CN107135916A - 一种远程精准灌溉施肥系统 - Google Patents

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Abstract

一种远程精准灌溉施肥系统，其特征在于，包括田间环境监测系统、灌溉子系统和远程监控系统，田间环境监测系统、灌溉子系统通过总线与远程监控系统连接，田间环境监测系统可以对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控并发送至远程监控系统，远程监控系统根据环境监测系统获得的当前灌溉区域的植物生长期、土壤墒情、EC值的数据信息，发出当前植物生长所需的土壤含水量的标准值以及与当前植物生长期相适应用的指令信息，通过无线通信向灌溉子系统发送信息。

Description

一种远程精准灌溉施肥系统
技术领域
本发明涉及农、林业的野外或温室节水灌溉，特别涉及一种远程精准灌溉施肥系统。
背景技术
当前，水资源日益紧缺已经成为全球性的问题，节约用水并实现高效用水是人类生存与发展的需求，也是全球经济社会发展的需求。我国作为全球13个贫水国家之一，水资源的不足已经对我国经济和社会的发展构成了严重威胁，甚至成为经济与社会继续向前发展的“瓶颈”，我国是一个农业大国，同时也是贫水大国，人均水资源占有量约0.23万m3，约为世界人均的1/4，在我国用水中，农业用水占总供水的70％左右，其中又以农业灌溉为主。农业灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在。目前全国灌溉水利用率约为43％，单方水粮食生产率只有10公斤左右，大大低于发达国家灌溉水利用率70～80％、单方水粮食生产率2.0公斤以上的水平，因此，随着现代化农业进程的加快和工业用水的不断增加，我国农业必须走节水之路以适应资源的合理利用；大力发展节约用水不仅是发展节水农业、提高农业用水利用效率是我国节水战略中的重要环节，也是一项革命措施，更是我国的基本策略之一。
精准灌溉自动化装置采取因地制宜的原则依据不同地区、不同作物的不同需求，选择不同的灌溉设施，并利用计算机、无线数据通讯、采集控制器、传感器等先进技术对农田灌溉进行监控管理，保证适时适量地满足作物生长所需要的水分从而达到节水灌溉及节水灌溉自动化的目的。近年来，喷灌、微灌、渗灌等一些灌溉技术在我国得到较为广泛应用，并取得了良好的经济效益和社会效益，已显示出强大的生命力。目前节水灌溉所涉及的方式主要包括灌溉控制技术、输水方式和灌溉方式，而目前绝大多数节水灌溉装置的灌溉控制技术严重滞后。控制方式仍多以手工关停水源为主，全凭操作者的经验，科学性差、节水不彻底，同时导致了节水灌溉装置的自动化程度低，大区域推广时管理困难、劳动强度较大，严重阻碍了节水灌溉的进一步推广。同时，现代化灌溉装置的研究应用在农、林及园艺为数不多，目前仍基本停留在人工操作上，即使有些地方设计并实施了灌溉工程自动控制装置，但只是小面积的局部控制，真正具有扩展功能大规模灌溉工程的监控装置在我国也不多见。因此，为了适应农业现代化需求，生产出简单方便、自动化较高、易于推广应用的灌溉控制器是我国节水领域的重要任务之一。
发明内容
本发明为了克服上述技术的不足和缺陷，提供了一种远程精准灌溉施肥系统，本发明的是通过下述方式实现的：
一种远程精准灌溉施肥系统，包括田间环境监测系统、灌溉子系统和远程监控系统，田间环境监测系统、灌溉子系统通过网状网络ZigBee无线通信相连与远程监控系统连接，田间环境监测系统可以对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控并发送至远程监控系统，远程监控系统根据环境监测系统获得的当前灌溉区域的植物生长期、土壤墒情、EC值的数据信息，发出当前植物生长所需的土壤含水量的标准值以及与当前植物生长期相适应用的指令信息，通过无线通信向灌溉子系统发送信息，灌溉执行子系统包括进水部分、吸肥部分、灌溉施肥部分、灌溉管路和控制部分；其中进水部分包括供水泵和混合罐，供水泵和混合罐之间通过第一电动阀相连，吸肥部分包括出肥泵、文丘里吸肥器、流量可调电磁阀和肥料桶，肥料桶通过流量可调电磁阀与文丘里吸肥器相连，文丘里吸肥器通过出肥泵和混合罐相连，灌溉施肥部分包括混合罐、肥液配制管、混合泵电磁阀，混合罐和肥液配制管之间通过混合泵电磁阀相连。
控制部分包括控制器、控制面板和无线传输模块；出肥泵一端连接混合罐，另一端与文丘里吸肥器、流量可调电磁阀和肥料桶依次相连；出水泵电磁阀的一端连接混合罐，另一端连接控制器；控制器与控制面板相连，控制面板通过GPRS通讯模块与远程监控系统进行通讯，控制部分包括主控模块、与所述主控模块双向数据通信连接的数据采集控制模块、数据采集控制模块上对应连接有至少一个A/D转换器；并在A/D转换器的输入端对应连接有数据采集器，所述数据采集器包括土壤湿度传感器、EC值传感器，所述控制器电连接水泵，所述水泵的输入端电连接电源模块。
所述控制器由GSM模块、微程序控制器、精密实时时钟、闪存和无线传输模块组成，其接收远程监控系统的灌溉信号并进行解码，并将解码后的信号通过传输模块发送给无线电磁阀；控制器将接收到的数据采集系统的信息反馈给远程监控系统，供用户选择无线电磁阀门执行或忽略传感器的信息，并能使远程监控系统综合分析此信息来调整灌溉计划。
一种精准化灌溉施肥智能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：远程监控系统输入肥液pH设定值、肥液EC设定值、肥液浓度值，；
步骤2：通过远程监控系统按照作物不同生长阶段的需求特点，确定出不同生长阶段的需肥量，按照作物养分吸收规律确定出整个生长期的施肥次数以及每次施肥量，田间环境监测系统将田间信息发送给控制器，远程监控系统通过所述田间信息、每次施肥量、施肥次数以及施肥时间，确定出施肥肥液的浓度和所需灌水量；
步骤3：控制器控制打开储肥罐上连接的出肥泵和供水泵和混合罐之间的第一电动阀，EC/PH值传感器实时检测的肥液EC值和肥液PH值和土壤湿度传感器监测到的土壤湿度值，并将所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值发送给控制器；
步骤4：控制器将所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值与所述肥液PH设定值、肥液EC设定值和湿度值进行对比，控制器控制调节吸肥泵的吸肥流量，使所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值趋向于所述设定值，当其差值满足允许误差范围时，控制器控制关闭灌溉控制电磁阀；
步骤5：控制器控制打开混合泵电磁阀(10)，压力表实时检测水管实时压力值，压力调节装置调节管道中灌溉肥液压力，使其满足田间灌溉的压力需求；
步骤6：施肥结束时，控制器控制关闭吸肥泵、施肥泵、混肥控制电磁阀以及灌溉控制电磁阀，结束这一次的施肥过程。
确定所需灌水量步骤为：所述采集土壤湿度传感器，土壤湿度以体积百分比为单位，确定所述所需灌水量
Vi＝V0×m÷p
V＝Vi÷Vmax
Wi＝(Vh-V)÷(m÷p)×Vmax＝(Vh-V)×(p÷m)×Vmax式中：V0代表以体积百分比为单位的土壤水分，m代表水的密度，p代表土壤容重，Vi代表以质量百分比为单位的土壤水分，Vmax代表田间最大持水量，V代表当前持水率，Vh代表期望田间持水率，Wi代表所需灌水量。
ZigBee网状网络中的智能控制与通信模块在需要收发收据时才工作，一般处于休眠状态；数据采集部分采用周期性自启动设置，即光照强度传感器、大气温湿度传感器每天在6:00与18:00间每两个小时间隔工作一次，传感器节点和终端执行节点的无线收发模块每天在6:00与18:00分别工作一次，流量传感器、压力传感器只在灌溉进行中才工作，其余时刻各采集部件处于休眠状态。
智能控制与通讯模块选用集成32-bitRISC处理器，可充分兼容2.4GHzIEEE802.15.4协议和ZigBee无线通信技术的JN5139无线微处理模块；空气温湿度传感器选用数字温湿度传感器DHT21；光照强度传感器选用感光模块GY-30，土壤水分传感器选用圆柱状的HM1500；传感器节点和终端执行节点的控制芯片选用集成RF收发器、增强型8051CPU、在线可编程的Flash模块的CC2530单片机，电磁阀选择低功率阀。本发明的有益效果是：本发明将智能控制应用于节水灌溉领域，解决节水灌溉系统中人工操作需要耗费大量人力物力的问题；其次，智能控制系统按照土壤类型、作物种类和生长期进行施肥，有利于提高施肥精度，节省肥料，同时肥料随水进入作物根系附近，有利于防止肥料深层流失，不仅提高了肥效，增加了作物产量，又使地下水免受肥料及化学药剂的污染，从而缓解了农业面源污染的问题。
附图说明
图1是本发明的结构图
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种远程精准灌溉施肥系统，其特征在于，包括田间环境监测系统、灌溉子系统和远程监控系统，田间环境监测系统、灌溉子系统通过网状网络ZigBee无线通信相连与远程监控系统连接，田间环境监测系统可以对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控并发送至远程监控系统，远程监控系统根据环境监测系统获得的当前灌溉区域的植物生长期、土壤墒情、EC值的数据信息，发出当前植物生长所需的土壤含水量的标准值以及与当前植物生长期相适应用的指令信息，通过无线通信向灌溉子系统发送信息，灌溉执行子系统包括进水部分、吸肥部分、灌溉施肥部分、灌溉管路和控制部分；其中进水部分包括供水泵1和混合罐4，供水泵1和混合罐4之间通过第一电动阀2相连，吸肥部分包括出肥泵5、文丘里吸肥器6、流量可调电磁阀7和肥料桶9，肥料桶9通过流量可调电磁阀7与文丘里吸肥器6相连，文丘里吸肥器6通过出肥泵5和混合罐4相连，灌溉施肥部分包括混合罐4、肥液配制管、混合泵电磁阀10，混合罐4和肥液配制管之间通过混合泵电磁阀10相连。
控制部分包括控制器11、控制面板12和无线传输模块；出肥泵5一端连接混合罐4，另一端与文丘里吸肥器6、流量可调电磁阀7和肥料桶9依次相连；出水泵电磁阀10的一端连接混合罐4，另一端连接控制器11；控制器11与控制面板12相连，控制面板12通过GPRS通讯模块13与远程监控系统进行通讯，控制部分包括主控模块、与所述主控模块双向数据通信连接的数据采集控制模块、数据采集控制模块上对应连接有至少一个A/D转换器；并在A/D转换器的输入端对应连接有数据采集器，所述数据采集器包括土壤湿度传感器、EC值传感器，所述控制器11电连接水泵10，所述水泵10的输入端电连接电源模块。
所述控制器11由GSM模块、微程序控制器、精密实时时钟、闪存和无线传输模块组成，其接收远程监控系统的灌溉信号并进行解码，并将解码后的信号通过传输模块发送给无线电磁阀；控制器11将接收到的数据采集系统的信息反馈给远程监控系统，供用户选择无线电磁阀门执行或忽略传感器的信息，并能使远程监控系统综合分析此信息来调整灌溉计划。
一种精准化灌溉施肥智能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：远程监控系统输入肥液pH设定值、肥液EC设定值、肥液浓度值，；
步骤2：通过远程监控系统按照作物不同生长阶段的需求特点，确定出不同生长阶段的需肥量，按照作物养分吸收规律确定出整个生长期的施肥次数以及每次施肥量，田间环境监测系统将田间信息发送给控制器，远程监控系统通过所述田间信息、每次施肥量、施肥次数以及施肥时间，确定出施肥肥液的浓度和所需灌水量；
步骤3：控制器控制打开储肥罐上连接的出肥泵5)和供水泵1)和混合罐4)之间的第一电动阀2，EC/PH值传感器实时检测的肥液EC值和肥液PH值和土壤湿度传感器监测到的土壤湿度值，并将所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值发送给控制器；
步骤4：控制器将所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值与所述肥液PH设定值、肥液EC设定值和湿度值进行对比，控制器控制调节吸肥泵的吸肥流量，使所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值趋向于所述设定值，当其差值满足允许误差范围时，控制器控制关闭灌溉控制电磁阀；
步骤5：控制器控制打开混合泵电磁阀10)，压力表实时检测水管实时压力值，压力调节装置调节管道中灌溉肥液压力，使其满足田间灌溉的压力需求；
步骤6：施肥结束时，控制器控制关闭吸肥泵、施肥泵、混肥控制电磁阀以及灌溉控制电磁阀，结束这一次的施肥过程。
确定所需灌水量步骤为：所述采集土壤湿度传感器，土壤湿度以体积百分比为单位，确定所述所需灌水量
Vi＝V0×m÷p
V＝Vi÷Vmax
Wi＝(Vh-V)÷(m÷p)×Vmax＝(Vh-V)×(p÷m)×Vmax式中：V0代表以体积百分比为单位的土壤水分，m代表水的密度，p代表土壤容重，Vi代表以质量百分比为单位的土壤水分，Vmax代表田间最大持水量，V代表当前持水率，Vh代表期望田间持水率，Wi代表所需灌水量。
本发明所提供的混合罐，包括桶体，在桶体内设置水位高度传感器、搅拌装置，水位高度传感器与控制芯片连接，当肥液配制管对桶体进行注水到设定高度(或设定体积)时水位高度传感器将监测的信息反馈到控制芯片，控制芯片控制主控电磁阀断开肥液配制管的供水管路，以保证比例施肥泵内的肥料配制浓度达到设定值，以便后续的施肥。在肥液配制管注水后，控制芯片启动搅拌装置进行搅拌混匀。待肥料配制完成后，搅拌装置停止工作，控制芯片启动施肥喷灌模块。

Claims (5)

1.一种远程精准灌溉施肥系统，其特征在于，包括田间环境监测系统、灌溉子系统和远程监控系统，田间环境监测系统、灌溉子系统通过网状网络ZigBee无线通信相连并与远程监控系统连接，田间环境监测系统可以对田间子系统工作参数进行设定及工作状态的监控并发送至远程监控系统，远程监控系统根据环境监测系统获得的当前灌溉区域的植物生长期、土壤墒情、EC值的数据信息，发出当前植物生长所需的土壤含水量的标准值以及与当前植物生长期相适应用的指令信息，通过无线通信向灌溉子系统发送信息，灌溉子系统支配灌溉执行子系统进行灌溉，灌溉执行子系统包括进水部分、吸肥部分、灌溉施肥部分、灌溉管路和控制部分；其中进水部分包括供水泵(1)和混合罐(4)，供水泵(1)和混合罐(4)之间通过第一电动阀(2)相连，吸肥部分包括出肥泵(5)、文丘里吸肥器(6)、流量可调电磁阀(7)和肥料桶(9)，肥料桶(9)通过流量可调电磁阀(7)与文丘里吸肥器(6)相连，文丘里吸肥器(6)通过出肥泵(5)和混合罐(4)相连，灌溉施肥部分包括混合罐(4)、肥液配制管、混合泵电磁阀(10)，混合罐(4)和肥液配制管之间通过混合泵电磁阀(10)相连。
2.根据权利要求1所述的远程精准灌溉施肥系统，其特征在于，控制部分包括控制器(11)、控制面板(12)、主控模块、与所述主控模块双向数据通信连接的数据采集控制模块、数据采集控制模块上对应连接有至少一个A/D转换器；并在A/D转换器的输入端对应连接有数据采集器，所述数据采集器包括土壤湿度传感器、EC值传感器无线传输模块；出肥泵(5)一端连接混合罐(4)，另一端与文丘里吸肥器(6)、流量可调电磁阀(7)和肥料桶(9)依次相连；混合泵电磁阀(10)的一端连接混合罐(4)，另一端连接控制器(11)；控制器(11)与控制面板(12)相连，控制面板(12)通过GPRS通讯模块(13)与远程监控系统进行通讯，所述控制器(11)电连接水泵(1)，所述水泵(1)的输入端电连接电源模块。
3.根据权利要求2所述的远程精准灌溉施肥系统，其特征在于，所述控制器(11)由GSM模块、微程序控制器、精密实时时钟、闪存和无线传输模块组成，控制器(11)接收远程监控系统的灌溉信号并进行解码，并将解码后的信号通过传输模块发送给无线电磁阀；控制器(11)将接收到的数据采集系统的信息反馈给远程监控系统，供用户选择无线电磁阀门执行或忽略传感器的信息，并能使远程监控系统综合分析此信息来调整灌溉计划。
4.一种精准化灌溉施肥智能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：远程监控系统输入肥液pH设定值、肥液EC设定值、肥液浓度值；
步骤2：通过远程监控系统按照作物不同生长阶段的需求特点，确定出不同生长阶段的需肥量，按照作物养分吸收规律确定出整个生长期的施肥次数以及每次施肥量，田间环境监测系统将田间信息发送给控制器，远程监控系统通过所述田间信息、每次施肥量、施肥次数以及施肥时间，确定出施肥肥液的浓度和所需灌水量；
步骤3：控制器控制打开储肥罐上连接的出肥泵(5)和供水泵(1)和混合罐(4)之间的第一电动阀(2)，EC/PH值传感器实时检测的肥液EC值和肥液PH值和土壤湿度传感器监测到的土壤湿度值，并将所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值发送给控制器；
步骤4：控制器将所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值与所述肥液PH设定值、肥液EC设定值和湿度值进行对比，控制器控制调节吸肥泵的吸肥流量，使所述实时检测的肥液EC值、肥液PH值和湿度值趋向于所述设定值，当其差值满足允许误差范围时，控制器控制关闭灌溉控制电磁阀；
步骤5：控制器控制打开混合泵电磁阀(10)，压力表实时检测水管实时压力值，压力调节装置调节管道中灌溉肥液压力，使其满足田间灌溉的压力需求；
步骤6：施肥结束时，控制器控制关闭吸肥泵、施肥泵、混肥控制电磁阀以及灌溉控制电磁阀，结束这一次的施肥过程。
5.根据权利要求4所述的一种精准化灌溉施肥智能控制方法，其特征在于，确定所需灌水量步骤为：所述采集土壤湿度传感器，土壤湿度以体积百分比为单位，确定所述所需灌水量
Vi＝V0×m÷p
V＝Vi÷Vmax
Wi＝(Vh-V)÷(m÷p)×Vmax＝(Vh-V)×(p÷m)×Vmax式中：V0代表以体积百分比为单位的土壤水分，m代表水的密度，p代表土壤容重，Vi代表以质量百分比为单位的土壤水分，Vmax代表田间最大持水量，V代表当前持水率，Vh代表期望田间持水率，Wi代表所需灌水量。
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