CN110326419A - 水肥一体化智能浇灌装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水肥一体化智能浇灌装置及工艺，其包括第一传送装置、设置在第一传送装置输出端的第一筛选箱体、设置在第一筛选箱体输出端的第二筛选箱体、设置在第二筛选箱体输出端的第二传送装置、设置在第二传送装置输出端的第三筛选箱体、设置在第三筛选箱体输出端的风干消毒箱体、设置在风干消毒箱体输出端的清洗箱体、设置在清洗箱体输出端的缓冲箱体、设置在缓冲箱体输出端的发酵箱体、设置在发酵箱体输出端的稀释罐、通过泵站与稀释罐输出端连接的输出总管、以及输入端通过输出总管浇灌装置。本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及水肥一体化智能浇灌装置及工艺。
背景技术
目前，水肥一体化是当今世界公认的一项高效节水省肥农业新技术，主要根据土壤特性和作物生长规律，利用灌溉设备同时把水分和养分均匀、准确、适时适量地供应给作物。在水肥与作物生长产量品质关系研究方面，陈晓楠等（2006）采用遗传算法求解作物水分生产函数模型，但只能解决单输出问题。王康等（2002）从水分和氮素的投入与作物生长的内在关系出发，建立了一个水分-氮素生产函数动态产量机理模型。H. Wang 等（2013）使用BP 神经网络建立了温室黄瓜需水量预测模型。郭丽等（2017）研究了滴灌水肥一体化条件下施氮量对夏玉米氮素吸收利用及土壤硝态氮含量的影响。蔡树美等（2018）研究了不同灌溉方式下施氮水平对设施春黄瓜产量及氮肥利用率的影响。以上研究仅考虑环境因素、土壤状况或某种肥料施用的影响，导致模型适应性差，关于水肥调控系统的研究，国外如荷兰的Priva、以色列的Netafim、Eldar-Shany 等公司的灌溉施肥系统，近年来在国内有一定程度的示范推广。国内李颖慧等（2013）开发了一套基于WSN 的设施无土栽培营养液EC在线监测系统。何青海等（2015）设计了一个基于Lab VIEW 的水肥药一体化系统和一个模糊控制器，但其控制效果并未得到试验验证。李加念等（2013）将文丘里施肥器与电磁阀相结合，通过控制电磁阀的开关时间实现肥液浓度的控制。魏全盛等（2017）设计了温室智能水肥一体化微喷灌装置。郝明（2018）对大田微喷灌水肥一体化技术与设备进行研究。在水肥过程浓度控制和pH 控制技术研究方面，Hiroaki Murata 等（2014）设计实现了对作物根区养分浓度的连续测量。殷鹏飞等（2018）对水肥一体化系统中水肥混合效果数值模拟进行研究。于蒙等（2012）针对pH 过程控制提出了一种二次型优化的单神经元PID 学习算法。薛薇等（2007）将模糊神经网络控制与PI控制相结合，并在DSP 中实现了pH 过程控制器的设计。以上研究与应用虽然针对水肥浓度控制过程和pH 值控制过程进行了一定的研究，但由于未能综合考虑控制过程的非线性、时滞性、时变性、不确定性等特点，导致混肥控制精度差，且未见有基于大数据的不确定性人工智能理论在水肥过程控制方面的研究报道，
目前基于大数据的不确定性人工智能理论在水肥过程控制方面的研究尚属空白。主要包括灌溉量、施肥量、施肥频率、施肥浓度、施肥次序等。作物生理生态指标主要包括植株生长形态（如植株高度、叶面积等）、干物质积累、根系生长、生理作用（如光合作用）等。
研究水肥管理因子对植株生长形态的影响；研究水肥管理因子对植株生理活动的影响；研究水肥管理因子对植株根系生长的影响；研究水肥管理因子与作物生长发育关系。研究土壤水分运动方程；研究土壤养分运动方程；研究土壤水分与养分运移分布规律。
解析环境因子对作物蒸腾速率影响关系，对基于彭曼-蒙特斯方程( P-M 方程)的作物蒸腾速率进行修正和优化，得到作物蒸腾速率计算模型。
采用BP 神经网络建立控制模型。以土壤植物大气关系模型为基础，将环境因子、土壤指标、作物生长阶段生理指标作为输入量，最优调控模式作为输出量，建立数学模型，得出作物不同生育阶段水肥供液浓度、供液时间、供液量、供液间隔等控制策略，建立最优调控模式数学模型。
设计开发智能水肥一体机控制系统、硬件平台，研制智能水肥一体机。采用模块化的设计思想，利用嵌入式技术，研制一种低成本的智能水肥一体机。
本发明提出水肥一体化系统的架构，研究分析各层的主要功能，整个系统自下而上分为四个层次：种植层、控制层、本地管理层和远程决策层。种植层是温室作物生长的各种形态，如土壤栽培、无土栽培、水培、立体栽培等，是整个系统的被控对象。控制层是对种植层作物生长状态的直接监管层，主要由若干种类的智能装备完成过程信息采集和过程控制任务，该层的好坏直接影响整个系统平台的工作性能，并直接决定作物生长发育状况和作物产量。本地管理层是连接远程决策层与控制层的“桥梁”：一方面从控制层获得种植层的监管信息，对本地若干个智能装备的工作状态进行统一管理，并将监管信息通过广域网形式上传至远程数据库服务器；另一方面从远程决策层获得不同种类的决策信息，并作用于控制层，实现种植过程的决策内容。远程决策层旨在为各类专家知识的应用和种植过程的管理提供一个开放、互连、互操作的平台，为数据分析、信息融合、故障诊断、控制决策等行为提供一个便捷的空间。对各层数据的管理方式和访问操作方式是平台架构设计需要关注的主要问题。
研究明确各层的功能结构，对各层的功能进行详细划分。
远程决策层的平台主要由数据库平台、WEB 服务平台和客户端组成。
本地监控站与控制层的各类智能装备共同组成一个基于CAN 总线的分布式控制系统。
控制层是衔接本地管理层与种植层之间的重要层次，该层设计的好坏直接影响到作物种植。控制层是以若干智能装备为核心的感知层和执行层的集合。
感知层是整个智能水肥控制系统平台一切数据最原始的来源，主要由以下三类传感器组成：室外气象站、室内传感器、智能装备传感器。
设计开发设施农业水肥一体化系统
在项目实施基地，选择不同产量水平与栽培方式的作物，通过水肥一体化智能精准技术与产品进行管理调控，设置肥料投入水平与灌溉水用量试验，分别进行对比与示范，重点对比水肥利用率；同时研究农艺配套措施，建立农艺配套措施操作技术规程，并进行大面积示范推广。本项目以水肥一体化智能精准技术为研究示范对象，项目的创新点及先进性主要体现在以下几个方面：
（1）针对浓度控制和pH 值控制的特点，基于大数据，采用模糊控制理论和不确定性人工智能理论，在前述国内外研究综述基础上，建立混肥控制过程的机理模型，研究精准混肥控制算法与控制策略，开发高性能专用控制器和智能化操作软件。
（2）根据作物的水肥控制需求分层设计智能水肥控制平台，提出并开发以大数据为导向，以智能装备为基础的综合性服务系统。针对当前各农业物联网应用呈现出碎片化、垂直化、异构化等问题，运用分层设计思想，设计提出了一种基于物联网的智能水肥控制系统的4 层平台架构：种植层、控制层、本地管理层和远程决策层，在此基础上研究开发设施农业水肥一体化系统。
（3）以模糊理论为基础，采用智能优化等方法，解明土壤植物大气（SPA）指标间动态相关关系，构建土壤植物大气连续体（SPAC）大数据平台，提高灌溉水肥与作物生长产量品质间关系的精度，建立最优水肥调控模式数学模型，提出作物水肥按需供给自适应调控模式。设计智能水肥一体机控制系统、硬件平台，研制智能水肥一体机。（2）建立最优水肥调控模式数学模型，研制智能水肥一体机；
第一步：研究水肥管理因子与作物生理生态指标间的相关关系。
第二步：研究土壤水分与养分运移分布规律。
第三步：构建土壤植物大气连续体（SPAC）大数据平台。
第四步：解析环境因子对作物蒸腾速率影响关系，建立作物蒸腾速率计算模型。
第五步：采用BP 神经网络建立控制模型。以土壤植物大气连续体（SPAC）大数据平台为基础，得出作物不同生育阶段水肥供液浓度、供液时间、供液量、供液间隔等控制策略，建立最优调控模式数学模型。
第六步：设计智能水肥一体机控制系统、硬件平台，研制智能水肥一体机。
（3）研究开发设施农业水肥一体化系统
第一步：以大数据为导向，以智能装备为基础，提出系统的架构及各层的主要功能。
整个系统自下而上分为四个层次：种植层、控制层、本地管理层和远程决策层，系统架构如图3 所示。
第二步：明确各层的功能结构，对各层的功能进行详细划分。
第三步：开发设施农业水肥一体化系统。
（4）田间试验与示范
在项目实施基地，选择不同产量水平与栽培方式的作物，通过水肥一体化智能精准技术与产品进行管理调控，设置肥料投入水平与灌溉水用量试验，分别进行对比与示范，重点对比水肥利用率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种水肥一体化智能浇灌装置及工艺。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种水肥一体化智能浇灌装置，包括第一传送装置、设置在第一传送装置输出端的第一筛选箱体、设置在第一筛选箱体输出端的第二筛选箱体、设置在第二筛选箱体输出端的第二传送装置、设置在第二传送装置输出端的第三筛选箱体、设置在第三筛选箱体输出端的风干消毒箱体、设置在风干消毒箱体输出端的清洗箱体、设置在清洗箱体输出端的缓冲箱体、设置在缓冲箱体输出端的发酵箱体、设置在发酵箱体输出端的稀释罐、通过泵站与稀释罐输出端连接的输出总管、以及输入端通过输出总管浇灌装置。
一种水肥一体化智能浇灌工艺，包括以下步骤，搭建水肥一体化智能浇灌装置；
步骤一，基于种植层，进行实验准备，通过采用传感器、实际测量采集、分布式环境监测器对农作物的发芽期、幼苗期、生长期、以及采摘期进行分阶段数据监测；
步骤二，建立种植层的控制层，进行信息获取；首先，通过传感器与人工获取的信息包括土壤指标、水肥因子、作物指标 、以及环境因子；然后，通过获取的信息通过计算机进行数据分析；
土壤指标包括含水率、养分含量、EC指标、以及PH指标；
水肥因子包括灌溉量、灌溉浓度、施肥频率、以及施肥次序；
作物指标包括光合速率、叶面积、蒸腾速率、以及植株高度；
环境因子包括环境温度、环境湿度、二氧化碳浓度、以及光照强度；
步骤三，建立本地管理层，基于步骤二的信息进行建模优化；首先，通过大数据平台对步骤二的数据信息进行分析，建立土壤水分养分分布运动规律、水肥因子与作物指标关系模型、蒸腾速率与环境因子关系模型、以及混肥控制模型；然后，根据模糊综合评价法与经验值进行处理；其次，经过归一化处理建立水肥一体化最优调控模型；最后，得到所需要的水肥灌溉浓度、灌溉量、灌溉时间、以及灌溉间隔坐标；
步骤四，根据步骤三模型，建立远程决策层，并将水肥灌溉数据输入到水肥一体化智能浇灌装置中；然后，水肥一体化智能浇灌装置进行水肥灌溉。本发明的有益效果在具体实施方式部分进行了更加详细的描述。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明第一部分的结构示意图。
图3是本发明第二部分的结构示意图。
图4是本发明第三部分的结构示意图。
图5是本发明第四部分的结构示意图。
图6是本发明第五部分的结构示意图。
图7是本发明整体的结构示意图。
图8是本发明智能实施例的结构示意图。
其中：1、第一传送装置；2、第一筛选箱体；3、破袋装置；4、第二筛选箱体；5、第二传送装置；6、第三筛选箱体；7、风干消毒箱体；8、清洗箱体；9、缓冲箱体；10、发酵箱体；11、发酵菌罐体；12、抽样罐体；13、稀释罐；14、输出总管；15、浇灌装置；16、第一传送带；17、远侧挡板；18、近侧挡板；19、侧板工艺豁口；20、拨动板；21、拨动弯板；22、第一震动网板；23、破袋机械臂震动头；24、破袋伸缩杆；25、破袋上固定盘；26、破袋固定架；27、破袋下插头；28、破袋第一连接架；29、破袋第二连接架；30、破袋升降头；31、破袋第二驱动摆杆；32、破袋第二刀座；33、破袋第一驱动杆；34、破袋第一支撑杆；35、第二震动筛板；36、第二筛选输出端；37、第三传送网带；38、第三热风口；39、第三进入通道；40、第三进口送风管道；41、第三辅助送风嘴；42、第三上挡板；43、第三下挡板；44、第三下存料通道；45、第三出料通道；46、第三排气口；47、风干传送搅龙/传送带；48、风热风管；49、消毒器；50、抽风管；51、搅拌桨；52、除氧器；53、热交换器；54、二氧化碳注入管；55、罐体内腔；56、肥料进入管；57、除氧器；58、二氧化碳注入管；59、保水剂注入管；60、肥料m型排出架；61、发酵菌输入管；62、发酵菌m型排出架；63、上浮网板；64、注水孔；65、台阶式舀爪；66、第一L型爪臂；67、第二L型爪臂；68、直线式舀爪；69、固定架；70、清理指；71、中间输出壳体；72、中间输出搅龙；73、中间弧形底槽；74、输出分支管路；75、输出外壳体；76、输出内环槽；77、输出旋转套管；78、输出进水口；79、输出中空轴电机；80、输出旋转头；81、输出工艺豁口；82、输出第二铰接板；83、输出密封垫；84、输出第一铰接板；85、输出空心杆；86、输出直线驱动件；87、输出顶帽；88、输出出口孔。
具体实施方式
如图1-8所示，实施例之间可以组合使用或单独使用，通过省却其中部件使用组合，本实施例的水肥一体化智能浇灌装置，包括第一传送装置1、设置在第一传送装置1输出端的第一筛选箱体2、设置在第一筛选箱体2输出端的第二筛选箱体4、设置在第二筛选箱体4输出端的第二传送装置5、设置在第二传送装置5输出端的第三筛选箱体6、设置在第三筛选箱体6输出端的风干消毒箱体7、设置在风干消毒箱体7输出端的清洗箱体8、设置在清洗箱体8输出端的缓冲箱体9、设置在缓冲箱体9输出端的发酵箱体10、设置在发酵箱体10输出端的稀释罐13、通过泵站与稀释罐13输出端连接的输出总管14、以及输入端通过输出总管14浇灌装置15。
本实施例的水肥一体化智能浇灌装置， 包括第一传送装置1可以是传送带、搅龙、提升机等；优选，第一传送装置1包括用于传送存放有预粉碎作物的外包袋的第一传送带16、设置在第一传送带16两侧远侧挡板17与近侧挡板18为优选，从而实现侧定位、沿传送方向设置在近侧挡板18上的侧板工艺豁口19、设置在近侧挡板18外侧的摆动机械手、设置在摆动机械手上且穿过侧板工艺豁口19进入到第一传送带16上方的拨动板20、以及斜交设置在拨动板20端部的拨动弯板21。从而实现辅助将外包袋例如编织袋推送出去，通过弯板实现横向位置的调整，从而避免偏斜。
本实施例的水肥一体化智能浇灌装置，包括设置在第一筛选箱体2上端口上且孔开口大于设定阈值的第一震动网板22、设置在第一震动网板22上方且用于刺破位于第一震动网板22上且存放有预粉碎作物的外包袋的破袋装置3；从而实现自动撕开包装袋，省却人工，通过网板将长须根等外购不符合要求的进行自动检测与筛选，从而保证作物尺寸的统一性 ，从而实现可续工作可控，不会因为某些作物为发酵完成，而耽误整体发酵时间，便于标准作业。
破袋装置3可以是铁锹等通用件，优选包括机械臂实现升降振动与将外包袋取走、设置在机械臂端部的破袋机械臂震动头23通过振动将作物更彻底的落下，避免附着浪费、设置在破袋机械臂震动头23下端的破袋伸缩杆24回拉使得铰接板打开、通过连接杆设置在破袋机械臂震动头23下端且破袋伸缩杆24在其中心处升降运动的破袋上固定盘25从而相当于案板、设置在破袋上固定盘25下端的破袋固定架26起到支撑、交错分布在破袋固定架26下端的破袋第一连接架28与破袋第二连接架29、均带有工艺豁口且设置在破袋第一连接架28与破袋第二连接架29下端且与破袋伸缩杆24同轴的破袋下插头27方便刺入外包袋，在网晒上部可以设置框架，从而使得下插头穿过外包袋下表面而不伤害筛板、设置在破袋伸缩杆24下端的破袋升降头30起到驱动作用、下端根部铰接在破袋升降头30上且穿过破袋第一连接架28的工艺豁口的破袋第一驱动杆33、下端与破袋第一驱动杆33上端铰接且上端铰接在破袋第一连接架28外侧壁上端的破袋第一支撑杆34、下端根部铰接在破袋升降头30上且穿过破袋第二连接架29的工艺豁口的破袋第二驱动摆杆31、下端与破袋第二驱动摆杆31上端铰接且上端铰接在破袋第二连接架29外侧壁上端的破袋第二刀座32。利用破袋第二刀座32上摆动，从而实现刀更方便切开外包袋，同时实现夹持，设计巧妙。
在第一筛选箱体2输出端设置有第二筛选箱体4，在第二筛选箱体4上端口倾斜设置有网孔小于预粉碎作物外形的第二震动筛板35，在第二震动筛板35下端设置有第二筛选输出端36；从而将沙子等颗粒度小的杂物筛去，从而避免其损害设备，同时减少杂质的干扰方便清洗。
在第二筛选输出端36下方设置有第二传送装置5，第二传送装置5包括第三传送网带37、分布在第三传送网带37上的第三热风口38、设置在第三传送网带37上行段上方的吸风机、设置在第三传送网带37上行段下方的热风机；通过热风实现烘干处理，避免作物附着，同时将灰尘、毛絮等清除。其为优选，在实际生产中可以根据客户需要删去。
作为优选，在第二传送装置5输出端设置有第三筛选箱体6；在第三筛选箱体6的内腔顶部设置有第三上挡板42，第三筛选箱体6的内腔底部设置有第三下挡板43，在第三筛选箱体6进口处设置有位于第三传送网带37输出端的第三进入通道39，在第三进入通道39的顶部设置有向下吹风的第三进口送风管道40，在第三筛选箱体6的内腔进风侧壁上设置有第三辅助送风嘴41，通过第三上挡板42与第三下挡板43在第三筛选箱体6的内腔中形成第三送料通道44，根据预粉碎作物与风力参数在第三送料通道44底部对应设置有第三出料通道45，在第三筛选箱体6出口处设置有第三排气口46。同时实现将同样大小的石子等筛去；
在第三筛选箱体6输出端设置有风干消毒箱体7；
在风干消毒箱体7内设置有风干传送搅龙/传送带47，在风干消毒箱体7侧壁上分布有风热风管48、消毒器49、和/或抽风管50；从而预热提高反应速度，通过杀菌，从而保证发酵时候，菌种的纯度。
在风干消毒箱体7输出端设置有清洗箱体8；在清洗箱体8中设置有搅拌桨51； 从而搅拌均匀。
在清洗箱体8输出端设置有缓冲箱体9；在缓冲箱体9中设置有除氧器52、热交换器53、和/或二氧化碳注入管54；从而实现产生厌氧环境，避免氧气干扰 ，也可采用注入含氮气体，从而提高N的含量，但是效果很有限。
在发酵箱体10上设置有发酵菌罐体11，发酵菌罐体11通过发酵菌输入管61连接有抽样罐体12；从而将发酵菌注入进行发酵，从而得到肥料。
在缓冲箱体9输出端设置有发酵箱体10；在发酵箱体10的罐体内腔55中设置有肥料进入管56、除氧器57、保水剂注入管59、上浮网板63、和/或二氧化碳注入管58；在肥料进入管56的输出口连接有浸没于罐体内腔55液体中的肥料m型排出架60，在抽样罐体12的输出口连接有浸没于罐体内腔55液体中的发酵菌m型排出架62；通过m型交叉设计，从而增加发酵反应的接触面，极大提高效率。
肥料m型排出架60与发酵菌m型排出架62相对且交错设置，在肥料m型排出架60与发酵菌m型排出架62上分布有通孔；作物可以采用气流输送，或采用粗管道实现输送。
在发酵箱体10输出端设置有稀释罐13；在稀释罐13上设置有注水孔64，从而得到符合要求的绿肥；
稀释罐13输出端通过泵站连接有输出总管14；
输出总管14输入端连接有浇灌装置15，从而实现灌溉，可以采用喷灌，也可以采用渠灌，渠灌避免水肥附着在枝叶上，但是浪费多，占用耕地面积大，喷灌节约水肥，但是其使得水肥附着在叶子上，需要后期水喷，前期铺设成本高。因此，采用喷射距离短的方案，喷射高度根据不同作用进行调整即可。
在清洗箱体8输出端设置有舀料滤水装置；舀料滤水装置用于将预粉碎作物从水中捞起来并送至缓冲箱体9中；
作为优选，舀料滤水装置包括由一电机轴驱动旋转的台阶式舀爪65、平行设置在一电机轴一侧的另一电机轴、分布设置在另一电机轴上的直线式舀爪68、设置在另一电机轴斜下方的固定架69、倾斜设置在固定架69上的清理指70、设置在清理指70下方的中间输出壳体71、水平设置在中间输出壳体71中的中间输出搅龙72、设置在中间输出壳体71底部且与中间输出搅龙72对应的中间弧形底槽73；
台阶式舀爪65沿一电机轴心线圆周阵列分布且沿电机轴轴向分布；
当台阶式舀爪65位于一电机轴下方的时候，台阶式舀爪65将水中的预粉碎作物捞起来；
台阶式舀爪65包括立杆头部安装在一电机轴上的第一L型爪臂66、立杆头部安装在第一L型爪臂66横杆头部的第二L型爪臂67、
直线式舀爪68位于相邻的台阶式舀爪65之间的轴向间隙中；
清理指70位于相邻的直线式舀爪68之间的轴向间隙中；
直线式舀爪68从台阶式舀爪65之间的间隙旋转大于一百八十度后或大于二百七十度后进入清理指70之间的间隙；从而将清洗后的作物自动捞取，可以在无氧环境下工作。
浇灌装置15包括与输出总管14连接的输出分支管路74、输入端与输出分支管路74连接的输出外壳体75、设置在输出外壳体75径向进人口处的输出内环槽76、旋转设置在输出外壳体75中的输出旋转套管77、设置在输出旋转套管77上且位于输出内环槽76处的输出进水口78、外壳体设置在输出旋转套管77下端且带动输出旋转套管77旋转的输出直线驱动件86、设置在输出直线驱动件86下端的输出中空轴电机79/变速箱、设置在输出旋转套管77中且下端与输出直线驱动件86伸缩杆连接且下部与输出旋转套管77连通且上端有输出出口孔88的输出空心杆85、设置在输出空心杆85上部的外台阶、设置在外台阶上的输出旋转头80、分布设置在输出旋转头80上的输出工艺豁口81、上端铰接在输出工艺豁口81上方且带有喷射开口的输出第一铰接板84、上端与输出第一铰接板84下端铰接且带有喷射开口且下端铰接在输出空心杆85上部的输出第二铰接板82、设置在输出第二铰接板82内侧面上且用于密封对应的输出出口孔88的输出密封垫83、以及设置在下方的设置在输出直线驱动件86上端且贯穿输出中空轴电机79/变速箱的设置在输出旋转头80上端的输出顶帽87；
当输出空心杆85上顶输出旋转头80，在输出旋转头80重力的作用下，输出第一铰接板84与输出第二铰接板82铰接并打开输出密封垫83，输出空心杆85继续上行，外台阶托举输出旋转头80同时上行，从而露出于土壤。从而实现无死角，全方位的喷灌。特别适合于幼苗时期或果木类或高粱玉米等，不适合白菜等叶菜。
本实施例的水肥一体化智能浇灌工艺，包括以下步骤，搭建水肥一体化智能浇灌装置；
步骤一，基于种植层，进行实验准备，通过采用传感器、实际测量采集、分布式环境监测器对农作物的发芽期、幼苗期、生长期、以及采摘期进行分阶段数据监测；
步骤二，建立种植层的控制层，进行信息获取；首先，通过传感器与人工获取的信息包括土壤指标、水肥因子、作物指标 、以及环境因子；然后，通过获取的信息通过计算机进行数据分析；
土壤指标包括含水率、养分含量、EC指标、以及PH指标；
水肥因子包括灌溉量、灌溉浓度、施肥频率、以及施肥次序；
作物指标包括光合速率、叶面积、蒸腾速率、以及植株高度；
环境因子包括环境温度、环境湿度、二氧化碳浓度、以及光照强度；
步骤三，建立本地管理层，基于步骤二的信息进行建模优化；首先，通过大数据平台对步骤二的数据信息进行分析，建立土壤水分养分分布运动规律、水肥因子与作物指标关系模型、蒸腾速率与环境因子关系模型、以及混肥控制模型；然后，根据模糊综合评价法与经验值进行处理；其次，经过归一化处理建立水肥一体化最优调控模型；最后，得到所需要的水肥灌溉浓度、灌溉量、灌溉时间、以及灌溉间隔坐标；
步骤四，根据步骤三模型，建立远程决策层，并将水肥灌溉数据输入到水肥一体化智能浇灌装置中；然后，水肥一体化智能浇灌装置进行水肥灌溉。从而利用模型与大数据实现了智能处理。
本实施例的水肥一体化智能浇灌工艺，包括水肥灌溉步骤；
步骤A，首先，搭建水肥一体化智能浇灌装置，其包括第一传送装置1、设置在第一传送装置1输出端的第一筛选箱体2、设置在第一筛选箱体2输出端的第二筛选箱体4、设置在第二筛选箱体4输出端的第二传送装置5、设置在第二传送装置5输出端的第三筛选箱体6、设置在第三筛选箱体6输出端的风干消毒箱体7、设置在风干消毒箱体7输出端的清洗箱体8、设置在清洗箱体8输出端的缓冲箱体9、设置在缓冲箱体9输出端的发酵箱体10、设置在发酵箱体10输出端的稀释罐13、通过泵站与稀释罐13输出端连接的输出总管14、以及输入端通过输出总管14浇灌装置15；然后，根据水肥灌溉信息，选择对应筛网孔径，水肥配比以及发酵作物大小与材质；
步骤B，首先，将预粉碎作物的外包袋通过第一传送带16传送，当到达输出端的时候，启动摆动机械手，摆动机械手带动拨动板20与拨动弯板21辅助推送外包袋前行到第一震动网板22上；然后，启动破袋装置3，机械臂带动破袋下插头27下行扎穿外包袋；其次，破袋伸缩杆24上升，破袋升降头30牵动破袋第一驱动杆33与破袋第二驱动摆杆31上摆动，使得破袋第二刀座32与破袋第一支撑杆34张开，破袋第二刀座32上表面刀刃撕开外包袋，同时，破袋第一支撑杆34与破袋上固定盘25夹持未撕开的外包袋；再次，机械臂振动，使得预粉碎作物落到第一震动网板22上；紧接着，小于孔径的作物进入第一筛选箱体2中，大于孔径的作物再次收集进行二次粉碎；
步骤C，首先，收集的预粉碎作物通过推杆或搅龙或传送带传送到第二震动筛板35上；然后，通过第二震动筛板35筛选小于孔径的颗粒，并通过振动将表面上的粉碎作物传送到第二筛选输出端36后落入第三传送网带37上；其次，热风机通过第三热风口38向上吹风，吸风机吸风将水汽进行脱离；再次，利用预粉碎作物与其他物质重量不同与第三送料通道44，将毛絮与吹尘通过第三排气口46带着，石块存积在底部不同位置的存储盒中，预粉碎作物通过第三出料通道45输出落入风干消毒箱体7；
步骤D，首先，风干传送搅龙/传送带47将预粉碎作物输送，同时，风热风管48、消毒器49、和/或抽风管50进行消毒处理与加热处理；然后，称量重量；
步骤E，首先，在清洗箱体8中通过搅拌桨51进行清洗与加湿，除氧器52、和/或二氧化碳注入管54，将作物进行除氧，通过热交换器53二次加热；然后，经过缓冲箱体9后或直接送到发酵菌罐体11；然后，将抽样罐体12检测后的菌种通过发酵菌m型排出架62均匀送入液体中与作物进行发酵；
步骤F，首先，发酵后肥料进入稀释罐13，通过注水孔64进行稀释作用；然后，通过输出总管14输送到浇灌装置15；浇灌装置15进行自动或人工浇灌。
在步骤E中，包括将清洗箱体8中的作物捞出步骤；
步骤Ea，首先，台阶式舀爪65将作物从液体中捞起来，并利用其上转的斜度，使得作物靠近到第二L型爪臂67根部；然后，直线式舀爪68将第二L型爪臂67根部接手并旋转传送；其次，作物通过重力落入到中间输出壳体71；其次，附着在直线式舀爪68夹缝中的作物通过清理指70的作用，落入到中间输出壳体71；再次，中间输出搅龙72将作物送出。
在步骤F中，包括自动浇灌步骤；当需要灌溉的时候，
步骤Fa，首先，输出直线驱动件86上顶，输出空心杆85上行，在输出旋转头80重力的作用下，输出第一铰接板84与输出第二铰接板82铰接打开，使得输出密封垫83与输出出口孔88分离；然后，外台阶托举输出旋转头80上行，通过输出顶帽87拨开其上方的作物并露出于土壤上方；其次，打开阀门，水肥通过输出分支管路74、输出内环槽76、输出进水口78、输出空心杆85、输出出口孔88、输出工艺豁口81后，从喷射开口喷射到指定角度方向；再次，当需要变方向喷射的时候，输出中空轴电机79/变速箱带动输出旋转套管77旋转。
本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。
Claims (10)
1.一种水肥一体化智能浇灌装置，其特征在于：包括第一传送装置（1）、设置在第一传送装置（1）输出端的第一筛选箱体（2）、设置在第一筛选箱体（2）输出端的第二筛选箱体（4）、设置在第二筛选箱体（4）输出端的第二传送装置（5）、设置在第二传送装置（5）输出端的第三筛选箱体（6）、设置在第三筛选箱体（6）输出端的风干消毒箱体（7）、设置在风干消毒箱体（7）输出端的清洗箱体（8）、设置在清洗箱体（8）输出端的缓冲箱体（9）、设置在缓冲箱体（9）输出端的发酵箱体（10）、设置在发酵箱体（10）输出端的稀释罐（13）、通过泵站与稀释罐（13）输出端连接的输出总管（14）、以及输入端通过输出总管（14）浇灌装置（15）。
2. 一种水肥一体化智能浇灌装置，其特征在于: 包括第一传送装置（1）；第一传送装置（1）包括用于传送存放有预粉碎作物的外包袋的第一传送带（16）、设置在第一传送带（16）两侧远侧挡板（17）与近侧挡板（18）、沿传送方向设置在近侧挡板（18）上的侧板工艺豁口（19）、设置在近侧挡板（18）外侧的摆动机械手、设置在摆动机械手上且穿过侧板工艺豁口（19）进入到第一传送带（16）上方的拨动板（20）、以及斜交设置在拨动板（20）端部的拨动弯板（21）。
3.根据权利要求2所述的水肥一体化智能浇灌装置，其特征在于: 包括设置在第一筛选箱体（2）上端口上且孔开口大于设定阈值的第一震动网板（22）、设置在第一震动网板（22）上方且用于刺破位于第一震动网板（22）上且存放有预粉碎作物的外包袋的破袋装置（3）；
破袋装置（3）包括机械臂、设置在机械臂端部的破袋机械臂震动头（23）、设置在破袋机械臂震动头（23）下端的破袋伸缩杆（24）、通过连接杆设置在破袋机械臂震动头（23）下端且破袋伸缩杆（24）在其中心处升降运动的破袋上固定盘（25）、设置在破袋上固定盘（25）下端的破袋固定架（26）、交错分布在破袋固定架（26）下端的破袋第一连接架（28）与破袋第二连接架（29）、均带有工艺豁口且设置在破袋第一连接架（28）与破袋第二连接架（29）下端且与破袋伸缩杆（24）同轴的破袋下插头（27）、设置在破袋伸缩杆（24）下端的破袋升降头（30）、下端根部铰接在破袋升降头（30）上且穿过破袋第一连接架（28）的工艺豁口的破袋第一驱动杆（33）、下端与破袋第一驱动杆（33）上端铰接且上端铰接在破袋第一连接架（28）外侧壁上端的破袋第一支撑杆（34）、下端根部铰接在破袋升降头（30）上且穿过破袋第二连接架（29）的工艺豁口的破袋第二驱动摆杆（31）、下端与破袋第二驱动摆杆（31）上端铰接且上端铰接在破袋第二连接架（29）外侧壁上端的破袋第二刀座（32）。
4.根据权利要求2或3所述的水肥一体化智能浇灌装置，其特征在于: 在第一筛选箱体（2）输出端设置有第二筛选箱体（4），在第二筛选箱体（4）上端口倾斜设置有网孔小于预粉碎作物外形的第二震动筛板（35），在第二震动筛板（35）下端设置有第二筛选输出端（36）；
在第二筛选输出端（36）下方设置有第二传送装置（5），第二传送装置（5）包括第三传送网带（37）、分布在第三传送网带（37）上的第三热风口（38）、设置在第三传送网带（37）上行段上方的吸风机、设置在第三传送网带（37）上行段下方的热风机；
在第二传送装置（5）输出端设置有第三筛选箱体（6）；在第三筛选箱体（6）的内腔顶部设置有第三上挡板（42），第三筛选箱体（6）的内腔底部设置有第三下挡板（43），在第三筛选箱体（6）进口处设置有位于第三传送网带（37）输出端的第三进入通道（39），在第三进入通道（39）的顶部设置有向下吹风的第三进口送风管道（40），在第三筛选箱体（6）的内腔进风侧壁上设置有第三辅助送风嘴（41），通过第三上挡板（42）与第三下挡板（43）在第三筛选箱体（6）的内腔中形成第三送料通道（44），根据预粉碎作物与风力参数在第三送料通道（44）底部对应设置有第三出料通道（45），在第三筛选箱体（6）出口处设置有第三排气口（46）。
5.根据权利要求2或3所述的水肥一体化智能浇灌装置，其特征在于:在第三筛选箱体（6）输出端设置有风干消毒箱体（7）；
在风干消毒箱体（7）内设置有风干传送搅龙/传送带（47），在风干消毒箱体（7）侧壁上分布有风热风管（48）、消毒器（49）、和/或抽风管（50）；
在风干消毒箱体（7）输出端设置有清洗箱体（8）；在清洗箱体（8）中设置有搅拌桨（51）；
在清洗箱体（8）输出端设置有缓冲箱体（9）；在缓冲箱体（9）中设置有除氧器（52）、热交换器（53）、和/或二氧化碳注入管（54）；
在发酵箱体（10）上设置有发酵菌罐体（11），发酵菌罐体（11）通过发酵菌输入管（61）连接有抽样罐体（12）；
在缓冲箱体（9）输出端设置有发酵箱体（10）；在发酵箱体（10）的罐体内腔（55）中设置有肥料进入管（56）、除氧器（57）、保水剂注入管（59）、上浮网板（63）、和/或二氧化碳注入管（58）；在肥料进入管（56）的输出口连接有浸没于罐体内腔（55）液体中的肥料m型排出架（60），在抽样罐体（12）的输出口连接有浸没于罐体内腔（55）液体中的发酵菌m型排出架（62）；
肥料m型排出架（60）与发酵菌m型排出架（62）相对且交错设置，在肥料m型排出架（60）与发酵菌m型排出架（62）上分布有通孔；
在发酵箱体（10）输出端设置有稀释罐（13）；在稀释罐（13）上设置有注水孔（64）；
稀释罐（13）输出端通过泵站连接有输出总管（14）；
输出总管（14）输入端连接有浇灌装置（15）。
6.根据权利要求2或3所述的水肥一体化智能浇灌装置，其特征在于:在清洗箱体（8）输出端设置有舀料滤水装置；舀料滤水装置用于将预粉碎作物从水中捞起来并送至缓冲箱体（9）中；
舀料滤水装置包括由一电机轴驱动旋转的台阶式舀爪（65）、平行设置在一电机轴一侧的另一电机轴、分布设置在另一电机轴上的直线式舀爪（68）、设置在另一电机轴斜下方的固定架（69）、倾斜设置在固定架（69）上的清理指（70）、设置在清理指（70）下方的中间输出壳体（71）、水平设置在中间输出壳体（71）中的中间输出搅龙（72）、设置在中间输出壳体（71）底部且与中间输出搅龙（72）对应的中间弧形底槽（73）；
台阶式舀爪（65）沿一电机轴心线圆周阵列分布且沿电机轴轴向分布；
当台阶式舀爪（65）位于一电机轴下方的时候，台阶式舀爪（65）将水中的预粉碎作物捞起来；
台阶式舀爪（65）包括立杆头部安装在一电机轴上的第一L型爪臂（66）、立杆头部安装在第一L型爪臂（66）横杆头部的第二L型爪臂（67）、
直线式舀爪（68）位于相邻的台阶式舀爪（65）之间的轴向间隙中；
清理指（70）位于相邻的直线式舀爪（68）之间的轴向间隙中；
直线式舀爪（68）从台阶式舀爪（65）之间的间隙旋转大于一百八十度后或大于二百七十度后进入清理指（70）之间的间隙；
浇灌装置（15）包括与输出总管（14）连接的输出分支管路（74）、输入端与输出分支管路（74）连接的输出外壳体（75）、设置在输出外壳体（75）径向进人口处的输出内环槽（76）、旋转设置在输出外壳体（75）中的输出旋转套管（77）、设置在输出旋转套管（77）上且位于输出内环槽（76）处的输出进水口（78）、外壳体设置在输出旋转套管（77）下端且带动输出旋转套管（77）旋转的输出直线驱动件（86）、设置在输出直线驱动件（86）下端的输出中空轴电机（79）/变速箱、设置在输出旋转套管（77）中且下端与输出直线驱动件（86）伸缩杆连接且下部与输出旋转套管（77）连通且上端有输出出口孔（88）的输出空心杆（85）、设置在输出空心杆（85）上部的外台阶、设置在外台阶上的输出旋转头（80）、分布设置在输出旋转头（80）上的输出工艺豁口（81）、上端铰接在输出工艺豁口（81）上方且带有喷射开口的输出第一铰接板（84）、上端与输出第一铰接板（84）下端铰接且带有喷射开口且下端铰接在输出空心杆（85）上部的输出第二铰接板（82）、设置在输出第二铰接板（82）内侧面上且用于密封对应的输出出口孔（88）的输出密封垫（83）、以及设置在下方的设置在输出直线驱动件（86）上端且贯穿输出中空轴电机（79）/变速箱的设置在输出旋转头（80）上端的输出顶帽（87）；
当输出空心杆（85）上顶输出旋转头（80），在输出旋转头（80）重力的作用下，输出第一铰接板（84）与输出第二铰接板（82）铰接并打开输出密封垫（83），输出空心杆（85）继续上行，外台阶托举输出旋转头（80）同时上行，从而露出于土壤。
7.一种水肥一体化智能浇灌工艺，其特征在于:包括以下步骤，搭建水肥一体化智能浇灌装置；
步骤一，基于种植层，进行实验准备，通过采用传感器、实际测量采集、分布式环境监测器对农作物的发芽期、幼苗期、生长期、以及采摘期进行分阶段数据监测；
步骤二，建立种植层的控制层，进行信息获取；首先，通过传感器与人工获取的信息包括土壤指标、水肥因子、作物指标 、以及环境因子；然后，通过获取的信息通过计算机进行数据分析；
土壤指标包括含水率、养分含量、EC指标、以及PH指标；
水肥因子包括灌溉量、灌溉浓度、施肥频率、以及施肥次序；
作物指标包括光合速率、叶面积、蒸腾速率、以及植株高度；
环境因子包括环境温度、环境湿度、二氧化碳浓度、以及光照强度；
步骤三，建立本地管理层，基于步骤二的信息进行建模优化；首先，通过大数据平台对步骤二的数据信息进行分析，建立土壤水分养分分布运动规律、水肥因子与作物指标关系模型、蒸腾速率与环境因子关系模型、以及混肥控制模型；然后，根据模糊综合评价法与经验值进行处理；其次，经过归一化处理建立水肥一体化最优调控模型；最后，得到所需要的水肥灌溉浓度、灌溉量、灌溉时间、以及灌溉间隔坐标；
步骤四，根据步骤三模型，建立远程决策层，并将水肥灌溉数据输入到水肥一体化智能浇灌装置中；然后，水肥一体化智能浇灌装置进行水肥灌溉。
8.一种水肥一体化智能浇灌工艺，其特征在于:包括水肥灌溉步骤；
步骤A，首先，搭建水肥一体化智能浇灌装置，其包括第一传送装置（1）、设置在第一传送装置（1）输出端的第一筛选箱体（2）、设置在第一筛选箱体（2）输出端的第二筛选箱体（4）、设置在第二筛选箱体（4）输出端的第二传送装置（5）、设置在第二传送装置（5）输出端的第三筛选箱体（6）、设置在第三筛选箱体（6）输出端的风干消毒箱体（7）、设置在风干消毒箱体（7）输出端的清洗箱体（8）、设置在清洗箱体（8）输出端的缓冲箱体（9）、设置在缓冲箱体（9）输出端的发酵箱体（10）、设置在发酵箱体（10）输出端的稀释罐（13）、通过泵站与稀释罐（13）输出端连接的输出总管（14）、以及输入端通过输出总管（14）浇灌装置（15）；然后，根据水肥灌溉信息，选择对应筛网孔径，水肥配比以及发酵作物大小与材质；
步骤B，首先，将预粉碎作物的外包袋通过第一传送带（16）传送，当到达输出端的时候，启动摆动机械手，摆动机械手带动拨动板（20）与拨动弯板（21）辅助推送外包袋前行到第一震动网板（22）上；然后，启动破袋装置（3），机械臂带动破袋下插头（27）下行扎穿外包袋；其次，破袋伸缩杆（24）上升，破袋升降头（30）牵动破袋第一驱动杆（33）与破袋第二驱动摆杆（31）上摆动，使得破袋第二刀座（32）与破袋第一支撑杆（34）张开，破袋第二刀座（32）上表面刀刃撕开外包袋，同时，破袋第一支撑杆（34）与破袋上固定盘（25）夹持未撕开的外包袋；再次，机械臂振动，使得预粉碎作物落到第一震动网板（22）上；紧接着，小于孔径的作物进入第一筛选箱体（2）中，大于孔径的作物再次收集进行二次粉碎；
步骤C，首先，收集的预粉碎作物通过推杆或搅龙或传送带传送到第二震动筛板（35）上；然后，通过第二震动筛板（35）筛选小于孔径的颗粒，并通过振动将表面上的粉碎作物传送到第二筛选输出端（36）后落入第三传送网带（37）上；其次，热风机通过第三热风口（38）向上吹风，吸风机吸风将水汽进行脱离；再次，利用预粉碎作物与其他物质重量不同与第三送料通道（44），将毛絮与吹尘通过第三排气口（46）带着，石块存积在底部不同位置的存储盒中，预粉碎作物通过第三出料通道（45）输出落入风干消毒箱体（7）；
步骤D，首先，风干传送搅龙/传送带（47）将预粉碎作物输送，同时，风热风管（48）、消毒器（49）、和/或抽风管（50）进行消毒处理与加热处理；然后，称量重量；
步骤E，首先，在清洗箱体（8）中通过搅拌桨（51）进行清洗与加湿，除氧器（52）、和/或二氧化碳注入管（54），将作物进行除氧，通过热交换器（53）二次加热；然后，经过缓冲箱体（9）后或直接送到发酵菌罐体（11）；然后，将抽样罐体（12）检测后的菌种通过发酵菌m型排出架（62）均匀送入液体中与作物进行发酵；
步骤F，首先，发酵后肥料进入稀释罐（13），通过注水孔（64）进行稀释作用；然后，通过输出总管（14）输送到浇灌装置（15）；浇灌装置（15）进行自动或人工浇灌。
9.根据权利要求8的水肥一体化智能浇灌工艺，其特征在于:在步骤E中，包括将清洗箱体（8）中的作物捞出步骤；
步骤Ea，首先，台阶式舀爪（65）将作物从液体中捞起来，并利用其上转的斜度，使得作物靠近到第二L型爪臂（67）根部；然后，直线式舀爪（68）将第二L型爪臂（67）根部接手并旋转传送；其次，作物通过重力落入到中间输出壳体（71）；其次，附着在直线式舀爪（68）夹缝中的作物通过清理指（70）的作用，落入到中间输出壳体（71）；再次，中间输出搅龙（72）将作物送出。
10.根据权利要求8的水肥一体化智能浇灌工艺，其特征在于:在步骤F中，包括自动浇灌步骤；当需要灌溉的时候，
步骤Fa，首先，输出直线驱动件（86）上顶，输出空心杆（85）上行，在输出旋转头（80）重力的作用下，输出第一铰接板（84）与输出第二铰接板（82）铰接打开，使得输出密封垫（83）与输出出口孔（88）分离；然后，外台阶托举输出旋转头（80）上行，通过输出顶帽（87）拨开其上方的作物并露出于土壤上方；其次，打开阀门，水肥通过输出分支管路（74）、输出内环槽（76）、输出进水口（78）、输出空心杆（85）、输出出口孔（88）、输出工艺豁口（81）后，从喷射开口喷射到指定角度方向；再次，当需要变方向喷射的时候，输出中空轴电机（79）/变速箱带动输出旋转套管（77）旋转。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ma Dexin Inventor after: Zhang Qun Inventor after: Yuliang Guan Inventor after: Xu Pengmin Inventor before: Ma Dexin Inventor before: Xu Pengmin |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20201130 Address after: 266000 No. 700, the Great Wall Road, Chengyang District, Shandong, Qingdao Applicant after: Qingdao Agricultural University Address before: 266000, 1, 700 the Great Wall Road, Chengyang District, Shandong, Qingdao Applicant before: Ma Dexin |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20191015 Assignee: Kaisheng Haofeng Agricultural Group Co.,Ltd. Assignor: Qingdao Agricultural University Contract record no.: X2024980004778 Denomination of invention: Integrated intelligent irrigation device and process for water and fertilizer Granted publication date: 20201211 License type: Common License Record date: 20240423 Application publication date: 20191015 Assignee: Shandong Toyota Water Saving Equipment Co.,Ltd. Assignor: Qingdao Agricultural University Contract record no.: X2024980004777 Denomination of invention: Integrated intelligent irrigation device and process for water and fertilizer Granted publication date: 20201211 License type: Common License Record date: 20240423 |