CN108450117B - 基于无线通讯的高杆水肥一体机 - Google Patents

基于无线通讯的高杆水肥一体机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无线通讯的高杆水肥一体机，包括包括太阳能无线墒情站、水肥控制输送系统和高杆喷灌系统；太阳能无线墒情站包括太阳能组件、太阳能蓄电池、水肥信息数据采集器和无线传输系统；水肥控制输送系统包括下位机、水肥箱、水泵、流量控制阀和输液管道；高杆喷灌系统包括导轨、步进电机和喷灌系统；所述的流量控制阀与所述的高杆喷灌系统通过输液管道相连接，控制水和肥料的供给速度；本发明能根据农田水肥情况和天气状况，结合太阳能无线墒情站，通过控制步进电机速度进行定量灌溉、按需灌溉，从而达到节约水肥的目的。

Description

基于无线通讯的高杆水肥一体机
技术领域
本发明涉及一种基于无线通讯的高杆水肥一体机，适用于不同区域的地块和需要喷灌的不同品种作物，属于水肥一体化技术领域。
技术背景
水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，有利于实现节水灌溉，有利于实现水肥高效管理。面对目前我国农村地区劳动力不足，粮食产量需求大，管理水平不高，水资源相对匮乏等现状，生物节水与农艺节水相配合，实现农艺、农机的高度融合，创新适合规模化生产的固定式高杆喷灌水肥一体化耕作制度，以及适合小规模或分散生产的移动式高杆喷灌水肥一体化耕作制度，已成为了研究的热点。已有发明专利申请“智能平移式水肥药一体化喷灌设备”(CN201710914458)公开了一种具有智能控制装置的水肥药一体化喷灌设备，但其观测系统侧重于观测病虫害从而施药，对水肥的观测和调节没有明确的体现，不具备太阳能无线墒情站，不具备GPRS无线网络传输系统；已有发明专利申请“水肥一体化喷溉系统”(CN201710694688)公开了一种低成本的水肥药一体化喷灌装置，但其无法对地块水肥情况进行监测，无法对数据进行无线传输，也不具备智能的决策系统，按需确定地块的灌溉、施肥量。随着国家农业技术的发展，精确农业、智慧农业是农业装备发展的方向，这就要求农业装备与现代信息系统结合，对田间具有实时监测的功能，能够按需定量执行农业操作，在达到相同或更高效益的同时减少投入量，达到保护环境、节约资源的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷和空白，提供一种具备实时监测功能的，能够进行按需进行农业作业的基于无线通讯的高杆水肥一体机。
一种基于无线通讯的高杆水肥一体机，包括太阳能无线墒情站、水肥控制输送系统和高杆喷灌系统。
所述的太阳能无线墒情站包括太阳能组件、太阳能蓄电池、水肥信息数据采集器和无线传输系统；
所述的太阳能组件包括太阳能电池板和光伏充电控制器；太阳能电池板通过线路与光伏充电控制器相连接；将太阳能转化为电能并稳定输入太阳能蓄电池，为水肥信息数据采集器和无线传输系统供电。
所述的水肥信息数据采集器包括土壤湿度传感器、营养元素传感器和EC传感器，水肥信息数据采集器根据土壤状况、土层厚度、作物种植密度的要求，以一定的密度和深度安装在地表以下相应位置；
所述的无线传输系统包括上位机和GPRS无线网络传输系统；所述的上位机和土壤湿度传感器、营养元素传感器和EC传感器连接；上位机将水肥信息数据采集器采集到的数据通过GPRS无线网络传输系统输送到水肥控制输送系统；
所述的水肥控制输送系统包括下位机、水肥箱、水泵、流量控制阀和输液管道；
下位机与水泵、流量控制阀和步进电机连接，控制喷灌作业的执行，控制喷灌作业的速度；下位机中存储有数据分析决策应用软件；下位机通过所述的GPRS无线网络传输系统获取天气预报，数据分析决策应用软件获取水肥信息数据采集器采集到的数据，根据采集到的数据确定所需水肥量及喷灌机的行驶速度；所述的水肥箱与流量控制阀通过输液管道相连接；
所述的高杆喷灌系统包括导轨、步进电机和喷灌系统；所述的流量控制阀与所述的高杆喷灌系统通过输液管道相连接，控制水和肥料的供给速度；
所述导轨对称设置在地块两侧(沿地块长度方向的两侧)；所述的导轨长度根据地块长度确定，根据地块位置和喷灌装置宽度确定导轨安装位置；
所述的喷灌系统包括喷灌支架、滑轮、滑块、滑索、喷杆和喷头；所述的喷灌支架呈门字型；喷灌支架底部安装有车轮，喷灌支架通过车轮可活动安装在导轨上；喷灌支架能沿导轨前后移动；
所述的滑块可活动安装在喷灌支架上；喷杆与地面平行安装在滑块上；滑块高度可调，从而调节喷杆高度，以调节喷灌高度；
所述的喷头均匀设置在喷杆上，喷头通过输液管道与水肥箱连通；
所述的步进电机通过键与车轮连接，控制车轮的前进速度；
所述的数据分析决策软件(可根据现有技术编程)根据水肥信息数据采集器采集到的数据计算地块需水量，设定施肥量，根据公式(1)确定灌溉所需时间，根据公式(2)确定喷灌机移动速度，从而确定步进电机的转速；在进行喷灌作业之前，查询天气预报，如果三天内将出现有效降水，确定是否进行喷灌作业，如果三天内无有效降水，则执行喷灌作业；
总需水量/流量控制阀流量＝灌溉时间 (1)
喷灌机速度＝地块长度/灌溉所需时间 (2)
所述的数据分析决策软件，具有如下功能：
(1)查询天气预报，如果三天内将出现有效降水，不进行喷灌作业，如果三天内无有效降水，执行喷灌作业；
(2)根据水肥信息数据采集器采集到的数据计算地块总需水量，且天气符合要求时进行灌溉作业；
(3)根据作物种类和实际需求设置施肥量，同时根据三日内是否出现有效降水，确定是否进行喷灌作业；
(4)根据公式(1)确定的灌溉时间，根据公式(2)确定的喷灌机移动速度，确定步进电机的转速，进而控制喷灌机的前进速度。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过太阳能无线墒情站获取水肥信息数据，并通过GPRS无线网络传输系统传输到水肥控制输送系统，采用太阳能蓄电池供电有利于保护环境、节约能源，采用无线传输系统有利于提高系统可靠性，减少线路维护成本，方便喷灌机进行工作，提高了工作效率。
2、本发明采用智能化的数据分析决策软件，可以根据地块实时水肥数据和天气状况，精确确定地块的需水量、需肥量和灌溉量，变量投入，按需对作物进行喷灌操作，能够达到节水、减肥的需求，降低了人工管理的需求，解放了劳动力，符合精确农业发展方向，达到不改变效益的同时减少投入、节能环保的需求。
3、本发明采用高度可调节的高杆喷灌系统，可以根据地块种植作物的不同，调节滑块高度，从而调节喷杆高度，达到调节喷灌高度的目的，保证喷灌头与作物之间保持科学的高度差，提高喷灌效率和作物对肥料的吸收率，进一步满足节水、减肥的需求，有利于减少投入、节能环保。
4、利用本发明，与农艺相结合，可以形成一套节水高效的适合规模化生产的固定式高杆喷灌水肥一体化耕作制度，解放劳动力，提高资源利用率。
附图说明
图1是本发明的工作简图
图2是本发明控制过程的原理框图
图3是水肥信息数据采集器的安装示意图
图中：1太阳能组件，2太阳能蓄电池，3无线传输系统，4水肥信息数据采集器，5喷杆，6喷头，7滑轮，8滑块，9滑索，10喷灌支架，11步进电机，12车轮，13导轨，14流量控制阀，15水肥箱，16水泵，17决策系统，18太阳能无线墒情站，19水肥控制输送系统，20高杆喷灌系统，X表述各个传感器的安装位置
具体实施方式
一种基于无线通讯的高杆水肥一体机，包括太阳能无线墒情站、水肥控制输送系统、高杆喷灌系统和步进电机。
所述的太阳能组件包括太阳能电池板和光伏充电控制器；太阳能电池板通过线路与光伏充电控制器相连接；将太阳能转化为电能并稳定输入太阳能蓄电池，为水肥信息数据采集器和无线传输系统供电。
所述的水肥信息数据采集器包括土壤湿度传感器、营养元素传感器和EC传感器，各种传感器根据土壤状况、土层厚度、作物种植密度的要求，以一定的密度和深度安装在地表以下相应位置；
所述的无线传输系统包括上位机和GPRS无线网络传输系统；所述的上位机(可采用电脑或智能手机等)和土壤湿度传感器、营养元素传感器和EC传感器连接；上位机将水肥信息数据采集器采集到的数据通过GPRS无线网络传输系统输送到水肥控制输送系统；
所述的水肥控制输送系统包括下位机、水肥箱15、水泵16、流量控制阀14和输液管道；所述的水肥箱15与所述的流量控制阀14通过输液管道相连接；
所述的下位机(可采用台式电脑等)与水泵16、流量控制阀14和步进电机11连接，控制喷灌作业的执行，控制喷灌作业的速度；下位机中存储有数据分析决策应用软件，下位机通过所述的GPRS无线网络传输系统获取天气预报，数据分析决策应用软件获取水肥信息数据采集器采集到的数据，根据采集到的数据，计算出所需水、肥的量，能实现对喷灌机行驶速度的计算与控制。
所述的高杆喷灌系统包括导轨13、步进电机11和喷灌系统；所述的流量控制阀14与所述的高杆喷灌系统通过输液管道相连接，控制水和肥料的供给速度；
所述导轨13对称设置在地块两侧(沿地块长度方向的两侧)；所述的导轨13长度根据地块长度确定，根据地块位置和喷灌装置宽度确定导轨安装位置；
所述的喷灌系统包括喷灌支架10、滑轮7、滑块8、滑索9、喷杆5和喷头6；所述的喷灌支架10呈门字型；喷灌支架10底部安装有车轮12，喷灌支架10通过车轮12可活动安装在导轨上；喷灌支架10能沿导轨13前后移动；
所述的滑块8可活动安装在喷灌支架10上；喷杆5与地面平行安装在滑块8上；滑块8高度可调，从而调节喷杆5高度，以调节喷灌高度；
所述的喷头6均匀设置在喷杆5上，喷头6通过输液管道与水肥箱连通；
所述的步进电机11通过键与车轮12连接，控制车轮12的前进速度；
使用时，数据分析决策软件(可根据现有技术编程)根据水肥信息数据采集器采集到的数据计算地块需水量，设定施肥量，根据公式(1)确定灌溉所需时间，根据公式(2)确定喷灌机移动速度，从而确定步进电机的转速；在进行喷灌作业之前，查询天气预报，如果三天内将出现有效降水，确定是否进行喷灌作业，如果三天内无有效降水，则执行喷灌作业；
总需水量/流量控制阀流量＝灌溉时间 (1)
喷灌机速度＝地块长度/灌溉所需时间 (2)
所述的数据分析决策软件，具有如下功能：
(1)查询天气预报，如果三天内将出现有效降水，不进行喷灌作业，如果三天内无有效降水，执行喷灌作业；
(2)根据水肥信息数据采集器采集到的数据计算地块总需水量，且天气符合要求时进行灌溉作业；
(3)根据作物种类和实际需求设置施肥量，同时根据三日内是否出现有效降水，确定是否进行喷灌作业；
(4)根据公式(1)确定的灌溉时间，根据公式(2)确定的喷灌机移动速度，确定步进电机的转速，进而控制喷灌机的前进速度。
本发明在具体使用时，太阳能组件1将太阳能转化为电能，并稳定输入到太阳能蓄电池2，太阳能蓄电池2向无线传输系统3、水肥信息数据采集器4供电，水肥信息数据采集器4采集到的数据通过线路传输到无线传输系统3，无线传输系统3再将数据通过GPRS无线网络传向决策系统17，决策系统17接受水肥信息数据采集器4采集到的数据，并通过GPRS无线网络查询天气预报，综合做出决策，将指令通过线路传送至泵16和步进电机11，步进电机11通过键连接带动车轮12在导轨13上运动，使基于无线通讯的高杆水肥一体机按一定速度前进，水泵16使水肥箱中15中的水和肥料经过流量控制阀14按一定流量流速流出，到达喷杆5，以一定速度和密度从喷杆6喷洒到作物上，达到喷灌目的。用户在喷灌之前，可以调节滑块8，从而调节喷杆5的高度，保证喷灌头与作物之间保持科学的高度差。
在具体操作时，所述GPRS无线网络传输系统使用GPRS网络，集成TCP/IP协议；用户可以根据实际种植的作物不同和作物生长期的不同设置施肥量，根据所在区域的降水状况设置三天内有降水时是否进行喷灌作业；并通过更换喷头达到不同的喷灌效果，用户可根据种植作物的不同，调节滑块高度，从而调节喷杆高度，达到调节喷灌高度的目的，保证喷灌头与作物之间保持科学的高度差；如果遇到连阴天气，可对太阳能蓄电池进行充电，从而保证水肥信息数据采集器和无线传输系统正常工作。

Claims (2)

1.基于无线通讯的高杆水肥一体机，其特征在于:包括太阳能无线墒情站、水肥控制输送系统和高杆喷灌系统；
所述的太阳能无线墒情站包括太阳能组件、太阳能蓄电池、水肥信息数据采集器、无线传输系统；
所述的太阳能组件包括太阳能电池板和光伏充电控制器；太阳能电池板通过线路与光伏充电控制器相连接；将太阳能转化为电能并稳定输入太阳能蓄电池，为水肥信息数据采集器和无线传输系统供电；
所述的水肥信息数据采集器包括土壤湿度传感器、营养元素传感器和EC传感器，水肥信息数据采集器根据土壤状况、土层厚度、作物种植密度的要求，以一定的密度和深度安装在地表以下相应位置；
所述的无线传输系统包括上位机和GPRS无线网络传输系统；所述的上位机和土壤湿度传感器、营养元素传感器和EC传感器连接；上位机将水肥信息数据采集器采集到的数据通过GPRS无线网络传输系统输送到水肥控制输送系统；
下位机与水泵、流量控制阀和步进电机连接；下位机中存储有数据分析决策应用软件；下位机通过所述的GPRS无线网络传输系统获取天气预报，数据分析决策应用软件获取水肥信息数据采集器采集到的数据，根据采集到的数据确定所需水肥量及喷灌机的行驶速度；水肥箱与流量控制阀通过输液管道连接；
所述的高杆喷灌系统包括导轨、步进电机和喷灌系统；所述的流量控制阀与所述的高杆喷灌系统通过输液管道连接，控制水和肥料的流速；
所述导轨对称设置在地块长度方向的两侧；所述的导轨长度根据地块长度确定，根据需喷灌宽度确定导轨安装位置；
所述的喷灌系统包括喷灌支架、滑轮、滑块、滑索、喷杆和喷头；所述的喷灌支架呈门字型；喷灌支架底部安装有车轮，喷灌支架通过车轮可活动安装在导轨上；喷灌支架能沿导轨前后移动；
所述的滑块可活动安装在喷灌支架上；喷杆与地面平行安装在滑块上；滑块高度可调，
通过调节喷杆高度以调节喷灌高度；
所述的喷头均匀设置在喷杆上，喷头通过输液管道与水肥箱连通；
所述的步进电机通过键与车轮连接，控制车轮的前进速度。
2.如权利要求1所述的基于无线通讯的高杆水肥一体机，其特征在于：所述的数据分析决策软件，具有如下功能：
(1)查询天气预报，如果三天内将出现有效降水，不进行喷灌作业，如果三天内无有效
降水，执行喷灌作业；
（2）根据水肥信息数据采集器采集到的数据计算地块总需水量，且天气符合要求时进
行灌溉作业；
（3）根据作物种类和实际需求设置施肥量，同时根据三日内是否出现有效降水，确定是
否进行喷灌作业；
（4）根据公式A确定的灌溉时间，根据公式B确定的喷灌机移动速度，确定步进电机的转速，进而控制喷灌机的前进速度；
公式A:总需水量/流量控制阀流量=灌溉时间
公式B:喷灌机速度=地块长度/灌溉所需时间。
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