CN109673480B - 一种智能水肥一体化喷灌系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及灌溉技术领域，公开了一种智能水肥一体化喷灌系统及控制方法，系统包括检测子系统、控制子系统、混肥子系统以及喷灌子系统，检测子系统包括作物本体传感器、土壤墒情传感器以及土壤肥力传感器；控制子系统包括第一接收模块、计算模块以及比对预警模块，混肥子系统包括混肥装置；方法包括系统调试准备、信息采集、实际需求量计算以及水肥调配与灌溉，本发明能够主动分析作物所处生长期，并结合作物不同生长期需水需肥规律予以施肥灌溉，能够主动发现作物生长异常，告知管理人员，长期使用后，喷灌子系统的管道更不易出现堵塞，灌溉后残留液体的氮磷钾含量更有迹可循，使得回收后的残留液体再利用时无需单独处理，回收利用更方便。
Description
技术领域
本发明涉及灌溉技术领域，尤其涉及一种智能水肥一体化喷灌系统及控制方法。
背景技术
水肥一体化技术是借助现有的节水灌溉系统，以该系统的水作为载体，在灌溉水分的同时将肥料通过智能化施肥机配兑成肥液输送至农作物根域土壤，以便被农作物直接吸收；目前，被广泛的应用于果林、蔬菜、花卉及其他大田农业作物的施肥及灌溉当中，不仅能较好的帮助农作物加快吸收、提高肥效和养分利用率，也有利于减少肥料在土壤内的残留，缓解了水体污染，此外，也能够节约人力物力，增创收入。智能水肥一体化灌溉则在简易水肥一体化灌溉的基础上运用计算机技术，针对不同农作物的需水需肥规律，土壤环境和养分含量状况，自动地对水、肥进行检测调配和供给，实现灌水量、施肥量、灌溉时间以及施肥时间精确控制的现代化农业技术。
目前，在实际运用中，针对土壤环境和养分含量状况，自动地对水、肥进行检测调配和供给方面的技术发展较为成熟，在一定程度上提高了水肥灌溉的自动化和智能化；但针对农作物不同生长时期的需水需肥规律的把关主要还是依靠使用者的现场查看和栽培经验，甚至在一些应用场景中这个因素并没有得到管理者的重视，导致农作物不同生长时期得到的灌水量、施肥量、灌溉时间以及施肥时间并没有实现最优化的控制。此外，现有的智能水肥一体化灌溉系统中也并没有有效的监控农作物的生理健康状况，并不能够依据农作物生理指标合理把控水肥灌溉，导致一些农作物种植区出现大面积烧苗、死苗或者植株生长不良未达预期的异常现象。
现有智能水肥一体化灌溉系统主要由过滤系统、智能施肥机、PH/EC控制器、施肥罐以及田间管道系统等组成。如公告号为CN208402455U的专利文献公开的“一种水肥一体化自动化灌溉系统”，包括检测系统、输送系统、施肥系统、控制系统，检测系统包括土壤湿度传感器、EC传感器，土壤湿度传感器、EC传感器设有无线传感装置；输送系统包括主管道、支管、输料管、输水管道，支管设有竖管和喷头；施肥系统包括一体化自动施肥机、混合肥料罐，一体化自动施肥机通过管道连接有混合肥料罐，且管道上有逆止阀a、电磁阀a、EC传感器，一体化自动施肥机连接有输水管道且连接管道有逆止阀b、电磁阀b；控制系统包括单片机、通讯装置、电磁阀开关控制器、电动流量调节阀。具有节省资源、高效管理、精确灌溉的优点，其主要用途为自动化灌溉，检测系统仅检测土壤湿度和EC值，控制系统把关施肥系统调配肥液的EC值，并不能科学地依据农作物当前所处的生长期按需控制农作物的灌水量、施肥量、灌溉时间以及施肥时间，长期灌溉使用后，输送系统亦出现堵塞。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够主动分析作物所处生长期，并结合作物不同生长期需水需肥规律予以施肥灌溉、主动发出生长异常预警的智能水肥一体化喷灌系统及控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种智能水肥一体化喷灌系统，包括检测子系统、控制子系统、混肥子系统以及喷灌子系统，所述检测子系统包括用于采集农作物生理信息的作物本体传感器、用于采集土壤含水状况的土壤墒情传感器以及用于采集土壤氮磷钾含量状况的土壤肥力传感器，所述作物本体传感器包括用于采集作物茎秆直径的茎秆微变化传感器；所述控制子系统包括用于接收所述作物本体传感器、所述土壤墒情传感器以及所述土壤肥力传感器所采集信息的第一接收模块、用于依据所述第一接收模块所接收信息，利用预设计算模型调用预存的相应作物不同生长时期需水需肥量对照表用以计算该农作物当前需水需肥量和最佳灌溉方案的计算模块以及用于依据预设时间定期比对作物茎秆直径变化情况并及时发出生长异常预警的比对预警模块；所述混肥子系统包括用于根据所述控制子系统计算的该农作物当前需水需肥量和最佳灌溉方案调控进水量、进肥量和混肥后肥液EC值的混肥装置；所述喷灌子系统用于接收所述混肥装置输出肥液并通过喷灌组件将肥液输出至相应位置土壤中。
上文所述的系统，适用于具有茎秆的作物的水肥灌溉，利用茎秆微变化传感器采集作为茎秆的直径变化，从而可用于结合培育周期较为准确地分析出作物当前所处的生长周期和生长情况；利用土壤墒情传感器和土壤肥力传感器获取实时土壤含水量和含肥量，进而能够依据作物实际所处生长周期需水需肥量规律以及当前土壤含水量和含肥量，进行准确的作物实际需水需肥量获取，能够实现作物生长的有效水肥灌溉监管，保障了作物的有效产出，尤其是单株培育类作物（如果树），对其的水肥控制更加的符合其生长状况；比对预警模块有利于及时发现作物的生长不良情况，起到提醒作用，以便后续实施该株作物的特殊管理。
进一步地，所述作物本体传感器还包括果实膨大传感器，所述喷灌子系统包括用于接收所述混肥装置输出肥液的输肥主管道、沿所述输肥主管道长度方向间隔设置并与其连通的输肥支管道以及与所述输肥支管道连通用于将肥液输出至相应位置土壤中的喷头，所述输肥主管道内靠近所述混肥装置一侧设有第一电磁阀，所述输肥支管道内靠近所述输肥主管道一侧设有第二电磁阀，所述第一电磁阀连接有用于控制其开关的第一无线电磁阀控制器，所述第一无线电磁阀控制器与所述控制子系统通讯连接。一些作物成熟期具有较大的果实，果实膨大传感器的运用可用于监测成熟期作物果实生长变化状况，有利于作物成熟期需水需肥量规律的细分化研究，从而帮助引导成熟期作物水肥量的精准灌溉；第一电磁阀作为输送肥液的总阀，其开关受第一无线电磁阀控制器控制，而第一无线电磁阀控制器的控制信号来自控制子系统，有利于使肥液的配比值符合要求后再用于灌溉；第二电磁阀的设置则有利于实现每个输肥支管道处喷头喷出水肥量的单独控制，从而实现不同输肥支管道处不同水肥量灌溉需求控制。
进一步地，所述输肥支管道内靠近所述第二电磁阀设有第一液体流量计，所述第二电磁阀包括电磁阀控制器，所述电磁阀控制器与所述控制子系统通讯连接或与所述第一液体流量计连接。所述电磁阀控制器与所述控制子系统通讯连接时，第二电磁阀的开关受控制子系统控制，此时第二电磁阀和第一电磁阀的开关都受到控制子系统的管理，有利于肥液的配比值符合要求后同时开启；所述电磁阀控制器与第一液体流量计连接时，可设计电磁阀控制器获取第一液体流量计的流量变化信号和第二电磁阀开启后流过肥液的总量，当流量发生增长变化时，控制第二电磁阀开启，使肥液从喷头输出，当流过肥液的总量到达监控阈值，则控制第二电磁阀关闭，有利于减少无线数据传输和数据响应时间，使得第二电磁阀能够更及时的开启和关闭，加快灌溉进程的同时也提高了灌溉精度控制。
进一步地，系统还包括残液回收子系统，所述残液回收子系统包括抽液泵和储液箱，所述抽液泵的进液端通过进液管与所述输肥主管道连通，出液端与所述储液箱连通，所述储液箱通过出液管与所述混肥装置连通，所述进液管内设有第三电磁阀，所述出液管内设有第四电磁阀。有利于避免一次完整灌溉后喷灌子系统的管道内的肥料残留液沉淀影响管道畅通，也有利于避免肥料残留液残留对下一次灌溉肥量的精准控制产生影响，有利于肥料残留液的回收利用。
进一步地，所述储液箱与所述第四电磁阀之间的所述出液管段设有第一过滤器。有利于滤除沉淀，避免出液管堵塞，保障回收入混肥装置的肥液的品质，减少不良肥液对混肥装置长久有效工作的影响。
进一步地，所述混肥装置包括混肥罐，所述混肥罐包括进水口、进肥口、酸碱平衡口以及出肥口，所述进肥口有多个，所述出肥口设有EC探头、PH探头以及第二液体流量计，所述混肥罐内设有搅拌装置，所述控制子系统设有第二接收模块，用于接收所述EC探头、所述PH探头以及所述第二液体流量计的信息，所述出肥口通过管道连接有吸肥泵，所述吸肥泵的出口与所述喷灌子系统连通，所述吸肥泵由所述控制子系统控制。搅拌装置的加入，有利于快速混肥，也增加了使用固体水溶肥用于水肥一体化灌溉的可能性，进肥口有多个，可同时用于多种元素肥料的供给，提高肥液调配效率；EC探头、PH探头以及第二液体流量计，有利于监督所配肥液是否符合实际肥量配比需求以及在第二液体流量计流量变化由增加变成稳定不变时及时告知控制子系统关闭吸肥泵。
进一步地，所述混肥装置包括母液罐、文丘里管以及混肥管道，所述文丘里管喉部的肥液入口通过管道与所述母液罐连通，所述文丘里管的入口与供水管连通，所述文丘里管的出口与所述混肥管道的入口连通，所述混肥管道的出口与所述喷灌子系统连通并设有EC探头、第二液体流量计以及第五电磁阀，所述控制子系统设有第二接收模块，用于接收所述EC探头和所述第二液体流量计的信息，所述第五电磁阀由所述控制子系统控制。上述设计，有利于液态高浓度肥料的运用，第二接收模块用于监督混肥管道内肥液EC值是否符合计算模块的计算值，若符合，再控制第五电磁阀开启，有利于肥量的严格监控，第二接收模块还用于监督第二液体流量计流过肥液总量，当符合一次灌溉的阈值时，关闭第五电磁阀。
进一步地，所述文丘里管喉部的肥液入口与所述母液罐之间的管道设有第二过滤器和吸肥量调节阀，所述混肥管道的入口连接有酸碱平衡箱，所述酸碱平衡箱的出液口设有出液量调节阀,所述混肥管道的出口设有PH探头，所述第二接收模块还用于接收所述PH探头的信息，所述吸肥量调节阀和所述出液量调节阀由所述控制子系统控制。有利于保证吸肥功能的长久稳定、吸肥量的有效控制以及减轻水肥灌溉对土壤酸碱度的影响。
进一步地，所述作物本体传感器还包括果实膨大传感器和叶片温度传感器，所述检测子系统还包括光照传感器和气象实时数据采集器。果实膨大传感器如之前所述，用于作物成熟期需水需肥规律的细化研究和细化灌溉，提高果实产出，叶片温度传感器有利于对作物生理健康状态进行监督，以便结合作物的生理健康进行水肥灌溉控制，光照传感器的设置有利于光照度的监控，辅助光照度调整和需水量分析，气象实时数据采集器的设置，则有利于根据未来降水量和土壤水蒸发量等数据来更加精确地计算作物当前实际需水量。
一种智能水肥一体化喷灌系统的控制方法，包括：
S10：系统调试准备：接收操作人员输入的管理作物名称，从网络数据库中调取与该作物名称相对应的作物不同生长时期需水需肥量对照表保存入本地数据库；接收操作人员输入的开启信号，识别所述开启信号开启相应工作模式；不同作物，不同作物的不同生长时期的需水需肥规律各有不同，只有严格把关上述不同，才能实现高精准度的水肥灌溉。
S20：信息采集：利用作物本体传感器采集作物生理信息，利用土壤墒情传感器采集土壤水分含量状况，利用土壤肥力传感器采集土壤氮、磷、钾含量状况；
S30：实际需求量计算：接收作物生理信息、土壤水分含量状况以及土壤氮、磷、钾含量状况，查看所述作物生理信息以及其前后变化，分析作物当前所处生长期，与本地数据库预存作物不同生长时期需水需肥量对照表比对，获取当前所处生长期所需总水肥量，根据当前所处生长期所需总水肥量、土壤水分含量状况以及土壤氮、磷、钾含量状况，计算当前所处生长期实际需灌溉水肥量；
S40：水肥调配与灌溉：获取当前所处生长期实际需灌溉水肥量，根据预设计算模型计算出最佳的灌溉方案，依据灌溉方案，利用混肥子系统和喷灌子系统调配肥液水、氮、磷、钾比例并实施喷灌；
所述预设计算模型包括：根据氮、磷、钾各自在水中的溶解度和所有待灌溉作物当前所处生长期实际需肥量计算氮、磷、钾依次单独灌溉时所需用水量，若所需用水量小于当前所处生长期实际需灌溉水量，则选择氮、磷、钾依次单独灌溉作为最佳灌溉方案；若大于，则选择氮、磷、钾同时调配后灌溉作为最佳灌溉方案，氮、磷、钾同时调配后灌溉包括：一次灌溉：依据所有待灌溉作物当前所处生长期实际需肥量获取氮、磷、钾三者最小配比值配比后灌溉；二次灌溉：依据一次灌溉后剩余需肥量和预设氮、磷、钾优先配比等级获取氮、磷、钾中任意两者的最小配比值配比后灌溉；三次灌溉：依据二次灌溉后剩余需肥量和预设氮、磷、钾优先配比等级获取氮、磷、钾中任意一个的剩余量进行灌溉。有利于保证获取最佳的灌溉方案，节约用水的同时，使得管道内仅残留单一元素对应肥液或清水，能够使该残留液体更加简单方便且统一的被回收利用，避免管道堵塞。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：能够主动分析作物所处生长期，并结合作物不同生长期需水需肥规律予以施肥灌溉，肥力灌溉程度可实现作物当前对某一单一元素的需求量的高精度控制；能够发出生长异常预警；能够把关PH值，避免水肥灌溉造成的土壤酸碱化；能够实现固体肥料的运用，灌溉效率高，灌溉控制可靠性、及时性好；灌溉方案优，在用于把控节约用水的同时，一次完整灌溉结束后最终残留在喷灌子系统的管道内的液体只可能是清水或者优先级最低的元素对应的肥液，因此回收利用方便且不会造成喷灌子系统的管道内发生堵塞的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：
图1为本发明实施例1提供的系统框图；
图2为本发明实施例2提供的优选混肥子系统和喷灌子系统结构示意图；
图3为本发明实施例3提供的混肥子系统结构示意图；
图4为本发明实施例3提供的系统框图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例考虑同种植物在不同的生长发育时期，需水量不同，对磷，钾等各种矿质元素的需求量也不同，提供一种智能水肥一体化喷灌系统，包括检测子系统、控制子系统、混肥子系统以及喷灌子系统；
所述检测子系统包括用于采集农作物生理信息（如茎秆直径、叶片温度、叶绿素含量等等）的作物本体传感器110、用于采集土壤含水状况的土壤墒情传感器120以及用于采集土壤氮磷钾含量状况的土壤肥力传感器130，所述作物本体传感器110包括用于采集作物茎秆直径的茎秆微变化传感器111，还可包括设于叶片上的叶片温度传感器，作物本体传感器110设置在作物本体上，如茎秆微变化传感器111，其设置在作物茎秆靠近根部的位置；土壤墒情传感器120和土壤肥力传感器130则设置在土壤中；一般地，例如果园中，一棵果树配备一套作物本体传感器110、一个土壤墒情传感器120以及一个土壤肥力传感器130，当然土壤墒情传感器120也可围绕一棵果树间隔设置多个，以便获取土壤含水状态的平均值后再被控制子系统利用，土壤肥力传感器130同理；
所述控制子系统包括用于接收所述作物本体传感器110、所述土壤墒情传感器120以及所述土壤肥力传感器130所采集信息的第一接收模块210、用于依据所述第一接收模块210所接收信息，利用预设计算模型调用预存的相应作物不同生长时期需水需肥量对照表用以计算该农作物当前需水需肥量和最佳灌溉方案的计算模块220以及用于依据预设时间定期比对作物茎秆直径变化情况并及时发出生长异常预警的比对预警模块230；作物不同生长时期需水需肥量对照表中储存有该作物不同生长时期的茎秆直径范围和对应需水需肥量范围或具体数值，该对照表为经多次试验论证获得的平均数据。
一具体作物的对照表如下表所示：
以上表为例，当茎秆微变化传感器111测得茎秆直径为0.8cm时，计算模块220此时依据茎秆直径和该作物不同生长时期需水需肥量对照表可获取作物当前生长时期理论需水量为200g，钾0.65mg，氮0.42mg，磷0.096mg，结合接收的土壤当前含水量和土壤当前含肥量数据，前者减去后者即可算出作物当前生长时期实际需水需肥量；农作物当前实际需水量=作物当前生长时期理论需水量-土壤当前含水量；农作物当前实际需肥量=作物该生长时期理论需肥量-土壤当前含肥量。控制子系统除了包括上述模块外，还设有本地数据库、中央数据处理模块以及显示屏等，用于操作识别和数据调度等，具有一般上位机所具备的功能。
所述混肥子系统包括用于根据所述控制子系统计算的该农作物当前需水需肥量和最佳灌溉方案调控进水量、进肥量和混肥后肥液EC值的混肥装置；一般的混肥装置还会具备流量控制功能，用于监督喷灌总量；
所述喷灌子系统用于接收所述混肥装置输出肥液并通过喷灌组件将肥液输出至相应位置土壤中，喷灌组件的喷灌规律受控制子系统控制，与最佳灌溉方案保持一致。喷灌组件设置在作物载种的土壤周围，一般一颗植株周围设置一个滴水或喷水的喷头，每个喷头对应一个电磁阀，电磁阀受控制子系统控制，用于把关该喷头的灌溉量。另外，亦可使用一个喷头负责多颗植株的灌溉，只需保证，一个喷头需对应一组茎秆微变化传感器111、土壤墒情传感器120以及土壤肥力传感器130即可，在控制子系统端每个茎秆微变化传感器111、土壤墒情传感器120以及土壤肥力传感器130都具有各自的编码，并与相应的电磁阀进行绑定，方便控制子系统根据实际的茎秆微变化传感器111、土壤墒情传感器120以及土壤肥力传感器130数据，找到对应电磁阀，控制其开关时间。
需要说明的是，上述系统中，土壤肥力传感器130对矿物质元素的检测可不仅限于氮磷钾，作物不同生长时期需水需肥量对照表中元素的储存也可不仅限于氮磷钾。
本实施例的喷灌系统具体运行过程如下：操作人员操作并登陆控制子系统，输入需灌溉作物的名称，控制子系统从网络数据库中下载相应作物不同生长时期需水需肥量对照表并在显示屏显示，操作人员检查无误后按下正常灌溉模式选项，相应作物不同生长时期需水需肥量对照表自动保存入控制子系统的本地数据库中，此时，作物正常灌溉监督模式开启；
第一接收模块210实时接收作物本体传感器110、土壤墒情传感器120以及土壤肥力传感器130的数据；数据传输方式可选用有线方式，也可无线方式，考虑较大果园的使用时，优选无线方式进行数据传输，且优选每隔一段距离设置一数据节点，用于采集该数据节点管控范围内所有作物本体生理数据（作物茎秆直径）、土壤含水状况以及土壤氮磷钾含量状况，并集中发送给设置在上位机的第一接收模块210，数据节点与作物本体传感器110、土壤墒情传感器120以及土壤肥力传感器130的数据传输可利用ZIGBEE网络，各个数据节点与第一接收模块210的数据传输则可通过GPRS。
计算模块220依据作物本体生理数据（作物茎秆直径）、土壤含水状况以及土壤氮磷钾含量状况，结合作物不同生长时期需水需肥量对照表，获得作物当前生长时期实际所需水肥量；依据当前生长时期实际所需水量与肥量的关系，获取出最佳的水肥一体灌溉方案后，控制喷灌子系统的混肥装置进行肥液调配，控制喷灌子系统进行现场喷灌，最终实现作物水肥一体化的智能管理。
比对预警模块230则根据预设时间T，每隔T时间，统计一次各个安装有茎秆微变化传感器111的作物茎秆直径的前后变化程度，根据预设比对规则，如一次比对中前后生长变化值小于零，则记1，直至记录值大于预设阈值（如3），即出现三次前后生长变化小于零的情况下，则发出生长异常预警，告知管理人员；管理人员定期巡查时，根据异常情况，对该植株进行特殊照顾。预设比对规则也可为：将作物当前茎秆直径大小与预存的该作物当前培育周期理论直径范围进行比较，一旦茎秆直径小于或大于该理论直径范围，则判断生长不良，发出生长异常预警,以便管理人员定期巡查时，科学准确的发现异常，消除异常。该预设比对规则设定前提为：作物不同生长时期需水需肥量对照表中保存有培育周期和理论直径范围一一对应的数据。
综上，本实施例的喷灌系统，适用于具有茎秆的作物的水肥灌溉，利用茎秆微变化传感器111采集作为茎秆的直径变化，从而可用于结合作物当前所经历培育周期（即喷灌系统开始运作至今的时间）较为准确地分析出作物当前所处的生长周期和生长情况，比对预警模块230有利于及时发现作物的生长情况不符合生理周期预测情况的生长不良状态，起到提醒作用，以便后续实施该株作物的特殊管理；利用土壤墒情传感器120和土壤肥力传感器130获取实时土壤含水量和含肥量，进而能够依据作物实际所处生长周期需水需肥量规律以及当前土壤含水量和含肥量，进行准确的作物实际需水需肥量获取，能够实现作物生长的有效水肥灌溉监管，保障了作物的有效产出，尤其是单株培育类作物（例如果树），可以单株作物为单位，对其的水肥控制更加的符合其生长周期。而不是沿用现有的统一管理，统一水肥量灌溉的方式，导致不同作物之间产量不一。
实施例2
如图2所示，本实施例与之前实施例的区别在于，本实施例中强调喷灌子系统与控制子系统的高效配合，即控制性能优化，还考虑固体水溶肥的运用和各元素肥料配比的可变性；所述作物本体传感器110还包括果实膨大传感器112，一些作物成熟期具有较大的果实，果实膨大传感器112仅在成熟期时被设置在作物的某一果实上，可用于实时采集作物成熟期果实的直径大小，当第一接收模块110接收到果实膨大传感器112的数据时，则代表该作物当前已处于成熟期，根据果实前后直径变化的大小程度，可细化分析研究出成熟期作物需水需肥量规律；进而有利于成熟期作物水肥细化精准灌溉，提高果实收成；
所述喷灌子系统包括用于接收所述混肥装置输出肥液的输肥主管道410、沿所述输肥主管道410长度方向间隔设置并与其连通的输肥支管道420以及与所述输肥支管道420连通用于将肥液输出至相应位置土壤中的喷头430，所述输肥主管道410内靠近所述混肥装置一侧设有第一电磁阀411，所述输肥支管道420内靠近所述输肥主管道410一侧设有第二电磁阀421，所述第一电磁阀411连接有用于控制其开关的第一无线电磁阀控制器，所述第一无线电磁阀控制器与所述控制子系统通讯连接。第一电磁阀411作为输送肥液的总阀，其开关受第一无线电磁阀控制器控制，而第一无线电磁阀控制器的控制信号来自控制子系统，有利于使肥液的配比值符合要求后再开启第一电磁阀411，使肥液流过用于灌溉，第一无线电磁阀控制器优选与控制子系统为无线通讯方式，当第一无线电磁阀控制器与控制子系统实际设置距离较近时，亦可选用有线通讯方式；第二电磁阀421的设置有利于实现每个输肥支管道420处喷头430喷出水肥量的单独控制，从而实现不同输肥支管道420处不同水肥量灌溉需求控制，即不同输肥支管道420处对应作物水肥需求控制。
所述输肥支管道420内靠近所述第二电磁阀421设有第一液体流量计422，用于测试流过液体的总量，所述第二电磁阀421包括电磁阀控制器，所述电磁阀控制器与所述控制子系统通讯连接或与所述第一液体流量计422连接。
设计所述电磁阀控制器与所述控制子系统通讯（无线）连接时，第二电磁阀421的开关受控制子系统控制，此时第二电磁阀421和第一电磁阀411的开关都受到控制子系统的管理，有利于肥液的配比值符合要求后同时开启，且此时，第一液体流量计422必须也与控制子系统建立通讯连接，监测流过液体总量并传输至控制子系统，才能方便后期实现控制子系统依据该数据及时发出第二电磁阀421关闭指令；
设计所述电磁阀控制器与第一液体流量计422连接（有线或无线）时，第一液体流量计422需设置在输肥主管道410和第二电磁阀421之间的输肥支管道420段，即第一液体流量计422位于第二电磁阀421上游，电磁阀控制器获取第一液体流量计422的流量变化信号和第二电磁阀421开启后流过肥液的总量，当流量发生增长变化时，电磁阀控制器控制第二电磁阀421开启，使肥液从喷头430输出，当流过肥液的总量到达监控阈值，又控制第二电磁阀421关闭；即当且仅当第一液体流量计422测到有肥液流过至喷头端时，电磁阀控制器才会控制第二电磁阀421开启，且第一液体流量计422无需与控制子系统通讯连接，上述设计，有利于减少第二电磁阀421处与控制子系统无线数据传输和数据响应时间，借助电磁阀控制器对第一液体流量计422数据的监测能力，使得第二电磁阀421仅在需要时及时开启和关闭，节省响应时间，加快灌溉进程的同时也提高了灌溉精度控制，灌溉可靠性、及时性、准确性得到保障。
优选地，本实施例的系统还包括残液回收子系统，所述残液回收子系统包括抽液泵510和储液箱520，所述抽液泵510的进液端通过进液管与所述输肥主管道410连通，出液端与所述储液箱520连通，用于将喷灌子系统的管道内残留的液体抽入储液箱520，所述储液箱520通过出液管与所述混肥装置连通，所述进液管内设有第三电磁阀530，所述出液管内设有第四电磁阀540。有利于避免一次完整灌溉后喷灌子系统的管道内的肥料残留液沉淀影响管道畅通，也有利于避免肥料残留液残留对下一次灌溉肥量的精准控制产生影响，有利于肥料残留液的回收利用。优选出液管位于储液箱520侧面的最低处，储液箱520内液体通过自身重力影响输送至混肥装置；第三电磁阀530和第四电磁阀540可为手动控制阀，在需要时由人工开启，将喷灌子系统的管道内残留的液体回收入储液箱520内或从储液箱520内输送至混肥装置再利用；亦可为电动控制阀，由控制子系统进行开关控制，优选电动控制阀，除了有利于节省人力，也有利于提高残留液体的利用率。
所述储液箱520与所述第四电磁阀540之间的所述出液管段设有第一过滤器550。有利于滤除沉淀，避免出液管堵塞，保障回收入混肥装置的肥液的品质，减少不良肥液对混肥装置长久有效工作的影响。
进一步地，考虑增加固体水溶肥在本灌溉系统的现场使用，以及固体复合肥使用中各元素含量比的局限性，所述混肥装置包括混肥罐310，所述混肥罐310包括进水口、进肥口、酸碱平衡口以及出肥口，所述进肥口有多个，分别对应各个需要灌溉的肥料，如氮肥、磷肥、钾肥等，各个进肥口优选设于混肥罐310上方，肥料通过自身重力影响进入混肥罐310，各个进肥口还设有肥料流量控制装置，用于控制肥料进入混肥罐310的量，酸碱平衡口设有酸碱液流量控制器，用于控制酸碱液进入量，所述出肥口设有EC探头6、PH探头7、砂石过滤器以及第二液体流量计8，EC探头6用于测量出肥口肥液EC值是否符合计算模块220灌溉要求，PH探头7用于测量出肥口肥液酸碱值是否满足作物适宜土壤酸碱度需求，避免土壤因施肥产生酸碱化，砂石过滤器用于过滤未被溶解的固体肥料，第二液体流量计8用于检测流过液体的量，所述混肥罐310内设有搅拌装置，所述控制子系统设有第二接收模块240，用于接收所述EC探头6、所述PH探头7以及所述第二液体流量计8的信息，所述出肥口通过管道连接有吸肥泵320，所述吸肥泵320的出口与所述喷灌子系统连通，所述吸肥泵320由所述控制子系统控制，用于待混肥罐310内肥液配比（EC值）符合计算模块220的灌溉要求以及PH值符合要求后开启，将混肥罐310内肥液泵出至喷灌子系统，具体为泵出至喷灌子系统的输送主管道410。搅拌装置的加入，有利于快速混肥，增加了使用固体水溶肥用于水肥一体化灌溉的可能性，进肥口有多个，不仅可方便任意调配各个元素含量比，还可同时用于多种元素肥料的供给控制，提高肥液调配效率；EC探头6、PH探头7以及第二液体流量计8，有利于监督所配肥液是否符合实际肥量配比需求、PH值是否符合要求以及在第二液体流量计8流量变化由增加变成稳定不变时及时告知控制子系统关闭吸肥泵320，待下一次灌溉再行开启。
本实施例中，首先由控制子系统根据计算模块220计算好的灌溉方案，依据灌溉方案控制进水量、进肥量以及酸碱液量调配混肥罐310内肥液的元素含量配比，并控制吸肥泵320、第一电磁阀411、第二电磁阀421在相应时间开启和关闭，实现灌溉量高度管控下的灌溉。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例2的区别在于，本实施例的混肥装置适合液态肥料的灌溉运用；所述混肥装置包括母液罐330、文丘里管340以及混肥管道350，所述文丘里管340喉部的肥液入口通过管道与所述母液罐330连通，所述文丘里管340的入口与供水管连通，所述文丘里管340的出口与所述混肥管道350的入口连通，所述混肥管道350的出口与所述喷灌子系统连通并设有EC探头6、第二液体流量计8以及第五电磁阀，所述控制子系统设有第二接收模块240，用于接收所述EC探头6和所述第二液体流量计8的信息，所述第五电磁阀由所述控制子系统控制。其中第五电磁阀的作用与第一电磁阀411的作用相同，用于把关肥液总输送量，当喷灌子系统如实施例2所述设置时，第五电磁阀和第一电磁阀411可省略其一。混肥管道350优选为螺旋管道，或在其内设置搅拌装置，用于提高混肥管道350的出口流出肥液的均匀度。
上述设计，有利于液态高浓度肥料的运用，第二接收模块240用于监督混肥管道350内肥液EC值是否符合计算模块220的计算值，若符合，再控制第五电磁阀开启，有利于肥量的严格监控，第二接收模块240还用于监督第二液体流量计8流过肥液总量，当符合一次灌溉的阈值时，关闭第五电磁阀。文丘里管340和母液罐330一一对应可设置多对，用于实现多个不同元素肥料的同时供给。
所述文丘里管340喉部的肥液入口与所述母液罐330之间的管道设有第二过滤器和吸肥量调节阀，所述混肥管道350的入口连接有酸碱平衡箱360，所述酸碱平衡箱360的出液口设有出液量调节阀，优选所述酸碱平衡箱360位于混肥管道350的入口的上方，酸碱平衡箱360内酸碱液通过自身重力影响进入混肥管道，另外，酸碱平衡箱360也可位于母液罐330旁，也通过文丘里管340喉部将酸碱液吸入文丘里管340并最终在混合管道350与肥料混合；
所述混肥管道350的出口设有PH探头7，所述第二接收模块240还用于接收所述PH探头7的信息，以便根据PH探头7查看实际PH值是否符合土壤酸碱正常值，若不符合，则控制出液量调节阀开启，加入适量酸碱液后再关闭，完成PH值把关，所述吸肥量调节阀和所述出液量调节阀由所述控制子系统控制，分别实现吸肥量和酸碱液用量的控制。第二过滤器有利于过滤固体沉淀，避免输送管道堵塞，保证吸肥功能的长久稳定，EC探头6和吸肥量调节阀保障肥料配比和吸肥量的有效控制，PH探头7和出液量调节阀有利于减轻水肥灌溉对土壤酸碱度的影响。
如图4所示，所述作物本体传感器110还包括果实膨大传感器112和叶片温度传感器113，所述检测子系统还包括光照传感器140和气象实时数据采集器150。果实膨大传感器112、叶片温度传感器113、光照传感器140以及气象实时数据采集器150的数据最终均会传输至控制子系统，用于为计算模块220和比对预警模块230提供数据支持，例如：计算模块220不仅结合作物不同生长时期需水需肥量对准表、土壤含水量、土壤含肥量用于作物当前实际需水需肥量的计算，还结合气象实时数据采集器150采集的未来天气降水量和温度计算土壤蒸发量，提高需水量计算的准确性；比对预警模块230不仅结合作物茎秆直径的前后变化程度作出生长异常预警，还结合叶片温度传感器113采集数据，当该数据高于气象实时数据采集器150采集温度时，发出生长异常预警；结合光照传感器140数据分析光照是否有异常，有异常则发出生长异常预警。综上，果实膨大传感器112如之前所述，用于作物成熟期需水需肥规律的细化研究和细化灌溉，提高果实产出；叶片温度传感器用于采集叶片的温度，研究表明阳光太强，通风不良，相对湿度太高或太低，植株缺水状态下，都会造成叶片温度显著地高于气温的现场发生，因此叶片温度传感器设置有利于对作物生理健康状态进行监督，以便结合作物的生理健康进行水肥灌溉控制；气象实时数据采集器150的设置，有利于根据未来降水量和土壤水蒸发量等数据来更加精确地计算作物当前实际需水量；光照传感器140的设置，有利于生长过程光照度异常监督，以便及时补偿，避免水肥供应。
实施例4
本实施例提供一种智能水肥一体化喷灌系统的控制方法，应用于之前实施例所述的系统，包括：
S10：系统调试准备：控制子系统接收操作人员输入的管理作物名称，从网络数据库中调取与该作物名称相对应的作物不同生长时期需水需肥量对照表保存入本地数据库；控制子系统接收操作人员输入的开启信号，识别所述开启信号开启相应工作模式；不同作物，不同作物的不同生长时期的需水需肥规律各有不同，只有严格把关上述不同，才能实现高精准度的水肥灌溉。
开启信号包括正常灌溉信号，即按正常灌溉周期（例如每日5点执行一次正常灌溉，又如每五日执行一次正常灌溉），获取作物本体传感器110、土壤墒情传感器120以及土壤肥力传感器130所采集数据，并计算需水需肥量和获取最佳灌溉方案完成灌溉；
开启信号还包括补灌信号，即依据其吸收速率规律等为生长出现不良的单株作物量身定制补灌规律后，进行多次的补灌，届时只需操作人员调取补灌方案，点击补灌开启信号，由控制子系统接收并识别即可开启对应补灌模式。
S20：信息采集：利用作物本体传感器110采集作物生理信息，利用土壤墒情传感器120采集土壤水分含量状况，利用土壤肥力传感器130采集土壤氮、磷、钾含量状况；作物本体传感器110包括茎秆微变化传感器、叶片温度传感器、果实膨大传感器以及叶绿素含量传感器其中的一项或多项。土壤肥力传感器130可不仅局限于对土壤氮、磷、钾含量的检测；
S30：实际需求量计算：控制子系统中的第一接收模块接收作物生理信息、土壤水分含量状况以及土壤氮、磷、钾含量状况，查看所述作物生理信息以及其前后变化，分析作物当前所处生长期，与本地数据库预存作物不同生长时期需水需肥量对照表比对，获取当前所处生长期所需总水肥量，根据当前所处生长期所需总水肥量、土壤水分含量状况以及土壤氮、磷、钾含量状况，计算当前所处生长期实际需灌溉水肥量；
S40：水肥调配与灌溉：获取当前所处生长期实际需灌溉水肥量，根据预设计算模型计算出最佳的灌溉方案，依据灌溉方案，利用混肥子系统和喷灌子系统调配肥液水、氮、磷、钾比例并实施喷灌；
所述预设计算模型包括：根据氮、磷、钾各自在水中的溶解度和所有待灌溉作物当前所处生长期实际需肥量计算氮、磷、钾依次单独灌溉时所需用水量，若所需用水量小于当前所处生长期实际需灌溉水量，则选择氮、磷、钾依次单独灌溉作为最佳灌溉方案，依照该灌溉方案，仅需根据喷头对应植物的需肥量控制好每个喷头供给肥液的时间即可；若大于，则选择氮、磷、钾同时调配后灌溉作为最佳灌溉方案，氮、磷、钾同时调配后灌溉包括：一次灌溉：依据所有待灌溉作物当前所处生长期实际需肥量获取氮、磷、钾三者最小配比值配比后灌溉；二次灌溉：依据一次灌溉后剩余需肥量和预设氮、磷、钾优先配比等级获取氮、磷、钾中任意两者的最小配比值配比后灌溉；三次灌溉：依据二次灌溉后剩余需肥量和预设氮、磷、钾优先配比等级获取氮、磷、钾中任意一个的剩余量进行灌溉。需要注意的是，当且仅当所有的待灌溉样本作物同时缺氮、磷、钾三个元素中的三个或两个时，才会执行一次灌溉和二次灌溉的配比方式，否则，均按三次灌溉的配比方式配比后灌溉。
下面详细说明氮、磷、钾同时调配方案，例如：计算样本作物当前所处生长期实际需肥量如下：
样本A：氮0.3mg，磷0.05mg，钾0.5mg；
样本B：氮0.5mg，磷0.1mg，钾0.8mg；
样本C：氮0.1mg，磷0.01mg，钾0.2mg；
样本D：氮0.3mg，磷0.09mg，钾0.7mg；
优选级为：氮>磷>钾；
则方案如下：一次灌溉：氮、磷、钾最低含量比为：0.1:0.01:0.2，待灌溉样本数为4，因此调配0.4mg氮、0.04mg磷、0.8mg钾和溶解上述元素所需最小量的水搅拌混合，通过喷灌子系统将上述肥液均匀的喷洒到样本A、B、C、D上，此后，样本C结束肥灌溉；氮、磷、钾最低含量比为：0.2:0.04:0.3，待灌溉样本数为3，因此调配0.6mg氮、0.12mg磷、0.9mg钾和溶解上述元素所需最小量的水搅拌混合，通过喷灌子系统将上述肥液均匀的喷洒到样本A、B、D上，此后样本A结束肥灌溉；
二次灌溉：待灌溉样本为样本B和样本D，共同剩余待灌溉元素为：磷和钾，最低含量配比为0.04:0.2，因此调配0.08mg磷、0.4mg钾和溶解上述元素所需最小量的水搅拌混合，通过喷灌子系统将上述肥液均匀的喷洒到样本B和样本D上，此后样本D结束肥灌溉；
三次灌溉：待灌溉样本为样本D，氮、磷、钾各自剩余0.2mg、0.01mg和0.1mg，按照氮>磷>钾的优先级，依次配比相应水量充分溶解后完成氮、磷、钾依次单独灌溉；
水灌溉：根据样本A、B、C、D各自已灌溉水量和当前实际需水量，计算各自还剩的待灌溉水量予以灌溉即可。综上可结束一次正常周期的水肥一体化灌溉。有利于保证获取最佳的灌溉方案，节约用水的同时，使得管道内仅残留单一元素对应肥液或清水，能够使该残留液体更加简单方便且统一的被回收利用，避免管道堵塞。
进一步地，步骤S30中还包括异常预警：根据预设时间T，每隔T时间，统计一次各个安装有茎秆微变化传感器111的作物茎秆直径的前后变化程度，根据预设比对规则，如一次比对中前后生长变化值小于零，则记1，直至记录值大于预设阈值（如3），即出现三次前后生长变化小于零的情况下，则发出生长异常预警，告知管理人员；管理人员定期巡查时，根据异常情况，对该植株进行特殊照顾。预设比对规则也可为：将作物当前茎秆直径大小与预存的该作物当前培育周期理论直径范围进行比较，一旦茎秆直径小于或大于该理论直径范围，则判断生长不良，发出生长异常预警,以便管理人员定期巡查时，科学准确的发现异常，消除异常。该预设比对规则设定前提为：作物不同生长时期需水需肥量对照表中保存有培育周期和理论直径范围一一对应的数据。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种智能水肥一体化喷灌系统的控制方法，其特征在于，智能水肥一体化喷灌系统，包括检测子系统、控制子系统、混肥子系统以及喷灌子系统，其特征在于，所述检测子系统包括用于采集农作物生理信息的作物本体传感器、用于采集土壤含水状况的土壤墒情传感器以及用于采集土壤氮磷钾含量状况的土壤肥力传感器，所述作物本体传感器包括用于采集作物茎秆直径的茎秆微变化传感器；所述控制子系统包括用于接收所述作物本体传感器、所述土壤墒情传感器以及所述土壤肥力传感器所采集信息的第一接收模块、用于依据所述第一接收模块所接收信息，利用预设计算模型调用预存的相应作物不同生长时期需水需肥量对照表用以计算该农作物当前需水需肥量和最佳灌溉方案的计算模块以及用于依据预设时间定期比对作物茎秆直径变化情况并及时发出生长异常预警的比对预警模块；所述混肥子系统包括用于根据所述控制子系统计算的该农作物当前需水需肥量和最佳灌溉方案调控进水量、进肥量和混肥后肥液EC值的混肥装置；所述喷灌子系统用于接收所述混肥装置输出肥液并通过喷灌组件将肥液输出至相应位置土壤中；
控制方法包括：
S10：系统调试准备：接收操作人员输入的管理作物名称，从网络数据库中调取与该作物名称相对应的作物不同生长时期需水需肥量对照表保存入本地数据库；接收操作人员输入的开启信号，识别所述开启信号开启相应工作模式；
S20：信息采集：利用作物本体传感器采集作物生理信息，利用土壤墒情传感器采集土壤水分含量状况，利用土壤肥力传感器采集土壤氮、磷、钾含量状况；
S30：实际需求量计算：接收作物生理信息、土壤水分含量状况以及土壤氮、磷、钾含量状况，查看所述作物生理信息以及其前后变化，分析作物当前所处生长期，与本地数据库预存作物不同生长时期需水需肥量对照表比对，获取当前所处生长期所需总水肥量，根据当前所处生长期所需总水肥量、土壤水分含量状况以及土壤氮、磷、钾含量状况，计算当前所处生长期实际需灌溉水肥量；
S40：水肥调配与灌溉：获取当前所处生长期实际需灌溉水肥量，根据预设计算模型计算出最佳的灌溉方案，依据灌溉方案，利用混肥子系统和喷灌子系统调配肥液水、氮、磷、钾比例并实施喷灌；
所述预设计算模型包括：根据氮、磷、钾各自在水中的溶解度和所有待灌溉作物当前所处生长期实际需肥量计算氮、磷、钾依次单独灌溉时所需用水量，若所需用水量小于当前所处生长期实际需灌溉水量，则选择氮、磷、钾依次单独灌溉作为最佳灌溉方案；若大于，则选择氮、磷、钾同时调配后灌溉作为最佳灌溉方案，氮、磷、钾同时调配后灌溉包括：一次灌溉：依据所有待灌溉作物当前所处生长期实际需肥量获取氮、磷、钾三者最小配比值配比后灌溉；二次灌溉：依据一次灌溉后剩余需肥量和预设氮、磷、钾优先配比等级获取氮、磷、钾中任意两者的最小配比值配比后灌溉；三次灌溉：依据二次灌溉后剩余需肥量和预设氮、磷、钾优先配比等级获取氮、磷、钾中任意一个的剩余量进行灌溉。
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