本发明涉及水肥灌溉技术领域，特别涉及一种番茄水肥一体化智能精准灌溉系统。
背景技术：
自古以来，我国就是一个以农业为主的国家，即便到了现代社会，农业仍是我国国民经济的基础。但我国农业生产效率低下，长期以来一直以经验种植为主，农业生产效率仅为发达国家的几分之一。
国家发展的根本是大力发展现代农业，其中温室番茄种植是一个重要的组成部分，番茄作为我国以及世界上重要的日常蔬菜作物，是其他蔬菜无法取代的，大力发展温室番茄产业，对我国这样一个人口大国而言具有极大的战略意义。但我国温室管理水平落后，大多控制系统采用定时控制或者手动控制方式。在灌溉管理方面，通常存在浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水等现象。
当且，由于农业部门的推广，国内部分地方的温室实现了节水灌溉技术。国内现有番茄灌溉技术主要有以下几种：农艺节水灌溉技术、工程节水灌溉技术、生理节水灌溉技术。这几种节水灌溉方式都是通过节水灌溉，提高水分利用效率。没有与番茄生长周期所需水规律及需水量和各生长周期需肥量融为一体的精准灌溉技术，造成肥料利用率极低、成本较高的现状，同时，降低了番茄生产力。
中国专利公开号为CN102668948A，该发明专利公开了一种灌溉系统，解决了相关技术中在城市绿化带灌溉过程不能根据绿化带的实际情况进行灌溉而造成的灌溉量不准确且开销大的问题，然而该灌溉系统都是通过节水灌溉，提高水分利用效率，没有与番茄生长周期所需水规律及需水量和各生长周期需肥量融为一体的精准灌溉技术，造成了肥料利用率极低、成本较高的现状，同时，不能进行远程监控，其灌溉精准度低。
技术实现要素：
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种将番茄生长周期所需水量和各生长周期需肥量融为一体的番茄水肥一体化智能精准灌溉系统。
为了实现上述目的，本发明提供一种番茄水肥一体化智能精准灌溉系统，包括：传感器模块、控制器、风机及滴灌系统、服务器、上位机；
所述传感器模块用于检测番茄生长区域的外部环境的环境参数；
所述控制器用于通过内置的通信单元和上位机进行通信；接收传感器模块对番茄生长区域的外部环境的环境参数进行的实时采样信息，并将检测到的环境参数数据传递给上位机进行远程监控，如果控制器接收来自上位机的控制指令，则根据控制指令控制风机及滴灌系统进行开关操作，使番茄的生长环境参数达到控制器内预设的番茄水肥滴灌数学模型的标准值，如果控制器没有接收到上位机发出的控制指令，则控制器按照内预设的番茄水肥滴灌数学模型执行前次设置或出厂设置；
所述风机及滴灌系统用于接收控制器的控制指令，进行开关操作，完成定时定量换风或滴灌工作；
所述服务器用于实现上位机与控制器之间的TCP安全连接；
所述上位机用于接收并显示来自控制器发出的实时监测信号，并对控制器发出控制指令。
进一步的，所述传感器模块包括土壤氮离子传感器、土壤磷离子传感器、土壤钾离子传感器、风量传感器、室内温湿度传感器、土壤湿度传感器；
所述土壤氮离子传感器用于检测土壤中氮离子的养分浓度；
所述土壤磷离子传感器用于检测土壤中磷离子的养分浓度；
所述土壤钾离子传感器用于检测土壤中钾离子的养分浓度；
所述风量传感器用于检测室内风量大小；
所述室内温湿度传感器用于检测室内空气的温湿度；
所述土壤湿度传感器用于检测土壤的湿度。
进一步的，所述控制器包括单片机模块、电源模块、实时时钟电路、通信单元、液晶显示电路、键盘电路、功率开关电路；所述单片机模块利用通信单元接收从上位机所发送的指令，读取实时时钟电路、键盘电路，传感器模块的数据，通过液晶显示电路显示各种指示参数及开关状态信息，并且根据上位机指令及自身内预设的番茄水肥滴灌数学模型进行操作，驱动功率开关电路对风机及滴灌系统进行开关操作。
进一步的，所述通信单元采用至少包括以下一种：3G网络通信单元、4G网络通信单元、WIFI通信单元和卫星通信单元。
进一步的，所述风机及滴灌系统中的风机新风输入采用继电器开关模式，当控制继电器吸合，风机开启，否则风机关闭；同样，滴灌系统启动也采用采用继电器开关模式，继电器吸合，滴灌系统开启；继电器断开，滴灌系统关闭。
进一步的，所述服务器工作时启动两个网络侦听，一个叫主连接侦听，一个叫协助打洞侦听。
进一步的，所述主连接侦听同时与控制器、上位机保持联系，并将两者分别在私网转换后的公网IP和端口号传递给另一方，便于控制器和上位机通过私网转换后的公网IP地址和端口建立起直接的TCP连接；所述协助打洞侦听分别接受控制器、上位机发出的连接申请，并向两者发送协助连接申请，同时在协助打洞侦听端口上启动侦听，如果侦听数据异常，则断开控制器与上位机之间TCP连接，实现控制器与上位机之间安全的TCP连接。
进一步的，所述番茄水肥滴灌数学模型是根据番茄的不同生长期所需水、需肥的规律情况而组建的数学模型，能够测定温室番茄不同生长发育周期的产量形成、蒸腾、蒸发、渗漏和土壤贮水的具体需水量和需肥量。
本发明还提供一种番茄水肥一体化智能精准灌溉方法，包括如下步骤如下：
所述控制器开机启动后进行自检；
所述控制器通过通信单元与上位机进行远程连接；将传感器模块检测到的番茄生长区域的外部环境的环境参数信息发送给上位机，并接收上位机发出控制指令；
所述控制器根据上位机发出的控制指令及自身内预设的番茄水肥滴灌数学模型进行分析，处理来自土壤氮离子传感器、土壤磷离子传感器、土壤钾离子传感器、风量传感器、室内温湿度传感器、土壤湿度传感器实时检测的氮离子浓度、磷离子浓度、钾离子浓度、风量、空气温湿度、土壤湿度的实时监测信号；并判断采样值是否达到设定，如果达到设定值，则启动风机或者启动灌溉，如果没有达到设定值，则停止风机或者停止灌溉，并将判断信号传递给上位机。
进一步的，所述番茄水肥滴灌数学模型是根据番茄的不同生长期所需水、需肥的规律情况而组建的数学模型，能够测定温室番茄不同生长发育周期的产量形成、蒸腾、蒸发、渗漏和土壤贮水的具体需水量和需肥量。
根据本发明实施例的番茄水肥一体化智能精准灌溉系统，可以采用上位机(如移动终端或者计算机，优选移动终端中的手机APP)通过无线通信网络(如3G网络)远程监控番茄温室的水肥参数以及远程控制水肥灌溉，以减少人工及水肥投入，达到智能化及最优化番茄生产的目。还根据番茄的不同生长期需水，需肥的规律情况完成了番茄水肥滴灌数学模型，根据该预设的数学模型由控制器把水分、养分定时定量，按比例自动化地提供给番茄植株，其精准度高，使番茄的生长环境处于最佳值，保证适时适量地满足作物生长所需要的水分从而达到节水灌溉及灌溉自动化的目的，解决传统单纯节水灌溉或者单纯施肥造成的资源流失、植物吸收率低、番茄减产和品质降低等问题。其中传感器模块利用土壤氮离子传感器、土壤磷离子传感器、土壤钾离子传感器、土壤湿度传感器能够感知在番茄生长的不同时期的土壤肥料参数，然后依据风量传感器、室内温湿度传感器采集温室空气参数，配合风机进行定时定量换风，利用番茄水肥滴灌数学模型，结合滴灌系统为番茄提供一整套精准水肥滴灌，就能够为温室番茄提供一个理想的生长环境，不但节省了肥料，而且还能增加产量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为番茄水肥一体化智能精准灌溉系统构成图；
图2为番茄水肥一体化智能精准灌溉系统中的控制器框架图；
图3为控制器中单片机模块电路原理图；
图4为番茄水肥一体化智能精准灌溉系统中的风机及滴灌系统驱动电路原理图；
图5为番茄水肥一体化智能精准灌溉系统的控制器工作流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
如图1-2所示，本发明一个实施例提供了一种番茄水肥一体化智能精准灌溉系统，包括：传感器模块2、控制器1、风机及滴灌系统3、服务器4、上位机5(如移动终端和计算机，其中移动终端包括手机APP、ipad客户端等，下面优选手机APP来具体说明)。
具体地，参考图1-2所示，传感器模块2用于检测番茄生长区域的外部环境的环境参数(如土壤中的氮磷钾等离子浓度、土壤中的湿度、空气中的温湿度等等)。
优选地，传感器模块2包括土壤氮离子传感器201、土壤磷离子传感器202、土壤钾离子传感器203、风量传感器204、室内温湿度传感器205、土壤湿度传感器206。
其中土壤氮离子传感器201、土壤磷离子传感器202、土壤钾离子传感器203分别用于检测土壤中氮离子、磷离子、钾离子的养分浓度；风量传感器204用于检测室内风量大小；室内温湿度传感器205用于检测室内空气的温湿度；土壤湿度传感器206用于检测土壤的湿度。
具体地，参考图2所示，控制器1用于通过内置的通信单元105(至少包括3G网络通信单元、4G网络通信单元、WIFI通信单元、卫星通信单元等中的一种，下面优选3G网络通信单元来具体说明)和上位机5(如移动终端中的手机APP)进行通信；并接收传感器模块2对番茄生长区域的外部环境的环境参数(土壤中的氮磷钾离子浓度、土壤中的湿度、空气中的温湿度等)进行的实时采样信息，并将检测到的环境参数数据传递给上位机5(手机APP)进行远程监控，如果控制器1接收来自上位机5(手机APP)的控制指令，则根据控制指令控制风机及滴灌系统3进行开关操作，使番茄的生长环境参数达到控制器1内预设的番茄水肥滴灌数学模型的标准值，如果控制器1没有接收到上位机5发出的控制指令，则控制器1按照内预设的番茄水肥滴灌数学模型执行前次设置或出厂设置。
其中，风机及滴灌系统3用于接收控制器1的控制指令，进行开关操作，完成定时定量换风或滴灌工作。
具体地，服务器4用于实现上位机5(手机APP)与控制器1之间的TCP安全连接。
此外，上位机5(手机APP)用于接收并显示来自控制器1发出的实时监测信号，并对控制器1发出控制指令。
下面对控制器来进行具体的说明。
控制器1包括单片机模块101、电源模块103、实时时钟电路104、通信单元105、液晶显示电路102、键盘电路107、功率开关电路106。
图3为单片机模块101的电路原理图，其中，单片机模块101采用以高性能的8位STC单片机芯片，利用通信单元105(3G网络通信单元)接收从上位机(手机APP)所发送的指令，读取实时时钟电路104、键盘电路107，传感器模块2的数据，通过液晶显示电路102显示各种指示参数及开关状态信息，并且根据上位机(手机APP)指令及自身内预设的番茄水肥滴灌数学模型进行操作，驱动功率开关电路106对风机及滴灌系统3进行开关操作。
其中，单片机在嵌入式程序设计上还考虑了现场变频器、软启动等强干扰源对控制器本身的电源干扰及辐射影响，主控程序设计上具有强大抗干扰措施，保证稳定可靠，整体所用集成电路及分立点子元件均采用工业级产品，适于高低温范围内长期工作。
部分编程程序如下：
此外，电源模块103采用LM2596开关稳压电源芯片，输入均加入滤波电路，抗干扰能力很强，输出电流可以达到3A。
具体地，通信单元105采用至少包括以下一种：3G网络通信单元、4G网络通信单元、WIFI通信单元和卫星通信单元。其中优选3G网络通信单元，通过3G互联网通讯模块负责将上位机开关信号，单片机各种指令以及服务器4所发出的指令通过移动互联网进行上下行传输；实现从上位机5(手机APP)到现场智能控制器的控制。
图4为风机及滴灌系统驱动电路原理图，其中，风机及滴灌系统3中的风机新风输入采用继电器开关模式，当控制继电器吸合，风机开启，否则风机关闭；同样，滴灌系统启动也采用采用继电器开关模式，继电器吸合，滴灌系统开启；继电器断开，滴灌系统关闭。
此外，所述服务器4工作时启动两个网络侦听，一个叫主连接侦听，一个叫协助打洞侦听。
其中，主连接侦听同时与控制器1、上位机5保持联系，并将两者分别在私网转换后的公网IP和端口号传递给另一方，便于控制器1和上位机5通过私网转换后的公网IP地址和端口建立起直接的TCP连接；同时，协助打洞侦听分别接受控制器1、上位机5发出的连接申请，并向两者发送协助连接申请，同时在协助打洞侦听端口上启动侦听，如果侦听数据异常，则断开控制器1与上位机5(手机APP)之间TCP连接，实现控制器1与上位机5(手机APP)之间安全的TCP连接。
此外，番茄水肥滴灌数学模型是根据番茄的不同生长期所需水、需肥的规律情况而组建的数学模型，能够测定温室番茄不同生长发育周期的产量形成、蒸腾、蒸发、渗漏和土壤贮水的具体需水量和需肥量。
实施例2：
本发明的另一个实施例还提供一种番茄水肥一体化智能精准灌溉方法，参考图5，包括如下步骤如下：
步骤S601：开机自检，首先，控制器1开机启动后进行自检；
步骤S602：上位机连接，自检没有问题以后，控制器1通过通信单元105与上位机5进行远程连接；将传感器模块2检测到的番茄生长区域的外部环境的环境参数信息发送给上位机5；
步骤S603：接收上位机指令，并接收上位机5发出控制指令；
步骤S604：氮磷钾及温度湿度采集，利用传感器模块2中的土壤氮离子传感器201、土壤磷离子传感器202、土壤钾离子传感器203、风量传感器204、室内温湿度传感器205、土壤湿度传感器206实时检测的氮离子浓度、磷离子浓度、钾离子浓度、风量、空气温湿度、土壤湿度；
步骤S605：数据处理，控制器1根据上位机5发出的控制指令及自身内预设的番茄水肥滴灌数学模型进行分析，处理来自土壤氮离子传感器201、土壤磷离子传感器202、土壤钾离子传感器203、风量传感器204、室内温湿度传感器205、土壤湿度传感器实206时检测的氮离子浓度、磷离子浓度、钾离子浓度、风量、空气温湿度、土壤湿度的实时监测信号；
步骤S606：并判断采样值是否达到设定，如果是，则执行步骤S607和步骤S608，否则执行步骤S609和步骤S610，并将判断信号传递给上位机5；
步骤S607：如果达到设定值，则启动灌溉；
步骤S608：如果达到设定值，则启动风机；
步骤S609：如果没有达到设定值，则停止灌溉；
步骤S610：如果没有达到设定值，则停止风机。
其中，番茄水肥滴灌数学模型是根据番茄的不同生长期所需水、需肥的规律情况而组建的数学模型，能够测定温室番茄不同生长发育周期的产量形成、蒸腾、蒸发、渗漏和土壤贮水的具体需水量和需肥量。
下面对移动终端和控制器互联技术进行描述。
NAT设备的类型对于TCP穿越NAT,有着十分重要的影响,根据端口映射方式,NAT可分为如下4类,前3种NAT类型可统称为cone类型。
(1)全克隆(FullCone):NAT把所有来自相同内部IP地址和端口的请求映射到相同的外部IP地址和端口。任何一个外部主机均可通过该映射发送IP包到该内部主机。
(2)限制性克隆(RestrictedCone):NAT把所有来自相同内部IP地址和端口的请求映射到相同的外部IP地址和端口。但是,只有当内部主机先给IP地址为X的外部主机发送IP包,该外部主机才能向该内部主机发送IP包。
(3)端口限制性克隆(PortRestrictedCone):端口限制性克隆与限制性克隆类似,只是多了端口号的限制,即只有内部主机先向IP地址为X,端口号为P的外部主机发送1个IP包,该外部主机才能够把源端口号为P的IP包发送给该内部主机。
(4)对称式NAT(SymmetricNAT):这种类型的NAT与上述3种类型的不同,在于当同一内部主机使用相同的端口与不同地址的外部主机进行通信时,NAT对该内部主机的映射会有所不同。对称式NAT不保证所有会话中的私有地址和公开IP之间绑定的一致性。相反,它为每个新的会话分配一个新的端口号。
其中，移动终端(手机端APP)和控制器进行TCP互联实现过程如下：
1)服务器工作时启动两个网络侦听，一个叫主连接侦听，一个叫协助打洞侦听。
2)控制器和移动终端(手机端APP)分别与服务器的主连接侦听保持联系。
3)当控制器需要和移动终端(手机端APP)建立直接的TCP连接时，首先连接服务器的协助打洞侦听端口，并发送协助连接申请；同时在该端口号上启动侦听。注意由于要在相同的网络终端上绑定到不同的套接字上，所以必须为这些套接字设置SO_REUSEADDR属性(即允许重用)，否则侦听会失败。
4)服务器的协助打洞侦听连接收到控制器的申请后通过主连接侦听通知移动终端(手机端APP)，并将控制器经过控制器的私网转换后的公网IP地址和端口等信息发送给移动终端(手机端APP)。
5)移动终端(手机端APP)收到服务器的连接通知后首先与服务器的协助打洞侦听端口连接，随便发送一些数据后立即断开，让服务器能接收移动终端(手机端APP)经过移动终端(手机端APP)私网转换后的公网IP和端口号。
6)移动终端(手机端APP)尝试与控制器的经过控制器的私网转换后的公网IP地址和端口进行连接。
7)移动终端(手机端APP)打洞的同时在相同的端口上启动侦听。
8)移动终端(手机端APP)在一切准备就绪以后通过与服务器的主连接侦听回复消息后，服务器在收到以后将移动终端(手机端APP)经过移动终端(手机端APP)私网转换后的公网IP和端口号告诉给控制器；控制器收到服务器回复的移动终端(手机端APP)的公网IP和端口号等信息以后，开始连接到移动终端(手机端APP)公网IP和端口号，由于移动终端(手机端APP)曾经尝试连接过控制器的公网IP地址和端口，控制器的私网纪录了此次连接的信息，所以当控制器主动连接移动终端(手机端APP)时，移动终端(手机端APP)私网会认为是合法的SYN数据，并允许通过，从而直接的TCP连接建立起来了。
下面对番茄水肥滴灌数学模型中的番茄生长周期内所需水肥基本参数进行描述如下：(注：番茄生长核心参数)
按照番茄生长周期需肥水规律分为定植前、苗期、开花座果期、成熟采摘区四个生长期：
1定植前
土壤施入腐熟优质厩肥1000kg、消毒烘干鸡粪1000kg、三元复合肥(N、P2O5和K2O的含量分别为12％、18％和15％)100kg、尿素(N46％)15kg，硫酸钾20kg。
2苗期
2.1苗期前期：施入尿素(N46％)10kg，硫酸钾10kg
2.2苗期中期：施入尿素(N46％)15kg，硫酸钾12kg；
2.3苗期后期：施入施入尿素(N46％)10kg，磷酸二氢钾8kg。
2.4苗期灌水次数和间隔天数(次/天)：(3-4)/7；
灌水量(mm/株)：60；
肥料各元素含量(％)：氮35，钾18，磷4
施肥次数及间隔天数(次/天)：(2-3)/7
3花期及坐果期
3.1开花座果期：磷酸二铵8kg，尿素8kg、硫酸钾10g，冲施肥20kg，微量元素肥料5kg；
3.2开花座果期灌水次数和间隔天数(次/天)：(6-7)/7；
灌水量(mm/株)：90；
肥料各元素含量(％)：氮40，钾25，磷8
施肥次数及间隔天数(次/天)：(2-3)/5
4成熟采摘期
4.1成熟采摘盛期：磷酸二铵12～15Kg、尿素30kg、硫酸钾4Og，冲施肥15kg，微量元素肥料8kg；
4.2成熟采摘后期：施尿素8kg、硫酸钾10kg。总追肥量为尿素80kg，磷酸二铵12kg，硫酸钾30g；
4.3成熟采摘期灌水次数和间隔天数(次/天)：(7-8)/5；
灌水量(mm/株)：150；
肥料各元素含量(％)：盛期氮50，钾32；采摘后期：氮36，钾50，磷12
施肥次数及间隔天数(次/天)：(8-9)/5。
其中，关键施肥参数如下：
a、通过番茄不同生长发育周期灌溉用水组成，测得番茄产量形成用水为2-5％，蒸腾用水为25-30％，土壤贮水18-23％，渗透用水为4-30％，蒸发用水为5-8％，确定了每株植株在不同生长周期的具体灌水量。
b、适度亏缺灌溉对番茄的产量降低不明显，但却明显提高产品的品质，因此选取节水效果好、产量降低不明显、品质优良的灌水量应用于番茄生产。在番茄苗期适度亏缺灌溉与常规管理对比试中，适度亏缺灌溉分别亏缺10％、20％、30％、40％灌水量，检测番茄产量和品质，表明：亏缺20％的用水量不但没有降低番茄的品质和产量，相反提高了番茄可溶性糖、番茄红素等的含量，使番茄的品质有了较大的提高，亩产量比常规管理增加了5.75％(见表1)。
表1温室番茄苗期适度亏缺与常规管理下番茄品质和产量对比结果
注明：处理1、2、3、4为水量依次亏缺10％、20％、30％、40％，CK为常规管理。
c、水肥耦合技术将水和肥之间的有机联系，利用其协同效应，进行水肥及植物综合管提高植物生产力和水肥利用效率。水肥耦合能够改善土壤养分状况，促进作物根系发育，提高根系从深层吸收水分的能力，进而促进植物地上部生长,增加干物质积累，提高作物产量。因此水肥耦合能提高水分利用率，节约用水。试验中，根据不同生长发育周期需要的肥料种类不同，将水肥溶液同时供给植株，使植株的长势、产量和品质达到一个最佳状态。
根据本发明实施例的番茄水肥一体化智能精准灌溉系统，可以采用上位机(如移动终端或者计算机，优选移动终端中的手机APP)通过无线通信网络(如3G网络)远程监控番茄温室的水肥参数以及远程控制水肥灌溉，以减少人工及水肥投入，达到智能化及最优化番茄生产的目。还根据番茄的不同生长期需水，需肥的规律情况完成了番茄水肥滴灌数学模型，根据该预设的数学模型由控制器把水分、养分定时定量，按比例自动化地提供给番茄植株，其精准度高，使番茄的生长环境处于最佳值，保证适时适量地满足作物生长所需要的水分从而达到节水灌溉及灌溉自动化的目的，解决传统单纯节水灌溉或者单纯施肥造成的资源流失、植物吸收率低、番茄减产和品质降低等问题。其中传感器模块利用土壤氮离子传感器、土壤磷离子传感器、土壤钾离子传感器、土壤湿度传感器能够感知在番茄生长的不同时期的土壤肥料参数，然后依据风量传感器、室内温湿度传感器采集温室空气参数，配合风机进行定时定量换风，利用番茄水肥滴灌数学模型，结合滴灌系统为番茄提供一整套精准水肥滴灌，就能够为温室番茄提供一个理想的生长环境，不但节省了肥料，而且还能增加产量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。