CN102165876A - 智能节水灌溉施肥系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种智能节水灌溉系统及方法，该系统包括：管理控制单元，接收管理人员的远程/本地指令，并转发给核心处理单元；核心处理单元，向环境检测/用水检测单元发送状态参数采集指令，根据状态参数和历史统计数据生成浇灌施肥决策信息，并发送施肥/浇灌指令；土壤环境检测单元，获取浇灌场地土壤环境信息；用水检测单元，获取浇灌施肥用水水质信息和水压信息；施肥控制单元，控制溶入浇灌用水中的肥料类型和用量；以及，浇灌控制单元，对浇灌施肥用水的水质进行过滤处理，对浇灌量和浇灌管道的水压进行调节。本发明能实现浇灌系统的节能节水、远程监控、无人值守、自动报警、浇灌施肥指导、地理信息查询及浏览等功能。
Description
技术领域
本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种智能节水灌溉施肥系统及方法。
背景技术
传统的灌溉方案尚不具备智能化自助功能，往往通过预先存储的浇灌施肥策略实施预置的操作，灌溉过程中仅能对浇灌设备的开关及时序进行控制，即：只能控制浇灌时间和/或浇灌顺序，无法根据不同的浇灌场地各自的环境特性或土壤特征自主选择合适的灌溉施肥方式，也无法根据浇灌场地环境、土壤的变化以及各种突发状况及时修正灌溉方式。此外，现有的浇灌系统仍需要掌握专业知识的管理人员实时监护，并及时响应设备故障或浇灌施肥过程中出现的异常现象，浪费人力资源的同时，还影响了浇灌效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题在于如何完善浇灌系统的一体化控制流程，简化系统的现场实施及维护流程，方便后台管理；以及，如何实现浇灌系统的节水节能、远程监控、无人值守、自动报警、浇灌施肥指导、地理信息查询及浏览等功能。
(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管理控制单元、核心处理单元、通信单元、土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元以及浇灌控制单元；其中，
所述管理控制单元通过所述通信单元接收管理人员的远程/本地指令，并转发给所述核心处理单元；
所述核心处理单元向所述环境检测单元和/或用水检测单元发送状态参数采集指令，根据所述状态参数和预先存储的历史统计数据生成浇灌施肥决策信息；根据管理人员的控制指令或所述决策信息发送施肥/浇灌指令；以及，根据需要将所接收的信息转发给所述管理控制单元；
所述土壤环境检测单元实时或响应所述参数采集指令获取与待浇灌场地的土壤环境有关的信息，包括土壤养分信息，并发送给所述核心处理单元；
所述用水检测单元实时或响应所述参数采集指令获取与浇灌施肥用水的水质和浇灌管道的水压有关的信息，并发送给所述核心处理单元；
所述施肥控制单元响应所述施肥指令，控制溶入浇灌用水中的肥料类型和用量；接受施肥设备的指令反馈信息并发送给所述核心处理单元；
所述浇灌控制单元响应所述浇灌指令，对浇灌施肥用水的水质进行过滤处理；对浇灌量和浇灌管道的水压进行调节；接受浇灌设备的指令反馈信息并发送给所述核心处理单元。
优选地，所述管理控制单元为服务器，且所述通信单元为网络通信模块；和/或，所述管理控制单元为手机，且所述通信单元为GPRS和/或3G通信模块。
优选地，所述系统还包括报警单元，与所述核心处理单元连接，根据所述与浇灌施肥用水的水质和浇灌管道的水压有关的信息，以及所述施肥控制单元和浇灌控制单元的指令反馈信息生成报警信息，并通过所述通信单元转发给所述管理控制单元。
优选地，所述系统还包括信息检索单元，与所述核心处理单元连接；所述信息检索单元存储有浇灌管道分布信息以及土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元、浇灌控制单元的位置信息。
本发明的技术方案还提供了上述智能节水浇灌施肥系统的浇灌施肥方法，该方法包括以下步骤：
S1：管理控制单元接收管理人员的远程/本地指令，并转发给核心处理单元；
S2：核心处理单元判断所述指令的类型，向环境检测单元和/或用水检测单元发送参数采集指令，转向S3；或，向施肥控制单元和/或浇灌控制单元发送施肥和/或浇灌指令，转向S5；
S3：土壤环境检测单元获取与待浇灌场地的土壤环境有关的信息，包括土壤养分信息；用水检测单元获取与浇灌施肥用水的水质和浇灌管道的水压有关的信息；
S4：核心处理单元根据历史统计数据以及S3中获得的信息生成浇灌施肥决策信息，根据所述决策信息向施肥控制单元和/或浇灌控制单元发送施肥和/或浇灌指令；
S5：施肥控制单元响应施肥指令，控制溶入浇灌用水中的肥料类型和用量；以及/或，浇灌控制单元响应浇灌指令，对浇灌施肥用水的水质进行过滤处理，对浇灌施肥用水的水量、浇灌管道的水压进行调节；
S6：施肥控制单元和/或浇灌控制单元控制相应的施肥设备和/或浇灌设备执行施肥/浇灌。
优选地，步骤S2还包括：核心处理单元判断所述指令的类型，若为检索指令，则在预先存储的浇灌管道分布信息以及土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元、浇灌控制单元的位置信息中进行检索，将指定的信息通过远程/本地方式提供给管理人员。
优选地，步骤S4中，所述根据历史统计数据以及S3中获得的信息生成浇灌施肥决策信息的过程包括：根据土壤湿度信息、温湿度信息、阳光照度信息确定浇灌水量；根据水质信息确定是否需要过滤以及过滤级别；根据土壤养分信息确定水肥比；根据水压信息确定水压调节方式。
优选地，步骤S5中，所述对浇灌施肥用水的水量和浇灌管道的水压进行调节的过程通过PWM控制信号实现。
优选地，步骤S6还包括：施肥控制单元和/或浇灌控制单元接收施肥/浇灌设备的指令反馈信息，并发送给核心处理单元。
优选地，所述方法还包括：核心处理单元根据S3中获得的信息判断浇灌用水的水压和/或水质是否存在异常，以及，根据S6中的指令反馈信息判断浇灌/施肥设备是否故障；若是，则生成报警信息，并通过远程/本地方式提供给管理人员。
(三)有益效果
与现有技术相比，根据本发明的智能节水灌溉施肥系统及方法集成了变频控制、水肥施肥、水过滤、土壤湿度监测、土壤养分监测、水质及水压监测、温湿度监测，以及阳光照度监测等多种功能；依据土壤湿度信息，合理控制浇灌水量，节能节水；根据土壤的养分监测信息，合理施肥，确保作物能够及时准确地得到养分补充；通过水质监测，确保保灌溉用水对作物没有伤害；实现了无用户监控的情况下，对作物进行自动浇灌；实现了浇灌系统故障的自动报警功能；可根据历史统计数据及当前的状态信息给出浇灌建议，帮助用户实现作物的合理浇灌；实现了浇灌系统地理信息的查询和浏览。
附图说明
图1是本发明的智能节水灌溉施肥系统的结构示意图；
图2是本发明的智能节水灌溉施肥系统的灌溉施肥方法的流程图。
具体实施方式
本发明提出的智能节水灌溉施肥系统及其方法，结合附图和实施例说明如下。
如图1所示，根据本发明的智能节水灌溉施肥系统主要包括：管理控制单元、核心处理单元、通信单元、环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元以及浇灌控制单元。进一步地，其还可以包括：信息检索单元和报警单元。
核心处理单元是本发明的智能节水灌溉施肥系统的核心装置，其通过通信单元与管理控制单元连接，通过局域网与环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元以及浇灌控制单元连接。本发明的核心处理单元接收管理人员通过有线或无线方式发送的远程或本地指令，包括浇灌场地土壤环境采集指令、浇灌指令和施肥指令；判断指令的类型后将环境采集指令发送给土壤环境检测单元和用水检测单元，以实现传感器信息采集功能，并将采集到的参数转发给管理控制单元，以供管理人员查看和/或决策；将浇灌指令和施肥指令分别发送给施肥控制单元和浇灌控制单元，以实现依据指令控制浇灌设备动作、依据指令自动浇灌、依据指令控制水过滤、依据指令水肥施肥等功能。
此外，核心处理单元还能实现无人值守功能，其接收并存储土壤环境检测单元、用水检测单元发送的与灌溉场地土壤、环境以及浇灌用水的水质、水压有关的状态参数后，根据这些实时的状态参数以及预先存储的历史统计数据生成浇灌施肥决策信息，并向施肥控制单元和浇灌控制单元发送控制指令，以指导并实施自动浇灌，帮助用户实现作物的合理浇灌，无需用户监控。这些决策信息包括：根据土壤湿度信息、温湿度信息、阳光照度信息确定浇灌水量，对作物进行合理浇灌；根据水质监测信息确定浇灌用水是否合格，需要执行何种程度的过滤处理，以保证灌溉用水对作物不会造成伤害；根据土壤的养分监测信息，对浇灌场地的所有作物进行合理施肥，确保作物能够及时准确地得到养分补充；根据各浇灌管道的水位监测信息确定水压调节方式，以确保所有灌溉设备的水量均衡以及送水管道的水压平衡，确保灌溉设备能够安全运行。
本发明的管理控制单元通过通信单元与核心处理单元连接，其可以接受管理人员输入的控制指令，通过通信单元发送给核心处理单元，由核心处理单元发送给参数采集装置或浇灌施肥执行装置；同时，其还可以接受并存储核心处理单元发送的各种检测信息和控制指令反馈信息，通过文字、图像、视频的方式为管理人员呈现，并存储历史监测信息和浇灌施肥记录等。由此，可使管理人员实时监控浇灌施肥系统的所有信息，以便及时制定浇灌的方案，还可根据用户需要对某些区域进行手动浇灌控制。
具体实施过程中，本发明的管理控制单元可以为设置于监控中心的服务器；可替换地，本发明的管理控制单元还可以为各种便携式移动设备，例如，手机，使得管理人员可以实现边巡查边监控的移动办公，随地监控浇灌系统的运行状态及作物的生长环境状态。
本发明的通信单元用于实现管理控制单元与核心处理单元之间的通信。其中，当管理控制单元为服务器时，该通信单元为网络通信模块，与核心处理单元通过TCP/IP协议实现通信；当管理控制单元为便携式移动设备时，该通信单元为GPRS或3G通信模块，与核心处理单元通过USB2.0或RS232(RS485)协议。需要说明的是，管理控制单元的服务器形式和移动设备形式可以并存。
本发明的土壤环境检测单元实时采集或响应核心处理单元转发的管理人员参数采集指令，通过设置于浇灌场地的传感器获取与土壤环境有关的信息，包括：土壤湿度信息、土壤养分信息、环境温度信息、环境湿度信息以及数字化阳光照度信息。使用的传感器包括但不限于土壤湿度传感器、土壤养分传感器、环境温度传感器、环境湿度传感器以及阳光照度。环境检测单元与核心处理单元通过TCP/IP协议、RS232(RS485)协议或模拟量、数字量输入输出接口实现数据传输。
本发明的用水检测单元实时采集或响应核心处理单元转发的管理人员参数采集指令，通过设置于浇灌管道附近的传感器获取与浇灌用水的水质和管道水压有关的信息，包括：水质成分信息和浇灌用水管道的水压信息。使用的传感器包括但不限于水质传感器和压力传感器。用水检测单元与核心处理单元通过TCP/IP协议、RS232(RS485)协议或模拟量、数字量输入输出接口实现数据传输。
本发明的施肥控制单元响应核心处理单元自动生成的或转发的水肥施肥指令，控制所需的肥料及农药按照适当比例溶于水中，控制施肥的种类及施肥量，实现水肥施肥溶液的配比控制以及水肥施肥设备的运行控制。施肥控制单元与核心处理单元通过TCP/IP协议、RS232(RS485)协议或模拟量、数字量输入输出接口实现数据传输。
浇灌控制单元响应所述核心处理单元自动生成的或转发的浇灌指令，对浇灌施肥用水的水质进行过滤处理；对浇灌量和浇灌管道的水压进行调节；控制浇灌设备运作。具体地，本发明的一个实施例采取三级过滤控制，依次包括：粗过滤(过滤沙石等)、细过滤(过滤泥土等微小颗粒)以及化学物质过滤(过滤对作物有害的化学物质)，由此确保浇灌用水符合作物的生长需求，同时还使得本系统可使用非纯净水进行浇灌，降低了对浇灌水源的要求。此外，浇灌控制单元还可以根据核心处理单元发送的浇灌指令向浇灌设备发送变频调节控制信号进行变频控制，合理控制的浇灌水量，确保作物灌溉充分，又没有灌溉过量，实现节能、节水；同时也确保所有灌溉设备的水量均衡以及送水管道的水压平衡，确保灌溉设备能够安全运行。
优选地，本发明的智能节水浇灌施肥系统还可以包括报警单元，其与核心处理单元连接，对浇灌施肥用水的水质、浇灌管道的水压、施肥控制单元和/或浇灌控制单元的指令反馈进行分析，当分析结果显示浇灌设备发生故障或水压水质等存在异常时，生成报警信息，并发送给核心处理单元，由核心处理单元通过通信单元转发给管理控制单元。管理控制单元通过文字报警及声音报警两种方式提示用户。
优选地，本发明的智能节水浇灌施肥系统还可以包括信息检索单元，其与核心处理单元连接，存储有浇灌场地的地理信息、浇灌设备和施肥设备的管道分布信息以及土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元、浇灌控制单元的位置信息。当发生故障或有其他需要时，用户通过管理控制单元输入指令，信息检索单元与通信单元、核心处理单元协作，将用户所需的浇灌系统信息以页面形式提供给管理人员。
在浇灌作业中，有时需要扩展一些辅助设备，以保证作物的正常生长，如大棚的卷帘门，加热装置等。优选地，本发明的智能节水浇灌施肥系统还可以包括扩展设备控制单元，使得本系统可根据需要扩展任意的辅助设备。在本发明的一个实施例中，扩展设备控制单元预留了20路DI接口以及16路DO接口，并留有RS232/RS422/RS485等串行通讯接口。
如图2所示，根据本发明的智能节水浇灌施肥系统的浇灌施肥方法主要包括以下步骤S1-S6：
S1：管理控制单元接收管理人员的远程/本地指令，并转发给核心处理单元；
具体地，管理人员可以登录前述管理控制单元中的管理监控服务器或移动终端监控平台，以有线或3G通信方式发送指令。管理人员的指令包括参数采集指令、预置的灌溉施肥指令以及检索、浏览指令。
S2：核心处理单元判断所述指令的类型，向环境检测单元和/或用水检测单元发送参数采集指令，转向S3；或，向施肥控制单元和/或浇灌控制单元发送施肥和/或浇灌指令，转向S5；
核心处理单元接收到管理人员的指令后，向相应的检测单元发送参数采集指令；向相应的控制单元发送浇灌/施肥指令。上述步骤参见前述核心处理单元的相关描述，在此不作赘述。
核心处理单元判断用户指令为检索指令时，则在预先存储的浇灌管道分布信息以及土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元、浇灌控制单元的位置信息中进行检索，将指定的信息通过远程/本地方式提供给管理人员。这些信息可以以数据库形式存在。
S3：土壤环境检测单元获取与待浇灌场地的土壤环境有关的信息，包括土壤养分信息；用水检测单元获取与浇灌施肥用水的水质和浇灌管道的水压有关的信息；
本步骤的具体流程可参见前述土壤环境检测单元和用水检测单元的功能描述，在此不作赘述。
S4：核心处理单元根据历史统计数据以及S3中获得的信息生成浇灌施肥决策信息，根据所述决策信息向施肥控制单元和/或浇灌控制单元发送施肥/浇灌指令；
具体地，根据历史统计数据以及S3中获得的信息生成浇灌施肥决策信息的过程包括：根据土壤湿度信息、温湿度信息、阳光照度信息确定浇灌水量；根据水质信息确定是否需要过滤以及过滤级别；根据土壤养分信息确定水肥比；根据水压信息确定水压调节方式。以指导并实施自动浇灌。
本步骤的具体流程可参见前述核心处理单元的无人值守功能以及报警单元的相关描述，在此不作赘述。
S5：施肥控制单元响应施肥指令，控制溶入浇灌用水中的肥料类型和用量；以及/或，浇灌控制单元响应浇灌指令，对浇灌施肥用水的水质进行过滤处理，对浇灌施肥用水的水量、浇灌管道的水压进行调节；
本步骤的具体流程可参见前述施肥控制单元和浇灌控制单元的相关描述，在此不作赘述。
S6：施肥控制单元和/或浇灌控制单元控制相应的施肥设备和/或浇灌设备执行施肥/浇灌。
本步骤中，施肥控制单元和/或浇灌控制单元还接收施肥/浇灌设备的指令反馈信息，并发送给核心处理单元。
优选地，核心处理单元根据S3中获得的信息判断浇灌用水的水压和/或水质是否存在异常；根据S6中的指令反馈信息判断浇灌/施肥设备是否故障；若是，则生成文字报警及声音报警，并通过通信单元发送给管理控制单元，以远程/本地方式提供给管理人员。
综上所述，本发明的技术方案将变频控制、水肥施肥、水过滤、土壤湿度监测、土壤养分监测、水质及水压监测、温湿度监测及阳光照度监测集成于一个监控系统之中；依据土壤湿度信息，合理控制浇灌水量；根据土壤的养分监测信息，合理施肥，确保作物能够及时准确地得到养分补充；通过水质监测，确保保灌溉用水对作物没有伤害；实现了无用户监控的情况下，对作物进行自动浇灌；实现了浇灌系统故障的自动报警功能；可根据历史统计数据及当前的状态信息给出浇灌建议，帮助用户实现作物的合理浇灌；实现了浇灌系统地理信息的查询和浏览。
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 (10)
1.一种智能节水浇灌施肥系统，其特征在于，所述系统包括：管理控制单元、核心处理单元、通信单元、土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元以及浇灌控制单元；其中，
所述管理控制单元通过所述通信单元接收管理人员的远程/本地指令，并转发给所述核心处理单元；
所述核心处理单元自动或响应所述指令向所述环境检测单元和/或用水检测单元发送状态参数采集指令，根据所述状态参数和预先存储的历史统计数据生成浇灌施肥决策信息；根据管理人员的控制指令或所述决策信息发送施肥/浇灌指令；以及，根据需要将所接收的信息转发给所述管理控制单元；
所述土壤环境检测单元实时或响应所述参数采集指令获取与待浇灌场地的土壤环境有关的信息，包括土壤养分信息，并发送给所述核心处理单元；
所述用水检测单元实时或响应所述参数采集指令获取与浇灌用水的水质和浇灌管道的水压有关的信息，并发送给所述核心处理单元；
所述施肥控制单元响应所述施肥指令，控制溶入浇灌用水中的肥料类型和用量；接受施肥设备的指令反馈信息并发送给所述核心处理单元；
所述浇灌控制单元响应所述浇灌指令，对浇灌施肥用水的水质进行过滤处理；对浇灌管道的水压和/或出水量进行调节；接受浇灌设备的指令反馈信息并发送给所述核心处理单元。
2.如权利要求1所述的智能节水浇灌施肥系统，其特征在于，所述管理控制单元为服务器，且所述通信单元为网络通信模块；和/或，所述管理控制单元为手机，且所述通信单元为GPRS和/或3G通信模块。
3.如权利要求1所述的智能节水浇灌施肥系统，其特征在于，所述系统还包括报警单元，与所述核心处理单元连接，根据所述与浇灌施肥用水的水质和浇灌管道的水压有关的信息，以及所述施肥控制单元和浇灌控制单元的指令反馈信息生成报警信息，并通过所述通信单元转发给所述管理控制单元。
4.如权利要求1所述的智能节水浇灌施肥系统，其特征在于，所述系统还包括信息检索单元，与所述核心处理单元连接；所述信息检索单元存储有浇灌管道分布信息以及土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元、浇灌控制单元的位置信息。
5.一种如权利要求1所述的智能节水浇灌施肥系统的浇灌施肥方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：管理控制单元接收管理人员的远程/本地指令，并转发给核心处理单元；
S2：核心处理单元判断所述指令的类型，向环境检测单元和/或用水检测单元发送参数采集指令，转向S3；或，向施肥控制单元和/或浇灌控制单元发送施肥和/或浇灌指令，转向S5；
S3：土壤环境检测单元获取与待浇灌场地的土壤环境有关的信息，包括土壤养分信息；用水检测单元获取与浇灌施肥用水的水质和浇灌管道的水压有关的信息；
S4：核心处理单元根据历史统计数据以及S3中获得的信息生成浇灌施肥决策信息，根据所述决策信息向施肥控制单元和/或浇灌控制单元发送施肥和/或浇灌指令；
S5：施肥控制单元响应施肥指令，控制溶入浇灌用水中的肥料类型和用量；以及/或，浇灌控制单元响应浇灌指令，对浇灌施肥用水的水质进行过滤处理，对浇灌施肥用水的水量、浇灌管道的水压进行调节；
S6：施肥控制单元和/或浇灌控制单元控制相应的施肥设备和/或浇灌设备执行施肥/浇灌。
6.如权利要求5所述的智能节水浇灌施肥系统的浇灌施肥方法，其特征在于，步骤S2还包括：核心处理单元判断所述指令的类型，若为检索指令，则在预先存储的浇灌管道分布信息以及土壤环境检测单元、用水检测单元、施肥控制单元、浇灌控制单元的位置信息中进行检索，将指定的信息通过远程/本地方式提供给管理人员。
7.如权利要求5所述的智能节水浇灌施肥系统的浇灌施肥方法，其特征在于，步骤S4中，所述根据历史统计数据以及S3中获得的信息生成浇灌施肥决策信息的过程包括：根据土壤湿度信息、温湿度信息、阳光照度信息确定浇灌水量；根据水质信息确定是否需要过滤以及过滤级别；根据土壤养分信息确定水肥比；根据水压信息确定水压调节方式。
8.如权利要求5所述的智能节水浇灌施肥系统的浇灌施肥方法，其特征在于，步骤S5中，所述对浇灌施肥用水的水量和浇灌管道的水压进行调节的过程通过PWM控制信号实现。
9.如权利要求5所述的智能节水浇灌施肥系统的浇灌施肥方法，其特征在于，步骤S6还包括：施肥控制单元和/或浇灌控制单元接收施肥/浇灌设备的指令反馈信息，并发送给核心处理单元。
10.如权利要求5或9所述的智能节水浇灌施肥系统的浇灌施肥方法，其特征在于，所述方法还包括：核心处理单元根据S3中获得的信息判断浇灌用水的水压和/或水质是否存在异常，以及，根据S6中的指令反馈信息判断浇灌/施肥设备是否故障；若是，则生成报警信息，并通过远程/本地方式提供给管理人员。
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