CN112020972A - 穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，包括灌溉渠和设置在棚内的秧苗盘，秧苗盘包括上层基质盘和下层的盘下基质，还包括喷灌系统、地灌系统和沼液系统，均由就地控制中心控制并通过电磁阀的调节实现功能转换；喷灌系统包括顺次连接的灌溉泵、一级过滤装置、二级过滤装置、增压泵、喷灌管路，喷灌管路与秧苗盘连通；地灌系统包括顺次连接的二级过滤装置、地灌管路，地灌管路与秧苗盘连通；沼液系统包括沼液泵和地灌管路；就地控制中心与连接云控制中心和移动客户端；秧苗盘内设置摄像头组和土壤水分传感器，获取到的数据传输给无线传输模块网关和云控制中心。本发明智能制定秧苗的需水肥，实现全自动化，实现高效稳产。

Description

穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统
技术领域
本发明涉及农业设施，特别涉及穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统。
背景技术
现在农村劳动力老龄化严重，集中育秧成为了越来越多的农业合作社的首选。随着农业从业人员的老龄化，育秧管理已经成为水稻种植农事作业中关键的种植技术，经验的缺乏和技术细节的疏漏，会导致育秧环节的毁灭性灾难，从而有可能对整个水稻种植农事作业带来无法弥补的损失。集中育秧带来的水稻机插秧苗的商品化，必然导致水稻育秧过程的规范化管控和精细化管理，达到水稻秧苗的成苗规格标准化，有利于提高有机稻机插秧苗的成功率，稳定农田产量。由于穴盘式有机稻硬地育秧盘的基质少，蓄温蓄水能力相对较差，基质所能提供的营养也不足，因此需要提供独立的液态有机肥。常规的水肥机不能提供穴盘式有机稻硬地育秧过程中对水的灌溉需求，水的灌溉管理以及有机肥的施用需求。硬地育秧基质比较薄，秧苗容易缺水。但秧苗的灌施方案不仅要配合农事需要，小范围调整成苗的时间，同时也需要通过灌施控制秧苗的株高，秧苗茎的粗度以及根系的发育程度等。穴盘式育秧秧苗的基质厚度较薄，比较难通过传统的土壤水分传感器测得准确的水分，通常的误差在0～50％的测量范围内在10％左右。因此虽然目前市场上水肥机很多，基本硬件结构也大同小异，但针对穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统是缺乏的。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供智能化、自动化、高效的穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统。通过天气预报获得育秧规划作业和当天灌溉预动作作业指令，通过温湿度光照传感器对预动作进行校核，生成实际作业指令。摄像头组可以提供秧苗的像素面积比、平均叶宽、平均茎粗、苗高数据信息，也可以提供秧苗的生长期判据信息，根据秧苗的生长管理需求，可以将秧苗的生长分为苗高优先、茎粗优先、维持基础生长三种生长需求，按插秧的实际需要对秧苗进行智慧生长管理。
技术方案：本发明提供穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，包括灌溉渠和设置在棚内的秧苗盘，秧苗盘包括上层基质盘和下层的盘下基质，该系统还包括喷灌系统、地灌系统和沼液系统，均由就地控制中心控制并通过电磁阀的调节实现功能转换；喷灌系统包括顺次连接的灌溉泵、一级过滤装置、二级过滤装置、增压泵、喷灌管路，喷灌管路与秧苗盘连通；地灌系统包括顺次连接的二级过滤装置、地灌管路，地灌管路与秧苗盘连通；沼液系统包括沼液泵和地灌管路；就地控制中心与工业路由连接，工业路由连接云控制中心，云控制中心与移动客户端连接；秧苗盘内设置摄像头组和土壤水分传感器，获取到的数据传输给无线传输模块网关和云控制中心。
进一步地，所述灌溉渠隔离出灌溉池和沼液池，分别安装灌溉泵和沼液泵。
进一步地，所述就地控制中心独立运行水肥控制指令并将控制指令传递给灌溉泵、喷灌电磁阀、地灌电磁阀的总线驱动器以及增压泵的变频控制器，变频控制器与压力传感器连接，压力传感器设置在喷灌管路上。
进一步地，所述灌溉泵通过管道与喷灌电磁阀、一级过滤装置、二级过滤装置、增压泵连接，增压泵与喷灌管路连接。
进一步地，所述二级过滤装置与沼液泵连接，连接的管道上设置地灌电磁阀，沼液泵与地灌管路连接，地灌管路伸入盘下基质内部，地灌电磁阀。
进一步地，所述盘下基质内安装土壤水分传感器，土壤水分传感器与就地控制中心无线连接，棚内设置温湿度光照传感器并通过环境参数无线传输模块将数据传输给就地控制中心。
进一步地，所述摄像头组获取的参数数据通过第一无线传输模块和第二无线传输模块分别与云控制中心和无线传输模块网关进行信息交互。
进一步地，所述喷灌管路上设置喷灌手动阀，喷灌管路与地灌管路之间设置地灌清洗手动阀，配合关闭喷灌手动阀和地灌电磁阀，通过增压泵对地灌回路进行冲洗。
有益效果：本发明通过物联网、多摄像头、多传感器融合，获得秧苗的生长期和生长形态，从而智慧制定秧苗的需水与需肥，保障秧苗的安全生产和标准化生产，实现了秧苗的全自动化生产，降低了秧苗生产对劳动者的专业知识的需求，提升了秧苗质量，为高效稳产的有机稻种植打下了坚实的基础。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为基质盘和盘下基质的结构示意图；
图3标准高度图块示意图。
具体实施方式
本实施例的智能水肥一体化系统，包括灌溉渠和设置在棚内的秧苗盘，秧苗盘包括上层基质盘27和下层的盘下基质26，该系统还包括喷灌系统、地灌系统和沼液系统，均由就地控制中心9控制并通过电磁阀的调节实现功能转换；喷灌系统包括顺次连接的灌溉泵18、一级过滤装置20、二级过滤装置16、增压泵15、喷灌管路2，喷灌管路2与秧苗盘连通；地灌系统包括顺次连接的二级过滤装置16、地灌管路28，地灌管路28与秧苗盘连通；沼液系统包括沼液泵17和地灌管路28；就地控制中心9与工业路由8连接，工业路由8连接云控制中心1，云控制中心1与移动客户端7连接；秧苗盘内设置摄像头组5和土壤水分传感器24，获取到的数据传输给无线传输模块网关10和云控制中心1。灌溉渠隔离出灌溉池22和沼液池23，分别安装灌溉泵18和沼液泵17。就地控制中心9独立运行水肥控制指令并将控制指令传递给灌溉泵18、喷灌电磁阀19、地灌电磁阀21的总线驱动器25以及增压泵15的变频控制器14，变频控制器14与压力传感器13连接，压力传感器13设置在喷灌管路2上。灌溉泵18通过管道与喷灌电磁阀19、一级过滤装置20、二级过滤装置16、增压泵15连接，增压泵15与喷灌管路2连接。二级过滤装置16与沼液泵17连接，连接的管道上设置地灌电磁阀21，沼液泵17与地灌管路28连接，地灌管路28伸入盘下基质26内部，地灌电磁阀21。盘下基质26内安装土壤水分传感器24，土壤水分传感器24与就地控制中心9无线连接，棚内设置温湿度光照传感器11并通过环境参数无线传输模块12将数据传输给就地控制中心9。摄像头组5获取的参数数据通过第一无线传输模块3和第二无线传输模块4分别与云控制中心1和无线传输模块网关10进行信息交互。喷灌管路2上设置喷灌手动阀30，喷灌管路2与地灌管路28之间设置地灌清洗手动阀6，配合关闭喷灌手动阀30和地灌电磁阀21，通过增压泵15对地灌回路进行冲洗。
本实施例是秧苗的生长管理决策为苗高优先、茎粗优先、维持基础生长三个类别，苗高优先是指为秧苗提供足够的营养和水分，在合适灌溉的时间区域，保持基质的湿度在25％～30％；茎粗优先指满足秧苗的基础需水需求，在保障苗不出现枯叶、死叶的情况下，减少基质盘27水分的供应，水分供应主要采用盘下渗漏方式；维持基础生长是指在保障苗不出现枯叶、死叶的情况下，减少基质盘以及盘下水分的供应，维持苗的生长状况，相对延长苗的成苗时间，配合农事作业。由于基质盘27的水分受外界环境影响很大，因此秧苗的基础生长水分主要由盘下基质26供应。
秧苗的智能水肥管理流程如下。
S1：秧苗的生产需求下达。
用户通过手机(移动客户端7)通过微信小程序下达用秧需求，包括种植面积(S)、秧苗类别(间距Su，类别编号SN)、机插时间(Data)。
S2：育秧生产计划规划。
系统通过机插时间(Data)-21±2，获得跨度为4天的育秧时间。计算获得(Sm.S/Su)/Mu，也就是有效育秧面积Sy，其中Sm是基质盘单位面积，Mu是每盘预期机插秧苗平均数。根据基础产能Ym，安排育秧生产规划。育秧计划宜早，优先安排育秧规划的前期时间，形成育秧时间规划序列(Dy0～Dyn)。
S3：育秧生产计划修订。
从云控制中心1获得自育秧时间规划日起的15天天气预报信息，累积计算气温低于20℃的时间TL(以h为计算单位)，如果15天天气预备累积TL≥200h，育秧规划时间提早3天(Dy0＝Dy0-3～Dyn＝Dyn-3)；如果15天天气预备累积TL≥120h，育秧规划时间提早2天(Dy0＝Dy0-2～Dyn＝Dyn-2)；如果从15天天气预备累积TL≥60h，育秧规划时间提早1天(Dy0＝Dy0-1～Dyn＝Dyn-1)。
从云控制中心1获得自育秧时间规划日起的15天天气预报信息，累积计算气温高于28℃的时间Th(以h为计算单位)，如果15天天气预备累积Th≥200h，育秧规划时间推迟2天(Dy0＝Dy0-3～Dyn＝Dyn-3)；如果15天天气预备累积Th≥120h，育秧规划时间推迟1天(Dy0＝Dy0-1～Dyn＝Dyn-1)。
S4：育秧生产作业推送及作业记录。
根据育秧规划时间序列(Dy0～Dyn)，进行催芽作业，催芽的种子订单由SN确定，育秧种子的重量Mz为Zn(单位面积种子的数量)、Mzp(种子的平均重量)、有效育秧面积Sy决定，Mz＝Sy·Zn·Mzp。催芽结束后采用播种机对穴盘进行播种作业。
S5：一叶期秧苗管理
一叶期时秧苗的需水与需肥主要由穴盘基质提供。通过摄像头组5的30度夹角摄像头获得当天上午8点图像值，秧苗一叶期的特征值Sym/Syp＜0.1。Sym为秧苗的像素面积，Syp为秧盘的像素面积，摄像头安装高度为1m，摄像头的安装角度与水平成30度夹角。
一叶期时通过摄像头组5的30度夹角摄像头每隔1分钟连续采集秧苗盘的秧苗信息，对采集图像进行秧苗的像素面积提取Sym(i)，如果秧苗发生卷叶，其像素面积显著减少。Sym(i)/Sym＜0.5，且上次喷水间隔计时Tgj＞1h，关闭地灌电磁阀21，打开喷灌电磁阀19，启动灌溉泵18通过一级过滤装置20、二级过滤装置16后经过增压泵15的变频控制器14，变频控制器14采用PID控制算法将压力传感器13调节至0.4MPa，进行喷灌，延时15秒，关闭增压泵15，关闭喷灌电磁阀19，关闭灌溉泵18。
S6：二叶期秧苗管理
二叶期时秧苗的需水与需肥主要由穴盘基质提供。通过摄像头组5的30度夹角摄像头获得当天上午8点图像值，秧苗二叶期的特征值0.1≤Sym/Syp＜0.4。
二叶期时通过摄像头组5的30度夹角摄像头每隔1分钟连续采集秧苗盘的秧苗信息，对采集图像进行秧苗的像素面积提取Sym(i)，如果秧苗发生卷叶，其像素面积显著减少。Sym(i)/Sym＜0.7，且上次喷水间隔计时Tgj＞1h，关闭地灌电磁阀21，打开喷灌电磁阀19，启动灌溉泵18通过一级过滤装置20、二级过滤装置16后经过增压泵15的变频控制器14，变频控制器14采用PID控制算法将压力传感器13调节至0.4MPa，进行喷灌，延时15秒，关闭增压泵15，关闭喷灌电磁阀19，关闭灌溉泵18。
通过土壤水分传感器24，如果基质湿度Hjz＜8％，且喷灌电磁阀19关闭，启动灌溉泵18通过一级过滤装置20、二级过滤装置16后经过地灌电磁阀21，地灌回路进行地灌，地灌时间为15S。
S7：三叶前期秧苗管理
三叶前期时秧苗的需水与需肥主要由穴盘下基质提供。通过摄像头组5的30度夹角摄像头获得当天上午8点图像值，秧苗二叶期的特征值0.4≤Sym/Syp＜0.8。
三叶前期时通过摄像头组5的30度夹角摄像头每隔1分钟连续采集秧苗盘的秧苗信息，对采集图像进行秧苗的像素面积提取Sym(i)，如果秧苗发生卷叶，其像素面积显著减少。Sym(i)/Sym＜0.7，且上次喷水间隔计时Tgj＞1h，关闭地灌电磁阀21，打开喷灌电磁阀19，启动灌溉泵18通过一级过滤装置20、二级过滤装置16后经过增压泵15的变频控制器14，变频控制器14采用PID控制算法将压力传感器13调节至0.4MPa，进行喷灌，延时10秒，关闭增压泵15，关闭喷灌电磁阀19，关闭灌溉泵18。
通过土壤水分传感器24，如果基质湿度Hjz＜8％，且喷灌电磁阀19关闭，启动灌溉泵18通过一级过滤20、二级过滤装置16后经过地灌电磁阀21，地灌回路进行地灌，地灌时间为20S。
S8：三叶中期秧苗管理。
三叶中期时秧苗的需水与需肥主要由穴盘下基质提供。通过摄像头组5的30度夹角摄像头获得当天上午8点图像值，秧苗二叶期的特征值0.8≤Sym/Syp＜1.01。
三叶中期时通过摄像头组5的30度夹角摄像头每隔1分钟连续采集秧苗盘的秧苗信息，对采集图像进行秧苗的像素面积提取Sym(i)，如果秧苗发生卷叶，其像素面积显著减少。Sym(i)/Sym＜0.9，且上次喷水间隔计时Tgj＞1h，关闭地灌电磁阀21，打开喷灌电磁阀19，启动灌溉泵18通过一级过滤装置20、二级过滤装置16后经过增压泵15的变频控制器14，变频控制器14采用PID控制算法将压力传感器13调节至0.4MPa，进行喷灌，延时8秒，关闭增压泵15，关闭喷灌电磁阀19，关闭灌溉泵18。
在秧盘边缘设置了三叶中期的标准高度图块31，提取完整的标准高度图块像素面积Sbg，Sgb0为标准高度图块像素面积初始值。三叶中期时通过摄像头组5的水平60度夹角摄像头每隔1分钟连续采集秧苗盘的秧苗信息，对采集图像进行秧苗的高度。如果Sbg/Sgb0＞0.7，说明秧苗生长已经超过标准高度，Sbg/Sgb0＜0.5，说明秧苗生长高度没有达到秧苗生长高度，缺乏营养，需要补充有机肥。
通过土壤水分传感器24，如果基质湿度Hjz＜8％且Sbg/Sgb0＜0.7，且喷灌电磁阀19关闭，启动灌溉泵18通过一级过滤20、二级过滤16后经过地灌电磁阀21，地灌回路进行地灌，地灌时间为25S。
关闭喷灌电磁阀19，关闭增压泵15，关闭灌溉泵18，关闭地灌电磁阀21，打开沼液泵17直接对盘下基质26进行沼液渗透，工作时间为2min后关闭沼液泵。在沼液泵工作期间关闭喷灌电磁阀19，关闭增压泵15，关闭灌溉泵18，关闭地灌电磁阀21。
如果三叶中期Sbg/Sgb0＞0.7，关闭喷灌电磁阀19，关闭增压泵15。如果基质湿度Hjz＜8％且Sbg/Sgb0＞0.7且Sym(i)/Sym＜0.9，且喷灌电磁阀19关闭，启动灌溉泵18通过一级过滤20、二级过滤16后经过地灌电磁阀21，地灌回路进行地灌，地灌时间为10S。
S9：三叶后期秧苗管理
三叶后期时秧苗的需水与需肥由穴盘下基质提供。通过摄像头组5的30度夹角摄像头获得当天上午8点图像值，秧苗三叶后期的特征值Svm/Syp≥1.01，此时边缘的叶片已经探出边缘外。
三叶后期时通过摄像头组5的30度夹角摄像头每隔1分钟连续采集秧苗盘的秧苗信息，对采集图像进行图像减法，用当前图像减去当天上午8点图像。减法采用
Figure BDA0002650633150000061
其中R、G、B分别为其RGB颜色分量。对减法图像中的I*(i，j)＝I(i，j)-I0(i，j)进行像素面积比较，S*/Syp＞0.4，称为卷叶，其中Syp为秧盘像素面积，S*为I*(i，j)＞50的卷叶区像素面积。叶片卷叶后显露的叶背的像素与叶片叶面像素有较大差距，因此通过图像减法来区别卷叶状态。I(i，j)为秧盘当前时刻图像的
Figure BDA0002650633150000062
像素计算值，I0(i，j)为秧盘当天上午8点图像的
Figure BDA0002650633150000063
像素计算值。
如果秧苗发生卷叶，S*/Syp＞0.4；如果Sbg/Sgb0＞0.9或者累积生产期Tsc＜Dyn-1，且Hjz＜8％，且喷灌电磁阀19关闭，启动灌溉泵18通过一级过滤20、二级过滤16后经过地灌电磁阀21，地灌回路进行地灌，地灌时间为10S。
如果秧苗发生卷叶，S*/Syp＞0.4，如果Sbg/Sgb0＜0.9，且Hjz＜8％，且喷灌电磁阀19关闭，启动灌溉泵18通过一级过滤装置20、二级过滤装置16后经过地灌电磁阀21，地灌回路进行地灌，地灌时间为30S。
S10：起苗作业
如果Sbg/Sgb0＞0.9，且累积生产期进入Tsc＞Dyn-1，进行起苗作业推送。如果Sbg/Sgb0＞0.9，且Hjz＜8％，且喷灌电磁阀19关闭，启动灌溉泵18通过一级过滤装置20、二级过滤装置16后经过地灌电磁阀21，地灌回路进行地灌，地灌时间为10S。

Claims (8)

1.一种穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，包括灌溉渠和设置在棚内的秧苗盘，秧苗盘包括上层基质盘(27)和下层的盘下基质(26)，其特征在于：该系统还包括喷灌系统、地灌系统和沼液系统，均由就地控制中心(9)控制并通过电磁阀的调节实现功能转换；喷灌系统包括顺次连接的灌溉泵(18)、一级过滤装置(20)、二级过滤装置(16)、增压泵(15)、喷灌管路(2)，喷灌管路(2)与秧苗盘连通；地灌系统包括顺次连接的二级过滤装置(16)、地灌管路(28)，地灌管路(28)与秧苗盘连通；沼液系统包括沼液泵(17)和地灌管路(28)；就地控制中心(9)与工业路由(8)连接，工业路由(8)连接云控制中心(1)，云控制中心(1)与移动客户端(7)连接；秧苗盘内设置摄像头组(5)和土壤水分传感器(24)，获取到的数据传输给无线传输模块网关(10)和云控制中心(1)。
2.根据权利要求1所述的穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，其特征在于：所述灌溉渠隔离出灌溉池(22)和沼液池(23)，分别安装灌溉泵(18)和沼液泵(17)。
3.根据权利要求1所述的穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，其特征在于：所述就地控制中心(9)独立运行水肥控制指令并将控制指令传递给灌溉泵(18)、喷灌电磁阀(19)、地灌电磁阀(21)的总线驱动器(25)以及增压泵(15)的变频控制器(14)，变频控制器(14)与压力传感器(13)连接，压力传感器(13)设置在喷灌管路(2)上。
4.根据权利要求1所述的穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，其特征在于：所述灌溉泵(18)通过管道与喷灌电磁阀(19)、一级过滤装置(20)、二级过滤装置(16)、增压泵(15)连接，增压泵(15)与喷灌管路(2)连接。
5.根据权利要求1所述的穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，其特征在于：所述二级过滤装置(16)与沼液泵(17)连接，连接的管道上设置地灌电磁阀(21)，沼液泵(17)与地灌管路(28)连接，地灌管路(28)伸入盘下基质(26)内部，地灌电磁阀(21)。
6.根据权利要求1所述的穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，其特征在于：所述盘下基质(26)内安装土壤水分传感器(24)，土壤水分传感器(24)与就地控制中心(9)无线连接，棚内设置温湿度光照传感器(11)并通过环境参数无线传输模块(12)将数据传输给就地控制中心(9)。
7.根据权利要求1所述的穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，其特征在于：所述摄像头组(5)获取的参数数据通过第一无线传输模块(3)和第二无线传输模块(4)分别与云控制中心(1)和无线传输模块网关(10)进行信息交互。
8.根据权利要求1所述的穴盘式有机稻硬地育秧的智能水肥一体化系统，其特征在于：所述喷灌管路(2)上设置喷灌手动阀(30)，喷灌管路(2)与地灌管路(28)之间设置地灌清洗手动阀(6)，配合关闭喷灌手动阀(30)和地灌电磁阀(21)，通过增压泵(15)对地灌回路进行冲洗。
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