本發(fā)明涉及一種水肥一體化控制方法，具體涉及一種隨天氣變化的水肥藥一體化控制方法。
背景技術(shù)：
水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，其具有“三節(jié)”(節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥)、“三省”(省工、省力、省心)和“三增”(增產(chǎn)、增收、增效)的良好效果，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的“一號(hào)技術(shù)”。
目前市場(chǎng)上的水肥一體控制單元采用參數(shù)配置固定、啟動(dòng)定時(shí)、定次數(shù)的三定工作模式；其采用方法是在存儲(chǔ)模塊內(nèi)存儲(chǔ)有不同農(nóng)作物于生長(zhǎng)期內(nèi)不同根系長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的用水量和用肥量；定數(shù)器、定時(shí)器與控制器相連，實(shí)現(xiàn)水泵和肥泵定時(shí)、定次數(shù)的啟動(dòng)；定次數(shù)與定時(shí)一經(jīng)配置好，就不能根據(jù)天氣的變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整，即使明天有明顯的降水過(guò)程，整個(gè)流程也必須按設(shè)定的方式完成；這種三定模式由于要面對(duì)種植對(duì)象不同、種植地域不同等情況，控制單元配置信息量大、現(xiàn)場(chǎng)修改控制參數(shù)不方便。而且還要面對(duì)用戶(hù)更換品種又必須修重新配置參數(shù)的問(wèn)題；總之這種模式是采用事先設(shè)定好控制流程和操控方案，由操作員啟動(dòng)一次后自動(dòng)完成所設(shè)定的所有工作流程的模式；這種不管天氣情況的不斷變化、不管作物生長(zhǎng)的實(shí)際情況，一律按事先設(shè)定流程工作的模式，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，也越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種根據(jù)天氣情況不同動(dòng)態(tài)調(diào)整引水時(shí)間、追肥時(shí)間、補(bǔ)水時(shí)間的水肥藥一體化控制方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種隨天氣變化的水肥藥一體化控制方法，包括以下步驟：
1)、獲取氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)判斷農(nóng)事活動(dòng)是否適宜，適宜轉(zhuǎn)入步驟2)，不適宜則退出；
2)、從氣象數(shù)據(jù)中抽取核心氣象要素，計(jì)算各氣象要素對(duì)特定農(nóng)事活動(dòng)供水量的影響權(quán)值&i，計(jì)算方法如下：
&i＝redi
式中：re為氣象要素與本區(qū)域水蒸發(fā)量間的相關(guān)系數(shù)，di為本時(shí)間段內(nèi)相關(guān)氣象要素的均值與常年同期均值的差；
3)、根據(jù)&i對(duì)農(nóng)事活動(dòng)，在特定種植對(duì)象各階段設(shè)定的追肥時(shí)間、打藥時(shí)間、引水時(shí)間和補(bǔ)水時(shí)間的默認(rèn)值進(jìn)行修訂；具體計(jì)算方法如下：
式中：Mj為特定種植對(duì)象和農(nóng)事活動(dòng)追肥時(shí)間、打藥時(shí)間、引水時(shí)間和補(bǔ)水時(shí)間的默認(rèn)值，n為農(nóng)事活動(dòng)的核心氣象要素個(gè)數(shù)；
4)、根據(jù)修正后的追肥時(shí)間、打藥時(shí)間、引水時(shí)間和補(bǔ)水時(shí)間，控制電動(dòng)水閥的啟閉。
進(jìn)一步的，所述步驟1)中根據(jù)氣象數(shù)據(jù)判斷農(nóng)事活動(dòng)是否適宜的方法如下：
確定氣象條件對(duì)特定農(nóng)事活動(dòng)的影響程度，如滿足設(shè)定的氣象條件則規(guī)定其影響因子為2，如不滿足設(shè)定的氣象條件則規(guī)定其影響因子為0，其余設(shè)定為1；計(jì)算各判別條件影響因子的乘積A和各判別條件影響因子的合計(jì)值B：
式中：Xi為第i個(gè)判別條件影響因子值，n為特定農(nóng)事活動(dòng)差別條件總數(shù)；
若A不為0，B為2n，則該農(nóng)事活動(dòng)適宜，否則為不適宜。
進(jìn)一步的，所述步驟2)中核心氣候要素包括活動(dòng)積溫Aa、有效積溫Ae、計(jì)頻Na、日較差Ba和日照時(shí)數(shù)Sn；
其中：
需滿足Ti＞B，Ti為溫度，B為種植對(duì)象所要求的下限溫度，一般n取30；
Xi＞C，Na加1，Xi≤C時(shí)，Na不變，其中Xi為氣象要素測(cè)試數(shù)據(jù)，C為種植對(duì)象所要求的該氣象要素下限值；
Ba＝Ti-Tj
Ti為上午8點(diǎn)到下午20點(diǎn)的平均溫度，Tj為下午20點(diǎn)到早上8點(diǎn)的平均溫度；
Sn＝Xi-Xj
Xi為上午8點(diǎn)的日照數(shù)據(jù)，Xj為下午20點(diǎn)的日照數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步的，所述農(nóng)事活動(dòng)包括澆水、施肥和打藥。
進(jìn)一步的，所述氣象數(shù)據(jù)為前三天和后三天的氣象數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步的，所述后三天的氣象數(shù)據(jù)通過(guò)基于NBIOT的農(nóng)業(yè)物聯(lián)通信模塊獲得。
進(jìn)一步的，所述前三天的氣象數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器采集。
本發(fā)明的有益效果是：
(1)本發(fā)明充分利用氣象數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)的調(diào)整追肥時(shí)間、打藥時(shí)間、引水時(shí)間和補(bǔ)水時(shí)間；
(2)本發(fā)明將氣象信息融合到控制過(guò)程中能精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)施肥、打藥和澆水，使得過(guò)程更加精化、智能化，能夠最大限度的減少化工原料對(duì)環(huán)境的影響。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
一種隨天氣變化的水肥藥一體化控制方法，包括以下步驟：
1)、獲取氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)判斷農(nóng)事活動(dòng)是否適宜，適宜轉(zhuǎn)入步驟2)，不適宜則退出；
2)、從氣象數(shù)據(jù)中抽取核心氣象要素，計(jì)算各氣象要素對(duì)特定農(nóng)事活動(dòng)供水量的影響權(quán)值&i，計(jì)算方法如下：
&i＝redi
式中：re為氣象要素與本區(qū)域水蒸發(fā)量間的相關(guān)系數(shù)，di為本時(shí)間段內(nèi)相關(guān)氣象要素的均值與常年同期均值的差；其中re通過(guò)各氣象要素與水蒸發(fā)要素按照積差計(jì)算得到；
3)、根據(jù)&i對(duì)農(nóng)事活動(dòng)，在特定種植對(duì)象各階段設(shè)定的追肥時(shí)間、打藥時(shí)間、引水時(shí)間和補(bǔ)水時(shí)間的默認(rèn)值進(jìn)行修訂；具體計(jì)算方法如下：
式中：Mj為特定種植對(duì)象和農(nóng)事活動(dòng)追肥時(shí)間、打藥時(shí)間、引水時(shí)間和補(bǔ)水時(shí)間的默認(rèn)值，n為農(nóng)事活動(dòng)的核心氣象要素個(gè)數(shù)；
4)、根據(jù)修正后的追肥時(shí)間、打藥時(shí)間、引水時(shí)間和補(bǔ)水時(shí)間，控制電動(dòng)水閥的啟閉，完成控制過(guò)程。
進(jìn)一步的，所述步驟1)中根據(jù)氣象數(shù)據(jù)判斷農(nóng)事活動(dòng)是否適宜的方法如下：
確定氣象條件對(duì)特定農(nóng)事活動(dòng)的影響程度，如滿足設(shè)定的氣象條件則規(guī)定其影響因子為2，如不滿足設(shè)定的氣象條件則規(guī)定其影響因子為0，其余設(shè)定為1；計(jì)算各判別條件影響因子的乘積A和各判別條件影響因子的合計(jì)值B：
式中：Xi為第i個(gè)判別條件影響因子值，n為特定農(nóng)事活動(dòng)差別條件總數(shù)；
若A不為0，B為2n，則該農(nóng)事活動(dòng)適宜，否則為不適宜。
澆水、施肥、打藥均為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)事活動(dòng)，要首先判別這項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)是否合適，其氣象條件判斷規(guī)則如下：
某項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)任意判別條件為不適宜，則該項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)氣象等級(jí)為不適宜；其余情況下，該項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)氣象等級(jí)為較適宜；
表1為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中水肥藥農(nóng)事活動(dòng)氣象等級(jí)判別指標(biāo)
進(jìn)一步的，所述步驟2)中核心氣候要素包括活動(dòng)積溫Aa、有效積溫Ae、計(jì)頻Na、日較差Ba和日照時(shí)數(shù)Sn；
其中：
需滿足Ti＞B，Ti為溫度，B為種植對(duì)象所要求的下限溫度，一般n取30；
Xi＞C，Na加1，Xi≤C時(shí)，Na不變，其中Xi為氣象要素測(cè)試數(shù)據(jù)，C為種植對(duì)象所要求的該氣象要素下限值；
Ba＝Ti-Tj
Ti為上午8點(diǎn)到下午20點(diǎn)的平均溫度，Tj為下午20點(diǎn)到早上8點(diǎn)的平均溫度；
Sn＝Xi-Xj
Xi為上午8點(diǎn)的日照數(shù)據(jù)，Xj為下午20點(diǎn)的日照數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步的，所述農(nóng)事活動(dòng)包括澆水、施肥和打藥。
進(jìn)一步的，所述氣象數(shù)據(jù)為前三天和后三天的氣象數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步的，所述后三天的氣象數(shù)據(jù)通過(guò)基于NBIOT的農(nóng)業(yè)物聯(lián)通信模塊獲得。
進(jìn)一步的，所述前三天的氣象數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器采集。
自動(dòng)控制設(shè)備每10分鐘采集相關(guān)的氣候要素(如空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、雨量等)，存入本地的存儲(chǔ)器中，同時(shí)通過(guò)基于NBIOT的農(nóng)業(yè)物聯(lián)通信模塊從中國(guó)天氣網(wǎng)上獲取溫度、降水等相關(guān)的預(yù)報(bào)信息；在設(shè)備存儲(chǔ)器中采用SQLIT數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)自身所采集的最新10天的氣候數(shù)據(jù)和3天內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)信息；在控制過(guò)程中氣象數(shù)據(jù)以天為時(shí)間單位進(jìn)行處理；首先進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，抽取或校正有用的氣象信息數(shù)據(jù)；計(jì)算每個(gè)氣候要素的平均值、每天的最大值、最小值并存入數(shù)據(jù)表中；在本算法中需要對(duì)溫度、水、光等核心氣象要素進(jìn)行深層次的加工處理，如計(jì)算滿足一定的積溫、日較差、光照時(shí)長(zhǎng)、降水頻次等數(shù)據(jù)結(jié)果并存入數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)表中的存入最新10天的數(shù)據(jù)。
使用時(shí)，根據(jù)收集的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行核心氣象要素指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)上述判別規(guī)則判定是否適宜某項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)；根據(jù)作物的生長(zhǎng)階段、土壤的含水量、過(guò)去三天空氣的溫濕度、后三天的空氣溫濕度預(yù)報(bào)以及降水量預(yù)報(bào)等相關(guān)信息，調(diào)整水肥藥一體化工藝流程；控制過(guò)程的改變反應(yīng)在水肥一體化控制器上為輸出控制時(shí)間的長(zhǎng)短和閥門(mén)開(kāi)合角度的控制以及改變輸送水管的壓力等兩種方式；具體控制過(guò)程如下：
首先判別農(nóng)事活動(dòng)是否適宜，如不適宜控制器向用戶(hù)反饋不要進(jìn)行此農(nóng)事活動(dòng)，并退出；如果適宜則轉(zhuǎn)入下一步；
各氣象要素對(duì)特定農(nóng)事活動(dòng)供水量的影響權(quán)值&i的計(jì)算，根據(jù)本地區(qū)30年整編資料、文件等基本的氣象數(shù)據(jù)，確定核心氣候要素間的相關(guān)系數(shù)，最后與本時(shí)段內(nèi)相關(guān)氣象要素的均值與常年同期均值的差相乘得到各氣象要素對(duì)特定農(nóng)事活動(dòng)供水量的權(quán)值；
根據(jù)種植對(duì)象、土壤性質(zhì)、作物生長(zhǎng)階段的不同，事先在控制器中設(shè)定追肥時(shí)間、引水時(shí)間、補(bǔ)水時(shí)間的默認(rèn)值；
水肥藥一體化農(nóng)事活動(dòng)過(guò)程中，不同的農(nóng)事活動(dòng)揀選的功能不同，每個(gè)階段的時(shí)間也不相同，如表2、表3、表4所示；其表中N的個(gè)數(shù)為影響本農(nóng)事活動(dòng)的核心氣象要素的個(gè)數(shù)，&i為此氣象要素影響因子的權(quán)值，追肥時(shí)間、打藥時(shí)間與肥和藥的用時(shí)相關(guān)；從表中可以看出在不同的氣候條件下改變了水肥比、水藥比；可以看出在不同的氣候條件下，可改變用水量；
表2：某種植對(duì)象施肥活動(dòng)氣象因子影響權(quán)值例表
表3：某種植對(duì)象噴藥活動(dòng)氣象因子影響權(quán)值例表
表4：某種植對(duì)象灌溉活動(dòng)氣象因子影響權(quán)值例表
控制器根據(jù)各階段時(shí)間長(zhǎng)短的不同和前后時(shí)間關(guān)系，向控制端口發(fā)出控制命令，分別控制噴水閥、施肥閥、噴藥閥的啟閉，直到所設(shè)定的每個(gè)階段時(shí)間到，并向用戶(hù)發(fā)送操作完成信息。
這種根據(jù)種植對(duì)象、土壤性質(zhì)、天氣變化等實(shí)際情況的不同動(dòng)態(tài)調(diào)整水肥一體化實(shí)現(xiàn)過(guò)程的方法，分為三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)，不需額外的存儲(chǔ)器、定時(shí)器與計(jì)數(shù)器；只需要一個(gè)STM32核心微控芯片就可實(shí)現(xiàn)，減輕控制器設(shè)計(jì)難度，控制器調(diào)度的數(shù)據(jù)量也大幅減少，使用簡(jiǎn)單、方便，成本也大為下降；第一階段稱(chēng)為引水階段(或引水時(shí)間)根據(jù)作物對(duì)象不同，作物根系同吸肥方式不同，確定時(shí)間長(zhǎng)短；本階段只澆水不送肥，讓作物根系周?chē)幸欢ǖ乃?，讓肥力很快地滲透到作物根部最需要肥力的地方；時(shí)間長(zhǎng)短由水壓、管網(wǎng)大小、作物對(duì)象等決定；第二個(gè)階段稱(chēng)為追肥階段(或追肥時(shí)間)根據(jù)作物生長(zhǎng)期不同，土壤性質(zhì)的不同確定肥料用量；由于輸入管網(wǎng)固定，水壓固定，肥力輸送速率恒定，根據(jù)肥料用量計(jì)算出追肥的時(shí)間；第三個(gè)階段為補(bǔ)水階段(或補(bǔ)水時(shí)間)目的是水管管線上的肥料全都輸送到田間和肥力根據(jù)需要多往地下滲透一點(diǎn)，時(shí)間長(zhǎng)短仍根據(jù)作物的需要而定。
在農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，水肥一體化的操作流程應(yīng)該是動(dòng)態(tài)，三個(gè)階段的時(shí)間調(diào)整不光是建立在上面的三個(gè)不同情況基礎(chǔ)上的；更重要的是要根據(jù)天氣情況的不同動(dòng)態(tài)地改變?nèi)齻€(gè)時(shí)間，以及水肥控制器的工作流程；其方法是確定種植在每個(gè)生長(zhǎng)階段理論上所需的總水量，由水肥比、水藥比計(jì)算出引水時(shí)間、追肥時(shí)間、補(bǔ)水時(shí)間的大??；將氣象要素引入水肥一體過(guò)程方法是根據(jù)前三天空氣的溫度、濕度以及土壤的含水量以及后面三天本區(qū)域關(guān)鍵氣候要素預(yù)報(bào)的情況來(lái)改變水肥一體的工作流程和農(nóng)事安排。
為此，實(shí)現(xiàn)水肥一體化控制方法的控制裝置不僅要實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段的控制功能，還要完成關(guān)鍵氣候要素的采集(如空氣溫度、濕度、土壤水份等)；同時(shí)，還能遠(yuǎn)程接收云數(shù)據(jù)中心的相關(guān)參數(shù)和氣象預(yù)報(bào)信息，將其融合到水肥一體化整個(gè)控制過(guò)程中，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的施肥、打藥。充分達(dá)到“三節(jié)”、“三省”、“三增”的目的，最大限度地減少化工原料對(duì)環(huán)境的影響。
使用時(shí)，實(shí)現(xiàn)水肥一體化控制方法的控制裝置，每個(gè)支管上安裝一個(gè)電動(dòng)水閥，每一個(gè)支管所管的澆灌區(qū)域根據(jù)山區(qū)的地理環(huán)境或水壓的實(shí)際情況決定澆灌的面積；主水管電動(dòng)水閥和施肥打藥電動(dòng)閥由連接同一個(gè)一體化控制器，每個(gè)一體化控制器能夠獨(dú)立于云管理中心通信；通過(guò)對(duì)主水管和施肥打藥電動(dòng)閥的前后邏輯和開(kāi)關(guān)控制時(shí)間完成水肥一體化控制；本發(fā)明每一個(gè)一體化控制器采用低功耗設(shè)計(jì)，采用太陽(yáng)能+蓄電池的方式供電，可以減少現(xiàn)場(chǎng)的施工難度。
實(shí)現(xiàn)水肥一體化控制方法的控制裝置，包括一體化控制器和太陽(yáng)能電池板；一體化控制器通過(guò)太陽(yáng)能控制器連接太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能控制器還連接到蓄電池；一體化控制器連接到電動(dòng)水閥；一體化控制器包括STM32核心控制器和與其連接的基于NBIOT的農(nóng)業(yè)物聯(lián)通信模塊；STM32核心控制器連接用于收集天氣信息的傳感器，還連接安全控制電路，安全控制電路連接電動(dòng)水閥；基于NBIOT的農(nóng)業(yè)物聯(lián)通信模塊連接云管理中心。
控制裝置的軟件實(shí)現(xiàn)原理如下：
約定每一個(gè)控制通道的優(yōu)先級(jí)別為0～4，約定優(yōu)先級(jí)為5此控制通道無(wú)效；第一個(gè)控制通道無(wú)論何優(yōu)先級(jí)，只要有控制命令都立即啟動(dòng)，其它四個(gè)控制通道根據(jù)設(shè)定的優(yōu)先級(jí)確定開(kāi)、關(guān)的先后關(guān)系；控制通道1～5的優(yōu)先級(jí)只能遞減、不能遞增；如要實(shí)現(xiàn)遞增中間用一個(gè)5隔開(kāi)；如上一個(gè)控制通道的優(yōu)先級(jí)等于5本通道與第一個(gè)通道一樣的處理方式；為實(shí)現(xiàn)水肥一體化控制邏輯設(shè)計(jì)如下內(nèi)容的一張二維表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)容和初始你值如下表所示。其中工作優(yōu)先級(jí)由現(xiàn)場(chǎng)控制根據(jù)水閥連接的實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)參數(shù)配置的方式得到。
表5二維表的結(jié)構(gòu)與初始值表
軟件實(shí)現(xiàn)算法如下。
步驟1：初始化一個(gè)二維數(shù)組，如上表1所示。
步驟2：任何一個(gè)控制通道接到啟動(dòng)命令，如此通道為第1控制通道或控制優(yōu)先級(jí)為0，將要求啟動(dòng)標(biāo)置1，啟動(dòng)命令置1.再根據(jù)引水時(shí)間、追肥時(shí)間、補(bǔ)水時(shí)間計(jì)算此閥提前開(kāi)閥時(shí)間量，并打開(kāi)提前開(kāi)計(jì)時(shí)器；如控制優(yōu)先級(jí)為5此端口中不作任何操作。如控制優(yōu)先級(jí)為0和5外的1、2、3、4中的一種，判斷上一個(gè)通道的啟動(dòng)命令是否為1，提前開(kāi)時(shí)間到標(biāo)志是否為1，如這兩個(gè)標(biāo)志的置均為1，將本通道的啟動(dòng)標(biāo)志置1，完成水閥的前、后啟動(dòng)控制邏輯。
步驟3：程序不停掃描提前開(kāi)定時(shí)器并判斷定時(shí)時(shí)間是否到。如提前開(kāi)計(jì)時(shí)器時(shí)間到，將二維表是提前開(kāi)時(shí)間到標(biāo)志置1。
步驟4：掃描到啟動(dòng)命令被置1的通道進(jìn)行啟動(dòng)操作，并啟動(dòng)開(kāi)啟總時(shí)間計(jì)時(shí)器。
步驟5：判斷開(kāi)啟總時(shí)間計(jì)時(shí)器時(shí)間到關(guān)閉此控制通道的操作。
步驟6：重復(fù)步驟2～5，走到所有操作結(jié)束，并停機(jī)。
本發(fā)明可以充分調(diào)用氣象數(shù)據(jù)參與作物生長(zhǎng)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)的影響或改變水肥一體的操作工藝流程；本發(fā)明將氣象信息融合到控制過(guò)程中能精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)施肥、打藥和澆水，使得過(guò)程更加精化、智能化，能夠最大限度的減少化工原料對(duì)環(huán)境的影響。