CN111189888B - 一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法 - Google Patents

一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法，与现有技术相比解决了水肥浓度分析未考虑水质硬度影响的缺陷。本发明包括以下步骤：复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库的建立；水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式的建立；水肥氮磷钾元素浓度的测定。本发明根据当地水质硬度对肥料的融合度，先建立水肥浓度关系式，再基于水肥浓度关系式分析出水肥氮磷钾元素的含量。

Description

一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析 方法
技术领域
本发明涉及水肥一体机技术领域，具体来说是一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法。
背景技术
现代农业生产中，将灌溉与施肥结合一同作用于作物根系的水肥一体化技术已逐渐成为趋势。水肥技术具有显著提高养分利用率的优势，可以避免肥料施在较干的表土层易引起的挥发损失、溶解慢，最终肥效发挥慢的问题；尤其避免了铵态和尿素态氮肥施在地表挥发损失的问题，既节约氮肥又有利于环境保护。
水肥技术已广泛应用于设施农业栽培、果园栽培和棉花等大田经济作物栽培，以及经济效益较好的其他作物。图1所示，通过水泵肥泵、进肥管路、进水管路、水肥出口、施肥管道、分配器阀门等部件组成的一级批处理稀释池和二级流动稀释管路来实现水肥的控制释放，其显著减少了人力，提升了生产效率。
但是在实际应用中发现，复合肥与水的混合程度与水质存在一定关系，如北方地质较硬、冬季温度较冷时，水肥混合度差；南方水质偏软，水肥混合度好、溶解率高。而传统的水肥传感器根据电导率估测出水肥浓度，未考虑地区环境水质硬度差异，导致测量出的值与实际值存在重大差异，甚至需要经过人工干预、长时间静置等前期预处理过程后才能进行浓度分析。
因此，如何设计出一种考虑当地水质硬度特殊性的水肥浓度分析方法已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中水肥浓度分析未考虑水质硬度影响的缺陷，提供一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法，所述的两级水肥稀释处理系统包括一级批处理稀释池和二级流动稀释管路，所述的一级批处理稀释池内安装有第一水肥浓度电导率传感器，所述二级流动稀释管路的混合罐中安装有第二水肥浓度电导率传感器，
所述水肥氮磷钾元素浓度分析方法包括以下步骤：
复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库的建立：获取若干种复合肥类型，根据复合肥类型，在标准检测实验室内得到复合肥内氮磷钾各元素的精确占比，并将若干种复合肥所涉及的氮磷钾各元素占比进行数据归集，形成复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库；
水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式的建立：通过一级批处理稀释池建立当地水肥氮磷钾元素浓度与电导率的关系式；
水肥氮磷钾元素浓度的测定：通过二级流动稀释管路实时测出水肥中的氮磷钾各元素的具体浓度值。
所述水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式的建立包括以下步骤：
根据所施放的复合肥类型，从复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库中调取该复合肥的氮磷钾元素比例；
按水肥配比梯度值次序从低至高浓度在一级批处理稀释池中分别施放定量的水和复合肥，先施放定量的水，再逐步施放复合肥，实时获取并记录一级批处理稀释池中施放的水量和复合肥量；
通过第一水肥浓度电导率传感器按水肥配比梯度值次序分别获取一级批处理稀释池内的电导率值；
拟合水肥与电导率关系式：根据水肥配比梯度值次序的电导率值、水量、复合肥量拟合出水肥与电导率关系式，其关系式表示如下：
Y＝A×X/B+C，
其中，Y代表复合肥量，B代表水量，X代表电导率值，C代表当地所施放水的电导率值，A为函数拟合后的斜率；
拟合水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式：
在水肥与电导率关系式融入复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库中对应的氮磷钾元素比例，分别拟合出水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式，分别拟合出斜率k1、k2、k3，拟合的线性相关系数应大于0.99，其拟合表达式如下：
Y1＝E×(A×X/B+C)＝k1×x+c1，
Y2＝F×(A×X/B+C)＝k2×x+c2，
Y3＝G×(A×X/B+C)＝k3×x+c3，
c1＝E×C，
c2＝F×C，
c3＝G×C，
其中，Y1、Y2、Y3分别代表氮、磷、钾对应的含量，E、F、G分别代表氮磷钾在所述水肥品种的比例系数，X为所测得的电导率值。
所述水肥氮磷钾元素浓度的测定包括以下步骤：
通过第二水肥浓度电导率传感器测得二级流动稀释管路的混合罐中的水肥电导率值；
将水肥电导率值输入水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式，从中求出当前水肥电导率值所对应的水肥氮磷钾元素浓度值，获得水肥中的氮磷钾各元素的具体浓度值。
所述水肥配比梯度值次序为8个比例值，8个比例值分别为肥1：水500、肥1：水400、肥1：水300、肥1：水250、肥1：水200、肥1：水150、肥1：水100、肥1：水50。
还包括待补充肥量的分析步骤，所述待补充肥量的分析包括以下步骤：
获取施肥作业者输入的氮磷钾元素的目标浓度值C0；
根据二级流动稀释管路中的氮磷钾各元素浓度值与目标浓度值C0比对，经系统决策，根据决策结果施放复合肥进入二级流动稀释管路或，其决策公式如下：
F(g)＝C0-Yi＝C0-ki×x-Ci，i∈{1、2、3}，
其中，F(g)为需要施放的肥量，Yi为氮、磷或钾对应的含量。
有益效果
本发明的一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法，与现有技术相比根据当地水质硬度对肥料的融合度，先建立水肥浓度关系式，再基于水肥浓度关系式分析出水肥氮磷钾元素的含量。
本发明巧妙利用现有的两级水肥稀释处理系统及MCU技术，在一级批处理稀释池中建立基于当地水质硬度环境的水肥浓度关系式，在二级流动稀释管路中进行水肥氮磷钾元素含量的分析，满足了不同地区、不同水质环境的应用需要。
附图说明
图1为现有技术中的两级水肥稀释处理系统
图2为本发明的方法顺序图；
图3和图4为本发明中所涉及的电导率与水肥浓度的一次线性拟合图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，现有技术中的两级水肥稀释处理系统包括一级批处理稀释池和二级流动稀释管路，一级批处理稀释池和二级流动稀释管路通过传统的MCU进行管路控制，本分析方法也可以基于传统的MCU平台上实现。按现有技术传统方式，在一级批处理稀释池内安装第一水肥浓度电导率传感器，用于测得一级批处理稀释池内的电导率。在二级流动稀释管路的混合罐中安装有第二水肥浓度电导率传感器，用于测得二级流动稀释管路内的电导率。在实际应用中，可以通过加装MCU或后台服务器方式进行水肥氮磷钾元素浓度分析，将第一水肥浓度电导率传感器和第二水肥浓度电导率传感器的数据传送至MCU或后台服务器进行分析。
如图2所示，本发明所述的水肥氮磷钾元素浓度分析方法包括以下步骤：
第一步，复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库的建立。
根据市面上的复合肥种类，获取多种复合肥类型，在标准检测实验室通过化学方法测得占比，从而得到复合肥内氮磷钾各元素的精确占比。将这种复合肥所涉及的氮磷钾各元素占比进行数据归集，形成复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库。复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库中收集了市面上所有的复合肥种类中氮磷钾的占比量，根据此可以分析出水肥浓度中氮磷钾的占比及具体浓度数据。
第二步，水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式的建立。通过一级批处理稀释池建立当地水肥氮磷钾元素浓度与电导率的关系式。其具体步骤如下：
(1)根据所施放的复合肥类型，从复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库中调取该复合肥的氮磷钾元素比例。
(2)按水肥配比梯度值次序从低至高浓度在一级批处理稀释池中分别施放定量的水和复合肥，先施放定量的水，再逐步施放复合肥，实时获取并记录一级批处理稀释池中施放的水量和复合肥量。在此，水肥配比梯度值次序可以为8个比例值，8个比例值分别为肥1：水500、肥1：水400、肥1：水300、肥1：水250、肥1：水200、肥1：水150、肥1：水100、肥1：水50。在实际应用中，水肥配比梯度值次序可以人为更改，具体取值根据农业灌溉技术不同农作物的氮磷钾含量标准值来定，也可以参照相关国标指导要求。实际应用中，可以先放一定量水，再按一定计量值(半袋、300克或500克)每份释放混合肥。
(3)通过第一水肥浓度电导率传感器按水肥配比梯度值次序分别获取一级批处理稀释池内的电导率值。
在此，当按水肥配比梯度值(比例)次序施放水和复合肥时，第一水肥浓度电导率传感器同步实时获取不同水肥配比梯度值(比例)下的电导率值，从而获得不同比例值所对应的电导率值，为下一步拟合水肥与电导率关系式(一次线性关系式)建立数据基础。
(4)拟合水肥与电导率关系式：根据水肥配比梯度值次序的电导率值、水量、复合肥量拟合出水肥与电导率关系式，其关系式表示如下：
Y＝A×X/B+C，
其中，Y代表复合肥量，B代表水量，X代表电导率值，C代表当地所施放水的电导率值，A为函数拟合后的斜率。
(5)拟合水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式：
在水肥与电导率关系式融入复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库中对应的氮磷钾元素比例，分别拟合出水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式，分别拟合出斜率k1、k2、k3，拟合的线性相关系数应大于0.99，其拟合表达式如下：
Y1＝E×(A×X/B+C)＝k1×x+c1，
Y2＝F×(A×X/B+C)＝k2×x+c2，
Y3＝G×(A×X/B+C)＝k3×x+c3，
c1＝E×C，
c2＝F×C，
c3＝G×C，
其中，Y1、Y2、Y3分别代表氮、磷、钾对应的含量，E、F、G分别代表氮磷钾在所述水肥品种的比例系数，X为所测得的电导率值。
如图3和图4所示，在此，以安徽合肥地区的水质环境与常用肥料为例，记录各点的电导率数值，系统处理电导率对应的两种水溶肥各浓度总氮、氧化钾、五氧化二磷的含量，并拟合数据，模型呈现一次线性关系，R(线性相关系数)均大于0.99。
第一种13-6-40水溶肥：
氧化钾：y＝0.45761x-0.38704
总氮：y＝0.14408x-0.12186
五氧化二磷：y＝0.08645x-0.07312
第二种20-20-20水溶肥：
氧化钾：y＝4.388e-4-0.16842
总氮：y＝4.543e-4x-0.17437
五氧化二磷：y＝4.322e-4x-0.16586。
第三步，水肥氮磷钾元素浓度的测定：通过二级流动稀释管路实时测出水肥中的氮磷钾各元素的具体浓度值。以水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式为基础，通过在二级流动稀释管路中测得的电导率，求出当前水肥的氮磷钾元素浓度。其具体步骤如下：
(1)通过第二水肥浓度电导率传感器测得二级流动稀释管路的混合罐中的水肥电导率值。
(2)将水肥电导率值输入水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式，从中求出当前水肥电导率值所对应的水肥氮磷钾元素浓度值，获得水肥中的氮磷钾各元素的具体浓度值。
再以安徽合肥地区的水质环境与常用肥料为例，第二水肥浓度电导率传感器测得二级流动稀释管路的混合罐中的第一种13-6-40水溶肥电导率值为4ms/cm，则：
氧化钾：y＝0.45761x-0.38704＝0.45761*4-0.38704＝1.44(g/L)
总氮：y＝0.14408x-0.12186＝0.14408*4-0.12186＝0.45(g/L)
五氧化二磷：y＝0.08645x-0.07312＝0.08645*4-0.07312＝0.27(g/L)
在实际应用中，还包括待补充肥量的分析步骤，根据当前水肥中的氮磷钾各元素的具体浓度值，分析是否达到设定值，并计算出所需要补充的肥料值。待补充肥量的分析包括以下步骤：
(1)获取施肥作业者输入的氮磷钾元素的目标浓度值C0；
(2)根据二级流动稀释管路中的氮磷钾各元素浓度值与目标浓度值C0比对，经系统决策，根据决策结果施放复合肥进入二级流动稀释管路或，其决策公式如下：
F(g)＝C0-Yi＝C0-ki×x-Ci，i∈{1、2、3}，
其中，F(g)为需要施放的肥量，Yi为氮、磷或钾对应的含量。
再以安徽合肥地区的水质环境与第一种13-6-40水溶肥为例，假设施肥作业者输入的氮磷钾元素的目标浓度值依次为1.3、0.6、4g/L，则：
F(g)＝4-0.45761x+0.38704＝2.56(g/L)。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法，所述的两级水肥稀释处理系统包括一级批处理稀释池和二级流动稀释管路，所述的一级批处理稀释池内安装有第一水肥浓度电导率传感器，所述二级流动稀释管路的混合罐中安装有第二水肥浓度电导率传感器，其特征在于，
所述水肥氮磷钾元素浓度分析方法包括以下步骤：
11)复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库的建立：获取若干种复合肥类型，根据复合肥类型，在标准检测实验室内得到复合肥内氮磷钾各元素的精确占比，并将若干种复合肥所涉及的氮磷钾各元素占比进行数据归集，形成复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库；
12)水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式的建立：通过一级批处理稀释池建立当地水肥氮磷钾元素浓度与电导率的关系式；
所述水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式的建立包括以下步骤：
121)根据所施放的复合肥类型，从复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库中调取该复合肥的氮磷钾元素比例；
122)按水肥配比梯度值次序从低至高浓度在一级批处理稀释池中分别施放定量的水和复合肥，先施放定量的水，再逐步施放复合肥，实时获取并记录一级批处理稀释池中施放的水量和复合肥量；
123)通过第一水肥浓度电导率传感器按水肥配比梯度值次序分别获取一级批处理稀释池内的电导率值；
124)拟合水肥与电导率关系式：根据水肥配比梯度值次序的电导率值、水量、复合肥量拟合出水肥与电导率关系式，其关系式表示如下：
Y＝A×X/B+C，
其中，Y代表复合肥量，B代表水量，X代表电导率值，C代表当地所施放水的电导率值，A为函数拟合后的斜率；
125)拟合水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式：
在水肥与电导率关系式融入复合肥氮磷钾元素比例标准化数据库中对应的氮磷钾元素比例，分别拟合出水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式，分别拟合出斜率k1、k2、k3，拟合的线性相关系数应大于0.99，其拟合表达式如下：
Y1＝E×(A×X/B+C)＝k1×x+c1，
Y2＝F×(A×X/B+C)＝k2×x+c2，
Y3＝G×(A×X/B+C)＝k3×x+c3，
c1＝E×C，
c2＝F×C，
c3＝G×C，
其中，Y1、Y2、Y3分别代表氮、磷、钾对应的含量，E、F、G分别代表氮磷钾在所述水肥品种的比例系数，X为所测得的电导率值；
13)水肥氮磷钾元素浓度的测定：通过二级流动稀释管路实时测出水肥中的氮磷钾各元素的具体浓度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法，其特征在于，所述水肥氮磷钾元素浓度的测定包括以下步骤：
21)通过第二水肥浓度电导率传感器测得二级流动稀释管路的混合罐中的水肥电导率值；
22)将水肥电导率值输入水肥氮磷钾元素浓度与电导率关系式，从中求出当前水肥电导率值所对应的水肥氮磷钾元素浓度值，获得水肥中的氮磷钾各元素的具体浓度值。
3.根据权利要求1所述的一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法，其特征在于：所述水肥配比梯度值次序为8个比例值，8个比例值分别为肥1：水500、肥1：水400、肥1：水300、肥1：水250、肥1：水200、肥1：水150、肥1：水100、肥1：水50。
4.根据权利要求1所述的一种基于两级水肥稀释处理系统的水肥氮磷钾元素浓度分析方法，其特征在于，还包括待补充肥量的分析步骤，所述待补充肥量的分析包括以下步骤：
41)获取施肥作业者输入的氮磷钾元素的目标浓度值C0；
42)根据二级流动稀释管路中的氮磷钾各元素浓度值与目标浓度值C0比对，经系统决策，根据决策结果施放复合肥进入二级流动稀释管路中，其决策公式如下：
F(g)＝C0-Yi＝C0-ki×x-Ci，i∈{1、2、3}，
其中，F(g)为需要施放的肥量，Yi为氮、磷或钾对应的含量。
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