CN105875005A - 沼液水肥一体化智能控制灌溉系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，包括若干个土壤墒情监测系统、沼液池、蓄水池、配肥器、三级灌溉管网、泵系统、电磁阀，末端管道均匀分布在对应的土壤墒情监测系统控制的区域，所述泵系统由沼液泵、水泵和泵控制箱组成，处理芯片收集多个探针水分传感器的信号并处理，所述泵控制箱接收并处理处理芯片的信号，并控制沼液泵和水泵的启闭，所述处理芯片控制电磁阀。还公开了上述灌溉系统的使用方法。本发明采用土壤墒情监测系统，对设施大棚进行实时监测，并发出指令自动进行灌溉。节省了人工，减轻了劳动强度，能够时刻保持作物对土壤墒情的需求，弥补了人为浇灌量的不确定性，提高了灌溉质量和效率。

Description

沼液水肥一体化智能控制灌溉系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及到一种沼液水肥一体化智能控制灌溉系统及其使用方法。

背景技术

近年来，畜禽养殖污染已引起社会舆论广泛关注和各级政府治污决策时的高度重视，为实现粪污无害化处理及能源化利用，畜禽养殖场纷纷建设沼气工程，在取得既定效益的同时也产生了大量的副产物，即沼液。沼液中富含氮、磷、钾等元素，未经后续处理直接排放环境将对周边水体自净功能造成严重影响，成为水环境保护中亟待解决的关键问题，也长期困扰着畜牧业的健康发展。

农田消纳沼液是通过农田土壤以及生存在土壤中的农作物、微生物等共同作用来处理和利用沼液的生态方法，是目前公认的最易实施且行之有效的处理方法，既能缓解沼气工程中沼液的后续处理压力和处理成本，也能部分替代农业生产对化学肥料的需求，降低农业生产成本，培肥地力，提高农作物产量和品质。

传统的沼液利用方式受用工量大、劳动强度高等因素限制，使沼液的农业优异功效在被普遍认可的同时，却得不到大面积应用。近年来，农业喷、滴灌设施系统的发明及发展使沼液在农业上大面积应用成为可能，刘宝存等人的一种沼液滴灌施肥系统(专利号ZL200910146926.0)初步奠定了沼液在温室滴灌系统应用的构架，高立洪等人的沼液灌溉防堵系统及方法(专利号ZL201210051227.X)在防堵及自动化上进行了初步的提升。而现代农业的发展，对沼液应用的灌溉系统提出了更高要求，即省工、节本、安全、高效的前提下，实现串点成面的智能控制系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种沼液水肥一体化智能控制灌溉系统。

本发明采用的技术方案为：一种沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，包括若干个土壤墒情监测系统、沼液池、蓄水池、配肥器、三级灌溉管网、泵系统、电磁阀，所述土壤墒情监测系统由多个探针水分传感器、处理芯片、控制面板组成，三级灌溉管网由主管道、支管道、末端管道组成，其直径依次递减，主管道和若干根支管道连接，每根支管道和若干根末端管道连接，支管道的数量与土壤墒情监测系统的数量对应，末端管道均匀分布在对应的土壤墒情监测系统控制的区域，所述泵系统由沼液泵、水泵和泵控制箱组成，所述沼液泵用于将沼液池内的沼液抽取到主管道内，所述水泵用于将蓄水池内的水抽取到主管道内，其中沼液泵与主管道连接处相对水泵与主管道连接处更靠近支管道，所述探针水分传感器分布于均匀分布于该土壤墒情监测系统控制的区域，用于探测该区域内土壤水分，每个支管道上均设有电磁阀，所述处理芯片收集多个探针水分传感器的信号并处理，所述泵控制箱接收并处理处理芯片的信号，并控制沼液泵和水泵的启闭，所述处理芯片控制该土壤墒情监测系统控制区域内的电磁阀的启闭，控制面板与处理芯片连接，用于输入命令和显示数据，所述配肥器设置于沼液泵与主管道连接处与水泵与主管道连接处之间。

优选的，还包括单向阀，所述单向阀设置于沼液泵与主管道的连接管道上，以及水泵与主管道的连接管道上。

优选的，还包括流速传感器，所述流速传感器设置于沼液泵的单向阀前端，流速传感器的信号传送给泵控制箱。

优选的，还包括压力传感器，所述压力传感器设置于支管道靠近主管道的一端，所述压力传感器的信号传送给处理芯片。

优选的，所述沼液池为两格式沼液池，分为沼液沉淀池和沼液储存池，在沉淀池和储存池之间的水泥挡墙中下部设有过滤格栅。沼液经外部管道输送至沉淀池，经初沉淀、格栅过滤后进入沼液储存池，有效降低了沼液中大量的固体悬浮物。

优选的，所述配肥器包括施肥器、吸肥管和储液桶，施肥器的两端均连接在主管道上，施肥器的中间部位连接吸肥管，吸肥管另一端放入储液桶内。施肥器在主管道上形成的压力差使得吸肥管自动吸取储液桶内的液体配方肥料，并输送到主管道内，肥料与水混合均匀，提高施肥效率。

优选的，所述末端管道为滴灌带或微喷带，其上错位打孔，孔径为1.0-1.5mm。

优选的，还包括大颗粒物过滤网箱，所述大颗粒物过滤网箱由长方体不锈钢框架、反冲洗装置、三面40-60目不锈钢筛网包裹而成，大颗粒物过滤网箱开口向上，垂直摆放在沼液储存池和水池中，沼液泵和水泵从大颗粒物过滤网箱内吸取液体。

本发明还提供了基于上述沼液水肥一体化智能控制灌溉系统的使用方法，其步骤包括：

(1)、处理芯片实时接收探针水分传感器探测的数据，处理芯片内预置有控制程序，对所接收的数据进行加和求平均值和筛选最低值，并在控制面板中显示相应的具体数值，在所述控制面板上预留有人为设定触屏按钮，所述触屏按钮设定为针对不同作物生长所需的土壤墒情阈值范围；

(2)、处理芯片选择实时监测的平均值或者选择实时监测的最低值与该阈值比对，当监测的实时数据平均值或者最低值低于所设定的下土壤墒情阈值下限时，发出请求到泵控制箱，泵控制箱首先启动沼液泵并指令处理芯片开启电磁阀，并根据设定的沼液泵运行时间，自动控制沼液泵的关闭，然后启动水泵，水泵的运行时间取决于监测的土壤实时墒情及作物需求的土壤墒情阈值上限，当监测的实时数据平均值或者最低值大于或等于所设定的土壤墒情阈值上限时，处理芯片发出请求到泵控制箱，泵控制箱关闭水泵，并指令处理芯片关闭电磁阀，所述沼液泵运行时间在土壤墒情监测系统控制面板中人为根据不同作物对沼液的需求量和沼液泵流量大小来设定；

(3)、若有两个或两个以上的土壤墒情监测系统同时向泵控制箱发出灌溉请求时，系统以泵控制箱接收到指令的先后顺序逐次进行灌溉，进入等待序列的土壤墒情监测系统，其相连的支管道上的电磁阀处于关闭状态，直到接收到灌溉指令时，才开启设施对应的支管道上的电磁阀；区域连片控制避让程序的设置，保证了末端管道的水压供给，有利于末端管道出水孔的畅通。

(4)、泵控制箱接收流速传感器的实时信号并显示，若沼液泵处于开启状态，而流速传感器的流速信号持续下降，则发出警报信号，说明沼液池的沼液储备不足或过滤格栅堵塞，需要添加沼液或清理过滤格栅；

(5)、处理芯片接收压力传感器的实时信号并显示，若支管道的电磁阀开启时，该支管道上的压力传感器信号有异常变化，则发出警报信号，若压力下降，说明主管道或支管道漏水，若压力上升，说明末端管道的孔堵塞，需要清理。

优选的，所述控制面板上设有直接开启灌溉系统的触屏按钮和直接关闭灌溉系统的触屏按钮，直接开启灌溉系统的按钮触动后，不考虑探针水分传感器监测的数据，直接开启灌溉系统，即先开启沼液泵然后开启水泵，直接关闭灌溉系统的按钮触动后，直接关闭正在运行的沼液泵或水泵。

本发明的有益效果如下：

1、采用土壤墒情监测系统，对设施大棚土壤墒情进行实时监测，并发出指令自动进行灌溉。在土壤墒情监测系统的控制程序中，灵活的设计了可以根据不同作物需水、需肥特性设定不同的土壤墒情范围阈值，并可以通过设定沼液泵运行时间设定沼液的灌溉量，实现先灌溉沼液后灌溉清水或水肥。节省了人工，减轻了劳动强度，能够时刻保持作物对土壤墒情的需求，弥补了人为浇灌量的不确定性，提高了灌溉质量和效率。

2、在泵控制箱中设置了区域连片控制避让程序，并在每栋设施大棚的支管上使用电磁阀，实现了整套系统的区域连片控制，更加适应现代农业对自动化、智能化的需求。

3、采用两格式沼液池及大颗粒物过滤网箱，能够在前端将潜在的导致管道堵塞的固体悬浮物过滤掉，有效的确保了灌溉管网的安全性。

4、采用三级灌溉管网，有效保证了输送压力的强度，滴灌(或微喷)带上错位打孔的孔径控制在1.0-1.5mm之间，可有效防止滴灌(或微喷)带的堵塞。

5、通过单向阀将沼液管道和水管道合并成一路管道，节省了铺设管道成本，在程序控制中采取了先运行沼液泵，然后运行水泵，节省了用水冲洗沼液管道的步骤，节约了用水，避免了微生物繁殖堵塞管网现象的发生，进一步加强了整个系统的防堵安全性能。

6、配肥器的使用，使得沼液水肥一体化轻松实现，可根据作物需肥特性及沼液养分含量，配置与之互为补充的肥料，从而实现更加科学、更加合理的施肥，节约了成本。

7、采用单向阀能够保证沼液泵和水泵的运行，防止倒灌的发生，使得灌溉系统更加高效。

8、流速传感器的设置使得沼液池有异常状况时可及时发现并处理。

9、压力传感器的设置使得灌溉管网出现问题时可及时发现并处理。

附图说明

图1为本发明沼液水肥一体化智能控制灌溉系统的结构示意图。

图2为土壤墒情监测系统的结构示意图。

下面结合附图对本发明做进一步阐述。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，适用于n个大棚，包括土壤墒情监测系统1、沼液池、蓄水池14、配肥器15、三级灌溉管网、泵系统、电磁阀2，所述土壤墒情监测系统由多个探针水分传感器110、处理芯片120、控制面板130组成，每个土壤墒情监测系统1分布在一个大棚内，三级灌溉管网由主管道7、支管道8、末端管道9组成，其直径依次递减，主管道7和若干根支管道8连接，每根支管道8和若干根末末端管道9连接，所述末端管道为滴灌带或微喷带，其上错位打孔，孔径为1.0-1.5mm，支管道8的数量与土壤墒情监测系统1的数量对应，末端管道9均匀分布在对应的土壤墒情监测系统控制的大棚区域，所述泵系统由沼液泵4、水泵5和泵控制箱3组成，所述沼液泵4用于将沼液池内的沼液抽取到主管道7内，所述水泵5用于将蓄水池14内的水抽取到主管道内，其中沼液泵4与主管道7连接处相对水泵5与主管道7连接处更靠近支管道8，所述探针水分传感器分布于均匀分布于该土壤墒情监测系统控制的大棚区域，用于探测大棚内土壤水分，每个支管道8上均设有电磁阀2，所述处理芯片收集多个探针水分传感器的信号并处理，所述泵控制箱3接收并处理处理芯片的信号，并控制沼液泵和水泵的启闭，所述处理芯片控制该土壤墒情监测系统控制区域内的电磁阀的启闭，控制面板与处理芯片连接，用于输入命令和显示数据，所述配肥器15设置于沼液泵与主管道连接处与水泵与主管道连接处之间，还包括流速传感器16，所述流速传感器16设置于沼液泵4前端，流速传感器16的信号传送给泵控制箱；还包括压力传感器17，所述压力传感器17设置于支管道靠近主管道的一端，所述压力传感器的信号传送给处理芯片。

所述配肥器15包括施肥器、吸肥管和储液桶，施肥器的两端均连接在主管道上，施肥器的中间部位连接吸肥管，吸肥管另一端放入储液桶内。施肥器在主管道上形成的压力差使得吸肥管自动吸取储液桶内的液体配方肥料，并输送到主管道内，肥料与水混合均匀，提高施肥效率。通过安装配肥器15，可以实现沼液水肥一体化灌溉，在本灌溉系统中，设定先进行沼液灌溉，根据作物生长需求，灌溉一定量的沼液后，进行清水灌溉，此时可结合配方液体肥料进行水肥灌溉，弥补沼液养分的不足。将沼液与水肥分开灌溉的目的是为了避免沼液酸碱度对配方液体肥料的溶解性的影响。配肥器15，在水肥一体化灌溉系统中已实现大面积应用，但在本系统中，其应用的目的更具科学性，能够实现结合沼液灌溉进行合理配方施肥，实现沼液养分及水分再利用的同时，实现节约化学肥料施用量。

本系统将沼液和水两路灌溉管道合并成一路管道，在临近沼液泵4和水泵5处各安装了一个单向阀6，并通过对土壤墒情监测系统1的程序控制设计了先运行沼液泵4，待沼液泵4运行结束后再运行水泵5的机制，节约了铺设管道成本，同时也代替了再用水冲洗管道的步骤，节约了用水。此操作清除了沼液成分在管道中的残留，避免了微生物繁殖堵塞管网现象的发生。

本发明对沼液池进行了设计，选择两格式沼液池，即外来沼液经沉淀池11初沉淀，并经过格栅12过滤后进入储存池13，该步骤有效去除了沼液中颗粒较大的固体悬浮物，并在沼液储存池13中放置大颗粒物过滤网箱10进行进一步的沼液过滤，将大颗粒物过滤网箱10设计成长方体不锈钢框架、反冲洗装置、三面40-60目不锈钢筛网包裹，过滤网箱开口向上，垂直摆放在沼液储存池13，网箱底部距离池底15-30cm，沼液泵4一端吸管放入过滤网箱内，从源头上进行了过滤。在整套灌溉管网系统的前端对蓄水池14，也进行了改进，在蓄水池14中，也放置了大颗粒物过滤网箱10，对源头水进行过滤。

使用时，处理芯片实时接收探针水分传感器探测的数据，处理芯片内预置有控制程序，对所接收的数据进行加和求平均值和筛选最低值，并在控制面板中显示相应的具体数值，在所述控制面板上预留有人为设定触屏按钮，所述触屏按钮设定为针对不同作物生长所需的土壤墒情阈值范围；

处理芯片选择实时监测的平均值或者选择实时监测的最低值与该阈值比对，当监测的实时数据平均值或者最低值低于所设定的下土壤墒情阈值下限时，发出请求到泵控制箱3，泵控制箱3首先启动沼液泵4并指令处理芯片开启电磁阀2，并根据设定的沼液泵4运行时间，自动控制沼液泵4的关闭，然后启动水泵5，水泵5的运行时间取决于监测的土壤实时墒情及作物需求的土壤墒情阈值上限，当监测的实时数据平均值或者最低值大于或等于所设定的土壤墒情阈值上限时，处理芯片发出请求到泵控制箱3，泵控制箱3关闭水泵5，并指令处理芯片关闭电磁阀2，所述沼液泵4运行时间在土壤墒情监测系统控制面板中人为根据不同作物对沼液的需求量和沼液泵流量大小来设定；

所述控制面板上设有直接开启灌溉系统的触屏按钮和直接关闭灌溉系统的触屏按钮，直接开启灌溉系统的按钮触动后，不考虑探针水分传感器监测的数据，直接开启灌溉系统，即先开启沼液泵然后开启水泵，直接关闭灌溉系统的按钮触动后，直接关闭正在运行的沼液泵或水泵；

若有两个或两个以上的土壤墒情监测系统同时向泵控制箱3发出灌溉请求时，系统以泵控制箱3接收到指令的先后顺序逐次进行灌溉，进入等待序列的土壤墒情监测系统，其相连的支管道上的电磁阀处于关闭状态，直到接收到灌溉指令时，才开启设施大棚内支管道上的电磁阀；区域连片控制避让程序的设置，保证了末端管道的水压供给，有利于末端管道出水孔的畅通。

泵控制箱3接收流速传感器16的实时信号并显示，若沼液泵4处于开启状态，而流速传感器16的流速信号持续下降，则发出警报信号，说明沼液池的沼液储备不足或过滤格栅堵塞，需要添加沼液或清理过滤格栅；

处理芯片接收压力传感器17的实时信号并显示，若支管道的电磁阀开启时，该支管道上的压力传感器信号有异常变化，则发出警报信号，若压力下降，说明主管道或支管道漏水，若压力上升，说明末端管道的孔堵塞，需要清理。

土壤墒情监测系统和电磁阀采用220V电压供电，以保证安全性，沼液泵和水泵功率在5.5kW以内、电压为380V，在区域联片灌溉时可考虑添加增压设备，以获得较大的水压，一是完成灌溉任务，二是较大的水压可以减少末端管道孔堵塞。

具体选用平均值还是最低值作为比对对象，需要根据具体的种植物来设定。

本发明的系统适用于大棚种植，同样适用于露天种植。

一般而言，大棚种植时，一个大棚对应一个土壤墒情监测系统和支管道，若大棚面积较大，或大棚内同时种植了几种作物，在同一大棚内设置几套土壤墒情监测系统1和支管道也是可行的。

Claims (10)

1.一种沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，包括若干个土壤墒情监测系统、沼液池、蓄水池、配肥器、三级灌溉管网、泵系统、电磁阀，所述土壤墒情监测系统由多个探针水分传感器、处理芯片、控制面板组成，三级灌溉管网由主管道、支管道、末端管道组成，其直径依次递减，主管道和若干根支管道连接，每根支管道和若干根末端管道连接，支管道的数量与土壤墒情监测系统的数量对应，末端管道均匀分布在对应的土壤墒情监测系统控制的区域，所述泵系统由沼液泵、水泵和泵控制箱组成，所述沼液泵用于将沼液池内的沼液抽取到主管道内，所述水泵用于将蓄水池内的水抽取到主管道内，其中沼液泵与主管道连接处相对水泵与主管道连接处更靠近支管道，所述探针水分传感器分布于均匀分布于该土壤墒情监测系统控制的区域，用于探测该区域内土壤水分，每个支管道上均设有电磁阀，所述处理芯片收集多个探针水分传感器的信号并处理，所述泵控制箱接收并处理处理芯片的信号，并控制沼液泵和水泵的启闭，所述处理芯片控制该土壤墒情监测系统控制区域内的电磁阀的启闭，控制面板与处理芯片连接，用于输入命令和显示数据，所述配肥器设置于沼液泵与主管道连接处与水泵与主管道连接处之间。

2.根据权利要求1所述的沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，其特征在于：还包括单向阀，所述单向阀设置于沼液泵与主管道的连接管道上，以及水泵与主管道的连接管道上。

3.根据权利要求2所述的沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，其特征在于：还包括流速传感器，所述流速传感器设置于沼液泵的单向阀前端，流速传感器的信号传送给泵控制箱。

4.根据权利要求3所述的沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，其特征在于：还包括压力传感器，所述压力传感器设置于支管道靠近主管道的一端，所述压力传感器的信号传送给处理芯片。

5.根据权利要求4所述的沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，其特征在于：所述沼液池为两格式沼液池，分为沼液沉淀池和沼液储存池，在沉淀池和储存池之间的水泥挡墙中下部设有过滤格栅。

6.根据权利要求5所述的沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，其特征在于：所述配肥器包括施肥器、吸肥管和储液桶，施肥器的两端均连接在主管道上，施肥器的中间部位连接吸肥管，吸肥管另一端放入储液桶内。

7.根据权利要求6所述的沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，其特征在于：所述末端管道为滴灌带或微喷带，其上错位打孔，孔径为1.0-1.5mm。

8.根据权利要求7所述的沼液水肥一体化智能控制灌溉系统，其特征在于：还包括大颗粒物过滤网箱，所述大颗粒物过滤网箱由长方体不锈钢框架、反冲洗装置、三面40-60目不锈钢筛网包裹而成，大颗粒物过滤网箱开口向上，垂直摆放在沼液储存池和水池中，沼液泵和水泵从大颗粒物过滤网箱内吸取液体。

9.一种沼液水肥一体化智能控制灌溉系统的使用方法，其步骤包括：

(1)、处理芯片实时接收探针水分传感器探测的数据，处理芯片内预置有控制程序，对所接收的数据进行加和求平均值和筛选最低值，并在控制面板中显示相应的具体数值，在所述控制面板上预留有人为设定触屏按钮，所述触屏按钮设定为针对不同作物生长所需的土壤墒情阈值范围；

(2)、处理芯片选择实时监测的平均值或者选择实时监测的最低值与该阈值比对，当监测的实时数据平均值或者最低值低于所设定的土壤墒情阈值下限时，发出请求到泵控制箱，泵控制箱首先启动沼液泵并指令处理芯片开启电磁阀，并根据设定的沼液泵运行时间，自动控制沼液泵的关闭，然后启动水泵，水泵的运行时间取决于监测的土壤实时墒情及作物需求的土壤墒情阈值上限，当监测的实时数据平均值或者最低值大于或等于所设定的土壤墒情阈值上限时，处理芯片发出请求到泵控制箱，泵控制箱关闭水泵，并指令处理芯片关闭电磁阀，所述沼液泵运行时间在土壤墒情监测系统控制面板中人为根据不同作物对沼液的需求量和沼液泵流量大小来设定；

(3)、若有两个或两个以上的土壤墒情监测系统同时向泵控制箱发出灌溉请求时，系统以泵控制箱接收到指令的先后顺序逐次进行灌溉，进入等待序列的土壤墒情监测系统，其相连的支管道上的电磁阀处于关闭状态，直到接收到灌溉指令时，才开启设施对应支管道上的电磁阀；

(4)、泵控制箱接收流速传感器的实时信号并显示，若沼液泵处于开启状态，而流速传感器的流速信号持续下降，则发出警报信号，说明沼液池的沼液储备不足或过滤格栅堵塞，需要添加沼液或清理过滤格栅；

(5)、处理芯片接收压力传感器的实时信号并显示，若支管道的电磁阀开启时，该支管道上的压力传感器信号有异常变化，则发出警报信号。

10.根据权利要求9所述的沼液水肥一体化智能控制灌溉系统的使用方法，其特征在于：所述控制面板上设有直接开启灌溉系统的触屏按钮和直接关闭灌溉系统的触屏按钮，直接开启灌溉系统的按钮触动后，不考虑探针水分传感器监测的数据，直接开启灌溉系统，即先开启沼液泵然后开启水泵，直接关闭灌溉系统的按钮触动后，直接关闭正在运行的沼液泵或水泵。