一种集群温室灌溉施肥系统及方法与流程

本发明实施例涉及农业生产自动化领域，更具体地，涉及一种集群温室灌溉施肥系统及方法。

背景技术：

随着人们生活水平的提高，人们希望在一年里的任何时候都能够品尝到绿色新鲜的水果蔬菜，从而日光温室等设施农业应运而生。设施农业作为封闭或半封闭的种植环境，通过采用现代化农业工程技术、机械技术和信息装备技术，实现了摆脱传统自然环境依赖的新型农业生产方式，并通过对温湿度、光照、co2浓度及土壤营养等环境因子的调控，为作物创造最优的生长环境。

近年来，随着规模化农业生产的推进，越来越多温室以集群方式出现形成集群温室。集群温室打破了传统单个温室的种植模式，便于实现智能化种植、收获和包装。其中，灌溉和施肥是温室栽培中的关键技术环节，在提升土壤肥力和促进果蔬等作物生长方面起着重要的作用。而集群温室中的灌溉和施肥是关系到提高温室作物产量、减少劳动力成本的关键技术，代表了温室生产的核心竞争力。

目前，大规模集群温室在进行灌溉施肥时，需要根据每个温室内种植的作物进行单独配肥，然后再对每个温室进行单独灌溉施肥操作，这就造成集群温室灌溉施肥工作量大、效率低，不利于实现智能化管理。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的集群温室灌溉施肥系统及方法。

一方面本发明实施例提供了一种集群温室灌溉施肥系统，包括：环境监测单元、中央集群控制单元以及对应于所述集群温室每个分区的水肥一体化单元，其中，

所述环境监测单元用于采集所述集群温室各分区内环境因子数据和作物长势数据并发送至所述中央集群控制单元；

所述中央集群控制单元用于基于人机交互设定的分区参数，分析所述环境因子数据和所述作物长势数据，并输出各分区对应的灌溉计划和施肥计划；

所述水肥一体化单元用于基于所述灌溉计划和施肥计划进行配水和配肥，并将水和配好的肥液输送至对应分区的温室内进行灌溉和施肥。

其中，所述中央集群控制单元包括作物分区模块、数据采集及分析模块、灌溉决策模块和施肥决策模块；

所述作物分区模块用于接收通过人机交互装置设定的所述分区参数；所述数据采集及分析模块用于接收各分区的所述环境因子数据和作物长势数据，并根据所述分区参数和所述作物长势数据得出各分区内作物生育时期；

所述灌溉决策模块用于基于所述作物生育时期和所述环境因子数据，利用水量平衡原理确定各分区对应的灌溉计划；所述施肥决策模块用于基于所述作物生育时期和所述环境因子数据，利用作物养分需求规律确定各分区对应的施肥计划。

其中，所述水肥一体化单元包括：供水泵站、多功能配肥站、储液罐、输送管网和灌溉管网，所述供水泵站用于通过所述输送管网为所述灌溉管网和所述多功能配肥站供水，所述多功能配肥站用于根据各分区施肥计划进行配肥，并将配好的肥液通过所述输送管网输送至所述储液罐中。

其中，所述多功能配肥站包括肥料原液罐和水肥一体化智能装备，所述肥料原液罐用于盛放高浓度肥料原液，所述水肥一体化智能装备用于根据所述施肥计划对所述储液罐中的肥液进行稀释后输送至各温室内的所述灌溉管网中。

其中，所述分区参数包括：分区位置、分区内作物种类以及分区内作物种植参数中的一个或者多个。

另一方面本发明实施例提供了一种利用所述系统进行灌溉施肥的方法，所述方法包括：

s1，所述环境监测单元采集所述集群温室各分区内环境因子数据和作物长势数据并发送至所述中央集群控制单元；

s2，所述中央集群控制单元基于人机交互设定的分区参数，分析所述环境因子数据和所述作物长势数据，并输出各分区对应的灌溉计划和施肥计划；

s3，所述水肥一体化单元基于所述灌溉计划和施肥计划进行配水和配肥，并将水和配好的肥液输送至对应分区的温室内进行灌溉和施肥。

其中，在步骤s1之前还包括：

根据作物水肥特性对所述集群温室进行分区，并将各分区对应的所述分区参数通过人机交互装置输入所述中央集群控制单元。

本发明实施例提供的一种集群温室灌溉施肥系统及方法，通过为每个集群温室分区独立配备一个水肥一体化单元，再通过中央集群控制单元对各分区对应的水肥一体化单元进行控制，最终实现集群温室的精准灌溉施肥，省时省力，提高了集群温室灌溉施肥效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种集群温室灌溉施肥系统示意图；

图2为本发明图1所述实施例中所述系统的中央集群控制单元的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种利用图1、2所述实施例中所述系统进行灌溉施肥的方法的流程图。

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，本领域普通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。

图1为本发明实施例提供的一种集群温室灌溉施肥系统示意图，如图1所示，所述系统包括：环境监测单元、中央集群控制单元以及对应于所述集群温室每个分区的水肥一体化单元。

所述环境监测单元用于采集所述集群温室各分区内环境因子数据和作物长势数据并发送至所述中央集群控制单元。所述环境监测单元包括太阳能供电装置、监测装置和无线传输装置。所述太阳能供电装置用于为所述环境监测单元供电，具体实施时，所述太阳能供电装置可以是一块太阳能电池板，可以将太阳能转化为电能为所述环境监控单元工作提供能量。所述监测装置用于采集所述集群温室各分区内环境因子数据和作物长势数据，所述监测装置包括多个不同种类的传感器，可以将所述环境监测单元所要监测的环境因子信息和作物长势信息转化为电信号，从而得到所述环境因子数据和所述作物长势数据。所述无线传输装置用于将所述环境因子数据和所述作物长势数据发送至所述中央集群控制单元。

具体地，所述环境监测单元用于对所述集群温室中各分区进行环境监测和作物生长监测，及时提供基础有效数据为所述中央集群控制单元提供数据支撑和决策依据。在设置所述环境监测单元时，首先在分区内选择能够代表整个分区气象、土壤和作物生长状况平均水平的温室，再将所述环境监测单元的所述监测装置设置在所述温室内能够代表整个温室气象、土壤和作物生长状况平均水平的位置。

所述中央集群控制单元用于基于人机交互设定的分区参数，分析所述环境因子数据和所述作物长势数据，并输出各分区对应的灌溉计划和施肥计划。所述灌溉计划包括灌溉时间和灌溉水量，所述施肥计划包括肥料配比、施肥时间和施肥量。所述中央集群控制单元对所述集群温室各个分区的所述环境因子数据和作物长势数据进行分析，再基于各分区的分区参数，可以同时输出各分区的灌溉计划和施肥计划，系统工作效率高。

具体地，在设置所述中央集群控制单元时，优选地将所述中央集群控制单元设置在所述集群温室的中心区域，便于所述中央集群控制单元与所述系统中所述环境监测单元和所述水肥一体化单元进行无线通讯。另外，可以建设专用的中央集群控制单元设备房，用于布置中央集群控制单元。

所述水肥一体化单元用于基于所述灌溉计划和施肥计划进行配水和配肥，并将水和配好的肥液输送至对应分区的温室内进行灌溉和施肥。各分区对应的水肥一体化单元根据各自接收到的所述灌溉计划对各分区进行灌溉，根据各自接收到的所述施肥计划进行配肥，并将配好的肥液输送至各分区的温室内进行施肥。

具体地，在所述灌溉施肥系统中，为每个分区分别配备一个水肥一体化单元，水肥一体化单元的数量由所述集群温室的分区数量决定，然后通过中央集群控制单元对每个分区的水肥一体化单元进行控制，最终实现每个分区内各温室的灌溉施肥。既完成了灌溉施肥工作，又避免了现有技术中对所述集群温室中每个温室单独进行施肥灌溉带来的大工作量。

本发明实施例提供的一种集群温室灌溉施肥系统，通过为每个集群温室分区配备一个水肥一体化单元，再通过中央集群控制单元对各分区对应的水肥一体化单元进行控制，最终实现集群温室的灌溉施肥，省时省力，提高了集群温室灌溉施肥效率。

在上述实施例中，所述中央集群控制单元包括中央集群控制器和人机交互装置。其中：

如图2所示，所述中央集群控制器包括作物分区模块21、数据采集及分析模块22、灌溉决策模块23和施肥决策模块24。其中，

所述作物分区模块21用于接收通过人机交互装置设定的所述分区参数，所述分区参数可通过所述集群温室各分区的作物种植的实际情况获得，在所述系统开机后即可在所述中央集群控制单元中对所述集群温室中各分区的分区参数进行设定。优选地，可以将常见作物的分区参数预设并存储在所述作物分区模块21中，系统启动之初只需根据所述集群温室各分区的实际情况选取相应作物种类即可完成各分区对应分区参数的设定。所述人机交互装置用于人机交互和显示，通过人机交互装置可以输入各分区的分区参数并查看系统运行状态。所述人机交互装置包括：鼠标、键盘和液晶显示器等。

所述数据采集及分析模块22用于接收各分区的所述环境因子数据和作物长势数据，并根据所述分区参数和所述作物长势数据得出各分区内作物生育时期。所述作物生物期是指作物相邻两个物候期之间的一个时间段，每种作物一般包括若干生育时期。例如，番茄的生育时期包括：发芽期、幼苗期、开花期以及结果期等。作物在不同生育时期对应的水肥需求不尽相同，所述作物生育时期是确定所述灌溉计划和施肥计划的重要指标之一。

所述灌溉决策模块23用于基于所述作物生育时期和所述环境因子数据，利用水量平衡原理确定各分区对应的灌溉计划。所述环境因子数据包括：空气温湿度、太阳辐射、土壤湿度以及土壤养分含量等。基于作物生育期、空气温湿度、太阳辐射以及土壤湿度等数据，利用水量平衡原理即可确定各分区对应的所述灌溉计划。具体地，根据所述水量平衡原理设定常见作物的灌溉计划计算模型，并将所述灌溉计划计算模型存储在所述灌溉决策模块23中，所述灌溉决策模块23只需要获取所述作物生育时期、空气温湿度、太阳辐射以及土壤湿度等数据，即可输出各分区对应的所述灌溉计划。

例如，可以根据水量平衡原理确定番茄的灌溉时间和灌溉所需水量，水量平衡方程为:

wi+1＝wi+p+ii-kc×et0

式中，wi+1为i+1时刻的土体或基质水分储量；

wi为i时刻的土体或基质水分储量；

p为降雨量，其中温室内p取0；

ii为i时刻的灌溉量；

kc为作物系数；

et0为作物蒸腾量。

番茄生育前期、中期和后期作物系数kc值分别为0.55、1.05和0.70，且不同地区番茄作物系数kc取值不同。根据净辐射、气温、风速、湿度等环境因子计算et0。根据水量平衡方程计算实时的土壤或基质水分储量，当土壤或基质的水分储量达到番茄不同生育阶段规定的下限值时，则认为该时刻应该进行灌溉，且灌溉量等于田间持水量与土壤或基质实际含水量的差值。

所述施肥决策模块24用于基于所述作物生育时期和所述环境因子数据，利用作物养分需求规律确定各分区对应的施肥计划。基于作物生育时期以及土壤养分含量等数据，利用作物养分需求规律即可确定各分区对应的所述施肥计划。具体地，根据所述土壤养分需求原理设定常见作物的施肥计划计算模型，并将所述施肥计划计算模型存储在所述施肥决策模块24中，所述施肥决策模块24只需要获取所述作物生育时期以及土壤养分含量等数据，即可输出各分区对应的所述施肥计划。例如，可以根据作物养分需求规律确定番茄追肥氮素的时间点和数量。首先根据不同茬口番茄的目标产量确定氮素需求总量，以氮素供应目标值表示番茄的氮素需求总量。总的追肥数量一般采用如下计算公式：追肥氮素数量＝氮素供应目标值-土壤氮素矿化量-有机肥提供的氮素-灌溉水中的有效氮素。由于氮素在整个作物生育期内对作物生长发育都十分关键，因此番茄追肥氮素的时间点按番茄不同生育期需求进行分配。

另外，所述中央集群控制单元还包括报警模块，用于在所述环境因子数据超过预设值或灌溉施肥中发生异常情况时发出警报。例如，所述中央集群控制单元接收所述环境监测单元发送的某一分区的空气温度数据，若所述空气温度超过所述系统的预设值，则所述中央集群控制器的所述报警模块控制报警装置发出警报，提醒操作者采取措施降低对应分区的温度，避免温度过高对作物生长造成的不良影响。所述中央集群控制单元还包括远程监控模块，用于对所述集群温室各分区关键区域进行视频监控。

本发明实施例通过灌溉决策模块和施肥决策模块基于作物生育时期和环境因子数据，利用水量平衡原理和作物养分需求规律分别得出各分区对应的灌溉计划和施肥计划，实现了灌溉施肥的智能化决策。

在上述实施例中，所述水肥一体化单元包括：供水泵站、多功能配肥站、储液罐、输送管网和灌溉管网，所述供水泵站用于通过所述输送管网为所述灌溉管网和所述多功能配肥站供水，所述多功能配肥站用于根据各分区施肥计划进行配肥，并将配好的肥液通过所述输送管网输送至所述储液罐中。

其中，所述灌溉管网布置在各个温室中，是将水肥输送至作物根部的最后环节，灌溉管网的精确合理布置，有利于作物对水肥的吸收利用。所述储液罐设置在各分区的温室内部，用于储存根据所述施肥计划配好的肥液，且所述储液罐与温室内的灌溉管网连接；同时，所述储液罐与所述中央集群控制单元通过无线通讯反馈所需输送肥液的体积。所述供水泵站通过输送管网分别与所述多功能配肥站和各温室内的灌溉管网相连接。所述供水泵站根据接收到的灌溉计划通过输送管网向各温室的所述灌溉管网供水，以对各温室进行灌溉；所述供水泵站通过所述输送管网向所述多功能配肥站供水，以满足多功能配肥站的用水需求。所述多功能配肥站根据所述施肥计划进行配肥，并将配好的肥液通过所述输送管网输送至所述储液罐，所述储液罐设置在各温室内的耳房位置，便于同所述多功能配肥站和温室内所述灌溉管网连接，所述储液罐内的肥液通过所述灌溉管网输送至作物根部进行施肥。

在上述实施例中，所述多功能配肥站包括肥料原液罐和水肥一体化智能装备，所述肥料原液罐用于盛放高浓度肥料原液，所述水肥一体化智能装备用于根据所述施肥计划对所述储液罐中的肥液进行稀释后输送至各温室内的所述灌溉管网中。

其中，不同的所述肥料原液罐中的肥料原液所含营养元素不同，例如，某个多功能配肥站中设置三个所述肥料原液罐，分别装有包含氮元素、磷元素以及钾元素的肥料原液。在所述多功能配肥站进行配肥时，根据所述施肥计划中作物所需营养元素比例对所述肥料原液按比例混合，并将混合后的肥液输送至各温室内的储液罐内。所述储液罐中的肥液浓度较高，一般不适合直接进行施肥，所述水肥一体化智能装备将所述储液罐内配好的肥液吸入所述灌溉管网内的同时，需要向所述灌溉管网内输入一定量的水对所述肥液进行稀释，输入的水量根据施肥计划中作物所需肥液浓度确定，最终，经稀释后的肥液通过所述灌溉管网输送至作物根部完成施肥工作。

在上述实施例中，所述分区参数包括：分区位置、分区内作物种类以及分区内作物种植参数。所述种植参数包括作物种植时间、种植行数和种植株距等。集群温室一般包括处于同一片区的多个温室，为了便于管理，会将水肥特性相近的作物种在相邻的温室内，这些温室就构成所述集群温室的一个分区。每个分区的位置、分区内种植的作物种类以及分区内作物种植参数在施肥灌溉前都是已知的。例如，番茄和黄瓜的水肥特性相近，我们将它们种植在分区1内，在利用集群温室灌溉系统对分区1中番茄和黄瓜进行灌溉时，需通过所述中央集群控制器中的作物分区模块设定分区为分区1，设定分区1内作物种类为番茄和黄瓜，设定分区1内番茄和黄瓜的种植参数。

本发明实施例通过将水肥特性相近作物种植在同一分区内，便于实现智能化灌溉施肥，提高灌溉施肥效率。

图3为一种利用上述实施例中所述系统进行灌溉施肥的方法流程图，如图3所述，所述方法包括：

s1，所述环境监测单元采集所述集群温室各分区内环境因子数据和作物长势数据并发送至所述中央集群控制单元。

其中，所述环境监测单元包括：太阳能供电装置、监测装置和无线传输装置。所述太阳能供电装置用于为所述环境监测单元供电，具体实施时，所述太阳能供电装置可以是一块太阳能电池板，可以将太阳能转化为电能为所述环境监控单元工作提供能量。所述监测装置用于采集所述集群温室各分区内环境因子数据和作物长势数据，所述监测装置包括多个不同种类的传感器，可以将所述环境监测单元所要监测的环境因子信息和作物长势信息转化为电信号，从而得到所述环境因子数据和所述作物长势数据。所述无线传输装置用于将所述环境因子数据和所述作物长势数据发送至所述中央集群控制单元。

具体地，在设置所述环境监测单元时，首先在分区内选择能够代表整个分区气象、土壤和作物生长状况平均水平的温室，再将所述环境监测单元的所述监测装置设置在所述温室内能够代表整个温室气象、土壤和作物生长状况平均水平的位置。所述环境监测单元设置好后，所述监测装置对各分区内的环境因子数据和作物长势数据进行采集，再通过所述无线传输装置将采集到的环境因子数据和作物长势数据发送至所述中央集群控制单元。

s2，所述中央集群控制单元基于人机交互设定的分区参数，分析所述环境因子数据和所述作物长势数据，并输出各分区对应的灌溉计划和施肥计划。

其中，所述中央集群控制单元包括中央集群控制器和人机交互装置。所述人机交互装置用于人机交互和显示，通过人机交互装置可以输入各分区的分区参数并查看系统运行状态。所述人机交互装置包括：鼠标、键盘和液晶显示器等。

具体地，所述作物分区模块用于接收通过人机交互装置设定的所述分区参数。所述数据采集及分析模块用于接收各分区的所述环境因子数据和作物长势数据，并根据所述分区参数和所述作物长势数据得出各分区内作物生育时期。所述灌溉决策模块用于基于所述作物生育时期和所述环境因子数据，利用水量平衡原理确定各分区对应的灌溉计划。所述施肥决策模块用于基于所述作物生育时期和所述环境因子数据，利用作物养分需求规律确定各分区对应的施肥计划。

s3，所述水肥一体化单元基于所述灌溉计划和施肥计划进行配水和配肥，并将水和配好的肥液输送至对应分区的温室内进行灌溉和施肥。

其中，所述水肥一体化单元包括：供水泵站、多功能配肥站、储液罐、输送管网和灌溉管网，所述供水泵站用于通过所述输送管网为所述灌溉管网和所述多功能配肥站供水，所述多功能配肥站用于根据各分区施肥计划进行配肥，并将配好的肥液通过所述输送管网输送至所述储液罐中。

具体地，所述供水泵站根据接收到的灌溉计划通过输送管网向各温室的所述灌溉管网供水，以对各温室进行灌溉；所述供水泵站通过所述输送管网向所述多功能配肥站供水，以供所述多功能配肥站配肥。所述多功能配肥站根据所述施肥计划进行配肥，并将配好的肥液通过所述输送管网输送至所述储液罐，所述储液罐设置在各温室内的耳房位置，便于同所述多功能配肥站和温室内所述灌溉管网连接，所述储液罐内的肥液通过所述灌溉管网输送至作物根部进行施肥。

本发明实施例提供的一种集群温室灌溉施肥方法，通过为每个集群温室分区配备一个水肥一体化单元，再通过中央集群控制单元对各分区对应的水肥一体化单元进行控制，最终实现集群温室的灌溉施肥，省时省力，提高了集群温室灌溉施肥效率。

在上述实施例中，在步骤s1之前还包括：

根据作物水肥特性对所述集群温室进行分区，并将各分区对应的所述分区参数通过人机交互装置输入所述中央集群控制单元。

具体地，将水肥特性相近的作物种植在相邻的温室，则这些相邻的温室作为集群温室的一个分区。特殊地，同一个分区内可以全部种植相同的作物，这样灌溉施肥效率更高。

本发明实施例通过将水肥特性相近作物种植在同一分区内，便于实现智能化灌溉施肥，提高灌溉施肥效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。