CN106879438A - 水肥气热精量灌溉控制一体机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水肥气热精量灌溉控制一体机，包括主水通路、热水通路、气体通路、肥路通路、检测回路以及控制器。其中检测回路连通待测液电磁阀和电极融合检测装置，实现在线检测混合液肥浓度。气体通路主要包括微纳米气泡发生装置和臭氧消毒装置两路并联的气体通道，ARM控制器以人工智能技术的软测量建模进行检测，实现在线检测和控制混合液浓度、EC和PH值，完成对水肥气热的智能控制与管理。本发明设计合理，设备稳定性和可靠性好且智能程度高，提高灌溉效率，促进作物按需生长，能有效解决现有水肥灌溉中所存在的智能化程度低、水肥用量过多、在线检测技术少、气体溶于水含量低、水肥溶解结块等多种缺陷和不足。

Description

水肥气热精量灌溉控制一体机

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体为水肥气热精量灌溉控制一体机。

背景技术

水肥气热融合灌溉是肥液、气体随同灌溉热水一同进入灌溉区的一种灌溉方式，是施肥技术、灌溉技术、气体发生技术和加热技术相结合的一项新技术，是精准施肥与精确灌溉相结合的产物，实现水肥气热同步进行。即灌溉水肥的同时，按照作物生长各个阶段对养分和环境温度的需求均匀施在根系附近，被根系直接吸收利用。水肥气热灌溉的优点是施肥均匀、准确，根部供氧充分，温度适宜，不易烂根。水肥气热一体化系统可以稳定而智能控制灌水量、施肥量、氧气浓度、环境温度等参数，从而提高水肥气热的利用率，有效地减轻环境污染，提高作物产量。

作物精量控制灌溉技术兴起于20世纪80年代后期，采用自动控制技术，按照作物正常生长过程的需求，采用最精确的灌溉设施对农作物进行严格有效的施肥灌水，以确保作物正常生长的需要，同时实现高产、优质、高效、节水和肥料精准配比的灌溉技术。在线检测技术提高了肥料检测效率与检测精度，与控制系统的信息传输实现了精量灌溉高度智能化程度。农业高效用水施肥精量控制技术紧扣国际现代精量灌溉农业高新技术的发展前沿，以提高农业水和肥料综合利用率和效率，引领我国现代精量灌溉农业技术发展为目标，以作物生命健康按需精量灌溉过程为依据，开发农业精量灌溉前沿关键技术与重大产品，实现农业整个体系高效精量控制。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水肥气热精量灌溉控制一体机，利用控制器实现自动水肥气热配比、混合液浓度在线实时检测、传输与控制，降低利用系统成本，结构小巧易动，操作简单方便，智能化程度高，且易于推广使用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

水肥气热精量灌溉控制一体机包括主水通路、热水通路、气体通路、肥路通路、电极融合检测装置和控制器。水源经过主水通路进入水肥气热精量灌溉控制一体机，控制系统检测到水流量信号，根据作物不同生长期系统专家决策方法，自动计算水肥浓度比、氧气含量值、臭氧含量值、水温度值，执行启动水路电磁阀、混合液电磁阀、肥泵、微纳米气泡发生装置、气体电子阀、臭氧消毒装置、臭氧电子阀、加热装置和加热电磁阀，混合形成水肥气热的混合液体，进入检测回路，打开待测液电磁阀，通过传感器、电极及软测量技术，在线实时检测反馈水肥浓度值，系统管理设备，水肥浓度比、氧气含量值、臭氧含量值、水温度值符合专家数据值，继续执行一体机灌溉，若数据不符，就通过调速器调节泵流量，从而实现精量控制和检测，给农作物所需不同时期的营养值，所有硬件都是通过ARM控制技术来实现检测和控制，完成水肥气热灌溉精量控制一体机。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明有效实现农作物肥液通过该一体机可以实现对肥液浓度的在线检测，实现精准控制浓度，实时监测；通过系统基于以人工智能算法为核心的软测量技术，实现肥液中难测成分的测量和预测；同时将直径1微米以下的微米气泡，伴随灌溉水依附形成微纳米气泡水，防止有效气体的流失和含氧量下降，可以提高作物根际氧含量，且其特有的带电性、氧化性、杀菌性等使其具有特殊的生物生理活性；加热装置作为灌溉水热源或热汇，改变了灌溉水温度场的分布，在一定程度上影响水体的环境，提高了水肥的溶解效果，提高了氧气在水热环境的含氧量，促进植物根系生长和发育，进而增加产量，并提高水分和肥料利用效率，降低了对土壤和环境的污染。

附图说明

图1为本发明实例中所述的管路结构框图。

图2为本发明实例中所述的控制结构框图。

图中：主水通路1，热水通路3，热水电磁阀4，水路电磁阀5，加热装置6，温度计量器7，控制器8，气体流量计9，气体电子阀10，微纳米气泡发生装置11，臭氧消毒装置12，臭氧电子阀13，臭氧流量计14，气体通路15，肥路通路16，待测液电磁阀17，混合液电磁阀18，电极融合检测装置19，肥路流量计20，压力表21，肥泵23，混合液出口通道24，肥液罐26，肥液罐28，肥液罐30，肥液罐32，肥液电磁阀25，肥液电磁阀27，肥液电磁阀29，肥液电磁阀31。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明水肥气热精量灌溉控制一体机，包括主水通路1，热水通路3，肥路通路16，气体通路15，电极融合检测装置19以及控制器8，主水通路1相通的依次有过滤器2，水路电磁阀5和热水通路3；与水路电磁阀5并联的热水通路3上相通依次有热水电磁阀4，加热装置6和温度计量器7；肥路通路16上依次有肥路流量计20，肥路过滤器22，肥泵23和四路肥路通道及相通的四个肥液罐26、28、30、32，四个肥液罐26、28、30、32分别盛装有氮肥，磷肥，钾肥和微量肥；气体通路15上包括两路并联的通道，一路通道依次连接有微纳米气泡发生装置11，气体电子阀10和气体流量计9，另一路通道依次连接有臭氧消毒装置12，臭氧电子阀13和臭氧流量计14；与混合液电磁阀并联的肥液检测通路上依次有待测液电磁阀17和电极融合检测装置19；水肥气热融合后，通过控制器自动控制选择后，经混合液电磁阀18，通过压力表21检测后由混合液出口通道24出，连接外接灌溉管路通入到植物根部。

其中，热水通路3、肥路通路16、气体通路15各自独立，只和主水通路1联通；加热装置6，臭氧消毒装置12，微纳米气泡发生装置11，电极融合检测装置19，所有的电磁阀和流量计，以及肥泵23分别与控制器8相连。

热水通路3可以由与主水通路1相通的热水电磁阀4开关控制实现水路加热，控制器8启动加热装置6，瞬间加热到温度计量器7显示温度38度，连接主水通路1，形成热水可选回路。

肥路通路16上四个肥液通道包括氮肥，磷肥，钾肥和微量元素肥的四个肥液罐26、28、30、32，且在四个肥液罐的出口上分别安装有与控制器8相连的相应肥液电磁阀25、27、29、31。肥液通道出口的肥液电磁阀25、27、29、31和肥泵23都与控制器8相连，经控制器8数据筛选自动启动，实现单独肥液配比。

气体通路15中一路气体通道是给植物根部供氧，主要通过微纳米气泡发生装置11爆破产生微纳米空气，通过气体通路15溶于主水通路1中的水溶液，形成气泡，伴随混合液出口通道24，输送到植物根部。

气体通路15中另一路气体通道是给植物根部消毒杀菌，防止烂根，主要通过臭氧消毒装置12产生臭氧，通过气体通路溶于主水通路1中的水溶液，伴随混合液出口通道24，输送到植物根部进行消毒杀菌。

电极融合检测装置19主要包括电导率（EC）电极，pH电极及检测肥液的钾离子、硝酸根离子电极，且与控制器8相连，检测所得混合液浓度值反馈控制器，控制器8对比浓度比，自动调节，实现实时监测。混合液浓度实时监测，通过打开待测液电磁阀17，将系统中混合液注入电极融合检测装置19，实现在线检测混合液氮肥N、磷肥P、钾肥K及微量肥浓度，并测的EC和PH值。实现检测混合液磷肥P浓度，不能有电极直接测量，通过软测量技术完成实现。控制器8是基于ARM的控制系统，主要完成水肥气热精量灌溉控制一体机的控制和检测功能。

具体的如图1所示，本发明包括主水通路1，热水通路3，肥路通路16，气体通路15，电极融合检测装置19以及控制器8，主水通路1相通的依次有过滤器2，水路电磁阀5，热水通道相通依次有热水电磁阀4，加热装置6和温度计量器7，肥路通路16上依次有肥路流量计20，肥路过滤器22，肥泵23，四路肥路通道氮肥，磷肥，钾肥和微量肥及相通四个肥罐26、28、30、32，气体通路15上两路通道依次有，微纳米气泡发生装置11，气体电子阀10，气体流量计9，臭氧消毒装置12，臭氧电子阀13，臭氧流量计14，肥液检测通道上依次有待测液电磁阀17和电极融合检测装置19，水肥气热融合后，通过控制器自动控制选择后，经混合液电磁阀18，通过压力表21检测后由混合液出口通道24出，连接外接灌溉管路。

本发明的气体通道15中微纳米气泡发生装置11和臭氧消毒装置12分别产生微纳米空气和臭氧，通过气体通路溶于主水通道中水溶液，形成气泡，伴随混合液出口通道，输送到植物根部，实现供氧和消毒作用。

本发明的电极融合检测装置19主要包括EC，PH电极及检测肥液的钾离子、硝酸根离子电极，且与控制器相连，检测所得混合液浓度值反馈控制器，控制器对比浓度比，自动调节，实现在线检测混合液氮肥N、磷肥P、钾肥K及微量肥浓度，并测的EC和PH值。

参见图2，本发明的核心为ARM中Cortex-M3芯片，该芯片行业领先的 32 位处理器，具有较高的性能和较低的动态功耗，最多可提供 240 个具有单独优先级、动态重设优先级功能和集成系统时钟的系统中断，可高效处理多个 I/O 通道和协议标准。该控制器要实现对4套装置的控制与检测，实现对11组电磁阀的控制，并监测4组计量传感器信号，完成对水肥气热的智能管理。

本发明电极融合检测装置19中检测混合液磷肥P浓度，因为没有对应的磷酸根离子电极，不能直接测量，采用软测量技术，是通过作物生长所需的各成分离子间存在拮抗作用和协助作用，样本数据采用标准梯度交叉实验，应用神经网络、支持向量机和极限学习机等人工智能技术进行建模，实际测量浓度值通过现有样本标准梯度交叉数据浓度进行对比，完成磷肥浓度的精准测量。通过ARM系统来完成实现。

本发明采用ARM控制与变频调节技术相结合，实现了水肥气热的精量配比及供给，其灌溉效率和精度将得到大幅度提高，一体机形式体积小巧，易于移动和操作，降低了造价。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，包括主水通路1，热水通路3，气体通路15，肥路通路16，检测回路24以及控制器8；

所述主水通路1上依次设置水路电磁阀5，混合液电磁阀18和压力表21；主水通路1末端经混合液出口通道24连接外部的灌溉管路通入到植物根部；

所述热水通路3并联在水路电磁阀5两端；热水通路3包括依次连通设置的热水电磁阀4，加热装置6和温度计量器7；

所述的气体通路15连通设置在热水通路3下游和混合液电磁阀18之间的主水通路1上；气体通路15的输入端包括两路并联的气体通道，一路气体通道上设置微纳米气泡发生装置11、气体电子阀10和气体流量计9，用于给植物根部供氧；另一气体通道上设置臭氧消毒装置12、臭氧电子阀13和臭氧流量计14，用于产生臭氧给植物根部消毒杀菌；

所述的肥路通路16连通设置在热水通路3下游和混合液电磁阀18之间的主水通路1上；肥路通路16上依次设置肥路流量计20和肥泵23，以及四路并联的肥液通道；每个肥液通道上分别设置有肥液罐和肥液电磁阀，四个肥液罐内分别盛装有氮肥，磷肥，钾肥和微量元素肥；

所述的检测回路并联在混合液电磁阀18两端；检测回路包括依次连通设置的待测液电磁阀17和电极融合检测装置19；电极融合检测装置19采用多个传感器和电极构建传感多融合检测设备，用于实现在线检测混合液中氮肥、磷肥、钾肥及微量肥浓度，并测得EC值和PH值，并将检测信号和数据传送一体机控制核心ARM控制单元；

所述控制器8的输入端分别连接温度计量器7、气体流量计9、臭氧流量计14、肥路流量计20和压力表21，以及电极融合检测装置19；输出端连接加热装置6，微纳米气泡发生装置11，臭氧消毒装置12，肥泵23和所有的电磁阀。

2.根据权利要求1所述的水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，主水通路1上在水路电磁阀5上游设置过滤器2。

3.根据权利要求1所述的水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，肥路通路16上在肥路流量计20和肥泵23之间设置肥路过滤器22。

4.根据权利要求1所述的水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，所述电极融合检测装置19，该装置软件需要建立水肥液浓度数学关联模型和预测模型，可以进行氮磷钾（KNP）浓度检测计算和测量，硬件包括电导率（EC）电极、pH电极及检测肥液的钾离子和硝酸根离子电极；电极融合检测装置19输出端与控制器8相连，检测所得混合液中各肥液的浓度值后反馈输出到控制器8，控制器8对比各肥液对应的设定浓度比，分别控制对应肥液通道上的电磁阀；磷肥的测量是通过作物生长所需的各成分离子间存在拮抗作用和协助作用，样本数据采用标准梯度交叉实验，应用神经网络、支持向量机和极限学习机等人工智能技术进行建模，实际测量浓度值通过现有样本标准梯度交叉数据浓度进行对比，完成磷肥浓度的精准测量。

5.根据权利要求1所述的水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，所述控制器8采用ARM的Cortex-M3芯片处理器。

6.根据权利要求1所述的水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，所述控制器8根据肥路流量计20的采集量控制肥泵23。

7.根据权利要求1所述的水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，所述控制器8根据温度计量器7的采集量控制加热装置6和热水电磁阀4。

8.根据权利要求1所述的水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，所述控制器8根据气体流量计9的采集量控制微纳米气泡发生装置11和气体电子阀10。

9.根据权利要求1所述的水肥气热精量灌溉控制一体机，其特征在于，所述控制器8根据臭氧流量计14的采集量控制臭氧消毒装置12和臭氧电子阀13。