一種植物生長肥料消耗分析裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種植物生長肥料消耗分析裝置及方法，通過計算得出培養溶液在進出生長倉前后各營養組分的差值，除以時間間隔得到平均值。該過程不斷進行，最后在整個時間域上對得到的各離子消耗平均值進行濾波后積分，從而得到各所需營養元素組分的劑量和配比。本發明能夠在對植物本身不造成任何傷害的前提下獲取植株不同生長階段所需肥料的含量與配比，其測量分析結果具有很高的精準性。
【專利說明】
一種植物生長肥料消耗分析裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及設施農業領域，特別是一種植物生長肥料消耗分析裝置及方法。
【背景技術】
[0002]設施農業是一種能夠打破傳統農業的季節性生產及靠天吃飯的弊病，通過匯集土地、資金、技術和勞動力等要素，以資金密集、技術密集、土地高效利用為主要特征的集約型高效農業產業。設施農業的這些基本特征，使其具有高投入、高產出、高效益、節水節能、可持續發展、周年生產的鮮明特點。隨著我國科技進步及適齡勞動人口數量的不斷下降，設施農業將在我國未來的農業生產中占據越來越重要的地位。
[0003]水肥一體化調配灌溉是一項重要的現代設施農業技術。通過專家系統知識庫內存有的植物每階段生長所需肥料組分與配比的先驗知識，對營養液調配進行精確調節后施予植株，既保證了植物營養所需，又有效減少了肥料的浪費。然而這種精確調節需要有準確的先驗知識作為依據，而這些肥料相關的先驗知識的獲取目前尚未有合適的裝置。因此如何設計出一套獲取植株不同生長階段所需肥料的含量與配比的自動化裝置就成為一個具有實用價值且富有挑戰性的問題。
[0004]現有針對植株所需肥料的專利申請，都未能做到對植物的無損檢測，例如申請號201410640183.3的發明采用采摘葉片后烘干后采用硫酸-過氧化氫消煮，通過凱氏半微量定氮法測定葉片全氮含量，通過釩鉬黃比色法測定葉片全磷含量，通過火焰光度計法測定葉片全鉀含量，而這些方法需將植株葉片破壞且無法做到實時檢測。而申請號201210041294.3的發明通過精確測量某一地塊的土壤方面數據，然后根據所種植的植物，通過計算機模型來模仿植物生長過程并進行虛擬施肥的方法來確定該肥料的使用量。這一方法是通過計算機仿真而非真實實驗獲取數據，顯然具有更差的精確性和針對性。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明的目的是提出一種植物生長肥料消耗分析裝置及方法，通過計算得出培養溶液在進出生長倉前后各營養組分的差值，除以時間間隔得到平均值。該過程不斷進行，最后在整個時間域上對得到的各離子消耗平均值進行濾波后積分，從而得到各所需營養元素組分的劑量和配比。
[0006]本發明的裝置采用以下方案實現:一種植物生長肥料消耗分析裝置，包括準備倉、種植倉、測量倉、設置在準備倉內的第一離子傳感器陣列、設置在測量倉內的第二離子傳感器陣列、控制模塊、電池閥執行機構;所述電池閥執行機構包括若干個電池閥；所述種植倉與所述準備倉、測量倉之間均通過設置有電磁閥的管道相連;所述控制模塊與所述第一離子傳感器陣列、第二離子傳感器陣列、電池閥執行機構電性相連。
[0007]進一步地，所述準備倉、種植倉、測量倉的擺放位置為從高到底。
[0008]進一步地，所述離子傳感器陣列包括氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵在線離子傳感器。
[0009]進一步地，所述控制模塊包括單片機，所述單片機通過通訊接口連接至所述計算機。控制模塊微控制器部分由瑞薩公司R5F100FCA單片機構成，其核心電路如圖4所示。該單片機內置高精度晶體振蕩器、模/數轉換器(A/D)、脈沖寬度調制器(PWA)、定時器等，完全能夠滿足系統要求。
[0010]本發明的發明采用以下方案實現:一種根據上文所述的植物生長肥料消耗分析裝置的方法，具體包括以下步驟；
步驟S1:將濃縮營養液在準備倉中與水混合配置成標準濃度的營養液；
步驟S2:將步驟SI配置的標準濃度的營養液注入種植倉，經過一小段時間的種植，使植物吸收營養液中的各種營養元素；
步驟S3:在到達預定時間后將種植倉使用過的營養液注入測量倉進行各元素含量的測量；
步驟S4:通過測量倉測得的數據與準備倉標準濃度的營養液濃度數據間的差值可得這一段時間內營養液各元素的消耗情況；
步驟S5:重復步驟SI至S4，得到多個時段的營養液個元素消耗情況，將所有時段的結果統計、積分得到植物在整個時間域上的營養元素消耗情況。
[0011]進一步地，當種所述植倉的營養液進入所述測量倉后，立即將所述準備倉中的營養液導入所述種植倉，然后在所述準備倉中配置新的營養液，以使得所述種植倉中的植物時刻有溶液浸泡，并使得測量的數據在時間域上可連續。
[0012]進一步地，在所述步驟S3中，將獲得的測量數據通過擴展卡爾曼濾波器(ExtendedKalman Filter, EFK)進行濾波平滑處理。EKF的基本思想是將非線性系統線性化，然后進行卡爾曼濾波(Kalman Filtering, KF)。卡爾曼濾波是一種利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。由于觀測數據中包括系統中的噪聲和干擾的影響，所以最優估計也可看作是濾波過程。該過程可以被預測和更新兩個階段。在預測階段，濾波器使用上一狀態的估計，做出對當前狀態的估計。在更新階段，濾波器利用對當前狀態的觀測值優化在預測階段獲得的預測值，以獲得一個更精確的新估計值。圖5所示為擴展卡爾曼濾波的流程圖。通過進行擴展卡爾曼濾波可大大削減所測得的肥料參數中的誤差，使結果更逼近真實值。
[0013]進一步地，所述準備倉中營養液的調配通過將高濃度預配各種營養液按比例摻入清水的方法進行稀釋調配，其中高濃度營養液進入倉體的流量可通過調節電池閥的開度實現，電池閥的開度通過控制模塊中的單片機內置的PWM控制器調節實現。
[0014]進一步地，所述步驟SI中對營養液中各元素含量的測量通過所述第一離子傳感器陣列。
[0015]進一步地，所述步驟S3中對測量倉的溶液中的各元素含量的測量通過第二離子傳感器陣列。
[0016]與現有技術相比，本發明有以下有益效果:本發明能夠獲取植株不同生長階段所需肥料的含量與配比，同時對植物本身不造成任何傷害，即能夠做到對植物的無損檢測。本發明的測量分析結果具有很高的精準性。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的總體框架圖。
[0018]圖2是本發明一次測量流程示意圖。
[0019]圖3是本發明裝置結構示意圖。
[0020]圖4是本發明控制模塊微控制器核心電路示意圖。
[0021 ]圖5本發明擴展卡爾曼濾波流程示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0023]如圖1所示，本實施例提供了一種植物生長肥料消耗分析裝置，包括準備倉、種植倉、測量倉、設置在準備倉內的第一離子傳感器陣列、設置在測量倉內的第二離子傳感器陣列、控制模塊、電池閥執行機構;所述電池閥執行機構包括若干個電池閥；所述種植倉與所述準備倉、測量倉之間均通過設置有電磁閥的管道相連;所述控制模塊與所述第一離子傳感器陣列、第二離子傳感器陣列、電池閥執行機構電性相連。
[0024]如圖3所示，在本實施例中，所述準備倉、種植倉、測量倉的擺放位置為從高到底。當控制模塊開啟相應管道的電池閥時，溶液可依勢能流入下一管道。營養液按流程依次注入準備倉、種植倉與測量倉;但這一流程是以流水線作業的方式進行的，即當種植倉溶液進入測量倉后，立即將準備倉溶液導入種植倉，然后將新的溶液在準備倉中配置，以使得種植倉中植株時刻有溶液浸泡，并使得測量的數據在時間域上可連續。
[0025]在本實施例中，所述離子傳感器陣列包括氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵在線離子傳感器。
[0026]在本實施例中，所述控制模塊包括單片機，所述單片機通過通訊接口連接至所述計算機。控制模塊微控制器部分由瑞薩公司R5F100FCA單片機構成，其核心電路如圖4所示。該單片機內置高精度晶體振蕩器、模/數轉換器(A/D)、脈沖寬度調制器(PWA)、定時器等，完全能夠滿足系統要求。
[0027]如圖2所示，本實施例還提供了一種根據上文所述的植物生長肥料消耗分析裝置的方法，具體包括以下步驟；
步驟S1:將濃縮營養液在準備倉中與水混合配置成標準濃度的營養液；
步驟S2:將步驟SI配置的標準濃度的營養液注入種植倉，經過一小段時間的種植，使植物吸收營養液中的各種營養元素；
步驟S3:在到達預定時間后將種植倉使用過的營養液注入測量倉進行各元素含量的測量；
步驟S4:通過測量倉測得的數據與準備倉標準濃度的營養液濃度數據間的差值可得這一段時間內營養液各元素的消耗情況；
步驟S5:重復步驟SI至S4，得到多個時段的營養液個元素消耗情況，將所有時段的結果統計、積分得到植物在整個時間域上的營養元素消耗情況。
[0028]在本實施例中，當種所述植倉的營養液進入所述測量倉后，立即將所述準備倉中的營養液導入所述種植倉，然后在所述準備倉中配置新的營養液，以使得所述種植倉中的植物時刻有溶液浸泡，并使得測量的數據在時間域上可連續。
[0029]在本實施例中，在所述步驟S3中，將獲得的測量數據通過擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter, EFK)進行濾波平滑處理。如圖5所示，EKF的基本思想是將非線性系統線性化，然后進行卡爾曼濾波(Kalman Filtering, KF)。卡爾曼濾波是一種利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。由于觀測數據中包括系統中的噪聲和干擾的影響，所以最優估計也可看作是濾波過程。該過程可以被預測和更新兩個階段。在預測階段，濾波器使用上一狀態的估計，做出對當前狀態的估計。在更新階段，濾波器利用對當前狀態的觀測值優化在預測階段獲得的預測值，以獲得一個更精確的新估計值。圖5所示為擴展卡爾曼濾波的流程圖。通過進行擴展卡爾曼濾波可大大削減所測得的肥料參數中的誤差，使結果更逼近真實值。
[0030]在本實施例中，所述準備倉中營養液的調配通過將高濃度預配各種營養液按比例摻入清水的方法進行稀釋調配，其中高濃度營養液進入倉體的流量可通過調節電池閥的開度實現，電池閥的開度通過控制模塊中的單片機內置的PWM控制器調節實現。
[0031]在本實施例中，所述步驟SI中對營養液中各元素含量的測量通過所述第一離子傳感器陣列。
[0032]在本實施例中，所述步驟S3中對測量倉的溶液中的各元素含量的測量通過第二離子傳感器陣列。
[0033]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【主權項】
1.一種植物生長肥料消耗分析裝置，其特征在于:包括準備倉、種植倉、測量倉、設置在準備倉內的第一離子傳感器陣列、設置在測量倉內的第二離子傳感器陣列、控制模塊、電池閥執行機構;所述電池閥執行機構包括若干個電池閥;所述種植倉與所述準備倉、測量倉之間均通過設置有電磁閥的管道相連;所述控制模塊與所述第一離子傳感器陣列、第二離子傳感器陣列、電池閥執行機構電性相連。2.根據權利要求1所述的一種植物生長肥料消耗分析裝置，其特征在于:所述準備倉、種植倉、測量倉的擺放位置為從高到底。3.根據權利要求1所述的一種植物生長肥料消耗分析裝置，其特征在于:所述離子傳感器陣列包括氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵在線離子傳感器。4.根據權利要求1所述的一種植物生長肥料消耗分析裝置，其特征在于:所述控制模塊包括單片機，所述單片機通過通訊接口連接至所述計算機。5.—種根據權利要求1所述的植物生長肥料消耗分析裝置的方法，其特征在于:包括以下步驟； 步驟S1:將濃縮營養液在準備倉中與水混合配置成標準濃度的營養液； 步驟S2:將步驟SI配置的標準濃度的營養液注入種植倉，經過一小段時間的種植，使植物吸收營養液中的各種營養元素； 步驟S3:在到達預定時間后將種植倉使用過的營養液注入測量倉進行各元素含量的測量； 步驟S4:通過測量倉測得的數據與準備倉標準濃度的營養液濃度數據間的差值可得這一段時間內營養液各元素的消耗情況； 步驟S5:重復步驟SI至S4，得到多個時段的營養液個元素消耗情況，將所有時段的結果統計、積分得到植物在整個時間域上的營養元素消耗情況。6.根據權利要求5所述的一種植物生長肥料消耗分析方法，其特征在于:當種所述植倉的營養液進入所述測量倉后，立即將所述準備倉中的營養液導入所述種植倉，然后在所述準備倉中配置新的營養液，以使得所述種植倉中的植物時刻有溶液浸泡，并使得測量的數據在時間域上可連續。7.根據權利要求5所述的一種植物生長肥料消耗分析方法，其特征在于:在所述步驟S3中，將獲得的測量數據通過擴展卡爾曼濾波器進行濾波平滑處理。8.根據權利要求5所述的一種植物生長肥料消耗分析方法，其特征在于:所述準備倉中營養液的調配通過將高濃度預配各種營養液按比例摻入清水的方法進行稀釋調配，其中高濃度營養液進入倉體的流量可通過調節電池閥的開度實現，電池閥的開度通過控制模塊中的單片機內置的PWM控制器調節實現。9.根據權利要求5所述的一種植物生長肥料消耗分析方法，其特征在于:所述步驟SI中對營養液中各元素含量的測量通過所述第一離子傳感器陣列。10.根據權利要求5所述的一種植物生長肥料消耗分析方法，其特征在于:所述步驟S3中對測量倉的溶液中的各元素含量的測量通過第二離子傳感器陣列。
【文檔編號】G01N33/00GK105842398SQ201610185326
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月29日
【發明人】鄒騰躍, 林壽英, 馮奇杰, 李澍源
【申請人】福建農林大學