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“一號技術(shù)”。
目前市場上的水肥一體控制單元采用參數(shù)配置固定、啟動定時、定次數(shù)的三定工作模式；其采用方法是在存儲模塊內(nèi)存儲有不同農(nóng)作物于生長期內(nèi)不同根系長度所對應(yīng)的用水量和用肥量；定數(shù)器、定時器與控制器相連，實(shí)現(xiàn)水泵和肥泵定時、定次數(shù)的啟動；定次數(shù)與定時一經(jīng)配置好，就不能根據(jù)天氣的變化情況實(shí)時調(diào)整，即使明天有明顯的降水過程，整個流程也必須按設(shè)定的方式完成；這種三定模式由于要面對種植對象不同、種植地域不同等情況，控制單元配置信息量大、現(xiàn)場修改控制參數(shù)不方便。而且還要面對用戶更換品種又必須修重新配置參數(shù)的問題；總之這種模式是采用事先設(shè)定好控制流程和操控方案，由操作員啟動一次后自動完成所設(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、不管作物生長的實(shí)際情況，一律按事先設(shè)定流程工作的模式，經(jīng)過多年的實(shí)踐，也越來越不適應(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)天氣情況不同動態(tài)調(diào)整引水時間、追肥時間、補(bǔ)水時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，計算各氣象要素對特定農(nóng)事活動供水量的影響權(quán)值&i，計算方法如下：
&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對農(nóng)事活動，在特定種植對象各階段設(shè)定的追肥時間、打藥時間、引水時間和補(bǔ)水時間的默認(rèn)值進(jìn)行修訂；具體計算方法如下：
式中：Mj為特定種植對象和農(nóng)事活動追肥時間、打藥時間、引水時間和補(bǔ)水時間的默認(rèn)值，n為農(nóng)事活動的核心氣象要素個數(shù)；
4)、根據(jù)修正后的追肥時間、打藥時間、引水時間和補(bǔ)水時間，控制電動水閥的啟閉。
進(jìn)一步的，所述步驟1)中根據(jù)氣象數(shù)據(jù)判斷農(nóng)事活動是否適宜的方法如下：
確定氣象條件對特定農(nóng)事活動的影響程度，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值B：
式中：Xi為第i個判別條件影響因子值，n為特定農(nóng)事活動差別條件總數(shù)；
若A不為0，B為2n，則該農(nóng)事活動適宜，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積溫Aa、有效積溫Ae、計頻Na、日較差Ba和日照時數(shù)Sn；
其中：
需滿足Ti＞B，Ti為溫度，B為種植對象所要求的下限溫度，一般n取30；
Xi＞C，Na加1，Xi≤C時，Na不變，其中Xi為氣象要素測試數(shù)據(jù)，C為種植對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)動態(tài)的調(diào)整追肥時間、打藥時間、引水時間和補(bǔ)水時間；
(2)本發(fā)明將氣象信息融合到控制過程中能精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)施肥、打藥和澆水，使得過程更加精化、智能化，能夠最大限度的減少化工原料對環(huán)境的影響。
附圖說明
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)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
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，計算各氣象要素對特定農(nóng)事活動供水量的影響權(quán)值&i，計算方法如下：
&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通過各氣象要素與水蒸發(fā)要素按照積差計算得到；
3)、根據(jù)&i對農(nóng)事活動，在特定種植對象各階段設(shè)定的追肥時間、打藥時間、引水時間和補(bǔ)水時間的默認(rèn)值進(jìn)行修訂；具體計算方法如下：
式中：Mj為特定種植對象和農(nóng)事活動追肥時間、打藥時間、引水時間和補(bǔ)水時間的默認(rèn)值，n為農(nóng)事活動的核心氣象要素個數(shù)；
4)、根據(jù)修正后的追肥時間、打藥時間、引水時間和補(bǔ)水時間，控制電動水閥的啟閉，完成控制過程。
進(jìn)一步的，所述步驟1)中根據(jù)氣象數(shù)據(jù)判斷農(nóng)事活動是否適宜的方法如下：
確定氣象條件對特定農(nóng)事活動的影響程度，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值B：
式中：Xi為第i個判別條件影響因子值，n為特定農(nóng)事活動差別條件總數(shù)；
若A不為0，B為2n，則該農(nóng)事活動適宜，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，要首先判別這項(xiàng)農(nóng)事活動是否合適，其氣象條件判斷規(guī)則如下：
某項(xiàng)農(nóng)事活動任意判別條件為不適宜，則該項(xiàng)農(nóng)事活動氣象等級為不適宜；其余情況下，該項(xiàng)農(nóng)事活動氣象等級為較適宜；
表1為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中水肥藥農(nóng)事活動氣象等級判別指標(biāo)
進(jìn)一步的，所述步驟2)中核心氣候要素包括活動積溫Aa、有效積溫Ae、計頻Na、日較差Ba和日照時數(shù)Sn；
其中：
需滿足Ti＞B，Ti為溫度，B為種植對象所要求的下限溫度，一般n取30；
Xi＞C，Na加1，Xi≤C時，Na不變，其中Xi為氣象要素測試數(shù)據(jù)，C為種植對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)通過傳感器采集。
自動控制設(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、日照時數(shù)、風(fēng)速、雨量等)，存入本地的存儲器中，同時通過基于NBIOT的農(nóng)業(yè)物聯(lián)通信模塊從中國天氣網(wǎng)上獲取溫度、降水等相關(guān)的預(yù)報信息；在設(shè)備存儲器中采用SQLIT數(shù)據(jù)庫存儲自身所采集的最新10天的氣候數(shù)據(jù)和3天內(nèi)的天氣預(yù)報信息；在控制過程中氣象數(shù)據(jù)以天為時間單位進(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)；計算每個氣候要素的平均值、每天的最大值、最小值并存入數(shù)據(jù)表中；在本算法中需要對溫度、水、光等核心氣象要素進(jìn)行深層次的加工處理，如計算滿足一定的積溫、日較差、光照時長、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，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；根據(jù)作物的生長階段、土壤的含水量、過去三天空氣的溫濕度、后三天的空氣溫濕度預(yù)報以及降水量預(yù)報等相關(guān)信息，調(diào)整水肥藥一體化工藝流程；控制過程的改變反應(yīng)在水肥一體化控制器上為輸出控制時間的長短和閥門開合角度的控制以及改變輸送水管的壓力等兩種方式；具體控制過程如下：
首先判別農(nóng)事活動是否適宜，如不適宜控制器向用戶反饋不要進(jìn)行此農(nóng)事活動，并退出；如果適宜則轉(zhuǎn)入下一步；
各氣象要素對特定農(nóng)事活動供水量的影響權(quán)值&i的計算，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特定農(nóng)事活動供水量的權(quán)值；
根據(jù)種植對象、土壤性質(zhì)、作物生長階段的不同，事先在控制器中設(shè)定追肥時間、引水時間、補(bǔ)水時間的默認(rèn)值；
水肥藥一體化農(nóng)事活動過程中，不同的農(nóng)事活動揀選的功能不同，每個階段的時間也不相同，如表2、表3、表4所示；其表中N的個數(shù)為影響本農(nóng)事活動的核心氣象要素的個數(shù)，&i為此氣象要素影響因子的權(quán)值，追肥時間、打藥時間與肥和藥的用時相關(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：某種植對象施肥活動氣象因子影響權(quán)值例表
表3：某種植對象噴藥活動氣象因子影響權(quán)值例表
表4：某種植對象灌溉活動氣象因子影響權(quán)值例表
控制器根據(jù)各階段時間長短的不同和前后時間關(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)定的每個階段時間到，并向用戶發(fā)送操作完成信息。
這種根據(jù)種植對象、土壤性質(zhì)、天氣變化等實(shí)際情況的不同動態(tài)調(diào)整水肥一體化實(shí)現(xiàn)過程的方法，分為三個階段實(shí)現(xiàn)，不需額外的存儲器、定時器與計數(shù)器；只需要一個STM32核心微控芯片就可實(shí)現(xiàn)，減輕控制器設(shè)計難度，控制器調(diào)度的數(shù)據(jù)量也大幅減少，使用簡單、方便，成本也大為下降；第一階段稱為引水階段(或引水時間)根據(jù)作物對象不同，作物根系同吸肥方式不同，確定時間長短；本階段只澆水不送肥，讓作物根系周圍有一定的水含量，讓肥力很快地滲透到作物根部最需要肥力的地方；時間長短由水壓、管網(wǎng)大小、作物對象等決定；第二個階段稱為追肥階段(或追肥時間)根據(jù)作物生長期不同，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)肥料用量計算出追肥的時間；第三個階段為補(bǔ)水階段(或補(bǔ)水時間)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)，時間長短仍根據(jù)作物的需要而定。
在農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，水肥一體化的操作流程應(yīng)該是動態(tài)，三個階段的時間調(diào)整不光是建立在上面的三個不同情況基礎(chǔ)上的；更重要的是要根據(jù)天氣情況的不同動態(tài)地改變?nèi)齻€時間，以及水肥控制器的工作流程；其方法是確定種植在每個生長階段理論上所需的總水量，由水肥比、水藥比計算出引水時間、追肥時間、補(bǔ)水時間的大小；將氣象要素引入水肥一體過程方法是根據(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)報的情況來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，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)報信息，將其融合到水肥一體化整個控制過程中，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環(huán)境的影響。
使用時，實(shí)現(xiàn)水肥一體化控制方法的控制裝置，每個支管上安裝一個電動水閥，每一個支管所管的澆灌區(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；主水管電動水閥和施肥打藥電動閥由連接同一個一體化控制器，每個一體化控制器能夠獨(dú)立于云管理中心通信；通過對主水管和施肥打藥電動閥的前后邏輯和開關(guān)控制時間完成水肥一體化控制；本發(fā)明每一個一體化控制器采用低功耗設(shè)計，采用太陽能+蓄電池的方式供電，可以減少現(xiàn)場的施工難度。
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能電池板；一體化控制器通過太陽能控制器連接太陽能電池板，太陽能控制器還連接到蓄電池；一體化控制器連接到電動水閥；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：
約定每一個控制通道的優(yōu)先級別為0～4，約定優(yōu)先級為5此控制通道無效；第一個控制通道無論何優(yōu)先級，只要有控制命令都立即啟動，其它四個控制通道根據(jù)設(shè)定的優(yōu)先級確定開、關(guān)的先后關(guān)系；控制通道1～5的優(yōu)先級只能遞減、不能遞增；如要實(shí)現(xiàn)遞增中間用一個5隔開；如上一個控制通道的優(yōu)先級等于5本通道與第一個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)先級由現(xiàn)場控制根據(jù)水閥連接的實(shí)際情況，現(xiàn)場通過參數(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：初始化一個二維數(shù)組，如上表1所示。
步驟2：任何一個控制通道接到啟動命令，如此通道為第1控制通道或控制優(yōu)先級為0，將要求啟動標(biāo)置1，啟動命令置1.再根據(jù)引水時間、追肥時間、補(bǔ)水時間計算此閥提前開閥時間量，并打開提前開計時器；如控制優(yōu)先級為5此端口中不作任何操作。如控制優(yōu)先級為0和5外的1、2、3、4中的一種，判斷上一個通道的啟動命令是否為1，提前開時間到標(biāo)志是否為1，如這兩個標(biāo)志的置均為1，將本通道的啟動標(biāo)志置1，完成水閥的前、后啟動控制邏輯。
步驟3：程序不停掃描提前開定時器并判斷定時時間是否到。如提前開計時器時間到，將二維表是提前開時間到標(biāo)志置1。
步驟4：掃描到啟動命令被置1的通道進(jìn)行啟動操作，并啟動開啟總時間計時器。
步驟5：判斷開啟總時間計時器時間到關(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)參與作物生長的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，動態(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程中能精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)施肥、打藥和澆水，使得過程更加精化、智能化，能夠最大限度的減少化工原料對環(huán)境的影響。