本发明属于现代农业
技术领域：
：，特别涉及一种基于作物环境协同反馈的灌溉施肥系统。
背景技术：
：：公开号为cn102165876a的专利文献公开了“一种智能节水浇灌施肥系统，其特征在于，所述系统包括：管理控制单元、核心处理单元、通信单元、土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元以及浇灌控制单元；其中，所述管理控制单元通过所述通信单元接收管理人员的远程/本地指令，并转发给所述核心处理单元；所述核心处理单元自动或响应所述指令向所述环境检测单元和/或用水检测单元发送状态参数采集指令，根据所述状态参数和预先存储的历史统计数据生成浇灌施肥决策信息；根据管理人员的控制指令或所述决策信息发送施肥/浇灌指令；以及，根据需要将所接收的信息转发给所述管理控制单元；所述土壤环境检测单元实时或响应所述参数采集指令获取与待浇灌场地的土壤环境有关的信息，包括土壤养分信息，并发送给所述核心处理单元；所述用水检测单元实时或响应所述参数采集指令获取与浇灌用水的水质和浇灌管道的水压有关的信息，并发送给所述核心处理单元；所述施肥控制单元响应所述施肥指令，控制溶入浇灌用水中的肥料类型和用量；接受施肥设备的指令反馈信息并发送给所述核心处理单元；所述浇灌控制单元响应所述浇灌指令，对浇灌施肥用水的水质进行过滤处理；对浇灌管道的水压和/或出水量进行调节；接受浇灌设备的指令反馈信息并发送给所述核心处理单元。”上述文件对于作物的灌溉施肥提供了一个较为完整的解决方案，但是，由于现代精细农业对于灌溉施肥的控制要求越来越高，现有技术对于智能化的灌溉施肥要求还是无法满足。技术实现要素：本发明提供的一种基于作物环境协同反馈的灌溉施肥系统，目的在于解决现有农作物灌溉施肥系统在控制算法上不能满足越来越精细的要求。一种基于作物环境协同反馈的灌溉施肥系统，该系统包括气象站、土壤湿度传感器、叶面积指数测定仪和控制器，气象站、土壤湿度传感器和叶面积指数测定仪获得与农作物生长有关的日照时数、气压、气温、空气湿度、降水量、小气候环境2米高风速、太阳辐射、田间持水量、田间持水率、含水饱和度、凋萎点土壤含水量、凋萎系数、叶面积指数参数后，传输给控制器进行数据处理与计算，得到入渗量、潜在入渗量、潜在作物蒸腾量、土壤表面潜在蒸发量和潜在蒸发量参数，进一步运算建立数学模型，形成灌溉计划。所述的数学模型包括以下处理步骤：a1，将土壤参数的单位由体积单位转换为高度单位，wp＝dp×wpp×10.0(2)fc＝dp×fcp×10.0(3)st＝dp×stp×10.0(4)其中，wp、fc和st分别是凋萎系数、田间持水量和饱和含水量；a2，计算土壤蓄积量(s)，根据土壤入渗和径流曲线得到，s＝254×(100/cn-1)(5)a3，计算土壤含水量阈值，低于该阈值发生干旱胁迫(the)，该阈值的近似公式为，the＝wp+0.75×(fc-wp)(6)a4，根据初始土壤含水量计算初始胁迫因子(swfac1和swfac2)，累计降雨量(train)，灌溉水量(tirr)，土壤蒸发量(tesa)，作物蒸腾量(tepa)，地面径流量(trof)，垂直向排水量(tdrn)和入渗量(tinf)的累积值。a5，进行作物状态计算，读取灌溉量参数，潜在入渗量(potinf)是降雨量(train)和灌水量(tirr)的总和，根据每日土壤含水量高于田间持水量的数值来计算得出土壤垂直向排水量(drn，以mm为单位)，公式为，drn＝(swc-fc)×drnp(7)如果潜在入渗量(potinf)大于零，则使用scs曲线计算每日地表水径流量(rof)；入渗量(inf)是潜在入渗与径流之间的差，基于priestly-taylor方法计算每日潜在的蒸腾量(etp)，基于lai的表面反射率(alb)由土壤和作物反射率的加权平均值来估计，与叶面指数测定仪数据对比进行模型参数修正：alp＝0.1×exp(-0.7×lai)+0.2×(1-exp(-0.7×lai))(9)由式(10)和(11)计算白天的平均温度(t)和平衡蒸发(eeq)，tmed＝0.6×tmax+0.4×tmin(10)eeq＝srad×(4.88e-3-4.37e-3×alb)×(tmed+29)(11)通过平衡蒸发速率，得到etp的最终值，接下来，用与反射率相同的加权系数来计算潜在的土壤蒸发量(esp)和作物腾发速率(epp)：esp＝etp×exp(-0.7×lai)(12)epp＝etp×(1-exp(-0.7×lai)(13)根据当前土壤水分可用量大小计算实际的每日土壤蒸发量(esa)，如果土壤含水量低于凋萎系数，则不会发生水分蒸发，如果土壤含水量大于田间持水量，则会发生蒸发；土壤含水量在凋萎系数和田间持水量之间，实际蒸腾量在0和潜在蒸腾量之间呈线性变化，潜在的作物蒸腾速率(epp)被最小的土壤水分胁迫因子(swfac1或swfac2)协导致其数值降低从而获得实际作物蒸腾量(epa)；a6，进行数据的汇总集成，基于入渗量(inf)、土壤蒸发量(esa)、作物蒸腾(epa)和垂直向排水(drn)的值运算土壤水分平衡模块的汇总集成，更新土壤含水量(swc)的值，公式为：swc＝swc+(inf-epa-drn)(15)土壤含水量计算值被限制在饱和含量的最大值到零之间，如果计算土壤含水量超过土壤饱和含水量，则应当调整径流量和土壤含水量。如果计算的土壤含水量小于零，则要考虑额外的调整因子(swc_adj)，最后是累积入渗量、蒸发量、蒸腾量、排水量和径流量的更新；a7，计算土壤水分胁迫因子，干旱胁迫因子(swfac1)为1.0时发生最小胁迫，如果土壤含水量大于“初始化”部分(the)中计算的阈值，在凋萎点之下，发生最大胁迫时(swfac1＝0.0)，在这范围之间的胁迫因子是线性分布的；土壤剖面底部地下水的埋深(wtable，以mm为单位)从超过田间持水量可用的过量水来计算，然后计算地下水的水层厚度(dwt，以mm为单位)，wtable＝(swc-fc)/(st-fc)×dp×10.0(17)dwt＝dp×10.0-wtable(18)当水位下降时，发生土壤最小多余水分胁迫(swfac2＝1.0)为零。当地下水位(dwt)的值大于250mm(stress_depth＝250mm)时，发生最大多余水分胁迫(swfac2＝0.0)，其余的水分胁迫因子在这些水位之间进行线性条件插值。进一步的，在输入数学模型的气象参数时，在初始阶段按照干旱年、正常年和湿润年三种典型年的全年月数据生成逐日输入模拟量。在实际运行时，根据真实出现的气象数据修正，同时根据3天、5天天气预报数值进行预测。在灌水决策后如遇到降雨，降雨大于1mm时，停止灌水，同时记录降雨量，在土壤水分平衡模块中对土壤含水量进行相应的扣除，若作物生长环境为温室、大棚，其降雨量、小气候环境2米高风速均视为0。本发明的基于作物环境协同反馈的灌溉施肥系统包括，连通水源的进水管的管道首先经过主管过滤器，在经过水泵后依次连通主管电磁阀a、主管电磁阀b和主管流量传感器，主管过滤器过滤灌溉水源，水泵提供水流动力，主管电磁阀a和主管电磁阀b控制灌水管路的开启和闭合，主管流量传感器测得主管流量，在进水管的主管电磁阀a和主管电磁阀b之间，进水管连通施肥机支管a，在施肥机支管a上设置有支管电磁阀a，在进水管的主管电磁阀b和主管流量传感器之间，进水管连通施肥机支管b，在施肥机支管b上设置有支管电磁阀b，施肥机支管a和施肥机支管b经过本地操作端装置连接肥料桶，所述控制器被置于本地操作端装置内，本地操作端装置的底座上设有包括施肥机进水口、注肥管、肥液过滤器、施肥流量传感器、计量泵、吸肥泵、压力变送器、ec测量仪、持压阀和出水管，肥液流动顺序为注肥管、肥液过滤器、施肥流量传感器、计量泵、混肥管道、水泵、出水管当控制器打开主管电磁阀a、主管电磁阀b，关闭支管电磁阀a、支管电磁阀b，该设备不进行施肥作业，只进行进行灌水作业，执行灌溉计划。当控制器打开主管电磁阀a、支管电磁阀a、支管电磁阀b，关闭主管电磁阀b，主管道的灌溉水进入施肥设备，该设备进行肥料配比和肥料添加，混合好的水肥进入灌溉主管道，流入田间进行灌溉施肥作业。本发明可以分为信息感知模块、决策模块和执行模块。所述的信息感知模块包括小型气象站、土壤湿度传感器、叶面积指数测定仪、主管流量传感器、施肥流量传感器、ec值测量仪、压力变送器，决策模块包括控制器，执行模块包括主管电磁阀a、主管电磁阀b、支管电磁阀a、支管电磁阀b、计量泵、水泵、吸肥泵。针对灌溉计划所需，通过各种传感器采集数据，传输给控制器进行数据处理与运算，进一步建立数据模型，形成灌溉计划。控制器根据灌溉计划调控执行模块，进行精准灌溉施肥作业，同时信息感知模块实时采集参数反馈至控制器，控制器根据灌溉计划再次调控执行模块，形成感知、决策、执行于一体的协调反馈智慧灌溉施肥循环系统。本发明的有益效果：1)本发明是基于作物环境协同反馈的智慧灌溉施肥装置系统，能够检测大量作物环境参数，并传输到本地控制器进行系统地运算，为灌溉计划的数学模型分析提供数据支撑；2)本发明是基于作物环境协同反馈的智慧灌溉施肥装置系统，灌溉计划包含一种估算田间灌溉水量模型的方法，能够系统地形成每日灌溉用水需求数据库，实现精准灌溉；3)本发明是基于作物环境协同反馈的智慧灌溉施肥装置系统，可以根据已经形成的灌溉计划，自动开始或停止灌溉施肥，灌溉过程无需人为监控；4)本发明是基于作物环境协同反馈的智慧灌溉施肥装置系统，能够自动采集灌溉施肥后的土壤、小气候环境等数据，动态监测水流压力值和肥液ec值，并自行反馈至本地控制器，重新生成灌溉计划。附图说明通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：图1为发明的智慧灌溉施肥系统组成示意图；图2为发明的施肥装置立体示意图图；图3为本发明的施肥装置的侧视图；图4为本发明智慧灌溉施肥系统控制器外形图。图5是本发明实施例中ec值与kcl溶液浓度关系图。1-小型气象站、2-土壤温湿度传感器、3-叶面积指数测定仪、4-进水管、5-主管过滤器、6-水泵、7-主管电磁阀a、8-主管电磁阀b、9-支管、10-支管电磁阀a、11-支管电磁阀b、12-主管流量传感器、13-施肥机进水口、14-注肥管、15-肥液过滤器、16-施肥流量传感器、17-计量泵、18-水泵、19-压力变送器、20-ec测量仪、21-持压阀、22-出水管、23-底座、24-肥料桶、25-控制器、26-施肥装置27-远程操作端。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。实施例1：接通电源，小型气象站、土壤湿度传感器、叶面积指数测定仪正常工作，灌溉前，各传感器收集数据反馈至控制器，控制器根据程序运算得出灌溉计划。只需灌水时，控制器根据灌溉计划，打开主管电磁阀a、主管电磁阀b、水泵，关闭支管电磁阀a、支管电磁阀b、施肥泵，水流通过进水管、主管过滤器、水泵、主管电磁阀a、主管电磁阀b、主管流主管流量计，到达田间。灌溉后，各传感器再次收集数据反馈至控制器，控制器根据程序运算更新灌溉计划，指导下一次灌溉。实施例2：接通电源，小型气象站、土壤湿度传感器、叶面积指数测定仪正常工作，假设土层为相对不可渗透层下层的单个均质土层，进行水平衡计算，更新每天的土壤含水量变化。在测得日照时数、气压、气温、空气湿度、降水量、小气候环境2米高风速、太阳辐射、田间持水量、田间持水率、含水饱和度、凋萎点土壤含水量、凋萎系数、叶面积指数等参数后，传输给控制器进行数据处理与计算，得到入渗量、潜在入渗量、潜在作物蒸腾量、土壤表面潜在蒸发量、潜在蒸发量等，进一步运算建立数据模型，形成灌溉计划。灌溉计划是一种利用田间作物耗水数学模型实现估算田间灌溉水量的方法，其包括以下步骤：叶面积指数影响作物灌溉综合系数kc由叶面指数测定仪确定。作物的etp：etp＝kc×et0(1)程序采用数学模型计算分析后，形成以日为单位的作物需要水量数据库。进一步的，可在本地操作端或远程操作端人为设置参数指标修改灌溉计划。本发明包括小型气象站、土壤湿度传感器、叶面积指数测定仪，自动采集灌溉施肥后的作物生长状态数据，反馈到控制器重新计算分析，形成新的灌溉计划。本发明中的压力变送器、ec测量仪、主管流主管流量计、施肥流量计动态监测水流压力值、肥液ec值，过水流量，数据反馈至控制器计算分析，根据设定参数，对执行模块进行调控。灌溉计划形成流程分为模型初始化、状态计算和汇总集成。模型初始化。代码的“初始化”部分主要是输入数据文件soil.inp和irrig.inp和打开输出文件sw.out。读取所需的环境数据输入soil.inp文件然后关闭，变量名称写入输出文件sw.out中。土壤参数的单位由体积转换为高度(mm)，公式如下：wp＝dp×wpp×10.0(2)fc＝dp×fcp×10.0(3)st＝dp×stp×10.0(4)其中wp、fc和st分别是凋萎系数、田间持水量和饱和含水量。runoff子程序计算土壤蓄积量(s)，根据土壤入渗和径流曲线得到：s＝254×(100/cn-1)(5)调用子程序stress来计算土壤含水量阈值，低于此值发生干旱胁迫(the)，近似公式为：the＝wp+0.75×(fc-wp)(6)然后根据初始土壤含水量计算初始胁迫因子(swfac1和swfac2)，累计降雨量(train)，灌溉水量(tirr)，土壤蒸发量(tesa)，作物蒸腾量(tepa)，地面径流量(trof)，垂直向排水量(tdrn)和入渗量(tinf)的累积值，开始模拟初始时假定为零。状态计算。灌溉量从文件irrig.inp中读取，潜在入渗量(potinf)是降雨量(train)和灌水量(tirr)的总和。运用draine子程序，根据每日土壤含水量高于田间持水量的数值来计算得出土壤垂直向排水量(drn，以mm为单位)，公式为：drn＝(swc-fc)×drnp(7)如果潜在入渗量(potinf)大于零，则调用子程序runoff，使用scs曲线计算每日地表水径流量(rof)。if(potinf.gt.0.2＊s)thenrof＝((potinf-0.2＊s)＊＊2)/(potinf+0.8＊s)elserof＝0endif(8)入渗量(inf)是潜在入渗与径流之间的差。子程序etps基于priestly-taylor方法计算每日潜在的蒸腾量(etp)。基于lai的表面反射率(alb)由土壤(0.1)和作物(0.2)反射率的加权平均值来估计，与叶面指数测定仪数据对比进行模型参数修正：alp＝0.1×exp(-0.7×lai)+0.2×(1-exp(-0.7×lai))(9)由下式计算白天的平均温度(t)和平衡蒸发(eeq)。tmed＝0.6×tmax+0.4×tmin(10)eeq＝srad×(4.88e-3-4.37e-3×alb)×(tmed+29)(11)通过系数(f)来调节平衡蒸发速率，得到etp的最终值。接下来，用与反射率相同的加权系数来计算潜在的土壤蒸发量(esp)和作物腾发速率(epp)：esp＝etp×exp(-0.7×lai)(12)epp＝etp×(1-exp(-0.7×lai)(13)子程序esas根据当前土壤水分可用量大小计算实际的每日土壤蒸发量(esa)。如果土壤含水量低于凋萎系数，则不会发生水分蒸发，如果土壤含水量大于田间持水量，则会发生蒸发。土壤含水量在凋萎系数和田间持水量之间，实际蒸腾量在0和潜在蒸腾量之间呈线性变化。if(swc.lt.wp)thena＝0elseif(swc.gt.fc)thena＝1elsea＝(swc-wp)/(fc-wp)endifesa＝esp＊a(14)潜在的作物蒸腾速率(epp)被最小的土壤水分胁迫因子(swfac1或swfac2)协导致其数值降低从而获得实际作物蒸腾量(epa)。汇总集成。基于入渗量(inf)、土壤蒸发量(esa)、作物蒸腾(epa)和垂直向排水(drn)的值运算土壤水分平衡模块的汇总集成，更新土壤含水量(swc)的值，公式为：swc＝swc+(inf-epa-drn)(15)土壤含水量计算值被限制在饱和含量的最大值到零之间。如果计算土壤含水量超过土壤饱和含水量，则应当调整径流量和土壤含水量。如果计算的土壤含水量小于零，则要考虑额外的调整因子(swc_adj)。最后是累积入渗量、蒸发量、蒸腾量、排水量和径流量的更新。根据更新的土壤含水量值应用子程序stress计算土壤水分胁迫因子。干旱胁迫因子(swfac1)为1.0(最小胁迫)，如果土壤含水量大于“初始化”部分(the)中计算的阈值。在凋萎点之下，发生最大胁迫时(swfac1＝0.0)。在这范围之间的胁迫因子是线性分布的。if(swc.lt.wp)thenswfac1＝0.0elseif(swc.gt.the)thenswfac1＝1.0elseswfac1＝(swc--wp)/(the--wp)swfac1＝max(min(swfac1，1.0)，0.0)endif(16)土壤剖面底部地下水的埋深(wtable，以mm为单位)从超过田间持水量可用的过量水来计算。然后计算地下水的水层厚度(dwt，以mm为单位)。wtable＝(swc-fc)/(st-fc)×dp×10.0(17)dwt＝dp×10.0-wtable(18)当水位下降时，发生土壤最小多余水分胁迫(swfac2＝1.0)为零。当地下水位(dwt)的值大于250mm(stress_depth＝250mm)时，发生最大多余水分胁迫(swfac2＝0.0)，其余的水分胁迫因子在这些水位之间进行线性条件插值。if(dwt.ge.stress_depth)thenswfac2＝1.0elseswfac2＝dwt/stress_depthendif(19)以上是在作物灌水计划模拟分析模型。输入数学模型的气象参数时，在初始阶段按照干旱年、正常年和湿润年三种典型年的全年月数据生成逐日输入模拟量。在实际运行时，根据真实出现的气象数据修正，同时根据3天、5天天气预报数值进行预测。在灌水决策后如遇到降雨，降雨大于1mm时，停止灌水，同时记录降雨量，在土壤水分平衡模块中对土壤含水量进行相应的扣除。若作物生长环境为温室、大棚，其降雨量、小气候环境2米高风速均视为0。实施例3：需要施肥时，控制器形成灌溉计划后，自动关闭主管电磁阀b，打开主管电磁阀a、支管电磁阀a、支管电磁阀b、水泵、施肥泵，调控灌水量和施肥量。流量计测得主管与输支管的流量q1和q2，q2与q1的比值与肥液浓度存在必然关系。以氯化钾(kcl)水溶肥为例，假设温度为25℃，ec值与kcl溶液浓度关系如图5所示。参考图5，控制器根据ec测量仪反馈的ec值，在保证q1不变的情况下，通过调控计量泵来调节q2的大小，或者在保证q2不变的情况下，调节q1的大小，即调节肥液浓度大小，从而达到调节灌溉肥液ec值的目的。当ec值过大时，保持主管流量q2不变，在本地操作端或远程操作端重新设置参数，控制器很具设定参数自动调控计量泵，减小q1，肥液浓度降低，直至ec值符合灌溉计划设定值。灌溉施肥结束时，本地控制器自动切断电源，停止水泵工作，关闭主管电磁阀和施肥电磁阀。值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。当前第1页12当前第1页12