CN117063819A - 一种育植自主喷灌方法及其决策执行装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于育植领域，具体是涉及到一种育植自主喷灌方法及其决策执行装置，其中育植自主喷灌方法，包括如下步骤：根据植物种类和植物各生长期特性建立空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型；建立综合适宜度模型；建立以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件；获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌，本方法可以使喷灌方式结合植物种类和植物的不同生长期特性以及现场的空气温湿度、土壤温湿度和光照强度进行自适应喷灌，保证育植培育的效果。
Description
技术领域
本发明属于育植领域，具体是涉及到一种育植自主喷灌方法及其决策执行装置。
背景技术
在农业生产和生活绿化的培育过程中，淡水的应用需求很高，如果能够对这个环节进行精细化控制，将会节约可观的淡水量。目前，城市绿化或农业灌溉，都需要人工控制喷灌水量，且无法实现多区域分别调节，忽略了环境因素指标和植物生长对于喷灌水量需求的变化量，造成了大量淡水资源浪费的同时，损害了植物的生长。
与节水喷灌系统的专利有发明专利“202010306408.7-一种智能节水喷灌系统”,描述了具有环境因素指标传感功能的智能节水喷灌系统，可以根据喷灌区域的形状和大小自动调节喷头俯仰角；发明专利“202010977139.4-一种智能喷灌系统”，该发明的智能喷灌系统基于微信小程序实现了喷灌系统的智能控制，方便数据查看和控制、喷灌系统管理人员对喷灌系统进行自动/手动控制；发明专利“202111243631.2-一种节水喷灌系统”描述了一种具有移动喷灌功能的节水喷灌系统，通过喷头水平和高度位置上的调节，实现减少水分蒸发和扩散、灌溉均匀有效、节省水资源的效果。上述改进主要集中在单一的依据环境因素指标改变喷灌水量，而忽略了植物生长对于喷灌水量的需求变化，在节水的情况下不一定利于植物的生长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够自适应不同植物以及植物不同生长期的育植自主喷灌方法及其决策执行装置。
本发明提供一种育植自主喷灌方法，包括如下步骤：
根据植物种类和植物各生长期特性建立空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型，所述空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型分别用于获得植物种类和植物各生长期所对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度；
建立综合适宜度模型，将所述空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度代入综合适宜度模型内，获得植物种类和植物各生长期的综合适宜度；
根据植物种类和植物各生长期特性以及空气温湿度、土壤温湿度和光照强度对植物蒸腾作用的影响，建立以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件；
获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
更进一步地，所述空气温湿度适宜模型包括空气温度适宜模型和空气湿度适宜模型；
其中所述空气温度适宜模型包括：
式中，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Ta1表示植物在所处生长期内的空气下限温度，Ta2表示植物在所处生长期内的空气上限温度，Ta0表示植物在所处生长期内的空气适宜温度，Ba表示空气温度比例调节系数。
其中所述空气温度适宜模型包括：
式中，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Ha1表示植物在所处生长期内的空气下限湿度，Ha2表示植物在所处生长期内的空气上限湿度，Ha0表示植物在所处生长期内的空气适宜湿度，Ca表示空气湿度比例调节系数
更进一步地，，所述土壤温湿度适宜模型包括土壤温度适宜模型和土壤湿度适宜模型；
其中土壤温度适宜模型包括：
式中，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Ts1表示植物在所处生长期内的土壤下限温度，Ts2表示植物在所处生长期内的土壤上限温度，Ts0表示植物在所处生长期内的土壤适宜温度，Bs表示土壤温度比例调节系数
其中土壤湿度适宜模型包括：
式中，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，Hs1表示植物在所处生长期内的土壤下限湿度，Hs2表示植物在所处生长期内的土壤上限湿度，Hs0表示植物在所处生长期内的土壤适宜湿度，Cs表示土壤湿度比例调节系数。
更进一步地，所述光照适宜度模型为：
式中，S(ti)表示在ti时刻的光照适宜度，s0表示维持植物正常发育所需的下限光照，I表示总光照强度，且其中，U表示紫外线强度，α表示太阳光中紫外线占比，Dr表示阳光直射率，b为常数，式中e表示自然常数。
更进一步地，所述综合适宜度模型为：
式中，M(ti)表示在ti时刻的综合适宜度，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，S(ti)表示在ti时刻的光照适宜度。
更进一步地，所述以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件包括如下模型：
式中，Z表示植物的蒸腾作用强度，Z(ti)表示喷水时刻植物的蒸腾作用程度，I(ti)表示在ti时刻的总光照强度，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Zmax表示当天最大的蒸腾作用程度，为Z(ti)的归一化处理结果，/>表示喷灌需满足/>
更进一步地，在喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌之后，还包括如下步骤：
获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
更进一步地，所述喷灌方式包括喷灌、喷洒和滴灌。
本发明还提供一种育植自主喷灌决策执行装置，所述装置包括：
环境适宜度获取模块，用于根据植物种类和植物各生长期特性建立空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型，所述空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型分别用于获得植物种类和植物各生长期所对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度；
综合适宜度获取模块，用于建立综合适宜度模型，将所述空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度代入综合适宜度模型内，获得植物种类和植物各生长期的综合适宜度；
喷灌设备开启条件模块，用于根据植物种类和植物各生长期特性以及空气温湿度、土壤温湿度和光照强度对植物蒸腾作用的影响，建立以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件；
喷灌控制模块，用于获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明的有益效果是，该方法根据植物种类和植物的不同生长期特性获取其对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度，并且根据空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度计算出综合适宜度，进而以综合适宜度做依据，并根据现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌，可以使喷灌方式结合植物种类和植物的不同生长期特性以及现场的空气温湿度、土壤温湿度和光照强度进行自适应喷灌，保证育植培育的效果。另外，本方法还采用了植物蒸腾程度作为条件判断是否开启喷灌设备，在确定是否喷水时，为了保护植物，在考虑综合适宜度的同时，还要满足喷水时刻植物的蒸腾作用程度，避免在植物蒸腾作用强烈的时候喷灌，导致植物气孔堵塞，不能进行蒸腾作用，继而不能散热而致使内部紊乱，酶活性失调，最后死亡的问题。
附图说明
附图1为本发明中育植自主喷灌方法的流程图。
附图2为本发明中育植自主喷灌决策执行装置的系统运行图；
附图3为本发明中喷管系统策略流程图；
附图4为本发明中育植自主喷灌控制装置的结构示意图；
附图5为图4隐藏盖板后的结构示意图；
附图6为图5隐藏盒体上端板体结构后的结构示意图；
附图7为本发明中育植自主喷灌控制系统的结构示意图；
附图8为本发明中育植自主喷灌系统的结构示意图。
在图中，1-盒体；11-盖板；2-太阳能板；3-温湿度传感器；4-主控板；5-电流检测板；6-电池；7-喷灌管路控制件。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或通信连接，通信连接可以采用信号线进行有线连接，也可以采用例如蓝牙、WiFi等设备进行无线连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如附图1-8所示，本发明一种育植自主喷灌控制装置，参考图4-图6，包括盒体1以及设置在盒体上的太阳能板2、温湿度传感器3、主控板4、电流检测板5、电池6和喷灌管路控制件7；
所述盒体1的侧壁和底部可埋设于育植环境的土壤里，且盒体1的顶部裸露在外；
所述太阳能板2设置在盒体1顶部，用于吸收太阳光为电池6或者为温湿度传感器3、主控板4、电流检测板5、电池6和喷灌管路控制件7供电；
所述太阳能板2和所述电流检测板5电连接，电流检测板5与所述主控板4通信连接，所述电流检测板5用于实时获取太阳能板2的电流量，并通过电流量计算太阳光的强度和阳光直射率；
所述温湿度传感器3至少设置有两个，其中一个设置在盒体1的顶部，用于获取空气温湿度，另一个设置在盒体1侧壁或者底壁，用于获取土壤温湿度，至少两个所述温湿度传感器3与所述主控板4通信连接；
所述喷管管路控制件7与所述主控板4通信连接，所述喷管管路控制件7用于串联在喷灌系统的水管上，用于控制喷灌系统的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间；
所述主控板4根据获取的太阳光的强度、空气温湿度和土壤温湿度数据，控制喷管管路控制件7动作，进而控制喷灌系统选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间进行喷灌。
本发明所提供的育植自主喷灌控制装置，仅需直接安装于育植环境区域的土壤里，接入现有喷灌设备的管路即可，实现极简安装，不需要对原有农业区域、绿化区域进行大规模改造，基于现有条件即可使用，大幅度降低改造成本和改造过程所产生的能源消耗及碳排放，而且结合该安装方式和温湿度传感器的装配位置，可以直接获取育植环境的空气温湿度和土壤温湿度数据，另外，通过在盒体1的顶部设置太阳能板2，太阳能板2一方面可以通过电流检测板5反向计算出当时的太阳光强度和阳光直射率，另一方面还可以为电池6或者其他元器件进行供电，使育植自主喷灌控制装置无需外接电源，使得本控制装置在解决控制装置的安装问题和供能问题的同时，即可极其方便的获取育植环境因素指标，最终根据育植环境因素指标选择合适的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行精细化喷灌，实现育植的最大效益。
另外，可以通过在同一区域配备多个育植自主喷灌控制装置，实现提高育植场地的覆盖面积，并且多区域进行自适应调节，在不同区域具有不同植物和/或植物处于不同生长周期时，可以结合环境因素指标提供其对应的最佳的喷灌方式和喷灌量，减小人工成本的同时加强人地协同。
另外，当需要检测环境中紫外线强度时，还可以在盒体1的顶部配备紫外线强度传感器，阳光直射率则利用太阳能板2对光线的敏感功能，通过INA226芯片，实时检测太阳能板2输入电流大小，解算为阳光直射率参量。
需要注意的时，本发明中的喷灌系统不仅局限于喷水，还可以用于喷洒农药、营养液等。
在其中一个实施例中，所述主控板4上设置有结合植物种类和植物各生长期特性建立的喷灌决策执行程序，所述喷管决策执行程序包括：
环境适宜度获取模块，用于根据植物种类和植物各生长期特性建立空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型，所述空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型分别用于获得植物种类和植物各生长期所对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度；
综合适宜度获取模块，用于建立综合适宜度模型，将所述空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度代入综合适宜度模型内，获得植物种类和植物各生长期的综合适宜度；
喷灌设备开启条件模块，用于根据植物种类和植物各生长期特性以及空气温湿度、土壤温湿度和光照强度对植物蒸腾作用的影响，建立以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件；
喷灌控制模块，用于获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，控制喷管管路控制件7根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
本实施例中，将不同植物在生长不同阶段对于喷灌水量的需求基础上作出喷灌方式、喷灌量和喷灌时间的决策，即可以保证育植培育的最佳效果，又可以节约水资源。即本喷管决策执行程序适用于多种植物，能够依据空气湿度、土壤温湿度、阳光强度等环境因素指标自主调节喷灌模式、水量和时间，是一种具有自主运行功能、复合育植生长规律的节水控制程序。
具体地，该喷管决策执行程序可实现一种育植自主喷灌方法，包括如下步骤：
根据植物种类和植物各生长期特性建立空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型，所述空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型分别用于获得植物种类和植物各生长期所对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度；
建立综合适宜度模型，将所述空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度代入综合适宜度模型内，获得植物种类和植物各生长期的综合适宜度；
根据植物种类和植物各生长期特性以及空气温湿度、土壤温湿度和光照强度对植物蒸腾作用的影响，建立以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件；
获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
该方法根据植物种类和植物的不同生长期特性获取其对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度，并且根据空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度计算出综合适宜度，进而以综合适宜度做依据，并根据现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌，可以使喷灌方式结合植物种类和植物的不同生长期特性以及现场的空气温湿度、土壤温湿度和光照强度进行自适应喷灌，保证育植培育的效果。另外，本方法还采用了植物蒸腾程度作为条件判断是否开启喷灌设备，在确定是否喷水时，为了保护植物，在考虑综合适宜度的同时，还要满足喷水时刻植物的蒸腾作用程度，避免在植物蒸腾作用强烈的时候喷灌，导致植物气孔堵塞，不能进行蒸腾作用，继而不能散热而致使内部紊乱，酶活性失调，最后死亡的问题。
在其中一个实施例中，所述空气温湿度适宜模型包括空气温度适宜模型和空气湿度适宜模型；
其中所述空气温度适宜模型包括：
式中，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Ta1表示植物在所处生长期内的空气下限温度，Ta2表示植物在所处生长期内的空气上限温度，Ta0表示植物在所处生长期内的空气适宜温度，Ba表示空气温度比例调节系数；
另外，且当Tai≤Ta1或者Ta2≤Tai时，Tai＝0，即温度过高或者过低时，适宜度为0。
其中所述空气温度适宜模型包括：
式中，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Ha1表示植物在所处生长期内的空气下限湿度，Ha2表示植物在所处生长期内的空气上限湿度，Ha0表示植物在所处生长期内的空气适宜湿度，Ca表示空气湿度比例调节系数。
另外，当Hai≤Ha1或Ha2≤Hai时，Hai＝0，即空气湿度过高或者过低时，适宜度为0。
在不同植物，或者在植物在不同的生长阶段，模型中的空气下限温度、空气上限温度和空气适宜温度，以及空气下限湿度、空气上限湿度和空气适宜湿度均不同，以便于更好的适应植物的生长规律，上述两个模型在对植物生长环境的研究已经确定的适宜度上下限和最适宜数值基础上，根据当前的环境参数数值赋予相应的适宜度数值。
在其中一个实施例中，所述土壤温湿度适宜模型包括土壤温度适宜模型和土壤湿度适宜模型；
其中土壤温度适宜模型包括：
式中，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Ts1表示植物在所处生长期内的土壤下限温度，Ts2表示植物在所处生长期内的土壤上限温度，Ts0表示植物在所处生长期内的土壤适宜温度，Bs表示土壤温度比例调节系数；
另外，且当Tsi≤Ts1，Ts2≤Tsi时，Tsi＝0，即土壤温度过高或者过低时，适宜度为0。
土壤湿度适宜度模型是对温室作物生长发育过程所需水分的客观衡量。土壤的含水状况又叫墒情，含水量在12％～l5％就有缺水的现象。由于湿度变化在时间上也是一个连续的过程，因此土壤湿度适宜模型包括：
式中，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，Hs1表示植物在所处生长期内的土壤下限湿度，Hs2表示植物在所处生长期内的土壤上限湿度，Hs0表示植物在所处生长期内的土壤适宜湿度，Cs表示土壤湿度比例调节系数。
另外，当Hsi≤Hs1或者Hs2≤Hsi时，Hsi＝0，即土壤湿度过高或者过低时，适宜度为0。
在不同植物，或者在植物在不同的生长阶段，模型中的土壤下限温度、土壤空气上限温度和土壤适宜温度，以及土壤下限湿度、土壤上限湿度和土壤适宜湿度均不同，更好的适应植物的生长规律，上述两个模型在对植物生长环境的研究已经确定的适宜度上下限和最适宜数值基础上，根据当前的环境参数数值赋予相应的适宜度数值。
在其中一个实施例中，植物进行光合作用制造有机物需要光照。光照对作物的影响可以认为是一个模糊过程，在适宜与不适宜之间持续变化。根据植物对光照强度的要求，可分为阳性植物、阴性植物以及耐阴植物。设s0为维持植物正常发育所需的下限光照(单位Lx)，设紫外线强度为U，日常太阳光中紫外线占比大约为α＝5％，设阳光直射率为Dr，则总光照强度为则可得在ti时刻光照适宜度S(ti)，满足如下光照适宜度模型：
式中，S(ti)表示在ti时刻的光照适宜度，s0表示维持植物正常发育所需的下限光照，I表示总光照强度，且I＝U/(α·Dr)，其中，U表示紫外线强度，α表示太阳光中紫外线占比，Dr表示阳光直射率，b为常数与植物对光照的要求以及光照条件有关，根据实验数据计算所得，式中e表示自然常数。
本实施例中，在不同植物，或者在植物在不同的生长阶段，所需要的光照强度均不同，可以更好的适应植物的生长规律。另外，本实施例中将光照强度与紫外线和阳关直射率作为考虑因素，光照强度与紫外线强度对植物进行光合作用制造有机物质以及生存的影响效果最大，本实施例中考虑到光照强度和紫外线强度对植物生长的影响，保证植物的生长效果。
在其中一个实施例中，所述综合适宜度模型为：
式中，M(ti)表示在ti时刻的综合适宜度，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，S(ti)表示在ti时刻的光照适宜度。
本实施例所提供的综合适宜度模型，以不同的植物为主线以各气象站逐旬适宜度为基础用各旬在所在月季发育期内所占权重作为系数进行加权平均计算植物生长月季生育阶段的温度降水日照适宜度及光温水综合适宜度。
在考虑喷灌方式的策略时，我们还必须考虑植物的蒸腾作用。当植物蒸腾作用过高时，给植物浇水，植物就会因为吸收大量的水后，发生吐水现象，堵塞了叶片的气孔，而气孔就是植物蒸腾作用用来输送水分的唯一窗口，因为气孔被堵塞，植物因不能进行蒸腾作用，不能散热而致使内部紊乱，酶活性失调，最后死亡，所以浇水要在植物蒸腾作用不强烈的时候进行。植物蒸腾作用受到温度、湿度和光照的影响。一般而言，温度越高、光照越强，植物的蒸腾作用越强。湿度越高，植物的蒸腾作用越弱。
一般而言，植物的蒸腾作用速率变化是基本一致的。早晨5:00和晚上19:00两端蒸腾速率最低,由于没有光照,植被气孔关闭,蒸腾作用非常微弱；从早上太阳升起环境温度逐渐升高,植被的蒸腾速率也慢慢升高,到上午9:30至11:00左右,蒸腾速率不再提高,表明植被的蒸腾量保持平衡；然后随着时间推移蒸腾速率有所降低,到下午14:00左右,植被的蒸腾速率开始明显下降,直到晚上19:00以后,植被蒸腾速率趋近于0。由于不同植物的蒸腾作用速率差异较大，难以统一计算，为了简化模型，我们用蒸腾作用的程度Z来表征植物的蒸腾作用强度，而且为了综合考虑光照、温度和湿度对植物蒸腾作用的影响，设Z满足以下模型：
式中，Z表示植物的蒸腾作用强度，Z(ti)表示喷水时刻植物的蒸腾作用程度，I(ti)表示在ti时刻的总光照强度，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Zmax表示当天最大的蒸腾作用程度，为Z(ti)的归一化处理结果，/>表示喷灌需满足/>即本实施例，在确定是否喷灌时，为了保护植物，在考虑综合适宜度的同时，还要满足喷水时刻植物的蒸腾作用程度Z(ti)小于当天最大的蒸腾作用程度Zmax的70％。
在其中一个实施例中，在喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌之后，还包括如下步骤：
获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌，本实施例中，在进行一次喷灌之后，持续检测环境因素指标，一旦现场环境因素指标脱离综合适宜度的区间，则根据现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度与综合适宜度的差距，以及是否满足喷灌设备开启条件重新开启喷灌设备，保证育植环境环境因素指标全天候处于最佳育植状态。
在其中一个实施例中，所述喷灌方式包括喷灌、喷洒和滴灌，喷灌、喷洒和滴灌的出水量由高至低，当植物生长需水量较小、环境水量充足、植物含水量消耗较小时，采用滴灌模式，并适度调节水流量；当植物生长需水量适中、环境水量适中、植物含水量消耗适中时，采用喷洒模式；当植物生长需水量较大、环境水量较小、植物含水量消耗较大时，采用灌溉模式。
在其中一个实施例中，育植自主喷灌控制装置中控制喷管管路控制件7包括设置在盒体1侧壁或底部上的水源输入接口71和设置在盒体1顶部的水源输出接口72，所述水源输入接口71用于连接水源，所述水源输出接口72用于连接喷灌设备，所述水源输入接口71和水源输出接口72连接，且水源输入接口71和水源输出接口72之间设置有控制舵机，控制舵机用于控制喷灌设备的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间，具体地，控制舵机包括模式控制舵机和水流控制舵机，用于控制水源输入接口71和水源输出接口72的通道面积，进而调节喷灌方式和喷灌水流量以及喷灌的开闭。
在其中一个实施例中，所述电池5和/或太阳能板2为温湿度传感器3、主控板4、电流检测板5和喷灌管路控制件7供电，所述太阳能板2可为所述电池5供电，即本实施例中，一共提供了三种供电方式，即太阳能供电、电池供电和混合供电三种模式，阳光充裕时可利用太阳能板2供电并将多余电量存储在电池5中，供夜间及阴雨天使用，实现长时自主供电。阳光较弱时，太阳板2和电池5同时供电，太阳板2作为供电辅助手段；阴天、夜晚或有遮挡时，电池5独立供电，保证在不良环境条件下装置也可以正常工作，保障整体工作效果的稳定。
在其中一个实施例中，所述电池5、主控板4和电流检测板5均设置在盒体1内部，能够提供物理防护，避免电池5、主控板和电流检测板5进水和进灰尘等杂质，保证装置整体的紧凑度。
在其中一个实施例中，所述盒体1的顶部盖板11采用透明材质，便于观察内部元器件的使用状态。
在其中一个实施例中，所述电流检测板5还可以用于对太阳能板2获得的电量进行稳压和整流，进而使太阳能板2获取的电量能够直接进行输出，本实施例中，电流检测板5用于测得太阳能板2输出的电流，并进行稳压和整流作用。
在其中一个实施例中，所述主控板4上还设置有遥控模块，还包括与所述遥控模块通信连接的上位机，上位机可以是手持移动设备或者计算机基站等，方便用户主动控制喷灌系统工作。
本发明还提供一种育植自主喷灌控制系统，包括多个所述育植自主喷灌控制装置，多个育植自主喷灌控制装置间隔设置，其中一个育植自主喷灌控制装置作为主机，其余育植自主喷灌控制装置作为从机，从机与主机通信连接，主机与上位机通信连接，本实施例中，多个育植自主喷灌控制装置可以组合使用，提高育植场地的覆盖面积，并且多区域进行自适应调节，在不同区域具有不同植物和/或植物处于不同生长周期时，可以结合环境因素指标提供其对应的最佳的喷灌方式和喷灌量，且将多个育植自主喷灌控制装置中其中一个作为主机，可以降低整个控制系统与上位机连接的负担，且多个从机与主机连接，简化各个控制装置的连接难度。
在一个具体实施例中，育植自主喷灌控制装置设置三个，包括一个主机和两个从机，主机接入两个从机，其中一个从机距离主机10m，另一个从机距离主机30m，确定模块通信正常后，开始指标检测。通过上位机蓝牙通信主机，给主机输入控制信号，驱动两个从机执行相应操作，记录指令执行效果；同时通过两个从机3回传给主机的数据，经由主机回传至上位机。
本发明还提供一种育植自主喷灌系统，包括水源、喷灌设备以及育植自主喷灌控制装置，所述水源、育植自主喷灌控制装置和喷灌设备依次串联，即育植自主喷灌控制装置可以控制喷灌设备的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间。
本发明提供的喷灌系统，可实现依据环境空气温湿度、土壤温湿度、紫外线强度、阳光直射率等参数，结合植物种类和植物生长规律，自主调控育植喷灌设备的喷管模式、喷灌量和喷灌时间，实现节水功能。与传统的育植喷灌系统相比，本发明具有更加自主化的喷水量调节功能，能够实现育植喷灌自主调节，且利用太阳能板2供电无需更换电池，具有低成本、轻质量、方便快捷等特点。
本发明还提供一种育植自主喷灌决策执行装置，所述装置包括：
环境适宜度获取模块，用于根据植物种类和植物各生长期特性建立空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型，所述空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型分别用于获得植物种类和植物各生长期所对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度；
综合适宜度获取模块，用于建立综合适宜度模型，将所述空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度代入综合适宜度模型内，获得植物种类和植物各生长期的综合适宜度；
喷灌设备开启条件模块，用于根据植物种类和植物各生长期特性以及空气温湿度、土壤温湿度和光照强度对植物蒸腾作用的影响，建立以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件；
喷灌控制模块，用于获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
关于育植自主喷灌决策执行装置的具体限定可以参见上文中对于育植自主喷灌方法的限定，在此不再赘述。上述育植自主喷灌决策执行装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储育植自主喷灌决策执行装置数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种育植自主喷灌方法方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种育植自主喷灌方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种育植自主喷灌方法，其特征是，包括如下步骤：
根据植物种类和植物各生长期特性建立空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型，所述空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型分别用于获得植物种类和植物各生长期所对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度；
建立综合适宜度模型，将所述空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度代入综合适宜度模型内，获得植物种类和植物各生长期的综合适宜度；
根据植物种类和植物各生长期特性以及空气温湿度、土壤温湿度和光照强度对植物蒸腾作用的影响，建立以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件；
获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
2.如权利要求1所述的育植自主喷灌方法，其特征是，所述空气温湿度适宜模型包括空气温度适宜模型和空气湿度适宜模型；
其中所述空气温度适宜模型包括：
式中，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Ta1表示植物在所处生长期内的空气下限温度，Ta2表示植物在所处生长期内的空气上限温度，Ta0表示植物在所处生长期内的空气适宜温度，Ba表示空气温度比例调节系数；
其中所述空气湿度适宜模型包括：
式中，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Ha1表示植物在所处生长期内的空气下限湿度，Ha2表示植物在所处生长期内的空气上限湿度，Ha0表示植物在所处生长期内的空气适宜湿度，Ca表示空气湿度比例调节系数。
3.如权利要求1所述的育植自主喷灌方法，其特征是，所述土壤温湿度适宜模型包括土壤温度适宜模型和土壤湿度适宜模型；
其中土壤温度适宜模型包括：
式中，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Ts1表示植物在所处生长期内的土壤下限温度，Ts2表示植物在所处生长期内的土壤上限温度，Ts0表示植物在所处生长期内的土壤适宜温度，Bs表示土壤温度比例调节系数；
其中土壤湿度适宜模型包括：
式中，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，Hs1表示植物在所处生长期内的土壤下限湿度，Hs2表示植物在所处生长期内的土壤上限湿度，Hs0表示植物在所处生长期内的土壤适宜湿度，Cs表示土壤湿度比例调节系数。
4.如权利要求1所述的育植自主喷灌方法，其特征是，所述光照适宜度模型为：
式中，S(ti)表示在ti时刻的光照适宜度，s0表示维持植物正常发育所需的下限光照，I表示总光照强度，且其中，U表示紫外线强度，α表示太阳光中紫外线占比，Dr表示阳光直射率，b为常数，式中e表示自然常数。
5.如权利要求1-4任一项所述的育植自主喷灌方法，其特征是，所述综合适宜度模型为：
式中，M(ti)表示在ti时刻的综合适宜度，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，S(ti)表示在ti时刻的光照适宜度。
6.如权利要求1-4任一项所述的育植自主喷灌方法，其特征是，所述以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件包括如下模型：
式中，Z表示植物的蒸腾作用强度，Z(ti)表示喷水时刻植物的蒸腾作用程度，I(ti)表示在ti时刻的总光照强度，Ts(ti)表示在ti时刻的土壤温度适宜度，Ta(ti)表示在ti时刻的空气温度适宜度，Hs(ti)表示在ti时刻的土壤湿度适宜度，Ha(ti)表示在ti时刻的空气湿度适宜度，Zmax表示当天最大的蒸腾作用程度，为Z(ti)的归一化处理结果，/>表示喷灌需满足/>
7.如权利要求1-4任一项所述的育植自主喷灌方法，其特征是，在喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌之后，还包括如下步骤：
获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
8.如权利要求7所述的育植自主喷灌方法，其特征是，所述喷灌方式包括喷灌、喷洒和滴灌。
9.一种育植自主喷灌决策执行装置，其特征是，所述装置包括：
环境适宜度获取模块，用于根据植物种类和植物各生长期特性建立空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型，所述空气温湿度适宜模型、土壤温湿度适宜模型和光照强度适宜模型分别用于获得植物种类和植物各生长期所对应的空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度；
综合适宜度获取模块，用于建立综合适宜度模型，将所述空气温湿度适宜度、土壤温湿度适宜度和光照强度适宜度代入综合适宜度模型内，获得植物种类和植物各生长期的综合适宜度；
喷灌设备开启条件模块，用于根据植物种类和植物各生长期特性以及空气温湿度、土壤温湿度和光照强度对植物蒸腾作用的影响，建立以植物蒸腾程度为依据的喷灌设备开启条件；
喷灌控制模块，用于获取现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，当现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度满足喷灌设备开启条件时且现场空气温湿度、土壤温湿度和光照强度不满足植物种类和植物各生长期的综合适宜度时，喷灌设备根据所述植物种类和植物各生长期的综合适宜度选择对应的喷灌方式、喷灌量和喷灌时间对植物进行喷灌。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311093412.XA CN117063819A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种育植自主喷灌方法及其决策执行装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311093412.XA CN117063819A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种育植自主喷灌方法及其决策执行装置 |
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| CN (1) | CN117063819A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117652328A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 凯盛浩丰农业集团有限公司 | 一种基于物联网的番茄植株智能培育系统 |
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2023
- 2023-08-28 CN CN202311093412.XA patent/CN117063819A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117652328A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 凯盛浩丰农业集团有限公司 | 一种基于物联网的番茄植株智能培育系统 |
| CN117652328B (zh) * | 2024-01-31 | 2024-04-30 | 凯盛浩丰农业集团有限公司 | 一种基于物联网的番茄植株智能培育系统 |
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