基于Penman-Monteith方程的温室智能滴灌控制系统研制

【摘要】滴灌作为节水农业的典型代表,已经在温室生产中得到广泛应用。将温室内水分腾发信息作为控制滴灌的一个重要指标,不仅有助于提高温室节水灌溉的智能化水平,而且有助于作物生长,从而提高作物产量和品质。本研究设计出一套温室智能滴灌控制系统,用单片机作为核心控制器,以Penman-Monteith(缩写为P-M)方程作为系统灌溉量决策模型。将测得的温室内温、湿度值及净辐射值作为Penman-Monteith方程的输入量,通过单片机程序计算作物蒸发蒸腾量(也叫做腾发量),进而设定合适的滴灌时长,并将环境信息及作物蒸发蒸腾量反馈给计算机控制系统。温室试验证明,该方法方便可靠,可用于温室大棚的精确灌溉。主要研究内容如下：1、根据滴灌技术的特点,进行滴灌控制系统的整体设计与研究,搭建了单片机硬件系统。选用STC89C58单片机为核心,主要由液晶显示模块、信息采集模块、模数转换模块组成。温湿度传感器以及净辐射传感器采集到温室内温度、湿度和净辐射信号,经过A/D加转换成相应的数字信号传送到单片机中。利用Penman-Monteith方程计算出作物蒸发蒸腾量,单片机设定程序将作物蒸发蒸腾量换算成滴灌时长,通过驱动电路控制电磁阀,进而控制灌溉。2、根据需求分析,确定上位机软件的总体设计方案,采用VisualBasic作为上位机软件的开发工具,MicrosoftAccess作为数据库开发工具,根据上位机软件的主要功能,将软件划分成三个主要模块：实时检测区、数据管理区及滴灌控制区。在通信方面,系统采用串行通信的方式来实现上下位机之间的数据交换。根据实际情况,制定上下位机通信协议,调用VisualBasic中MSComm控件,进行相关程序设计,从而实现通信功能。3、建立了温度、湿度及净辐射与作物蒸发蒸腾量之间的关系,通过气象因素确定作物蒸发蒸腾量来制定灌溉决策。在滴灌控制方面,设置了三种滴灌模式,分别是：定时滴灌,即根据作物生长状况、天气状况以及人工实践经验,设定滴灌时间和滴灌时长；自动滴灌：根据采集到的环境参数,利用Penman-Monteith方程计算出作物蒸发蒸腾量,从而进行科学灌溉；半自动滴灌：避开不适宜作物灌溉的特殊时段,在此时段内只对作物蒸发蒸腾量进行累加而不进行滴灌,将累加的量分布到其他时段的滴灌量上。4、在温室中进行了本滴灌系统的性能验证试验。首先是同种作物不同生长阶段的试验验证：选取了黄瓜的初花期和结果期,完成一定时间内作物真实蒸发蒸腾量与系统灌溉量的对比试验,试验表明,两者趋势基本一致并具有良好的相关性,曲线相关性达到R2=0.9587。研究同时完成了不同作物之间的试验验证,即在黄瓜和番茄之间反复上述试验,番茄的曲线相关性达到R2=0.8868,证明了系统在不同作物之间具有可靠性。这说明本滴灌控制系统可以应用于温室的实际生产中。5、为进一步研究本系统通过滴灌进行液体肥料施用时的特性,进行了文丘里施肥器的水肥分布试验,并对结果进行了分析,得出了施肥浓度随时间的变化关系,这为文丘里施肥器在本系统中的应用提供了理论依据和实践基础。试验得出,每支滴箭在每分钟的施肥浓度与该时间的所有滴箭平均施肥浓度的相对误差,随着时间的变化而变化,6分钟后平均相对误差在10%以内,直至第10分钟,平均相对误差减至0.74%。
【作者】韩丽娜；
【导师】汪小旵；
【作者基本信息】南京农业大学，检测技术与自动化装置，2013，硕士
【关键词】Penman-Monteith方程；智能滴灌；温室；单片机；文丘里施肥器；

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