CN108064531A - 一种轻简化温室水肥灌施装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻简化温室水肥灌施装置，包括施肥机构、信息采集系统和控制系统。施肥机构采用变频调速技术，利用变频器控制施肥泵转速来调节液肥管路流量的大小，从而实现液肥浓度配比和灌溉量的实时动态精确控制。信息采集系统利用作物生境的多信息的融合，可以实现作物多维水肥胁迫信息和温室环境综合信息的精确获取和反馈，进而基于作物生境信息反馈的变频控制技术，实现了温室水肥的自动配比和变量灌施作业。施肥机构基于pH差值反馈实现混肥搅拌的自适应启动控制，大幅降低了固体颗粒的沉积率，降低了人工搅拌的劳动强度，同时大幅减少设备故障。本发明有效减少施肥用量，提高施肥机作业效率，降低肥料和人工成本，提高温室的经济效益。

Description

一种轻简化温室水肥灌施装置

技术领域

本发明属于设施农业生物信息探测研究领域，具体涉及一种轻简化温室水肥灌施装置。

背景技术

我国设施面积已达410万公顷，但适用于日光温室、钢架大棚的水肥一体化技术装备研究较少，大型现代化温室采用的进口水肥灌施系统能够实现多路肥料的精确混合施用和科学管理，但是通常体积较大，操作和管理复杂，价格也较高，不适合普通农户。而国产小型施肥系统，水肥管理粗放，尤其是缺少作物营养、水分需求信息，因此不能做到按需施肥灌溉、不能达到节水节肥的目的，且大多没有混肥搅拌和沉积排出装置，易发生沉积和堵塞，故障率较高。

中小农户的水肥一体化装备大多为简易型手持式的灌施装置，水肥一体化滴灌系统普及率较低。而普遍使用的手持式灌施装置不仅管理粗放，造成水肥资源的严重浪费和面源污染，且浪费大量的人力，劳动效率低下，由于设施肥水施用频繁，设施果蔬基本上每隔三四天就需要进行灌施作业，10亩大棚每次作业需要1-2天/人，导致人力和用工成本较高，设施种植的经济效益较差。

针对目前中小农户日光温室生产水肥灌施自动化程度低，水肥不能精确按需调控，以及大水大肥造成的农产品品质下降和面源污染等问题，本发明申请开发了适用于中小农户的一种轻简化温室水肥灌施装置，能依据温室环境和作物信息控制水肥灌溉时机、灌溉量；针对日光温室种植农艺要求，研发轻简化水肥灌施装置，使之更加低成本和实用化，提高日光温室肥水的利用率及降低人工劳动强度，有助于精确农业实现高效、持续、集约的发展。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种轻简化温室水肥灌施装置，以实现对苗期作物水肥胁迫状态的快速无损精确探测，为设施水肥的科学管理提供依据。本发明施肥机构采用变频调速技术，利用变频器控制施肥泵转速来调节液肥管路流量的大小，并将液肥送到具有压力反馈的恒压主管道中，从而实现液肥浓度配比和灌溉量的实时动态精确控制。信息采集系统利用作物生境的多信息的融合，可以实现作物多维水肥胁迫信息和温室环境综合信息的精确获取和反馈，进而基于作物生境信息反馈的变频控制技术，实现了温室水肥的自动配比和变量灌施作业。施肥机构还包括混肥搅拌装置，该装置基于上下肥液不均匀性的pH差值反馈实现混肥搅拌的自适应启动控制，大幅降低了固体颗粒的沉积率，结合管道过滤装置，不仅降低了人工搅拌的劳动强度，同时大幅减少设备故障。本装置相较于传统方法能够有效减少施肥用量，提高施肥机作业效率，降低肥料和人工成本，提高温室的经济效益。

本发明的技术方案是：一种轻简化温室水肥灌施装置，包括施肥机构、信息采集系统和控制系统；

所述施肥机构包括进水主管道、进水泵、进水电磁阀、出肥管道、施肥电磁阀、搅拌电机、混肥灌、施肥泵和施肥管道；所述进水主管道与进水泵连接，进水泵的出口管路和混肥管路之间连接有进水电磁阀；施肥泵通过管路与混肥罐上部相连、且施肥泵与混肥罐之间的管道上有施肥电磁阀；施肥罐顶部安装有搅拌电机，搅拌电机输出轴伸入施肥罐内、且设有搅拌叶片；

所述信息采集系统包括环境温度变送器、环境湿度变送器、环境光照变送器、基质含水率变送器、EC传感器、pH传感器、液位传感器、压力变送器、作物信息检测系统，以及A/D转换模拟量模块；所述模拟量模块分别与环境温度变送器、环境湿度变送器、环境光照变送器、基质含水率变送器、EC传感器、pH传感器、液位传感器和压力变送器电连接；所述环境温度变送器、环境湿度变送器、环境光照变送器分别用于检测温室内部的温度、湿度和光照；所述基质含水率变送器用于检测作物基质的含水率；所述EC传感器连接在施肥管路的输出端；所述pH传感器用于检测肥料的PH值；所述液位传感器放置在混肥罐的底部；所述压力变送器连接在施肥管路中部，用于检测施肥管路压力；作物信息检测系统包括micro-CT扫描系统、偏振-高光谱成像系统和三维激光扫描系统，用于对作物营养和水肥胁迫信息的检测；

所述控制系统包括控制器、触摸屏、变频器和执行机构；所述模拟量模块与控制器相连接，并将采集的温室环境和施肥机构反馈信息传递到控制器；所述作物信息检测系统与控制器连接，并将采集的作物生长信息传送到控制器；所述触摸屏与控制器相连接，用于进行人机交互，输入控制模式和作物生长信息；所述控制器还分别与执行机构进水泵、进水电磁阀、施肥电磁阀、搅拌电机和变频器连接，所述变频器的输出端与施肥泵相连接；控制器根据作物的水肥需求结合环境信息对变频器的频率控制，进而控制施肥泵的转速，调节施肥管道的流量，控制主管道施肥灌溉量。

上述方案中，所述pH传感器包括上下安装在混肥罐内的上pH传感器和下pH传感器，用于检测肥料的PH值；

所述上pH传感器和下pH传感器分别与模拟量模块连接，模拟量模块将上pH传感器和下pH传感器的PH值信息传送到控制器，所述控制器通过pH传感器和下pH传感器的差值比较，判断肥料搅拌的均匀程度，控制搅拌电机的转速，控制固体肥料颗粒的混合及均匀搅拌作业。

上述方案中，所述micro-CT扫描系统包括旋转样本托架和X射线发射器；

所述旋转样本托架固定在检测样本仓的底部，旋转样本托架底座几何中心安装有旋转轴，旋转轴末端安装固定有圆形样本托架，旋转轴带动样本托架旋转，所述X射线发射器安装在发射仓，用于对样本的断层切片扫描。

上述方案中，所述偏振-高光谱成像系统包括控制计算机、图像采集系统、位移台、运动控制器和光源系统；

所述控制计算机分别与图像采集系统、运动控制器和光源系统连接；所述图像采集系统包括偏振-高光谱成像装置、图像采集器、立臂和悬臂；所述位移台安装在光箱的底部，所述立臂的一端与光箱底部铰接、且位于位移台的侧面；所述悬臂的一端与光箱的侧面铰接、且位于位移台的上面；所述偏振-高光谱成像装置包括主视偏振-高光谱成像装置和俯视偏振-高光谱成像装置；所述主视偏振-高光谱成像装置可滑动的安装在立臂上，所述俯视偏振-高光谱成像装置可滑动的安装在悬臂上；

所述光源系统分别在立臂和悬臂上、且光源的角度可调节；

所述图像采集器分别与偏振-高光谱成像装置和控制计算机连接，将偏振-高光谱成像装置采集的信息传送到控制计算机；所述控制计算机对偏振-高光谱成像装置的成像信息采集和分析；所述运动控制器分别与位移台、立臂、悬臂和光源系统连接；所述控制计算机发出指令给运动控制器，运动控制器控制位移台的升降和水平位移，驱动主视偏振-高光谱成像装置和俯视偏振-高光谱成像装置分别在立臂和悬臂上滑动，控制光源系统的角度。

上述方案中，所述立臂包括第一底座、立杆和第一滑块；

所述第一底座固定在光箱的底部的一侧，立杆通过铰链与第一底座连接，立杆以铰链为中心左右摆动；立杆上安装有第一滑块，第一滑块上安装主视偏振-高光谱成像系统，第一滑块与驱动装置连接，驱动装置驱动第一滑块带动主视偏振-高光谱成像系统沿立杆上下移动；

所述悬臂包括第二底座、横杆和第二滑块；

所述第二底座固定在光箱的另一侧板的上部，横杆通过铰链与第二底座连接，横杆以铰链为中心上下摆动；横杆上安装有第二滑块，第二滑块上安装俯视偏振-高光谱成像系统，第二滑块与驱动装置连接，驱动装置驱动第二滑块带动俯视偏振-高光谱成像系统沿横杆沿水平方向左右移动。

上述方案中，所述光源系统包括可见光-近红外光源、多个云台和光源控制器；

所述云台分别安装在立杆的底端和顶端，立杆的右端和左端，所述云台上分别安装可见光-近红外光源，可见光-近红外光源可通过云台进行仰俯角设置。

上述方案中，所述位移台固定在光箱的底平面的几何中心位置，所述位移台包括水平丝杠和垂直丝杠，垂直丝杠顶端安装有样本托架，通过水平丝杠和垂直丝杠的运动，带动样本托架实现水平和垂直方向的匀速位移。

上述方案中，所述偏振-高光谱成像装置包括前到后的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述偏振-高光谱成像装置包括前到后分别由前置偏振片、偏振片驱动装置、前置滤光片、滤光片切换装置、摄谱仪和成像系统，前置偏振片暗转在最前端，前置偏振片与偏振片驱动装置连接，由偏振驱动装置驱动360°旋转，可实现对任意偏振角的设定，摄谱仪和成像系统分别与偏振片驱动装置连接，可实现偏振角的设定和步序偏振信息的采集；前置偏振片后为560nm和1450nm窄带前置滤光片，前置滤光片通过滤光片切换装置，采用转轮切换的方式，配合摄谱仪和成像系统实现对作物样本主视和俯视高光谱营养和水分胁迫特征图像的采集，主视偏振-高光谱成像系统与第一滑块连接，俯视偏振-高光谱成像系统与第二滑块连接，主视偏振-高光谱成像系统和俯视偏振-高光谱成像系统与图像采集器相连接，将数据通过图像采集器传至控制计算机进行分析和处理。

上述方案中，所述三维扫描成像系统包括PC机、FireWire适配器、FireWire电缆、手持三维扫描头和电源模块；所述手持三维扫描头通过FireWire电缆连接FireWire适配器，并通过FireWire适配器与PC机相连，通过PC机软件实现对手持三维扫描头的三维扫描控制和信息采集，电源模块通过与FireWire适配器相连为PC机提供电源；电源模块与手持三维扫描头相连。

上述方案中，还包括过滤器，所述过滤器安装在进水主管道上、且位于进水口与进水泵之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明施肥装置利用变频器控制施肥泵转速来调节液肥管路流量的大小，并将液肥送到恒压主管道中，实现了液肥浓度配比和灌溉量的实时动态精确控制。本发明率先采用基于作物生境信息反馈的变频技术，实现了温室水肥的自动配比和变量灌施作业，目前温室蔬菜生产中尚未见到基于作物生境信息反馈的恒压变频水肥配比控制技术。

2、本发明固体肥搅拌液肥灌施模式下，液肥沉积和管路赌塞的主要原因是混合灌中搅拌后的液肥不均匀和粘性大，长时间作业和存放必然会导致较多的沉淀、管道壁堆积，造成系统的作业故障和寿命降低，本发明通过增设基于上下肥液不均匀性的pH差值反馈的搅拌装置，实现混肥搅拌的自适应启动控制，大幅降低了固体颗粒的沉积率，结合管道过滤装置，不仅降低了人工搅拌的劳动强度，同时大幅减少设备故障，提高了施肥机的作业效率，降低了成本提高了经济效益。

附图说明

图1是本发明采用水肥灌施装置示意图。

图2是本发明采用micro-CT扫描成像系统的结构示意图。

图3是本发明偏振-高光谱成像系统的结构示意图。

图4是本发明的三维激光扫描系统结构示意图。

图5是本发明一种基于micro-CT和偏振-高光谱多特征融合的苗期作物水肥胁迫检测方法流程图。

图中：1.进水主管道；2.过滤器；3.进水泵；4.进水电磁阀；5.出肥管道；6.施肥电磁阀；7.EC传感器；8.压力数字显示仪表；9.变频器；10.控制柜；11.接触器；12.环境温度变送器；13.环境湿度变送器；14.环境光照变送器；15.基质含水率变送器；16.模拟量模块；17.电源空气开关；18.控制器；19.pH传感器；1901.上pH传感器；1902.下pH传感器；20.液位传感器；21.触摸屏；22.搅拌电机；23.混肥灌；24.施肥泵；25.压力变送器；26.施肥管道；27.旋转样本托架；28.样本；29.X射线发射器；30.计算机；31样本托架；32.位移台；33.立臂；3301.第一底座、3302立杆、3303.第一滑块；34.悬臂；3401.第二底座、3402悬杆、3403.第二滑块；35.偏振-高光谱成像装置；3501.主视偏振-高光谱成像仪、3502.俯视偏振-高光谱成像仪2；36.云台；3601.第一云台、3602.第二云台、3603.第三云台、3604.第四云台；37.可见光-近红外光源；3701.第一可见光-近红外光源、3702.第二可见光-近红外光源、3703.第三可见光-近红外光源、3704.第四可见光-近红外光源；38.运动控制器；39.图像采集器；40.光源控制器；41.控制计算机；42.光箱；43.PC机；44.FireWire适配器；45.FireWire电缆；46.手持三维扫描头；47.电源模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述轻简化温室水肥灌施装置的一种实施方式，所述轻简化温室水肥灌施装置包括施肥机构、信息采集系统和控制系统。

所述施肥机构主要包括进水主管道1、过滤器2、进水泵3、进水电磁阀4、出肥管道5、施肥电磁阀6、搅拌电机22、混肥灌23、施肥泵24、施肥管道26等组成；其中进水主管道1连接水源，进水主管道1的另一端连接过滤器2，过滤器2的出水口与进水泵3相连接，用于提供水肥供给系统的基础水源，进水泵3的出口管路和混肥管路之间连接有进水电磁阀4，以控制水源管路的通断；施肥泵24通过管路与混肥罐23上部相连、两者之间有施肥电磁阀6，用于实现施肥管路的通断控制；施肥罐23顶部安装有搅拌电机22，搅拌电机22输出轴末端有搅拌叶片，通过电机驱动，可以实现对固体肥料颗粒的混合及均匀搅拌作业。

所述信息采集系统包括环境温度变送器12、环境湿度变送器13、环境光照变送器14、基质含水率变送器15、EC传感器7、pH传感器19、液位传感器21、压力变送器25、作物信息检测系统，以及A/D转换模拟量输入模块16。其中环境温度变送器12、环境湿度变送器13、环境光照变送器14安装在温室内部、基质含水率变送器15安装在作物珍珠岩盆栽的基质中，四个传感器输出的4-20mA信号分别与模拟量模块16的第一、二、三、四输入端相连；EC传感器7连接在施肥机管路26的输出端，所述pH传感器19包括上下安装在混肥罐23内的上pH传感器1901和下pH传感器1902，用于检测肥料的PH值；优选的，所述上pH传感器1901和下pH传感器1902分别安装在距离混肥罐23液面10cm处和下部距离混肥罐底部20cm处，通过上pH传感器1901和下pH传感器1902的差值比较，判断肥料搅拌的均匀程度，判定搅拌电机22所需的转速，并自启动和停止搅拌电机22和搅拌装置；EC传感器7与模拟量输入模块16的第五输入端相连，混肥罐23内上下布置的上pH传感器1901和下pH传感器1902分别与模拟量模块16的第六和第七输入端相连；液位传感器20放置在混肥罐23的底部，液位传感器20基于水下压力不同的原理来进行液位判断，其4-20mA信号输出端与模拟量模块16的第八输入端相连，压力变送器25连接在施肥管道26中部，用于检测施肥管道26的压力，其输出端与模拟量模块16的第九输入端相连；作物信息检测系统包括附图2的micro-CT扫描系统、附图3的偏振-高光谱成像系统和附图4的三维激光扫描系统。

所述控制系统包括控制器18、触摸屏21、变频器9和执行机构，所述控制器18为PLC控制器，其中触摸屏21与控制器18的422通讯端口相连接，用于进行人机交互，输入控制模式和作物生长状态信息；其中变频器9的输入与控制器18的输出端相连接，变频器9的输出与施肥泵24相连接，系统根据作物的水肥需求结合环境信息，可以通过控制器18实现对变频器9的频率控制，进而实现对施肥泵24转速的控制，以调节施肥管道的流量，在恒压主管路中，最终实现对主管道施肥灌溉量的精确控制，模拟量模块16与控制器18相连接，用于实现控制器18对信息采集系统的多路信息采集控制。

本发明还包括控制柜10，所述控制柜10布置在施肥机构的旁边，用于安装压力数字显示仪表8、变频器9、接触器11、模拟量模块16、电源空气开关17和控制器18；所述接触器12分别与变频器9和控制器18连接；所述电源空气开关17与模拟量模块16连接。

本发明的目的在于提供一种轻简化温室水肥灌施装置，其中作物水肥胁迫信息利用附图2所示的micro-CT扫描成像系统、附图3偏振-高光谱成像系统和附图4三维激光扫描系统进行微尺度、叶片尺度和冠层尺度的作物营养和水肥胁迫信息的检测。

其中所述micro-CT扫描系统包括为旋转样本托架27，通过底座上的螺钉固定在检测样本仓的底部，旋转样本托架27底座几何中心安装有旋转轴，旋转轴末端安装固定有圆形样本托架，检测时旋转轴带动样本托架360°旋转，同时固定在发射仓中部的X射线发射器29通过俯仰动作实现对样本的断层切片扫描过程。

附图3所示为为了进行样本采集而设计的偏振-高光谱图像检测系统，该系统包括控制系统、控制计算机41、位移台32、运动控制器38、光源控制器40、图像采集系统和光源系统组成。

其中位移台32为双坐标样本台。光源控制器40连接控制光源实现不同光强和光质的光源控制；图像采集器39连接偏振-高光谱成像装置35和控制计算机41，由控制计算机41发出指令，实现对主视和俯视偏振-高光谱成像装置35的成像信息采集和分析；运动控制器38连接位移台32、立臂33、悬臂34和云台36；同时，运动控制器38与控制计算机41相连，由控制计算机41发出指令，实现对位移台32的升降和水平位移控制，对立臂33、悬臂34的滑块驱动控制，以及云台36的仰俯角控制。

其中所述图像采集系统包括偏振-高光谱成像装置35、图像采集器38、立臂33和悬臂34；所述位移台32安装在光箱42的底部；

所述立臂33包括第一底座3301、带丝杠的立杆3302和第一滑块3303；所述第一底座3301通过螺钉固定在光箱42的底部的左侧，立杆3302通过铰链与第一底座3301连接，立杆3302以铰链为中心左右摆动，完成成像设备的空间位姿调整；立杆3302上安装有第一滑块3303，第一滑块3303上安装主视偏振-高光谱成像系统3501，第一滑块3303与驱动装置连接，驱动装置驱动第一滑块3303带动主视偏振-高光谱成像系统3501沿立杆3302上下移动，寻找最佳检测位，实现主视方向的偏振高光谱图像信息的采集；

所述悬臂34包括第二底座3401、带丝杠的横杆3402和第二滑块3403；

所述第二底座3401通过螺钉固定在光箱42的另一侧板的上部，横杆3402通过铰链与第二底座3401连接，横杆3402以铰链为中心上下摆动，完成成像设备的空间位姿调整；横杆3402上安装有第二滑块3403，第二滑块3403上安装俯视偏振-高光谱成像系统3502，第二滑块3403与驱动装置连接，驱动装置驱动第二滑块3403带动俯视偏振-高光谱成像系统3502沿横杆3402沿水平方向左右移动，寻找最佳检测位，实现俯视方向的偏振高光谱图像信息的采集。

所述光源系统包括可见光-近红外光源37、云台36和光源控制器40，云台36包括第一云台3601、第二云台3602、第三云台3603和第四云台3604，第一云台3601和第二云台3602分别安装在立杆3302的底端和顶端，所述第三云台3603和第四云台3604分别安装在立杆3402的右端和左端，第一云台3601、第二云台3602、第三云台3603和第四云台3604上分别安装第一可见光-近红外光源3701、第二可见光-近红外光源3702、第三可见光-近红外光源3703、第四可见光-近红外光源3704；可见光-近红外光源37可通过云台36进行仰俯角设置，实现对植株的清晰匀光成像。

所述位移台32固定在光箱42的底平面的几何中心位置，位移台32包括其中水平丝杠3201和位垂直丝杠3202，垂直丝杠3202顶端安装有样本托架31，用于安放待测样本28，通过水平丝杠3201和垂直丝杠3202的运动，可以带动样本托架实现水平和垂直方向的匀速位移，可以配合图像采集控制系统实现推帚式的主视偏振-高光谱成像装置3501和俯视偏振-高光谱成像装置3502的扫描成像；

其中所述偏振-高光谱成像装置35由前到后分别由前置偏振片、偏振片驱动装置、前置滤光片、滤光片切换装置、摄谱仪和成像系统组成，偏振片在整个系统的最前端，由偏振驱动装置驱动360°旋转，可实现对任意偏振角的设定，摄谱仪和成像系统可实现偏振角的设定和步序偏振信息的采集；偏振片后为560nm和1450nm窄带滤光片，滤光片采用转轮切换的方式，配合摄谱仪和成像系统实现对作物样本主视和俯视高光谱营养和水分胁迫特征图像的采集，主视偏振-高光谱成像系统3501与第一滑块3303连接，俯视偏振-高光谱成像系统3502与第二滑块3403连接，主视偏振-高光谱成像系统3501和俯视偏振-高光谱成像系统3502与图像采集器39相连接，将数据通过图像采集器39传至控制计算机41进行分析和处理。

附图4所示为三维扫描成像系统示意图，三维扫描成像系统包括PC机43、FireWire适配器44、FireWire电缆45、手持三维扫描头46和电源模块47组成，其中手持三维扫描头46通过FireWire电缆45连接FireWire适配器44，并通过FireWire适配器44与PC机相连，通过PC机软件实现对手持三维扫描头46的三维扫描控制和信息采集，电源模块47通过与FireWire适配器44相连为PC机提供电源；电源模块47与手持三维扫描头46相连，为手持三维扫描头46提供电源。

如图5所示，本发明所述一种轻简化温室水肥灌施装置所采用方法包括如下步骤：

步骤1，采取标准营养液配方，利用珍珠岩作为培养基质，采用无土栽培定植温室蔬菜作物，采用温室标准化管理方式进行管理，保证苗期作物营养元素和水分的正常供给；

步骤2：

1)定植一周后，在营养元素不变的条件下，将水分供应量按照标准供应量的100％、80％、60％、40％和20％分成5个不同的水平，每个水平20个样本，共计100个样本，进行水分胁迫样本培育；

2)定植一周后，在保持充足水分供应的条件下，将氮素供应量按照标准供应量的200％、100％、50％和25％分成4个不同的水平，每个水平20个样本，共计80个样本，进行氮素胁迫样本培育；

步骤3，苗期样本水分胁迫3天后，营养胁迫分别在胁迫后的7天、15天和21天进行样本微尺度的micro-CT、叶片尺度的偏振-高光谱成像扫描和冠层尺度的植株冠层三维扫描成像的多信息采集，同时获取温室作物生长环境的温度、湿度、光照强度和栽培基质的含水率信息，上述信息的获取按照以下步骤进行：

1)作物生长的环境信息采集步骤：在进行作物微尺度的micro-CT、叶片尺度的偏振-高光谱成像扫描和冠层尺度的植株三维扫描成像前，采用温度变送器、湿度变送器、光照度变送器、含水率变送器获取作物生长环境的温度、湿度、光照以及基质含水率信息；

2)微尺度的micro-CT检测步骤：

①将不同营养和水分胁迫水平的样本28，依次放入Micro-CT扫描系统的样本仓的旋转样本托架27上，通过控制计算机30启动Micro-CT扫描系统，顺序进行扫描，获得各个样本的CT剖面；

②利用IPL软件，进行样本断层图片的边界和轮廓选取；

③选取不同断层切面进行图像分析，根据断层图片中目标灰阶的不同，调节高、低阈值，选定目标阈值范围，并二值化样本目标的断层图像；

④利用IPL软件结合目标图像分析，获取植株叶片和茎秆的气孔密度、海绵体厚度、栅栏组织、纤毛密度、维管束的剖面结构和断层图像灰度等特征参数；

⑤基于选择的边界和阈值，剥离珍珠岩基质，生成根系三维图像，执行IPL语言导出根系体积和主根、根毛密度及分布参数。

3)叶片尺度的偏振-高光谱扫描成像检测步骤：

获取micro-CT的扫描图像并完成特征提取后，依次取出样本28进行偏振-高光谱图像的扫描成像，并按照下述步骤进行：

①将样本28置于偏振-高光谱成像系统的位移台32上，设置可见光-近红外光源系统37的波长范围为300-2200nm，设置光强范围为6500lux，调整成像系统的几何中心与位移台水平和垂直轴线XZ轴几何中心一致；

②利用具有前置偏振滤光片组的主视偏振-高光谱成像系统3501与俯视偏振-高光谱成像系统3502，设置偏振片的采样偏振角分别为：0°、45°、90°、135°、180°；高光谱前置滤光片透过波长为560nm、1450nm，分别在水平方向和垂直方向上，进行推帚式的偏振-高光谱扫描成像，获取主视和俯视方向的偏振-高光谱特征图像；

③通过坐标匹配和主视/俯视特征图像融合，提取营养和水分胁迫样本的主视和俯视视场下的高光谱特征图像，并提取植株冠幅、株高、叶倾角图像；

④基于前置560nm和1450nm滤光片，提取特征波长下的冠层高光谱特征图像，提取叶面的560nm和1450nm高光谱营养水分敏感波长下的叶脉分布，平均灰度、叶缘阴影面积等特征参数；

⑤基于获取的0°、45°、90°、135°、180°特征偏振角的560nm、1450nm的偏振高光谱图像，提取氮素和水分胁迫植株样本的偏振态、斯托克向量、穆勒矩阵变量。

4)冠层尺度的三维激光扫描成像检测步骤：

获取micro-CT的扫描图像并完成特征提取后，依次取出样本28进行偏振-高光谱图像的扫描成像：在三维激光扫描数据采集前，需预先确定扫描仪传感器的激光功率、快门时间和采集软件的分辨率以保证三维模型的清晰。经过分析比较，设定激光功率为65％，快门时间为7.2ms，分辨率为0.50mm，设定参数下所采集的植株的三维形态。

①首先在所要扫描的作物叶片和栽植器皿上方粘贴直径为6mm的黑色轮廓高反射目标点，由于叶片表面弯曲，在贴反射目标点时，两目标点之间的最短距离控制在20mm；

②运行扫描系统，用三维激光扫描仪测量校准板，以纠正传感器参数，确保数据采集精度；

③最后通过手持扫描的方式，依次获取所有作物样本的三维数据。

步骤4、进行常规理化检测：称量样本的干湿重，确定植株的含水率真值；样品全氮含量用凯氏定氮法测定，凯氏定氮营养检测使用英国SEAL公司生产的AutoAnalyzer3型连续流动分析仪；采用扫描电镜和超景深3D显微成像技术，获取植株的气孔和纤毛密度，以及海绵体和栅栏组织厚度，维管束分布密度和管径等实测值；

步骤5、对步骤3提取的micro-CT的特征变量、偏振-高光谱图像特征变量和三维扫描成像特征变量进行归一化处理，使其特征值范围统一在0-1之间；

步骤6、对步骤五提取的归一化特征参数，利用主成分分析，结合分段逐步回归法进行特征降维和优化，以相关性和独立性为原则，在显著性水平α＝0.005时，当变量进入时模型的F>4.35则保留，变量回判时模型的F<2.95则剔除，同时保证R²>0.9，以获取相关性最大，多重共线性最小，相对检测误差最小为优化原则，进行特征寻优，获取最优化的特征变量作为植株水分胁迫诊断的特征变量；

步骤7、利用SVR支持向量机回归法进行特征层融合，建立基于micro-CT系统获取的气孔、海绵体、栅栏组织、纤毛、维管束、根系体积、主根和根毛密度等特征变量，以及基于偏振-高光谱图像系统获取的冠幅、株高、叶倾角、560nm和1450nm高光谱水分敏感波长下的叶脉分布、平均灰度、叶缘阴影面积；0°、45°、90°、135°、180°特征偏振角下，560nm和1450nm特征图像的偏振态、stock向量、穆勒矩阵变量，以及三维激光扫描的植株体积、叶面积、茎粗等特征变量多特征融合氮素和水分胁迫精确定量检测模型；

步骤8、利用步骤7所建立的模型，结合步骤3获取的作物生长环境的温度、湿度、光照和基质含水率信息，统计分析计算自定植以来的温度累计、光照累计值，结合基质含水率和环境温度、湿度、光照信息，计算植株的蒸腾量，在此基础上，基于采集的作物micro-CT图像、偏振高光谱图像特征、三维激光扫描成像特征，进行作物营养和水分胁迫的跟踪连续检测，得出植株的施肥灌溉量模型，并将该模型输入PLC控制系统；

步骤9、在主管路恒压的条件下，建立施肥流量与施肥量，以及施肥泵转速与施肥流量之间的关系模型，并将该模型输入PLC控制系统；

步骤10、施肥控制系统基于步骤8的施肥灌溉量模型，结合施肥泵转速与施肥流量之间的关系模型，利用PLC控制变频器输出频率，进而控制施肥泵，实现施肥配比和灌溉量的精确节控制。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，包括施肥机构、信息采集系统和控制系统；

所述施肥机构包括进水主管道(1)、进水泵(3)、进水电磁阀(4)、出肥管道(5)、施肥电磁阀(6)、搅拌电机(22)、混肥灌(23)、施肥泵(24)和施肥管道(26)；所述进水主管道(1)与进水泵(3)连接，进水泵(3)的出口管路和混肥管路之间连接有进水电磁阀(4)；施肥泵(24)通过管路与混肥罐(23)上部相连、且施肥泵(24)与混肥罐(23)之间的管道上有施肥电磁阀(6)；施肥罐(23)顶部安装有搅拌电机(22)，搅拌电机(22)输出轴伸入施肥罐(23)内、且设有搅拌叶片；

所述信息采集系统包括环境温度变送器(12)、环境湿度变送器(13)、环境光照变送器(14)、基质含水率变送器(15)、EC传感器(7)、pH传感器(19)、液位传感器(21)、压力变送器(25)、作物信息检测系统，以及A/D转换模拟量模块(16)；所述模拟量模块(16)分别与环境温度变送器(12)、环境湿度变送器(13)、环境光照变送器(14)、基质含水率变送器(15)、EC传感器(7)、pH传感器(19)、液位传感器(20)和压力变送器(25)电连接；所述环境温度变送器(12)、环境湿度变送器(13)、环境光照变送器(14)分别用于检测温室内部的温度、湿度和光照；所述基质含水率变送器(15)用于检测作物基质的含水率；所述EC传感器(7)连接在施肥管路(26)的输出端；所述pH传感器(19)用于检测肥料的PH值；所述液位传感器(20)放置在混肥罐(23)的底部；所述压力变送器(25)连接在施肥管道(26)中部，用于检测施肥管道(26)的压力；作物信息检测系统包括micro-CT扫描系统、偏振-高光谱成像系统和三维激光扫描系统，用于对作物营养和水肥胁迫信息的检测；

所述控制系统包括控制器(18)、触摸屏(21)、变频器(9)和执行机构；所述模拟量模块(16)与控制器(18)相连接，并将采集的温室环境和施肥机构反馈信息传递到控制器(18)；所述作物信息检测系统与控制器(18)连接，并将采集的作物生长信息传送到控制器(18)；所述触摸屏(21)与控制器(18)相连接，用于进行人机交互，输入控制模式和作物生长信息；所述控制器(18)还分别与执行机构进水泵(3)、进水电磁阀(4)、施肥电磁阀(6)、搅拌电机(22)和变频器(9)连接，所述变频器(9)的输出端与施肥泵(24)相连接；控制器(18)根据作物的水肥需求结合环境信息对变频器(9)的频率控制，进而控制施肥泵(24)的转速，调节施肥管道的流量，控制主管道施肥灌溉量。

2.权利要求1所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述pH传感器(19)包括上下安装在混肥罐(23)内的上pH传感器(1901)和下pH传感器(1902)，用于检测肥料的PH值；

所述上pH传感器(1901)和下pH传感器(1902)分别与模拟量模块(16)连接，模拟量模块(16)将上pH传感器(1901)和下pH传感器(1902)的PH值信息传送到控制器(18)，所述控制器(18)通过pH传感器(1901)和下pH传感器(1902)的差值比较，判断肥料搅拌的均匀程度，控制搅拌电机(22)的转速，控制固体肥料颗粒的混合及均匀搅拌作业。

3.权利要求1所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述micro-CT扫描系统包括旋转样本托架(27)和X射线发射器(29)；

所述旋转样本托架(27)固定在检测样本仓的底部，旋转样本托架(27)底座几何中心安装有旋转轴，旋转轴末端安装固定有圆形样本托架，旋转轴带动样本托架旋转，所述X射线发射器(29)安装在发射仓，用于对样本的断层切片扫描。

4.根据权利要求1所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述偏振-高光谱成像系统包括控制计算机(41)、图像采集系统、位移台(32)、运动控制器(38)和光源系统；

所述控制计算机(41)分别与图像采集系统、运动控制器(38)和光源系统连接；所述图像采集系统包括偏振-高光谱成像装置(35)、图像采集器(39)、立臂(33)和悬臂(34)；所述位移台(32)安装在光箱(42)的底部，所述立臂(33)的一端与光箱(42)底部铰接、且位于位移台(32)的侧面；所述悬臂(34)的一端与光箱(42)的侧面铰接、且位于位移台(32)的上面；所述偏振-高光谱成像装置(35)包括主视偏振-高光谱成像装置(3501)和俯视偏振-高光谱成像装置(3502)；所述主视偏振-高光谱成像装置(3501)可滑动的安装在立臂(33)上，所述俯视偏振-高光谱成像装置(3502)可滑动的安装在悬臂(34)上；

所述光源系统分别在立臂(33)和悬臂(34)上、且光源的角度可调节；

所述图像采集器(39)分别与偏振-高光谱成像装置(35)和控制计算机(41)连接，将偏振-高光谱成像装置(35)采集的信息传送到控制计算机(41)；所述控制计算机(41)对偏振-高光谱成像装置(35)的成像信息采集和分析；所述运动控制器(38)分别与位移台(32)、立臂(33)、悬臂(34)和光源系统连接；所述控制计算机(41)发出指令给运动控制器(38)，运动控制器(38)控制位移台(32)的升降和水平位移，驱动主视偏振-高光谱成像装置(3501)和俯视偏振-高光谱成像装置(3502)分别在立臂(33)和悬臂(34)上滑动，控制光源系统的角度。

5.根据权利要求4所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述立臂(33)包括第一底座(3301)、立杆(3302)和第一滑块(3303)；

所述第一底座(3301)固定在光箱(42)的底部的一侧，立杆(3302)通过铰链与第一底座(3301)连接，立杆(3302)以铰链为中心左右摆动；立杆(3302)上安装有第一滑块(3303)，第一滑块(3303)上安装主视偏振-高光谱成像系统(3501)，第一滑块(3303)与驱动装置连接，驱动装置驱动第一滑块(3303)带动主视偏振-高光谱成像系统(3501)沿立杆(3302)上下移动；

所述悬臂(34)包括第二底座(3401)、横杆(3402)和第二滑块(3403)；

所述第二底座(3401)固定在光箱(42)的另一侧板的上部，横杆(3402)通过铰链与第二底座(3401)连接，横杆(3402)以铰链为中心上下摆动；横杆(3402)上安装有第二滑块(3403)，第二滑块(3403)上安装俯视偏振-高光谱成像系统(3502)，第二滑块(3403)与驱动装置连接，驱动装置驱动第二滑块(3403)带动俯视偏振-高光谱成像系统(3502)沿横杆(3402)沿水平方向左右移动。

6.根据权利要求4所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述光源系统包括可见光-近红外光源(37)、多个云台(36)和光源控制器(40)；

所述云台(36)分别安装在立杆(3302)的底端和顶端，立杆(3402)的右端和左端，所述云台(36)上分别安装可见光-近红外光源(37)，可见光-近红外光源(37)可通过云台(36)进行仰俯角设置。

7.根据权利要求4所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述位移台(32)固定在光箱(42)的底平面的几何中心位置，所述位移台(32)顶端安装有样本托架(31)，位移台(32)带动样本托架(31)位移。

8.根据权利要求4所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述偏振-高光谱成像装置(35)包括前到后分别由前置偏振片、偏振片驱动装置、前置滤光片、滤光片切换装置、摄谱仪和成像系统，前置偏振片暗转在最前端，前置偏振片与偏振片驱动装置连接，由偏振驱动装置驱动旋转，摄谱仪和成像系统分别与偏振片驱动装置连接，可实现偏振角的设定和步序偏振信息的采集；前置偏振片后为窄带前置滤光片，前置滤光片安装有滤光片切换装置，采用转轮切换的方式，配合摄谱仪和成像系统实现对作物样本主视和俯视高光谱营养和水分胁迫特征图像的采集；视偏振-高光谱成像系统(3501)与第一滑块(3303)连接，俯视偏振-高光谱成像系统(3502)与第二滑块(3403)连接，主视偏振-高光谱成像系统(3501)和俯视偏振-高光谱成像系统(3502)与图像采集器(39)相连接，将数据通过图像采集器(39)传至控制计算机(41)进行分析和处理。

9.根据权利要求1所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，所述三维扫描成像系统包括PC机(43)、FireWire适配器(44)、FireWire电缆(45)、手持三维扫描头(46)和电源模块(47)；所述手持三维扫描头(46)通过FireWire电缆(45)连接FireWire适配器(44)，并通过FireWire适配器(44)与PC机(43)相连，通过PC机(43)软件实现对手持三维扫描头(46)的三维扫描控制和信息采集，电源模块(47)通过与FireWire适配器(44)相连为PC机(43)提供电源；电源模块(47)与手持三维扫描头(46)相连。

10.根据权利要求1-9任意一项中所述的一种轻简化温室水肥灌施装置，其特征在于，还包括过滤器(2)，所述过滤器(2)安装在进水主管道(1)上、且位于进水口与进水泵(3)之间。