一种植物生长肥料消耗分析装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种植物生长肥料消耗分析装置及方法，通过计算得出培养溶液在进出生长仓前后各营养组分的差值，除以时间间隔得到平均值。该过程不断进行，最后在整个时间域上对得到的各离子消耗平均值进行滤波后积分，从而得到各所需营养元素组分的剂量和配比。本发明能够在对植物本身不造成任何伤害的前提下获取植株不同生长阶段所需肥料的含量与配比，其测量分析结果具有很高的精准性。
【专利说明】
一种植物生长肥料消耗分析装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及设施农业领域，特别是一种植物生长肥料消耗分析装置及方法。
【背景技术】
[0002]设施农业是一种能够打破传统农业的季节性生产及靠天吃饭的弊病，通过汇集土地、资金、技术和劳动力等要素，以资金密集、技术密集、土地高效利用为主要特征的集约型高效农业产业。设施农业的这些基本特征，使其具有高投入、高产出、高效益、节水节能、可持续发展、周年生产的鲜明特点。随着我国科技进步及适龄劳动人口数量的不断下降，设施农业将在我国未来的农业生产中占据越来越重要的地位。
[0003]水肥一体化调配灌溉是一项重要的现代设施农业技术。通过专家系统知识库内存有的植物每阶段生长所需肥料组分与配比的先验知识，对营养液调配进行精确调节后施予植株，既保证了植物营养所需，又有效减少了肥料的浪费。然而这种精确调节需要有准确的先验知识作为依据，而这些肥料相关的先验知识的获取目前尚未有合适的装置。因此如何设计出一套获取植株不同生长阶段所需肥料的含量与配比的自动化装置就成为一个具有实用价值且富有挑战性的问题。
[0004]现有针对植株所需肥料的专利申请，都未能做到对植物的无损检测，例如申请号201410640183.3的发明采用采摘叶片后烘干后采用硫酸-过氧化氢消煮，通过凯氏半微量定氮法测定叶片全氮含量，通过钒钼黄比色法测定叶片全磷含量，通过火焰光度计法测定叶片全钾含量，而这些方法需将植株叶片破坏且无法做到实时检测。而申请号201210041294.3的发明通过精确测量某一地块的土壤方面数据，然后根据所种植的植物，通过计算机模型来模仿植物生长过程并进行虚拟施肥的方法来确定该肥料的使用量。这一方法是通过计算机仿真而非真实实验获取数据，显然具有更差的精确性和针对性。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的是提出一种植物生长肥料消耗分析装置及方法，通过计算得出培养溶液在进出生长仓前后各营养组分的差值，除以时间间隔得到平均值。该过程不断进行，最后在整个时间域上对得到的各离子消耗平均值进行滤波后积分，从而得到各所需营养元素组分的剂量和配比。
[0006]本发明的装置采用以下方案实现:一种植物生长肥料消耗分析装置，包括准备仓、种植仓、测量仓、设置在准备仓内的第一离子传感器阵列、设置在测量仓内的第二离子传感器阵列、控制模块、电池阀执行机构;所述电池阀执行机构包括若干个电池阀；所述种植仓与所述准备仓、测量仓之间均通过设置有电磁阀的管道相连;所述控制模块与所述第一离子传感器阵列、第二离子传感器阵列、电池阀执行机构电性相连。
[0007]进一步地，所述准备仓、种植仓、测量仓的摆放位置为从高到底。
[0008]进一步地，所述离子传感器阵列包括氮、磷、钾、钙、镁、铁在线离子传感器。
[0009]进一步地，所述控制模块包括单片机，所述单片机通过通讯接口连接至所述计算机。控制模块微控制器部分由瑞萨公司R5F100FCA单片机构成，其核心电路如图4所示。该单片机内置高精度晶体振荡器、模/数转换器(A/D)、脉冲宽度调制器(PWA)、定时器等，完全能够满足系统要求。
[0010]本发明的发明采用以下方案实现:一种根据上文所述的植物生长肥料消耗分析装置的方法，具体包括以下步骤；
步骤S1:将浓缩营养液在准备仓中与水混合配置成标准浓度的营养液；
步骤S2:将步骤SI配置的标准浓度的营养液注入种植仓，经过一小段时间的种植，使植物吸收营养液中的各种营养元素；
步骤S3:在到达预定时间后将种植仓使用过的营养液注入测量仓进行各元素含量的测量；
步骤S4:通过测量仓测得的数据与准备仓标准浓度的营养液浓度数据间的差值可得这一段时间内营养液各元素的消耗情况；
步骤S5:重复步骤SI至S4，得到多个时段的营养液个元素消耗情况，将所有时段的结果统计、积分得到植物在整个时间域上的营养元素消耗情况。
[0011]进一步地，当种所述植仓的营养液进入所述测量仓后，立即将所述准备仓中的营养液导入所述种植仓，然后在所述准备仓中配置新的营养液，以使得所述种植仓中的植物时刻有溶液浸泡，并使得测量的数据在时间域上可连续。
[0012]进一步地，在所述步骤S3中，将获得的测量数据通过扩展卡尔曼滤波器(ExtendedKalman Filter, EFK)进行滤波平滑处理。EKF的基本思想是将非线性系统线性化，然后进行卡尔曼滤波(Kalman Filtering, KF)。卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。该过程可以被预测和更新两个阶段。在预测阶段，滤波器使用上一状态的估计，做出对当前状态的估计。在更新阶段，滤波器利用对当前状态的观测值优化在预测阶段获得的预测值，以获得一个更精确的新估计值。图5所示为扩展卡尔曼滤波的流程图。通过进行扩展卡尔曼滤波可大大削减所测得的肥料参数中的误差，使结果更逼近真实值。
[0013]进一步地，所述准备仓中营养液的调配通过将高浓度预配各种营养液按比例掺入清水的方法进行稀释调配，其中高浓度营养液进入仓体的流量可通过调节电池阀的开度实现，电池阀的开度通过控制模块中的单片机内置的PWM控制器调节实现。
[0014]进一步地，所述步骤SI中对营养液中各元素含量的测量通过所述第一离子传感器阵列。
[0015]进一步地，所述步骤S3中对测量仓的溶液中的各元素含量的测量通过第二离子传感器阵列。
[0016]与现有技术相比，本发明有以下有益效果:本发明能够获取植株不同生长阶段所需肥料的含量与配比，同时对植物本身不造成任何伤害，即能够做到对植物的无损检测。本发明的测量分析结果具有很高的精准性。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的总体框架图。
[0018]图2是本发明一次测量流程示意图。
[0019]图3是本发明装置结构示意图。
[0020]图4是本发明控制模块微控制器核心电路示意图。
[0021 ]图5本发明扩展卡尔曼滤波流程示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0023]如图1所示，本实施例提供了一种植物生长肥料消耗分析装置，包括准备仓、种植仓、测量仓、设置在准备仓内的第一离子传感器阵列、设置在测量仓内的第二离子传感器阵列、控制模块、电池阀执行机构;所述电池阀执行机构包括若干个电池阀；所述种植仓与所述准备仓、测量仓之间均通过设置有电磁阀的管道相连;所述控制模块与所述第一离子传感器阵列、第二离子传感器阵列、电池阀执行机构电性相连。
[0024]如图3所示，在本实施例中，所述准备仓、种植仓、测量仓的摆放位置为从高到底。当控制模块开启相应管道的电池阀时，溶液可依势能流入下一管道。营养液按流程依次注入准备仓、种植仓与测量仓;但这一流程是以流水线作业的方式进行的，即当种植仓溶液进入测量仓后，立即将准备仓溶液导入种植仓，然后将新的溶液在准备仓中配置，以使得种植仓中植株时刻有溶液浸泡，并使得测量的数据在时间域上可连续。
[0025]在本实施例中，所述离子传感器阵列包括氮、磷、钾、钙、镁、铁在线离子传感器。
[0026]在本实施例中，所述控制模块包括单片机，所述单片机通过通讯接口连接至所述计算机。控制模块微控制器部分由瑞萨公司R5F100FCA单片机构成，其核心电路如图4所示。该单片机内置高精度晶体振荡器、模/数转换器(A/D)、脉冲宽度调制器(PWA)、定时器等，完全能够满足系统要求。
[0027]如图2所示，本实施例还提供了一种根据上文所述的植物生长肥料消耗分析装置的方法，具体包括以下步骤；
步骤S1:将浓缩营养液在准备仓中与水混合配置成标准浓度的营养液；
步骤S2:将步骤SI配置的标准浓度的营养液注入种植仓，经过一小段时间的种植，使植物吸收营养液中的各种营养元素；
步骤S3:在到达预定时间后将种植仓使用过的营养液注入测量仓进行各元素含量的测量；
步骤S4:通过测量仓测得的数据与准备仓标准浓度的营养液浓度数据间的差值可得这一段时间内营养液各元素的消耗情况；
步骤S5:重复步骤SI至S4，得到多个时段的营养液个元素消耗情况，将所有时段的结果统计、积分得到植物在整个时间域上的营养元素消耗情况。
[0028]在本实施例中，当种所述植仓的营养液进入所述测量仓后，立即将所述准备仓中的营养液导入所述种植仓，然后在所述准备仓中配置新的营养液，以使得所述种植仓中的植物时刻有溶液浸泡，并使得测量的数据在时间域上可连续。
[0029]在本实施例中，在所述步骤S3中，将获得的测量数据通过扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter, EFK)进行滤波平滑处理。如图5所示，EKF的基本思想是将非线性系统线性化，然后进行卡尔曼滤波(Kalman Filtering, KF)。卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。该过程可以被预测和更新两个阶段。在预测阶段，滤波器使用上一状态的估计，做出对当前状态的估计。在更新阶段，滤波器利用对当前状态的观测值优化在预测阶段获得的预测值，以获得一个更精确的新估计值。图5所示为扩展卡尔曼滤波的流程图。通过进行扩展卡尔曼滤波可大大削减所测得的肥料参数中的误差，使结果更逼近真实值。
[0030]在本实施例中，所述准备仓中营养液的调配通过将高浓度预配各种营养液按比例掺入清水的方法进行稀释调配，其中高浓度营养液进入仓体的流量可通过调节电池阀的开度实现，电池阀的开度通过控制模块中的单片机内置的PWM控制器调节实现。
[0031]在本实施例中，所述步骤SI中对营养液中各元素含量的测量通过所述第一离子传感器阵列。
[0032]在本实施例中，所述步骤S3中对测量仓的溶液中的各元素含量的测量通过第二离子传感器阵列。
[0033]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1.一种植物生长肥料消耗分析装置，其特征在于:包括准备仓、种植仓、测量仓、设置在准备仓内的第一离子传感器阵列、设置在测量仓内的第二离子传感器阵列、控制模块、电池阀执行机构;所述电池阀执行机构包括若干个电池阀;所述种植仓与所述准备仓、测量仓之间均通过设置有电磁阀的管道相连;所述控制模块与所述第一离子传感器阵列、第二离子传感器阵列、电池阀执行机构电性相连。2.根据权利要求1所述的一种植物生长肥料消耗分析装置，其特征在于:所述准备仓、种植仓、测量仓的摆放位置为从高到底。3.根据权利要求1所述的一种植物生长肥料消耗分析装置，其特征在于:所述离子传感器阵列包括氮、磷、钾、钙、镁、铁在线离子传感器。4.根据权利要求1所述的一种植物生长肥料消耗分析装置，其特征在于:所述控制模块包括单片机，所述单片机通过通讯接口连接至所述计算机。5.—种根据权利要求1所述的植物生长肥料消耗分析装置的方法，其特征在于:包括以下步骤； 步骤S1:将浓缩营养液在准备仓中与水混合配置成标准浓度的营养液； 步骤S2:将步骤SI配置的标准浓度的营养液注入种植仓，经过一小段时间的种植，使植物吸收营养液中的各种营养元素； 步骤S3:在到达预定时间后将种植仓使用过的营养液注入测量仓进行各元素含量的测量； 步骤S4:通过测量仓测得的数据与准备仓标准浓度的营养液浓度数据间的差值可得这一段时间内营养液各元素的消耗情况； 步骤S5:重复步骤SI至S4，得到多个时段的营养液个元素消耗情况，将所有时段的结果统计、积分得到植物在整个时间域上的营养元素消耗情况。6.根据权利要求5所述的一种植物生长肥料消耗分析方法，其特征在于:当种所述植仓的营养液进入所述测量仓后，立即将所述准备仓中的营养液导入所述种植仓，然后在所述准备仓中配置新的营养液，以使得所述种植仓中的植物时刻有溶液浸泡，并使得测量的数据在时间域上可连续。7.根据权利要求5所述的一种植物生长肥料消耗分析方法，其特征在于:在所述步骤S3中，将获得的测量数据通过扩展卡尔曼滤波器进行滤波平滑处理。8.根据权利要求5所述的一种植物生长肥料消耗分析方法，其特征在于:所述准备仓中营养液的调配通过将高浓度预配各种营养液按比例掺入清水的方法进行稀释调配，其中高浓度营养液进入仓体的流量可通过调节电池阀的开度实现，电池阀的开度通过控制模块中的单片机内置的PWM控制器调节实现。9.根据权利要求5所述的一种植物生长肥料消耗分析方法，其特征在于:所述步骤SI中对营养液中各元素含量的测量通过所述第一离子传感器阵列。10.根据权利要求5所述的一种植物生长肥料消耗分析方法，其特征在于:所述步骤S3中对测量仓的溶液中的各元素含量的测量通过第二离子传感器阵列。
【文档编号】G01N33/00GK105842398SQ201610185326
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】邹腾跃, 林寿英, 冯奇杰, 李澍源
【申请人】福建农林大学