CN111670672A - 一种稻田灌溉水肥变量控制系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稻田灌溉水肥变量控制系统及装置，该系统包括：控制本体，包括依次连接的主体立杆、支座及支架，控制本体通过支架设置在待灌水施肥的田地中；水位传感器，设置在支架中，用于获取水位参数；数据库单元，设置在主体立杆中，用于获取所需参数；控制器，设置在主体立杆中，控制器包括存储器和处理器，其中存储器存储有计算机程序，程序被处理器执行时能够实现以下步骤，根据作物的生长参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量；根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量。通过实施本发明，可以根据不同的作物按需进行灌溉施肥，有效避免传统的借助经验进行灌溉施肥决策的问题，实现实时按需灌溉施肥。
Description
技术领域
本发明涉及农业生产技术领域，具体涉及一种稻田灌溉水肥变量控制系统及装置。
背景技术
随着现代农业的发展，高水平的自动化设备为推动种植业水平的提高发挥了越来越重要的作用。目前，我国农业的快速发展依赖于水肥药等的大量使用，这种方式造成资源日益短缺，并引发严重的环境污染问题。我国目前农业灌溉用水量多，化肥施用量远超国际公认的化肥施用安全上线，多余的化肥随着水流进入生态圈，造成水体富营养化，并导致土壤板结和盐碱化，严重影响农业的可持续发展。
为此，现阶段人们采用水肥一体化灌溉系统，以精确配置肥料、节省资源及减小环境污染。但现有的水肥一体化灌溉系统存在以下问题：常见的水肥一体化灌溉系统施肥形式多种多样，比如可以采用简易的自动灌溉施肥设备，但灌溉量和施肥量仍然依赖粗放的经验或者定时定量灌溉，缺乏科学的依据；市场上大型园区水肥一体化灌溉系统中采用的控制装置多数成本较高，且以土壤水分或单一环境参数作为灌溉施肥决策的主要依据，不符合作物实时生长特性和水肥需求量要求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种稻田灌溉水肥变量控制系统及装置，以解决现有技术中解决现有的水肥灌溉方法依赖粗放经验或定时定量灌溉缺乏科学依据的问题。
本发明提出的技术方案如下：
本发明实施例第一方面提供一种稻田灌溉水肥变量控制系统，包括：控制本体，包括依次连接的主体立杆、支座及支架，所述控制本体通过所述支架设置在待灌水施肥的田地中；水位传感器，设置在所述支架中，用于获取水位参数；数据库单元，设置在所述主体立杆中，用于获取作物的生长参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数；控制器，设置在所述主体立杆中，所述控制器包括存储器和处理器，其中所述存储器存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时能够实现以下步骤，根据作物的生长参数、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量；根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量。
进一步地，该稻田灌溉水肥变量控制系统还包括：太阳能电池板，设置在主体立杆顶部，所述太阳能电池板连接所述水位传感器、数据库单元及控制器，用于为所述水位传感器、数据库单元及控制器供电。
进一步地，根据作物的生长参数、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量，包括：根据作物的生长参数确定作物的生育期；根据作物的生育期、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量。
进一步地，根据作物的生育期、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量，包括：当作物处于泡田期时，获取泡田期的水位最大值及当前水位；根据泡田期的水位最大值、当前水位及水田面积计算灌水量；当作物处于落干期时，获取落干期的水位最大值及当前水位；根据落干期的水位最大值、当前水位、田间水量参数及水田面积计算灌水量。
进一步地，根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量，包括：根据作物的生长参数确定作物单位产量养分吸收量、目标产量及灌水次数；根据作物单位产量养分吸收量、目标产量、田间养分参数及肥料参数计算施肥总量；根据施肥总量和灌水次数计算每次灌水过程的施肥量。
进一步地，田间养分参数包括土壤中养分测定值和土壤中养分利用系数；肥料参数包括肥料中养分含量和肥料利用率。
进一步地，该稻田灌溉水肥变量控制系统还包括：根据施肥量及水田面积确定肥料注入强度。
进一步地，根据施肥量及水田面积确定肥料注入强度，包括：根据灌水次数确定每次灌水时长；根据肥料参数确定肥液浓度；根据每次灌水时长和肥液浓度确定每次灌水肥液水量；根据每次灌水肥液水量和水田面积确定肥料注入强度。
进一步地，该稻田灌溉水肥变量控制系统还包括：远程控制装置，所述远程控制装置连接所述控制器，用于根据所述控制器的计算结果控制灌水量和施肥量。
本发明实施例第二方面提供一种稻田灌溉水肥变量控制装置，该装置包括：参数获取模块，用于获取作物的生长参数、水位参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数；灌水量计算模块，用于根据作物的生长参数、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量；施肥量计算模块，用于根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量。
本发明提供的技术方案，具有如下效果：
本发明实施例提供了一种稻田灌溉水肥变量控制系统及装置，通过获取作物的生长参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数，从而针对不同的作物按需进行灌溉施肥，有效避免传统的借助经验进行灌溉施肥决策的问题，实现实时按需灌溉施肥。同时，本发明实施例提供的稻田灌溉水肥变量控制系统及装置，针对作物的生长过程，提供了在作物不同生育期的灌水量和每次灌水过程的施肥量，在灌水施肥过程中可以直接按照灌水量和施肥量进行灌溉施肥，可以使得作物的灌溉施肥过程更加简便。
本发明实施例提供的稻田灌溉水肥变量控制系统，在根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量后，还可以根据施肥量及水田面积确定肥料注入强度。通过计算肥料注入强度，可以将该计算量输入至注肥泵或其他肥料注入装置中，进而可以实现肥料的自动化注入，使得作物的灌溉施肥过程更加简便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的稻田灌溉水肥变量控制系统的结构框图；
图2是根据本发明实施例的稻田灌溉水肥变量控制系统中控制器执行步骤的流程图；
图3是根据本发明实施例提供的控制器的结构示意图；
图4是根据本发明另一实施例的稻田灌溉水肥变量控制系统中控制器执行步骤的流程图；
图5是根据本发明实施例的稻田灌溉水肥变量控制装置的结构框图；
图6是根据本发明实施例提供的计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种稻田灌溉水肥变量控制系统，如图1所示，该系统包括：控制本体，包括依次连接的主体立杆100、支座200及支架400，控制本体通过支架400设置在待灌水施肥的田地中；水位传感器300，设置在支架400中，用于获取水位参数；数据库单元，设置在主体立杆100中，用于获取作物的生长参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数；控制器，设置在主体立杆100中，控制器包括存储器和处理器，其中存储器存储有计算机程序，如图2所示，程序被处理器执行时能够实现以下步骤，
步骤S101：根据作物的生长参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量；
步骤S102：根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量。
在一实施例中，如图1所示，可以在主体立杆100顶端设置太阳能电池板500，太阳能电池板500连接水位传感器300、数据库单元及控制器，用于为水位传感器、数据库单元及控制器供电。具体地，将太阳能电池板500设置在主体立杆100的顶部，可以便于能量的获取。由此，水位传感器、数据库单元、控制器、传输线等均可以设置在控制本体中，可以减少各个装置的损坏。
可选地，数据库单元中可以预先设置水田面积、肥料参数等，同时还可以获取作物的生长图像从而得到作物的生长参数等。具体地，由于不同作物生长过程不同，对于灌水量和施肥量的要求不同。因此，还可以通过获取作物图像从而确定田间具体种植的是哪一种农作物。在确定农作物后，可以获取作物的生长参数，例如作物目前的生育期以及对于该种作物的目标产量、作物单位产量养分吸收量。
在一实施例中，田间水量参数可以包括种植该种作物的计划湿润层湿度、土壤湿润比、田间持水量、实际含水量以及田间灌溉水利用系数。田间养分参数包括土壤中养分测定值以及土壤中养分利用系数。肥料参数包括肥料中养分焊料以及肥料利用率。一般情况下，氮素肥料的利用率为50％，磷素肥料的利用率为40％，钾素肥料的利用率为50％。
在一实施例中，对于步骤S101：根据作物的生长参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量；具体地，对于同种作物，在不同生育期所需的灌水量不同。因此，在计算灌水量时，可以首先确定该种作物目前的生育期。可选地，当作物处于泡田期时，可以获取泡田期的水位最大值及当前水位；根据泡田期的水位最大值、当前水位及水田面积计算灌水量。具体地，泡田期灌水量可以采用公式(1)进行计算。
其中，
表示泡田期灌水量，Hmax表示泡田期的水位最大值，Hi表示泡田期当前水位，A表示水田面积。
可选地，确定泡田期灌水量后，还可以根据
计算水田进水口设计灌水时长，其中qsi表示水田进水口设计流量。具体地，当对于处于泡田期的作用进行灌水时，除泡田期的水位最大值，还可以设置泡田期的水位最小值，当获取当前水位后，可以将当前水位和泡田期的水位最大值及泡田期的水位最小值进行比较，当当前水位小于等于泡田期的水位最小值时，打开闸门进行灌水，当当前水位大于等于泡田期的水位最大值时，关闭闸门结束灌水。
在一实施例中，当作物处于落干期时，获取落干期的水位最大值及当前水位；根据落干期的水位最大值、当前水位、田间水量参数及水田面积计算灌水量。具体地，落干期灌水量可以采用公式(2)进行计算。
其中，
表示落干期灌水量，Fmax表示落干期的水位最大值，Fi表示落干期当前水位，H表示计划湿润层深度，W1表示田间持水量，W2表示实际含水量，R表示土壤湿润比，η表示田间灌溉水利用系数。
可选地，和泡田期类似，当对于处于落干期的作用进行灌水时，除落干期的水位最大值，还可以设置落干期的水位最小值，当获取当前水位后，可以将当前水位和落干期的水位最大值及落干期的水位最小值进行比较，当当前水位小于等于落干期的水位最小值时，打开闸门进行灌水，当当前水位大于等于落干期的水位最大值时，关闭闸门结束灌水。
在一实施例中，对于步骤S102：根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量。具体地，由于不同作物的需水量不同，在生长过程中的灌水次数也不相同，因此，当确定具体种植作物后，则可以确定该种作物种植过程中具体的灌水次数。可选地，在计算具体施肥量时，可以先根据作物单位产量养分吸收量、目标产量、田间养分参数及肥料参数计算施肥总量；然后根据施肥总量和灌水次数计算每次灌水过程的施肥量。
具体地，计算施肥总量时可以采用公式(3)进行计算。
其中，M表示单位面积施肥总量，c表示作物单位产量养分吸收量，B表示目标产量，a表示土壤中养分测定值，k表示土壤中养分利用系数，P表示肥料中养分含量，Q表示肥料利用率。0.15为换算系数，表示土壤速效养分换算成每亩地耕作层所能提供的养分系数。
可选地，根据施肥总量和灌水次数计算每次灌水过程的施肥量时，可以用公式(4)进行计算。
mi＝di·M公式(4)
其中，mi表示第i次灌溉单位面积所需施肥量，di表示第i次灌溉施肥量系数，di≤1。具体地，当确定灌水次数后，则可以根据灌水次数确定每次灌水的施肥量系数，该系数可以根据作物处于不同生育期进行确定，例如，某一生育期所需施肥量较大，则此次灌水过程施肥量系数可以设置较大，某一生育期所需施肥量较小，则此次灌水过程施肥量系数可以设置较小。
本发明实施例提供的稻田灌溉水肥变量控制系统，通过获取作物的生长参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数，从而针对不同的作物按需进行灌溉施肥，有效避免传统的借助经验进行灌溉施肥决策的问题，实现实时按需灌溉施肥。同时，本发明实施例提供的稻田灌溉水肥变量控制系统，针对作物的生长过程，提供了在作物不同生育期的灌水量和每次灌水过程的施肥量，在灌水施肥过程中可以直接按照灌水量和施肥量进行灌溉施肥，可以使得作物的灌溉施肥过程更加简便。
在一实施例中，如图3所示，处理器51和存储器52可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。
处理器51可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器51还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Appl ication Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器52作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器51通过运行存储在存储器52中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的稻田灌溉水肥变量控制系统中控制器执行的步骤。
存储器52可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器51所创建的数据等。此外，存储器52可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器52可选包括相对于处理器51远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器51。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
作为本发明实施例的一种可选的实施方式，该稻田灌溉水肥变量控制系统，还包括：根据施肥量及水田面积确定肥料注入强度。具体地，在确定每次灌水过程的施肥量后，可以根据施肥量和水田面积确定肥料的注入强度。
在一实施例中，根据施肥量及水田面积确定肥料注入强度，如图4所示，包括如下步骤：
步骤S201：根据灌水次数确定每次灌水时长；具体地，由于每次灌水过程中灌水量可能不同，因此，针对不同的灌水过程灌溉时间也不相同。在确定灌水次数后，可以根据每次灌水量确定每次灌水时长。例如可以设置每次灌溉施肥起始时刻为t0，灌溉施肥结束时刻为t1，其中，t0＝z·Ti，z表示适宜灌溉施肥起点时机系数，Ti表示水田进水口设计灌水时长，t1≤Ti。
步骤S202：根据肥料参数确定肥液浓度；具体地，肥液浓度可以用e表示。
步骤S203：根据每次灌水时长和肥液浓度确定每次灌水肥液水量；具体地，根据灌水时长和变量施肥系数可以确定变量施肥函数，即a(t)＝u·(t-t0),t0＜t＜t1，其中，a(t)表示变量施肥函数，u表示变量施肥系数，该变量施肥系数可以通过作物的生长参数确定。在确定变量施肥函数后，可以根据每次灌水过程的施肥量和变量施肥函数计算第i次灌溉单位面积施肥函数，即f(t)＝a(t)·mi。最后，根据第i次灌溉单位面积施肥函数和肥液浓度可以得到每次灌水肥液水量，即
步骤S204：根据每次灌水肥液水量和水田面积确定肥料注入强度。具体地，肥料注入强度可以根据公式(5)进行计算：
Ic＝A×q(t)公式(5)
本发明实施例提供的稻田灌溉水肥变量控制系统，在根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量后，还可以根据施肥量及水田面积确定肥料注入强度。通过计算肥料注入强度，可以将该计算量输入至注肥泵或其他肥料注入装置中，进而可以实现肥料的自动化注入，使得作物的灌溉施肥过程更加简便。
可选地，该稻田灌溉水肥变量控制系统还可以包括：远程控制装置，远程控制装置无线连接控制器，用于根据控制器的计算结果控制灌水量和施肥量。具体地，远程控制装置可以和控制器采用4G、5G、WiFi或蓝牙等实现连接；该远程控制装置可以是手机或其他电子设备，本发明对此不做限定。可选地，远程控制装置可以和水闸开关和注肥泵开关等连接，根据控制器的计算结果控制水闸的灌水及注肥泵的施肥。
本发明实施例还提供一种稻田灌溉水肥变量控制装置，如图5所示，该调控装置包括：
参数获取模块1，用于获取作物的生长参数、水位参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数；详细内容参见上述方法实施例中步骤S101的相关描述。
灌水量计算模块2，用于根据作物的生长参数、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量；详细内容参见上述方法实施例中步骤S102的相关描述。
施肥量计算模块3，用于根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量。详细内容参见上述方法实施例中步骤S103的相关描述。
本发明实施例提供的稻田灌溉水肥变量控制装置的功能描述详细参见上述实施例中稻田灌溉水肥变量控制方法描述。
本发明实施例提供的稻田灌溉水肥变量控制装置，通过获取作物的生长参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数，从而针对不同的作物按需进行灌溉施肥，有效避免传统的借助经验进行灌溉施肥决策的问题，实现实时按需灌溉施肥。同时，本发明实施例提供的稻田灌溉水肥变量控制装置，针对作物的生长过程，提供了在作物不同生育期的灌水量和每次灌水过程的施肥量，在灌水施肥过程中可以直接按照灌水量和施肥量进行灌溉施肥，可以使得作物的灌溉施肥过程更加简便。
本发明实施例还提供一种存储介质，如图6所示，其上存储有计算机程序601，该指令被处理器执行时实现上述实施例中稻田灌溉水肥变量控制系统中控制器执行的步骤。该存储介质上还存储有音视频流数据，特征帧数据、交互请求信令、加密数据以及预设数据大小等。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read－Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard DiskDrive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid－State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read－Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid－State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，包括：
控制本体，包括依次连接的主体立杆、支座及支架，所述控制本体通过所述支架设置在待灌水施肥的田地中；
水位传感器，设置在所述支架中，用于获取水位参数；
数据库单元，设置在所述主体立杆中，用于获取作物的生长参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数；
控制器，设置在所述主体立杆中，所述控制器包括存储器和处理器，其中所述存储器存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时能够实现以下步骤，
根据作物的生长参数、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量；
根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量。
2.根据权利要求1所述的稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，还包括：太阳能电池板，设置在主体立杆顶部，所述太阳能电池板连接所述水位传感器、数据库单元及控制器，用于为所述水位传感器、数据库单元及控制器供电。
3.根据权利要求1所述的稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，根据作物的生长参数、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量，包括：
根据作物的生长参数确定作物的生育期；
根据作物的生育期、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量。
4.根据权利要求3所述的稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，根据作物的生育期、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量，包括：
当作物处于泡田期时，获取泡田期的水位最大值及当前水位；
根据泡田期的水位最大值、当前水位及水田面积计算灌水量；
当作物处于落干期时，获取落干期的水位最大值及当前水位；
根据落干期的水位最大值、当前水位、田间水量参数及水田面积计算灌水量。
5.根据权利要求1所述的稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量，包括：
根据作物的生长参数确定作物单位产量养分吸收量、目标产量及灌水次数；
根据作物单位产量养分吸收量、目标产量、田间养分参数及肥料参数计算施肥总量；
根据施肥总量和灌水次数计算每次灌水过程的施肥量。
6.根据权利要求5所述的稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，
田间养分参数包括土壤中养分测定值和土壤中养分利用系数；
肥料参数包括肥料中养分含量和肥料利用率。
7.根据权利要求5所述的稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，还包括：根据施肥量及水田面积确定肥料注入强度。
8.根据权利要求7所述的稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，根据施肥量及水田面积确定肥料注入强度，包括：
根据灌水次数确定每次灌水时长；
根据肥料参数确定肥液浓度；
根据每次灌水时长和肥液浓度确定每次灌水肥液水量；
根据每次灌水肥液水量和水田面积确定肥料注入强度。
9.根据权利要求1所述的稻田灌溉水肥变量控制系统，其特征在于，还包括：远程控制装置，所述远程控制装置连接所述控制器，用于根据所述控制器的计算结果控制灌水量和施肥量。
10.一种稻田灌溉水肥变量控制装置，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取作物的生长参数、水位参数、水田面积、田间水量参数、田间养分参数及肥料参数；
灌水量计算模块，用于根据作物的生长参数、水位参数、田间水量参数及水田面积计算灌水量；
施肥量计算模块，用于根据作物的生长参数、田间养分参数及肥料参数计算施肥量。
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