析
• 5.2.3.3 波文比计算值ET和称重法实测值ETI的日变化对比分析
• 5.2.3.4 滴灌时间和灌溉量结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 今后研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文