CN106818419A - 一种随天气变化的水肥药一体化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，包括以下步骤，1）获取气象数据，根据气象数据判断农事活动是否适宜；2）、从气象数据中抽取核心气象要素，计算各气象要素对特定农事活动供水量的影响权值；3）根据影响全职对农事活动，在特定种植对象各阶段设定的追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间的默认值进行修订；4）根据修正后的追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间，控制电动水阀的启闭，完成控制过程；本发明将气象信息融合到控制过程中能精准的实现施肥、打药和浇水，使得过程更加精化、智能化，能够最大限度的减少化工原料对环境的影响。

Description

一种随天气变化的水肥药一体化控制方法

技术领域

本发明涉及一种水肥一体化控制方法，具体涉及一种随天气变化的水肥药一体化控制方法。

背景技术

水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，其具有“三节”(节水、节肥、节药)、“三省”(省工、省力、省心)和“三增”(增产、增收、增效)的良好效果，是发展现代农业，加快转变农业发展方式的“一号技术”。

目前市场上的水肥一体控制单元采用参数配置固定、启动定时、定次数的三定工作模式；其采用方法是在存储模块内存储有不同农作物于生长期内不同根系长度所对应的用水量和用肥量；定数器、定时器与控制器相连，实现水泵和肥泵定时、定次数的启动；定次数与定时一经配置好，就不能根据天气的变化情况实时调整，即使明天有明显的降水过程，整个流程也必须按设定的方式完成；这种三定模式由于要面对种植对象不同、种植地域不同等情况，控制单元配置信息量大、现场修改控制参数不方便。而且还要面对用户更换品种又必须修重新配置参数的问题；总之这种模式是采用事先设定好控制流程和操控方案，由操作员启动一次后自动完成所设定的所有工作流程的模式；这种不管天气情况的不断变化、不管作物生长的实际情况，一律按事先设定流程工作的模式，经过多年的实践，也越来越不适应现代农业发展的需求。

发明内容

本发明提供一种根据天气情况不同动态调整引水时间、追肥时间、补水时间的水肥药一体化控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，包括以下步骤：

1)、获取气象数据，根据气象数据判断农事活动是否适宜，适宜转入步骤2)，不适宜则退出；

2)、从气象数据中抽取核心气象要素，计算各气象要素对特定农事活动供水量的影响权值&_i，计算方法如下：

&_i＝r_ed_i

式中：r_e为气象要素与本区域水蒸发量间的相关系数，d_i为本时间段内相关气象要素的均值与常年同期均值的差；

3)、根据&_i对农事活动，在特定种植对象各阶段设定的追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间的默认值进行修订；具体计算方法如下：

式中：M_j为特定种植对象和农事活动追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间的默认值，n为农事活动的核心气象要素个数；

4)、根据修正后的追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间，控制电动水阀的启闭。

进一步的，所述步骤1)中根据气象数据判断农事活动是否适宜的方法如下：

确定气象条件对特定农事活动的影响程度，如满足设定的气象条件则规定其影响因子为2，如不满足设定的气象条件则规定其影响因子为0，其余设定为1；计算各判别条件影响因子的乘积A和各判别条件影响因子的合计值B：

式中：X_i为第i个判别条件影响因子值，n为特定农事活动差别条件总数；

若A不为0，B为2n，则该农事活动适宜，否则为不适宜。

进一步的，所述步骤2)中核心气候要素包括活动积温Aa、有效积温Ae、计频Na、日较差Ba和日照时数Sn；

其中：

需满足T_i＞B，Ti为温度，B为种植对象所要求的下限温度，一般n取30；

Xi＞C，Na加1，Xi≤C时，Na不变，其中Xi为气象要素测试数据，C为种植对象所要求的该气象要素下限值；

Ba＝T_i-T_j

T_i为上午8点到下午20点的平均温度，T_j为下午20点到早上8点的平均温度；

Sn＝X_i-X_j

X_i为上午8点的日照数据，X_j为下午20点的日照数据。

进一步的，所述农事活动包括浇水、施肥和打药。

进一步的，所述气象数据为前三天和后三天的气象数据。

进一步的，所述后三天的气象数据通过基于NBIOT的农业物联通信模块获得。

进一步的，所述前三天的气象数据通过传感器采集。

本发明的有益效果是：

(1)本发明充分利用气象数据动态的调整追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间；

(2)本发明将气象信息融合到控制过程中能精准的实现施肥、打药和浇水，使得过程更加精化、智能化，能够最大限度的减少化工原料对环境的影响。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，包括以下步骤：

1)、获取气象数据，根据气象数据判断农事活动是否适宜，适宜转入步骤2)，不适宜则退出；

2)、从气象数据中抽取核心气象要素，计算各气象要素对特定农事活动供水量的影响权值&_i，计算方法如下：

&_i＝r_ed_i

式中：r_e为气象要素与本区域水蒸发量间的相关系数，d_i为本时间段内相关气象要素的均值与常年同期均值的差；其中r_e通过各气象要素与水蒸发要素按照积差计算得到；

3)、根据&_i对农事活动，在特定种植对象各阶段设定的追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间的默认值进行修订；具体计算方法如下：

式中：M_j为特定种植对象和农事活动追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间的默认值，n为农事活动的核心气象要素个数；

4)、根据修正后的追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间，控制电动水阀的启闭，完成控制过程。

进一步的，所述步骤1)中根据气象数据判断农事活动是否适宜的方法如下：

确定气象条件对特定农事活动的影响程度，如满足设定的气象条件则规定其影响因子为2，如不满足设定的气象条件则规定其影响因子为0，其余设定为1；计算各判别条件影响因子的乘积A和各判别条件影响因子的合计值B：

式中：X_i为第i个判别条件影响因子值，n为特定农事活动差别条件总数；

若A不为0，B为2n，则该农事活动适宜，否则为不适宜。

浇水、施肥、打药均为农业生产中的农事活动，要首先判别这项农事活动是否合适，其气象条件判断规则如下：

某项农事活动任意判别条件为不适宜，则该项农事活动气象等级为不适宜；其余情况下，该项农事活动气象等级为较适宜；

表1为农业生产过程中水肥药农事活动气象等级判别指标

进一步的，所述步骤2)中核心气候要素包括活动积温Aa、有效积温Ae、计频Na、日较差Ba和日照时数Sn；

其中：

需满足T_i＞B，Ti为温度，B为种植对象所要求的下限温度，一般n取30；

Xi＞C，Na加1，Xi≤C时，Na不变，其中Xi为气象要素测试数据，C为种植对象所要求的该气象要素下限值；

Ba＝T_i-T_j

T_i为上午8点到下午20点的平均温度，T_j为下午20点到早上8点的平均温度；

Sn＝X_i-X_j

X_i为上午8点的日照数据，X_j为下午20点的日照数据。

进一步的，所述农事活动包括浇水、施肥和打药。

进一步的，所述气象数据为前三天和后三天的气象数据。

进一步的，所述后三天的气象数据通过基于NBIOT的农业物联通信模块获得。

进一步的，所述前三天的气象数据通过传感器采集。

自动控制设备每10分钟采集相关的气候要素(如空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、日照时数、风速、雨量等)，存入本地的存储器中，同时通过基于NBIOT的农业物联通信模块从中国天气网上获取温度、降水等相关的预报信息；在设备存储器中采用SQLIT数据库存储自身所采集的最新10天的气候数据和3天内的天气预报信息；在控制过程中气象数据以天为时间单位进行处理；首先进行数据质量控制，抽取或校正有用的气象信息数据；计算每个气候要素的平均值、每天的最大值、最小值并存入数据表中；在本算法中需要对温度、水、光等核心气象要素进行深层次的加工处理，如计算满足一定的积温、日较差、光照时长、降水频次等数据结果并存入数据表中，数据表中的存入最新10天的数据。

使用时，根据收集的气象数据进行核心气象要素指标进行计算，并根据上述判别规则判定是否适宜某项农事活动；根据作物的生长阶段、土壤的含水量、过去三天空气的温湿度、后三天的空气温湿度预报以及降水量预报等相关信息，调整水肥药一体化工艺流程；控制过程的改变反应在水肥一体化控制器上为输出控制时间的长短和阀门开合角度的控制以及改变输送水管的压力等两种方式；具体控制过程如下：

首先判别农事活动是否适宜，如不适宜控制器向用户反馈不要进行此农事活动，并退出；如果适宜则转入下一步；

各气象要素对特定农事活动供水量的影响权值&_i的计算，根据本地区30年整编资料、文件等基本的气象数据，确定核心气候要素间的相关系数，最后与本时段内相关气象要素的均值与常年同期均值的差相乘得到各气象要素对特定农事活动供水量的权值；

根据种植对象、土壤性质、作物生长阶段的不同，事先在控制器中设定追肥时间、引水时间、补水时间的默认值；

水肥药一体化农事活动过程中，不同的农事活动拣选的功能不同，每个阶段的时间也不相同，如表2、表3、表4所示；其表中N的个数为影响本农事活动的核心气象要素的个数，&_i为此气象要素影响因子的权值，追肥时间、打药时间与肥和药的用时相关；从表中可以看出在不同的气候条件下改变了水肥比、水药比；可以看出在不同的气候条件下，可改变用水量；

表2：某种植对象施肥活动气象因子影响权值例表

表3：某种植对象喷药活动气象因子影响权值例表

表4：某种植对象灌溉活动气象因子影响权值例表

控制器根据各阶段时间长短的不同和前后时间关系，向控制端口发出控制命令，分别控制喷水阀、施肥阀、喷药阀的启闭，直到所设定的每个阶段时间到，并向用户发送操作完成信息。

这种根据种植对象、土壤性质、天气变化等实际情况的不同动态调整水肥一体化实现过程的方法，分为三个阶段实现，不需额外的存储器、定时器与计数器；只需要一个STM32核心微控芯片就可实现，减轻控制器设计难度，控制器调度的数据量也大幅减少，使用简单、方便，成本也大为下降；第一阶段称为引水阶段(或引水时间)根据作物对象不同，作物根系同吸肥方式不同，确定时间长短；本阶段只浇水不送肥，让作物根系周围有一定的水含量，让肥力很快地渗透到作物根部最需要肥力的地方；时间长短由水压、管网大小、作物对象等决定；第二个阶段称为追肥阶段(或追肥时间)根据作物生长期不同，土壤性质的不同确定肥料用量；由于输入管网固定，水压固定，肥力输送速率恒定，根据肥料用量计算出追肥的时间；第三个阶段为补水阶段(或补水时间)目的是水管管线上的肥料全都输送到田间和肥力根据需要多往地下渗透一点，时间长短仍根据作物的需要而定。

在农业实际生产过程中，水肥一体化的操作流程应该是动态，三个阶段的时间调整不光是建立在上面的三个不同情况基础上的；更重要的是要根据天气情况的不同动态地改变三个时间，以及水肥控制器的工作流程；其方法是确定种植在每个生长阶段理论上所需的总水量，由水肥比、水药比计算出引水时间、追肥时间、补水时间的大小；将气象要素引入水肥一体过程方法是根据前三天空气的温度、湿度以及土壤的含水量以及后面三天本区域关键气候要素预报的情况来改变水肥一体的工作流程和农事安排。

为此，实现水肥一体化控制方法的控制装置不仅要实现三个阶段的控制功能，还要完成关键气候要素的采集(如空气温度、湿度、土壤水份等)；同时，还能远程接收云数据中心的相关参数和气象预报信息，将其融合到水肥一体化整个控制过程中，精准实现现代化的施肥、打药。充分达到“三节”、“三省”、“三增”的目的，最大限度地减少化工原料对环境的影响。

使用时，实现水肥一体化控制方法的控制装置，每个支管上安装一个电动水阀，每一个支管所管的浇灌区域根据山区的地理环境或水压的实际情况决定浇灌的面积；主水管电动水阀和施肥打药电动阀由连接同一个一体化控制器，每个一体化控制器能够独立于云管理中心通信；通过对主水管和施肥打药电动阀的前后逻辑和开关控制时间完成水肥一体化控制；本发明每一个一体化控制器采用低功耗设计，采用太阳能+蓄电池的方式供电，可以减少现场的施工难度。

实现水肥一体化控制方法的控制装置，包括一体化控制器和太阳能电池板；一体化控制器通过太阳能控制器连接太阳能电池板，太阳能控制器还连接到蓄电池；一体化控制器连接到电动水阀；一体化控制器包括STM32核心控制器和与其连接的基于NBIOT的农业物联通信模块；STM32核心控制器连接用于收集天气信息的传感器，还连接安全控制电路，安全控制电路连接电动水阀；基于NBIOT的农业物联通信模块连接云管理中心。

控制装置的软件实现原理如下：

约定每一个控制通道的优先级别为0～4，约定优先级为5此控制通道无效；第一个控制通道无论何优先级，只要有控制命令都立即启动，其它四个控制通道根据设定的优先级确定开、关的先后关系；控制通道1～5的优先级只能递减、不能递增；如要实现递增中间用一个5隔开；如上一个控制通道的优先级等于5本通道与第一个通道一样的处理方式；为实现水肥一体化控制逻辑设计如下内容的一张二维表数据结构，其内容和初始你值如下表所示。其中工作优先级由现场控制根据水阀连接的实际情况，现场通过参数配置的方式得到。

表5二维表的结构与初始值表

软件实现算法如下。

步骤1：初始化一个二维数组，如上表1所示。

步骤2：任何一个控制通道接到启动命令，如此通道为第1控制通道或控制优先级为0，将要求启动标置1，启动命令置1.再根据引水时间、追肥时间、补水时间计算此阀提前开阀时间量，并打开提前开计时器；如控制优先级为5此端口中不作任何操作。如控制优先级为0和5外的1、2、3、4中的一种，判断上一个通道的启动命令是否为1，提前开时间到标志是否为1，如这两个标志的置均为1，将本通道的启动标志置1，完成水阀的前、后启动控制逻辑。

步骤3：程序不停扫描提前开定时器并判断定时时间是否到。如提前开计时器时间到，将二维表是提前开时间到标志置1。

步骤4：扫描到启动命令被置1的通道进行启动操作，并启动开启总时间计时器。

步骤5：判断开启总时间计时器时间到关闭此控制通道的操作。

步骤6：重复步骤2～5，走到所有操作结束，并停机。

本发明可以充分调用气象数据参与作物生长的各个关键环节，动态的影响或改变水肥一体的操作工艺流程；本发明将气象信息融合到控制过程中能精准的实现施肥、打药和浇水，使得过程更加精化、智能化，能够最大限度的减少化工原料对环境的影响。

Claims (7)

1.一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、获取气象数据，根据气象数据判断农事活动是否适宜，适宜转入步骤2)，不适宜则退出；

2)、从气象数据中抽取核心气象要素，计算各气象要素对特定农事活动供水量的影响权值&_i，计算方法如下：

&_i＝r_ed_i

式中：r_e为各气象要素间的相关系数，d_i为本时间段内相关气象要素的均值与常年同期均值的差；

3)、根据&_i对农事活动，在特定种植对象各阶段设定的追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间的默认值进行修订；具体计算方法如下：

式中：M_j为特定种植对象和农事活动追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间的默认值，n为农事活动的核心气象要素个数；

4)、根据修正后的追肥时间、打药时间、引水时间和补水时间，控制电动水阀的启闭。

2.根据权利要求1所述的一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，其特征在于，所述步骤1)中根据气象数据判断农事活动是否适宜的方法如下：

确定气象条件对特定农事活动的影响程度，如满足设定的气象条件则规定其影响因子为2，如不满足设定的气象条件则规定其影响因子为0，其余设定为1；计算各判别条件影响因子的乘积A和各判别条件影响因子的合计值B：

$A=\underset{i=1}{\overset{n}{\Π}}{X}_i$

$B=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{X}_i$

式中：X_i为第i个判别条件影响因子值，n为特定农事活动差别条件总数；

若A不为0，B为2n，则该农事活动适宜，否则为不适宜。

3.根据权利要求1所述的一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，其特征在于，所述步骤2)中核心气候要素包括活动积温Aa、有效积温Ae、计频Na、日较差Ba和日照时数Sn；

其中：

需满足T_i＞B，Ti为温度，B为种植对象所要求的下限温度，一般n取30；

Xi＞C，Na加1，Xi≤C时，Na不变，其中Xi为气象要素测试数据，C为种植对象所要求的该气象要素下限值；

Ba＝T_i-T_j

T_i为上午8点到下午20点的平均温度，T_j为下午20点到早上8点的平均温度；

Sn＝X_i-X_j

X_i为上午8点的日照数据，X_j为下午20点的日照数据。

4.根据权利要求1所述的一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，其特征在于，所述农事活动包括浇水、施肥和打药。

5.根据权利要求2所述的一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，其特征在于，所述气象数据为前三天和后三天的气象数据。

6.根据权利要求5所述的一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，其特征在于，所述后三天的气象数据通过基于NBIOT的农业物联通信模块获得。

7.根据权利要求5所述的一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，其特征在于，所述前三天的气象数据通过传感器采集。