无土栽培营养液磷浓度在线检测系统及检测方法
【专利摘要】本发明公开一种无土栽培营养液磷浓度在线检测系统及检测方法，能够对无土栽培营养液磷浓度进行在线检测。所述系统包括第一传感器、第二传感器和处理模块；其中，所述处理模块连接所述第一传感器和第二传感器，所述第一传感器，用于采集待检测营养液氮离子浓度数据，并将所述氮离子浓度数据发送给所述处理模块，所述第二传感器，用于采集所述营养液的体积数据，并将所述体积数据发送给所述处理模块，所述处理模块，用于基于植株氮磷同步平衡吸收的原理，根据接收到的氮离子浓度数据和营养液的体积数据确定当前营养液的磷浓度。
【专利说明】
无土栽培营养液磷浓度在线检测系统及检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无土栽培技术领域，具体涉及一种无土栽培营养液磷浓度在线检测系 统及检测方法。
【背景技术】
[0002] 无土栽培技术是一种对传统农业的颠覆，它采用营养液或者人工固体基质浇灌营 养液的方式种植作物，摆脱了土壤对农业生产的束缚。一方面从根本上杜绝了土传性疾病 的发生，另一方面无土栽培可以利用沙漠、盐碱地、楼宇阳台及地下室进行农作物栽培，对 农业的生产空间进行了拓展。无土栽培可以通过对营养液组分调控来实现对作物养分供应 进行精确管理，实现作物养分的均衡供应，避免出现养分供应不足或者过剩的状况，为作物 生产高效栽培创造了有利条件。无土栽培已经发展成一种实用栽培技术，已经广泛应用于 蔬菜生产和花卉种植。
[0003] 不同于土壤栽培，无土栽培模式下作物所需各种养分完全依赖于营养液，对营养 液组分动态变化进行实时监测，并及时对其组分调控是无土栽培作物养分均衡供应的保 证，也是无土栽培作物取得高产的前提。就作物生长所需的氮、磷、钾3种大量养分而言，氮 (包括硝态氮和铵态氮)和钾可以利用商品化的离子浓度传感器对其浓度变化过程进行实 时监测，而营养液磷浓度检测尚没有商品化的离子浓度传感器可以使用。磷一方面是作物 生长所必须的大量元素，另一方面磷也是导致农业面源污染的主因之一。营养液中磷只能 通过繁琐的化学分析方法进行测定，比较费时费力，购置相关的仪器设备和试剂耗材也增 加了生产成本。在无土栽培模式下，营养液中磷浓度的实时获取对于无土栽培作物高效生 产和当地水体环境的保护有着重要的意义。
[0004] 有鉴于此，如何提供一种成本低、精度较高且操作简单的无土栽培营养液磷浓度 在线检测方法，以实现对无土栽培营养液磷浓度的在线检测，成为亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种无土栽培营养液磷浓度在线检测 系统及检测方法。
[0006] -方面，本发明实施例提出一种无土栽培营养液磷浓度在线检测系统，包括：
[0007] 第一传感器、第二传感器和处理模块;其中，
[0008] 所述处理模块连接所述第一传感器和第二传感器，
[0009] 所述第一传感器，用于采集待检测营养液氮离子浓度数据，并将所述氮离子浓度 数据发送给所述处理模块，
[0010]所述第二传感器，用于采集所述营养液的体积数据，并将所述体积数据发送给所 述处理模块，
[0011]所述处理模块，用于基于植株氮磷同步平衡吸收的原理，根据接收到的氮离子浓 度数据和营养液的体积数据确定当前营养液的磷浓度。
[0012] 另一方面，本发明实施例提出一种利用上述无土栽培营养液磷浓度在线检测系统 对无土栽培营养液磷浓度进行在线检测的方法，包括：
[0013] S1、所述处理模块获取所述第一传感器采集的待检测营养液氮离子浓度数据以及 所述第二传感器采集的所述营养液的体积数据；
[0014] S2、所述处理模炔基于植株氮磷同步平衡吸收的原理，根据所述氮离子浓度数据 和营养液的体积数据确定当前营养液的磷浓度。
[0015] 本发明实施例提供的无土栽培营养液磷浓度在线检测系统及检测方法，利用第一 传感器采集的营养液氮离子浓度数据和第二传感器采集的营养液的体积数据确定当前营 养液的磷浓度，根据植株氮磷同步平衡吸收的原理，通过计算实现了营养液中磷的在线准 确测定，与传统的磷测定方法相比，整个检测过程操作简单，节约了人力资源成本和磷测定 仪器设备及耗材的资金成本，同时，营养液磷浓度的实时测定避免了实验室化分析造成的 时间滞后性，为营养液磷浓度的实时精准调控奠定了基础，利用本发明提供的检测方法，对 无土栽培营养液中水溶性磷浓度进行实时检测，便于根据检测信息对营养液磷浓度进行实 时调控，保证无土栽培作物磷的精量供应，实现营养液磷利用效率的最大化，同时避免营养 液过量的磷排放到环境中对当地水体环境造成的污染，为无土栽培作物的优质高效产出提 供技术保证。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明一种无土栽培营养液磷浓度在线检测系统一实施例的结构示意图；
[0017] 图2为各取样时期水培空心菜氮含量与磷含量动态变化示意图；
[0018] 图3为本发明一种对无土栽培营养液磷浓度进行在线检测的方法一实施例的流程 示意图。
【具体实施方式】
[0019] 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。
[0020] 参看图1，本实施例公开一种无土栽培营养液磷浓度在线检测系统，包括：
[0021] 第一传感器1、第二传感器2和处理模块3;其中，
[0022]所述处理模块3连接所述第一传感器1和第二传感器2，
[0023] 所述第一传感器1，用于采集待检测营养液氮离子浓度数据，并将所述氮离子浓度 数据发送给所述处理模块3，
[0024] 所述第二传感器2,用于采集所述营养液的体积数据，并将所述体积数据发送给所 述处理模块3，
[0025]所述处理模块3,用于基于植株氮磷同步平衡吸收的原理，根据接收到的氮离子浓 度数据和营养液的体积数据确定当前营养液的磷浓度。
[0026]本实施例提供的无土栽培营养液磷浓度在线检测系统，利用第一传感器采集的营 养液氮离子浓度数据和第二传感器采集的营养液的体积数据确定当前营养液的磷浓度，根 据植株氮磷同步平衡吸收的原理，通过模型计算实现了营养液中磷的在线准确测定，与传 统的磷测定方法相比，整个检测过程操作简单，节约了人力资源成本和磷测定仪器设备及 耗材的资金成本，同时，营养液磷浓度的实时测定避免了实验室化分析造成的时间滞后性， 为营养液磷浓度的实时精准调控奠定了基础，利用本发明提供的检测方法，对无土栽培营 养液中水溶性磷浓度进行实时检测，便于根据检测信息对营养液磷浓度进行实时调控，保 证无土栽培作物磷的精量供应，实现营养液磷利用效率的最大化，同时避免营养液过量的 磷排放到环境中对当地水体环境造成的污染，为无土栽培作物的优质高效产出提供技术保 证。
[0027] 可选地，在本发明无土栽培营养液磷浓度在线检测系统的另一实施例中，所述处 理模块，具体用于：
[0028] 根据初始时刻t的营养液氮离子浓度CNt、初始时刻t的营养液体积Vt、当前时刻t+ A t的营养液氮离子浓度CNt+M和当前时刻t+ Δ t的营养液体积Vt+At计算当前营养液的磷浓 度CPt+At，计算公式^
，其中，CPt为初始时亥Ijt的营 养液中的磷的浓度，α和β分别为预先设定的、所述植株吸收氮磷量的比例系数，Pa为初始时 亥Ijt到当前时刻t+ △ t时间段内加入的营养液的磷含量，Να为初始时刻t到当前时刻t+ △ t时 间段内加入的营养液的氮含量，Ρα>0，Na> 0。
[0029] 本发明实施例中，基于植株对所需养分按照一定比例协同吸收的原理根据植株吸 收的氮尚子含量对植株吸收的磷含量进行估算，根据植株吸收的磷含量计算当前营养液磷 浓度，从而实现营养液磷浓度的在线检测。在一实施例中，对其工作流程详细说明如下：
[0030] (1)由氮离子浓度传感器对营养液氮离子浓度进行实时检测，其中初始时刻t和当 前时刻t+ △ t其检测值分别为CNt和CNt+^t;由体积传感器对营养液的体积进行实时检测，其 中初始时刻t和当前时刻t+ △ t其检测值分别为Vt和Vt+Μ。此时，在△ t时段内植株吸收的氮 素的含量为UN，可以通过下式计算：
[0031 ] UN=CNt X Vt+NA-CNt+At X Vt+At，Να为Δ t时段内加入营养液中的氮的含量，Να彡0(Να =0表不Δ t时段内未额外加入营养液）。
[0032] (2)根据植株氮、磷同步吸收的原理，可以计算得到At时段内磷的吸收量UP，计算 公式如下式：
[0033] UP = α X UN+β = α X (CNt X Vt+NA-CNt+δt X Vt+δt) +β，α和β分另IJ为植株吸收的磷的含 量与该植株吸收的氮的量的比例系数，与植株的种类和生育期有关，可以通过对不同植株 样品氮磷吸收含量分析测定后获取;Να为△ t时段内加入的营养液中的氮的含量。
[0034] (2)在已知初始时刻t营养液配方磷浓度CPt(-般为配方中营养液磷浓度)的前提 下，根据物质守恒原理即可计算得到t+At时刻营养液磷浓度CPt+M，计算公式如下式：
[0035]
Pa为Δ t时段内加入营养液中的磷含量， Pa彡0(PA=0表示A t时段内未额外加入营养液）。
[0036] 可选地，在本发明无土栽培营养液磷浓度在线检测系统的另一实施例中，所述处 理模块，还用于在计算当前营养液的磷浓度CPt+At之前，获取多个时刻该种植株吸收的磷的 含量和氮的含量，并通过对所述多组磷的含量和氮的含量进行线性拟合，确定所述α和β。
[0037] 下面以水培空心菜为例对本发明α和邱勺计算进行详细说明，具体步骤如下：
[0038] (1)从定植到收获，对不同阶段空心菜氮含量和磷含量进行测量；
[0039] 结果如图2所示，从图2可以看出，从定植到收获，水培空心菜氮含量在38mg 左 右，磷含量在8. Omg 左右，均为相对恒定的值，
[0040] (2)对多组空心菜氮含量和磷含量进行线性回归，得到α = 〇.32，β = 5.02。
[0041] 可选地，在本发明无土栽培营养液磷浓度在线检测系统的另一实施例中，所述第 一传感器为氮离子浓度传感器，所述第二传感器为营养液液位压力传感器，用来计算营养 液的体积。
[0042]参看图3,本实施例公开一种利用前述实施例任一项所述的无土栽培营养液磷浓 度在线检测系统对无土栽培营养液磷浓度进行在线检测的方法，包括：
[0043] S1、所述处理模块获取所述第一传感器采集的待检测营养液氮离子浓度数据以及 所述第二传感器采集的所述营养液的体积数据；
[0044] S2、所述处理模炔基于植株氮磷同步平衡吸收的原理，根据所述氮离子浓度数据 和营养液的体积数据确定当前营养液的磷浓度。
[0045] 本发明实施例提供的对无土栽培营养液磷浓度进行在线检测的方法，利用第一传 感器采集的营养液氮离子浓度数据和第二传感器采集的营养液的体积数据确定当前营养 液的磷浓度，根据植株氮磷同步平衡吸收的原理，通过计算实现了营养液中磷的在线准确 测定，与传统的磷测定方法相比，整个检测过程操作简单，节约了人力资源成本和磷测定仪 器设备及耗材的资金成本，同时，营养液磷浓度的实时测定避免了实验室化分析造成的时 间滞后性，为营养液磷浓度的实时精准调控奠定了基础，利用本发明提供的检测方法，对无 土栽培营养液中水溶性磷浓度进行实时检测，便于根据检测信息对营养液磷浓度进行实时 调控，保证无土栽培作物磷的精量供应，实现营养液磷利用效率的最大化，同时避免营养液 过量的磷排放到环境中对当地水体环境造成的污染，为无土栽培作物的优质高效产出提供 技术保证。
[0046] 可选地，在本发明对无土栽培营养液磷浓度进行在线检测的方法的另一实施例 中，所述S2,包括：
[0047] 根据初始时刻t的营养液氮离子浓度CNt、初始时刻t的营养液体积Vt、当前时刻t+ A t的营养液氮离子浓度CNt+M和当前时刻t+ Δ t的营养液体积Vt+At计算当前营养液的磷浓 度CPt+At，计算公式爻
，其中，CPt为初始时亥I」t的营 养液中的磷的浓度，α和β分别为预先设定的、所述植株吸收氮磷量的比例系数，Pa为初始时 亥Ijt到当前时刻t+ △ t时间段内加入的营养液的磷含量，Να为初始时刻t到当前时刻t+ △ t时 间段内加入的营养液的氮含量，Ρα>0，Na> 0。
[0048] 可选地，在本发明对无土栽培营养液磷浓度进行在线检测的方法的另一实施例 中，在所述根据初始时刻t的营养液氮离子浓度CN t、初始时刻t的营养液体积Vt、当前时刻t+ A t的营养液氮离子浓度CNt+M和当前时刻t+ Δ t的营养液体积Vt+At计算当前营养液的磷浓 度CPt+At之前，还包括：
[0049] 所述处理模块获取多个时刻该种植株吸收的磷的含量和氮的含量，并通过对所述 多组磷的含量和氮的含量进行线性拟合，确定所述α和β，所述多组磷的含量和氮的含量通 过对植株样品化验分析的预实验得到。
[0050] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发 明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求 所限定的范围之内。
【主权项】
1. 一种无±栽培营养液憐浓度在线检测系统，其特征在于，包括： 第一传感器、第二传感器和处理模块;其中， 所述处理模块连接所述第一传感器和第二传感器， 所述第一传感器，用于采集待检测营养液氮离子浓度数据，并将所述氮离子浓度数据 发送给所述处理模块， 所述第二传感器，用于采集所述营养液的体积数据，并将所述体积数据发送给所述处 理模块， 所述处理模块，用于基于植株氮憐同步平衡吸收的原理，根据接收到的氮离子浓度数 据和营养液的体积数据确定当前营养液的憐浓度。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理模块，具体用于： 根据初始时刻t的营养液氮离子浓度CNt、初始时刻t的营养液体积Vt、当前时刻t+ Δ t的 营养液氮离子浓度CNt+At和当前时刻t+Δ t的营养液体积Vt+At计算当前营养液的憐浓度 CPt+At，计算公式为其中，CPt为初始时亥Ijt的营养 液中的憐的浓度，α和β分别为预先设定的、所述植株吸收氮憐量的比例系数，Pa为初始时刻 t到当前时刻t+ Δ t时间段内加入的营养液的憐含量，Να为初始时刻巧Ij当前时刻t+ Δ t时间 段内加入的营养液的氮含量，Pa>0，Na>0。3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理模块，还用于在计算当前营养液 的憐浓度CPt+At之前，获取多个时刻该种植株吸收的憐的含量和氮的含量，并通过对所述多 组憐的含量和氮的含量进行线性拟合，确定所述α和0。4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一传感器为氮离子浓度传感器，所 述第二传感器为液位压力传感器，用来计算营养液的体积。5. -种利用权利要求1至4任一项所述的无±栽培营养液憐浓度在线检测系统对无± 栽培营养液憐浓度进行在线检测的方法，包括： 51、 所述处理模块获取所述第一传感器采集的待检测营养液氮离子浓度数据W及所述 第二传感器采集的所述营养液的体积数据； 52、 所述处理模炔基于植株氮憐同步平衡吸收的原理，根据所述氮离子浓度数据和营 养液的体积数据确定当前营养液的憐浓度。6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S2，包括： 根据初始时刻t的营养液氮离子浓度CNt、初始时刻t的营养液体积Vt、当前时刻t+ Δ t的 营养液氮离子浓度CNt+At和当前时刻t+Δ t的营养液体积Vt+At计算当前营养液的憐浓度 CPt+At，计算公式关I其中，CPt为初始时亥Ijt的营养 液中的憐的浓度，α和β分别为预先设定的、所述植株吸收氮憐量的比例系数，Pa为初始时刻 t到当前时刻t+ Δ t时间段内加入的营养液的憐含量，Να为初始时刻巧Ij当前时刻t+ Δ t时间 段内加入的营养液的氮含量，Pa>0，Na>0。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述根据初始时刻t的营养液氮离子浓 度CNt、初始时刻t的营养液体积Vt、当前时刻t+ Δ t的营养液氮离子浓度CNt+At和当前时刻t+ At的营养液体积Vt+At计算当前营养液的憐浓度CPt+At之前，还包括： 所述处理模块获取多个时刻该种植株吸收的憐的含量和氮的含量，并通过对所述多组 憐的含量和氮的含量进行线性拟合，确定所述α和0，所述多组憐的含量和氮的含量通过对 植株样品化验分析的预实验得到。
【文档编号】G01N33/00GK105974055SQ201610279547
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】王利春, 陈晓丽, 李银坤, 郭文忠, 薛绪掌, 余礼根, 徐凡, 陈红
【申请人】北京农业信息技术研究中心