一种基于水肥一体化的农田智慧灌溉系统及方法与流程

本发明涉及农业灌溉，具体为一种基于水肥一体化的农田智慧灌溉系统及方法。

背景技术：

1、水肥一体化技术，指灌溉与施肥融为一体的农业新技术。通过水溶解固体化肥或稀释液体化肥，用于灌溉施肥、叶面施肥、无土栽培、浸种蘸根等。水溶肥是指水溶性在95％以上的液体或固体肥料，可按照土壤情况配置多种肥料成分，含氮磷钾、微量元素、植物调节剂等养分。通过喷滴灌系统，在灌溉的同时将肥料配兑成肥液与灌溉水一起输送到作物根部或叶面发育生长区域，把水分、养分均匀、精准、定时定量的提供给作物，能够极大程度提高水与化肥的利用效率。

2、现阶段，水肥的灌溉往往是由人工根据经验判断农作物需求，来进行的粗略配比灌溉，水肥配制比例往往是足额配置，即采用固定比例、固定重量的水与肥进行配制，不能实现按水与肥的具体需要进行精准配比。在灌溉方式上，往往是整块种植区域统一开关式灌溉，要不然全部开始灌溉，要不然全部停止灌溉，不能做到按需求的小范围精准灌溉。在水肥灌溉的过程中，水肥灌溉的温度与农作物吸收养分速度和效率具备一定关联性，一般在0～30℃范围内,随温度上升,作物吸收养分速度加快,水肥分解转化速度变快，农作物吸收养分速度和效率大大提升。在现阶段的水肥灌溉过程中往往对水肥温度情况不够重视，只是保持水肥温度不会出现冻结、过热的情况，没有按照不同的农作物种类、生长阶段来进行水肥温度适应化控制，造成水肥的养分流失和浪费，这些问题已经成为迫不及待需要解决的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于水肥一体化的农田智慧灌溉系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于水肥一体化的农田智慧灌溉系统，该灌溉系统包括数据采集模块、数据处理模块、设备控制模块和数据存储模块。

3、所述数据采集模块通过土壤墒情仪收集土壤温湿度信息，通过遥感技术收集农作物面积和长势情况，将这些信息传递到数据处理模块；所述数据处理模块先判断传递过来的信息是否满足灌溉条件，满足条件则将对应数据代入灌溉模型中进行模拟计算，计算出要激活的灌溉点、水肥重量比例、水肥温度和灌溉速度等灌溉信息，将这些灌溉信息以指令形式发送至设备控制模块；所述设备控制模块能够接收指令信息，通过相关设备实现对灌溉点启动、水肥配制、水肥温度的控制；所述数据存储模块会自动记录收集信息和灌溉信息，存入数据库。

4、通过上述技术方案，首先，系统自动采集信息，并对采集到的信息进行判断是否满足灌溉条件，如果满足则将所有数据代入灌溉模型中进行模拟计算，得到灌溉信息；其次，系统自动将灌溉信息转化为指令信息，发送至对应设备，相应设备接收指令进行灌溉工作；最后将所有信息存入数据库备份，给管理员提供溯源功能。

5、所述数据采集模块包括土壤温湿度收集单元和施肥范围收集单元。所述土壤温湿度收集单元是通过均匀分布在农田不同位置的土壤墒情仪来进行信息收集，这些土壤墒情仪能够实时收集土壤的温度和湿度信息，系统实时记录所有土壤墒情仪的位置信息及它们收集的土壤温湿度信息；所述施肥范围收集单元是通过遥感技术来进行信息收集，通过最新的遥感影像，识别出农作物区域，对农作物区域进行信息提取，提取出农作物面积信息和农作物长势信息以及农作物的位置信息，将这些信息记录到系统中。

6、通过上述技术方案，能够实现对所需要的信息通过各种技术手段进行收集，为后续数据处理模块提供数据支撑。

7、所述数据处理模块包括灌溉区域划分单元、灌溉点激活单元、水肥配制单元和灌溉温度控制单元。所述灌溉区域划分单元用于对不同类型的异常情况进行灌溉区域的划分，首先将农作物长势信息中的叶面积指数、土壤温度、土壤湿度与系统中保留的同种农作物对应生长阶段正常参考区间进行判断，判断是否处于区间内，处于区间内，说明情况正常，系统不做处理；不处于区间内，说明情况异常，系统自动提取出不处于区间的农作物或土壤墒情仪对应的位置信息并进行记录。以记录到的位置信息中的地理坐标为圆心，灌溉点设备最大灌溉距离为半径，划分出圆形面积作为灌溉面积。按照异常类型的不同作为灌溉类型，灌溉类型包括：养分调整区、温度调整区和湿度调整区。其中：

8、如果遥感技术不能精准识别到农作物的种类信息及对应生长阶段信息，就需要人工进行手动标注，在对应区域进行标注，方便系统进行有效对比判断。

9、所述灌溉点激活单元用于根据不同位置的灌溉面积选择要激活的灌溉点，系统自动识别灌溉面积范围内的灌溉点设备，自动收集对应灌溉点设备信息，灌溉点能够根据系统指令以不同速度对农作物根部进行灌溉，需要激活的对应灌溉点设备信息以指令形式发送至设备控制模块。需要注意的是：

10、如果同一个灌溉面积范围内有多个灌溉点设备，系统自动采用距离灌溉面积圆心点距离最近的灌溉点设备进行信息记录，以指令形式发送至设备控制模块进行激活。

11、不同类型的灌溉面积处于叠加状态时，且叠加面积超过自身面积80％时，为提高灌溉效率，系统放弃原有的灌溉点设备信息记录，系统自动识别叠加面积范围内的灌溉点设备进行信息记录；叠加范围内如果存在多个灌溉点设备的情况下，系统优先选择距离叠加面积中心点距离最近的灌溉点设备进行信息记录，以指令形式发送至设备控制模块进行激活。

12、距离灌溉面积圆心点距离最近的灌溉点设备如果存在损坏不能使用的情况下，系统自动选择距离第二的灌溉点设备进行信息记录，如果依然是损坏状态，以此类推，继续向后选择。

13、所述水肥配制单元能够根据各灌溉点的不同需求，计算出配制不同种类、比例和重量的水肥所需要的参数信息，将这些参数信息以指令形式发送至设备控制模块，参数信息包括土壤温度调整值、单位面积肥料投入值、单位面积灌溉水量和灌溉点灌溉速度中的一种或多种。

14、所述灌溉温度控制单元用于计算出水肥在配制环境中和配制完成后需要设定或达到的温度值，由于温度与肥料的溶解度在一定范围内成正比关系，当水的重量不能满足肥料的完全溶解时，适当提高配制环境温度，可以提高肥料溶解度，更利于水肥的溶解，减少残留物。根据各灌溉点不同的水与肥重量需求，计算出不同的配制环境温度，将配制环境温度和土壤温度调整值以指令形式发送至设备控制模块。其中：

15、土壤温度调整值是通过水肥灌溉时的温度值来进行调整影响，取值时应该满足该农作物对应生长阶段适宜温度区间，不可过高或过低，高于或低于这个区间可以会导致农作物减产、枯萎，甚至死亡。

16、土壤温度调整值应该考虑在运输过程中的环境损耗，当室外温度过高或者过低时，土壤温度调整值设定也应该较低或较高，尽可能降低运输环境因素的影响。

17、通过上述技术方案，能够实现对灌溉条件是否满足的判断，以及满足灌溉条件后，需要激活的灌溉点设备信息、水肥配制参数和水肥温度参数的数据分析与处理，从而给对应设备发送指令信息。

18、所述设备控制模块能够接收数据处理模块传递过来的指令信息对灌溉点启动、水肥配制、水肥温度进行控制。通过水肥配比设备完成水肥配制；通过温度控制设备完成对水肥配制过程中和配制完成后的温度控制；通过运输管道将水肥从水肥配比设备中输送到灌溉点设备；通过灌溉点设备完成水肥对农作物的灌溉。其中：

19、土壤温度调整值是通过水肥配制完成后的温度值来进行调整影响，当水肥配制完成时，应该测量实际温度值，并与土壤温度调整值相比较。实际温度值低于土壤温度调整值，可以加热一段时间至土壤温度调整值再进行传输；实际温度值高于土壤温度调整值，可以静置一段时间待冷却至土壤温度调整值再进行传输。

20、通过上述技术方案，相应设备接收到对应指令信息，自动完成水肥的配制与运输，针对有需要的灌溉区域进行灌溉。

21、所述数据存储模块包括存储单元，存储单元会记录数据采集模块中的农作物信息、土壤温湿度信息、土壤墒情仪位置信息和农作物位置信息，以及数据处理模块中计算得到的各灌溉区域面积和类型信息、需要激活的灌溉点设备信息、水肥配制信息和灌溉温度信息，将这些收集信息和灌溉信息存入数据库。

22、通过上述技术方案，实现了系统的自动备份功能，将这些信息存入mysql数据库进行备份，为以后溯源工作提供数据支持。

23、一种基于水肥一体化的农田智慧灌溉方法，该方法包括以下步骤：

24、s1、收集农田的相关数据；

25、s2、判断对应数据是否满足灌溉条件；

26、s3、满足灌溉条件，将相关数据代入模型中计算出灌溉信息；

27、s4、灌溉信息以指令形式发送到对应设备，设备接收指令进行灌溉工作；

28、s5、将收集的信息和灌溉信息存入数据库。

29、在s1中,所述数据包括分布在各处的土壤墒情仪检测到的土壤温湿度信息、遥感技术拍摄到的农作物面积信息和农作物长势信息，以及土壤墒情仪和农作物的地理位置信息。

30、通过上述技术方案，可以实现对所需要的信息通过各种方式进行收集，为后续数据处理模块提供数据支撑。

31、在s2中，灌溉条件的判断影响因素包括作物长势、土壤温度和土壤湿度；其中，作物长势通过分析遥感影像计算出叶面积指数值来进行数据收集，土壤温度与湿度通过土壤墒情仪进行数据收集；对收集到的数据进行判断，步骤如下：

32、s201、收集每个土壤墒情仪检测到的温度值，分别进行判断是否处于系统中保留的同种农作物对应生长阶段正常温度区间内，处于区间内则为正常情况，不处于区间内则为异常情况需要进行灌溉调整，记录异常温度值以及对应位置信息；

33、s202、收集每个土壤墒情仪检测到的湿度值，分别进行判断是否处于系统中保留的同种农作物对应生长阶段正常湿度区间内，处于区间内则为正常情况，不处于区间内则为异常情况需要进行灌溉调整，记录异常湿度值以及对应位置信息；

34、s203、对遥感影像进行分析，将近红外波段的反射值与红光波段的反射值之差比上两者之和，计算得到归一化植被指数；公式如下：

35、

36、式中，ndvi为归一化植被指数，nir为近红外波段的反射值，r为红光波段的反射值；ndvi值在[-1,1]区间内，负值表示地面覆盖为云、水、雪，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等，nir和r近似相等；正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大；

37、s204、根据得到的归一化植被指数，再代入公式中计算出叶面积指数；判断叶面积指数是否处于同种农作物对应生长阶段正常区间内，处于区间内则为正常情况，不处于区间内则为异常情况需要进行灌溉调整，记录异常叶面积指数值以及对应位置信息；叶面积指数计算公式如下：

38、

39、式中，ndvi为归一化植被指数,lai为叶面积指数。

40、通过上述技术方案，实现了对土壤温湿度和农作物长势情况的异常判断，异常情况即为满足灌溉条件，自动记录异常类型和异常值。

41、在s3中，所述灌溉条件即为收集的数据出现一种或多种异常情况，异常情况包括土壤养分异常、土壤温度异常和土壤湿度异常；当一种或多种异常情况发生时，就需要将异常情况代入灌溉模型中计算，进行灌溉调整；以出现异常情况对应的位置信息中的地理坐标为圆心，灌溉点设备最大灌溉距离为半径，划分出一块圆形面积作为灌溉面积，自动识别圆形范围内的灌溉点设备，并记录灌溉点设备信息；同时，将出现异常的数据与系统中保留的同种农作物对应生长阶段正常标准值进行运算，计算结果为对应异常情况的调整值，再将一个或多个调整值代入灌溉模型中计算出对应的灌溉信息；步骤如下：

42、s301、当土壤温度值出现异常时，低于系统中保留的同种农作物对应生长阶段正常温度区间,自动采用系统中保留的同种农作物对应生长阶段正常标准温度值作为土壤温度调整值；

43、s302、当叶面积指数出现异常时，低于系统中保留的同种农作物对应生长阶段正常叶面积指数区间,将出现异常的叶面积指数代入公式中，计算得到单位面积肥料投入值；公式如下：

44、lait＝laib-lai

45、

46、式中，lait为土壤养分调整值，laib为同种农作物对应生长阶段正常标准叶面积指数，lai为实际检测叶面积指数,f为单位面积肥料投入值，l为叶面积影响系数，m为目标产量，b为植物单位产量养分吸收量，t为土地面积，k为供应养分土层厚度，r为土壤容重，c为土壤速效养分测定值，a为效正系数，z为肥料养分含量，g为某元素肥料当季利用率；

47、s303、当土壤湿度值出现异常时，低于系统中保留的同种农作物对应生长阶段正常湿度区间,将出现异常的土壤湿度值代入公式中，计算需要湿度调整水量；公式如下：

48、i＝[0.1×h×r×(sb-s)]-(p-ro)-cr+e+tr+dp

49、式中，i为单位面积湿度调整水量，h为土层厚度，r为土壤容重，sb为同种农作物对应生长阶段正常标准湿度值，s为实际检测湿度值，p为降雨量，ro为地表径流量，cr为浅层地下水位的毛细上升量，e为土壤蒸发量，tr为作物蒸腾量，dp为渗滤损失量；

50、s304、根据肥和水的计算结果判断能否进行正常配比，代入公式中计算出单位面积灌溉水量；公式如下：

51、

52、式中，j为单位面积灌溉水量，f为单位面积肥料投入值，i为单位面积湿度调整水量，pb为水肥配比系数；

53、s305、再根据水肥重量信息与系统中保留的同种农作物对应生长阶段吸收速度，计算得到灌溉点灌溉速度；计算公式如下：

54、

55、式中，gs为灌溉点灌溉速度，f为单位面积肥料投入值，i为单位面积湿度调整水量，pb为水肥配比系数，n为农作物吸水速度，q为对应生长阶段影响系数，tc为作物蒸腾速度，dc为渗透流失速度。

56、通过上述技术方案，实现对土壤温度调整值、单位面积肥料投入值、单位面积灌溉水量和灌溉点灌溉速度的数据计算，从而给对应设备发送指令信息。

57、在s4中，所述灌溉信息包括土壤温度调整值、单位面积肥料投入值、单位面积灌溉水量和灌溉点灌溉速度中的一种或多种，这些信息以指令形式发送到对应设备；所述设备包括水肥配比设备、温度控制设备、运输管道和灌溉点设备，这些设备接收指令信息，并且根据指令信息进行工作，步骤如下：

58、s401、水肥配比设备根据每个灌溉点的单位面积肥料投入值和单位面积灌溉水量分别进行水肥配制，配制过程中，温度控制设备根据最大溶解度原则设定配制环境温度；

59、s402、水肥配制完成后，温度控制设备根据土壤温度调整值指令对水肥温度进行调整，到达调整值后，运输管道将水肥从水肥配比设备中输送到灌溉点设备；

60、s403、灌溉点设备根据灌溉点灌溉速度指令对水肥进行匀速灌溉。

61、通过上述技术方案，相应设备接收到对应指令信息，自动完成水肥的配制与运输，针对有需要的灌溉区域进行灌溉。

62、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

63、1.本发明对土壤信息和农作物长势情况进行收集，能够根据农作物具体需求进行水与肥的精准配比，摒弃传统的足额定量的粗略式配比，节约水资源，降低肥料的浪费率。

64、2.本发明在水肥灌溉过程中，对种植区域按需精准灌溉，按需求种类不同划分不同类型的灌溉面积，实现小面积单灌溉点精准灌溉，相比于传统的人工大面积统一开关式灌溉，降低人工负担，提高灌溉效率。

65、3.本发明对水肥温度进行双重控制，在配制环境中对温度控制，提高肥料溶解度，降低残留物概率。在配制完成后对温度控制，使其到达农作物生产阶段对应适宜的温度区间，提高水肥分解效率和农作物吸收效率。

66、4.本发明通过对灌溉点设备水速自适应调控，使水肥灌溉速度与农作物吸收速度相适应，避免水肥灌溉速度过快，造成养分和水分的快速流失，或水肥灌溉速度过慢，农作物吸收不充足的现象发生。