根據作物缺水程度控制灌溉的方法及其裝置的制作方法

專利名稱：根據作物缺水程度控制灌溉的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于農業灌溉技術領域，特別是涉及一種根據作物缺水程度控制灌溉的方
法及其裝置。
背景技術：
作物生長發育需要眾多環境因子，當這些環境因子變化對作物產生傷害效應時稱 之為脅迫。作物在生長過程中常遭受多種環境脅迫。研究證實水分虧缺對作物生長發育 和產量的影響超過所有其他脅迫的總和。因此水是農業生產的重要基礎資源，作物水分的 管理是作物生產中最為重要的措施之一。 一般來說，適宜作物正常生長發育的根系活動層 (0 90cm)，其土壤含水量為田間持水量的60% 80%，如果低于此含水量時應及時進行 灌溉。土壤含水量對灌溉有一定參考價值，并在作物節水灌溉中得到廣泛應用。但是由于 灌溉對象是作物，而不是土壤，沒有利用作物本身需水信息作為灌溉的直接依據，因此沒有 真正達到按照作物的需求供水。 提高自然降水和灌溉水利用效率是節水農業的核心，節水農業技術的研究重點已 從工程節水向農藝節水、生物(生理)節水方向傾斜。生物節水的中心思想是采用科學 方法，突破傳統的"及時足量"的灌溉模式，根據作物耗水和水分利用規律適時適量供水，即 在滿足作物生理需要的同時，減少作物的水分奢侈性蒸騰消耗，根據作物各生理過程和各 生育階段對水分的敏感程度，確定作物對土壤水分的需求，提高作物水分生產效率。長期以 來，國內外學者在生物節水技術方面進行了大量研究工作。人們直接利用或間接參考作物
的生理變化探討作物的需水信息，先后研究了許多用于作物水分虧缺診斷的方法。但前人 的工作主要是水分虧缺所引起的作物生理的變化規律，且集中于理論分析和實驗數據的 統計。由于這些作物水分虧缺診斷的方法均存在這樣或那樣的不足，因而將植物的生理指 標作為植物需水信息決策并應用于實際的灌溉控制中尚不多見，除個案外，能夠規模應用 的產品幾乎沒有。下面據以往的研究成果，就不同的作物水分虧缺診斷指標、方法的優勢和 局限性綜述如下 1、作物形態作物缺水的形態主要表現在兩個方面一是葉面積指數下降；二是 葉片發生形態變化，如葉片萎蔫；葉片改變方位；改變葉角和改變葉片顏色等。雖然形態指 標可用來判別作物的水分虧缺，但缺水而引起的作物形態變化有一個滯后期，當形態上出 現上述缺水癥狀時，生理上已經受到一定程度的傷害了。另外缺水并非導致作物形態變化 的唯一原因，即使監測到了作物形態變化也很難量化其缺水程度。 2、植物水勢植物水勢的測定被認為是了解植物水分虧缺程度的最直接方法，但 直接測定葉水勢需要進行離體檢測，對植物體具有破壞性。通過測量植物莖稈直徑或葉片 厚度微變化可以間接測定植物水勢，雖對植物體不具有破壞性，但與植物有實體接觸，受植 物生長影響，需經常校準，不適宜長期觀測。植物器官的動態水力特性隨時間的變化將降低 測量的可靠性和可行性。測量裝置附著在植物體上容易脫落，抗擾動性差，存在檢測個體差
巳 升。
3、氣孔導度當植物缺水時，水分成為決定氣孔開閉的決定性因素，干旱會導致氣 孔關閉，從而避免因繼續大量蒸騰失水而造成傷害。直接測定氣孔導度需要手工操作，與植 物有實體接觸，在實時灌溉決策中難以實現。作物吸收水分的99%用于葉面蒸騰，氣孔是 植物蒸騰所必需經過的通道。氣孔導度大，蒸騰就強；反之就弱。檢測葉面蒸騰可以間接測 定氣孔導度，通過測量植物莖流變化可以間接檢測葉面蒸騰進而檢測氣孔導度變化，但該 方法設備昂貴，操作難度大，與植物有實體接觸并存在檢測個體差異。根據能量守恒原理， 葉片溫度是環境和植物內部因素共同影響葉片能量平衡的結果，基于葉溫變化的作物水分 虧缺診斷指標更能全面地反映作物的水分虧缺狀況。當作物水分供應減少時，作物蒸騰的 潛熱減少顯熱增加，葉片溫度相應上升，葉溫的變化間接反映了葉面蒸騰的變化。葉溫的量 測通過接觸或非接觸方式進行，使用細小的熱電偶線插入植物葉脈或貼在葉面上，在作物 商業化生產中難以推行。 一般使用非接觸的紅外線溫度傳感器，采用冠氣溫差或CWSI(作 物水分脅迫指標)作為缺水判斷指標。它是迄今為止被認為最有商業化前景的灌溉控制方 法。國內已有專利，例如申請號200710178192 —種在線式作物冠氣溫差灌溉決策監測系 統。 4、光合速率在嚴重水分肋迫下，植物光合作用受到抑制或完全抑制。但測試光合 速率程序過于復雜，僅適合于科學研究。 5、細胞汁液濃度從植物生理上講干旱使植株體液理化性質發生改變，體液增濃、 葉水勢增大且能在生理電特性上有所反映。用套針式電阻傳感器測玉米莖稈生理電阻，用 介電常數變化型平行平板電容傳感器測玉米葉片生理電容，都能實時準確反映植株水分狀 況。但與植物有實體接觸，影響所測部位正常生理功能，不宜長期觀測，測量裝置插入或附 著在植物體上，抗擾動性差，存在檢測個體差異。 6、聲音信息根據水分運輸內聚力理論，作物在水分脅迫時植物體內的水分子間 的內聚力失效或對導管壁的附著力失效，發生斷裂或抽空，即植物木質部的氣穴現象，可以 通過聲接收傳感器所獲得的作物信息實現對作物視情灌溉和調節。但有關機理特別是量化 指標需進一步研究完善，與植物有實體接觸，測量裝置附著在植物體上，抗擾動性差，存在 檢測個體差異。 上述作物水分虧缺診斷指標可分為形態和生理指標兩種，植物生理指標對缺水反 應的敏感性明顯好于作物形態指標。與植物有實體接觸的缺水診斷方法，雖然理論架構都 很完整，并可通過增加傳感器種類(多指標)或數量(多點位)來減少檢測個體差異的影 響，但在量產規模的商業化作物生產情況下難以落實推動。所以研發非接觸式，能將植物體 遭受缺水逆境的生理訊號予以量化的消除個體差異的感測方法顯得特別需要，非接觸式將 更受使用者青睞而易于商業化推廣。 非接觸式目前主要從以下兩方面進行研究一是應用圖像及光譜技術進行作物缺 水信息診斷的技術，國內外的研究都在進行中。作物形態變化滯后于作物缺水仍是該種技 術的主要瓶頸，該種技術更適用于旱情監測遙感；二是基于紅外線溫度傳感技術，通過作物 冠層表面溫度來反映作物缺水狀況一直是一個比較活躍的研究領域，從20世紀60年代就 已經開始。研究主要集中在田間尺度上，其技術體系的核心是利用紅外測溫儀研究作物冠 層溫度或冠氣溫差與作物生長和缺水指標的關系，通過對作物水分脅迫指標(CWSI)的經 驗模式和理論模式的研究，提出反映作物缺水狀況的指標，用于農田水分灌溉和管理。從國外目前的研究結果看，紅外溫度是個比較有前途的作物水分狀況診斷信號。利用紅外測溫 技術診斷作物缺水狀況有著多方面的優勢測定快速，操作簡便，不干擾破壞樣本，可以連 續自動監測。這種方法克服了以單葉片或單株作物為基本監測單元時取樣誤差大的弊端， 因此非常適用于大田作物。 一般有以下3種方法一是作物冠層葉面溫度法。作物冠層溫 度是環境(大氣、土壤水分)和植物體內部因素共同影響冠層能量平衡的結果，作物冠層 溫度與能量的吸收和釋放過程有關，作物冠層吸收太陽輻射能，這種能量轉換成熱能，作物 蒸騰將會消耗一部分熱能，剩余的熱能會使冠層溫度升高。因此，在高水分條件下的作物 冠層溫度較低，在低水分條件下，蒸騰會減少，所消耗的潛熱也會減少，感熱增加，作物冠層
溫度會增加。Wanjura DF(1995)等通過測量1天中棉花冠層溫度超過28°C的時間數來控 制灌溉。與之類似的代表性指標主要有脅迫積溫SDD(Stress Degree Day)、冠層溫度變率 CTV(Canopy Temperature Variability)禾口溫度脅迫日TSD(Temperature Stress Day)等。 這些指標的共同特點是通過考慮作物冠層溫度在時間上(如SDD、TSD)或空間上(如CTV) 的變化特征來反映作物的水分狀況。由于冠層溫度是農田生態系統中能量平衡的結果，冠 層溫度的變化并不僅僅受到土壤水分多少的影響，因此通過單一冠層溫度建立起來的指標 在實際應用中并不理想；二是用作物冠層溫度與氣溫差指標反應作物的水分虧缺狀態。很 多研究認為作物冠層與冠層上部空氣的溫度差(Tc-Ta)與作物供水狀況密切相關，一般由 于中午時分蒸騰最強烈，Tc-Ta差異最大，這時的冠氣溫差最能反應作物的水分供應狀態。 由于作物冠層蒸騰的冷卻作用，不缺水作物的Tc-Ta—般為負值，出現正值一般表示作物 開始缺水。但一些研究顯示，一般用百葉箱中的氣溫代替冠層上部的氣溫來計算冠氣溫差， 因為前者的測量要比后者簡便。用百葉箱中的溫度代替冠層上部的氣溫，其冠氣溫差的變 化起伏很大，特別是夏季輻射強，冠層上部的大氣溫度可能比百葉箱中的溫度要高，因此用 百葉箱中的溫度代替冠層上部的氣溫，使計算的冠氣溫差正值偏多。對于充分供水的夏玉 米，冠層溫度與百葉箱的氣溫差值大多在1.5t:以下，把冠氣溫差1.5t:作為了指導夏玉米 灌水的指標。該方法受環境影響，缺水閾值離散性較大，一般較少單獨采用。例如中國水 利水電科學研究院大興試驗基地精量控制灌溉試驗區就采用了冠氣溫差與土壤水分指標 相結合的方式；三是使用作物水分脅迫指標CWSI(Crop WaterStress Index)指導灌溉時 間。目前，使用作物水分脅迫指標CWSI(Crop WaterStress Index)來指導灌溉時間是一種 重要手段。1981年，Idso首先提出了基于經驗模式的作物水分脅迫指標CWSI (Crop Water Stress Index), CWSI可定義為實際蒸散量與水分供給充足時的作物最大蒸散量相比的虧 缺程度。
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, ETp (H) 其中ETa為實際蒸散量(mm/d) ;ETp為可能(潛在)蒸散量(mm/d)。在作物覆蓋 較好，只有一小部分能量用于土壤蒸發的情形下，CWSI還有另外一種形式 (，1 =卜77-
^ (l一2) (1-2)式綜合考慮了土壤、作物和外界環境的因素，被認為是較理想的指標之一， 但其也存在缺點，即采用彭曼-蒙斯特公式計算蒸騰速率(T)和潛在蒸騰速率(Tp)時，只 考慮了氣孔擴散阻力，而未考慮水流通路上阻力的變化，而這一阻力是時刻在變化的。Idso
8等將充分供水時冠氣溫差(Tc-Ta)與水汽飽和差(VPD)之間的這一關系定義為下基線。隨 著水分脅迫的加劇，(Tc-Ta)變大且位于下基線之上，當蒸騰完全停止時，(Tc-Ta)將達到 一個極限值，Idso將這一極限值定義為上基線。利用Idso的作物水分脅迫指標定量診斷 作物的水分狀況關鍵在于確定充分供水條件下的下基線。上下基線的確定除經驗模式外還 有理論模式。 1、經驗模式Idso S B等于1981年考慮了影響作物冠層溫度變化的主要環境因 子空氣濕度，提出了作物水分脅迫指數CWSI。這一指標基于一個重要的經驗關系，即作物在 充分灌水(或潛在蒸發)條件下作物冠層溫度與空氣溫度的差(簡稱冠氣溫差)與空氣的 飽和水汽壓差成線性關系，用公式表達如下
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式中Tc作物冠層溫度(°C ) ，Ta空氣溫度(°C ) ，A、B線性回歸系數；VPD空氣飽和 水汽壓差(Pa)水汽飽和差，(Tc-Ta)n作物在潛在蒸騰狀態下的冠氣溫差，是冠氣溫差的下 限(下基線)。從而定義CWSI如下
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式中(Tc-Ta)實測的作物冠氣溫差；(Tc_Ta)u作物在無蒸騰狀態下的冠氣溫差， 為冠氣溫差的上限(上基線)，Idso認為這是一個僅與空氣溫度有關的值，可以由下式計 <formula>formula see original document page 9</formula>
式中VPG指溫度為Ta時的空氣飽和水汽壓和溫度為Ta+A時的空氣飽和水汽壓之 間的差，A、B與公式(1-1)相同。 2、理論模式對于理論模式，Jackson R D等(1988)根據能量平衡阻力模式，推導 出葉氣溫差的上、下限方程
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t密度或冠層下方能量的通量密度(W/m2); Y干濕表常數(Pa/°C ) ; A空氣飽和水汽 式中Rn冠層凈輻射(W/m2) ;G土壤熱通〗 P空氣密度(kg/m3) ;Cp空氣比熱(J/(kg. °C )) 壓隨溫度變化的斜率(Pa/°C) ;^空氣動力學阻力(s/m) ;r。p冠層在潛在蒸發狀態下的最 小冠層阻力(s/m)。從經驗模式和理論模式的公式看，經驗公式較為簡單，其考慮的氣象因 素僅為VPD，而未考慮其它氣象因素的影響；理論模式的理論依據加強，但公式中所應用的 參數較多，有些參數的計算難以得到準確的結果，難以廣泛應用。CWSI的目的是表明作物水 分虧缺程度，是處于0和l之間的數值量。然而，采用經驗公式計算CWSI有時會出現大于 1的情況，顯然存在計算結果不合理的情況。Al-Faraj，A.等(2000)應用模糊邏輯算法，根 據冠層溫度、凈輻射和水汽壓差等對酥油草的水分虧缺指標CWSI進行了動態決策；李國臣 (2005)以冠層-空氣溫差Tc-Ta (°C )和相關的環境因素空氣飽和水汽壓差VPD(kPa)、光 照強度Rn(W/m2)、風速Vw(m/s)為輸入變量，以CWSI為目標輸出，采用模糊神經網絡方法， 以吉林大學溫室內生長的黃瓜為研究對象，對溫室內黃瓜水分虧缺指標CWSI進行動態決策分析，CWSI結果均在0和1之間的合理范圍。雖應用模糊邏輯算法能消除CWSI出現超 出0 1的不合理情況，但存在的問題也是顯而易見的。1、模糊化過程要人為的規定各影 響因子的影響權重，經驗占了相當大的比重；2、需要實測的參數數量與理論模式相差無幾， 參數仍然較多，優勢并不明顯。

發明內容
本發明的目的是提供一種無需多參數繁瑣計算，沒有檢測個體差異，非接觸檢測，
生產上易于實現的根據作物缺水程度控制灌溉的方法及其裝置。 本發明的目的是這樣實現的 —種根據作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于 首先，將不會產生蒸騰的參考作物置于與檢測作物環境相同的地方，參考作物水 平一字布置，在參考作物水平一字布置的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水 平一字布置方向水平，依次安裝有參考作物上方超聲波發射頭和參考作物上方超聲波接收 頭，在參考作物上方超聲波發射頭和參考作物上方超聲波接收頭順著參考作物水平一字布 置方向的正前方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作 物水平一字布置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板；位于檢測作物的正上方垂直于檢 測作物水平種植方向水平依次安裝有檢測作物上方超聲波發射頭和檢測作物上方超聲波 接收頭，在檢測作物上方超聲波發射頭和檢測作物上方超聲波接收頭順著檢測作物水平種 植方向的正前方，位于檢測作物的正上方垂直于檢測作物水平種植方向安裝有檢測作物上 方超聲波反射板；檢測作物上方超聲波發射頭和檢測作物上方超聲波接收頭到檢測作物上 方超聲波反射板的距離與參考作物上方超聲波發射頭和參考作物上方超聲波接收頭到參 考作物上方超聲波反射板的距離相等； 其次，由光照閾值檢測模塊和光照積分閾值檢測模塊確定檢測時間窗口，當光照
達到所設定的閾值后，光照閾值檢測模塊啟動光照積分閾值檢測模塊對光照強度進行積
分，當達到所設定的光照積分閾值后，進入檢測時間窗口，當光照低于所設定的閾值后，光
照閾值檢測模塊的輸出使光照積分閾值檢測模塊的積分值清零復位，退出檢測時間窗口 ； 第三，進入檢測時間窗口后，超聲波發射間隔控制模塊被啟動，按時間間隔控制超
聲波發生器產生一組超聲波脈沖串，該脈沖串分為兩路，一路通過參考作物上方超聲波發
射頭，另一路通過檢測作物上方超聲波發射頭，同時發送出去，當參考作物上方超聲波接收
頭收到被參考作物上方超聲波反射板反射回來的超聲波后，確認超聲波到達的時間點，在
確認超聲波到達的時間點上啟動計數、顯示模塊的計數器計數，當檢測作物上方超聲波接
收頭收到被檢測作物上方超聲波反射板反射回來的超聲波后，確認超聲波到達的時間點，
在確認超聲波到達的時間點上關閉計數、顯示模塊的計數器計數； 第四，將計數、顯示模塊的計數器的計數值與根據超聲波渡越時間作物缺水指數 通過計數預置模塊預先設定的計數閾值進行比較，如果計數、顯示模塊的計數器的計數值 小于計數預置模塊所設定的計數閾值，作物缺水達到了需要灌溉的程度，將啟動小額灌溉 系統； 第五，退出檢測時間窗口后，超聲波發射間隔控制模塊被關閉，除光照閾值檢測模 塊仍在工作外，其余進入休眠狀態以節省電力消耗。
所述的參考作物由一字水平排列相互留有間隙的各個橫著放置的長方形模擬葉
和順著模擬葉一字水平排列方向位于模擬葉兩側的前擋風板、后擋風板組成。 所述的檢測時間窗口 ，達到光照積分閾值是進入檢測時間窗口的必要條件，陰天
達不到光照閾值，光照積分閾值檢測模塊的積分值仍處于被清零復位狀態，多云天氣即使
某個時刻達到了光照閾值，光照閾值檢測模塊的輸出啟動了光照積分閾值檢測模塊對光照
強度進行了積分，但在達到光照積分閾值前的某個時刻，光照又低于了所設定的閾值，光照
閾值檢測模塊的輸出將使光照積分閾值檢測模塊的積分值重新被清零復位，仍達不到光照
積分閾值，陰天和多云天氣都進入不了檢測時間窗口，通過調整光照閾值和光照積分閾值
使檢測時間窗口落在晴好天氣的中午12時至下午16時之間。 所述的通過參考作物上方超聲波發射頭和檢測作物上方超聲波發射頭同時發送 的超聲波脈沖串，具有相同的頻率和相位，包含有相同的脈沖個數，脈沖個數以接收到的超 聲波脈沖串波形仍呈"菱形"為上限。 所述的超聲波到達的時間點是這樣確認的參考作物上方超聲波接收頭和檢測作 物上方超聲波接收頭分別收到參考作物上方超聲波反射板和檢測作物上方超聲波反射板 反射回來的超聲波后，分別送入差分放大器A、差分放大器B，經差分放大后，分別送入增益 控制放大器A、增益控制放大器B，經增益控制放大后，分別送入高Q值帶通濾波器A、高Q值 帶通濾波器B，經帶通濾波后，分別送入半波整流器A、半波整流器B進行半波整流，去掉半 周后，分別送入變指數放大器A、變指數放大器B，分別作為一個固定電壓的指數分別對該 固定電壓進行變指數放大，在不改變剩下半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開 各脈沖峰值點的振幅差距，同時使各脈沖峰值點兩側更加陡峭，經變指數放大后，分別送入 門限比較模塊A、門限比較模塊B進行門限檢測，找出振幅最大的脈沖，再分別送入微分和 過零檢測模塊A、微分和過零檢測模塊B，進行微分和過零檢測，找出各自振幅最大脈沖峰 值點，分別為參考作物上方超聲波接收頭收到被參考作物上方超聲波反射板反射回來的超 聲波到達的時間點和檢測作物上方超聲波接收頭收到被檢測作物上方超聲波反射板反射 回來的超聲波到達的時間點。 所述的超聲波渡越時間作物缺水指數是這樣定義的，超聲波渡越時間作物缺水指 數
「0040， Ultrasonic TOF CWS1' = 1 - -=—- (1 — 8 )
A/尸 (1-8)式中A t為實際的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時 間差，A tP為潛在或最大的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差， A tp可用充分供水時實測的最大A t值代替，參考作物冠層指的是參考作物接受太陽輻射 的模擬葉部分；當作物不缺水時因作物植株蒸騰而產生的降溫幅度最大，與之對應的檢測 作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差At最大，與A tp相同，Ultrasonic TOF CWSI計算結果為O，表示檢測作物不缺水，同理，當作物完全水分脅迫使作物植株蒸騰 停止時，因作物植株蒸騰而產生的降溫幅度最小，與之對應的檢測作物冠層上方與參考作 物冠層上方的超聲波渡越時間差At最小，At為O， Ultrasonic TOF CWSI計算結果為1， 表示檢測作物停止蒸騰處于完全水分脅迫狀態，Ultrasonic TOF CWSI是指示作物水分虧 缺程度，處于0和1之間的數值量，數值越大表示作物缺水程度越高，
所述的計數、顯示模塊的計數器的計數值是超聲波渡越時間作物缺水指數計算公 式(1-8)中的"實際的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差At"， 公式(1-8)中的潛在或最大的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間 差Atp，用灌溉后根系土壤充分侵潤，作物供水充足時實測的最大At值代替，對于小額灌 溉，用灌溉后第4天午后14時計數、顯示模塊的計數器的計數值； 所述的計數預置模塊預先設定的計數閾值是這樣確定的，首先，根據所種植作物 對干旱的敏感性，確定需要灌溉時的超聲波渡越時間作物缺水指數Ultrasonic T0F CWSI， 然后，取上次小額灌溉后第4天午后14時計數、顯示模塊的計數器的計數值，作為Atp，將 Ultrasonic T0F CWSI和A tP代入公式(1-8)，即
計數閾值=(1-UltrasonicTOFCWSI) A tP。 —種根據作物缺水程度控制灌溉的裝置，其特征在于將不會產生蒸騰的參考作 物置于與檢測作物環境相同的地方，參考作物水平一字布置，在參考作物水平一字布置的 一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向水平，依次安裝有參考作 物上方超聲波發射頭和參考作物上方超聲波接收頭；在參考作物上方超聲波發射頭和參考 作物上方超聲波接收頭順著參考作物水平一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置 的另一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向安裝有參考作物上方 超聲波反射板；位于檢測作物的正上方垂直于檢測作物水平種植方向水平依次安裝有檢測 作物上方超聲波發射頭和檢測作物上方超聲波接收頭，在檢測作物上方超聲波發射頭和檢 測作物上方超聲波接收頭順著檢測作物水平種植方向的正前方，位于檢測作物的正上方垂 直于檢測作物水平種植方向安裝有檢測作物上方超聲波反射板；檢測作物上方超聲波發射 頭和檢測作物上方超聲波接收頭到檢測作物上方超聲波反射板的距離與參考作物上方超 聲波發射頭和參考作物上方超聲波接收頭到參考作物上方超聲波反射板的距離相等；
控制裝置包括如下各部分光照閾值檢測模塊，光照積分閾值檢測模塊，超聲波發 射間隔控制模塊，計數啟、閉控制模塊，計數用振蕩器，超聲波脈沖個數控制設置模塊，超聲 波發生器，計數、顯示模塊，計數預置模塊，計數值與計數閾值比較模塊，比較結果延時采樣 與保持模塊，小額灌溉系統；超聲波發射和接收部分分為對稱結構的兩路， 一路和參考作物 有關，它們是超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A，參考作物上方超聲波發射頭，參考作物 上方超聲波接收頭，差分放大器A，增益控制放大器A，高Q值帶通濾波器A，半波整流器A， 變指數放大器A，門限比較模塊A，微分和過零檢測模塊A，另一路和檢測作物有關，它們是 超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊B，檢測作物上方超聲波發射頭，檢測作物上方超聲波接 收頭，差分放大器B，增益控制放大器B，高Q值帶通濾波器B，半波整流器B，變指數放大器 B，門限比較模塊B，微分和過零檢測模塊B， 控制裝置各部分連接如下光照閾值檢測模塊輸出端和光照積分閾值檢測模塊連 接；光照積分閾值檢測模塊輸出端分別與超聲波發射間隔控制模塊和比較結果延時采樣與 保持模塊連接；超聲波發射間隔控制模塊輸出端分別與計數啟、閉控制模塊和超聲波脈沖 個數控制設置模塊連接；計數用振蕩器輸出端和計數啟、閉控制模塊連接；計數啟、閉控制 模塊輸出端分別與計數、顯示模塊和比較結果延時采樣與保持模塊連接；計數、顯示模塊輸 出端和計數值與計數閾值比較模塊連接；計數預置模塊輸出端和計數值與計數閾值比較模 塊連接；計數值與計數閾值比較模塊輸出端和比較結果延時采樣與保持模塊連接；比較結
12果延時采樣與保持模塊輸出端和小額灌溉系統連接；超聲波脈沖個數控制設置模塊輸出端 和超聲波發生器連接；超聲波發生器的輸出分為兩路，為對稱結構，一路經過參考作物上 方，用于啟動計數、顯示模塊的計數器計數，另一路經過檢測作物上方，用于關閉計數、顯示 模塊的計數，參考作物超聲波發生器輸出端和超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A連接； 超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A輸出端和參考作物上方超聲波發射頭連接；參考作物 上方超聲波接收頭輸出端和差分放大器A連接；差分放大器A輸出端和增益控制放大器A 連接；增益控制放大器A輸出端和高Q值帶通濾波器A連接；高Q值帶通濾波器A輸出端和 半波整流器A連接；半波整流器A輸出端和變指數放大器A連接；變指數放大器A輸出端和 門限比較模塊A連接；門限比較模塊A輸出端與微分和過零檢測模塊A連接；微分和過零檢
測模塊A輸出端與計數啟、閉控制模塊連接，用于啟動計數、顯示模塊的計數器計數，檢測
作物超聲波發生器輸出端和超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊B連接；超聲波發射頭高 電壓差分驅動模塊B輸出端和檢測作物上方超聲波發射頭連接；檢測作物上方超聲波接收 頭輸出端和差分放大器B連接；差分放大器B輸出端和增益控制放大器B連接；增益控制放
大器B輸出端和高Q值帶通濾波器B連接；高Q值帶通濾波器B輸出端和半波整流器B連 接；半波整流器B輸出端和變指數放大器B連接；變指數放大器B輸出端和門限比較模塊B 連接；門限比較模塊B輸出端與微分和過零檢測模塊B連接；微分和過零檢測模塊B輸出端
與計數啟、閉控制模塊連接，用于關閉計數、顯示模塊的計數器計數。 所述的參考作物由一字水平排列相互留有間隙的各個橫著放置的長方形模擬葉
和順著模擬葉一字水平排列方向位于模擬葉兩側的前擋風板、后擋風板組成。
針對存在的技術問題本發明所采用的技術方案的有益效果詳述如下 目前國內外的研究者在基于冠層溫度方法研究作物缺水指標的研究中，一致認同
氣溫作為作物冠層溫度的參照，幾乎沒有人對其合理性產生質疑。事實上氣溫作為作物冠
層溫度的參照并不合理，主要體現在以下幾個方面 1、冠層溫度和大氣溫度兩者溫升不同步，最大值在時間點上并不重合，存在雙峰 現象。因此，沒有統一的最佳觀測時間點。據呂川根(2008)觀測，在晴天，白天6:00 13:00植株溫度(采用針式熱電偶傳感器插入葉鞘內)比空氣溫度(百葉箱溫度)提前lh 升高，日最高植株溫度出現在13:00。空氣溫度總比植株溫度晚lh升高，日最高氣溫出現 在14:00。兩者不僅時間相差lh，強度也是植株溫度比空氣溫度高。呂川根(2008)認為 造成白天植株溫度與空氣溫度位相和強度差異的原因，是由于植株對太陽短波輻射的吸收 率遠大于空氣。當植株吸收太陽輻射升溫后，釋放的長波輻射加熱周圍空氣，通過湍流使空 氣層溫度升高。13:00以后，隨著太陽輻射的減弱，植株溫度下降，而此時空氣溫度仍維持較 高水平，因而植株溫度低于空氣溫度。所以，不難理解，為什么現有的研究一般推薦冠氣溫 差最佳觀測時間為13:00或14:00而不是同一個時間。 2、冠層溫度和大氣溫度對影響兩者溫度升降的主要環境因素太陽輻射、空氣飽和 差、風速等變化反應不一致，存在時間和強度上的明顯差異，使可比性變差，不確定性增加。 導致CWSI的冠層-空氣溫差Tc-Ta (°C )的上下基線需要溫度之外的環境因素另外計算，不 僅繁瑣，而且準確性差，會導致CWSI出現超出0 1的不合理情況。 3、冠層溫度和大氣溫度兩者溫度觀測存在手段和方法上的不一致(氣溫是不能 用紅外線測溫儀監測的)，也產生了相當的不確定性。
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4、準確測量氣溫其實很困難，不同方法、位置及環境所測氣溫差異很大，沒有統一 的標準。 基于以上分析，本發明提出了理論上可克服上述缺陷的方法，它是這樣實現的
首先，將與檢測作物環境相同的作物植株上可能產生蒸騰的部位涂上膠水作為參 考作物，使參考作物與檢測作物的唯一差別就是參考作物沒有蒸騰。然后，仿造公式(1-2) 定義一個作物水分脅迫指標CWSI (Crop Water Stresslndex) c、VSI = 1——E (l — 9)
△7;, (1-9)式中AT為實際的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差(°C) ;ATp為可 能(潛在或最大)的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差(°C)， ATp可用充分供水時實 測的最大AT值代替。 用紅外線溫度計同時測量參考作物冠層和檢測作物冠層的溫度并將差值代入 (1-9)式計算CWSI，當作物不缺水時因作物植株蒸騰而產生的降溫幅度最大AT與ATp相 同，CWSI計算結果為O，表示檢測作物不缺水。同理，當作物極度缺水(完全水分脅迫)使 作物植株蒸騰停止時，因作物植株蒸騰而產生的降溫幅度最小AT為0，CWSI計算結果為1， 表示檢測作物停止蒸騰處于極度缺水(完全水分脅迫)狀態。因此，CWSI可以表明作物水 分虧缺程度，是處于0和1之間的數值量，數值越大表示作物缺水程度越高。
因為參考作物與檢測作物的冠層溫度升降條件除植株蒸騰外高度一致，所以兩者 的溫差變化僅僅與植株蒸騰有關，排出了其它環境因素影響。(1-9)式直接反映了植株蒸騰 能力，與同樣反映植株蒸騰能力的(1-2)式具有相同的計算結果，完全可以作為指示作物 水分脅迫的有效指標。 如果將參考作物冠層與檢測作物冠層溫度差的極限值代入(1-4)式同樣可以得 到(1-9)式，印證了該方法的合理性。
「 ， 「ww(Tc-Ta)-(Tc-Ta)n — A7'-(—A7， LWS! =-------------------------------二--------= 1---
l 」 (Tc-Ta)u-(Tc-Ta)n ()-(-A7;,) M; 另外，邱國玉(2004)，王麗明(2005)試驗證實，用涂上一層膠水以阻塞氣孔，使之 不再產生蒸騰作用制成模擬葉片，其實測溫度與考慮冠層凈輻射等環境因素計算的作物完 全沒有蒸騰情況下的冠層溫度高度一致。從另外一個角度證實了參考作物冠層與檢測作物 冠層的溫度差可以排除太陽輻射等環境因素的影響，僅僅與植株蒸騰有關的結論。
綜上所述，該方法最重要的貢獻是無需采用其它因子額外計算沒有蒸騰的上基 線和潛在蒸騰的下基線，在公式(1-9)中，AT二0為上基線，ATp為下基線。使CWSI的計 算得以最大程度的化簡。提出上述方法的目的，是為了讓讀者能更好的理解發明人的最終 發明。該方法從根本上排除了實時監測植株蒸騰時太陽輻射等環境因素的影響，僅需溫度 一種參數，就能準確檢測作物植株的蒸騰狀況。其次參考作物和檢測作物冠層(葉片)的 兩者溫度可以同時用紅外線測溫儀監測，消除了溫度觀測手段和方法不一致產生的不確定 性。但該方法仍有以下不足1、采用真實作物植株涂抹膠水的方法制作參考作物在生產上 是不現實的；2、投資大幅增加。在實際應用中，因為紅外線測溫儀的檢測視角非常小，為了 減少空間變異性(檢測個體差異)，非移動的紅外線測溫方式一般需要分開布置的紅外線 測溫儀3臺，取平均值作為觀測結果。為了保留觀測手段和方法一致的優勢，參考作物也需
14要用紅外線測溫儀測溫，因此，紅外線測溫儀要增加到4臺或以上。為克服以上不足，本發 明采用了以下技術方案。 1、用便于生產的人造參考作物替代了用真實作物植株涂抹膠水的方法制作的參
考作物。邱國玉(2004)，王麗明(2005)試驗證實，采用與葉片同一顏色的紙裁剪成葉片形
狀制成的模擬葉片完全可以替代用真實作物植株葉片涂抹膠水制成的模擬葉片。 2、采用了超聲波渡越時間(time-of-flight簡稱ToF)環境溫度測量方法非接觸
的同時測量多棵作物植株的平均溫度，既節省了投資，又沒有了檢測個體差異，尤其適合作
物的行播種植習慣，有效減少了裸露土壤對觀測結果的影響，優勢是顯而易見的。 聲波在空氣中的傳播速度可以由以下公式計算 v、Z二71^— (1 — 10)
M 式中Y是空氣定壓比熱容和定容比熱容比(Y = CP/CV) ;R是氣體普適常數；M是 氣體分子量；T是絕對溫度。
由式(1-10)可見，溫度是影響空氣中聲速的主要因素。
在0°C (T。 = 273. 15K)時的聲速
I 7，
v。 = 、 /-乙:-—」1 = 331.45M"' (l — ll)
(' M
在tt:時的聲速(M/s)
/ 、
- 331.4 + 0.607/ (1 — 12)
，、273.15. 由式(1-12)可以看出，聲速是聲波傳輸媒介空氣平均溫度的函數，在聲波傳輸距 離已知的情況下，只要檢測出聲波渡越時間就可以計算出聲速，進而計算出聲波傳輸媒介 空氣的平均溫度。 用該方法測量環境溫度已經獲得實際應用。例如美國SEI公司的
BOILERWATCH⑧一聲波氣體溫度場測量系統就成功的用于測量爐溫；臺灣高苑技術學院
等已研究用該方法測量轎車內的環境溫度用于車內空調等等。 在本發明中，為了減少計算量節省軟硬件投入和易于實現，沒有實際計算溫度和 溫差，而是仿造(1-9)式的原理，直接定義了一個超聲波渡越時間作物水分脅迫指標(Crop Water Stress Index on Ultrasonic time_of_flight簡稱Ultrasonic T0F CWSI，本發明 中也稱作超聲波渡越時間作物缺水指數)
「0078， Ultrasonic TOF C WS1 =卜—! (1 — 8)
A。， (1-8)式中A t為實際的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時 間差；A tP為可能(潛在或最大)的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越 時間差，Atp可用充分供水時實測的最大At值代替。(注本發明中所說的參考作物冠 層指的是參考作物接受太陽輻射的模擬葉部分)。當作物不缺水時因作物植株蒸騰而產生 的降溫幅度最大，與之對應的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差 At最大，與Atp相同，UltrasonicT0F CWSI計算結果為0，表示檢測作物不缺水。同理， 當作物極度缺水(完全水分脅迫)使作物植株蒸騰停止時，因作物植株蒸騰而產生的降溫
15幅度最小，與之對應的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差△t最 小，At為O，Ultrasonic T0F CWSI計算結果為1，表示檢測作物停止蒸騰處于極度缺水(完 全水分脅迫)狀態。因此，Ultrasonic TOF CWSI可以表明作物水分虧缺程度，是處于0和 1之間的數值量，數值越大表示作物缺水程度越高。 在本發明中，超聲波測量的是參考作物和檢測作物熱輻射加熱冠層上方空氣后的 環境溫度，雖不能與紅外線測溫儀一樣直接測量參考作物和檢測作物冠層本身的溫度，但 如果參考作物和檢測作物冠層的檢測條件一致，兩者冠層環境溫差的絕對值即使小于紅外 線測溫儀測得的兩者冠層本身溫差，也并不影響(1-8)式的計算結果，因為(1-8)式計算的 是同一量相對值的比值(結果為無量綱值，與參考作物和檢測作物冠層溫度相對值的比值 (1-9)式功效相同)。 檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的環境溫差的絕對值遠遠小于紅外線測 溫儀測得的兩者冠層本身溫差，因此對超聲波測溫的分辨率和精度有了更高的要求。
超聲波測量環境溫度的精度主要取決于準確檢測超聲波渡越時間，準確檢測超聲 波渡越時間取決于準確地判斷超聲波到達的時間點。如圖l所示，在超聲波換能器能量轉 換和聲波空氣傳輸過程中，由于機械彈性(超聲波換能器壓電陶瓷片和空氣的彈性)的存 在，在接收到的超聲波脈沖串的頭部和尾部會產生超聲波波形振幅衰減。超聲波到達時的 強度(振幅)存在隨機變化的成分，采用常規的強度門限(threshold也稱為門檻或閾值) 方法判斷超聲波到達的時間點是不準確的，不能準確地檢測超聲波渡越時間。 一般僅用于 機器人避障、倒車防撞裝置等要求不高的場合。 為了準確地判斷超聲波到達的時間點，人們進行了很多改進，應用較多的有3種。
1、相位差(phase-shift)法。該方法短距離應用非常準確，已廣泛應用于超聲波 風速儀，自動氣象站的大氣測溫等。測溫精度高達士0.05t:。但該方法只能用于超聲波傳 輸距離很短的場合，例如10cm。顯然不能用于本發明。 2、調制波形標記法。對聲波進行調制、編碼、擴頻等均屬于此類。應用較多的是雙 頻頻移鍵控(binary frequency shift-keyed簡稱BFSK)法，已用于轎車空調測溫和超聲 波測距儀。測溫精度±0.4°C。臺灣高苑科技大學蔡文元將該方法和相位差法結合起來，使
測溫精度提高到±0. 3t:，仍不能滿足本發明的要求。 3、脈沖串包絡線(envelope pulsed)峰值法。與此類似的還有脈沖串包絡線重心
橫坐標法。測溫精度士o.39t:，仍不能滿足本發明的要求。 很不幸，現有的超聲波測溫方法不能滿足要求。為了實現本發明，必須有更準確的 較遠距離超聲波渡越時間的檢測方法。為此，發明了一種新的超聲波渡越時間的檢測方法， 有關詳細介紹請看本發明第一發明人同時申請的另外一項發明專利"檢測超聲波渡越時間 的方法及其裝置"。 現有文獻一般建議把CWSI的檢測時間窗口放在中午12時至下午16時之間，并剔 除陰天和多云天氣，最優觀測時間為午后13時或14時，現有文獻基本局限在研究層面手工 操作。還沒有見到具體的自動確定檢測時間窗口的方法。在本發明中提出了一個用光照閾 值剔除陰天，用光照積分閾值剔除多云天氣新的自動確定檢測時間窗口的技術方案。
本發明的工作原理和控制灌溉過程是這樣的 光照閾值檢測部分始終處于工作狀態，耗電量較大的超聲波發射和數碼管顯示部分處于休眠狀態。在晴好天氣，隨著太陽的升起，光照逐步增強，當達到所設定的光照閾值 后，啟動光照積分部分對光照強度進行積分，當達到所設定的光照積分閾值后，進入檢測時 間窗口，控制裝置從休眠狀態被喚醒，按設定的時間間隔分別在挨近參考作物(不產生蒸 騰的模擬作物)和檢測作物的上方，平行于各自下方作物所在平面，同時向等距的位于各 自正前方的超聲波反射板發射超聲波，當收到各自反射回來的超聲波后，分別啟動和停止 同一個計數器計數，將計數值與根據超聲波渡越時間作物缺水指數設定的計數閾值進行比 較，如果計數值小于所設定的計數閾值，作物缺水達到了需要灌溉的程度，將啟動灌溉。隨 著太陽降落，光照逐步減弱，當低于所設定的光照閾值后，光照積分值被清零，退出檢測時 間窗口，控制裝置重新進入休眠狀態。在陰天時達不到光照閾值，多云天氣達不到光照積分 閾值，不能進入檢測時間窗口 ，控制裝置仍處于休眠狀態不會改變。 本發明首先將控制裝置分成了需要一直工作但耗電量較少(光照檢測)和不需要 經常工作但耗電量較大(超聲波發射和數碼管顯示等)的兩部分，通常使耗電量較大的部 分處于休眠狀態，需要工作時再被喚醒，以節省電力消耗。光照閾值檢測部分和光照積分閾 值檢測部分是用來自動確定檢測時間窗口的。當太陽的輻射強度不夠或陰天時，光照將達 不到所設閾值，控制裝置始終處于休眠狀態；如果是多云天氣，即使某個時刻達到了光照閾 值，啟動了光照積分但光照積分值達不到所設定的光照積分閾值，控制裝置仍處于休眠狀 態；如果是晴好天氣，隨著太陽的升起，光照逐步增強，當達到所設定的光照閾值后，啟動光 照積分部分對光照強度進行積分，當達到所設定的光照積分閾值后，進入檢測時間窗口 ，控 制裝置從休眠狀態被喚醒。從而剔除了陰天和多云天氣，通過調整光照閾值和光照積分閾 值可使檢測時間窗口落在晴好天氣的中午12時至下午16時之間。控制裝置從休眠狀態被 喚醒后，按設定的時間間隔分別在挨近參考作物(不產生蒸騰的模擬作物)和檢測作物的 上方，平行于各自下方作物所在平面，同時向等距的位于各自正前方的超聲波反射板發射 超聲波，當收到各自反射回來的超聲波后，分別啟動和停止同一個計數器計數，將計數值與 所設定的計數閾值進行比較，如果計數值小于所設定的計數閾值，將啟動灌溉。這里的計數 值就是超聲波渡越時間作物水分脅迫指標計算公式(1-8)中的"實際的檢測作物冠層上方 與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差At"。公式(1-8)中的"可能(潛在或最大)的 檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差Atp"，可用灌溉后根系土壤 充分侵潤，作物供水充足時實測的最大At值代替，對于小額灌溉，可用灌溉后第4天(陰 雨多云天氣順延)午后14時的計數值。 一般情況下，可用上述Atp計數值的80X 60X， 確定灌溉時間點的計數閾值，兩者代入公式(1-8)后，計算超聲波渡越時間作物水分脅迫 指標(缺水指數)為0. 2 0. 4，具體數值可根據所種植作物對干旱的敏感性確定。當然， 可用作物凋萎點實測計數閾值底線后，再由作物水分生產效率和可供水情況進一步確定， 除科研外，實際灌溉不推薦也沒必要那樣做。以作物缺水指數大于0. 4時啟動灌溉為例，一 個普通農民用本發明的裝置控制灌溉時的情形在本裝置安裝好后，首先將本裝置的計數 閾值預置數字撥碼開關的每位數字都撥到0，然后手動進行小額灌溉，于灌溉后的第4天午 后14時查看本裝置數碼管顯示的計數值，將該計數值乘以0. 6后，再用本裝置的計數閾值 預置用數字撥碼開關輸入到本裝置，本裝置處于了自動控制狀態。當光照達到所設定的光 照閾值后，啟動光照積分部分對光照強度進行積分，當達到所設定的光照積分閾值后，進入 檢測時間窗口 ，控制裝置從休眠狀態被喚醒。進行作物缺水指數檢測，如果作物缺水指數大
17于O. 4即計數值小于計數閾值，就啟動灌溉。當光照低于所設定的光照閾值后，退出檢測時 間窗口 ，控制裝置重新進入休眠狀態，等待進入下一個檢測時間窗口時被喚醒。如果進行了 灌溉，于灌溉后的第4天午后14時查看本裝置數碼管顯示的計數值，將該計數值乘以0. 6 后，再用本裝置的計數閾值預置數字撥碼開關輸入到本裝置。依此類推完成了整個作物生 長季節控制灌溉過程。 如上所述，當本裝置進入檢測時間窗口 ，控制裝置從休眠狀態被喚醒，超聲波定時 發送被啟動，分別在挨近參考作物和檢測作物的上方，平行于作物所在平面同時向等距的 位于各自正前方的超聲波反射板發射具有相同脈沖個數，由同一個超聲波發生器產生的且 具有相同的頻率和相位的超聲波脈沖串。只有發射時頻率和相位相同，收到的兩路超聲波 脈沖串最大脈沖峰值點才具可比性。超聲波在空氣中采用了直線往返方式是為了排除風的 影響。脈沖串所包含的脈沖個數由本裝置超聲波脈沖個數撥碼開關事先設定，設定個數取 決于超聲波換能器壓電陶瓷片彈性和超聲波(機械能波)傳輸距離，以形成"菱形"接收脈 沖串波形為原則(脈沖個數交用戶使用前已被設定，無需用戶改動。)。當參考作物和檢測 作物上方的超聲波接收頭，分別接收到各自超聲波反射板反射回來的超聲波后，分別經各 自差分放大器放大到一定幅度后，分別送入各自增益控制放大器。差分放大的目的是減少 共模噪聲提高信噪比。分別經各自增益控制放大器放大后，分別送入各自高Q值帶通濾波 器，進行高"Q"值濾波和小幅放大，目的是濾除帶外噪聲和壓縮畸變部分的波形振幅，有利 于形成"菱形"接收脈沖串波形。然后，分別進行半波整流，去掉半周后作為一個固定電壓 的指數，分別送入各自變指數放大器，對這個固定電壓進行變指數放大。變指數放大的目 的，是在不改變剩下半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅 差距，同時使脈沖峰值點兩側更加陡峭，方便識別振幅最大的脈沖及其峰值點的準確位置。 然后分別送入各自門限比較模塊進行門限檢測分別找出振幅最大的脈沖。再分別對其進行 微分和過零檢測，分別找出振幅最大脈沖峰值點，分別用于啟動和關閉同一個計數器計數。 本發明采用了定門限控增益的方式找出振幅最大的脈沖。發射超聲波后，計數器沒有馬上 進入工作狀態，而是經過了適當的延時，目的是避免發射頭泄露的超聲波直接進入接收頭 非正常啟動計數器。用上述方法實現了精確的超聲波渡越時間檢測，解決了關乎本發明成 敗的關鍵技術問題。 本發明的原型機是根據中國國情特別設計的有利于推廣應用的廉價機型，全部投 入不到3000 Y，甚至低于一個進口的專用作物冠層紅外測溫傳感器(如Apogee專用作物 冠層紅外測溫傳感器$598)的售價。在微機控制的豪華機型中，可實現包括AtP自動采集 自動輸入在內的全部自動化運行，工作參數可由鼠標、鍵盤輸入，結果(包括運行曲線等歷 史數據)可在電腦桌面顯示查詢。 A tP采用了每次灌溉后的實測值，不僅取值方便，更重要的是考慮了不同作物、不 同生長季節、不同覆蓋條件下的Atp的變化。采用小額灌溉方式，有助于增加Atp的檢測 密度，提高Atp代表的準確性和灌溉控制精度。 采用本發明的技術方案與傳統的紅外線CWSI法相比，具有以下優勢1、該方案從 根本上排除了實時監測植株蒸騰時太陽輻射等環境因素的影響，僅需溫度一種參數，就能 準確檢測作物植株的蒸騰狀況，無需采用其它因子(環境參數)額外計算沒有蒸騰的上基 線和潛在蒸騰的下基線，在Ultrasonic TOF CWSI公式(1-8)中，At二O為上基線，A tP為下基線。因此，檢測參數少，沒有繁瑣計算和多因子檢測累積誤差；2、該方案直接檢測多 棵作物的平均值，因此，沒有檢測個體差異，無需通過增加傳感器的數量和種類來減少這種 差異；3、采用相同類型的溫度傳感器(即超聲波溫度傳感器)，可比性好，數據可靠；4、所需 傳感器的種類和數量最少，成本低廉，易于實現和推廣。


圖1為接收的超聲波脈沖串示意圖。
圖2為本發明控制裝置檢測探頭現場布置示意圖。 圖3為本發明控制裝置組成與工作流程圖。 圖4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15為本發明實施例電路圖。
具體實施例方式
如圖2、圖3所示， 一種根據作物缺水程度控制灌溉的方法 首先，將不會產生蒸騰的參考作物置于與檢測作物46環境相同的地方，參考作物 水平一字布置，在參考作物水平一字布置的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物 水平一字布置方向水平，依次安裝有參考作物上方超聲波發射頭16和參考作物上方超聲 波接收頭18，在參考作物上方超聲波發射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18順著參考 作物水平一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上 方垂直于參考作物水平一字布置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板45，位于檢測作物 46的正上方垂直于檢測作物46水平種植方向水平，依次安裝有檢測作物上方超聲波發射 頭15和檢測作物上方超聲波接收頭17，在檢測作物上方超聲波發射頭15和檢測作物上方 超聲波接收頭17順著檢測作物46水平種植方向的正前方，位于檢測作物46的正上方垂直 于檢測作物46水平種植方向安裝有檢測作物上方超聲波反射板47，檢測作物上方超聲波 發射頭15和檢測作物上方超聲波接收頭17到檢測作物上方超聲波反射板47的距離與參 考作物上方超聲波發射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18到參考作物上方超聲波反射 板45的距離相等。 所述的參考作物由一字水平排列相互留有適當間隙的若干橫著放置的長方形模 擬葉42和順著模擬葉42 —字水平排列方向位于模擬葉42兩側的前后擋風板43、44組成，
其次，由光照閾值檢測模塊1和光照積分閾值檢測模塊2確定檢測時間窗口，當 光照達到所設定的閾值后，光照閾值檢測模塊1啟動光照積分閾值檢測模塊2對光照強度 進行積分，當達到所設定的光照積分閾值后，進入檢測時間窗口，當光照低于所設定的閾值 后，光照閾值檢測模塊1的輸出使光照積分閾值檢測模塊2的積分值清零復位，退出檢測時 間窗口， 所述的檢測時間窗口 ，達到光照積分閾值是進入檢測時間窗口的必要條件，陰天 達不到光照閾值，光照積分閾值檢測模塊2的積分值仍處于被清零復位狀態，多云天氣即 使某個時刻達到了光照閾值，光照閾值檢測模塊1的輸出啟動了光照積分閾值檢測模塊2 對光照強度進行了積分，在達到光照積分閾值前的某個時刻，光照又低于所設定的閾值，光 照閾值檢測模塊1的輸出使光照積分閾值檢測模塊2的積分值重新被清零復位，仍達不到 光照積分閾值，陰天和多云天氣都進入不了檢測時間窗口，通過調整光照閾值和光照積分
19閾值使檢測時間窗口落在晴好天氣的中午12時至下午16時之間， 第三，進入檢測時間窗口后，超聲波發射間隔控制模塊3被啟動，按一定的時間間 隔控制超聲波發生器6產生一組超聲波脈沖串，該脈沖串分為兩路，一路通過參考作物上 方超聲波發射頭16，另一路通過檢測作物上方超聲波發射頭15，同時發送出去，當參考作 物上方超聲波接收頭18收到被參考作物上方超聲波反射板45反射回來的超聲波后，確認 超聲波到達的時間點，在確認超聲波到達的時間點上啟動計數、顯示模塊8的計數器計數， 當檢測作物上方超聲波接收頭17收到被檢測作物上方超聲波反射板47反射回來的超聲波 后，確認超聲波到達的時間點，在確認超聲波到達的時間點上關閉計數、顯示模塊8的計數 器計數， 所述的通過參考作物上方超聲波發射頭16和檢測作物上方超聲波發射頭15同時 發送的超聲波脈沖串，具有相同的頻率和相位，包含有相同的脈沖個數，脈沖個數以接收到 的超聲波脈沖串波形仍呈圖1所示的"菱形"為上限， 所述的超聲波到達的時間點是這樣確認的參考作物上方超聲波接收頭18和檢 測作物上方超聲波接收頭17分別收到參考作物上方超聲波反射板45和檢測作物上方超 聲波反射板47反射回來的超聲波后，分別送入差分放大器A20、差分放大器B19進行初步 放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經差分放大后，分別送 入增益控制放大器A22、增益控制放大器B21進一步放大到所要求的幅度，經增益控制放大 后，分別送入高Q值帶通濾波器A24、高Q值帶通濾波器B23進行帶通濾波，濾除帶外噪音， 同時降低偏離主頻的信號幅度，經帶通濾波后，分別送入半波整流器A26、半波整流器B25 進行半波整流，去掉半周后，分別送入變指數放大器A28、變指數放大器B27，分別作為一個 固定電壓的指數分別對該固定電壓進行變指數放大，變指數放大的目的，是在不改變剩下 半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅差距，同時使脈沖峰 值點兩側更加陡峭，方便識別振幅最大的脈沖及其峰值點的準確位置，經變指數放大后，分 別送入門限比較模塊A30、門限比較模塊B29進行門限檢測，找出振幅最大的脈沖，再分別 送入微分和過零檢測模塊A32、微分和過零檢測模塊B31，進行微分和過零檢測，找出各自 振幅最大脈沖峰值點，分別為參考作物上方超聲波接收頭18收到被參考作物上方超聲波 反射板45反射回來的超聲波到達的時間點和檢測作物上方超聲波接收頭17收到被檢測作 物上方超聲波反射板47反射回來的超聲波到達的時間點， 第四，將計數、顯示模塊8的計數器的計數值與根據超聲波渡越時間作物缺水指 數通過計數預置模塊9預先設定的計數閾值進行比較，如果計數、顯示模塊8的計數器的計 數值小于計數預置模塊9所設定的計數閾值，作物缺水達到了需要灌溉的程度，將啟動小 額灌溉系統12， 所述的超聲波渡越時間作物缺水指數是這樣定義的，一個超聲波渡越時間作物水 分脅迫指標(Crop Water Stress Index on Ultrasonic time_of_flight簡禾爾Ultrasonic T0F CWSI本發明也稱作超聲波渡越時間作物缺水指數)
「011 o，Ultrasonic TOF C WSi 二 i — ( 1 _8 ) (1-8)式中A t為實際的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時 間差，Atp為可能(潛在或最大)的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越
20時間差，Atp可用充分供水時實測的最大At值代替，參考作物冠層指的是參考作物接受太 陽輻射的模擬葉部分， 當作物不缺水時因作物植株蒸騰而產生的降溫幅度最大，與之對應的檢測作物冠 層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差At最大，與Atp相同，Ultrasonic TOF CWSI計算結果為O，表示檢測作物不缺水，同理，當作物極度缺水(完全水分脅迫)使作物 植株蒸騰停止時，因作物植株蒸騰而產生的降溫幅度最小，與之對應的檢測作物冠層上方 與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差At最小，At為O，Ultrasonic TOF CWSI計算結 果為l，表示檢測作物停止蒸騰處于極度缺水(完全水分脅迫)狀態，Ultrasonic TOF CWSI 是指示作物水分虧缺程度，處于0和1之間的數值量，數值越大表示作物缺水程度越高，
所述的計數、顯示模塊8的計數器的計數值就是超聲波渡越時間作物水分脅迫指 標計算公式(1-8)中的"實際的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間 差At"，公式(1-8)中的"可能(潛在或最大)的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的 超聲波渡越時間差Atp"，可用灌溉后根系土壤充分侵潤，作物供水充足時實測的最大At 值代替，對于小額灌溉，可用灌溉后第4天(陰雨多云天氣順延)午后14時計數、顯示模塊 8的計數器的計數值， 一般情況下，可用上述A tP計數值的80% 60% ，確定灌溉時間點的 計數閾值，兩者代入公式(1-8)后，計算超聲波渡越時間作物水分脅迫指標(缺水指數)為 0. 2 0. 4，超聲波渡越時間作物缺水指數具體數值可根據所種植作物對干旱的敏感性確 定， 所述的計數預置模塊9預先設定的計數閾值是這樣確定的，首先，根據所種植 作物對干旱的敏感性，確定需要灌溉時的超聲波渡越時間作物缺水指數Ultrasonic TOF CWSI，然后，取上次小額灌溉后第4天(陰雨多云天氣順延)午后14時計數、顯示模塊8的 計數器的計數值，作為A tp，將Ultrasonic T0FCWSI和A tP代入公式(1-8)，即
計數閾值=(1-UltrasonicTOF CWSI) A tP Atp采用了每次灌溉后的實測值，不僅取值方便，更重要的是考慮了不同作物、不 同生長季節、不同覆蓋條件下的Atp的變化，采用小額灌溉方式，有助于增加Atp的檢測密 度，提高Atp代表的準確性和灌溉控制精度， 第五，退出檢測時間窗口后，超聲波發射間隔控制模塊3被關閉，除光照閾值檢測 模塊1仍在工作外，其余進入休眠狀態以節省電力消耗。 —種根據作物缺水程度控制灌溉的裝置本發明控制裝置檢測探頭的現場布置如 圖2所示。 將不會產生蒸騰的參考作物置于與檢測作物46環境相同的地方，參考作物水平 一字布置，在參考作物水平一字布置的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平 一字布置方向水平依次安裝有參考作物上方超聲波發射頭16和參考作物上方超聲波接收 頭18，在參考作物上方超聲波發射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18順著參考作物水 平一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上方垂直 于參考作物水平一字布置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板45，位于檢測作物46的 正上方垂直于檢測作物46水平種植方向水平依次安裝有檢測作物上方超聲波發射頭15和 檢測作物上方超聲波接收頭17，在檢測作物上方超聲波發射頭15和檢測作物上方超聲波 接收頭17順著檢測作物46水平種植方向的正前方，位于檢測作物46的正上方垂直于檢測作物46水平種植方向安裝有檢測作物上方超聲波反射板47，檢測作物上方超聲波發射頭 15和檢測作物上方超聲波接收頭17到檢測作物上方超聲波反射板47的距離與參考作物上 方超聲波發射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18到參考作物上方超聲波反射板45的 距離相等。 所述參考作物由一字水平排列相互留有適當間隙的若干橫著放置的長方形模擬 葉42和順著模擬葉42 —字水平排列方向位于模擬葉42兩側的前后擋風板43、44組成。
本發明的控制裝置各部分組成如圖3所示，光照閾值檢測模塊l，光照積分閾值檢 測模塊2，超聲波發射間隔控制模塊3，計數啟、閉控制模塊4，計數用振蕩器5，超聲波脈沖 個數控制設置模塊6，超聲波發生器7，計數、顯示模塊8，計數預置模塊9，計數值與計數閾 值比較模塊10，比較結果延時采樣與保持模塊ll，小額灌溉系統12，超聲波發射和接收部 分分為兩路，為對稱結構， 一路和參考作物有關，它們是超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊 A14，參考作物上方超聲波發射頭16，參考作物上方超聲波接收頭18，差分放大器A20，增益 控制放大器A22，高Q值帶通濾波器A24，半波整流器A26，變指數放大器A28，門限比較模塊 A30，微分和過零檢測模塊A32 ;另一路和檢測作物有關，它們是超聲波發射頭高電壓差分 驅動模塊B13，檢測作物上方超聲波發射頭15，檢測作物上方超聲波接收頭17，差分放大器 B19，增益控制放大器B21，高Q值帶通濾波器B23，半波整流器B25，變指數放大器B27，門限 比較模塊B29，微分和過零檢測模塊B31， 本發明的控制裝置各部分連接如圖3所示，光照閾值檢測模塊1輸出端和光照積 分閾值檢測模塊2連接；光照積分閾值檢測模塊2輸出端分別與超聲波發射間隔控制模塊 3和比較結果延時采樣與保持模塊11連接；超聲波發射間隔控制模塊3輸出端分別與計數 啟、閉控制模塊4和超聲波脈沖個數控制設置模塊6連接；計數用振蕩器5輸出端和計數 啟、閉控制模塊4連接；計數啟、閉控制模塊4輸出端分別與計數、顯示模塊8和比較結果延 時采樣與保持模塊11連接；計數、顯示模塊8輸出端和計數值與計數閾值比較模塊10連 接；計數預置模塊9輸出端和計數值與計數閾值比較模塊10連接；計數值與計數閾值比較 模塊10輸出端和比較結果延時采樣與保持模塊11連接；比較結果延時采樣與保持模塊11 輸出端和小額灌溉系統12連接；超聲波脈沖個數控制設置模塊6輸出端和超聲波發生器7 連接；超聲波發生器7的輸出分為兩路，為對稱結構，一路經過參考作物上方，用于啟動計 數、顯示模塊8的計數器計數，另一路經過檢測作物上方，用于關閉計數、顯示模塊8的計數 器計數，參考作物超聲波發生器7輸出端和超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A14連接； 超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A14輸出端和參考作物上方超聲波發射頭16連接；參考 作物上方超聲波接收頭18輸出端和差分放大器A20連接；差分放大器A20輸出端和增益控 制放大器A22連接；增益控制放大器A22輸出端和高Q值帶通濾波器A24連接；高Q值帶通 濾波器A24輸出端和半波整流器A26連接；半波整流器A26輸出端和變指數放大器A28連 接；變指數放大器A28輸出端和門限比較模塊A30連接；門限比較模塊A30輸出端與微分 和過零檢測模塊A32連接；微分和過零檢測模塊A32輸出端與計數啟、閉控制模塊4連接， 用于啟動計數、顯示模塊8的計數器計數。檢測作物超聲波發生器7輸出端和超聲波發射 頭高電壓差分驅動模塊B13連接；超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊B13輸出端和檢測作 物上方超聲波發射頭15連接；檢測作物上方超聲波接收頭17輸出端和差分放大器B19連 接；差分放大器B19輸出端和增益控制放大器B21連接；增益控制放大器B21輸出端和高Q
22值帶通濾波器B23連接；高Q值帶通濾波器B23輸出端和半波整流器B25連接；半波整流器 B25輸出端和變指數放大器B27連接；變指數放大器B27輸出端和門限比較模塊B29連接； 門限比較模塊B29輸出端與微分和過零檢測模塊B31連接；微分和過零檢測B31輸出端與 計數啟、閉控制模塊4連接，用于關閉計數、顯示模塊8的計數器計數，
本發明的控制裝置工作流程如圖2、圖3所示，光照閾值檢測模塊1始終處于工作 狀態，晴好天氣，太陽升起，當光照達到所設定的閾值后，光照閾值檢測模塊1啟動光照積 分閾值檢測模塊2對光照強度進行積分，當達到所設定的光照積分閾值后，進入檢測時間 窗口，控制裝置從休眠狀態被喚醒，光照積分閾值檢測模塊2的輸出分為兩路，一路使比較 結果延時采樣與保持模塊11解除復位狀態；另一路啟動超聲波發射間隔控制模塊3工作， 超聲波發射間隔控制模塊3按設定的時間間隔發出啟動信號，該啟動信號分為兩路，一路 啟動超聲波脈沖個數控制設置模塊6控制超聲波發生器7產生一組超聲波脈沖串，超聲波 脈沖串包含的脈沖個數由超聲波脈沖個數控制設置模塊6預先設定；另一路送入計數啟、 閉控制模塊4，在計數啟、閉控制模塊4的內部由該啟動信號的上升沿觸發產生一個被展寬 了的復位信號，使計數啟、閉控制模塊4復位，展寬復位信號是為了避免參考作物上方超聲 波發射頭16泄露的超聲波直接進入參考作物上方超聲波接收頭18非正常啟動計數、顯示 模塊8的計數器計數和避免檢測作物上方超聲波發射頭15泄露的超聲波直接進入檢測作 物上方超聲波接收頭17非正常關閉計數、顯示模塊8的計數器計數，超聲波發生器7產生 的超聲波脈沖串分為兩路，為對稱結構， 一路經過參考作物上方，用于啟動計數、顯示模塊8 的計數器計數，另一路經過檢測作物上方，用于關閉計數、顯示模塊8的計數器計數，參考 作物超聲波發生器7輸出的超聲波脈沖串送入超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A14進 行功率放大，驅動參考作物上方超聲波發射頭16向參考作物上方超聲波反射板45發射超 聲波，參考作物上方超聲波反射板45反射回來的超聲波被參考作物上方超聲波接收頭18 所接收，參考作物上方超聲波接收頭18所接的收超聲波信號送入差分放大器A20進行初步 放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經差分放大后，送入增 益控制放大器A22進一步放大到所要求的幅度，經增益控制放大后，送入高Q值帶通濾波器 A24進行帶通濾波，濾除帶外噪音，同時降低偏離主頻的信號幅度，經帶通濾波后，送入半波 整流器A26進行半波整流，去掉半周后，送入變指數放大器A28，作為一個固定電壓的指數 對該固定電壓進行變指數放大，變指數放大的目的，是在不改變剩下半周各脈沖峰值點相 對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅差距，同時使各脈沖峰值點兩側更加陡峭， 方便識別振幅最大的脈沖及其峰值點的準確位置，經變指數放大后，送入門限比較模塊A30 進行門限檢領U，找出振幅最大的脈沖，再送入微分和過零檢測模塊A32，進行微分和過零檢 測，找出振幅最大脈沖峰值點，通過計數啟、閉控制模塊4啟動計數、顯示模塊8的計數器 計數，檢測作物超聲波發生器7輸出的超聲波脈沖串送入超聲波發射頭高電壓差分驅動 模塊B13進行功率放大，驅動檢測作物上方超聲波發射頭15向檢測作物上方超聲波反射 板47發射超聲波，檢測作物上方超聲波反射板47反射回來的超聲波被參考作物上方超聲 波接收頭17所接收，檢測作物上方超聲波接收頭17所接的收超聲波信號送入差分放大器 B19進行初步放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經差分放 大后，送入增益控制放大器B21進一步放大到所要求的幅度，經增益控制放大后，送入高Q 值帶通濾波器B23進行帶通濾波，濾除帶外噪音，同時降低偏離主頻的信號幅度，經帶通濾波后，送入半波整流器B25進行半波整流，去掉半周后送入變指數放大器B27，作為一個固 定電壓的指數對該固定電壓進行變指數放大，變指數放大的目的，是在不改變剩下半周各 脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅差距，同時使各脈沖峰值點 兩側更加陡峭，方便識別振幅最大的脈沖及其峰值點的準確位置，經變指數放大后，送入門 限比較模塊B29進行門限檢測，找出振幅最大的脈沖，再送入微分和過零檢測模塊B31，進 行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖峰值點，通過計數啟、閉控制模塊4關閉計數、顯示 模塊8的計數器計數，計數啟、閉控制模塊4關閉計數、顯示模塊8的計數器計數的同時啟 動比較結果延時采樣與保持模塊11內部的延時采樣電路工作；計數、顯示模塊8的計數器 計數結果和計數預置模塊9預先設定的計數閾值送入計數值與計數閾值比較模塊10進行 比較，比較結果送入比較結果延時采樣與保持模塊11以供讀取，比較結果延時采樣與保持 模塊11經適當延時待比較結果穩定后，對比較結果進行采樣和保持，再送入小額灌溉系統 12，如果比較結果是計數、顯示模塊8的計數器計數值小于計數預置模塊9預先設定的計數 閾值，小額灌溉系統12將被啟動，進行小額灌溉，太陽降落，當光照低于所設定的閾值后， 光照閾值檢測模塊1的輸出使光照積分閾值檢測模塊2的積分值清零復位，退出了檢測時 間窗口 ，停止超聲波發射間隔控制模塊3工作并使比較結果延時采樣與保持模塊11復位同 時熄滅數碼管顯示，控制裝置進入了休眠狀態以節省電力消耗， 所述的檢測時間窗口，達到光照積分閾值是進入檢測時間窗口的必要條件，陰天 達不到光照閾值，光照積分閾值檢測模塊2的積分值仍處于被清零復位狀態，多云天氣即 使某個時刻達到了光照閾值，光照閾值檢測模塊1的輸出啟動了光照積分閾值檢測模塊2 對光照強度進行了積分，但，在達到光照積分閾值前的某個時刻，光照又低于了所設定的閾 值，光照閾值檢測模塊1的輸出將使光照積分閾值檢測模塊2的積分值重新被清零復位，仍 達不到光照積分閾值，因此，陰天和多云天氣都進入不了檢測時間窗口，控制裝置仍處于休 眠狀態不會改變，通過調整光照閾值和光照積分閾值使檢測時間窗口落在晴好天氣的中午 12時至下午16時之間， 所述的計數預置模塊9預先設定的計數閾值是這樣確定的，首先，根據所種植 作物對干旱的敏感性，確定需要灌溉時的超聲波渡越時間作物缺水指數Ultrasonic T0F CWSI，然后，取上次小額灌溉后第4天(陰雨多云天氣順延)午后14時計數、顯示模塊8的 計數器計數值，作為A tp，將Ultrasonic T0F CWSI和A tP代入公式(1-8)，即
計數閾值=(1-Ultrasonic TOF CWSI) A tP 實施例見圖2，位于正南方向的太陽40，在圖中用來指示方位；46是由東向西水 平種植的檢測作物；支架41用來固定下述各部分的相對位置；由東向西一字水平排列相互 留有適當間隙的若干橫著放置的長方形模擬葉42和位于模擬葉42南北兩側的擋風板43、 44組成了不產生蒸騰的參考作物； 在參考作物水平一字布置的東端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一 字布置方向水平依次安裝了參考作物上方超聲波發射頭16和參考作物上方超聲波接收頭 18，在參考作物上方超聲波發射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18順著參考作物水平 一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置的西端，位于參考作物的正上方垂直于參 考作物水平一字布置方向安裝了參考作物上方超聲波反射板45 ;在距參考作物上方超聲 波發射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18較遠的正下方，距檢測作物46較近的正上方垂直于檢測作物46水平種植方向水平依次對應安裝了檢測作物上方超聲波發射頭15和檢 測作物上方超聲波接收頭17，在檢測作物上方超聲波發射頭15和檢測作物上方超聲波接 收頭17順著檢測作物46水平種植方向的正前方，位于檢測作物46的正上方垂直于檢測作 物46水平種植方向安裝了檢測作物上方超聲波反射板47，檢測作物上方超聲波發射頭15 和檢測作物上方超聲波接收頭17到檢測作物上方超聲波反射板47的距離與參考作物上方 超聲波發射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18到參考作物上方超聲波反射板45的距 離相等。 圖4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15為本發明的實施例電路圖，與圖3的對應關 系如下 圖4中的集成電路U15B、光敏電阻GR2和電位器RV2組成了圖3的光照閾值檢測 模塊1 ，其中，RV2用于調整光照閾值。圖4中的集成電路U23、Ul3、電容C46、光敏電阻GR1 、 電位器RV1、電阻R8、電阻R15、發光二極管LED2組成了圖3的光照積分閾值檢測模塊2，其 中，電位器RV1用于調整光照積分閾值，發光二極管LED2用于指示光照積分閾值檢測模塊 2的工作狀態。圖4中的集成電路U15D、U15C、電容51、電阻R16、R19組成了圖3的超聲波 發射間隔控制模塊3。圖5中的集成電路U6的左半部、U14、撥碼開關S1、二極管D2、D3、電 阻R17組成了圖3的超聲波脈沖個數控制設置模塊6，其中的二極管D2、 D3、電阻R17用于 保證超聲波發生器7產生的每組超聲波脈沖串的最后一個脈沖的波形完整。圖5中的集成 電路U24A、 U24B、 U24C、 U24D、電阻R18、 R7、電位器RV3、電容C52、二極管D4、 D5組成了圖3 的超聲波發生器7，其中，電位器RV3用于調整超聲波頻率，二極管D4、D5用于保證超聲波發 生器7的振蕩器第一個周期與隨后周期的一致性。圖6中的集成電路U21、電容C36、 C39、 C40、C41、C47、C48組成了圖3的超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A14。圖6中的集成電 路U22、電容C38、C42、C43、C44、C49、C50組成了圖3的超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊 B13。圖7中的集成電路U11、U12、U16、三極管Q2、Q3、電阻R3、R4、R9、RIO、R12、R13和圖5 中的集成電路U6的右半部、電阻R20、二極管D6、電容C65組成了圖3的計數啟、閉控制模 塊4。圖8中的集成振蕩模塊0SC1組成了圖3的計數用振蕩器5。圖8中的集成電路U17、 U18、U19、U20和圖9中的集成電路U7、U8、U9、U10、數碼管SM1、 SM2、 SM3、 SM4及圖4中的 三極管Q4、電阻R14、R11組成了圖3的計數、顯示模塊8。圖10中的電阻排ZP1、ZP2、ZP3、 ZP4、 BCD撥碼開關SB1、 SB2、 SB3、 SB4組成了圖3的計數預置模塊9。圖11中的集成電路 U1、U2、U3、U4組成了圖3的計數值與計數閾值比較模塊IO，圖11中的集成電路U5、三極管 Ql、二極管Dl、電容C9、電阻Rl、 R2、 R5、 R6、發光二極管LED1和圖4中的集成電路U15A組 成了圖3的比較結果延時采樣與保持模塊ll，其中的發光二極管LEDl用于指示計數值與 計數閾值比較結果。圖12中的集成電路U25、電阻R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、電容 C51、C52、C53、C54、C55組成了圖3的差分放大器A20，其中的電阻R21、R22、R23、R24、電容 C51、 C52、 C53、 C54、 C55組成了無源濾波器用于抑制帶外噪聲，R23、 R24同時為U25輸入偏 置電流提供一個DC返回路徑。圖12中的集成電路U26、電阻R28、R29、R30、電位器RV4、電 容C60、 C61、 C62、 C63、 C64、 C67、 C68組成了圖3的增益控制放大器A22，其中，電位器RV4 用于調整放大增益。圖13中的集成電路U27、電阻R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、 電容C71、 C72組成了圖3的高Q值帶通濾波器A24，圖13中的二極管D7、電阻R39組成了 圖3的半波整流器A26，圖13中的集成電路U28、電阻R40、R41、R42、電容C79、精密電壓基準DVl組成了圖3的變指數放大器A28，圖13中的集成電路U29、電阻R43、R44、電容C80組 成了圖3的門限比較模塊A30，圖13中的集成電路U30、電阻R45、R46、R47、R48、電容C82、 三極管Q5組成了圖3的微分和過零檢測模塊A32，圖14中的集成電路U31、電阻R49、R50、 R51、 R52、 R53、 R54、 R55、電容C88、 C89、 C90、 C91、 C92組成了圖3的差分放大器B19，其中 的電阻R49 、 R50 、 R51 、 R52 、電容C88 、 C89 、 C90 、 C91 、 C92組成了無源濾波器用于抑制帶外噪 聲，R51、 R52同時為B31輸入偏置電流提供一個DC返回路徑。圖14中的集成電路U32、電 阻R56、R57、R58、電位器RV5、電容C97、C98、C99、C100、C101、C104、C105組成了圖3的增益 控制放大器B21，其中，電位器RV5用于調整放大增益。圖15中的集成電路U33、電阻R59、 R60、 R61、 R62、 R63、 R64、 R65、 R66、電容C106、 C107組成了圖3的高Q值帶通濾波器B23， 圖15中的二極管D8、電阻R67組成了圖3的半波整流器B25，圖15中的集成電路U34、電阻 R68、 R69、 R70、電容C112、精密電壓基準DV2組成了圖3的變指數放大器B27，圖15中的集 成電路U35、電阻R71 、R72、電容CI 17組成了圖3的門限比較模塊B29，圖15中的集成電路 U36、電阻R73、R74、R75、R76、電容C119、三極管Q6組成了圖3的微分和過零檢測模塊B31。
未說明的電容均為電源旁路濾波電容。集成電路U1、U2、U2、U4型號為74LS85， U5、U6型號為CD4013， U7、U8、U9、U10型號為74LS248, U11、U12型號為6N137， U13、U14型 號為CD4017, U15型號為CD4093, U16型號為74HC74, U17、 U18、 U19、 U20型號為74LS160, U21、 U22型號為恵232， U23型號為CD4060, U24型號為CD4011， U25、 U31型號為AD830， U26、 U32型號為AD605, U27、 U33型號為MAX275， U28、 U34型號為VCA810， U29、 U35型號為 LM360， U30、U36型號為LM361。集成振蕩器模i央0SC1頻率為20M。
2權利要求
一種根據作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于首先，將不會產生蒸騰的參考作物置于與檢測作物(46)環境相同的地方，參考作物水平一字布置；在參考作物水平一字布置的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向，水平依次安裝有參考作物上方超聲波發射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)；在參考作物上方超聲波發射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)順著參考作物水平一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板(45)；位于檢測作物(46)的正上方垂直于檢測作物(46)水平種植方向水平，依次安裝有檢測作物上方超聲波發射頭(15)和檢測作物上方超聲波接收頭(17)；在檢測作物上方超聲波發射頭(15)和檢測作物上方超聲波接收頭(17)順著檢測作物(46)水平種植方向的正前方，位于檢測作物(46)的正上方垂直于檢測作物(46)水平種植方向安裝有檢測作物上方超聲波反射板(47)；檢測作物上方超聲波發射頭(15)和檢測作物上方超聲波接收頭(17)到檢測作物上方超聲波反射板(47)的距離與參考作物上方超聲波發射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)到參考作物上方超聲波反射板(45)的距離相等；其次，由光照閾值檢測模塊(1)和光照積分閾值檢測模塊(2)確定檢測時間窗口，當光照達到所設定的閾值后，光照閾值檢測模塊(1)啟動光照積分閾值檢測模塊(2)對光照強度進行積分，當達到所設定的光照積分閾值后，進入檢測時間窗口，當光照低于所設定的閾值后，光照閾值檢測模塊(1)的輸出使光照積分閾值檢測模塊(2)的積分值清零復位，退出檢測時間窗口；第三，進入檢測時間窗口后，超聲波發射間隔控制模塊(3)被啟動，按時間間隔控制超聲波發生器(6)產生一組超聲波脈沖串，該脈沖串分為兩路，一路通過參考作物上方超聲波發射頭(16)，另一路通過檢測作物上方超聲波發射頭(15)，同時發送出去；當參考作物上方超聲波接收頭(18)收到被參考作物上方超聲波反射板(45)反射回來的超聲波后，確認超聲波到達的時間點，在確認超聲波到達的時間點上啟動計數、顯示模塊(8)的計數器計數，當檢測作物上方超聲波接收頭(17)收到被檢測作物上方超聲波反射板(47)反射回來的超聲波后，確認超聲波到達的時間點，在確認超聲波到達的時間點上關閉計數、顯示模塊(8)的計數器計數；第四，將計數、顯示模塊(8)的計數器的計數值與根據超聲波渡越時間作物缺水指數通過計數預置模塊(9)預先設定的計數閾值進行比較，如果計數、顯示模塊(8)的計數器的計數值小于計數預置模塊(9)所設定的計數閾值，作物缺水達到了需要灌溉的程度，將啟動小額灌溉系統(12)；第五，退出檢測時間窗口后，超聲波發射間隔控制模塊(3)被關閉，除光照閾值檢測模塊(1)仍在工作外，其余進入休眠狀態以節省電力消耗。
2. 根據權利要求1所述的根據作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的參 考作物由一字水平排列相互留有間隙的各個橫著放置的長方形模擬葉(42)和順著模擬葉 (42) —字水平排列方向位于模擬葉(42)兩側的前擋風板(43)、后擋風板(44)組成。
3. 根據權利要求1所述的根據作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的檢 測時間窗口，達到光照積分閾值是進入檢測時間窗口的必要條件，陰天達不到光照閾值，光 照積分閾值檢測模塊(2)的積分值仍處于被清零復位狀態，多云天氣即使某個時刻達到了光照閾值，光照閾值檢測模塊(1)的輸出啟動了光照積分閾值檢測模塊(2)對光照強度進 行了積分，但在達到光照積分閾值前的某個時刻，光照又低于了所設定的閾值，光照閾值檢 測模塊(1)的輸出將使光照積分閾值檢測模塊(2)的積分值重新被清零復位，仍達不到光 照積分閾值，陰天和多云天氣都進入不了檢測時間窗口，通過調整光照閾值和光照積分閾 值使檢測時間窗口落在晴好天氣的中午12時至下午16時之間。
4. 根據權利要求1所述的根據作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的通 過參考作物上方超聲波發射頭(16)和檢測作物上方超聲波發射頭(15)同時發送的超聲波 脈沖串，具有相同的頻率和相位，包含有相同的脈沖個數，脈沖個數以接收到的超聲波脈沖 串波形仍呈"菱形"為上限。
5. 根據權利要求1所述的根據作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的 超聲波到達的時間點是這樣確認的參考作物上方超聲波接收頭(18)和檢測作物上方超 聲波接收頭(17)分別收到參考作物上方超聲波反射板(45)和檢測作物上方超聲波反射 板(47)反射回來的超聲波后，分別送入差分放大器A(20)、差分放大器B(19)，經差分放大 后，分別送入增益控制放大器A (22)、增益控制放大器B (21)，經增益控制放大后，分別送入 高Q值帶通濾波器A(24)、高Q值帶通濾波器B(23)，經帶通濾波后，分別送入半波整流器 A(26)、半波整流器B(25)進行半波整流，去掉半周后，分別送入變指數放大器A(28)、變指 數放大器B(27)，分別作為一個固定電壓的指數分別對該固定電壓進行變指數放大，在不改 變剩下半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅差距，同時使 各脈沖峰值點兩側更加陡峭，經變指數放大后，分別送入門限比較模塊A (30)、門限比較模 塊B(29)進行門限檢測，找出振幅最大的脈沖，再分別送入微分和過零檢測模塊A(32)、微 分和過零檢測模塊B (31)，進行微分和過零檢測，找出各自振幅最大脈沖峰值點，分別為參 考作物上方超聲波接收頭(18)收到被參考作物上方超聲波反射板(45)反射回來的超聲波 到達的時間點和檢測作物上方超聲波接收頭(17)收到被檢測作物上方超聲波反射板(47) 反射回來的超聲波到達的時間點。
6. 根據權利要求1所述的根據作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的超 聲波渡越時間作物缺水指數是這樣定義的，超聲波渡越時間作物缺水指數UltrasonicTOF CWSI =1 ——包 (l一8)Az〃(1-8)式中At為實際的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間 差，Atp為潛在或最大的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差，AtP 可用充分供水時實測的最大A t值代替，參考作物冠層指的是參考作物接受太陽輻射的模 擬葉部分；當作物不缺水時因作物植株蒸騰而產生的降溫幅度最大，與之對應的檢測作物 冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差At最大，與A tp相同，Ultrasonic TOF CWSI計算結果為O，表示檢測作物不缺水，同理，當作物完全水分脅迫使作物植株蒸騰停止 時，因作物植株蒸騰而產生的降溫幅度最小，與之對應的檢測作物冠層上方與參考作物冠 層上方的超聲波渡越時間差At最小，At為0，Ultrasonic T0FCWSI計算結果為l，表示檢 測作物停止蒸騰處于完全水分脅迫狀態，Ultrasonic TOF CWSI是指示作物水分虧缺程度， 處于0和1之間的數值量，數值越大表示作物缺水程度越高，所述的計數、顯示模塊(8)的計數器的計數值是超聲波渡越時間作物缺水指數計算公式(1-8)中的"實際的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間差At"， 公式(1-8)中的潛在或最大的檢測作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時間 差Atp，用灌溉后根系土壤充分侵潤，作物供水充足時實測的最大At值代替，對于小額灌 溉，用灌溉后第4天午后14時計數、顯示模塊(8)的計數器的計數值；所述的計數預置模塊(9)預先設定的計數閾值是這樣確定的，首先，根據所種植作物 對干旱的敏感性，確定需要灌溉時的超聲波渡越時間作物缺水指數Ultrasonic T0F CWSI， 然后，取上次小額灌溉后第4天午后14時計數、顯示模塊(8)的計數器的計數值，作為Atp， 將Ultrasonic T0F CWSI和A tP代入公式(1-8)，即計數閾值=(1-UltrasonicTOFCWSI) A tP。
7. —種根據作物缺水程度控制灌溉的裝置，其特征在于將不會產生蒸騰的參考作物 置于與檢測作物(46)環境相同的地方，參考作物水平一字布置，在參考作物水平一字布置 的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向水平，依次安裝有參考 作物上方超聲波發射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18);在參考作物上方超聲波 發射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)順著參考作物水平一字布置方向的正前 方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布 置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板(45);位于檢測作物(46)的正上方垂直于檢測 作物(46)水平種植方向水平，依次安裝有檢測作物上方超聲波發射頭(15)和檢測作物上 方超聲波接收頭(17);在檢測作物上方超聲波發射頭(15)和檢測作物上方超聲波接收頭 (17)順著檢測作物(46)水平種植方向的正前方，位于檢測作物(46)的正上方垂直于檢測 作物(46)水平種植方向安裝有檢測作物上方超聲波反射板(47);檢測作物上方超聲波發 射頭(15)和檢測作物上方超聲波接收頭(17)到檢測作物上方超聲波反射板(47)的距離 與參考作物上方超聲波發射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)到參考作物上方超 聲波反射板(45)的距離相等；控制裝置包括如下各部分光照閾值檢測模塊(l)，光照積分閾值檢測模塊(2)，超聲 波發射間隔控制模塊(3)，計數啟、閉控制模塊(4)，計數用振蕩器(5)，超聲波脈沖個數控 制設置模塊(6)，超聲波發生器(7)，計數、顯示模塊(8)，計數預置模塊(9)，計數值與計數 閾值比較模塊(IO)，比較結果延時采樣與保持模塊(ll)，小額灌溉系統(12);超聲波發射 和接收部分分為對稱結構的兩路， 一路和參考作物有關，它們是超聲波發射頭高電壓差分 驅動模塊A(14)，參考作物上方超聲波發射頭(16)，參考作物上方超聲波接收頭(1S)，差分 放大器A (20)，增益控制放大器A (22)，高Q值帶通濾波器A (24)，半波整流器A (26)，變指數 放大器A (28)，門限比較模塊A (30)，微分和過零檢測模塊A (32)，另一路和檢測作物有關， 它們是超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊B (13)，檢測作物上方超聲波發射頭(15)，檢測 作物上方超聲波接收頭(17)，差分放大器B (19)，增益控制放大器B (21)，高Q值帶通濾波器 B (23)，半波整流器B (25)，變指數放大器B (27)，門限比較模塊B (29)，微分和過零檢測模塊 B(31);控制裝置各部分連接如下光照閾值檢測模塊(1)輸出端和光照積分閾值檢測模塊(2)連接；光照積分閾值檢測模塊(2)輸出端分別與超聲波發射間隔控制模塊(3)和比較 結果延時采樣與保持模塊(11)連接；超聲波發射間隔控制模塊(3)輸出端分別與計數啟、 閉控制模塊(4)和超聲波脈沖個數控制設置模塊(6)連接；計數用振蕩器(5)輸出端和計數啟、閉控制模塊(4)連接；計數啟、閉控制模塊(4)輸出端分別與計數、顯示模塊(8)和比 較結果延時采樣與保持模塊(11)連接；計數、顯示模塊(8)輸出端和計數值與計數閾值比 較模塊(10)連接；計數預置模塊(9)輸出端和計數值與計數閾值比較模塊(10)連接；計數 值與計數閾值比較模塊(10)輸出端和比較結果延時采樣與保持模塊(11)連接；比較結果 延時采樣與保持模塊(11)輸出端和小額灌溉系統(12)連接；超聲波脈沖個數控制設置模 塊(6)輸出端和超聲波發生器(7)連接；超聲波發生器(7)的輸出分為兩路，為對稱結構， 一路經過參考作物上方，用于啟動計數、顯示模塊(8)的計數器計數，另一路經過檢測作物上方，用于關閉計數、顯示模塊(8)的計數器計數，參考作物超聲波發生器(7)輸出端和超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A(14)連接；超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊A(14)輸 出端和參考作物上方超聲波發射頭(16)連接；參考作物上方超聲波接收頭(18)輸出端和 差分放大器A(20)連接；差分放大器A(20)輸出端和增益控制放大器A(22)連接；增益控制 放大器A(22)輸出端和高Q值帶通濾波器A(24)連接；高Q值帶通濾波器A(24)輸出端和 半波整流器A(26)連接；半波整流器A(26)輸出端和變指數放大器A(28)連接；變指數放 大器A(28)輸出端和門限比較模塊A(30)連接；門限比較模塊A(30)輸出端與微分和過零 檢測模塊A(32)連接；微分和過零檢測模塊A(32)輸出端與計數啟、閉控制模塊(4)連接， 用于啟動計數、顯示模塊(8)的計數器計數，檢測作物超聲波發生器(7)輸出端和超聲波 發射頭高電壓差分驅動模塊B(13)連接；超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊B(13)輸出端 和檢測作物上方超聲波發射頭(15)連接；檢測作物上方超聲波接收頭(17)輸出端和差分 放大器B(19)連接；差分放大器B(19)輸出端和增益控制放大器B(21)連接；增益控制放 大器B(21)輸出端和高Q值帶通濾波器B(23)連接；高Q值帶通濾波器B(23)輸出端和半 波整流器B(25)連接；半波整流器B(25)輸出端和變指數放大器B(27)連接；變指數放大 器B(27)輸出端和門限比較模塊B(29)連接；門限比較模塊B(29)輸出端與微分和過零檢 測模塊B(31)連接；微分和過零檢測模塊B(31)輸出端與計數啟、閉控制模塊(4)連接，用 于關閉計數、顯示模塊(8)的計數器計數。
8.根據權利要求7所述的根據作物缺水程度控制灌溉的裝置，其特征在于所述的參 考作物由一字水平排列相互留有間隙的各個橫著放置的長方形模擬葉(42)和順著模擬葉 (42) —字水平排列方向位于模擬葉(42)兩側的前擋風板(43)、后擋風板(44)組成。
全文摘要
本發明涉及一種根據作物缺水程度控制灌溉的方法及其裝置，用光照閾值和光照積分閾值確定檢測時間窗口，進入檢測時間窗口后，按設定的時間間隔分別在挨近參考作物和檢測作物的上方，平行于各自下方作物所在平面，同時向等距的位于各自正前方的超聲波反射板發射超聲波，當收到各自反射回來的超聲波后，分別啟動和停止同一個計數器計數，將計數值與根據超聲波渡越時間作物缺水指數設定的計數閾值進行比較，如果計數值小于計數閾值，作物缺水達到了需要灌溉的程度，將啟動灌溉。具有檢測參數少、沒有繁瑣計算、無檢測個體差異、非接觸測量、經濟實用的優點。
文檔編號A01G25/16GK101790955SQ201010102820
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月29日 優先權日2010年1月29日
發明者馮俊杰, 段愛旺, 賈艷輝, 高勝國, 黃修橋 申請人:中國農業科學院農田灌溉研究所