CN101803507A - 一种旁通自动灌溉施肥装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旁通自动灌溉施肥装置，包括：混肥单元，混肥单元包括：多路注肥管路和与之并联的pH值调节管路，以及分别位于上述并联管路前端和后端的进水管路和混肥管路；EC/PH检测单元，用于检测混肥管路内混肥溶液的EC值和pH值；控制单元，根据所述检测得到的EC值和pH值，通过分别控制所述注肥管路和pH值调节管路的肥料注入量和调节液注入量来控制混肥管路中肥料溶液的配比、EC值和pH值以使其符合设定值；执行单元，响应所述控制单元的施肥指令将混肥管路中的肥料溶液导入农田灌溉网。本装置能够对施肥过程中的施肥浓度、施肥比例以及施肥量进行精确控制，并可以与一定规模的灌溉系统或尺寸的灌溉首部简单而快速地相连，以降低设备成本。

Description

一种旁通自动灌溉施肥装置及其方法

技术领域

本发明涉及农田灌溉技术领域，特别涉及一种能够对施肥过程中的施肥浓度、施肥比例以及施肥量进行精确控制的旁通自动灌溉施肥装置及其方法。

背景技术

精确灌溉施肥技术，是一种将水肥供应通过灌溉结合起来的现代农业技术，不但可实现产量的最大化，同时它对环境所产生的污染也达到最小。采用精确灌溉施肥技术可以方便调节灌溉水中营养物质的数量和浓度，调节各种肥料的使用比例，使其与植物的需要相适应；可以大幅度提高化肥利用率，提高养分的有效性，促进植物根系对养分的吸收，提高作物的产量和质量；还可以大幅度的节省时间、运输、劳动力及燃料等费用。实现精确灌溉与施肥将对我国农业的可持续发展起重要作用

当前自动施肥灌溉方法大都采用混肥灌方式，国外一些发达国家，如美国、以色列、加拿大澳大利亚等国，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在灌溉施肥自动控制技术方面起步较早，并且日趋成熟。然而，国外设备普遍存在控制面积大、系统复杂、操作不便、价格昂贵、体积庞大、移动困难等不足，难以大范围推广应用。中国发展自动灌溉施肥技术起步较晚，从当前专利和市场应用情况来看，我国灌溉施肥系统自动程度不高，实用性不强；相关设备和方法只是局限于原有灌溉设备基础上的改进以及施肥灌溉方式的创新，并没有将成熟的自控技术应用于施肥灌溉全过程中去；例如，国内在大田、温室、果园施肥灌溉过程中已经开始应用相关简易设备，大都通过增加混肥桶混合相关肥料，并通过压力泵或高度压差方式将肥水注入灌溉系统，整个操作过程费时费力；同时缺少准确EC/pH全方面实时监控，应用传感器在水流压力下精度低，漂移大，导致施肥效果差；施肥灌溉软件仅仅在功能上实现，未能为用户提供深入数据服务。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺陷，通过管路系统和采集控制系统的设计，改变混肥桶施肥灌溉方式，形成闭环EC/pH，液位、压力监测系统，能够对施肥过程中的施肥浓度及施肥比例以及施肥量进行精确控制，并使灌溉施肥装置可以通过旁路方式与任何规模的灌溉系统或任何尺寸的灌溉首部简单而快速地相连，以降低设备成本。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种旁通自动灌溉施肥装置，包括：

混肥单元，包括：由多路注肥管路和与之并联的PH值调节管路组成的并联管路，以及分别位于上述并联管路前端的进水管路和后端的第一混肥管路；所述进水管路在需要施肥时与所述并联管路相连通；所述第一混肥管路用于混合来自所述并联管路的肥料溶液和PH值调节溶液；

EC/PH检测单元，设置于所述混肥管路上，用于检测其内混肥溶液的EC值和PH值；

控制单元，分别与所述混肥单元、EC/PH检测单元和执行单元相连接，用于接收并向执行单元发出施肥指令；所述控制单元存储有EC值和PH值的设定值，并根据所述EC/PH检测单元检测得到的EC值和PH值控制所述注肥管路和PH值调节管路的肥料注入量和调节液注入量，以使上述EC值和PH值变化至符合上述设定值；

执行单元，根据接收到的施肥指令将混肥管路中的肥料溶液导入农田灌溉网。

其中，每一所述注肥管路包括文丘里注肥器和肥料桶，用于注入肥料；所述PH值调节管路包括文丘里注肥器和酸液桶，用于对肥料溶液的酸碱度进行调节；其中，所述文丘里注肥器与所述进水管路相连接。

其中，所述EC/PH检测单元包括与所述第一混肥管路连接的第二混肥管路、用于供所述第二混肥管路中的肥料溶液在其内流动通过的检测池以及设置在所述第二混肥管路上的分别用于检测肥料溶液的电导率值和PH值的EC传感器和PH值传感器；其中，所述第二混肥管路用于缓冲液体压力对所述EC传感器和PH传感器的影响。

进一步地，所述装置还包括设置于农田灌溉网的远端EC/pH检测单元，其与所述控制单元相连接，包括分别用于检测所述农田灌溉网中肥料溶液的电导率值和PH值的EC传感器和PH值传感器。

本发明的技术方案还提供了一种采用上述旁通自动灌溉施肥装置进行施肥的方法，包括：

S101：根据施肥需要设置多组施肥指令，包括施肥开始时间、停止时间、肥料配比、肥料浓度、肥料酸碱度；

S102：根据施肥开始时间判断是否需要施肥，若是，则将灌溉主水泵的水引入注肥管路和PH值调节管路，此时，所需肥料溶液通过各自的注肥管路与来自主水泵的水混合均匀后进入混肥管路；

S103：检测混肥管路中肥料溶液的EC值和PH值；

S104：根据检测值和设置的肥料浓度和酸碱度分别计算每一注肥管路和PH值调节管路的电磁阀的开关时间以使混肥管路中的肥料浓度和酸碱度符合设置值；

S105：根据所述计算得到的时间分别控制相应电磁阀的开合以控制肥料和酸液的注入量；

S106：判断混肥管路中肥料溶液的EC值和PH值是否符合设定值，若是，则将肥料溶液导入农田灌溉网，否则，返回步骤S104。

S107：检测农田灌溉网中肥料溶液的EC值和PH值是否符合设定值，若否，则返回步骤S104。

(三)有益效果

1、采用旁路管道结构可以与一定规模的灌溉系统或一定尺寸的灌溉首部简单而快速地相连，不改变原有灌溉系统，减少用户的重复投资，减小使用成本；采用4路文丘里注肥器、立式多级离心泵时可实现注肥量0.5-1.5立方米/小时，每小时最大施肥量达1300公斤，满足大田、温室、果园等不同规模的应用；

2、通过增加一定距离的混肥管道对注肥过程进行EC/pH动态监测，肥料罐液位实时监测，构建闭环EC/pH，水位实时监控系统配合安装逆止阀和流量计的文丘里注肥器，施肥均匀、准确，充分利用肥料有效成分，有助于提高施肥功效和肥料的利用率、节省资源、减少环境污染；

3、通过用户界面实时显示系统运行情况并接收受用户的输入设，同时具备实时报警功能，当出现异常时比如肥料罐中没有溶液，系统会停止运行灌溉施肥程序，向用户报警并等待用户处理；

4、系统允许同时设置多个灌溉施肥程序，最多可以设置30组。每个灌溉施肥程序包括开始施灌溉施肥时间，停止灌溉施肥时间，灌溉施肥采用的肥料配方(肥料配比或营养液浓度等)，能够自动、有序地实现灌溉和施肥，完成所有的灌溉施肥程序组，能够保证作物在各个生长阶段对于养分的需求。

附图说明

图1是根据本发明的旁通自动灌溉施肥装置的正视图；

图2是根据本发明的旁通自动灌溉施肥装置的后视图；

图3是根据本发明的旁通自动灌溉施肥装置的左视图；

图4是根据本发明的旁通自动灌溉施肥装置的右视图；

图5是根据本发明的旁通自动灌溉施肥装置的拓扑结构图；

图6是根据本发明的旁通自动灌溉施肥方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出的旁通自动灌溉施肥装置及其方法，结合附图和实施例说明如下。

本发明的旁通自动灌溉施肥装置包括管路部分和采集控制部分。为了方便与已有灌溉网络集成，管路部分采用旁路式设计，整体采用不锈钢机架。具体包括：

混肥单元，包括：多路注肥管路和与之并联的一路PH值调节管路构成的并联管路，上述并联管路前端设有进水管路，用于在需要施肥时将灌溉主水泵的水引入注肥管路及调节管路中以与其内的肥料溶液或调节液混合，或在不需施肥的时候直接将水引入农田灌溉网；上述并联管路后端串联有一一定长度的第一混肥管路，用于使来自上述并联管路的肥料溶液和PH值调节溶液充分混合均匀；其中，注肥管路和PH值调节管路可以采用防腐防酸型PVC管。作物在不同的生长阶段对灌溉液的PH值有一定的要求，为了将其控制在有利于作物生长的范围之内，本实施例增加的PH值调节管路可以吸酸以调节混合肥料溶液的酸碱度。

EC/PH检测单元，用于检测所述混肥管路中混肥溶液的EC值和PH值；可以构建一检测池，与上述第一混肥管路相连的第二混肥管路中的肥料溶液在其内流动，在所述第二混肥管路上设置EC传感器和PH值传感器。由于肥料溶液的浓度通过其电导率，即EC值来反映，故控制灌溉液的EC值即可控制肥料浓度；此外，本实施例增设的第二混肥管路的管道缓冲结构可以减少液体压力对EC传感器和PH传感器的影响。

控制单元，其内存储有多组施肥指令，每组指令包括施肥开始时间、停止时间、肥料配比、肥料浓度、肥料酸碱度；其与所述混肥单元以及EC/PH检测单元相连接，根据检测单元的检测值，通过分别控制所述多路注肥管路和PH值调节管路的肥料注入量和调节液注入量来控制进入混肥管路中的肥料溶液的配比、EC值和PH值，以使其符合指令设定值。

执行单元，响应所述控制单元的施肥指令将混肥管路中的肥料溶液导入农田灌溉网。

如图1-5所示，本发明的一个实施例包括：电动控制配电柜1，可编程测量控制器2，多级离心泵3，文丘里注肥器4，电磁阀5，过滤器及逆止阀6，流量计7，EC传感器8，pH值传感器9，进水管道10，第一混肥管路11，出水管路12，第二混肥管路13，第一电磁阀14，第二电磁阀15，吸肥管16，肥料桶17，酸液桶18，继电器19，液位开关20。

由图中可以看出，该实施例包括三路注肥管路和与之并联的PH值调节管路，每一注肥管路包括依次顺序连接的文丘里注肥器4、电磁阀5、吸肥管16和肥料桶17，用于氮、磷、钾等液体肥料的注入；该电磁阀5用于控制肥料吸入量，吸肥管16末端还设置有过滤器及逆止阀6，用于防止来自肥料桶的肥料溶液中的杂质堵塞管口以及肥料液体回流；同样，与三路注肥管路并联的PH值调节管路包括依次顺序连接的文丘里注肥器4、电磁阀5、吸肥管16和酸液桶18，该电磁阀5用于控制酸液的吸入量；上述并联管路的上端连接有进水管路10，其为本装置与灌溉网络进行连接的接口，与灌溉系统的主水泵相连接；上述并联管路的下端连接有第一混肥管路11和第二混肥管路13，使得来自各肥料桶的肥料可以与水泵中的水充分混合均匀；混肥管路末端设置多级离心泵3，用于将肥料溶液通过出水管路12导入农田灌溉网。

如图4所示，进水管路10与上述并联的文丘里注肥器4和出水管路12的连接位置处分别设置有第一电磁阀14和第二电磁阀15，用于实现施肥模式与灌溉模式之间的切换。即，当第一电磁阀14关闭，第二电磁阀15打开时，由灌溉主水泵过来的水通过第二电磁阀15直接流入农田灌溉网，而不会和肥料混合；当需要施肥时，打开第一电磁阀14，关闭第二电磁阀15，此时水流会通过第一电磁阀14进入并联的文丘里注肥器4内，当文丘里注肥器4中有水流流动时会在吸管16的电磁阀5处产生负压，肥料桶17内的肥料会通过电磁阀5流入混肥管路11和13。

具体地，为了实现对各种肥料溶液的自动混合和配比，每一路吸肥管16都设置有电磁阀5来控制由肥料桶17注入的肥料量，这样，通过控制每路电磁阀5的开关时间就可以控制施肥比例；第二混肥管路13可构建监测池，形成密闭监测容器，使混合肥料溶液能够在检测池中流动，通过设置于第二混肥管路13上的EC传感器8和pH传感器9与可编程测量控制器2形成闭环监控系统，配合继电器19和文丘里注肥器上的流量计7实现施肥控制。具体实施过程中，除了可以在混肥管路上设置闭环监测EC/pH值，同时还可增加远端EC/pH值监测反馈，以提高施肥精度和均匀性，具体地，包括设置于农田灌溉网的远端EC/pH检测单元，其与所述控制单元相连接，包括分别用于检测所述农田灌溉网中肥料溶液的电导率值和PH值的EC传感器和PH值传感器，其与设置于混肥管路的检测单元共同实现EC/pH双闭环调控。

此外，肥料桶17和酸液桶18的底部还可以设置液位开关20，具体地，选用4路不锈钢浮球开关与电动配电柜1，检测肥料桶17和酸液桶18的液位。

如图4所示为本实施例的可编程测量控制器2的总体结构框图，其以MiniARM工控模块为核心，以数据采集控制模块为前端，通过RS-485总线实现分布式的数据采集与控制任务。具体地，MiniARM工控模块采用ARM7作为核心处理系统，外扩标准RS485和工业以太网接口，内嵌μC/OS-II实时操作系统和FAT32文件管理系统，通过硬件扩展和软件开发，可完整地实现数据采集、存储、报警、设备控制等通用功能。该控制器前端的数据采集控制模块可实现对电压、电流、脉冲/频率、状态量等各种类型信号的采集和开关量控制，以满足施肥灌溉装置的测量与控制需求。

其中，可编程测量控制器2内存储有多组灌溉施肥程序，每个灌溉施肥程序包括开始施灌溉施肥时间，停止灌溉施肥时间，灌溉施肥采用的肥料配方(肥料配比或营养液浓度等)，最多可以设置30组，能够自动、有序地实现灌溉和施肥，完成所有的灌溉施肥程序组，能够保证作物在各个生长阶段对于养分的需求。根据设置的施肥浓度和检测到的EC/PH值，计算出每路电磁阀5的开关时间以使混合溶液的肥料浓度和酸碱度保持在给定的范围内。

此外，本实施例的可编程测量控制器2同时连接320x240彩色液晶和触摸屏以提供操作简单的人机界面，实时显示控制器的运行情况，配合触摸屏接收受用户的指令输入。当出现异常情况，比如肥料罐中没有溶液时，控制起会停止运行灌溉施肥程序，并向用户报警并等待用户处理。

具体实施过程中，控制器2实施施肥灌溉的流程如图5所示，包括以下步骤：

S101：根据施肥需要设置施肥指令，包括施肥开始时间、停止时间、肥料配比、肥料浓度、肥料酸碱度；

S102：根据施肥开始时间判断是否需要施肥，若是，则打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，以将灌溉主水泵的水引入各文丘里注肥器中；

此时，所需肥料溶液通过分别的注肥管路与来自主水泵的水混合均匀后进入混肥管路；

若否，则关闭第一电磁阀1，打开第二电磁阀2，从而直接将灌溉主水泵的水导入农田灌溉网中。

S103：实时检测混肥管路中肥料溶液的EC值和PH值；

S104：根据检测值和设置的肥料浓度和酸碱度计算注肥管路和PH值调节管路的电磁阀的分别的开关时间，以使混合管路中的肥料浓度和酸碱度保持在设定的范围内；

其中，EC值的单位用mS/cm或mmhos/cm表示，测量温度通常为25℃。正常的EC值范围一般在1-4mmhos/cm(或mS/cm)之间。

S105：根据所述计算得到的时间分别控制相应电磁阀的开合以控制肥料和酸液的注入量；

S106：判断混肥管路中肥料溶液的EC值和PH值是否在设定范围内，若是，则通过离心泵将肥料溶液通过出水管路引入农田灌溉网实施施肥，若否，则返回步骤S104。

S107：根据施肥停止时间判断施肥是否结束，若是，则结束程序。

在整个施肥过程中，检测肥料桶17和酸液桶18中的液位，当液位显示桶内已无溶液时，关闭与该肥料桶或酸液桶相对应的电磁阀5，并发出报警信号。

步骤S106后，还可以通过设置于农田灌溉网的远端EC/PH检测单元对灌溉网中的肥料溶液的电导率值和PH值进行检测，并将检测值传送给控制单元，控制单元按照步骤S104执行相应操作。

本发明在先进的可编程控制器控制下对施肥灌溉过程以及EC/pH实现动态闭环监测，采用旁路方式设备在规定的时间内通过一组文丘里注肥器配合智能施肥灌溉程序直接、准确地把肥料液按照用户施肥要求按比例注入到灌溉系统中。在5亩-5000亩的灌溉区域内能够完成大量的和多种肥料的配比施肥任务，满足作物在各个生长阶段对于养分的需求，同时也能充分利用肥料中的有效成分，有助于提高施肥功效和肥料的利用率、节省资源、减少环境污染，具有很好的经济效益和生态效益，另外低廉的价格(只有进口设备价格的50％左右)、稳定可靠的性能、全中文人机触摸界面，符合我国的基本国情。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种旁通自动灌溉施肥装置，其特征在于，包括：

混肥单元，包括：由多路注肥管路和与之并联的PH值调节管路组成的并联管路，以及分别位于上述并联管路前端的进水管路和后端的第一混肥管路；所述进水管路在需要施肥时与所述并联管路相连通；所述第一混肥管路用于混合来自所述并联管路的肥料溶液和PH值调节溶液；

EC/PH检测单元，设置于所述混肥管路上，用于检测其内混肥溶液的EC值和PH值；

控制单元，分别与所述混肥单元、EC/PH检测单元和执行单元相连接，用于接收并向执行单元发出施肥指令；所述控制单元存储有EC值和PH值的设定值，并根据所述EC/PH检测单元检测得到的EC值和PH值控制所述注肥管路和PH值调节管路的肥料注入量和调节液注入量，以使上述EC值和PH值变化至符合上述设定值；

执行单元，根据接收到的施肥指令将混肥管路中的肥料溶液导入农田灌溉网。

2.如权利要求1所述的旁通自动灌溉施肥装置，其特征在于，每一所述注肥管路包括文丘里注肥器和肥料桶，用于注入肥料；所述PH值调节管路包括文丘里注肥器和酸液桶，用于对肥料溶液的酸碱度进行调节；其中，所述文丘里注肥器与所述进水管路相连接。

3.如权利要求1所述的旁通自动灌溉施肥装置，其特征在于，所述EC/PH检测单元包括与所述第一混肥管路连接的第二混肥管路、用于供所述第二混肥管路中的肥料溶液在其内流动通过的检测池以及设置在所述第二混肥管路上的分别用于检测肥料溶液的电导率值和PH值的EC传感器和PH值传感器；其中，所述第二混肥管路用于缓冲液体压力对所述EC传感器和PH传感器的影响。

4.如权利要求1所述的旁通自动灌溉施肥装置，其特征在于，所述装置还包括设置于农田灌溉网的远端EC/pH检测单元，其与所述控制单元相连接，包括分别用于检测所述农田灌溉网中肥料溶液的电导率值和PH值的EC传感器和PH值传感器。

5.一种采用如权利要求1-4中任一项所述的旁通自动灌溉施肥装置进行施肥的方法，其特征在于，包括：

S101：根据施肥需要设置多组施肥指令，包括施肥开始时间、停止时间、肥料配比、肥料浓度、肥料酸碱度；

S102：根据施肥开始时间判断是否需要施肥，若是，则将灌溉主水泵的水引入注肥管路和PH值调节管路，此时，所需肥料溶液通过各自的注肥管路与来自主水泵的水混合均匀后进入混肥管路；

S103：检测混肥管路中肥料溶液的EC值和PH值；

S104：根据检测值和设置的肥料浓度和酸碱度分别计算每一注肥管路和PH值调节管路的电磁阀的开关时间以使混肥管路中的肥料浓度和酸碱度符合设置值；

S105：根据所述计算得到的时间分别控制相应电磁阀的开合以控制肥料和酸液的注入量；

S106：判断混肥管路中肥料溶液的EC值和PH值是否符合设定值，若是，则将肥料溶液导入农田灌溉网，否则，返回步骤S104。

S107：检测农田灌溉网中肥料溶液的EC值和PH值是否符合设定值，若否，则返回步骤S104。

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