CN109254540A - 一种基于设施水肥药热气一体化地下渗灌管控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水肥药热气一体化地下渗灌管控系统及方法，包括数据处理决策模块、控制器和动作执行模块；数据处理决策模块包括历史气象数据模块、预报气象数据模块、现场环境数据模块、作物生长周期数据模块、历史灌溉操作数据模块和数据查询处理模块；控制器包括执行终端、下位机和输出驱动模块；动作执行模块，包括水泵、注药泵、注肥泵、搅拌机构、电热水棒、气泵和电磁阀；本发明中的数据处理决策模块将五种数据(历史气象数据、预报气象数据、现场环境数据、作物生长周期数据和历史灌溉操作数据)协同处理，经过云计算优化产生最佳的灌溉、施肥、施药、灌溉水加热和作物根部通气方案，并将控制方案传递控制器，控制器发出指令通过动作执行模块完成水肥药热气控制任务，可以满足多种不同的需求，具有节水、节肥、节药的目的。

Description

一种基于设施水肥药热气一体化地下渗灌管控系统及方法

技术领域

本发明属于农业灌溉的技术领域，涉及一种基于设施水肥药热气一体化地下渗灌管控系统及方法，用于管控设施作物的灌溉、施肥、施药、灌溉水加温、作物根部通气等的一体化作业。

技术背景

设施水肥药一体化技术是将灌溉水与肥料、农药融为一体，利用管道将混合后的药液输送到作物根部周围的农业新技术。水肥药一体化系统将可溶性固体肥料、液体肥料或作物所需的药液按照土壤和作物的需求按照一定比例配兑，借助压力系统通过可控性管道输送到作物根系，使根部土壤始终保持疏松和适宜的含水量。

地下渗灌技术是灌溉过程中，水通过地埋毛管上的灌水器缓慢渗入附近土壤，再借助毛细管作用或重力扩散到整个作物根层的灌溉技术。地下渗灌由于是长期的局部灌水，致使作物根系缺氧现象较为明显，作物在种植过程中常因灌溉不当而发生根系低氧胁迫问题，如果作物长期处于低氧环境下，叶片碳水化合物在运输过程中将会受到阻碍，从而影响光合作用的产物向果实的运输，当果实中糖分积累量下降，会导致果实的发育受到抑制，影响作物产量。通过给作物根部通气，可明显改变作物根部缺氧，提高作物产量。

土壤温度，简称地温，是指地面以下土壤中的温度。土壤中的水和气体扩散、无机盐等物质溶解、微生物活动等会受到温度影响，温度不适宜根系呼吸降低，代谢减弱，生长缓慢，从而影响地上部分生长，然后再影响根系生长，从而影响植物生长。过高的土壤温度使植物根系组织加速成熟，根系木质化的部位几乎达到根尖，降低了根表面的吸收效率。土壤温度低，作物根系吸水缓慢，当气候条件适于蒸腾时，植株地上部分常呈现脱水或缺水。土壤温度过低，常使冬作物的分孽节或根系产生冻害，强低温延续的时间长短和降温及冻融的速度都影响到冻害的程度。一年内某时段出现低温或高温，常常给农业生产带来危害。

经对现有技术文献检索发现，专利号“201711355329.X”一种水肥药一体机及工作方法，虽然提加了一种涉及灌溉、施药、施肥的机器和控制方法，单未涉及气和热。专利号“CN201710423822”一种地温环境的水肥一体化装备，虽然提加了一种防止喷洒的水防冻的设备，但未涉及如何提高根部周围土壤温度。专利号“CN201710035269”一种随天气变化的水肥药一体化控制方法，虽然提及了一种将为精准实现施肥、打药和浇水，将气象信息融合到控制过程中的方法，然而未涉及多次施肥或打药过程中，当上一次的离子没有被作物完全吸收时，如果继续施用其他容易产生沉积的肥料或药液，如何避免产生沉淀、减弱药效或肥力、加速土壤板结等情况。

综上所述，根据渗灌系统的要求，需要发明一种集水肥药热气于一体的低成本地下渗灌管控系统和方法，用于农业灌溉领域，这对农业发展有着重要的现实意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于设施水肥药热气一体化地下渗灌管控系统及方法，能够实现对设施作物的灌溉、施肥、施药、灌溉水加温、作物根部通气等的一体化作业管控功能。

一种基于水肥药热气一体化地下渗灌管控系统，包括数据处理决策模块、控制器和动作执行模块。所述的数据处理决策模块安装在服务器，用于将历史气象数据、预报气象数据、现场环境数据、作物生长周期数据和历史灌溉操作数据进行融合，并采用云计算方法计算出最佳的灌溉、施肥、施药、加热、通气时间和灌溉量、肥料种类、施肥量、药液类别、施药量和通气量，制定最佳的水肥药热气控制方案。所述的控制器，用于从数据处理决策模块中下载控制方案，并根据控制方案利用动作执行模块完成对水肥药热气的控制，本次操作数据经过优化处理后传递给服务器，作为下一次操作的历史数据。所述的动作执行模块按照一定的操作顺序启动和停止完成对水肥药热气的控制。

所述的数据处理决策模块包括历史气象数据模块、预报气象数据模块、现场环境数据模块、作物生长周期数据模块、历史灌溉操作数据模块和数据查询处理模块。所述的历史气象数据模块是通过读取网络数据或API接口中的数据建立某地区的气象数据库。所述的预报气象数据模块是通过读取网络数据或API接口中的数据建立的某地区的天气预报数据库。所述的现场环境数据模块是通过现场采集建立的现场环境数据库。所述的作物生长周期数据模块是根据不同作物之间、作物不同生长阶段对水肥药热气的需求建立的数据库。所述的历史灌溉操作数据模块是记录地下渗灌系统每一次操作过程建立的数据库。所述的数据查询处理模块是通过查询软件从历史气象数据模块、预报气象数据模块、现场环境数据模块、作物生长周期数据模块和历史灌溉操作数据模块中查询五种数据，将五种数据进行融合，计算出最佳的灌溉、施肥、施药、加热、通气时间和灌溉量、肥料种类、施肥量、药液类别、施药量和通气量，制定最佳的水肥药热气控制方案。

所述的控制器，包括执行终端、下位机和输出驱动模块。所述的执行终端连接下位机和输出驱动模块，用于从数据处理决策模块中下载控制方案，本次操作数据由执行终端优化处理后传递给服务器，作为下一次操作的历史数据。所述的下位机，根据控制方案利用动作执行模块完成对水肥药热气的控制。所述的输出驱动模块用于控制动作执行模块的开启和关闭。

所述的动作执行模块，包括水泵、注药泵、注肥泵、搅拌机构、电热水棒、气泵和电磁阀。所述的水泵用于提加灌溉水和压力；所述的注药泵用于提加药液和压力；所述的注肥泵用于提加肥料和压力；所述的搅拌机构用于将灌溉水与肥液或药液均匀混合；所述的电热水棒，用于对溶液进行加热处理；所述的气泵用于给作物根部通气；所述的电磁阀用于开启或关闭地下渗灌系统中的管道。

本发明中所采用的控制方法：

数据处理决策模块将五种数据(历史气象数据、预报气象数据、现场环境数据、作物生长周期数据和历史灌溉操作数据)协同处理，经过云计算优化产生最佳的灌溉、施肥、施药、灌溉水加热和作物根部通气方案，并将控制方案传递给控制器，控制器发出指令通过动作执行模块完成水肥药热气控制任务，五种数据协同是采用ECA规则处理机制。

定义一个ECA规则是一个三元组，定义为R＝(E,C,A)。其中，E为激活该规则的事件；C为条件集，用以反映环境中的不同情况；A为操作集(或动作集合)。C在这里通称为对象变量。对象变量是数据流中涉及的影响工作流路径选择的特性或参数，简称变量。变量以xi来表示，变量集合记为X＝{x1,x2,…,xk}。变量xi的取值范围为域，用符号Di来表示。

定义X＝{x1,x2,x3,x4,x5}；x1为历史气象数据，x2为预报气象数据，x3为现场环境数据,x4为作物生长周期数据,x5为历史灌溉操作数据。

D1＝{本地区近3年的温度、湿度、光照、风速等数据}；

D2＝{本地区未来15天的天气预报温度、湿度、光照、风速等数据}；

D3＝{实时室内温度、湿度、室外温度、湿度、光照强度、风速、土壤湿度、温度、含氧量}；

D4＝{作物生长发育期对水肥药热气的需求量}；

D5＝{过去地块灌溉时间和灌溉量、施肥时间和施肥量、施药时间和施药量、灌溉水加温时间、作物根部通气时间和通气量，肥料类别和药液类别}；

A＝{水泵开启和关闭、注肥泵开启和关闭、注药泵开启和关闭、搅拌电机开启和关闭、气泵开启和关闭、电磁阀开启和关闭、电热水棒开启和关闭}

E＝{规则1，规则2，规则3}

规则1：根据作物不同生长发育期对水肥药热气的需求量，通过动作执行模块开启或关闭动作执行模块调节土壤中的水肥药热气。

建立作物在不同生长发育期内适宜的水肥药热气数据表，数据处理决策模块通过查表，产生最佳的控制水肥药热气方案，并将控制方案传递给控制器，控制器发出指令通过动作执行模块完成水肥药热气控制任务。

规则2：施药施肥时，结合历史灌溉操作数据，判断本次最佳的施肥药液或肥液，防止土壤发生沉淀现象。

本次计划施加的肥料或药液，结合历史肥料或药液经过一定的算法处理得到本次施加的备选肥料或药液。

计划药液或肥料：本次计划施用的药液或肥液分别用药液2或肥液2表示。

历史肥料或药液：历史肥料或药液用上一次施用的药液或肥液表示，假设为药液1或肥液1，t_m0为药液1在土壤中被作物完全吸收或失去药效时间,t_m1为上一次施药到现在时间(t_m1≥t_m0，表示土壤中不在存在药液1，t_m1<t_m0,表示土壤中存在药液1)；t_f0肥料1在土壤中被作物完全吸收或失去肥效时间，tf1为上一次施肥到现在时间(t_f1≥t_f0，表示土壤中不在存在肥液1，t_f1<t_f0,表示土壤中存在肥液1)。

算法：

1)如果肥液2跟药液1或肥液1混合后不产生沉淀，肥液2可作为本次施用的备选肥液；

2)如果肥液2跟药液1或肥液1混合后产生沉淀，如果过了药液1的药效时间和肥液1的肥效时间,肥液2作为本次施用的备选肥液，否则肥液2不作为本次施用的备选肥液。

3)药液2作为备选药液跟肥液2作为备选肥液原理类似。

规则3：天气突变时，水肥药气热的施加时间和施加量进行修正。

天气突变判断方式：

近三年内同一时间内数据平均值温度T0、湿度H0、光照强度L0、风速V0；天气预报数据温度T2、风速V2、湿度H2、光照强度L2；测得的实时参数温度T1、湿度H1、光照强度L1、风速V1。按照如下公式：

对测得的数据进行处理，其中K1为近三年内同一天有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K2为天气预报有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K3为历史数据加权值(1-10)，K4为天气预报数据加权值(取值范围1-10)。

设定判断天气突变的临界值S0。

当S<S0时，表示天气正常，按照规则1和规则2对设施地块进行水肥药气热控制。

当S≥S0时，表示天气突变，外界的变化会影响到设施内环境变化，外界环境的变化主要影响设施内的温湿度，设施内温度湿度变化会影响到作物对水肥药气热的需求，进而会影响到水肥药热气的施加时间和施加量。

施加时间t＝t₀+Δt，式中，t0为正常情况下根据规则1和规则2水肥药气热的施加时间Δt为天气突变时，水肥药热气的施加时间修正值。

施加量Q＝Q₀+ΔQ，式中，Q₀为正常情况下根据规则1和规则2水肥药热气的施加量；ΔQ为天气突变时，水肥药热气的施加量修正值。

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1)设施水肥药热气地下渗灌管控系统，将历史气象数据、预报气象数据、现场环境数据、作物生长周期数据和历史灌溉操作数据协同处理，经过云计算优化产生最佳的灌溉、施肥、施药、灌溉水加热和作物根部通气方案，并将控制方案传递控制器，控制器发出指令通过动作执行模块完成水肥药热气控制任务，可以满足多种不同的需求。

2)施药施肥时，将历史灌溉操作数据作为制定本次控制方案的一个规则，制定出本次最佳的施肥药液或肥液，防止土壤发生沉淀。

3)天气突变时，通过引入施加时间修正值和施加量修正值进行水肥药气热的控制，达到节水、节肥、节药和节能的目的。

附图说明

图1为设施水肥药热气一体化地下渗灌管控系统结构示意图

图2为设施水肥药热气一体化地下渗灌系统整体结构示意图

图3为设施水肥药热气一体化地下渗灌管控系统工作模式示意图

图4为设施水肥药热气一体化地下渗灌管控系统工作流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述。一种设施水肥药热气一体化地下渗灌管控系统，如图1、2、3、4所示。一种基于水肥药热气一体化地下渗灌管控系统，包括数据处理决策模块、控制器和动作执行模块。所述的数据处理决策模块安装在服务器，用于将历史气象数据、预报气象数据、现场环境数据、作物生长周期数据和历史灌溉操作数据进行融合，并采用云计算方法计算出最佳的灌溉、施肥、施药、加热、通气时间和灌溉量、肥料种类、施肥量、药液类别、施药量和通气量，制定最佳的水肥药热气控制方案。所述的控制器，用于从数据处理决策模块中下载控制方案，并根据控制方案利用动作执行模块完成对水肥药热气的控制，本次操作数据经过优化处理后传递给服务器，作为下一次操作的历史数据。所述的动作执行模块按照一定的操作顺序启动和停止完成对水肥药热气的控制。

所述的数据处理决策模块包括历史气象数据模块、预报气象数据模块、现场环境数据模块、作物生长周期数据模块、历史灌溉操作数据模块和数据查询处理模块。所述的历史气象数据模块是通过读取网络数据或API接口中的数据建立某地区的气象数据库。所述的预报气象数据模块是通过读取网络数据或API接口中的数据建立的某地区的天气预报数据库。所述的现场环境数据模块是通过现场采集建立的现场环境数据库。所述的作物生长周期数据模块是根据不同作物之间、作物不同生长阶段对水肥药热气的需求建立的数据库。所述的历史灌溉操作数据模块是记录地下渗灌系统每一次操作过程建立的数据库。数据查询处理模块，通过查询软件从历史气象数据模块、预报气象数据模块、现场环境数据模块、作物生长周期数据模块和历史灌溉操作数据模块中查询五种数据，将五种数据进行融合，计算出最佳的灌溉、施肥、施药、加热、通气时间和灌溉量、肥料种类、施肥量、药液类别、施药量和通气量，制定最佳的水肥药热气控制方案。

所述的控制器，包括执行终端、下位机和输出驱动模块。所述的执行终端连接下位机和输出驱动模块，用于从数据处理决策模块中下载控制方案，本次操作数据由执行终端优化处理后传递给服务器，作为下一次操作的历史数据。所述的下位机，根据控制方案利用动作执行模块完成对水肥药热气的控制。所述的输出驱动模块用于控制动作执行模块的开启和关闭。

所述的动作执行模块，包括水泵、注药泵、注肥泵、搅拌机构、电热水棒、气泵和电磁阀。所述的水泵用于提加灌溉水和压力；所述的注药泵用于提加药液和压力；所述的注肥泵用于提加肥料和压力；所述的搅拌机构用于将灌溉水与肥液或药液均匀混合；所述的电热水棒，用于对溶液进行加热处理；所述的气泵用于给作物根部通气；所述的电磁阀用于开启或关闭地下渗灌系统中的管道。

本发明中所采用的控制方法：

数据处理决策模块将五种数据(历史气象数据、预报气象数据、现场环境数据、作物生长周期数据和历史灌溉操作数据)协同处理，经过云计算优化产生最佳的灌溉、施肥、施药、灌溉水加热和作物根部通气方案，并将控制方案传递给控制器，控制器发出指令通过动作执行模块完成水肥药热气控制任务，五种数据协同是采用ECA规则处理机制。

定义一个ECA规则是一个三元组，定义为R＝(E,C,A)。其中，E为激活该规则的事件；C为条件集，用以反映环境中的不同情况；A为操作集(或动作集合)。C在这里通称为对象变量。对象变量是数据流中涉及的影响工作流路径选择的特性或参数，简称变量。变量以xi来表示，变量集合记为X＝{x1,x2,…,xk}。变量xi的取值范围为域，用符号Di来表示。

定义X＝{x1,x2,x3,x4,x5}；x1为历史气象数据，x2为预报气象数据，x3为现场环境数据,x4为作物生长周期数据,x5为历史灌溉操作数据。

D1＝{本地区近3年的温度、湿度、光照、风速等数据}；

D2＝{本地区未来15天的天气预报温度、湿度、光照、风速等数据}；

D3＝{实时室内温度、湿度、室外温度、湿度、光照强度、风速、土壤湿度、温度、含氧量}；

D4＝{作物生长发育期对水肥药热气的需求量}；

D5＝{过去地块灌溉时间和灌溉量、施肥时间和施肥量、施药时间和施药量、灌溉水加温时间、作物根部通气时间和通气量，肥料类别和药液类别}；

A＝{水泵开启和关闭、注肥泵开启和关闭、注药泵开启和关闭、搅拌电机开启和关闭、气泵开启和关闭、电磁阀开启和关闭、电热水棒开启和关闭}

E＝{规则1，规则2，规则3}

规则1：根据作物不同生长发育期对水肥药热气的需求量，通过动作执行模块开启或关闭动作执行模块调节土壤中的水肥药热气。

建立作物在不同生长发育期内适宜的水肥药热气数据表，数据处理决策模块通过查表，产生最佳的控制水肥药热气方案，并将控制方案传递给控制器，控制器发出指令通过动作执行模块完成水肥药热气控制任务。所述的水肥药热气方案如下：

1)模式一：灌溉+通气

作业过程分为两个时间段，第一时间段为灌溉阶段，第二时间段为通气阶段。第一阶段：工作时首先水泵，电磁阀开启，灌溉水在水泵压力的作用下，经过加水装置中的过滤器和压力传感器流向混合装置中的母液罐，然后灌溉水经过灌溉装置中的过滤器、电磁阀、流量传感器、单向阀和微喷带进入土壤。当流量传感器中的数据达到设定流量时，水泵，电磁阀和支路阀门关闭，灌溉停止；第二阶段：启动气泵，空气经过管路和微喷带进入土壤，给予作物根部足够的空气，避免因灌溉造成的根系低氧胁迫问题，有利于作物根部更好的呼吸；通气结束后，停止气泵，结束通气。

2)模式二：灌溉+施肥+灌溉/施肥+通气

作业过程分为四个时间段，第一时间段为灌溉阶段，第二时间段为施肥或施药灌溉阶段，第三时间段为灌溉阶段，第四时间段为通气阶段。第一阶段：工作时首先水泵、电磁阀开启，进行灌溉水灌溉。第二阶段：灌溉一段时间后，注肥泵或注药泵开启，搅拌电机启动，此时进入施肥或施药灌溉阶段。第三阶段：施肥或施药结束后，注肥泵或注药泵关闭，再次进行灌溉水灌溉，进行管道冲洗。第四阶段：冲洗结束后，气泵开启，给予作物根部足够的空气，通气结束后，气泵关闭。

3)模式三：通气

作业过程只进行通气。启动气泵，空气经过管路进入土壤，给予作物根部足够的空气；通气结束后，停止气泵，结束通气。

4)模式四：灌溉水加温

工作时首先水泵开启，灌溉水在水泵压力的作用下，经过加水装置中的过滤器和压力传感器流向混合装置中的母液罐，母液罐注满水后，水泵停止，然后电热水棒开始工作，灌溉水加温，搅拌电机启动，使水均匀受热，达到设定温度时，电磁阀开启，灌溉水经过灌溉装置进入土壤。

规则2：施药施肥时，结合历史灌溉操作数据，判断本次最佳的施肥药液或肥液，防止土壤发生沉淀现象。

本次计划施加的肥料或药液，结合历史肥料或药液经过一定的算法处理得到本次施加的备选肥料或药液。

计划药液或肥料：本次计划施用的药液或肥液分别用药液2或肥液2表示。

历史肥料或药液：历史肥料或药液用上一次施用的药液或肥液表示，假设为药液1或肥液1，t_m0为药液1在土壤中被作物完全吸收或失去药效时间,t_m1为上一次施药到现在时间(t_m1≥t_m0，表示土壤中不在存在药液1，t_m1<t_m0,表示土壤中存在药液1)；t_f0肥料1在土壤中被作物完全吸收或失去肥效时间，tf1为上一次施肥到现在时间(t_f1≥t_f0，表示土壤中不在存在肥液1，t_f1<t_f0,表示土壤中存在肥液1)。

算法：

1)如果肥液2跟药液1或肥液1混合后不产生沉淀，肥液2可作为本次施用的备选肥液；

2)如果肥液2跟药液1或肥液1混合后产生沉淀，如果过了药液1的药效时间和肥液1的肥效时间,肥液2作为本次施用的备选肥液，否则肥液2不作为本次施用的备选肥液。

3)药液2作为备选药液跟肥液2作为备选肥液原理类似。

规则3：天气突变时，水肥药气热的施加时间和施加量进行修正。

天气突变判断方式：

近三年内同一时间内数据平均值温度T0、湿度H0、光照强度L0、风速V0；天气预报数据温度T2、风速V2、湿度H2、光照强度L2；测得的实时参数温度T1、湿度H1、光照强度L1、风速V1。按照如下公式

对测得的数据进行处理，其中K1为近三年内同一天有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K2为天气预报有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K3为历史数据加权值(1-10)，K4为天气预报数据加权值(取值范围1-10)。

设定判断天气突变的临界值S0。

当S<S0时，表示天气正常，按照规则1和规则2对设施地块进行水肥药气热控制。

当S≥S0时，表示天气突变，外界的变化会影响到设施内环境变化，外界环境的变化主要影响设施内的温湿度，设施内温度湿度变化会影响到作物对水肥药气热的需求，进而会影响到水肥药热气的施加时间和施加量。

施加时间t＝t₀+Δt，式中，t0为正常情况下根据规则1和规则2水肥药气热的施加时间Δt为天气突变时，水肥药热气的施加时间修正值。

施加量Q＝Q₀+ΔQ，式中，Q₀为正常情况下根据规则1和规则2水肥药热气的施加量；ΔQ为天气突变时，水肥药热气的施加量修正值。

工作流程如图4所示：操作开始，管控系统工作，控制器从数据处理决策模块下载控制方案，并更新实时数据，判断是否进行水肥药气热控制，如果是进行水肥药气热控制，根据控制方案，选择控制模式(模式一、模式二、模式三和模式四)记录操作过程并上传服务器，本次操作结束，并进入下一次操作循环。

Claims (2)

1.一种基于水肥药热气一体化地下渗灌管控系统，其特征在于包括数据处理决策模块、控制器和动作执行模块；

所述的数据处理决策模块包括历史气象数据模块、预报气象数据模块、现场环境数据模块、作物生长周期数据模块、历史灌溉操作数据模块和数据查询处理模块；所述的历史气象数据模块是通过读取网络数据或API接口中的数据建立某地区的气象数据库；所述的预报气象数据模块是通过读取网络数据或API接口中的数据建立的某地区的天气预报数据库；所述的现场环境数据模块是通过现场采集建立的现场环境数据库；所述的作物生长周期数据模块是根据不同作物之间、作物不同生长阶段对水肥药热气的需求建立的数据库；所述的历史灌溉操作数据模块是记录地下渗灌系统每一次操作过程建立的数据库；所述的数据查询处理模块是通过查询软件从历史气象数据模块、预报气象数据模块、现场环境数据模块、作物生长周期数据模块和历史灌溉操作数据模块中查询五种数据，将五种数据进行融合，计算出最佳的灌溉、施肥、施药、加热、通气时间和灌溉量、肥料种类、施肥量、药液类别、施药量和通气量，制定最佳的水肥药热气控制方案；

所述的控制器，包括执行终端、下位机和输出驱动模块；所述的执行终端连接下位机和输出驱动模块，用于从数据处理决策模块中下载控制方案，本次操作数据由执行终端优化处理后传递给服务器，作为下一次操作的历史数据；所述的下位机，根据控制方案利用动作执行模块完成对水肥药热气的控制；所述的输出驱动模块用于控制动作执行模块的开启和关闭；

所述的动作执行模块，包括水泵、注药泵、注肥泵、搅拌机构、电热水棒、气泵和电磁阀；所述的水泵用于提加灌溉水和压力；所述的注药泵用于提加药液和压力；所述的注肥泵用于提加肥料和压力；所述的搅拌机构用于将灌溉水与肥液或药液均匀混合；所述的电热水棒，用于对溶液进行加热处理；所述的气泵用于给作物根部通气；所述的电磁阀用于开启或关闭地下渗灌系统中的管道。

2.一种基于水肥药热气一体化地下渗灌管控系统的控制方法，其特征在于步骤如下：

数据处理决策模块将五种数据(历史气象数据、预报气象数据、现场环境数据、作物生长周期数据和历史灌溉操作数据)协同处理，经过云计算优化产生最佳的灌溉、施肥、施药、灌溉水加热和作物根部通气方案，并将控制方案传递给控制器，控制器发出指令通过动作执行模块完成水肥药热气控制任务，五种数据协同是采用ECA规则处理机制；

定义一个ECA规则是一个三元组，定义为R＝(E,C,A)；其中，E为激活该规则的事件；C为条件集，用以反映环境中的不同情况；A为操作集(或动作集合)；C在这里通称为对象变量，对象变量是数据流中涉及的影响工作流路径选择的特性或参数，简称变量；变量以xi来表示，变量集合记为X＝{x1,x2,…,xk}；变量xi的取值范围为域，用符号Di来表示；

定义X＝{x1,x2,x3,x4,x5}；x1为历史气象数据，x2为预报气象数据，x3为现场环境数据,x4为作物生长周期数据,x5为历史灌溉操作数据；

D1＝{本地区近3年的温度、湿度、光照、风速等数据}；

D2＝{本地区未来15天的天气预报温度、湿度、光照、风速等数据}；

D3＝{实时室内温度、湿度、室外温度、湿度、光照强度、风速、土壤湿度、温度、含氧量}；

D4＝{作物生长发育期对水肥药热气的需求量}；

D5＝{过去地块灌溉时间和灌溉量、施肥时间和施肥量、施药时间和施药量、灌溉水加温时间、作物根部通气时间和通气量，肥料类别和药液类别}；

A＝{水泵开启和关闭、注肥泵开启和关闭、注药泵开启和关闭、搅拌电机开启和关闭、气泵开启和关闭、电磁阀开启和关闭、电热水棒开启和关闭}；

E＝{规则1，规则2，规则3}；

规则1：根据作物不同生长发育期对水肥药热气的需求量，通过动作执行模块开启或关闭动作执行模块调节土壤中的水肥药热气；

建立作物在不同生长发育期内适宜的水肥药热气数据表，数据处理决策模块通过查表，产生最佳的控制水肥药热气方案，并将控制方案传递给控制器，控制器发出指令通过动作执行模块完成水肥药热气控制任务。

规则2：施药施肥时，结合历史灌溉操作数据，判断本次最佳的施肥药液或肥液，防止土壤发生沉淀现象；

本次计划施加的肥料或药液，结合历史肥料或药液经过一定的算法处理得到本次施加的备选肥料或药液；

计划药液或肥料：本次计划施用的药液或肥液分别用药液2或肥液2表示；

历史肥料或药液：历史肥料或药液用上一次施用的药液或肥液表示，假设为药液1或肥液1，t_m0为药液1在土壤中被作物完全吸收或失去药效时间,t_m1为上一次施药到现在时间(t_m1≥t_m0，表示土壤中不在存在药液1，t_m1<t_m0,表示土壤中存在药液1)；t_f0肥料1在土壤中被作物完全吸收或失去肥效时间，tf1为上一次施肥到现在时间(t_f1≥t_f0，表示土壤中不在存在肥液1，t_f1<t_f0,表示土壤中存在肥液1)；

算法：

1)如果肥液2跟药液1或肥液1混合后不产生沉淀，肥液2可作为本次施用的备选肥液；

2)如果肥液2跟药液1或肥液1混合后产生沉淀，如果过了药液1的药效时间和肥液1的肥效时间,肥液2作为本次施用的备选肥液，否则肥液2不作为本次施用的备选肥液；

3)药液2作为备选药液跟肥液2作为备选肥液原理类似；

规则3：天气突变时，水肥药气热的施加时间和施加量进行修正；

天气突变判断方式：

近三年内同一时间内数据平均值温度T0、湿度H0、光照强度L0、风速V0；天气预报数据温度T2、风速V2、湿度H2、光照强度L2；测得的实时参数温度T1、湿度H1、光照强度L1、风速V1；按照如下公式：

对测得的数据进行处理，其中K1为近三年内同一天有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K2为天气预报有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K3为历史数据加权值(1-10)，K4为天气预报数据加权值(取值范围1-10)；

设定判断天气突变的临界值S0；

当S<S0时，表示天气正常，按照规则1和规则2对设施地块进行水肥药气热控制；

当S≥S0时，表示天气突变，外界的变化会影响到设施内环境变化，外界环境的变化主要影响设施内的温湿度，设施内温度湿度变化会影响到作物对水肥药气热的需求，进而会影响到水肥药热气的施加时间和施加量；

施加时间t＝t₀+Δt，式中，t0为正常情况下根据规则1和规则2水肥药气热的施加时间Δt为天气突变时，水肥药热气的施加时间修正值；

施加量Q＝Q₀+ΔQ，式中，Q₀为正常情况下根据规则1和规则2水肥药热气的施加量；ΔQ为天气突变时，水肥药热气的施加量修正值。