CN107950254A - 一种水肥药一体机及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水肥药一体机及工作方法，其技术方案是：包括控制部分和浇灌部分，控制部分包括主机箱体、液晶显示器、变压器、24V电源控制开关、交流接触器、中间继电器、控制主板，主机箱体的上部安装液晶显示器，液晶显示器连接控制主板，主机箱体的内部通过变压器连接外部交流电源，控制主板上设有中央处理器进行信号接收处理、EC电极浓度测量转换模块、PH电极酸碱度测量转换模块、6路脉冲流量计电路、3路24V直流调速功率电路、一体化传感器，zigbee无线接口；有益效果是：提高了浇灌的效率，浇灌更加精确，水溶肥的施肥设施更加方便，占地面积小，节约土地资源，可以有效过滤掉水溶肥中的不溶物，避免滴灌管路堵塞，浇水更加自动化，智能化。

Description

一种水肥药一体机及工作方法

技术领域

本发明涉及一种大棚作物浇灌设备，特别涉及一种水肥药一体机及工作方法。

背景技术

市场上公知的水溶性肥料，是一种可以完全溶于水的多元复合肥料，它能迅速地溶解于水中，较之传统化肥更容易被农作物吸收，而且其吸收利用率相对较高，更为关键的是它可以应用于喷滴灌等设施农业，实现水肥一体化，达到省水省肥省人工的效能。水溶性肥料的施用方法十分简便，它可以随着灌溉系统，包括喷灌、滴灌等方式进行灌溉时施肥，既节约了水，又节约了肥料，而且还节约了劳动力，这在劳动力成本日益高涨的今天使用水溶性肥料的效益是显而易见的。但是目前，水溶肥没有规范的的施肥设施，有的设施占地面积过大，有的设施无法过滤掉水溶肥中的不溶物，造成滴灌管路堵塞。

传统水肥药一体机，使用手动调节液料量，水压水流量不断变化，造成液料量不均匀，肥水浓度不稳定，利用管道或施肥罐肥水混和，混合度达不到30%，管道内肥水分层，靠近出水口浓度高，远出水口浓度降低。传统水肥药一体机利用时间控制浇水量，由于水压不稳定，造成肥水浪费，达不到真正节水节肥的目的！并且不能大面积使用，实现不了自动化。传统水肥药一体机是按照时间控制进水量，浇水量会随水压力大小产生变化，造成浇水不均。

发明内容（如何通过设计各个部件实现的功能，和达到的有益效果）

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种水肥药一体机及工作方法。

其技术方案是：包括控制部分和浇灌部分，控制部分包括主机箱体、液晶显示器、变压器、24V电源控制开关、交流接触器、中间继电器、控制主板，主机箱体的上部安装液晶显示器，液晶显示器连接控制主板，主机箱体的内部通过变压器连接外部交流电源，变压器连接24V电源控制开关，控制主板通过交流接触器、中间继电器连接24V电源，所述的控制主板上设有中央处理器进行信号接收处理、EC电极浓度测量转换模块、PH电极酸碱度测量转换模块、6路脉冲流量计电路、3路24V直流调速功率电路、一体化传感器，zigbee无线接口；

所述的EC电极浓度测量转换模块和PH电极酸碱度测量转换模块完成电信号到数字量的转换；

所述的6路脉冲流量计电路包括3路直流调速高压泵控制电路通过控制管道水流量计实现流量调节，3路肥料混合的快慢与起停控制电路，实现肥料泵的启停与肥料的混合快慢；6路脉冲流量计电路，自带接口电压自适应电路，接入5-24v以内的电压脉冲信号，并在主板内部完成流量累积与流速计算；

所述的3路24V直流调速功率电路，每路功率可达64瓦，可以满足3路液料调速混合要求；

所述的一体化传感器，包括空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度，来完成光照能量的强度采集检测空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度；

浇灌部分包括前进水通道、大口径不绣钢管道泵、第一碟片式过滤器、射流器、静态混合器、压力表、出水口压力表、第二碟片式过滤器、出水口EC浓度值检测器、PH酸碱度值检测器、液料调速泵、控制电磁阀、大口径管道，两组进水通道连接大口径不绣钢管道泵9和大口径管道，两组进水通道上分别设有第一碟片式过滤器，大口径管道上分别通过三组射流器连接混合管，混合管一端连接压力表，混合管内部设有静态混合器，混合管的出口连接第二碟片式过滤器，混合管的出口一侧连接出水口压力表、出水口EC浓度值检测器、PH酸碱度值检测器，混合管的出口连接6-8条出水管路，所述的每条出水管路上分别设有控制电磁阀，所述的每组射流器的一侧分别连接一个液料管，所述的液料管包括第一液料管、第二液料管、第三液料管，每个液料管连接不同的液料，所述的液料管上分别通过液料调速泵和液料脉冲流量计连接射流器。

一种水肥药一体机，所述的第二碟片式过滤器包括腔体，腔体的一端密封，腔体的密封端中间固定过滤筒，腔体与过滤筒之间为清洁筒体，清洁筒体连通出水管路，过滤筒的末端连接螺纹连接头，所述的螺纹连接头连接混合管的出口，所述的过滤筒的中间设有贯通槽，所述的过滤筒上安装多组圆形过滤片，贯通槽使流进的混合液通过过滤筒上的过滤片后到达清洁筒体，所述的过滤片之间紧密配合，所述的过滤片上设有斜纹槽。

一种水肥药一体机，所述的静态混合器的内部设有螺旋状伸展叶片。

一种水肥药一体机的工作方法，包括以下步骤：

中央处理器根据用户需求选择合适的料液混合模式和区域灌溉模式；

料液混合模式包括：恒定EC浓度、恒定酸碱度和恒定体积比例三种模式；

1、恒定EC浓度模式：根据出口EC传感器测量所得的当前出口EC浓度，和当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，计算当前出口EC浓度，并与所设定的预期EC浓度比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前出口EC浓度尽快向设定的EC浓度靠拢。EC浓度值控制在0.03ms/cm范围内，液料量精确到0.1升；

2、恒定酸碱度模式：根据出口PH传感器测量所得的当前出口酸碱度，和当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，计算当前出口酸碱度，并与所设定的预期酸碱度比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前出口酸碱度尽快向设定的酸碱度靠拢。酸碱度值控制在0.1PH范围内，液料量精确到0.1升；

3、恒定体积比例模式：根据当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，根据所设定的水与料液的体积比例，计算出当前所需要的料液流速，并当前料液流速比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前料液流速尽快向计算所得的预期料液流速靠拢。液料量精确到0.1升；

区域灌溉模式包括：定时自动化灌溉、光照能量累积自动化灌溉和恒定土壤湿度自动化灌溉三种模式；

按照作物不同生长时期，选择恰当的混合模式和灌溉模式，设定作物生长所需肥水EC浓度值，通过检测出水的EC浓度值，调速泵按照检测值自动均匀添加肥料；或者预先按照作物不同生长时期，所需肥水比例设定好比例值，液料泵会根据水流量的变化按设定值自动调节液料量，这种模式特别适合作物根部施药；

所述的料液混合模式和区域灌溉模式，主机同时控制至少8区域，每个区域能单独控制进水量、液料量，增加了种植面积；

所述的料液混合模式和区域灌溉模式，主机设有无线模块，通过无线局域网，可远程控制机器浇水施肥；

所述的料液混合模式和区域灌溉模式，通过设有三路液料口，可根据不同地区水质差异，进行EC浓度值，PH酸碱度值调节施肥。

本发明的有益效果是：提高了浇灌的效率，浇灌更加精确，水溶肥的施肥设施更加方便，占地面积小，节约土地资源，可以有效过滤掉水溶肥中的不溶物，避免滴灌管路堵塞，浇水更加自动化，智能化；1.该装置适用于可溶性肥料供给作物的添加过程，本水肥药一体机设计有两种液料模式，一种是利用流量比液料。预先按照作物不同生长时期，所需肥水比例设定好比例值，液料泵会根据水流量的变化按设定值自动调节液料量，液料量精确到0.1升，这种模式特别适合作物根部施药； 一种模式按照EC浓度值液料。按照作物不同生长时期，设定作物生长所需肥水EC浓度值。通过检测出水EC浓度值，调速泵按照检测值自动均匀添加肥料，EC浓度值控制在0.03ms/cm范围内。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是控制部分的结构示意图；

附图3是第二碟片式过滤器的结构示意图。

具体实施方式

结合附图1-3，对本发明作进一步的描述：

本发明包括控制部分和浇灌部分，控制部分包括主机箱体1、液晶显示器2、变压器3、24V电源控制开关4、交流接触器5、中间继电器6、控制主板7，主机箱体1的上部安装液晶显示器2，液晶显示器2连接控制主板7，主机箱体1的内部通过变压器3连接外部交流电源，变压器3连接24V电源控制开关4，控制主板7通过交流接触器5、中间继电器6连接24V电源，所述的控制主板7上设有中央处理器进行信号接收处理、EC电极浓度测量转换模块、PH电极酸碱度测量转换模块、6路脉冲流量计电路、3路24V直流调速功率电路、一体化传感器，zigbee无线接口；

所述的EC电极浓度测量转换模块和PH电极酸碱度测量转换模块完成电信号到数字量的转换；

所述的6路脉冲流量计电路包括3路直流调速高压泵控制电路通过控制管道水流量计实现流量调节，3路肥料混合的快慢与起停控制电路，实现肥料泵的启停与肥料的混合快慢；6路脉冲流量计电路，自带接口电压自适应电路，接入5-24v以内的电压脉冲信号，并在主板内部完成流量累积与流速计算；

所述的3路24V直流调速功率电路，每路功率可达64瓦，可以满足3路液料调速混合要求；

所述的一体化传感器，包括空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度，来完成光照能量的强度采集检测空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度；

浇灌部分包括前进水通道8、大口径不绣钢管道泵9、第一碟片式过滤器10、射流器11、静态混合器12、压力表13、出水口压力表、第二碟片式过滤器14、出水口EC浓度值检测器15、PH酸碱度值检测器16、液料调速泵17、控制电磁阀、大口径管道19，两组进水通道8连接大口径不绣钢管道泵9和大口径管道19，两组进水通道8上分别设有第一碟片式过滤器10，大口径管道19上分别通过三组射流器11连接混合管20，混合管20一端连接压力表13，混合管20内部设有静态混合器12，混合管20的出口连接第二碟片式过滤器14，混合管20的出口一侧连接出水口压力表、出水口EC浓度值检测器15、PH酸碱度值检测器16，混合管20的出口连接6-8条出水管路，所述的每条出水管路上分别设有控制电磁阀，所述的每组射流器的一侧分别连接一个液料管18，所述的液料管18包括第一液料管、第二液料管、第三液料管，每个液料管连接不同的液料，所述的液料管上分别通过液料调速泵和液料脉冲流量计连接射流器11，液料为水溶肥。

所述的第二碟片式过滤器14包括腔体14.1，腔体14.1的一端密封，腔体14.1的密封端中间固定过滤筒14.2，腔体14.1与过滤筒14.2之间为清洁筒体，清洁筒体连通出水管路，过滤筒14.2的末端连接螺纹连接头14.3，所述的螺纹连接头14.3连接混合管20的出口，所述的过滤筒14.2的中间设有贯通槽14.5，所述的过滤筒14.2上安装多组圆形过滤片14.4，贯通槽使流进的混合液通过过滤筒上的过滤片14.4后到达清洁筒体，所述的过滤片14.4之间紧密配合，所述的过滤片14.4上设有斜纹槽。

所述的静态混合器12的内部设有螺旋状伸展叶片。

一种水肥药一体机的工作方法，包括以下步骤：

中央处理器根据用户需求选择合适的料液混合模式和区域灌溉模式；

料液混合模式包括：恒定EC浓度、恒定酸碱度和恒定体积比例三种模式；

1、恒定EC浓度模式：根据出口EC传感器测量所得的当前出口EC浓度，和当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，计算当前出口EC浓度，并与所设定的预期EC浓度比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前出口EC浓度尽快向设定的EC浓度靠拢。EC浓度值控制在0.03ms/cm范围内，液料量精确到0.1升；

2、恒定酸碱度模式：根据出口PH传感器测量所得的当前出口酸碱度，和当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，计算当前出口酸碱度，并与所设定的预期酸碱度比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前出口酸碱度尽快向设定的酸碱度靠拢。酸碱度值控制在0.1PH范围内，液料量精确到0.1升；

3、恒定体积比例模式：根据当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，根据所设定的水与料液的体积比例，计算出当前所需要的料液流速，并当前料液流速比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前料液流速尽快向计算所得的预期料液流速靠拢。液料量精确到0.1升；

区域灌溉模式包括：定时自动化灌溉、光照能量累积自动化灌溉和恒定土壤湿度自动化灌溉三种模式；

按照作物不同生长时期，选择恰当的混合模式和灌溉模式，设定作物生长所需肥水EC浓度值，通过检测出水的EC浓度值，调速泵按照检测值自动均匀添加肥料；或者预先按照作物不同生长时期，所需肥水比例设定好比例值，液料泵会根据水流量的变化按设定值自动调节液料量，这种模式特别适合作物根部施药；

主机同时控制至少多个区域，每个区域能单独控制进水量、液料量，增加了种植面积；主机设有无线模块，通过无线局域网，可远程控制机器浇水施肥；

通过设有三路液料口，可根据不同地区水质差异，进行EC浓度值，PH酸碱度值调节施肥；

本机通过静态混合器，和出水口过滤器使肥水充分混合，肥水混合度能达到90%以上；

主机按装12寸液晶触摸屏，易操作，主机显示当前区域水速，水流量，肥流速，肥流量，水温，EC浓度值，PH酸碱度值。装设一套副操作系统，以备不时之需，利用不锈钢管道泵进行增压，提高浇水效率；通过设有三路液料口，可根据不同地区水质差异，进行EC浓度值，PH酸碱度值调节施肥。

本机处理器选用新唐科技的M451MLC3AE，是一款ARM内核的CORTEX-M4处理器，自带高速浮点DSP处理单元，并具备多个对外接口：4个UART，2个SPI，2个I2C，8个高精度PWM输出，可以满足本机对多组高速通信、多组脉冲信号采集、多组调速PWM控制功能的要求。

本机为了尽量降低成本，为用户节约预算，没有采用外部的EC浓度表头和酸碱度表头，而是直接把EC电极和PH电极输入到本机自带的测量转换模块，来完成电信号到数字量的转换；

本机内置了6路脉冲流量计电路，并自带接口电压自适应电路，可以接入5-24v以内的电压脉冲信号，并在主板内部完成流量累积与流速计算；

本机内置3路24V直流调速功率电路，每路功率可达64瓦，可以满足3路液料调速混合要求；

通过使用C语言编写，既保证了运行的稳定可靠，又为以后的功能修正及扩充铺平了道路。为了配合本机的光照能量累积计算，我们特制了一个一体化传感器，来完成光照能量的强度采集，并附带采集其他5个环境参数空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度），以备将来功能扩充，也可以作为一个独立产品来使用。

本机内部通信，或者对外的通信，全部遵循了国际标准MODBUS数据格式， 既方便了自己调试，又为给客户提供OEM生产打好了基础，本机设计时预留了zigbee无线接口，可以视用户需求构成大规模无线网状网络，提供一个区域内的大量设备的集中化远程管理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案对本发明加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.包括控制部分和浇灌部分，控制部分包括主机箱体、液晶显示器、变压器、24V电源控制开关、交流接触器、中间继电器、控制主板，主机箱体的上部安装液晶显示器，液晶显示器连接控制主板，主机箱体的内部通过变压器连接外部交流电源，变压器连接24V电源控制开关，控制主板通过交流接触器、中间继电器连接24V电源，所述的控制主板上设有中央处理器进行信号接收处理、EC电极浓度测量转换模块、PH电极酸碱度测量转换模块、6路脉冲流量计电路、3路24V直流调速功率电路、一体化传感器，zigbee无线接口；

所述的EC电极浓度测量转换模块和PH电极酸碱度测量转换模块完成电信号到数字量的转换；

所述的6路脉冲流量计电路包括3路直流调速高压泵控制电路通过控制管道水流量计实现流量调节，3路肥料混合的快慢与起停控制电路，实现肥料泵的启停与肥料的混合快慢；6路脉冲流量计电路，自带接口电压自适应电路，接入5-24v以内的电压脉冲信号，并在主板内部完成流量累积与流速计算；

所述的3路24V直流调速功率电路，每路功率可达64瓦，可以满足3路液料调速混合要求；

所述的一体化传感器，包括空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度，来完成光照能量的强度采集检测空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度；

浇灌部分包括前进水通道、大口径不绣钢管道泵、第一碟片式过滤器、射流器、静态混合器、压力表、出水口压力表、第二碟片式过滤器、出水口EC浓度值检测器、PH酸碱度值检测器、液料调速泵、控制电磁阀、大口径管道，两组进水通道连接大口径不绣钢管道泵9和大口径管道，两组进水通道上分别设有第一碟片式过滤器，大口径管道上分别通过三组射流器连接混合管，混合管一端连接压力表，混合管内部设有静态混合器，混合管的出口连接第二碟片式过滤器，混合管的出口一侧连接出水口压力表、出水口EC浓度值检测器、PH酸碱度值检测器，混合管的出口连接6-8条出水管路，所述的每条出水管路上分别设有控制电磁阀，所述的每组射流器的一侧分别连接一个液料管，所述的液料管包括第一液料管、第二液料管、第三液料管，每个液料管连接不同的液料，所述的液料管上分别通过液料调速泵和液料脉冲流量计连接射流器。

2.根据权利要求1所述的一种水肥药一体机，其特征是：所述的第二碟片式过滤器包括腔体，腔体的一端密封，腔体的密封端中间固定过滤筒，腔体与过滤筒之间为清洁筒体，清洁筒体连通出水管路，过滤筒的末端连接螺纹连接头，所述的螺纹连接头连接混合管的出口，所述的过滤筒的中间设有贯通槽，所述的过滤筒上安装多组圆形过滤片，贯通槽使流进的混合液通过过滤筒上的过滤片后到达清洁筒体，所述的过滤片之间紧密配合，所述的过滤片上设有斜纹槽。

3.根据权利要求1所述的一种水肥药一体机，其特征是：所述的静态混合器的内部设有螺旋状伸展叶片。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种水肥药一体机的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

中央处理器根据用户需求选择合适的料液混合模式和区域灌溉模式；

料液混合模式包括：恒定EC浓度、恒定酸碱度和恒定体积比例三种模式；

1、恒定EC浓度模式：根据出口EC传感器测量所得的当前出口EC浓度，和当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，计算当前出口EC浓度，并与所设定的预期EC浓度比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前出口EC浓度尽快向设定的EC浓度靠拢；EC浓度值控制在0.03ms/cm范围内，液料量精确到0.1升；

2、恒定酸碱度模式：根据出口PH传感器测量所得的当前出口酸碱度，和当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，计算当前出口酸碱度，并与所设定的预期酸碱度比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前出口酸碱度尽快向设定的酸碱度靠拢；酸碱度值控制在0.1PH范围内，液料量精确到0.1升；

3、恒定体积比例模式：根据当前的主管道水流速，通过高速浮点运算，根据所设定的水与料液的体积比例，计算出当前所需要的料液流速，并当前料液流速比较，进行适当速度的PID反馈运算，逐步修正调速泵打入料液的速度，让当前料液流速尽快向计算所得的预期料液流速靠拢，液料量精确到0.1升；

区域灌溉模式包括：定时自动化灌溉、光照能量累积自动化灌溉和恒定土壤湿度自动化灌溉三种模式；按照作物不同生长时期，选择恰当的混合模式和灌溉模式，设定作物生长所需肥水EC浓度值，通过检测出水的EC浓度值，调速泵按照检测值自动均匀添加肥料；或者预先按照作物不同生长时期，所需肥水比例设定好比例值，液料泵会根据水流量的变化按设定值自动调节液料量，这种模式特别适合作物根部施药。

5.根据权利要求4所述的一种水肥药一体机的工作方法，其特征是：所述的料液混合模式和区域灌溉模式，主机同时控制至少8区域，每个区域能单独控制进水量、液料量，增加了种植面积。

6.根据权利要求4所述的一种水肥药一体机的工作方法，其特征是：所述的料液混合模式和区域灌溉模式，主机设有无线模块，通过无线局域网，可远程控制机器浇水施肥。

7.根据权利要求4所述的一种水肥药一体机的工作方法，其特征是：所述的料液混合模式和区域灌溉模式，通过设有三路液料口，可根据不同地区水质差异，进行EC浓度值，PH酸碱度值调节施肥。