基于作物冠层温度变化的无线传感器网络灌溉系统的研究

针对我国部分地区农田水资源利用率低,且干旱灾害比较严重等问题,根据作物冠层温度变化的特征判别作物的水分状况,从低成本、低功耗角度出发,研发了红外测温无线传感器节点和灌溉控制节点,设计了无线传感器网络精确灌溉系统.该系统可以在远程控制中心准确实时获取监测作物的需水情况,并能实现精确灌溉,系统的设计开发为精细农业时空差异性与灌溉决策研究提供了参考.     

作物需水量在农业灌溉中的应用研究

农业灌溉用水是粮食生产安全的重要保障,合理的灌溉用水规划是水资源高效利用的重要保障。不同类型农作物在整个生长周期对水的实际需求是一个动态变化过程,传统大水漫灌会造成水资源的严重浪费,同时在灌溉过程中作物缺水或用水过量都不利于作物生长。为提高水资源利用效率,在灌溉过程准确估算作物实际用水需求,根据未来农业智能化发展和节水灌溉需求,结合项目实际及农业智能化灌溉理论研究发展现状,以作物实际需水量研究为基础,按作物类型建立全生长周期需水基础数据库及实际需水量决策模型实施按需灌溉。在灌溉区域布置传感器及微型气象监测系统,传感器网络节点监测和采集农田土壤参数,微型气象监测系统监测周边环境温度、湿度、风速及辐射等数据,通过LoRa无线通信将数据传输至数据处理终端,数据处理终端利用农作物实际需水量灌溉决策模型,综合考虑蒸腾、土壤蒸发、作物需水量等因素,分析计算得出作物实际需水量,生成灌溉时间、灌溉水量等指令,通过智能灌溉控制系统实现对作物的及时性、精准性灌溉,实现智能化、高效率、可持续的农业用水管理。     

丘陵地区蓝莓园智能灌溉决策系统设计

针对丘陵地区蓝莓园灌溉过程中水资源浪费严重、劳动力严重短缺的问题,基于物联网技术,研究并设计了一套智能灌溉决策系统。系统包括信息采集模块、无线通信模块、智能决策模块和灌溉执行模块。信息采集模块通过布设的土壤水分传感器和小型气象站实时采集蓝莓园土壤墒情信息和环境信息（风速、降雨量、温度、湿度）;无线传输模块将信息采集模块采集到的数据实时发送到服务器端进行分析处理,并将智能决策模块的计算结果传送给灌溉执行模块;智能决策模块中,基于前期采集的历史数据使用彭曼公式和土壤水平衡公式建立灌溉决策模型,实现蒸腾量和灌溉量的计算以及实时监控与报警,该模型可根据实时获取的数据,确定是否需要灌溉及最优的灌溉量;灌溉执行模块根据接收到的灌溉信息及实际的灌溉速度计算灌溉时间,进行远程灌溉;以Visual Studio软件为平台,设计了系统上位机的监控界面,可实现土壤和环境参数的实时检测和存储、作物需水状况的分析管理以及实时预警和灌溉决策。试验结果表明,该智能灌溉决策系统可在无人干预的情况下,根据传感器采集的信息自行判断作物需水情况,当系统认为作物需要灌溉时自行驱动灌溉装置完成灌溉,从而实现蓝莓园的远程精确灌溉,节省了人力物力,有效提高了灌溉水的利用率。     

旱田节水灌溉智能监控系统的研究

针对旱田灌溉规模的不断扩大,水资源供需矛盾的日益加深,为减少水资源的浪费、提高水的利用率,设计基于单片机的旱田节水灌溉智能监控系统。本系统采用计算机技术、嵌入式微处理器技术、无线传感器技术和智能控制技术相结合,通过在田间部署无线传感器节点,对土壤墒情进行实时监测,同时也为实现田间作物生长所需要的水分提供灌溉依据,对作物进行有效的灌溉控制。系统可以很好地实现对田间土壤墒情的监测和对作物生长时期所需要的水分进行自动灌溉控制,提高灌溉用水的利用率和灌溉效率。     

太阳能智能灌溉阀门控制器设计与应用

针对我国新疆地区土地干旱,水分下渗和蒸发比较严重导致灌溉过程中水分流失的问题,研制出一款根据土壤湿度传感器数据和作物需水量进行决策,实现智能灌溉的阀门控制器。该控制器以STM32单片机为控制核心,采用太阳能供电的方式,控制器包括单片机控制电路、土壤湿度采集电路、太阳能充电控制电路、阀门驱动电路、无线通信电路、阀门状态反馈电路。控制器通过土壤湿度传感器采集的数据进行灌溉决策,在土壤含水率低于作物最适宜生长值下限时开启阀门,当土壤含水率达到田间持水量时关闭阀门。农民能通过手机APP远程获取土壤湿度数据和阀门开关状态信息,并能远程控制阀门进行灌溉。经实验分析论证,该控制器运行稳定,能将土壤含水量控制在合适的范围。     

作物需水信息远程实时采集系统的设计

作物需水信息的快速获取和实时传输是实现智能诊断和精量灌溉的前提。为此,设计了一种实时采集影响作物需水多环境参数的多通道数据采集系统。该系统以超低功耗单片机MSP430F149为核心处理模块、西门子MC39i为无线传输模块,以计算作物需水量的彭曼—蒙特斯公式中的主要气象要素(温度、湿度、日照时数、风速、辐射)和土壤湿度作为采集对象,根据各传感器输出信号设计了数据采集通道数量及类型。设计选用了系统的实时时钟电路、数据存储模块、LCD液晶显示以及控制键盘等电路,开发了系统各模块的控制软件,实现了通道选择、数据采集、数据处理、液晶显示及无线数据传输等功能。经电位器模拟输出电压测试,系统能实现数据采集和实时显示的功能,可以应用于灌溉决策系统中作物需水信息的实时监测。     

基于作物生长模型的智能灌溉控制系统

【目的】鉴于水资源日益短缺,农田灌溉技术迫切需要进行自动化和智能化改革,开发高效的灌溉控制系统迫在眉睫。【方法】本研究利用主控芯片为STM32f103RCT6的单片机与传感器模块、LoRa模块、GPRS模块等外围电路设计了一款智能灌溉控制系统。该系统可以准确获取作物生长环境信息,包括水分、温度、光照等,而强大的STM32f103RCT6芯片可依据作物生长模型对采集的数据进行分析处理,对作物的需水需肥量做到针对性预判,形成科学的灌溉决策并指导灌溉系统工作,经过系统决策,自适应控制灌溉设备进行精准灌溉。【结果】该智能灌溉控制系统既能够促进作物生长发育,又能提高水肥利用率和作物产量,促进农业增产增收,改善土壤环境,并且控制方式灵活多样,通用性强,经济性好,符合国家绿色发展理念,实现了经济效益和社会效益的双丰收,对发展现代化设施农业具有重要的意义。【结论】此系统的研发,有利于解决农业灌溉水资源浪费严重、智能化水平低的痛点,满足现代农业飞速发展的需求。     

基于嵌入式的农田灌溉管网漏损智能无线监测系统设计

农田灌溉对于提高农作物产量具有重要作用,灌溉管网漏损实时在线监测对提升农田用水效率具有积极的现实意义。本文设计基于嵌入式的农田灌溉管网漏损智能监测系统,通过压电加速度传感器、压力变送器和超声波流量计等传感器信号采集,获取农田灌溉管网的振动噪声、水压和流量等数据,通过嵌入式单片机自适应滤波处理后,应用4G无线数据通信模块,将传感器采集的数据传输到云平台,云平台应用管理软件系统对灌溉管网监测数据进行实时处理和分析,从而准确确定灌溉管网漏损情况。试验结果表明,在非灌溉时间测试管网漏损状态,系统能够有效采集噪声、水压和流量等传感器数据,噪声数值超过预警值80 dB并进行报警。数据在无线网络中传输稳定高效,数据无线传输延时小于1.8 s。云平台应用管理软件系统功能正常,数据查询平均响应时间小于1.2 s。系统部署实施快捷,可广泛应用于农田灌溉管网运行状态实时监测,有效提高农田灌溉用水效率进而实现用水精细化管理。     

土壤水分监测与灌溉预报系统设计

土壤水分监测与灌溉预报是实现作物适时适量灌溉的基础。提出了一种新的土壤水分监测与灌溉预报系统,依据实时采集的数据信息,判断作物用水情况,采用智能方法,建立高准确度土壤墒情与灌溉预报的模型,实现作物用水信息实时管理。     

基于ZigBee和TCP/IP的盐碱地田间监控系统研究

为实现现代信息技术在盐碱地良性管理领域的技术应用,解决当前盐碱地管理中缺乏监测数据、无法有效进行改良效果评估的问题,设计了田间智能化信息化采集与控制系统,实现了暗管水质信息监测、田间气候监测、病虫害监测、作物长势监测和自动灌溉控制,构建了用于田间数据传输的ZigBee无线传感器网络,并依据山东东营农业高新技术园区的区域特点,综合考虑信号传输的鲁棒性和时效性,提出了ZigBee网络节点部署的全局优化方案。同时,应用TCP/IP协议,设计了盐碱地综合治理信息采集软件和远程信息云服务平台,实现了盐碱地资源的全方位信息监测。试验表明,系统能够满足盐碱地信息监测和田间灌溉水肥一体化自动控制的功能需求,且所设计网络数据传输的综合丢包率低于1%。     

无人机热红外反演土壤含水率的方法

以不同生育期夏玉米为对象,讨论无人机热红外反演夏玉米田土壤含水率的精度及反演方法.利用无人机获取试验区的可见光和热红外图像.通过可见光图像提取冠层掩膜并叠加在热红外图像上提取玉米冠层温度,分析冠层温度的变化趋势及与叶面积指数(LAI)的相关性.最后,利用冠气温差的相反数与叶面积指数构建了一个新指标(D_TL),讨论了冠气温差或D_TL指标反演土壤含水率的准确性.结果表明:冠层温度随着土壤含水量的增加而降低,夏玉米LAI在一定程度上可以表征冠层温度;对比4个时期的数据,发现冠气温差反演效果在灌溉后较好(如2次灌后R²分别为0.614 6和0.463 7);与冠气温差相比,D_TL指标可以提高土壤含水量反演的精度,如0~20 cm深度的R²从0.614 6和0.463 7提高到0.661 6和0.485 0.该研究对热红外反演夏玉米田间土壤含水率方法进行了新的尝试.     

在线式作物冠气温差监测与灌溉决策系统研制

作物冠气温差是一个经济、简便的、能够较好进行灌溉决策的指标。针对现有人工监测的费时、费力,且不具有连续性的缺点,设计、开发了一种在线式作物冠气温差监测系统,并进行灌溉决策指导。本系统具有操作灵活、安全性高的特点。通过初步的冬小麦田间试验监测,验证了该系统的有效性和准确性,并提出了该指标进一步研究的新问题和新思路。     

水分调亏对地下滴灌夏玉米田水热动态的影响

通过北京地区地下滴灌夏玉米田间试验,研究了前期不同程度水分亏缺对土壤水热和夏玉米冠层温度、株高、叶面积指数及产量的影响。结果表明:在20～60 cm土层,除重度亏水处理外,其他处理的土壤含水率均在高位平稳变化;在60～100 cm土层,丰水处理的土壤含水率最大;对不同深度的土层,轻度与中度亏水处理两者间的土壤含水率差异较小。受作物覆盖度和亏水程度的影响,拔节期各处理间土壤温度和冠层温度有明显差异;在较浅土层(距地表30 cm和50 cm处)中,拔节期之前丰水处理的土壤温度较低,拔节期之后各处理间差异逐渐减小;在较深土层(距地表80 cm处)中,水分亏缺程度越大,土壤温度越高。轻度亏水处理能获得较高的产量,中度亏水处理能提高水分利用效率。     

不同灌水量对南疆棉花墒情及长势的影响研究

通过棉花膜下滴灌大田试验,研究了不同灌水量情况下作物长势与产量影响及土壤墒情变化与分布规律的影响。试验共设了3 300、3 000、2 700、2 400m3/hm2等不同灌溉定额的处理,在各处理试验小区内装土壤墒情传感,并其传感器探头埋在地下10、20、40cm处实时监测不同层面土壤含水量和温度变化,以及同时在相应处取土样采用烘干法测土壤含水率和田间持水量。结果表明:3 300、3 000m3/hm2灌溉定额下,作物长势、土壤含水率和温度变化规律比较好,并与产量的相关性显著最佳状态,灌溉定额对土壤水分与温度灌水前后和灌水周期内变化的影响有明显显著。     

Canopy temperature as a measure of salinity stress on sorghum

Summary A complete understanding of plant response to combined water and salinity stress is desirable. Previous growth chamber and greenhouse experiments with sorghum and maize indicate that soil salinity, by negatively affecting growth processes, may reduce consumptive water use, thus prolonging the supply of available soil moisture. In the present field experiment, canopy temperature measurements were used to examine the effect of soil salinity on the plant-soil water relations of sorghum (Sorghum bicolor L. cv. Northrup King 1580). An infrared thermometer was used to measure canopy temperature during a 9-day period including two irrigations in plots of various salinities. The salinity treatments were created by a dual line-source sprinkler irrigation system, which applied waters of different quality. Excess irrigation allowed soil moisture to be uniform across the salinity treatments at the beginning of the measurement period. Consumptive water use and soil salinity were measured to quantify the salinity and water treatments. Grain and dry matter yields provided measures of plant response. Canopy temperature measurements were sensitive enough to detect differences across the salinity treatments when soil moisture was uniform for several days following irrigation. However, over the 9-day measurement period, plants in the low-salt plots used more water than plants in the high-salt plots. This differential water use eventually offset the salinity-induced stress, with the result that temperature differences were eliminated. Differences in temperature were observed again following irrigation. The results demonstrate that canopy temperature can be used as a tool to detect salinity stress on sorghum. Timing of measurements with regard to irrigation is identified as a key factor in detecting temperature differences that can be attributed to the presence of soil salinity.     

冬小麦冠气温差及其相关影响因素关系研究

在冬小麦主要生育期(2002年的4月初到5月底),对3个不同水分处理测定了冠层温度、气温以及土壤含水率和叶面积指数,并进一步计算了冠气温差并分析了冠气温差与土壤含水率和叶面积指数间的关系。结果表明:不同的灌溉措施对冠气温差的影响是有差异的;中午14:00左右在H2高度处(冠层之上)的冠气温差能反映作物的水分特征,可以用此时刻的实验结果来检验遥感数据反演冠气温差的精度;在60～80cm土层的土壤体积含水率能较好地反映中午14:00冠层之上冬小麦冠气温差的变化情况,不同水分处理二者的相关系数(R2)分别为0.60361(节水灌溉),0.95668(充分灌溉),0.84597(不灌溉);不同水分处理下的冬小麦主要生育期的叶面积指数与冠气温差也有一定的相关性,冠层之上二者的相关系数分别为:0.76082(节水灌溉),0.40548(充分灌溉),0.99499(不灌溉),这为区域上遥感反演作物冠气温差来监测土壤含水率及作物估产提供了依据。     

Evaluating canopy temperature-based indices for irrigation scheduling

Summary Since the development of commercial versions of infrared sensors, they have been increasingly used to determine canopy temperature and schedule irrigations. However, some shortcomings of the technique have been identified, among them the sensitivity of canopy temperature measurements to weather fluctuations. Based on field and computer simulated data, an analysis of the suitability of crop water stress indices (CWSI's) developed from canopy temperature under variable weather conditions was done. Important day to day fluctuations of CWSI values determined using an empirical baseline (empirical CWSI) appeared common for nonstressed crops, particularly under low vapor pressure deficit conditions. These fluctuations generate uncertainty in the use of this empirical index to determine needs for irrigation. The use of an improved index (theoretical CWSI) requiring measurements of net radiation, soil heat flux and wind speed, and estimates of aerodynamic and canopy resistances reduced but did not eliminate these fluctuations. Results using a simulation model showed that the empirical CWSI provided late indication of irrigation needs, after some water stress has developed, which may limit its application for crops sensitive to water stress. These simulations also indicated that the theoretical CWSI was able to track the development of water stress and provide reasonable indication of irrigation needs. However, this result may not be fully realized in field applications where the determination of CWSI may be affected by various sources of variability which are not accounted for by the model.     

冬小麦冠层温度对大气温度的时滞效应与影响因素研究

冠气温差能够间接监测作物水分变化规律，而冠层温度与大气温度之间存在的时滞效应会影响监测效果，为探明两者之间的时滞效应变化规律及影响因素，本研究以拔节期至乳熟期的冬小麦为研究对象，利用红外温度传感器连续监测灌溉上限分别为田间持水率的95%(T1)、80%(T2)、65%(T3)和50%(T4)4个不同灌溉处理的冠层温度，并同步获取短波净辐射(Short-wave net radiation,R_S)、大气温度(Atmospheric temperature,T_A)、相对湿度(Relative humidity,R_H)等气象数据。利用错位相关法计算冠层温度与大气温度之间的时滞时间(Time lag,T_L),分析其在不同生育期和不同灌溉条件下变化规律，并采用相关性分析法探究气象因子(R_S、T_A、R_H)变化率和日均值与时滞时间的相关性，最后通过通径分析探讨气象因子(R_S、T_A、R_H     

基于冠层温度的水稻关键生育期缺水诊断

以船行灌区水稻为试验作物,在2014年7-10月水稻生长发育的分蘖期、拔节孕穗期、开花结实期等3个关键期进行水稻需水试验,研究水稻冠层温度、大气温度与土壤含水量的关系,提出作物缺水诊断方法.研究结果表明:冠层温度晴天变化趋势随气温变化差异较大,阴雨天与大气温度差异不大,这与晴天水稻蒸发蒸腾强度高而阴雨天蒸发蒸腾强度低有关;抽穗开花期冠气温差在午间呈现正值,其他时间大多为负值,而成熟期冠气温差基本为正值且午间最大;通过水稻拔节孕穗期和开花结实期间冠气温差和对应时段内土壤适宜含水率上下限的对比,确定直播和插秧稻在拔节孕穗期的冠气温差上限达到1.5 ℃时,在开花结实期冠气温差上限分别超过2.4 ℃和2.5 ℃时,土壤水分已达胁迫水平,应对水稻进行灌溉.通过监测冠层温度,可以便捷地获取水稻缺水状况.     

Effect of mulching on soil and plant water status, and the growth and yield of wheat (Triticum aestivum L.) in a semi-arid environment

Mulching is one of the important agronomic practices in conserving the soil moisture and modifying the soil physical environment. Wheat, the second most important cereal crop in India, is sensitive to soil moisture stress. Field experiments were conducted during winter seasons of 2004-2005 and 2005-2006 in a sandy loam soil to evaluate the soil and plant water status in wheat under synthetic (transparent and black polyethylene) and organic (rice husk) mulches with limited irrigation and compared with adequate irrigation with no mulch (conventional practices by the farmers). Though all the mulch treatments improved the soil moisture status, rice husk was found to be superior in maintaining optimum soil moisture condition for crop use. The residual soil moisture was also minimum, indicating effective utilization of moisture by the crop under RH. The plant water status, as evaluated by relative water content and leaf water potential were favourable under RH. Specific leaf weight, root length density and dry biomass were also greater in this treatment. Optimum soil and canopy thermal environment of wheat with limited fluctuations were observed under RH, even during dry periods. This produced comparable yield with less water use, enhancing the water use efficiency. Therefore, it may be concluded that under limited irrigation condition, RH mulching will be beneficial for wheat as it is able to maintain better soil and plant water status, leading to higher grain yield and enhanced water use efficiency.