CN102081370A

CN102081370A - 水肥一体化智能精准控制系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102081370A
Application number: CN 201010562399
Authority: CN
Inventors: 贺立源; 尤兰婷; 冯文韬; 严豫疆
Original assignee: Huazhong Agricultural University
Current assignee: Huazhong Agricultural University
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: CN102081370B

Abstract

本发明公开了一种水肥一体化智能精准控制系统及其控制方法，涉及有关信息技术、农业灌溉和科学施肥技术交叉应用的水肥控制系统。本系统由依次连接的监控机(100)、串口转换模块(200)、下位机(300)、执行机构(400)和轮灌区(500)组成。本方法主要是运行“水肥一体化精准决策控制软件”；监控机通过串口转换模块发送控制命令；下位机经屏蔽电缆接收控制命令，并将控制命令转换为逻辑控制序列；④执行机构依据逻辑控制序列依序动作，完成对轮灌区的浇水和施肥。本发明成本低廉、扩展性强和实用性强，体现了“精准灌溉、精准施肥”的发展趋势，对于缓解我国水资源矛盾，降低农业面源污染，保证我国粮食安全具有实用价值。

Description

水肥一体化智能精准控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及有关信息技术、农业灌溉和科学施肥技术交叉应用的水肥控制系统，尤其涉及一种经济实用的水肥一体化智能精准控制系统及其控制方法。

背景技术

20世纪30年代法国开始灌溉施肥自动化控制技术的探索；50年代以来，美国、日本等发达国家将电子技术、传感器技术、计算机科学技术等应用于农业灌排网络，并得到了广泛的发展和运用，控制方式由现场控制慢慢发展为无线控制，控制模式由分散控制发展到集中控制。

我国许多项目引进了一些国外的自动控制系统，但这些系统都是为国外的生产实际而设计的，没有考虑我国的气候条件、土壤条件和作物类型等，因而不适于我国的生产实际。国外的限制和国内的需求迫使我国必须自主研制国产化的自动控制系统。20世纪70年代，我国开始引进灌溉施肥技术并开展相关实验，80年代至90年代开始研制自主知识产权的设备，90年代后期，开始大力开展灌溉施肥技术的研究和培训及其技术推广应用，各类高校与科研机构做了许多相关实验研究。但大多数研究偏重于学术和技术引进，考虑作物的水肥需求特征不够充分，系统构建成本昂贵，且实用性不强，因而有必要整合多学科现有成熟技术，研制一种经济实用的水肥一体化精准控制系统，满足社会需求。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种经济实用的水肥一体化智能精准控制系统及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

1、水肥控制策略

灌溉采用土壤水分传感器进行闭环控制，肥随水走，施肥次数与施肥用量与作物关键生育阶段相结合，多次少施，保证养分能被作物有效吸收，提高肥料利用率。依据不同作物的施肥特征，设置营养液罐，决策系统轮询对象及其施肥阶段，自动组配营养方案。

因作物、因施肥阶段的不同而不同，施肥方案以数据库形式保存，采用普通微机实现智能控制。

2、系统技术方案

本发明的技术方案包括控制系统(硬件)和控制方法(软件)：

1)控制系统采用监控机(上位机)、下位机与执行机构三层架构，远程监控与现场控制两级控制结构；系统借助水份传感器实时反馈土壤水份信息，设置单泵与数个营养罐自动在线组配营养液。

2)控制方法采用VB.net设计人机交互界面，并利用MSCOMM控件和modbus协议实现了串口通讯，远程监控现场。系统依据实时土壤水份信息与作物需水特征及时灌溉；依据不同作物不同阶段的营养需求特征，采取“肥随水走”与“以周作为施肥规划单位，以天作为施肥实施周期”的水肥一体化管理方案自动在线组配营养液。

3、成本控制策略

采用成熟技术与通用硬件，如微机、采集卡、通讯卡、水分传感器、水泵、电磁阀、流量计、滴灌管件、营养罐等器件，科学构建系统，成本较低。系统采用轮询方式灌溉施肥，任意时刻只开启一个轮灌区，降低管网投资，很容易做到面向多种作物的自动化控制。

具体地说；

一、水肥一体化智能精准控制系统(简称系统)

本系统由依次连接的监控机、串口转换模块、下位机、执行机构和轮灌区组成。

二、基于水肥一体化智能精准控制系统的控制方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①监控机启动，运行“水肥一体化精准决策控制软件”；

②监控机通过串口转换模块发送控制命令，并实时监测流量计数信息与湿度信息；

③下位机经屏蔽电缆接收控制命令，并将控制命令转换为逻辑控制序列，下位机反馈流量计数信息；

④执行机构依据逻辑控制序列依序动作，完成对轮灌区的浇水和施肥，并实时采集湿度信息，经下位机反馈至监控机，自动完成闭环控制。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、成本低廉

采用成熟技术与通用硬件科学构建系统，降低设备成本；采用轮询方式灌溉施肥，任意时刻只开启一个轮灌区，降低管网投资，有利于推广使用；

2、扩展性强

施肥方案因作物、因施肥阶段的不同而不同，并以数据库形式保存，只要扩充数据库并增加田间毛管，便很容易做到面向多种作物的自动化控制；

3、实用性强

系统于2010年3月份放入华农果园教学基地梨园中，至今运转良好，成功实现了土壤含水率在线实时监测与梨树灌溉施肥的智能化管理。2010年8月份通过梨树收获结果分析，系统不仅节水节肥而且提高作物产量和品质。

本发明体现了“精准灌溉、精准施肥”的发展趋势，对于缓解我国水资源矛盾，降低农业面源污染，保证我国粮食安全具有实用价值。

附图说明

图1是本发明的结构方框图；

图2是执行机构和轮灌区的结构方框图；

图3是水肥一体化精准决策控制软件的工作流程图。

其中：

100-监控机；

200-串口转换模块；

300-下位机；

400-执行机构，

410-手动配肥阀，411、412……41M-第1、2……M手动配肥阀；

420-营养罐，421、422……42N-第1、2……N营养罐；

430-营养阀+流量计，431、432……43N-第1、2……N营养阀+流量计；

440-驱动混合仓；

450-轮灌区电磁阀，451、452……45K-第1、2……K轮灌区电磁阀；

460-水份传感器，461、462……46L-第1、2……L水份传感器；

470-手动总水阀；

480-水阀+流量计；

500-轮灌区；

510、520……5L0-第1、2……L轮灌区。

其中：M、N、K、L均为1～100的自然数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1，本系统由依次连接的监控机100、串口转换模块200、下位机300、执行机构400和轮灌区500组成。

2、功能块

1)监控机100

如图1，所述的监控机100为普通PC机，如选用Intel低功耗Atom N270主板，1G内存、40G硬盘，15寸液晶显示器，操作系统Windows XP/2000或以上。

监控机100是系统监控中心，运行着水肥一体化精准决策控制软件。

2)串口转换模块200

如图1，串口转换模块200选用RS-232/RS-485通讯转换模块或者USB2.0/RS-485模块。

3)下位机300

如图1，所述的下位机300由具备串口通讯的标准工业控制模块组成，包括模拟量采集模块(如北京阿尔泰生产的DAM-3058R)、数字量输出模块(如16路继电器DO模块)和流量计数模块(如MTJC-6E1R-M智能6位数显计数器)。

4)执行机构400和轮灌区500

如图2，所述的执行机构400包括手动配肥阀410、营养罐420、营养阀+流量计430、驱动混合仓440、轮灌区电磁阀450、水份传感器460、手动总水阀470和水阀+流量计480；

手动总水阀470的输出端分别与手动配肥阀410和水阀+流量计480的输入端连接；

手动配肥阀410、营养罐420、营养阀+流量计430和驱动混合仓440依次连接，水阀+流量计48和驱动混合仓440连接；

驱动混合仓440和轮灌区电磁阀450连接；

手动配肥阀410、营养阀+流量计430、轮灌区电磁阀450、手动总水阀470和水阀+流量计480以及设置于轮灌区500中的水份传感器460均和下位机300连接。

执行机构400和轮灌区500中的功能部件均为常用件。

3、本系统的工作过程：

如图1、2，监控机100发送控制命令，通过串口转换模块200经屏蔽电缆发送至下位机300，下位机300响应，将控制命令转化为逻辑信号，控制执行机构400工作。

以第1轮灌区510为例，

1)系统处于工作状态时，手动总水阀470常开，手动配肥阀410关闭；

(1)供水

监控机100发送控制命令至下位机300，下位机300控制第1轮灌区电磁阀451开启，随后水阀+流量计480工作(其中水阀开启、流量计启动计数)；水从水阀+流量计480输出端流入驱动混合仓440，经驱动混合仓440过滤加压后，流入第1轮灌区510。下位机300将水阀+流量计480的水计数值实时回送至监控机100，通过监控机100可以实时观测浇水信息。监控机100设置浇水最大时限如20分钟，当时间到，发送关闭命令，下位机300控制水阀+流量计480停止工作，随后关闭第1轮灌区电磁阀451，同时停止水量监测，第1轮灌区510浇水量入库。然后，系统转入下一需水轮灌区。如果所有需水轮灌区处理完毕，系统休眠，等待下一次灌溉(下一次湿度采集时刻)，设置两次采集间隔2小时。

(2)供肥

监控机100发送控制命令至下位机300，下位机300控制第1轮灌区电磁阀451开启，假设第1轮灌区510需要第1营养罐421供肥，那么第1营养阀+流量计431工作(其中营养阀开启、流量计启动计数)。肥液从营养阀+流量计431输出端流入驱动混合仓440，经驱动混合仓440过滤加压后，流入第1轮灌区510。下位机300将第1营养阀+流量计431的营养计数值实时回送至监控机100，通过监控机100可以实时观测施肥信息。监控机100设置最大施肥时限如10分钟，当施肥量不小于所需肥量或者不小于最大施肥时限时，监控机100发送关闭命令，下位机300控制第1营养阀+流量计431停止工作，随后关闭第1轮灌区电磁阀451，同时停止肥量监测，第1轮灌区510施肥量入库。然后，系统转入下一需肥轮灌区。如果所有需肥轮灌区处理完毕，系统休眠，等待下一次施肥(下一次湿度采集时刻)，设置两次采集间隔2小时。

2)系统处于非工作状态，手动总水阀470关闭。

二、方法

如图3，本方法的水肥一体化精准决策控制软件工作流程如下：

第01、定时开机A；

第02、判断系统是否自动运行B是则通过自动填入登陆信息C进入第03步骤，否则通过手动输入登陆信息D进入第03步骤；

第03、判断数据库是否存在自动控制参数E，是：若为现场操作员则通过控制参数显示界面F进入第05步骤；若为系统管理员则通过控制参数编辑界面G进入第05步骤；否则进入第04步骤；

第04、判断是否为系统管理员H，是则通过控制参数管理界面I而后退出J，否则退出J；

第05、判断系统是否自动运行K是则直接进入自动控制L42，否则进入第06步骤；

第06、系统总功能界面L包括：

用户管理L10：切换用户L11和编辑用户L12；

数据管理L20：参数编辑L21、导出数据L22、备份还原L23和数据压缩L24；

硬件管理L30：板卡管理L31和串口设置L32；

系统控制L40：紧急控制L41、自动控制L42和手动控制L43；

历史浏览L50：历史施肥L51、历史灌溉L52、AD采集L53和日志管理L54；

第07、系统记录N；

第08、数据库P，包括：

湿度信息P10、控制参数P20、操作记录P30、水肥累计P40、运行日志P50、用户列表P60、设备地址P70和水肥比例P80；

第09、后续处理Q(包括停止湿度信息采集，检测所有电磁阀是否关闭，否则关闭，并停止流量计数，灌溉施肥量存入数据库，关闭串口)；

第10、定时关机R。

Claims

1.一种水肥一体化智能精准控制系统，其特征在于：

由依次连接的监控机(100)、串口转换模块(200)、下位机(300)、执行机构(400)和轮灌区(500)组成。

2.按权利要求1所述的一种水肥一体化智能精准控制系统，其特征在于：

所述的监控机(100)为普通PC机，运行着水肥一体化精准决策控制软件。

3.按权利要求1所述的一种水肥一体化智能精准控制系统，其特征在于：

所述的下位机(300)由具备串口通讯的标准工业控制模块组成，包括模拟量采集模块、数字量输出模块和流量计数模块。

4.按权利要求1所述的一种水肥一体化智能精准控制系统，其特征在于：

所述的执行机构(400)包括手动配肥阀(410)、营养罐(420)、营养阀+流量计(430)、驱动混合仓(440)、轮灌区电磁阀(450)、水份传感器(460)、手动总水阀(470)和水阀+流量计(480)；

手动总水阀(470)的输出端分别与手动配肥阀(410)和水阀+流量计(480)的输入端连接；

手动配肥阀(410)、营养罐(420)、营养阀+流量计(430)和驱动混合仓(440)依次连接，水阀+流量计(480)和驱动混合仓(440)连接；

驱动混合仓(440)和轮灌区电磁阀(450)连接；

营养阀+流量计(430)、轮灌区电磁阀(450)和水阀+流量计(480)以及设置于轮灌区(500)中的水份传感器(460)均和下位机(300)连接。

5.基于权利要求1所述系统的控制方法，其特征在于包括下列步骤：

①监控机启动，运行“水肥一体化精准决策控制软件”；

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于水肥一体化精准决策控制软件的工作流程是：

第01、定时开机(A)；

第02、判断系统是否自动运行(B)，是则通过自动填入登陆信息(C)进入第03步骤，否则通过手动输入登陆信息(D)进入第03步骤；

第03、判断数据库是否存在自动控制参数(E)，是：若为现场操作员则通过控制参数显示界面(F)进入第05步骤，若为系统管理员则通过控制参数编辑界面(G)进入第05步骤；否则进入第04步骤；

第04、判断是否为系统管理员(H)，是则通过控制参数管理界面(I)而后退出(J)，否则退出(J)；

第05、判断系统是否自动运行(K)，是则直接进入自动控制(L42)，否则进入第06步骤；

第06、系统总功能界面(L)包括：

用户管理(L10)：切换用户(L11)和编辑用户(L12)；

数据管理(L20)：参数编辑(L21)、导出数据(L22)、备份还原(L23)和数据压缩(L24)；

硬件管理(L30)：板卡管理(L31)和串口设置(L32)；

系统控制(L40)：紧急控制(L41)、自动控制(L42)和手动控制(L43)；

历史浏览(L50)：历史施肥(L51)、历史灌溉(L52)、AD采集(L53)和日志管理(L54)；

第07、系统记录(N)；

第08、数据库(P)，包括：

湿度信息(P10)、控制参数(P20)、操作记录(P30)、水肥累计(P40)、运行日志(P50)、用户列表(P60)、设备地址(P70)和水肥比例(P80)；

第09、后续处理(Q)；

第10、定时关机(R)。