CN111427280A - 一种灌溉施肥的控制方法、系统、装置和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灌溉施肥的控制方法、系统、装置和存储介质，所述方法包括以下步骤：获取农作物生长的标准EC值；实时接收根际土壤EC值和灌溉水EC值；比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系；根据所述大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态。本发明通过将实时接收的根际土壤EC值和灌溉水EC值分别与所述标准EC值比较大小关系，并根据大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态，通过调节施肥调谐单元的工作状态，调节根际土壤的养分供给浓度，以调节根际土壤内的养分浓度，从而实现双向的实时精准调控。本发明可广泛应用于农业灌溉施肥技术领域。

Description

一种灌溉施肥的控制方法、系统、装置和存储介质

技术领域

本发明涉及农业灌溉施肥技术领域，尤其是一种灌溉施肥的控制方法、系统、装置和存储介质。

背景技术

术语解释：

EC值：用来测量溶液中可溶性盐浓度，也可以用来测量液体肥料或者种植介质中的可溶性离子浓度，单位为mS/cm、μS/cm或者mmhos/cm，测试温度通常为25℃。

PID控制：中文全称为比例积分微分控制，其工作原理为根据给定值与实际输出值构成偏差，将偏差比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。

轻简化栽培技术是目前农业先进技术的一个热点，该技术主要是对农业生产过程中涉及到的所有技术进行轻简化处理，通过应用新技术和新设施，简化传统技术中复杂栽培管理过程，减轻劳动强度，提高作业效率。作物轻简化栽培的概念和内容极其丰富，涵盖了各个不同领域和学科的技术改造，几乎贯穿于作物生产过程所有环节的各种轻简化设备设施及其技术改造。水分和养分是作物生产过程中最大量的投入品，是作物轻简化栽培中要考虑的主要问题，也是决定作物产量和品质的最重要因素。

目前的水肥一体化智能控技术很普遍，已经实现了灌溉水、施肥和施药的及时和有效控制，形成了完整的适合于节水农业智能远程控制灌溉、施肥和施药的技术。但是，这些方法都是通过信息传输技术对灌溉管理单元进行单向的指令式控制，并没有对根际土壤或者栽培基质的养分供给浓度进行双向的实时精准的调控。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种灌溉施肥的控制方法、系统、装置和存储介质，其能实现对根际土壤或者栽培基质的养分供给浓度进行双向的实时精准的调控。

本发明所采用的第一种技术方案为：

一种灌溉施肥的控制方法，其包括以下步骤：

获取农作物生长的标准EC值；

实时接收根际土壤EC值和灌溉水EC值；

比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系；

根据所述大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态。

进一步，所述比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系，其具体包括：

比较根际土壤EC值与标准EC值的大小关系，得到第一比较结果；

根据所述第一比较结果生成目标EC值；

比较所述灌溉水EC值与所述目标EC值的大小关系，得到第二比较结果。

进一步，所述根据所述大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态，其具体包括：

在确定所述第二比较结果为不相等后，计算所述灌溉水EC值与所述目标EC值的差值；

获取目标误差范围；

在确定所述差值不属于所述目标误差范围内后，调整施肥调谐单元的工作状态。

进一步，在所述获取农作物生长的标准EC值之前，还包括以下步骤：

接收灌溉单元的启动指令。

本发明所采用的第二种技术方案为：

一种灌溉施肥的控制系统，其包括：

传感器单元，用于监测根际土壤EC值和灌溉水EC值；

施肥决策单元，用于获取农作物生长的标准EC值，以及比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系，并根据所述大小比较结果生成施肥调谐单元的调谐指令；

施肥调谐单元，用于根据所述调谐指令调谐灌溉水的EC值。

进一步，还包括施肥泵，所述施肥调谐单元通过所述调谐指令变频驱动所述施肥泵的工作状态。

进一步，还包括灌溉单元，所述灌溉单元用于根据根际土壤的水分数据上传启动指令。

进一步，所述传感器单元还用于监测所述根际土壤的水分数据。

本发明所采用的第三种技术方案为：

一种灌溉施肥的控制装置，其包括：

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载所述程序以执行上述的一种灌溉施肥的控制方法。

本发明所采用的第四种技术方案为：

一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现上述的一种灌溉施肥的控制方法。

本发明的有益效果是：本发明通过将实时接收的根际土壤EC值和灌溉水EC值分别与所述标准EC值比较大小关系，并根据大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态，通过调节施肥调谐单元的工作状态，调节根际土壤的养分供给浓度，以调节根际土壤的养分浓度，从而实现双向的实时精准调控。

附图说明

图1为本发明一种具体实施例的灌溉施肥的控制方法的流程图；

图2为一种具体实施例的应用系统框图。

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的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明实施例提供了一种灌溉施肥的控制方法，本发明实施例可应用于如图2所示系统的施肥决策单元，也可以用于服务器，所述服务器与田间土壤的养分供给控制器连接，所述田间土壤用于栽培各种农作物，例如蔬菜等。

本实施例包括步骤S110-S140：

S110、获取农作物生长的标准EC值；所述标准EC值是根据作物生长需求建立的养分管理的适宜数值。

S120、实时接收根际土壤EC值和灌溉水EC值；所述根际土壤EC值是指作物根际土壤内的可溶性离子浓度的实时数值。所述灌溉水EC值是指用于灌溉作物的水流内的可溶性离子浓度的实时数值。所述根际土壤EC值和灌溉水EC值均是通过传感器实时监测得到的数据。

S130、比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系；

具体地，本步骤是先比较根际土壤EC值与标准EC值的大小关系，在确定根际土壤EC值与标准EC值不相等或者差值不属于规定范围内时，调整灌溉水的EC值大小，而在调整灌溉水的EC值的过程中，又是以灌溉水本身的实时EC值大小进行PID控制调节。

S140、根据所述大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态。在步骤S130执行后，需要将根际土壤内的EC值调整到规定数值内，其具体的调节过程包括多种形式，例如，控制灌溉水量等，而在本实施例中，则是通过调节施肥调谐单元的工作状态进行调节根际土壤EC值，所述施肥调谐单元的工作状态又是通过调节施肥泵的动力大小进行控制。

在本实施例中，通过将实时接收的根际土壤EC值和灌溉水EC值分别与所述标准EC值比较大小关系，并根据大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态，通过调节施肥调谐单元的工作状态，调节根际土壤的养分供给浓度，以调节根际土壤内的养分浓度，从而实现双向的实时精准调控。

在一些可选的实施例中，所述比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系，其具体包括：

比较根际土壤EC值与标准EC值的大小关系，得到第一比较结果；所述第一比较结果包括根际土壤EC值与标准EC值相等和不相等两种情况。

根据所述第一比较结果生成目标EC值；所述目标EC值是在确定第一比较结果为不相等后，生成的一个用于影响调节施肥调谐单元的工作状态的参数。

比较所述灌溉水EC值与所述目标EC值的大小关系，得到第二比较结果。所述第二比较结果可以包括相等和不相等两种情况，也可以包括差值为零和差值不为零的两种情况。

在本实施例中，通过分别依次的计算得到第一比较结果和第二比较结果，以确保最后调整得到的根际土壤的EC值与标准EC值相等。

在一些可选的实施例中，所述根据所述大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态，其具体包括：

在确定所述第二比较结果为不相等后，计算所述灌溉水EC值与所述目标EC值的差值；在本步骤中，当第二比较结果是不相等时，说明使用当前的灌溉水EC值来调整根际土壤的EC值时，不能将根际土壤的EC值调整到与标准EC相等或者误差范围满足要求。因此，需要先调整灌溉水的EC值大小。具体地，需要先获取目标误差范围；在确定所述差值不属于所述目标误差范围内后，调整施肥调谐单元的工作状态，即能通过灌溉水将根际土壤的EC值调整到与标准EC值相等或者差值符合要求。

而为了有效执行上述实施例，可在所述获取农作物生长的标准EC值之前，通过接收灌溉单元的启动指令，以根据启动指令执行EC值的调整过程，确保执行结果的准确性。

本发明实施例还包括一种灌溉施肥的控制系统，其包括：

传感器单元，用于监测根际土壤EC值和灌溉水EC值；所述根际土壤EC值和灌溉水EC值均是通过传感器单元内的EC值传感器实时监测得到的数据。

施肥决策单元，用于获取农作物生长的标准EC值，以及比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系，并根据所述大小比较结果生成施肥调谐单元的调谐指令；具体地，是先比较根际土壤EC值与标准EC值的大小关系，在确定根际土壤EC值与标准EC值不相等或者差值不属于规定范围内时，调整灌溉水的EC值大小，而在调整灌溉水的EC值的过程中，又是通过灌溉水本身的实时EC值大小来生成施肥调谐单元的调谐指令。

施肥调谐单元，用于根据所述调谐指令调谐灌溉水的EC值。

在本实施例中，通过传感器实时监测根际土壤EC值和灌溉水EC值，接着通过施肥决策单元将所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值进行大小比较，并根据比较结果生成施肥调谐单元，使施肥调谐单元根据所述调谐指令调谐灌溉水的EC值，以调节根际土壤内的EC值，从而实现双向的实时精准调控。

在一些实施例中，还包括施肥泵，所述施肥调谐单元通过所述调谐指令变频驱动所述施肥泵的工作状态。施肥泵的工作状态对应多个工作频率。所述施肥泵安装在管道上游。

在一些实施例中，还包括灌溉单元，所述灌溉单元用于根据根际土壤的水分数据上传启动指令。所述水分数据是通过传感器单元内的水分传感器监测得到。所述启动指令是启动整个控制系统的工作状态。

如图2所示，图中虚线箭头在水流方向，在一些具体的实施例中，根据根际土壤或者栽培基质的养分管理，通过构建施肥决策单元，所述施肥决策单元以动力施肥装置为栽培基质进行灌溉施肥，采用施肥泵作为施肥动力并安装在管道200上游；在根际土壤或者栽培基质中安装探测EC值的传感器，根据农作物生长的EC适宜值指标，参照栽培基质实时监测的EC值信号指标，作出反向调谐灌溉水EC值的施肥决策，即反向调谐灌溉水的施肥浓度，并进一步对施肥泵变频驱动，建立起栽培基质EC值的实时监测和调控的自动控制系统，同时，还可以一定范围内设定的栽培基质的EC值的预警值，以直接启动“打开/关闭”施肥泵的阀门。在本实施例中。其目的都是通过调节灌溉水的EC值使栽培基质的EC值调控在一定的范围内，保持栽培基质的EC值基本不变，满足农作物生长对根际土壤或者栽培基质的养分及环境条件的需求。

在另一些实施例中，通过构建灌溉水EC值实时监测和自动调控的施肥调谐单元，通过严格执行施肥决策单元作出的施肥决策。该单元仍以上述实施例的动力驱动施肥装置的施肥泵作为施肥动力，在施肥泵的灌溉水下游的管道200内安装探测灌溉水EC值的传感器，根据该灌溉水的EC值传感器反馈回的实时EC值信号作为参照值，进行施肥泵的PID控制并自动调谐，通过变频器为定量泵变频驱动，使灌溉水的EC值与上述的施肥决策单元作出的施肥决策相吻合，控制在较小的允许偏差范围内。

上述的施肥决策单元和施肥自动调谐单元，通过结合现有的测墒自动灌溉单元，共同构成栽培基质水肥智能调控的灌溉施肥设施。设施运行时，测墒自动灌溉单元按照作物生长发育需求所设定的灌溉制度、灌溉周期和灌溉指标启动灌溉系统，控制上游水泵的工作状态以自动完成精准灌溉的全过程。在这整个灌溉系统运行的过程中，施肥决策单元根据作物生长的适宜的EC值指标，参照栽培基质的EC值监测的实时信号作出施肥决策，对灌溉水的EC值指标自动发出指令的要求。施肥自动调谐单元则按照该指令和要求，结合下游管道的EC值指标对施肥泵进行变频驱动，将灌溉水的EC值自动调谐到指令要求的较小偏差范围内。

在一些具体的实施例中，上述实施例还可应用到具体的栽培过程中，通过选用操作轻便的栽培箱、栽培袋作为栽培容器。将灌溉施肥设施的灌溉单元与具有代表性的栽培容器相配套，构成完整的轻简化栽培系统。该栽培系统的每个栽培容器可以对应的一个灌溉单元进行无限扩充，并使每个栽培容器都能通过灌溉施肥设施的平行管理，做到水肥精准调控，创造出作物生长的良好条件。

进一步配制出优质高效的栽培基质放入上述的栽培容器中，满足作物生长对水分和养分的需求。首先是循环高效利用农业废弃物资源，根据当地资源状况合理配制栽培基质；其次是适当添加的土壤改良剂等辅料，提高基质的离子代换量，增强栽培基质的养分保蓄能力和水分固持能力；再次是调配和优化基质的理化指标，以满足作物生长的需求；同时保证基质的各种矿质营养均衡、丰富、齐全，促进作物生长发育。通过栽培基质的科学调配，为作物栽培系统提供养分平衡齐全、疏松通气、保水保肥性好的高效轻型基质，并尽可能少量的栽培基质能够最大限度满足作物生长发育需要，达到作物轻简高效栽培的效果。

通过应用本发明的灌溉施肥控制系统和栽培系统能精准调控栽培基质的灌溉水的肥料浓度和施肥量，实时监测和管控作物根际的水分、养分及环境条件，适时适量补充作物根区的水分和养分，创造出良好的根际环境，充分发挥出作物水肥耦合的作用；进一步配套建立起轻简高效作物栽培系统和农艺技术，能促进作物生长发育，生产出优质高产的作物产品；同时减少资源投入，防止肥料浓度过高过低对作物的不良影响，保证作物水肥节约高效利用。

将如图2所示的灌溉施肥设施应用到不同基质厚度对小白菜生长和物质积累的差异实验中，以探索轻简化栽培系统的使用效果，实验具体包括：

设栽培基质厚度2厘米、4厘米和大田土壤共3个处理，重复5次。用16天苗龄的上海青小白菜幼苗分别种植于栽培基质和大田中。在商品成熟期随机取8株小白菜测定各单株的叶长、叶柄长、叶宽、叶柄宽、叶数、茎长、茎粗、根颈粗、叶重、茎重、根重、叶长、单株重，进行无重复双因素分析和显著性测验。

结果表明：不同基质厚度对上海青小白菜的农艺性状有显著影响，茎长、茎粗、根茎粗、叶长、叶柄长、叶宽、节数、单株产量、单株生物量等大部分农艺性状的均呈土壤>基质4cm>基质2cm的顺序变化。

试验采用2cm和4cm厚的基质和轻便的栽培箱，能基本满足小白菜的生长发育需求，顺利完成整个生育期的作物生长，单株生物量分别为2.42克和3.18克，分别是对照3.38克的71.8％和94.1％。

由此可见，采取轻简化栽培系统和灌溉施肥设施，通过栽培基质调配和水肥精准投入，适当减少基质厚度的条件下，不明显降低作物产量，能在资源节约的前提下，与大田的生产管理差别较小。不仅降低基质等生产资料成本，减少生产过程中人工成本等投入，同时适应设施轻简化发展的方向。

本发明实施例还提供了一种灌溉施肥的控制装置，其包括：

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如图1所示的方法。

本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。

此外，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如图1所示的方法。

综上所述，本发明实施例通过将实时接收的根际土壤EC值和灌溉水EC值分别与所述标准EC值比较大小关系，并根据大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态，通过调节施肥调谐单元的工作状态，调节根际土壤的养分供给浓度，以调节根际土壤内的养分浓度，从而实现双向的实时精准调控。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种灌溉施肥的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取农作物生长的标准EC值；

实时接收根际土壤EC值和灌溉水EC值；

比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系；

根据所述大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种灌溉施肥的控制方法，其特征在于，所述比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系，其具体包括：

比较根际土壤EC值与标准EC值的大小关系，得到第一比较结果；

根据所述第一比较结果生成目标EC值；

比较所述灌溉水EC值与所述目标EC值的大小关系，得到第二比较结果。

3.根据权利要求2所述的一种灌溉施肥的控制方法，其特征在于，所述根据所述大小比较结果调节施肥调谐单元的工作状态，其具体包括：

在确定所述第二比较结果为不相等后，计算所述灌溉水EC值与所述目标EC值的差值；

获取目标误差范围；

在确定所述差值不属于所述目标误差范围内后，调整施肥调谐单元的工作状态。

4.根据权利要求1所述的一种灌溉施肥的控制方法，其特征在于，在所述获取农作物生长的标准EC值之前，还包括以下步骤：

接收灌溉单元的启动指令。

5.一种灌溉施肥的控制系统，其特征在于，包括：

传感器单元，用于监测根际土壤EC值和灌溉水EC值；

施肥决策单元，用于获取农作物生长的标准EC值，以及比较所述根际土壤EC值和所述灌溉水EC值与所述标准EC值的大小关系，并根据所述大小比较结果生成施肥调谐单元的调谐指令；

施肥调谐单元，用于根据所述调谐指令调谐灌溉水的EC值。

6.根据权利要求5所述的一种灌溉施肥的控制系统，其特征在于，还包括施肥泵，所述施肥调谐单元通过所述调谐指令变频驱动所述施肥泵的工作状态。

7.根据权利要求5所述的一种灌溉施肥的控制系统，其特征在于，还包括灌溉单元，所述灌溉单元用于根据根际土壤的水分数据上传启动指令。

8.根据权利要求7所述的一种灌溉施肥的控制系统，其特征在于，所述传感器单元还用于监测所述根际土壤的水分数据。

9.一种灌溉施肥的控制装置，其特征在于，包括：

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-4任一项所述的一种灌溉施肥的控制方法。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如权利要求1-4任一项所述的一种灌溉施肥的控制方法。

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