CN116391594B - 基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置 - Google Patents

基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置，涉及马铃薯种植技术领域，本发明针对马铃薯种植的实时环境因素，通过多组环境因素进行统筹计算，以环境因素为基础数据参照计算得到不同时间段、不同生产期中所需要的灌水量，结合无线数据传输技术，在远程终端上建立灌水量的计算模型，计算模型的变量主要是不同环境因素的换算因子，其目的是：解放人力作业的传统农作灌溉模式，形成因地制宜、因时制宜、因情施策的自主农作灌溉模式，使马铃薯在育苗期到结果期得到充分有效的“生产”规划。

Description

基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置
技术领域
本发明涉及马铃薯种植技术领域，具体涉及基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置。
背景技术
马铃薯是一种常见的高淀粉农作物，且马铃薯属于需水量较大的农作物，在马铃薯种植过程中，根据不同的生长周期灌溉适量的水，如马铃薯育苗期间，田间持水量在60％左右；马铃薯发棵期间，田间最大持水量为70％～80％。
但是在实际种植过程中，马铃薯的生长过程极易被种植环境中的不同因素所影响，如光照强度、气流、温度、土壤含水量四大主要环境因素，在土壤营养环境相似的情况下，若光照强度较高，导致温度有所上升，继而造成土壤水分蒸发率增大，在此基础上，若种植环境中气流流速较快，进一步加快水分蒸发率。
结合当前机械化种植模式，田间土壤含水量可以通过对应的检测设备得到相关数据，如公开号为CN111678866A所公开的内容，然后再以得到的土壤含水量作为参考进行灌溉，但是在实际灌溉过程，因为环境因素之间相互影响，难以掌握灌溉量，导致土壤实际含水量无法满足马铃薯不同生长期中的所需水分，特别是传统人力确定灌溉量和灌溉时间时，人力控制的方式难以“规划”马铃薯的灌溉计划，影响马铃薯产量。
针对上述技术问题，本申请提出了一种解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置，用于解决当前马铃薯种植过程中，因为种植环境中的环境因素相互影响，难以掌握马铃薯不同生长期中所需要的灌溉量。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置，包括注水泵和多条分支水管，多条所述分支水管末端连接在注水泵的输出端上，且多条分支水管的相交处位置上设置有节流阀，所述注水泵外部设置有室外数据控制端和传感器组件，所述分支水管上连接有多个环扣，多个所述环扣沿分支水管的长度呈线性等距设置，且环扣上安装有软管，所述软管末端连接有连接管扣，所述连接管扣下端螺纹连接有注水管，所述注水管通过连接管扣、软管、环扣与分支水管内部连通，所述传感器组件由太阳光度计、温度传感器、风力检测仪和土壤水分检测仪组成，所述注水管圆周外壁上开设有多个通口，所述灌水区区域面为圆形，且灌水区区域半径等于注水管分布间距的二分之一，多条所述分支水管沿马铃薯种植区域的宽度呈线性等距设置。
进一步设置为：多条所述分支水管的布设区域设置为马铃薯种植区域，多个所述注水管沿马铃薯种植区域的长度和宽度呈线性等距设置，所述马铃薯种植区域沿注水管的布设位置设置为灌水区，所述注水管沿竖直方向***到马铃薯种植区域中的土壤面下，每四个相邻位置上的所述灌水区的中间位置设置为马铃薯单株区域。
进一步设置为：所述太阳光度计、温度传感器、风力检测仪布设在马铃薯种植区域中，所述土壤水分检测仪的设置在马铃薯种植区域的中心点位置。
所述马铃薯种植自动化滴灌装置在使用过程，通过室外数据控制端建立得到灌水控制***，所述灌水控制***包含数据收集模块、数据分析模块和数据反馈模块，具体如下：
数据收集模块：用于收集太阳光度计、温度传感器、风力检测仪和土壤水分检测仪中的光照强度因子Lux、温度数值T、风速Ws和土壤含水量Smo，且数据收集模块还用于记录注水泵的灌水量Q、节流阀的灌水限制速度V、马铃薯种植区域的面积S，其中Q的单位为m2/h、S的单位为m2，将得到的Lux、T、Ws、Smo、S、Q和V发送到数据分析模块中；
数据分析模块：结合到Lux、T、Ws建立土壤水分损失量Ei的计算公式：Ei＝(Ti*j+Luxi*k+Wsi*l)*Smoi，其中的j、k、l分别为光照强度因子、温度数值、风速与水分蒸发量的换算因子，且j、k、l为定值，其中的i为Ei计算公式中的管理时间单位，且i的单位为天，i取自然正整数，i＝1、2、3…i-1，其中的Ti、Luxi、Wsi和Smoi分别为马铃薯种植区域中每天的实时光照强度因子、实时温度数值、实时风速和实时土壤含水量，将计算得到的土壤水分损失量Ei数据发送到数据反馈模块中；
数据反馈模块：首先向数据收集模块发送控制命令，在数据收集模块中赋予马铃薯在不同生长期中的土壤最高含水量Smomax和土壤最低含水量Smomin，其中以土壤水分损失量Et数据生成以下含水量状态：
状态一：在Smomax/2＜Smoi-1-Ei＜Smomax下，设置此状态下的马铃薯种植环境为正常状态；
状态二：在Smomin＜Smoi-1-Ei＜Smomax/2下，设置此状态下的马铃薯种植环境为欠水状态；
状态三：在Smoi-1-Ei＜Smomin下，设置此状态下的马铃薯种植环境为缺水状态。
进一步设置为：在数据反馈模块中，根据三种含水量状态，具体执行如下灌溉动作：
灌溉动作一：在状态一下，注水泵不启动；
灌溉动作二：在状态二下，注水泵启动，向马铃薯种植区域进行注水，注水总量范围为：Ei～Smomax/2，且注水动作中的注水泵的注水量不变，通过节流阀限制注水动作中的注水流速；
灌溉动作三：在状态三下，注水泵启动，向马铃薯种植区域进行注水，注水总量范围为：Smomax/2～Smomax，并再次以节流阀限制注水动作中的注水速度，灌溉动作二中的注水速度小于灌溉动作三中的注水速度
本发明具备下述有益效果：
1、本发明首先针对马铃薯种植过程来说，马铃薯采用单株种植模式，每株马铃薯之间的种植间距相等，为此根据马铃薯的种植位置，分别布设分支水管和注水管，其中注水管采用埋入式设计，灌水过程中的水分直接流入到土壤之下的位置，其目的是可以避免传统灌溉模式中，水分直接流入到马铃薯种植区域中所造成增大水分蒸发量的问题，而水分直接流入到土壤之下，可以起到降低水分蒸发的目的，更具体地说：注水管的布设设置与马铃薯单株种植区域相对应，保证马铃薯单株种植区域位于每四个相邻位置的注水管的中间位置，其目的是保证马铃薯可以充分吸收水分，也避免水分积累在马铃薯单株种植区域中，造成过涝的问题。
2、进一步结合到马铃薯种植区域中的环境因素，具体包括光照强度因子Lux、温度数值T、风速Ws和土壤含水量Smo，主要以土壤含水量来判断是否灌溉的标准，更具体地说：结合到照强度因子Lux、温度数值T、风速Ws，生成土壤水分损失量Ei的计算公式，其目的是：在单位时间(天)中，估算得到马铃薯种植区域中的土壤水分蒸发量，进一步结合到前天时间中的土壤含水量，判断下一周期中的土壤含水量是否符合马铃薯生长周期中需要的土壤含水量，以此根据得到的实际土壤含水量来控制注水动作，继而解放人力作业的传统农作灌溉模式，形成因地制宜、因时制宜、因情施策的自主农作灌溉模式，使马铃薯在育苗期到结果期得到充分有效的“生产”规划。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
图1为本发明提出的基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置的结构示意图；
图2为本发明提出的基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置中图1的俯视图；
图3为本发明提出的基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置中注水管部件的结构示意图；
图4为本发明提出的基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置中马铃薯种植鸟瞰图；
图5为本发明提出的基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置中灌水控制***的运行框图。
图中：1、注水泵；2、传感器组件；3、室外数据控制端；4、环扣；5、分支水管；6、节流阀；7、太阳光度计；8、马铃薯单株区域；9、软管；10、连接管扣；11、注水管；12、马铃薯种植区域；13、温度传感器；14、风力检测仪；15、土壤水分检测仪；16、灌水区。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
对当前马铃薯种植模式来说，需要配合马铃薯不同生长期中所需要的水分，进行灌溉，在灌溉过程既不能造成过涝也不能造成过旱的问题，而当前的灌溉模式，主要依赖农民经验，但是在实际过程中，受到外部环境的影响，如光照强度、风速和温度等影响，使土壤水分被蒸发，造成实际土壤含水量难以掌控，为此提出了如下的技术方案：
参照图5，本实施例中的马铃薯种植自动化滴灌装置在使用过程，通过室外数据控制端3建立得到灌水控制***，灌水控制***包含数据收集模块、数据分析模块和数据反馈模块，具体如下：
数据收集模块：用于收集太阳光度计7、温度传感器13、风力检测仪14和土壤水分检测仪15中的光照强度因子Lux、温度数值T、风速Ws和土壤含水量Smo，且数据收集模块还用于记录注水泵1的灌水量Q、节流阀6的灌水限制速度V、马铃薯种植区域12的面积S，其中Q的单位为m2/h、S的单位为m2，将得到的Lux、T、Ws、Smo、S、Q和V发送到数据分析模块中；
数据分析模块：结合到Lux、T、Ws建立土壤水分损失量E i的计算公式：Ei＝(Ti*j+Luxi*k+Wsi*l)*Smoi，其中的j、k、l分别为光照强度因子、温度数值、风速与水分蒸发量的换算因子，且j、k、l为定值，其中的i为Ei计算公式中的管理时间单位，且i的单位为天，i取自然正整数，i＝1、2、3…i-1，其中的Ti、Luxi、Wsi和Smoi分别为马铃薯种植区域12中每天的实时光照强度因子、实时温度数值、实时风速和实时土壤含水量，将计算得到的土壤水分损失量Ei数据发送到数据反馈模块中；
数据反馈模块：首先向数据收集模块发送控制命令，在数据收集模块中赋予马铃薯在不同生长期中的土壤最高含水量Smomax和土壤最低含水量Smomin，其中以土壤水分损失量Et数据生成以下含水量状态：
状态一：在Smomax/2＜Smoi-1-Ei＜Smomax下，设置此状态下的马铃薯种植环境为正常状态；
状态二：在Smomin＜Smoi-1-Ei＜Smomax/2下，设置此状态下的马铃薯种植环境为欠水状态；
状态三：在Smoi-1-Ei＜Smomin下，设置此状态下的马铃薯种植环境为缺水状态。
在数据反馈模块中，根据三种含水量状态，具体执行如下灌溉动作：
灌溉动作一：在状态一下，注水泵1不启动；
灌溉动作二：在状态二下，注水泵1启动，向马铃薯种植区域12进行注水，注水总量范围为：Ei～Smomax/2，且注水动作中的注水泵1的注水量不变，通过节流阀6限制注水动作中的注水流速；
灌溉动作三：在状态三下，注水泵1启动，向马铃薯种植区域12进行注水，注水总量范围为：Smomax/2～Smomax，并再次以节流阀6限制注水动作中的注水速度，灌溉动作二中的注水速度小于灌溉动作三中的注水速度。
技术优点：如图5所示，马铃薯在不同生长期中所需要的水分有所不同，所以根据不同生产期首先预先设置好土壤最高含水量Smomax和土壤最低含水量Smomin，其目的是配合马铃薯的生长过程，为此，主要利用到土壤水分检测以15进行检测；
但是需要说明的是：以土壤水分检测以15检测得到土壤含水量仅仅为本实施中的前驱部分，具体需要说明的是：在马铃薯种植过程中，受到光照强度、风速和温度等环境因素的影响，导致土壤水分蒸发，那么实际土壤含水量还会有所降低，所以建立土壤水分损失量Ei的计算公式，对Ei的计算公式解释的是：如在对应生长期中的第一天检测得到的实际土壤水分损失量为定值Smo，而在第二天因为土壤水分被蒸发，一部分的土壤水分被蒸发，估算得到土壤水分损失量为E1，那么在第二天中，实际土壤含水量为Smo-E1，以此类推，可以估算得到对应生长期中的每一天的实际土壤含水量；
结合到每一天的实际土壤含水量，与土壤最高含水量Smomax和土壤最低含水量Smomin进行对比，得到三种含水量状态，再次以三种含水量状态来判断灌溉动作，其目的是确保在生长期中，土壤含水量始终保持最佳状态；
本实施例与当前的马铃薯灌溉模式相比较，在以土壤水分检测以15检测得到土壤含水量中这一方式为基础的前提上，还结合到环境因素，结合到理论状态下，受到光照强度、温度和风速等影响所产生的水分蒸发量，对应j、k、l这三个数值，三个数值可以由农业作业中的水分蒸发试验得到，具体需要结合马铃薯种植环境而定，在本实施例中仅仅作为换算因子，此处不做解释；
结合上述内容，起到解放人力作业的传统农作灌溉模式，形成因地制宜、因时制宜、因情施策的自主农作灌溉模式，使马铃薯在育苗期到结果期得到充分有效的“生产”规划。
实施例二
本实施例结合到实施例一中的技术内容，优化出如下的马铃薯种植区域，具体如下：
参照图4，多条分支水管5的布设区域设置为马铃薯种植区域12，多个注水管11沿马铃薯种植区域12的长度和宽度呈线性等距设置，马铃薯种植区域12沿注水管11的布设位置设置为灌水区16，注水管11沿竖直方向***到马铃薯种植区域12中的土壤面下，每四个相邻位置上的灌水区16的中间位置设置为马铃薯单株区域8，灌水区16区域面为圆形，且灌水区16区域半径等于注水管11分布间距的二分之一，多条分支水管5沿马铃薯种植区域12的宽度呈线性等距设置，太阳光度计7、温度传感器13、风力检测仪14布设在马铃薯种植区域12中，土壤水分检测仪15的设置在马铃薯种植区域12的中心点位置。
技术优点：首先分支水管5和注水管11沿着马铃薯单株区域8进行布设，布设过程中需要保持：每一个注水管11形成一个独立的灌水区16，因为在以注水管11进行注水时，水分向外部扩散流动，继而“辐射”形成了圆形的灌水区16，使马铃薯单株区域8位于每四个相邻位置的灌水区16的中心点位置，其目的是：避免在注水时，水分直接留存在马铃薯单株区域8，造成过涝的问题。
实施例三
本实施例是为了实现实施例一和实施例二中的技术内容，对其中的自动化滴灌装置做出技术结构优化：
参照图1～图4，本实施例中的基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置，包括注水泵1和多条分支水管5，多条分支水管5末端连接在注水泵1的输出端上，且多条分支水管5的相交处位置上设置有节流阀6，注水泵1外部设置有室外数据控制端3和传感器组件2，分支水管5上连接有多个环扣4，多个环扣4沿分支水管5的长度呈线性等距设置，且环扣4上安装有软管9，软管9末端连接有连接管扣10，连接管扣10下端螺纹连接有注水管11，注水管11通过连接管扣10、软管9、环扣4与分支水管5内部连通，传感器组件2由太阳光度计7、温度传感器13、风力检测仪14和土壤水分检测仪15组成，注水管11圆周外壁上开设有多个通口。
结构优点：本实施例中的主要结构为注水管11，注水管11采用完全埋入到马铃薯种植区域12中的土壤之下，并通过连接管扣10与分支水管5相连通，其目的是：灌水过程是直接“注入”到地面之下，与常规灌水过程相比较，常规灌水过程中水分直接流动在马铃薯种植区域12中的土壤之上，会加快水分蒸发速度，为此，“注入”到地面之下的水分蒸发速度降低，使马铃薯可以充分吸收水分。
综上所述：针对马铃薯种植的实时环境因素，通过多组环境因素进行统筹计算，以环境因素为基础数据参照计算得到不同时间段、不同生产期中所需要的灌水量，结合无线数据传输技术，在远程终端上建立灌水量的计算模型，计算模型的变量主要是不同环境因素的换算因子，其目的是：解放人力作业的传统农作灌溉模式，形成因地制宜、因时制宜、因情施策的自主农作灌溉模式，使马铃薯在育苗期到结果期得到充分有效的“生产”规划。
以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可做很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置，包括注水泵（1）和多条分支水管（5），其特征在于，多条所述分支水管（5）末端连接在注水泵（1）的输出端上，且多条分支水管（5）的相交处位置上设置有节流阀（6），所述注水泵（1）外部设置有室外数据控制端（3）和传感器组件（2），所述分支水管（5）上连接有多个环扣（4），多个所述环扣（4）沿分支水管（5）的长度呈线性等距设置，且环扣（4）上安装有软管（9），所述软管（9）末端连接有连接管扣（10），所述连接管扣（10）下端螺纹连接有注水管（11），所述注水管（11）通过连接管扣（10）、软管（9）、环扣（4）与分支水管（5）内部连通，所述传感器组件（2）由太阳光度计（7）、温度传感器（13）、风力检测仪（14）和土壤水分检测仪（15）组成，所述注水管（11）圆周外壁上开设有多个通口；
多条所述分支水管（5）的布设区域设置为马铃薯种植区域（12），多个所述注水管（11）沿马铃薯种植区域（12）的长度和宽度呈线性等距设置，所述马铃薯种植区域（12）沿注水管（11）的布设位置设置为灌水区（16），所述注水管（11）沿竖直方向***到马铃薯种植区域（12）中的土壤面下，每四个相邻位置上的所述灌水区（16）的中间位置设置为马铃薯单株区域（8）；
所述灌水区（16）区域面为圆形，且灌水区（16）区域半径等于注水管（11）分布间距的二分之一，多条所述分支水管（5）沿马铃薯种植区域（12）的宽度呈线性等距设置；
所述马铃薯种植自动化滴灌装置在使用过程，通过室外数据控制端（3）建立得到灌水控制***，所述灌水控制***包含数据收集模块、数据分析模块和数据反馈模块，具体如下：
数据收集模块：用于收集太阳光度计（7）、温度传感器（13）、风力检测仪（14）和土壤水分检测仪（15）中的光照强度因子、温度数值/>、风速/>和土壤含水量/>，且数据收集模块还用于记录注水泵（1）的灌水量/>、节流阀（6）的灌水限制速度/>、马铃薯种植区域（12）的面积/>，其中/>的单位为m2/h、/>的单位为m2，将得到的/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>发送到数据分析模块中；
数据分析模块：结合到、/>、/>建立土壤水分损失量/>的计算公式：，其中的/>、/>、/>分别为光照强度因子、温度数值、风速与水分蒸发量的换算因子，且/>、/>、/>为定值，其中的i为/>计算公式中的管理时间单位，且i的单位为天，i取自然正整数，i=1、2、3…i-1，其中的/>、/>、/>和分别为马铃薯种植区域（12）中每天的实时光照强度因子、实时温度数值、实时风速和实时土壤含水量，将计算得到的土壤水分损失量/>数据发送到数据反馈模块中；
数据反馈模块：首先向数据收集模块发送控制命令，在数据收集模块中赋予马铃薯在不同生长期中的土壤最高含水量和土壤最低含水量/>，其中以土壤水分损失量/>数据生成以下含水量状态：
状态一：在下，设置此状态下的马铃薯种植环境为正常状态；
状态二：在下，设置此状态下的马铃薯种植环境为欠水状态；
状态三：在下，设置此状态下的马铃薯种植环境为缺水状态。
2.根据权利要求1所述的基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置，其特征在于，所述太阳光度计（7）、温度传感器（13）、风力检测仪（14）布设在马铃薯种植区域（12）中，所述土壤水分检测仪（15）的设置在马铃薯种植区域（12）的中心点位置。
3.如权利要求1所述的基于环境分析的马铃薯种植自动化滴灌装置，其特征在于，在数据反馈模块中，根据三种含水量状态，具体执行如下灌溉动作：
灌溉动作一：在状态一下，注水泵（1）不启动；
灌溉动作二：在状态二下，注水泵（1）启动，向马铃薯种植区域（12）进行注水，注水总量范围为：~/>，且注水动作中的注水泵（1）的注水量不变，通过节流阀（6）限制注水动作中的注水流速；
灌溉动作三：在状态三下，注水泵（1）启动，向马铃薯种植区域（12）进行注水，注水总量范围为：~/>，并再次以节流阀（6）限制注水动作中的注水速度，灌溉动作二中的注水速度小于灌溉动作三中的注水速度。
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