CN109661887A - 一种适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统，包括混肥罐、循环泵、水肥一体机、肥料桶、酸液桶、灌溉泵和控制电路，混肥罐中设置有上、下限位浮球开关，混肥罐经循环泵与水肥一体机的进水口相通肥料桶、酸液桶与水肥一体机相连通的管路上均设置有吸肥电磁阀；回水管上设置有EC传感器和PH传感器。本发明的施肥方法包括：a).给定灌溉量和施肥量；b).计算离子浓度和加注次数；c).注水过程控制；d).混肥过程控制；e).灌溉过程控制；f).灌溉结束判断。本发明的水肥系统及方法，实现对种植区域的灌溉、施肥作业，既解决了现有淹灌、漫灌所造成的水资源浪费问题，又实现了根据农作物的生产所需进行科学、合理施肥。

Description

一种适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种水肥系统及控制方法，更具体的说，尤其涉及一种的用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统及控制方法。

背景技术

我国的设施农业建设面积已经成为了世界第一，虽然规模巨大，但我国的设施农业品种单一，日光温室和单体大棚是我国设施农业的主要品种，尤其在光能比较充足的北方，常采用单屋面形式，环境可控度比较低，抵御自然灾害能力比较弱。设施农业品种单一，导致了我国农业发展水平大幅度落后于农业发达国家，尤其是农业装备的落后、可使用土地的人均面积、发展现代农业的思想和意识、单位时间的农业生产效率等多个方面。随着我国城镇化的发展和土地集中化的管理模式，如何能够增加单位土地的产出、保护生态环境、降低生产成本成为了农业现代化种植和栽培管理的重中之重。我国是世界上水资源最缺乏的国家之一，然而每年农业的用水量约占全国用水量的70%，是用水大户，同时也是水资源浪费大户，这是由于我国农业灌溉仍然采用原始的淹灌、漫灌等模式，用水效率及其低下。

我国每年的化肥使用量约占全球1/3以上，目前我国的施肥模式仍以粗放型为主，灌溉施肥过程中忽略了水肥的浓度比，使得农作物对肥料的吸收率较低，造成了大量的水资源、劳动力的浪费。传统的水肥控制器由于控制精度不高，只能实现简单的自动化控制，不能实现水肥的精细化管理。为了实现农业持续发展和资源永续利用，从大水大肥的粗放型向精细调控的集约型转变是现代农业发展的必然趋势。本设计的水肥控制器技术将水和可溶性肥混合成高精度液体肥料直达作物根部，节水，节肥效果明显。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统及控制方法。

本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统，其特征在于：包括混肥罐、循环泵、水肥一体机、肥料桶、酸液桶、灌溉泵和控制电路，混肥罐中设置有对其高、低液位进行检测的上限位浮球开关和下限位浮球开关，混肥罐上设置有注水管，注水管上设置有注水电磁阀；混肥罐经循环泵与水肥一体机的进水口相通，水肥一体机的出水口经回水管与混肥罐相通；肥料桶的数量为1个或1个以上，肥料桶、酸液桶与水肥一体机相连通的管路上均设置有吸肥电磁阀；水肥一体机与混肥罐之间的回水管上设置有分别对溶液中的离子浓度、pH值进行检测的EC传感器和PH传感器；混肥罐的出水管与灌溉泵的进水口相连通，灌溉泵的出水口与设置于田地中的微喷管相连通。

本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统，所述控制电路由ARM处理器及与其连接开关量输入模块、开关量输出模块、RS485接口电路、A/D转换模块、电源模块和Flash存储模块组成，ARM处理器经开关量输入模块对上限位浮球开关、下限位浮球开关的状态进行检测，经开关量输出模块对注水电磁阀、吸肥电磁阀、循环泵和灌溉泵的状态进行控制，经RS485接口电路连接有HMI触摸屏，经A/D转换模块对EC传感器和PH传感器输出信号进行采集。

本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统，所述肥料桶和酸液桶均通过文丘里管与水肥一体机相连通。

本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的施肥方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).给定灌溉量和施肥量，给定单位面积田地的灌溉水量和施肥量，并设定水肥溶液的pH值；b).计算离子浓度和加注次数，根据灌溉水量、施肥量和肥料种类，计算出水肥溶液配制完成时溶液中的离子浓度；利用灌溉用水总量除以混肥罐上、下限位浮球开关之间的容积，计算出灌溉用水的加注次数，记为n；c).注水过程控制，控制电路开启注水电磁阀，以便经进水管向混肥罐中注入灌溉用水，当检测到上限位浮球开关输出动作信号时，表明混肥罐中的水已注满，关闭注水电磁阀，停止注水；d).混肥过程控制，注水停止后，开启循环泵和吸肥电磁阀，以使肥料和酸液在水肥一体机中与喷灌用水充分混合后，再流入混肥罐中；并通过EC传感器和PH传感器实时检测水肥溶液中的离子浓度和pH值，当离子浓度达到要求时，关闭肥料桶上的吸肥电磁阀，当pH值达到要求时，则关闭酸液桶上的吸肥电磁阀，直至溶液中的离子浓度和pH值均达到要求；e).灌溉过程控制，混肥结束后，开启灌溉泵，以便将混肥罐中的水肥溶液抽出，并经微喷管实现对田地的灌溉；当检测到混肥罐中的上限位浮球开关输出动作信号时，表明混肥罐中的液位过低，则关闭灌溉泵，停止灌溉作业；f).灌溉结束判断，判断混肥罐的加水次数是否达到n次，如果没有达到，则依次执行步骤c）、d）和e)，重新执行注水、混肥和灌溉作业；如果达到n次，则表明灌溉、施肥结束，停止作业。

本发明的有益效果是：本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统及控制方法，通过对混肥罐中的上、下限位浮球开关的状态检测，可实现对混肥罐的注水控制，注水结束后，通过开启循环泵和吸肥电磁阀，可将肥料、酸液混入灌溉用水中，同时通过EC传感器、PH传感器对溶液中离子浓度、pH值进行检测，直至配制出肥液浓度、pH值满足要求的混合液，最后由灌溉泵将肥液抽至田地中，实现了对种植区域的灌溉、施肥作业，既解决了现有淹灌、漫灌所造成的水资源浪费问题，又实现了根据农作物的生产所需进行科学、合理施肥。

附图说明

图1为本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的结构原理图；

图2为本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的控制原理图；

图3为本发明中ARM处理器及其外围电路的原理图；

图4为本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的施肥方法的流程图；

图5为本发明中HMI触摸屏所显示的控制界面图。

图中：1注水电磁阀，2浮球阀门，3混肥罐，4循环泵，5水肥一体机，6吸肥电磁阀，7肥料桶，8 EC传感器，9 PH传感器，10灌溉泵，11微喷管，12酸液桶。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的结构原理图，其由混肥罐3、循环泵4、水肥一体机5、肥料桶7、酸液桶12、EC传感器8、PH传感器9、灌溉泵10、微喷管11以及控制电路组成，混肥罐3用于存储灌溉溶液，混肥罐3上设置有向其中注入灌溉用水的进水管，进水管上设置有注水电磁阀1，以对注水状态进行控制。混肥罐3上设置有对其高液位状态和低液位状态进行检测的浮球阀门2，浮球阀门2由上限位浮球开关和下限位浮球开关组成，上、下限位浮球开关分别对混肥罐3中的高液位状态和低液位状态进行检测。

混肥罐3的底部经循环泵4与水肥一体机5的进水口相通，水肥一体机5的出水口经回水管与混肥罐3相通。肥料桶7的数量为1个或1个以上，以便根据用户设定的施肥配方添加肥料溶液。酸液桶12用于调节水肥溶液的pH值，肥料桶7、酸液桶12与水肥一体机5相连通的管路上均设置有吸肥电磁阀6，通过吸肥电磁阀6对相应管路通断状态的控制，可控制肥料种类和酸液的加入，以配制出肥料浓度、pH值满足要求的水肥溶液。

水肥一体机5与混肥罐3之间的回水管上设置有EC传感器8和PH传感器9，以实时地对水肥混合液的离子浓度和pH值进行检测，当水肥混合液的离子浓度或pH值满足要求时，则关闭相应的吸肥电磁阀6。混肥罐3底部的出水管与灌溉泵10的进水口相连通，灌溉泵10的出水口与微喷管11相连通，微喷管11设置于田地中，当混肥罐3中的水肥溶液配制完成后，则开启灌溉泵10，实现对农田种植区域的灌溉、施肥。

如图2所示，给出了本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的控制原理图，所示的控制电路由ARM处理器及与其相连接的开关量输入模块、开关量输出模块、RS485接口电路、A/D转换模块、电源模块和Flash存储模块组成，ARM处理器具有信号采集、数据运算和控制输出的作用。ARM处理器通过开关量输入模块对上限位浮球开关、下限位浮球开关的输出信号进行检测，进而判断混肥罐3的高液位状态和低液位状态。ARM处理器通过开关量输出模块和中间继电器对注水电磁阀、吸肥电磁阀、循环泵和灌溉泵的状态进行控制，进而实现对注水、混肥和灌溉过程进行控制。

ARM处理器经RS485接口电路连接有HMI触摸屏，以实现人机交互界面控制。ARM处理器经模拟量输入模块对EC传感器8和PH传感器9的输出数据进行采集，以获取水肥混合液的离子浓度数据和pH值。

如图3所示，给出了本发明中ARM处理器及其外围电路的原理图，ARM处理器为智能水肥一体机控制系统的大脑，一方面需要接受本地管理层的决策命令，另一方面需要对水肥进行精确控制。控制器需要具备快速计算能力、强大的数据存储能力、配合CAN线的各类网络接口等。LPC2368处理器搭载一颗72MHz主频时钟， 片内512KB的Flash，以及32K字节的静态随机存储器，完全满足智能控制器高性能的需求。包括4路通用定时器，可满足2路捕获输入、4路比较器输出和4路外部计数输入；1路PWM（定时器）模块，可以实现三相电机的速度控制；搭载6路10位的AD转换器，能够满足6路EC或者PH模拟量信号的输入；3个UART通讯接口和70个32位的快速通用I/O端口，满足控制系统功能要求。

电源是任何自动化控制设备的重要组成部分，电源主要给控制器以及外围电路提供驱动电源，电源的稳定性可以直接影响整个控制系统的正常运行。系统选用标准24V直流输出电源适配器，输出DC24V直流电压，为了提高电源可靠性，满足不同设备对不同电压等级需求，可以通过降压稳压芯片和滤波电路实现DC5V、DC4.2V、DC3.3V的转换，本系统选用DCtoDC开关型稳压器作为稳压器件，提高电压转换效率和降低输出电流，有效避免了线性稳压器在大功率负载的情况下容易发热的问题。

本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的施肥方法，通过以下步骤来实现：

a).给定灌溉量和施肥量，给定单位面积田地的灌溉水量和施肥量，并设定水肥溶液的pH值；

b).计算离子浓度和加注次数，根据灌溉水量、施肥量和肥料种类，计算出水肥溶液配制完成时溶液中的离子浓度；利用灌溉用水总量除以混肥罐上、下限位浮球开关之间的容积，计算出灌溉用水的加注次数，记为n；

c).注水过程控制，控制电路开启注水电磁阀，以便经进水管向混肥罐中注入灌溉用水，当检测到上限位浮球开关输出动作信号时，表明混肥罐中的水已注满，关闭注水电磁阀，停止注水；

注水流程的终端设备主要由上限位浮球开关、下限位浮球开关、注水电磁阀组成，当灌溉结束后，混肥桶液位降低，上限位浮球开关导通，注水电磁阀开启开始注水，当水位到达上限位，上限位浮球开关关闭，注水停止。

d).混肥过程控制，注水停止后，开启循环泵和吸肥电磁阀，以使肥料和酸液在水肥一体机中与喷灌用水充分混合后，再流入混肥罐中；并通过EC传感器和PH传感器实时检测水肥溶液中的离子浓度和pH值，当离子浓度达到要求时，关闭肥料桶上的吸肥电磁阀，当pH值达到要求时，则关闭酸液桶上的吸肥电磁阀，直至溶液中的离子浓度和pH值均达到要求；

当注水停止后，混肥桶肥液浓度下降不满足灌溉要求，这时需要启动混肥程序，混肥泵启动，同时吸肥电磁阀打开，通过文丘里管的吸力，将肥液吸进管道，EC传感器检测管道浓度满足要求，混肥自动停止。

e).灌溉过程控制，混肥结束后，开启灌溉泵，以便将混肥罐中的水肥溶液抽出，并经微喷管实现对田地的灌溉；当检测到混肥罐中的上限位浮球开关输出动作信号时，表明混肥罐中的液位过低，则关闭灌溉泵，停止灌溉作业；

混肥流程结束后，混肥桶内肥液满足灌溉要求，启动灌溉，灌溉泵、灌区电磁阀同时开启，开始灌溉，灌溉时间到，灌溉泵、灌区电磁阀关闭灌溉结束，同时混肥桶水位下降，注水流程开始，循环往复。

f).灌溉结束判断，判断混肥罐的加水次数是否达到n次，如果没有达到，则依次执行步骤c）、d）和e)，重新执行注水、混肥和灌溉作业；如果达到n次，则表明灌溉、施肥结束，停止作业。

如图4所示，给出了本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的施肥方法的流程图，数据触发是灌溉施肥控制系统任务执行的核心，数据的应用包括用户操作数据和远程访问数据。用户操作数据指的是用户在现场通过HMI设备进行关键参数设置。当用户激活HMI设备上的功能键时，系统触发中断事件，通过串口中断1通知系统进行按键处理，系统会自动切换到HMI按键任务模式，执行相应的动作命令，包括执行注水命令、执行混肥命令、灌溉命令等。同理，若控制系统收到远程决策层（水肥管理平台）控制信息时，系统会启动串口中断2处理这些数据，同时控制系统会切换到水肥管理模式下的任务执行模式。

控制系统最终目标是配制一定精准浓度的水肥耦合液和精准的灌区灌溉量。配肥任务的执行需要液位上限开关量输出触发，在配肥任务执行过程中，灌溉施肥控制算法可以使EC值快速达到设定值并稳定的保持下去。施肥任务的执行需要定时器1触发，在施肥任务执行过程中，灌溉施肥控制算法可以控制施肥灌区的选择，可以精确地控制灌区施肥量。注水任务的执行需要定时器2触发，在注水任务执行过程中，灌溉施肥控制算法可以控制注水时间、注水量、下限位报警。

如图5所示，给出了本发明中HMI触摸屏所显示的控制界面图，包括混肥过程、施肥过程、注水过程，每个过程相互联系又相互独立。手动控制模式就可以独立控制施肥过程、混肥过程、注水过程。对于施肥过程手动模式可以设置施肥时长、同步混合（施肥过程中是否需要混肥泵启动帮助混肥罐肥液循环搅拌）、灌区选择。当手动启动施肥时，计时器开始计时，同时灌区阀门打开，开始施肥。施肥时间结束自动停止，也可以手动停止。对于注水过程，手动模式可以控制注水开始或者停止，水位到达上限位也可以自动停止。对于混肥过程，手动模式可以设置肥料配方，启动混肥泵开始混肥，当EC、PH值到达设定值后，混肥过程可以自动停止，同样手动模式也可以手动停止混肥。三个过程可独立控制、独立启动、独立停止。

本发明的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统及控制方法，具有良好的灵活性和兼容性，可根据作物生长需要调控作物生长环境。用户可以设定施肥时间、施肥时长、施肥配方进行施肥。确保施肥控制系统具备良好的适用性，并具有良好的可靠性、抗干扰性、安全性。综合考虑未来农业发展以及对智能装备的控制需求，本设计开发的智能水肥一体机具备以下功能：

（1）用户设定好EC值，智能水肥一体机快速配制水肥耦合溶液，肥液浓度稳定保持在设定值，自动向种植区施肥。

（2）利用人机交互界面，实现操作流程可视化，控制功能模块化。

（3）高精度肥液浓度控制，实现灌溉施肥精细化。

（4）水肥信息化综合管理平台对灌溉施肥过程进行精细化、智能化、科学化管理。

Claims (4)

1.一种适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统，其特征在于：包括混肥罐（3）、循环泵（4）、水肥一体机（5）、肥料桶（7）、酸液桶（12）、灌溉泵（10）和控制电路，混肥罐中设置有对其高、低液位进行检测的上限位浮球开关和下限位浮球开关，混肥罐上设置有注水管，注水管上设置有注水电磁阀（1）；混肥罐经循环泵与水肥一体机的进水口相通，水肥一体机的出水口经回水管与混肥罐相通；肥料桶的数量为1个或1个以上，肥料桶、酸液桶与水肥一体机相连通的管路上均设置有吸肥电磁阀（6）；水肥一体机与混肥罐之间的回水管上设置有分别对溶液中的离子浓度、pH值进行检测的EC传感器（8）和PH传感器（9）；混肥罐的出水管与灌溉泵（10）的进水口相连通，灌溉泵的出水口与设置于田地中的微喷管（11）相连通。

2.根据权利要求1所述的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统，其特征在于：所述控制电路由ARM处理器及与其连接开关量输入模块、开关量输出模块、RS485接口电路、A/D转换模块、电源模块和Flash存储模块组成，ARM处理器经开关量输入模块对上限位浮球开关、下限位浮球开关的状态进行检测，经开关量输出模块对注水电磁阀（1）、吸肥电磁阀（6）、循环泵（4）和灌溉泵（10）的状态进行控制，经RS485接口电路连接有HMI触摸屏，经A/D转换模块对EC传感器（8）和PH传感器（9）输出信号进行采集。

3.根据权利要求1所述的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统，其特征在于：所述肥料桶（7）和酸液桶（12）均通过文丘里管与水肥一体机（5）相连通。

4.一种基于权利要求1所述的适用于农业温室蔬菜水果种植的水肥系统的施肥方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).给定灌溉量和施肥量，给定单位面积田地的灌溉水量和施肥量，并设定水肥溶液的pH值；

b).计算离子浓度和加注次数，根据灌溉水量、施肥量和肥料种类，计算出水肥溶液配制完成时溶液中的离子浓度；利用灌溉用水总量除以混肥罐上、下限位浮球开关之间的容积，计算出灌溉用水的加注次数，记为n；

c).注水过程控制，控制电路开启注水电磁阀，以便经进水管向混肥罐中注入灌溉用水，当检测到上限位浮球开关输出动作信号时，表明混肥罐中的水已注满，关闭注水电磁阀，停止注水；

d).混肥过程控制，注水停止后，开启循环泵和吸肥电磁阀，以使肥料和酸液在水肥一体机中与喷灌用水充分混合后，再流入混肥罐中；并通过EC传感器和PH传感器实时检测水肥溶液中的离子浓度和pH值，当离子浓度达到要求时，关闭肥料桶上的吸肥电磁阀，当pH值达到要求时，则关闭酸液桶上的吸肥电磁阀，直至溶液中的离子浓度和pH值均达到要求；

e).灌溉过程控制，混肥结束后，开启灌溉泵，以便将混肥罐中的水肥溶液抽出，并经微喷管实现对田地的灌溉；当检测到混肥罐中的上限位浮球开关输出动作信号时，表明混肥罐中的液位过低，则关闭灌溉泵，停止灌溉作业；

f).灌溉结束判断，判断混肥罐的加水次数是否达到n次，如果没有达到，则依次执行步骤c）、d）和e)，重新执行注水、混肥和灌溉作业；如果达到n次，则表明灌溉、施肥结束，停止作业。