基于基质含水量称重的灌溉系统及灌溉方法与流程

1.本发明涉及灌溉技术领域，尤其涉及一种基于基质含水量称重的灌溉系统及灌溉方法。


背景技术：

2.目前，无土栽培已广泛用于各种果蔬和花卉的种植生产中，尤其是在规模化生产的连栋温室运行模式下。无土栽培常以基质、椰糠、岩棉栽培为主，具有水肥利用高、营养液浓度控制精准、防止连作障碍等优点，具有良好的发展前景。无土栽培由于其保水性能低、植物生长养分含量低，必须依赖营养液灌溉供给营养，且灌溉频繁、所需灌溉溶液浓度精度要求高、灌溉量精度要求高等特点，人工灌溉费时费力，管理经验要求高，因此自动化的灌溉管理方法需求明显。目前无土栽培营养液供给控制策略主要有3种方式：1、采用定时启动原理，按照固定的时间点向基质内供给设定量的营养液，这种决策供液方式未考虑由于环境的变化，作物在不同天气、不同时段、不同生育期对营养液的需求不同，因此会出现苗期及每天早、晚时段供液量过多，坐果期和午间营养液消耗高峰期供液量不足等缺点；2、光照辐射积累启动原理，当光照累积辐射达到一定值时开始供给营养液，这种决策供液方式考虑了作物耗液需求的日动态变化，但随着作物生长，对于耗液强度的增加则需要依靠经验确定供液量；3、根据彭曼公式决策供给营养液，这种方式需要参数较多，且多根据经验选取，缺乏理论依据。三种控制方法都还存在以下问题：
3.(1)考虑环境变化对灌溉需求的影响并不能直接反应作物生长本身的需求，灌溉精准度低，灌溉针对性不强；
4.(2)控制参数复杂，需要长期试验积累数据才能制定灌溉策略参数，灌溉策略优化过程漫长；
5.(3)缺乏相应的全生命周期的灌溉管理方法；
6.因此，无土栽培营养液自动灌溉需要更加完备的，满足实时参数调整的灌溉控制装置及方法。


技术实现要素：

7.本发明提供一种基于基质含水量称重的灌溉系统及灌溉方法，用以解决现有技术中灌溉精准度低、灌溉针对性不强和灌溉策略优化过程漫长的缺陷。
8.本发明提供一种基于基质含水量称重的灌溉系统，包括：称重装置、自动灌溉组件和控制单元，所述称重装置设置于待灌溉植株的下方，用于测量无土栽培基质的重量变化，所述控制单元分别与与所述称重装置和所述自动灌溉组件信号连接，用于根据当前无土栽培基质的重量与设定无土栽培基质的重量的大小关系控制所述自动灌溉组件的灌溉启动与水量。
9.其中，还包括托盘、回液检测罐、回液导流管和ec传感器，所述托盘设置于待灌溉植株的底部，用于收集过量的灌溉液，所述回液导流管的一端与所述托盘连通，另一端插入
所述回液检测罐内，所述ec传感器设置于所述回液检测罐内，且与所述控制单元信号连接。
10.其中，还包括ph传感器和回液量检测传感器，所述ph传感器和所述回液量检测传感器分别设置于所述回液检测罐内。
11.其中，所述称重装置包括底座和压力传感器，所述压力传感器分别设置于所述底座的两端，且支撑于所述底座与所述托盘之间。
12.本发明实施例还提供一种基于基质含水量称重的灌溉方法，包括：
13.设定目标含水率；
14.基于目标含水率计算无土栽培基质的目标重量；
15.当检测到当前的无土栽培基质的重量降低至无土栽培基质的目标重量时，启动自动灌溉组件对待灌溉植株按照单次灌溉设定时长进行自动灌溉，或；
16.设定目标含水率；
17.基于检测到的当前无土栽培基质的质量计算当前含水率；
18.当当前含水率降低至目标含水率时，启动自动灌溉组件对待灌溉植株按照单次灌溉设定时长进行自动灌溉。
19.其中，通过以下公式获取含水率与无土栽培基质的重量关系：
20.w＝(w
f
‑
w0)
·
h+w021.式中，h代表无土栽培基质的含水率；
22.w0代表无土栽培基质的干重；
23.w
f
代表饱和无土栽培基质的质量；
24.w代表在该含水率时的无土栽培基质的重量。
25.其中，还包括：
26.将每日划分为多个灌溉时段，每个时段单次灌溉设定时长不同；
27.每个灌溉时段的所述自动灌溉组件的灌溉水量通过以下公式计算：
[0028][0029]
式中，n表示第n时段；
[0030]
t
sn
代表设定的起始时间；
[0031]
t
en
代表设定的结束时间；
[0032]
w
sn
代表设定的在t
sn
时的无土栽培基质的目标质量；
[0033]
w
en
代表设定的在t
en
时的无土栽培基质的目标质量；
[0034]
w
n
代表经过第n时段灌溉后的无土栽培基质的目标质量；
[0035]
t
n
代表第n时段的时长；
[0036]
其中，以日出后无土栽培基质基质质量下降设定数值时刻作为每日灌溉的起始时刻。
[0037]
其中，还包括：
[0038]
预设ec值和淋洗时间间隔；
[0039]
根据ec传感器监测灌溉液的ec值；
[0040]
当满足灌溉液的ec值超过预设ec值、到达预设的淋洗时间间隔和人工干预三个条件其中一个时，于预设时间后，对无土栽培基质进行淋洗直至饱和。
[0041]
其中，还包括：
[0042]
以预设时间定期监测饱和的无土栽培基质的质量差值，并通过所述差值对w
sn
、w
en
和w
n
进行修正。
[0043]
其中，还包括：
[0044]
采用回液量检测传感器监测灌溉液回液量，通过比较回液量与灌溉总量的比值变化，对所述单次灌溉设定时长进行修正。
[0045]
本发明提供的一种基于基质含水量称重的灌溉系统及灌溉方法，通过称重装置监测无土栽培基质的重量变化，通过控制单元获取无土栽培基质的重量变化与含水率的相应关系，并根据当前含水率与目标含水率的大小关系(或当前无土栽培基质的质量与目标无土栽培基质的质量的大小关系)控制自动灌溉组件进行自动灌溉。本发明提供的灌溉系统及灌溉方法，通过无土栽培基质的含水率与质量的对应关系，获知植株所处的实际生长环境，提高了灌溉精准度和灌溉针对性，为进一步优化灌溉策略提供了条件。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1是本发明提供的一种基于基质含水量称重的灌溉系统的结构示意图；
[0048]
图2是本发明提供的一种基于基质含水量称重的灌溉方法的灌溉曲线图；
[0049]
图3是本发明提供的一种基于基质含水量称重的灌溉方法的淋洗曲线图；
[0050]
附图标记：
[0051]
1：待灌溉植株；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
2：岩棉块；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3：无土栽培基质；
[0052]
4：托盘；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5：压力传感器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6：底座；
[0053]
7：回液检测罐；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
8：ec传感器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
9：ph传感器；
[0054]
10：回液量检测传感器；
ꢀꢀ
11：回液导流管。
[0055]
具体实施方式
[0056]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
[0057]
下面结合图1
‑
图3描述本发明的一种基于基质含水量称重的灌溉系统，包括：称重装置、自动灌溉组件和控制单元，称重装置设置于待灌溉植株1的下方，用于测量无土栽培基质3的重量变化，控制单元分别与与称重装置和自动灌溉组件信号连接，用于根据当前无土栽培基质3的重量与设定无土栽培基质3的重量的大小关系控制自动灌溉组件的灌溉启动与水量。
[0058]
在其中一个实施例中，自动灌溉组件可为配肥灌溉装置，能够实现营养液和水按
设置比例混合的施肥机，并完成压力灌溉，将配置的溶液灌至整个无土栽培区域，实现适时适量的灌溉。
[0059]
在其中一个实施例中，称重装置包括底座6和压力传感器5，压力传感器5分别设置于底座6的两端，且支撑于底座6与托盘4之间，通过两个压力传感器5进行称重。
[0060]
通过以上灌溉系统，采用如下两种灌溉方法其中的一种进行灌溉(灌溉曲线图如图2所示)：
[0061]
第一种：设定目标含水率；
[0062]
基于目标含水率计算无土栽培基质3的目标重量；
[0063]
当检测到当前的无土栽培基质3的重量降低至无土栽培基质3的目标重量时，启动自动灌溉组件对待灌溉植株1按照单次灌溉设定时长进行自动灌溉。
[0064]
应当理解的是，该灌溉方法是通过手动设定目标含水率，将目标含水率换算为相应的无土栽培基质3的质量，检测当前的无土栽培基质3质量，若当前无土栽培基质3的质量降低至目标含水率对应的无土栽培基质3质量时，开始灌溉。
[0065]
第二种：设定目标含水率；
[0066]
基于检测到的当前无土栽培基质3的质量计算当前含水率；
[0067]
当当前含水率降低至目标含水率时，启动自动灌溉组件对待灌溉植株1按照单次灌溉设定时长进行自动灌溉。
[0068]
应当理解的是，该灌溉方法是通过手动设定目标含水率，将当前检测到的无土栽培基质3的质量换算为当前含水率，若当前含水率降低至目标含水率时，开始灌溉。
[0069]
具体地，在本实施例中，在无土栽培基质3上布置岩棉块2；采用称重装置对无土栽培基质3的重量变化进行监测，应当理解的是，将称重装置放置于待灌溉植株1的下方，进行称重，将任意两次的称重结果相减，则可以得到无土栽培基质3的重量变化，相应缩短两次称重间隔，可忽略由植株本身生长产生的重量变化所引起的测量结果变化。
[0070]
进一步地，测量无土栽培基质3的干重，也即含水率为0时的质量，再对无土栽培基质3进行灌水泡发直至重量不变，此时获得饱和的无土栽培基质3质量，也即含水率为100％时的质量，通过两者的含水率为0和100％时对应的无土栽培基质3的质量可以通过公式得到一个含水率与质量相关的线性函数，从而得到任意含水率与无土栽培基质3质量的对应关系。具体地，采用以下公式进行计算：
[0071]
w＝(w
f
‑
w0)
·
h+w0[0072]
式中，h代表无土栽培基质3的含水率；
[0073]
w0代表无土栽培基质3的干重；
[0074]
w
f
代表饱和无土栽培基质3的质量；
[0075]
w代表在该含水率时的无土栽培基质3的重量。
[0076]
在灌溉开始前，可以手动设定目标含水率，控制单元通过以上公式计算，可得到无土栽培基质3的目标质量，而基于当前无土栽培基质3质量与该目标质量之间的大小关系控制自动灌溉组件进行自动灌溉。
[0077]
更进一步地，将每天的时间依据所在区域日出日落时间、太阳辐射变化情况，划分为多个灌溉时段，每个时段的控制规则不同，每个时段单次灌溉设定时长不同；
[0078]
每个灌溉时段的自动灌溉组件的灌溉水量通过以下公式计算：
[0079][0080]
式中，n表示第n时段；
[0081]
t
sn
代表设定的起始时间；
[0082]
t
en
代表设定的结束时间；
[0083]
w
sn
代表设定的在t
sn
时的无土栽培基质3的目标质量；
[0084]
w
en
代表设定的在t
en
时的无土栽培基质3的目标质量；
[0085]
w
n
代表经过第n时段灌溉后的无土栽培基质3的目标质量；
[0086]
t
n
代表第n时段的时长；
[0087]
其中，以日出后无土栽培基质基质质量下降设定数值时刻作为每日灌溉的起始时刻。
[0088]
应当理解的是，起始的w
s1
非人为设定，而是取决于前一天灌溉完成后的w
n
减去夜间耗水所得。在本实施例中，设定灌溉时长和目标灌溉质量，基于该时段的时长通过线性函数计算该时段的目标灌溉质量。
[0089]
在其中一个实施例中，该灌溉系统还包括托盘4、回液检测罐7、回液导流管11和ec传感器8，托盘4设置于待灌溉植株1的底部，用于收集过量的灌溉液，回液导流管11的一端与托盘4连通，另一端插入回液检测罐7内，ec传感器8设置于回液检测罐7内，且与控制单元信号连接。在本实施例中，采用托盘4回收过量的灌溉液，通过回液导流管11将灌溉液通入到回液检测罐7中，采用ec传感器8可以对灌溉液的ec值进行监测，控制单元根据监测到的ec值控制自动灌溉组件进行淋洗。具体地，该淋洗方法(淋洗曲线图如图3所示，图中淋洗阶段为时段iii)包括：预设ec值和淋洗时间间隔；根据ec传感器8监测灌溉液的ec值；当满足灌溉液的ec值超过预设ec值、到达预设的淋洗时间间隔和人工干预三个条件其中一个时，于预设时间后(具体为次日12点)，对无土栽培基质3进行淋洗直至饱和，避免岩棉块2与无土栽培基质3中的盐离子累积浓度过高。在本例中，淋洗时间间隔设定为一周。人工干预是指由人工进行采收、打叶等作业导致基质重量变化。
[0090]
在其中一个实施例中，该灌溉方法还包括：以预设时间(一周)定期监测饱和的无土栽培基质3的质量差值，并通过差值对w
sn
、w
en
和w
n
进行修正。应当理解的是，本例中饱和的无土栽培基质3可为经过上述实施例淋洗后的无土栽培基质3。具体地，检测到本周的饱和无土栽培基质3的质量与上周的饱和无土栽培基质3的质量增加了δw，则下周的所有w(包括w
sn
、w
en
和w
n
)均增加δw。
[0091]
在其中一个实施例中，该灌溉系统还包括ph传感器9和回液量检测传感器10，ph传感器9和回液量检测传感器10分别设置于回液检测罐7内。在本实施例中，通过ph传感器9监测灌溉回液的ph值，采用回液量检测传感器10监测灌溉液回液量，通过比较回液量与灌溉总量的比值变化，对单次灌溉设定时长进行修正，若后一天的比值远大于前一天的比值，则适量减小灌溉水量，避免浪费。具体地，回液量检测传感器10可采用超声波液位检测仪，也可为称重检测仪、也可为容积翻斗式检测仪，本发明不局限于此。
[0092]
本发明提供的一种基于基质含水量称重的灌溉系统及灌溉方法，通过称重装置监测无土栽培基质3的重量变化，通过控制单元获取无土栽培基质3的重量变化与含水率的相应关系，并根据当前含水率与目标含水率的大小关系(或当前无土栽培基质3的质量与目标
无土栽培基质3的质量的大小关系)控制自动灌溉组件进行自动灌溉。本发明提供的灌溉系统及灌溉方法，通过无土栽培基质3的含水率与质量的变化关系，获知植株所处的实际生长环境，提高了灌溉精准度和灌溉针对性，为进一步优化灌溉策略提供了条件。
[0093]
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。