本發明實施例涉及農業生產自動化領域，更具體地，涉及一種集群溫室灌溉施肥系統及方法。

背景技術：

隨著人們生活水平的提高，人們希望在一年里的任何時候都能夠品嘗到綠色新鮮的水果蔬菜，從而日光溫室等設施農業應運而生。設施農業作為封閉或半封閉的種植環境，通過采用現代化農業工程技術、機械技術和信息裝備技術，實現了擺脫傳統自然環境依賴的新型農業生產方式，并通過對溫濕度、光照、co2濃度及土壤營養等環境因子的調控，為作物創造最優的生長環境。

近年來，隨著規模化農業生產的推進，越來越多溫室以集群方式出現形成集群溫室。集群溫室打破了傳統單個溫室的種植模式，便于實現智能化種植、收獲和包裝。其中，灌溉和施肥是溫室栽培中的關鍵技術環節，在提升土壤肥力和促進果蔬等作物生長方面起著重要的作用。而集群溫室中的灌溉和施肥是關系到提高溫室作物產量、減少勞動力成本的關鍵技術，代表了溫室生產的核心競爭力。

目前，大規模集群溫室在進行灌溉施肥時，需要根據每個溫室內種植的作物進行單獨配肥，然后再對每個溫室進行單獨灌溉施肥操作，這就造成集群溫室灌溉施肥工作量大、效率低，不利于實現智能化管理。

技術實現要素：

本發明實施例提供了一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的集群溫室灌溉施肥系統及方法。

一方面本發明實施例提供了一種集群溫室灌溉施肥系統，包括：環境監測單元、中央集群控制單元以及對應于所述集群溫室每個分區的水肥一體化單元，其中，

所述環境監測單元用于采集所述集群溫室各分區內環境因子數據和作物長勢數據并發送至所述中央集群控制單元；

所述中央集群控制單元用于基于人機交互設定的分區參數，分析所述環境因子數據和所述作物長勢數據，并輸出各分區對應的灌溉計劃和施肥計劃；

所述水肥一體化單元用于基于所述灌溉計劃和施肥計劃進行配水和配肥，并將水和配好的肥液輸送至對應分區的溫室內進行灌溉和施肥。

其中，所述中央集群控制單元包括作物分區模塊、數據采集及分析模塊、灌溉決策模塊和施肥決策模塊；

所述作物分區模塊用于接收通過人機交互裝置設定的所述分區參數；所述數據采集及分析模塊用于接收各分區的所述環境因子數據和作物長勢數據，并根據所述分區參數和所述作物長勢數據得出各分區內作物生育時期；

所述灌溉決策模塊用于基于所述作物生育時期和所述環境因子數據，利用水量平衡原理確定各分區對應的灌溉計劃；所述施肥決策模塊用于基于所述作物生育時期和所述環境因子數據，利用作物養分需求規律確定各分區對應的施肥計劃。

其中，所述水肥一體化單元包括：供水泵站、多功能配肥站、儲液罐、輸送管網和灌溉管網，所述供水泵站用于通過所述輸送管網為所述灌溉管網和所述多功能配肥站供水，所述多功能配肥站用于根據各分區施肥計劃進行配肥，并將配好的肥液通過所述輸送管網輸送至所述儲液罐中。

其中，所述多功能配肥站包括肥料原液罐和水肥一體化智能裝備，所述肥料原液罐用于盛放高濃度肥料原液，所述水肥一體化智能裝備用于根據所述施肥計劃對所述儲液罐中的肥液進行稀釋后輸送至各溫室內的所述灌溉管網中。

其中，所述分區參數包括：分區位置、分區內作物種類以及分區內作物種植參數中的一個或者多個。

另一方面本發明實施例提供了一種利用所述系統進行灌溉施肥的方法，所述方法包括：

s1，所述環境監測單元采集所述集群溫室各分區內環境因子數據和作物長勢數據并發送至所述中央集群控制單元；

s2，所述中央集群控制單元基于人機交互設定的分區參數，分析所述環境因子數據和所述作物長勢數據，并輸出各分區對應的灌溉計劃和施肥計劃；

s3，所述水肥一體化單元基于所述灌溉計劃和施肥計劃進行配水和配肥，并將水和配好的肥液輸送至對應分區的溫室內進行灌溉和施肥。

其中，在步驟s1之前還包括：

根據作物水肥特性對所述集群溫室進行分區，并將各分區對應的所述分區參數通過人機交互裝置輸入所述中央集群控制單元。

本發明實施例提供的一種集群溫室灌溉施肥系統及方法，通過為每個集群溫室分區獨立配備一個水肥一體化單元，再通過中央集群控制單元對各分區對應的水肥一體化單元進行控制，最終實現集群溫室的精準灌溉施肥，省時省力，提高了集群溫室灌溉施肥效率。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的一種集群溫室灌溉施肥系統示意圖；

圖2為本發明圖1所述實施例中所述系統的中央集群控制單元的結構框圖；

圖3為本發明實施例提供的一種利用圖1、2所述實施例中所述系統進行灌溉施肥的方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

圖1為本發明實施例提供的一種集群溫室灌溉施肥系統示意圖，如圖1所示，所述系統包括：環境監測單元、中央集群控制單元以及對應于所述集群溫室每個分區的水肥一體化單元。

所述環境監測單元用于采集所述集群溫室各分區內環境因子數據和作物長勢數據并發送至所述中央集群控制單元。所述環境監測單元包括太陽能供電裝置、監測裝置和無線傳輸裝置。所述太陽能供電裝置用于為所述環境監測單元供電，具體實施時，所述太陽能供電裝置可以是一塊太陽能電池板，可以將太陽能轉化為電能為所述環境監控單元工作提供能量。所述監測裝置用于采集所述集群溫室各分區內環境因子數據和作物長勢數據，所述監測裝置包括多個不同種類的傳感器，可以將所述環境監測單元所要監測的環境因子信息和作物長勢信息轉化為電信號，從而得到所述環境因子數據和所述作物長勢數據。所述無線傳輸裝置用于將所述環境因子數據和所述作物長勢數據發送至所述中央集群控制單元。

具體地，所述環境監測單元用于對所述集群溫室中各分區進行環境監測和作物生長監測，及時提供基礎有效數據為所述中央集群控制單元提供數據支撐和決策依據。在設置所述環境監測單元時，首先在分區內選擇能夠代表整個分區氣象、土壤和作物生長狀況平均水平的溫室，再將所述環境監測單元的所述監測裝置設置在所述溫室內能夠代表整個溫室氣象、土壤和作物生長狀況平均水平的位置。

所述中央集群控制單元用于基于人機交互設定的分區參數，分析所述環境因子數據和所述作物長勢數據，并輸出各分區對應的灌溉計劃和施肥計劃。所述灌溉計劃包括灌溉時間和灌溉水量，所述施肥計劃包括肥料配比、施肥時間和施肥量。所述中央集群控制單元對所述集群溫室各個分區的所述環境因子數據和作物長勢數據進行分析，再基于各分區的分區參數，可以同時輸出各分區的灌溉計劃和施肥計劃，系統工作效率高。

具體地，在設置所述中央集群控制單元時，優選地將所述中央集群控制單元設置在所述集群溫室的中心區域，便于所述中央集群控制單元與所述系統中所述環境監測單元和所述水肥一體化單元進行無線通訊。另外，可以建設專用的中央集群控制單元設備房，用于布置中央集群控制單元。

所述水肥一體化單元用于基于所述灌溉計劃和施肥計劃進行配水和配肥，并將水和配好的肥液輸送至對應分區的溫室內進行灌溉和施肥。各分區對應的水肥一體化單元根據各自接收到的所述灌溉計劃對各分區進行灌溉，根據各自接收到的所述施肥計劃進行配肥，并將配好的肥液輸送至各分區的溫室內進行施肥。

具體地，在所述灌溉施肥系統中，為每個分區分別配備一個水肥一體化單元，水肥一體化單元的數量由所述集群溫室的分區數量決定，然后通過中央集群控制單元對每個分區的水肥一體化單元進行控制，最終實現每個分區內各溫室的灌溉施肥。既完成了灌溉施肥工作，又避免了現有技術中對所述集群溫室中每個溫室單獨進行施肥灌溉帶來的大工作量。

本發明實施例提供的一種集群溫室灌溉施肥系統，通過為每個集群溫室分區配備一個水肥一體化單元，再通過中央集群控制單元對各分區對應的水肥一體化單元進行控制，最終實現集群溫室的灌溉施肥，省時省力，提高了集群溫室灌溉施肥效率。

在上述實施例中，所述中央集群控制單元包括中央集群控制器和人機交互裝置。其中：

如圖2所示，所述中央集群控制器包括作物分區模塊21、數據采集及分析模塊22、灌溉決策模塊23和施肥決策模塊24。其中，

所述作物分區模塊21用于接收通過人機交互裝置設定的所述分區參數，所述分區參數可通過所述集群溫室各分區的作物種植的實際情況獲得，在所述系統開機后即可在所述中央集群控制單元中對所述集群溫室中各分區的分區參數進行設定。優選地，可以將常見作物的分區參數預設并存儲在所述作物分區模塊21中，系統啟動之初只需根據所述集群溫室各分區的實際情況選取相應作物種類即可完成各分區對應分區參數的設定。所述人機交互裝置用于人機交互和顯示，通過人機交互裝置可以輸入各分區的分區參數并查看系統運行狀態。所述人機交互裝置包括：鼠標、鍵盤和液晶顯示器等。

所述數據采集及分析模塊22用于接收各分區的所述環境因子數據和作物長勢數據，并根據所述分區參數和所述作物長勢數據得出各分區內作物生育時期。所述作物生物期是指作物相鄰兩個物候期之間的一個時間段，每種作物一般包括若干生育時期。例如，番茄的生育時期包括：發芽期、幼苗期、開花期以及結果期等。作物在不同生育時期對應的水肥需求不盡相同，所述作物生育時期是確定所述灌溉計劃和施肥計劃的重要指標之一。

所述灌溉決策模塊23用于基于所述作物生育時期和所述環境因子數據，利用水量平衡原理確定各分區對應的灌溉計劃。所述環境因子數據包括：空氣溫濕度、太陽輻射、土壤濕度以及土壤養分含量等。基于作物生育期、空氣溫濕度、太陽輻射以及土壤濕度等數據，利用水量平衡原理即可確定各分區對應的所述灌溉計劃。具體地，根據所述水量平衡原理設定常見作物的灌溉計劃計算模型，并將所述灌溉計劃計算模型存儲在所述灌溉決策模塊23中，所述灌溉決策模塊23只需要獲取所述作物生育時期、空氣溫濕度、太陽輻射以及土壤濕度等數據，即可輸出各分區對應的所述灌溉計劃。

例如，可以根據水量平衡原理確定番茄的灌溉時間和灌溉所需水量，水量平衡方程為:

wi+1＝wi+p+ii-kc×et0

式中，wi+1為i+1時刻的土體或基質水分儲量；

wi為i時刻的土體或基質水分儲量；

p為降雨量，其中溫室內p取0；

ii為i時刻的灌溉量；

kc為作物系數；

et0為作物蒸騰量。

番茄生育前期、中期和后期作物系數kc值分別為0.55、1.05和0.70，且不同地區番茄作物系數kc取值不同。根據凈輻射、氣溫、風速、濕度等環境因子計算et0。根據水量平衡方程計算實時的土壤或基質水分儲量，當土壤或基質的水分儲量達到番茄不同生育階段規定的下限值時，則認為該時刻應該進行灌溉，且灌溉量等于田間持水量與土壤或基質實際含水量的差值。

所述施肥決策模塊24用于基于所述作物生育時期和所述環境因子數據，利用作物養分需求規律確定各分區對應的施肥計劃。基于作物生育時期以及土壤養分含量等數據，利用作物養分需求規律即可確定各分區對應的所述施肥計劃。具體地，根據所述土壤養分需求原理設定常見作物的施肥計劃計算模型，并將所述施肥計劃計算模型存儲在所述施肥決策模塊24中，所述施肥決策模塊24只需要獲取所述作物生育時期以及土壤養分含量等數據，即可輸出各分區對應的所述施肥計劃。例如，可以根據作物養分需求規律確定番茄追肥氮素的時間點和數量。首先根據不同茬口番茄的目標產量確定氮素需求總量，以氮素供應目標值表示番茄的氮素需求總量。總的追肥數量一般采用如下計算公式：追肥氮素數量＝氮素供應目標值-土壤氮素礦化量-有機肥提供的氮素-灌溉水中的有效氮素。由于氮素在整個作物生育期內對作物生長發育都十分關鍵，因此番茄追肥氮素的時間點按番茄不同生育期需求進行分配。

另外，所述中央集群控制單元還包括報警模塊，用于在所述環境因子數據超過預設值或灌溉施肥中發生異常情況時發出警報。例如，所述中央集群控制單元接收所述環境監測單元發送的某一分區的空氣溫度數據，若所述空氣溫度超過所述系統的預設值，則所述中央集群控制器的所述報警模塊控制報警裝置發出警報，提醒操作者采取措施降低對應分區的溫度，避免溫度過高對作物生長造成的不良影響。所述中央集群控制單元還包括遠程監控模塊，用于對所述集群溫室各分區關鍵區域進行視頻監控。

本發明實施例通過灌溉決策模塊和施肥決策模塊基于作物生育時期和環境因子數據，利用水量平衡原理和作物養分需求規律分別得出各分區對應的灌溉計劃和施肥計劃，實現了灌溉施肥的智能化決策。

在上述實施例中，所述水肥一體化單元包括：供水泵站、多功能配肥站、儲液罐、輸送管網和灌溉管網，所述供水泵站用于通過所述輸送管網為所述灌溉管網和所述多功能配肥站供水，所述多功能配肥站用于根據各分區施肥計劃進行配肥，并將配好的肥液通過所述輸送管網輸送至所述儲液罐中。

其中，所述灌溉管網布置在各個溫室中，是將水肥輸送至作物根部的最后環節，灌溉管網的精確合理布置，有利于作物對水肥的吸收利用。所述儲液罐設置在各分區的溫室內部，用于儲存根據所述施肥計劃配好的肥液，且所述儲液罐與溫室內的灌溉管網連接；同時，所述儲液罐與所述中央集群控制單元通過無線通訊反饋所需輸送肥液的體積。所述供水泵站通過輸送管網分別與所述多功能配肥站和各溫室內的灌溉管網相連接。所述供水泵站根據接收到的灌溉計劃通過輸送管網向各溫室的所述灌溉管網供水，以對各溫室進行灌溉；所述供水泵站通過所述輸送管網向所述多功能配肥站供水，以滿足多功能配肥站的用水需求。所述多功能配肥站根據所述施肥計劃進行配肥，并將配好的肥液通過所述輸送管網輸送至所述儲液罐，所述儲液罐設置在各溫室內的耳房位置，便于同所述多功能配肥站和溫室內所述灌溉管網連接，所述儲液罐內的肥液通過所述灌溉管網輸送至作物根部進行施肥。

在上述實施例中，所述多功能配肥站包括肥料原液罐和水肥一體化智能裝備，所述肥料原液罐用于盛放高濃度肥料原液，所述水肥一體化智能裝備用于根據所述施肥計劃對所述儲液罐中的肥液進行稀釋后輸送至各溫室內的所述灌溉管網中。

其中，不同的所述肥料原液罐中的肥料原液所含營養元素不同，例如，某個多功能配肥站中設置三個所述肥料原液罐，分別裝有包含氮元素、磷元素以及鉀元素的肥料原液。在所述多功能配肥站進行配肥時，根據所述施肥計劃中作物所需營養元素比例對所述肥料原液按比例混合，并將混合后的肥液輸送至各溫室內的儲液罐內。所述儲液罐中的肥液濃度較高，一般不適合直接進行施肥，所述水肥一體化智能裝備將所述儲液罐內配好的肥液吸入所述灌溉管網內的同時，需要向所述灌溉管網內輸入一定量的水對所述肥液進行稀釋，輸入的水量根據施肥計劃中作物所需肥液濃度確定，最終，經稀釋后的肥液通過所述灌溉管網輸送至作物根部完成施肥工作。

在上述實施例中，所述分區參數包括：分區位置、分區內作物種類以及分區內作物種植參數。所述種植參數包括作物種植時間、種植行數和種植株距等。集群溫室一般包括處于同一片區的多個溫室，為了便于管理，會將水肥特性相近的作物種在相鄰的溫室內，這些溫室就構成所述集群溫室的一個分區。每個分區的位置、分區內種植的作物種類以及分區內作物種植參數在施肥灌溉前都是已知的。例如，番茄和黃瓜的水肥特性相近，我們將它們種植在分區1內，在利用集群溫室灌溉系統對分區1中番茄和黃瓜進行灌溉時，需通過所述中央集群控制器中的作物分區模塊設定分區為分區1，設定分區1內作物種類為番茄和黃瓜，設定分區1內番茄和黃瓜的種植參數。

本發明實施例通過將水肥特性相近作物種植在同一分區內，便于實現智能化灌溉施肥，提高灌溉施肥效率。

圖3為一種利用上述實施例中所述系統進行灌溉施肥的方法流程圖，如圖3所述，所述方法包括：

s1，所述環境監測單元采集所述集群溫室各分區內環境因子數據和作物長勢數據并發送至所述中央集群控制單元。

其中，所述環境監測單元包括：太陽能供電裝置、監測裝置和無線傳輸裝置。所述太陽能供電裝置用于為所述環境監測單元供電，具體實施時，所述太陽能供電裝置可以是一塊太陽能電池板，可以將太陽能轉化為電能為所述環境監控單元工作提供能量。所述監測裝置用于采集所述集群溫室各分區內環境因子數據和作物長勢數據，所述監測裝置包括多個不同種類的傳感器，可以將所述環境監測單元所要監測的環境因子信息和作物長勢信息轉化為電信號，從而得到所述環境因子數據和所述作物長勢數據。所述無線傳輸裝置用于將所述環境因子數據和所述作物長勢數據發送至所述中央集群控制單元。

具體地，在設置所述環境監測單元時，首先在分區內選擇能夠代表整個分區氣象、土壤和作物生長狀況平均水平的溫室，再將所述環境監測單元的所述監測裝置設置在所述溫室內能夠代表整個溫室氣象、土壤和作物生長狀況平均水平的位置。所述環境監測單元設置好后，所述監測裝置對各分區內的環境因子數據和作物長勢數據進行采集，再通過所述無線傳輸裝置將采集到的環境因子數據和作物長勢數據發送至所述中央集群控制單元。

s2，所述中央集群控制單元基于人機交互設定的分區參數，分析所述環境因子數據和所述作物長勢數據，并輸出各分區對應的灌溉計劃和施肥計劃。

其中，所述中央集群控制單元包括中央集群控制器和人機交互裝置。所述人機交互裝置用于人機交互和顯示，通過人機交互裝置可以輸入各分區的分區參數并查看系統運行狀態。所述人機交互裝置包括：鼠標、鍵盤和液晶顯示器等。

具體地，所述作物分區模塊用于接收通過人機交互裝置設定的所述分區參數。所述數據采集及分析模塊用于接收各分區的所述環境因子數據和作物長勢數據，并根據所述分區參數和所述作物長勢數據得出各分區內作物生育時期。所述灌溉決策模塊用于基于所述作物生育時期和所述環境因子數據，利用水量平衡原理確定各分區對應的灌溉計劃。所述施肥決策模塊用于基于所述作物生育時期和所述環境因子數據，利用作物養分需求規律確定各分區對應的施肥計劃。

s3，所述水肥一體化單元基于所述灌溉計劃和施肥計劃進行配水和配肥，并將水和配好的肥液輸送至對應分區的溫室內進行灌溉和施肥。

其中，所述水肥一體化單元包括：供水泵站、多功能配肥站、儲液罐、輸送管網和灌溉管網，所述供水泵站用于通過所述輸送管網為所述灌溉管網和所述多功能配肥站供水，所述多功能配肥站用于根據各分區施肥計劃進行配肥，并將配好的肥液通過所述輸送管網輸送至所述儲液罐中。

具體地，所述供水泵站根據接收到的灌溉計劃通過輸送管網向各溫室的所述灌溉管網供水，以對各溫室進行灌溉；所述供水泵站通過所述輸送管網向所述多功能配肥站供水，以供所述多功能配肥站配肥。所述多功能配肥站根據所述施肥計劃進行配肥，并將配好的肥液通過所述輸送管網輸送至所述儲液罐，所述儲液罐設置在各溫室內的耳房位置，便于同所述多功能配肥站和溫室內所述灌溉管網連接，所述儲液罐內的肥液通過所述灌溉管網輸送至作物根部進行施肥。

本發明實施例提供的一種集群溫室灌溉施肥方法，通過為每個集群溫室分區配備一個水肥一體化單元，再通過中央集群控制單元對各分區對應的水肥一體化單元進行控制，最終實現集群溫室的灌溉施肥，省時省力，提高了集群溫室灌溉施肥效率。

在上述實施例中，在步驟s1之前還包括：

根據作物水肥特性對所述集群溫室進行分區，并將各分區對應的所述分區參數通過人機交互裝置輸入所述中央集群控制單元。

具體地，將水肥特性相近的作物種植在相鄰的溫室，則這些相鄰的溫室作為集群溫室的一個分區。特殊地，同一個分區內可以全部種植相同的作物，這樣灌溉施肥效率更高。

本發明實施例通過將水肥特性相近作物種植在同一分區內，便于實現智能化灌溉施肥，提高灌溉施肥效率。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。