CN215421635U - 基于土壤作物互作模型的智能水肥装备 - Google Patents

Abstract

本发实用新型公开了一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备及其优化调控方法，其结构包括供水蓄水***、过滤***和配肥输出***。通过对植物生长状态的实时监测，确立动态施肥的参数量，利用环形重力传感器，实时采集重力参数，实现对决策施肥量的精准输送，确保用肥的科学性、高效率。

Description

基于土壤作物互作模型的智能水肥装备

技术领域

本实用新型属于农业灌溉设备技术领域，具体涉及一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备。

背景技术

近年来，随着人口老龄化的加剧，农业种植领域急需进行机械化、智能化改造。农业施肥过程是农业种植领域的核心，传统的农业施肥劳动力强度大，而且对植株营养成分的判断主要通过农户自身的经验，往往存在偏差。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体实现水肥耦合的农业高新实用技术，能高效实现水分和养分的时空匹配，确保植株对所需养分的及时吸收与利用，节水节肥、水肥利用率高，但是目前仍然缺少对植株营养成分进行判断的水肥控制***。例如申请号为CN 209449221 U的实用新型专利公开一种基于物联网的水肥一体化自动灌溉***。该***可以根据种植区域植株的种类进行分区灌溉。专利号为CN 110419437 A的中国实用新型，公开了一种水肥调配装置以及水肥调配方法，采用光谱分析对目标作物营养元素进行预测，确定目标作物营养元素含量，控制营养液浓度配置。

专利号CN 209449221 U的实用新型专利：一种基于物联网的水肥一体化自动灌溉***，此专利虽然可以满足不同种植区域不同作物在不同生长阶段对不同灌溉方式的需求，但是对于营养液配置浓度的决策，目前仍然采用对土壤湿度、肥料浓度、流量、雨量等参数进行采集、分析、决策确定营养液的配置浓度。这种决策方式存在滞后性和非直接性，对于传感器的采集精度要求高，营养液的配置误差较大。

专利号为CN 110419437 A的发明专利：一种水肥调配装置以及水肥调配方法，通过将EC和pH的测量值与预设值进行比较，应用模糊PID算法实现对营养液的配置。虽然模糊PID算法可以实现营养液配置的高精度，但是模糊PID算法需要选择合适的隶属度函数，隶属度函数选取直接影响配置精度。采用光谱分析对作物营养元素进行预测，确定目标作物营养元素含量，控制营养液浓度配置，虽然具有一定的科学性和机理性，但是采用光谱分析对目标作物营养元素进行预测的方法，受外部光环境影响较大，准确性较低，容易造成营养液的浪费，增加作物施肥成本。

实用新型内容

本专利针对以上存在的问题，提出了基于土壤-作物互作与优化调控模型的智能水肥装备。对于作物营养缺失情况的判断不再采用采集土壤湿度、肥料浓度、流量、雨量等参数的方法，而是通过对植物生长状态的实时监测，确立动态施肥的参数量。针对目前市场上缺少自主配肥的水肥装备，本专利利用环形重力传感器，实时采集重力参数，实现对决策施肥量的精准输送，确保用肥的科学性、高效率。

一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，包括供水蓄水***、过滤***和配肥输出***，其特征在于，所述供水蓄水***与过滤***相连接，所述过滤***与配肥输出***相连接，所述供水蓄水***、过滤***与配肥输出***分别与智能控制柜连接。

作为优选，所述供水蓄水***包括进水水泵、蓄水池和出水水泵，所述进水水泵与进水管一端连接，所述进水管的另一端从蓄水池的上端接入，所述蓄水池的下端连接出水管，所述出水管上设置有出水水泵。

作为优选，所述过滤***包括沙石过滤器、排污水管和过滤器出水管，所述出水管从沙石过滤器顶端接入，所述出水管靠近沙石过滤器的一端设置有排污水管，所述过滤器出水管从沙石过滤器下端引出。

作为优选，所述配肥输出***包括配肥进水管、配肥桶和配肥出水管，所述过滤器出水管从配肥桶的底端接入，所述过滤器出水管的出水口延伸至配肥桶内部的圆心处，所述配肥出水管设置在与配肥进水管相对位置的配肥桶上，所述配肥桶上端设置有肥料输送机构。

作为优选，所述过滤器出水管上设置有叠片过滤器，所述叠片过滤器上连接有排污管，所述排污管与叠片过滤器之间设有排污电磁阀，所述排污电磁阀与智能控制柜相连接。

作为优选，所述叠片过滤器与沙石过滤器之间的过滤器出水管上设置有压力表。

作为优选，所述肥料输送机构与智能控制柜相连接，所述肥料输送机构包括转盘、环形重力传感器、角度电机和肥料储存桶，所述转盘设置在配肥桶的桶口处，所述环形重力传感器设置在转盘的下方，所述肥料储存桶设置在转盘的上方，所述角度电机与转盘之间驱动连接。

作为优选，所述配肥出水管与配肥水泵输入端相连接，所述配肥水泵的输出端与配肥出水管相连接。

作为优选，所述过滤器出水管靠近配肥桶的一侧额外设置一段与配肥出水管相连通的调节水管，所述调节水管与配肥桶并联连接。

一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备的优化调控方法，包括以下步骤：

1)通过土壤水分、热、养分运移的过程采用偏微分方程的动力学模型；

土壤水分运动模型：

h＝h_i(Z) 0≤Z≤L t＝0

h＝h_L(t) Z＝L t＞0

θ为土壤体积含水量(cm³·cm^-3)；

h为土壤负压水头(cm)；

K为土壤非饱和导水率(cm·d^-1)；

Z为空间坐标，向上为正(cm)；

L为下边界深度(cm)；

为比水容量(cm^-1)；

h_a为地表最小的压力水头(通常取-1.5mPa)，当低于此值时，上边界变为压力水头边界，S为根系吸水项(cm³·cm^-3d^-1)，E(t)为灌溉、降雨和土面蒸发引起的通过土壤表面的水分通量(cm·d^-1)；

土壤热运移模型如下：

T＝T₀(Z) 0≤Z≤L t＝0

T＝T₀(t) Z＝0 t＞0

T＝T_L(t) Z＝L t＞0

T为温度(K)；

λ为表观热传导率(Jcm^-3K^-1d^-1)；

C_T，C_w分别为土壤总的和液相的体积热容量(Jcm^-3K^-1)；

q为土壤水流通量(cmd^-1)；

S为根系吸水项(cm³cm^-3d^-1)；

其中土壤总的体积热容量表示为：C_T＝C_sε_s+C_oε_o+C_wε_w+C_gε_g；

土壤溶质运移模型如下：

C＝C_i(Z) 0≤Z≤L t＝0

C＝C_L(t) Z＝L t＞0

C为土壤溶液中NH₄-N或NO₃-N浓度(mgL^-1)；

ρ为土壤容重(gcm^-3)；

S₀为土壤固相对NH₄-N的吸附量(mgL^-1)；

D为溶质的水动力弥散系数(cm²d^-1)；

S_N为源汇项；

2)以PS123模型为基础，改进了其作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及光温条件下作物产量PS1的模拟，PS1的修正式为：SLA＝SLA_i+(SLA_i+1-SLA_i)*(RDS-RDS_i)/(RDS_i+1-RDS_i)；通过对叶面积指数、根系吸水的模拟，得到了水分限制下的作物产量PS2；通过对作物需肥量、土壤供肥量及作物实际吸肥量的模拟，得到了水肥限制下的作物产量PS3；

3)所述步骤1的模型与所述步骤2的模型之间存在着互为输入输出的耦合关系，将以上模型从作物-土壤的交互关系进行整合，得到土壤-作物互作***模型；

4)以灌水、施肥总量为决策变量，作物生物量、水分和养分利用效率为优化目标，按照作物关键生长发育期，在土壤-作物互作***过程模型的基础上，建立多目标的动态规划模型，构成了土壤-作物互作与优化调控模型，并以模型中作物生物量、水分利用效率及氮肥利用效率为目标，三者共同成为衡量灌水、施肥决策优劣的尺度，目标函数为：

cf(Water)为水分胁迫系数；

cf(N)为氮胁迫系数；

S(org)_t为第t阶段无水分和养分胁迫下的各器官干物质量；

N_fert为氮肥施用量；

Yield为产量。

根据动态规划的最优化原理和目标函数式，采用顺序递推方法求解时的递推方程为：

f_k(WQ_t+1，NQ_t+1，S(org)_t+1)＝max[v_t(Wd_t，Nd_t)+f_t-1(WQ_t，NQ_t，S(org)_t)]

t＝1，2，3，...，T

f_t(WQ_t+1，NQ_t+1，S(org)_t+1)为第t阶段状态为(WQ_t+1，NQ_t+1，S(org)_t+1)时，相对于始点的最优指标函数值，而v_t(Wd_t，Nd_t)表示第t阶段状态为(WQ_t+1，NQ_t+1，S(org)_t+1)取决策为(Wd_t，Nd_t)时对本阶段的阶段效益值。

约束条件为：

WQ₁为初始阶段可供灌溉的有效水量；

NQ₁为初始阶段可供分配的氮肥施用量。

5)通过对作物水分胁迫系数和养分胁迫系数的模拟计算，可获得作物全生育期最佳的灌水、施肥时间及用量；

6)进水水泵将水输送入蓄水池，当水位高度达到一定值后，进水水泵关闭，出水水泵打开，蓄水池中的水通过蓄水池出水管和水泵出水管到达过滤***；

7)沙石过滤器中的沙石过滤器进水阀打开，此时沙石过滤器实现对输入水的过滤作用，经过粗过滤，粗过滤水通过叠片过滤器进水管，叠片过滤器进水阀打开，排污电池阀关闭，粗过滤水到达叠片过滤器，通过二次过滤实现对水的精细处理到达叠片过滤器出水管；

8)配肥进水阀打开，精过滤水到达配肥桶内，根据所述步骤1-5做出智能决策，肥料输送机构进行调配，再由配肥水泵输出给目标作物。

本实用新型的优点有：

1.本实用新型基于土壤、溶质、作物互作机制，构建土壤-作物互作***模型，并在该模型基础上，利用动态优化规划方法，以作物最大产量为目标，提供作物全生育期各环节最优化的水肥方案，最终建立土壤-作物互作与优化调控模型，该模型与传统决策方法相比，具有科学性、机理性，能更好的反应作物生长的水肥时序性需求，真正达到精准变量控制水肥施用。

2.基于土壤-作物互作与优化调控模型的智能水肥装备配置有肥料决策值与实时采集值差值的自动肥料输送机构，与传统水肥***相比输送肥料效率高，避免了肥料的浪费，节省了肥料的配置时间。

3.肥料决策值与水量配置值联动，实现了水肥配置浓度的优化，避免了高浓度施肥可能产生的烧苗等问题。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为本实用新型供水蓄水***结构示意图。

图3为本实用新型过滤***结构示意图。

图4为本实用新型配肥输出***结构示意图。

图5为本实用新型肥料输送机构结构示意图。

图示中，供水蓄水***1、进水水泵11、蓄水池12、出水水泵13、进水管14、出水管15、过滤***2、沙石过滤器21、排污水管22、过滤器出水管23、叠片过滤器231、排污管232、排污电磁阀233、压力表234、配肥输出***3、配肥进水管31、配肥桶32、配肥出水管33、肥料输送机构34、转盘341、环形重力传感器342、角度电机343、肥料储存桶344、智能控制柜4、配肥水泵5、调节水管51。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案，在本实用新型的实施例中：

智能控制柜4对本实用新型中的各个阀门和水泵进行控制调节。

θ为土壤体积含水量(cm³·cm^-3)；h为土壤负压水头(cm)；K为土壤非饱和导水率(cm·d^-1)；Z为空间坐标，向上为正(cm)；L为下边界深度(cm)；

为比水容量(cm^-1)；h_a为地表最小的压力水头(通常取-1.5mPa)，当低于此值时，上边界变为压力水头边界；S为根系吸水项(cm³·cm^-3d^-1)；E(t)为灌溉、降雨和土面蒸发引起的通过土壤表面的水分通量(cm·d^-1)；T为温度(K)；λ为表观热传导率(Jcm^-3K^-1d^-1)；C_T，C_w分别为土壤总的和液相的体积热容量(Jcm^-3K^-1)；q为土壤水流通量(cmd^-1)；S为根系吸水项(cm³cm^-3d^-1)；C为土壤溶液中NH₄-N或NO₃-N浓度(mgL^-1)；ρ为土壤容重(gcm^-3)；S₀为土壤固相对NH₄-N的吸附量(mgL^-1)；D为溶质的水动力弥散系数(cm²d^-1)；S_N为源汇项；cf(Water)为水分胁迫系数；cf(N)为氮胁迫系数；S(org)_t为第t阶段无水分和养分胁迫下的各器官干物质量；N_fert为氮肥施用量；Yield为产量；f_t(WQ_t+1，NNQ_t+1，S(org)_t+1)为第t阶段状态为(WQ_t+1，NQ_t+1，S(org)_t+1)时，相对于始点的最优指标函数值，而v_t(Wd_t，Nd_t)表示第t阶段状态为(WQ_t+1，NQ_t+1，S(org)_t+1)取决策为(Wd_t，Nd_t)时对本阶段的阶段效益值；WQ₁为初始阶段可供灌溉的有效水量；NQ₁为初始阶段可供分配的氮肥施用量。

土壤过程模型包括土壤水分、热、养分运移的过程采用偏微分方程的动力学模型。

土壤水分运动模型如下：

h＝h_i(Z) 0≤Z≤L t＝0

h＝h_L(t) Z＝L t＞0

土壤热运移模型如下：

T＝T₀(Z) 0≤Z≤L t＝0

T＝T₀(t) Z＝0 t＞0

T＝T_L(t) Z＝L t＞0

土壤溶质运移模型如下：

C＝C_i(Z) 0≤Z≤L t＝0

C＝C_L(t) Z＝L t＞0

其中土壤总的体积热容量可以表示为：

C_T＝C_sε_s+C_oε_o+C_wε_w+C_gε_g

PS123模型是用于定量化土地生产力评价的普适模型，以PS123模型为基础，改进了其作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及光温条件下作物产量(PS1)的模拟，PS1的修正式为：SLA＝SLA_i+(SLA_i+1-SLA_i)*(RDS-RDS_i)/(RDS_i+1-RDS_i)。通过对叶面积指数、根系吸水的模拟，得到了水分限制下的作物产量(PS2)；通过对作物需肥量、土壤供肥量及作物实际吸肥量的模拟，得到了水肥限制下的作物产量(PS3)。

土壤水热肥运移的动力学模型与作物生长模型之间存在着互为输入输出的耦合关系，将以上模型从作物-土壤的交互关系进行整合，得到土壤-作物互作***模型。

以灌水、施肥总量为决策变量，作物生物量、水分和养分利用效率为优化目标，按照作物关键生长发育期，在土壤-作物互作***过程模型的基础上，建立了多目标的动态规划模型。以上几个部分加以整合就构成了土壤-作物互作与优化调控模型。

将土壤-作物互作与优化调控模型中作物生物量、水分利用效率及氮肥利用效率为目标，三者共同成为衡量灌水、施肥决策优劣的尺度，目标函数为：

根据动态规划的最优化原理和目标函数式，采用顺序递推方法求解时的递推方程为：

f_k(WQ_t+1，NQ_t+1，S(org)_t+1)＝max[v_t(Wd_t，Nd_t)+f_t-1(WQ_t，NQ_t，S(org)_t)]t＝1，2，3，...，T

约束条件为：

通过对作物水分胁迫系数和养分胁迫系数的模拟计算，可获得作物全生育期最佳的灌水、施肥时间及用量。

实施例1

当模型输出为缺少氮肥和磷肥时，在肥料输送机构34下部都配置有环形重力传感器342，此时角度电机343打开，转盘341旋转90度，实现对氮肥和磷肥的输送，环形重力传感器342实时采集重力参数与起始值进行差值运算，当差值达到决策参数值时，角度电机343关闭，转盘回到原始位置，氮肥和磷肥输送完毕。配肥进水阀打开，根据氮肥和磷肥的输送量，确定配肥桶32中所需输入的水量。此时配肥出水阀打开，配肥水泵5打开，肥料配置混合溶液通过配肥出水管33输出，实现对植物的精准灌溉。在种植过程中，定期对植物生长状态参数进行采集，并做出智能决策，通过对氮、磷、钾和微量元素的精准施肥，可以在极低成本下，实现植物的高效、高质量生长。

其中配肥桶32及肥料输送机构34可按实际需求复数设置，每个肥料输送机构34对应一种肥料，并在配肥桶32中加水稀释，最后在配肥出水管33中将各个配肥桶32中的肥料均匀混合，相互之间并联连接提高对较复杂的配肥过程的适应性。而单独设置的调节水管51可以对管路中残留的肥料冲洗，保证输出的肥料配比的完整以及对各个配肥桶32中流出的肥料进行加水调和均匀，调节水管51上安装有溢流阀，将***中的一部分气体排入大气，使***压力不超过允许值，从而保证***不因压力过高而发生事故。

实施例2

沙石过滤器的排污过程，当沙石过滤器21进水阀打开，叠片过滤器231进水阀关闭，排污阀打开，此时出水水泵13打开，高压水对沙石过滤器21进行冲洗，水中污染物从排污水管22排出，实现对沙石过滤器21的净化。

实施例3

在实际情况中通常会将配有排污电磁阀233和相应阀门的两个完全相同的叠片过滤器231并联在一起，对其中一个叠片过滤器231进行反冲洗时，先关闭配肥进水管31的阀门，再将需要冲洗一侧的叠片过滤器231的进水阀关闭和打开排污电磁阀233，同时打开另一边叠片过滤器231的进水阀和关闭排污电磁阀233，此时高压水通过另一边的叠片过滤器231，反向回流入需要冲洗一侧的叠片过滤器231内腔，污水通过排污电磁阀233排出。

需要对另一侧叠片过滤器231冲洗时，只需要将两边阀门开关方式对调即可。

实施例4

本实用新型的自动肥料输送机构采用角度电机配转盘方式，也可以采用气缸配推板模式进行替代，或者气缸配翻板模式进行替代。

基于重力参数的自动肥料输送机构可以用基于流量参数的自动肥料输送机构替代。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，包括供水蓄水***、过滤***和配肥输出***，其特征在于，所述供水蓄水***(1)与过滤***(2)相连接，所述过滤***(2)与配肥输出***(3)相连接，所述供水蓄水***(1)、过滤***(2)与配肥输出***(3)分别与智能控制柜(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，其特征在于：所述供水蓄水***(1)包括进水水泵(11)、蓄水池(12)和出水水泵(13)，所述进水水泵(11)与进水管(14)一端连接，所述进水管(14)的另一端从蓄水池(12)的上端接入，所述蓄水池(12)的下端连接出水管(15)，所述出水管(15)上设置有出水水泵(13)。

3.根据权利要求2所述的一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，其特征在于：所述过滤***(2)包括沙石过滤器(21)、排污水管(22)和过滤器出水管(23)，所述出水管(15)从沙石过滤器(21)顶端接入，所述出水管(15)靠近沙石过滤器(21)的一端设置有排污水管(22)，所述过滤器出水管(23)从沙石过滤器(21)下端引出。

4.根据权利要求3所述的一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，其特征在于：所述配肥输出***(3)包括配肥进水管(31)、配肥桶(32)和配肥出水管(33)，所述过滤器出水管(23)从配肥桶(32)的底端接入，所述过滤器出水管(23)的出水口延伸至配肥桶(32)内部的圆心处，所述配肥出水管(33)设置在与配肥进水管(31)相对位置的配肥桶(32)上，所述配肥桶(32)上端设置有肥料输送机构(34)。

5.根据权利要求3所述的一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，其特征在于：所述过滤器出水管(23)上设置有叠片过滤器(231)，所述叠片过滤器(231)上连接有排污管(232)，所述排污管(232)与叠片过滤器(231)之间设有排污电磁阀(233)，所述排污电磁阀(233)与智能控制柜(4)相连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，其特征在于：所述叠片过滤器(231)与沙石过滤器(21)之间的过滤器出水管(23)上设置有压力表(234)。

7.根据权利要求4所述的一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，其特征在于：所述肥料输送机构(34)与智能控制柜(4)相连接，所述肥料输送机构(34)包括转盘(341)、环形重力传感器(342)、角度电机(343)和肥料储存桶(344)，所述转盘(341)设置在配肥桶(32)的桶口处，所述环形重力传感器(342)设置在转盘(341)的下方，所述肥料储存桶(344)设置在转盘(341)的上方，所述角度电机(343)与转盘(341)之间驱动连接。

8.根据权利要求4或7所述的一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，其特征在于：所述配肥出水管(33)与配肥水泵(5)输入端相连接，所述配肥水泵(5)的输出端与配肥出水管(33)向连接。

9.根据权利要求8所述的一种基于土壤作物互作模型的智能水肥装备，其特征在于：所述过滤器出水管(23)靠近配肥桶(32)的一侧额外设置一段与配肥出水管(33)相连通的调节水管(51)，所述调节水管(51)与配肥桶(32)并联连接。

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