CN114402780B - 一种基于农业综合大数据灌溉施肥控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农业作物综合灌溉施肥方法，包括步骤部署土壤温度传感器和照度传感器，获取农业作物中土壤的温度，和土地获得阳光的照度，对含水量和阳光的照度进行处理，获得区域灌溉系数，根据区域灌溉系数控制肥料施放装置和浇水系统。本发明实现了通过给农业作物的区域分区，结合每个子区域的环境情况，分别根据每个子区域的情况进行控制，控制灌溉系统，从而达到精细控制的效果，节约水和肥料，提高农业管理效率，防止土壤板结和伤害农作物。

Description

一种基于农业综合大数据灌溉施肥控制方法及系统

技术领域

本发明涉及农业监测技术领域，具体涉及一种基于农业综合大数据灌溉施肥控制方法及系统。

背景技术

精细农业作物作为新兴产业，随着农业现代化以及新技术的飞速发展，信息化技术在推动农业的发展上越来越受到重视。为实现农业作物的健康成长，引入实时监测农业土壤情况的变得越发重要。信息化的应用能揭示农田生态系统中的气候资源条件，气候变化与影响，农田生态灾害，农田小气候，土壤肥力、品质关系，来完成农田生态信息的综合与分析评估，对精细农业的实现具有重大意义。现有的农业监测主要依赖人工，人工监测依赖经验，而且无法形成统一标准，由于受视力、颜色辨别力、疲劳度等因素的影响，检测结果既不客观又不精确，由于农业作物的生长程度不一，同一个种类的农作物累积经验，加重了育种人员的负担。

发明内容

本发明的目的在于提出一种农业作物综合灌溉施肥方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为实现上述技术目的，本发明技术方案如下：

一种农业作物综合灌溉施肥方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，部署土壤温度传感器和照度传感器；

步骤2，获取农业作物中土壤的温度，和土地获得阳光的照度；

步骤3，对含水量和阳光的照度进行处理，获得区域灌溉系数；

步骤4，根据区域灌溉系数控制肥料施放装置和浇水系统。

进一步地，步骤1中，部署土壤温度传感器和照度传感器的子步骤为：

把农业作物分为多个子区域，子区域的数量为N，子区域为大小xM×xM的区域，在不同作物种类的区域中部署土壤温度传感器和照度传感器，所述土壤温湿度传感器能检测土壤的温度和湿度，所述照度传感器不被农业作物遮挡，能检测直射阳光的照度，各个农业作物子区域的土壤温湿度传感器和照度传感器可以通过有线连接，也可以通过无线连接；

在一个实施例中，x取值12；

所述无线传输包括以下的一种或多种技术：NB-IoT，LTE-M，Weightless，HaLow，LoRa，Sigfox，RPMA，Neul，BLE。

进一步地，步骤2中，获取农业作物中土壤的温度，和土地获得阳光的照度的子步骤为：

在时间区间H1～H2以时间间隔T0获得各个子区域的温度，照度，记为单日温度集合T、单日照度集合B，单日温度Tj、单日照度Bj分别为单日第j个温度和照度数据，j的范围为[1,(H2-H1)/T0]，J＝(H2-H1)/T0，如果有J余数则往上取整；温度的单位为℃，照度的单位为Lux。

进一步地，步骤3中，对含水量和阳光的照度进行处理，获得区域灌溉系数的子步骤为：

步骤3.1：建立每个子区域的代谢与温度和照度的关系：

M＝(∑(a×exp(Tj/T0)×ln(abs(Tj-T0)))+∑(c×exp(Bj-B0))×ln(abs(Bj-B0/Bj))))/(J-1)；

式中，M为代谢率，a为温度代谢系数，不同作物取值不同，c为照度代谢系数，不同作物取值不同；T0为基准温度，表示一种农业作物的代谢速率最大化的温度点，B0为基准照度，表示一种农业作物的代谢速率最大化的照度点；exp()为以自然常数e为底的指数函数，ln(num)为求值num的自然对数，自然对数以常数e为底，Tj为单日单日第j个时间间隔内的温度平均值，Bj为单日单日第j个时间间隔内的照度平均值，J为单日温度集合T、单日照度集合B的大小；在一个实施例里，a为209，c为3.6，T0为25℃，B0为2300Lux。

步骤3.2，获得每个子区域的区域灌溉系数Gr，具体为：

Gr＝b1×M1+b2×M2+b3×M3，

式中，b1+b2+b3＝1，b1为第一权重，b2为第二权重，b3为第三权重，M1为当前时刻之前一天的代谢率，M2为当前时刻之前两天的代谢率，M3为当前时刻之前三天的代谢率，Gr为子区域的区域灌溉系数。

在一个实施例里，b1为0.65，b2为0.2，b3为0.15。

进一步地，步骤4中，根据区域灌溉系数控制肥料施放装置和浇水系统的子步骤为：

每天时间区间H2后计算所有子区域的区域灌溉系数Gr，获得区域灌溉系数集合GR，GR＝{Gr1,Gr2,Gr3,……，GrN}；

步骤4.1，初始化i＝1；

步骤4.2，获取与Gri相邻的子区域的区域灌溉系数，记为集合Gr'；

步骤4.3，如果集合Gr'的大小小于3，i的值增加1并跳转步骤4.2，否则跳转步骤4.4；

步骤4.4，如果MAX(Gr')-MIN(Gr')大于灌溉系数阈值，取MAX(Gr')和MIN(Gr')所在的子区域，MAX(Gr')和MIN(Gr')分别为取集合Gr'中区域灌溉系数最大和最小的值，以上述2个子区域的中心做线段，判断线段与子区域的重合长度是否大于x，如果大于等于x则标记当前Gri为需要进行灌溉的区域；

判断i是否等于N，如果等于则跳至步骤4.5，否则i自增1并跳转步骤4.2；步骤4.5，控制被标记为需要进行灌溉的区域的灌溉系统进行灌溉。

一种农业作物综合灌溉施肥系统，所述系统包括：

数据采集模块：包括在每个子区域部署的土壤温度传感器和照度传感器，用于发送土壤温度传感器和照度传感器获得的数据的模块；

数据处理模块：用于接收数据采集模块的数据，并执行权利要求1～5的方法，输出需要进行灌溉的区域；

灌溉控制模块：用于根据数据处理模块输出的需要进行灌溉的区域，控制每个子区域内的灌溉系统。

第三方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本公开第一方面提供的所述方法的步骤。

第四方面，本公开提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有计算机程序；处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现本公开提供的所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

通过给农业作物的区域分区，结合每个子区域的环境情况，分别根据每个子区域的情况进行控制，控制灌溉系统，从而达到精细控制的效果，节约水和肥料，提高农业管理效率，防止土壤板结和伤害农作物。

附图说明

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，在附图中：

图1为本发明提供的一种农业作物综合灌溉施肥方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的一种农业作物综合灌溉施肥系统结构示意框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详尽说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围内的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

以下示例性地说明本发明提供的一种农业作物综合灌溉施肥方法。

如图1所示为一种农业作物综合灌溉施肥方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本发明的实施方式的一种农业作物综合灌溉施肥方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，部署土壤温度传感器和照度传感器；

步骤2，获取农业作物中土壤的温度，和土地获得阳光的照度；

步骤3，对含水量和阳光的照度进行处理，获得区域灌溉系数；

步骤4，根据区域灌溉系数控制肥料施放装置和浇水系统。

进一步地，步骤1中，部署土壤温度传感器和照度传感器的子步骤为：

把农业作物分为多个子区域，子区域的数量为N，子区域为大小xM×xM的区域，在不同作物种类的区域中部署土壤温度传感器和照度传感器，所述土壤温湿度传感器能检测土壤的温度和湿度，所述照度传感器不被农业作物遮挡，能检测直射阳光的照度，各个农业作物子区域的土壤温湿度传感器和照度传感器可以通过有线连接，也可以通过无线连接；

在一个实施例中，x取值12；

所述无线传输包括以下的一种或多种技术：NB-IoT，LTE-M，Weightless，HaLow，LoRa，Sigfox，RPMA，Neul，BLE。

进一步地，步骤2中，获取农业作物中土壤的温度，和土地获得阳光的照度的子步骤为：

在时间区间H1～H2以时间间隔T0获得各个子区域的温度，照度，记为单日温度集合T、单日照度集合B，单日温度Tj、单日照度Bj分别为单日第j个温度和照度数据，j的范围为[1,(H2-H1)/T0]，J＝(H2-H1)/T0，如果有J余数则往上取整；温度的单位为℃，照度的单位为Lux。

进一步地，步骤3中，对含水量和阳光的照度进行处理，获得区域灌溉系数的子步骤为：

步骤3.1：建立每个子区域的代谢与温度和照度的关系：

M＝(∑(a×exp(Tj/T0)×ln(abs(Tj-T0)))+∑(c×exp(Bj-B0))×

ln(abs(Bj-B0/Bj))))/(J-1)；

式中，M为代谢率，a为温度代谢系数，不同作物取值不同，c为照度代谢系数，不同作物取值不同；T0为基准温度，表示一种农业作物的代谢速率最大化的温度点，B0为基准照度，表示一种农业作物的代谢速率最大化的照度点；exp()为以自然常数e为底的指数函数，ln(num)为求值num的自然对数，自然对数以常数e为底，Tj为单日单日第j个时间间隔内的温度平均值，Bj为单日单日第j个时间间隔内的照度平均值，J为单日温度集合T、单日照度集合B的大小；

步骤3.2，获得每个子区域的区域灌溉系数Gr，具体为：

Gr＝b1×M1+b2×M2+b3×M3，

式中，b1+b2+b3＝1，b1为第一权重，b2为第二权重，b3为第三权重，M1为当前时刻之前一天的代谢率，M2为当前时刻之前两天的代谢率，M3为当前时刻之前三天的代谢率，Gr为子区域的区域灌溉系数。

进一步地，步骤4中，根据区域灌溉系数控制肥料施放装置和浇水系统的子步骤为：

每天时间区间H2后计算所有子区域的区域灌溉系数Gr，获得区域灌溉系数集合GR，GR＝{Gr1,Gr2,Gr3,……，GrN}；

步骤4.1，初始化i＝1；

步骤4.2，获取与Gri相邻的子区域的区域灌溉系数，记为集合Gr'；

步骤4.3，如果集合Gr'的大小小于3，i的值增加1并跳转步骤4.2，否则跳转步骤4.4；

步骤4.4，如果MAX(Gr')-MIN(Gr')大于灌溉系数阈值，取MAX(Gr')和MIN(Gr')所在的子区域，MAX(Gr')和MIN(Gr')分别为取集合Gr'中区域灌溉系数最大和最小的值，以上述2个子区域的中心做线段，判断线段与子区域的重合长度是否大于x，如果大于等于x则标记当前Gri为需要进行灌溉的区域；

判断i是否等于N，如果等于则跳至步骤4.5，否则i自增1并跳转步骤4.2；步骤4.5，控制被标记为需要进行灌溉的区域的灌溉系统进行灌溉。

如图2所示是本发明一个实施例的一种农业作物综合灌溉施肥系统结构示意框图。

一种农业作物综合灌溉施肥系统，所述系统包括：

数据采集模块：包括在每个子区域部署的土壤温度传感器和照度传感器，用于发送土壤温度传感器和照度传感器获得的数据的模块；

数据处理模块：用于接收数据采集模块的数据，并执行权利要求1～5的方法，输出需要进行灌溉的区域；

灌溉控制模块：用于根据数据处理模块输出的需要进行灌溉的区域，控制每个子区域内的灌溉系统。

所述基于一种农业作物综合灌溉施肥系统可以运行于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备中。所述一种农业作物综合灌溉施肥系统，可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述例子仅仅是一种农业作物综合灌溉施肥系统的示例，并不构成对一种农业作物综合灌溉施肥系统的限定，可以包括比例子更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种农业作物综合灌溉施肥系统还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application 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。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种农业作物综合灌溉施肥系统运行系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种农业作物综合灌溉施肥系统可运行系统的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种农业作物综合灌溉施肥系统的各种功能。所述存储器可主要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、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种农业作物综合灌溉施肥方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，部署土壤温度传感器和照度传感器；

步骤2，获取农业作物中土壤的温度，和土地获得阳光的照度；

步骤3，对温度和阳光的照度进行处理，获得区域灌溉系数；

步骤4，根据区域灌溉系数控制肥料施放装置和浇水系统；

其中，步骤1部署土壤温度传感器和照度传感器的子步骤为：把农业作物分为多个子区域，子区域的数量为N，子区域为大小x m×x m的区域，在不同作物种类的区域中部署土壤温度传感器和照度传感器；

步骤2中，获取农业作物中土壤的温度，和土地获得阳光的照度的子步骤为：

在时间区间H1˜H2以时间间隔T0获得各个子区域的温度，照度，记为单日温度集合T、单日照度集合B，单日温度Tj、单日照度Bj分别为单日第j个温度和照度数据，j的范围为[1,(H2-H1)/T0]，J=(H2-H1)/T0，如果有J余数则往上取整；

步骤3中，对温度和阳光的照度进行处理，获得区域灌溉系数的子步骤为：

步骤3.1：建立每个子区域的代谢与温度和照度的关系：

M=(∑(a×exp(Tj/T0)×ln(abs(Tj-T0)))+∑(c×exp(Bj-B0))×ln(abs(Bj-B0/Bj))))/(J-1)；

式中，M为代谢率，a为温度代谢系数，不同作物取值不同，c为照度代谢系数，不同作物取值不同；T0为基准温度，表示一种农业作物的代谢速率最大化的温度点，B0为基准照度，表示一种农业作物的代谢速率最大化的照度点；exp()为以自然常数e为底的指数函数，ln(num)为求值num的自然对数，自然对数以常数e为底，Tj为单日第j个时间间隔内的温度平均值，Bj为单日第j个时间间隔内的照度平均值，J为单日温度集合T、单日照度集合B的大小；

步骤3.2，获得每个子区域的区域灌溉系数Gr，具体为：

Gr=b1×M1+b2×M2+b3×M3，

式中，b1+b2+b3=1，b1为第一权重，b2为第二权重，b3为第三权重，M1为当前时刻之前一天的代谢率，M2为当前时刻之前两天的代谢率，M3为当前时刻之前三天的代谢率，Gr为子区域的区域灌溉系数；

步骤4中，根据区域灌溉系数控制肥料施放装置和浇水系统的子步骤为：

每天时间H2后计算所有子区域的区域灌溉系数Gr，获得区域灌溉系数集合GR，GR={Gr1,Gr2,Gr3,……，GrN}；

步骤4.1，初始化i=1；

步骤4.2，获取与Gri相邻的子区域的区域灌溉系数，记为集合Gr'；

步骤4.3，如果集合Gr'的大小小于3，i的值增加1并跳转步骤4.2，否则跳转步骤4.4；

步骤4.4，如果MAX(Gr')-MIN(Gr')大于灌溉系数阈值，取MAX(Gr')和MIN(Gr')所在的子区域，MAX(Gr')和MIN(Gr')分别为取集合Gr'中区域灌溉系数最大和最小的值，以上述2个子区域的中心做线段，判断线段与子区域的重合长度是否大于x，如果大于等于x则标记当前Gri为需要进行灌溉的区域；

判断i是否等于N，如果等于则跳至步骤4.5，否则i自增1并跳转步骤4.2；

步骤4.5，控制被标记为需要进行灌溉的区域的灌溉系统进行灌溉。

2.根据权利要求1所述的一种农业作物综合灌溉施肥方法，其特征在于，步骤1中，部署土壤温度传感器和照度传感器的子步骤为：

所述土壤温度传感器能检测土壤的温度，所述照度传感器不被农业作物遮挡，能检测直射阳光的照度，各个农业作物子区域的土壤温度传感器和照度传感器通过有线连接或者无线连接；

所述无线传输包括以下的一种或多种技术：NB-IoT，LTE-M，Weightless，HaLow，LoRa，Sigfox，RPMA，Neul，BLE。

3.根据权利要求1所述的一种农业作物综合灌溉施肥方法，其特征在于，步骤2中温度的单位为°C，照度的单位为Lux。

4.一种农业作物综合灌溉施肥系统，其特征在于，所述系统包括：

数据采集模块：包括在每个子区域部署的土壤温度传感器和照度传感器，用于发送土壤温度传感器和照度传感器获得的数据的模块；

数据处理模块：用于接收数据采集模块的数据，并执行权利要求1~3的任一项方法，输出需要进行灌溉的区域；

灌溉控制模块：用于根据数据处理模块输出的需要进行灌溉的区域，控制每个子区域内的灌溉系统。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-3中任一项所述方法的步骤。

6.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，其上存储有计算机程序；处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现权利要求1-3中任一项所述方法的步骤。

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