CN111213471A - 水肥一体化系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种水肥一体化系统及控制方法。水肥一体化系统，包括肥液配制装置，控制装置，供水装置和灌溉装置。其中，肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与肥液罐对应的肥液泵；控制装置，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮监测器；灌溉装置，包括主灌溉管道和各支路灌溉管道。基于上述结构，水肥一体化系统中，控制器根据混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器获取到的实时数据以及控制器内预设肥液配方，与肥液泵、供水装置配合，配制混合肥液。灌溉装置，将清水泵和肥液泵配制得到的所需混合肥液输送到对应的灌溉区，实现精准按需配肥和自动化灌溉，有效避免氮肥浪费，提高氮肥利用率。
Description
技术领域
本申请涉及农业生产技术领域，特别是涉及一种水肥一体化系统及控制方法。
背景技术
随着精细农业的发展，人们越来越关注精准灌溉施肥技术，并提出了测土配方施肥技术。目前，氮肥检测主要以化学分析方法为主，其过程包括风干、筛选、除杂等预处理，长时间的恒温培养处理及后续复杂的理化试验，耗时长，且需要专业的实验员，不能直接用于农业生产管理及实时指导灌溉施肥。随着电化学、电磁、激光、光谱技术的发展，越来越多的新技术被应用于肥分快速检测。
然而，传统的灌溉施肥系统中至少存在如下问题：存在氮肥利用率低的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高氮肥利用率的水肥一体化系统及控制方法。
一种水肥一体化系统，包括：
肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与肥液罐对应的肥液泵；肥液罐的出液口连接对应的肥液泵的入液口；肥液泵的出液口连接肥液混合管道的入液口；
控制装置，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮监测器；控制器分别与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接；混合肥液监测器设于肥液混合管道内；混合肥液有效氮监测器用于获取肥液混合管道内的混合肥液有效氮值；控制器与肥液泵的出液控制端电连接；
供水装置；供水装置的出水口连接肥液混合管道的入水口；供水装置的出水控制端与控制器电连接；
灌溉装置，包括主灌溉管道和各支路灌溉管道；主灌溉管道的入液口连接肥液混合管道的肥液输出口；主灌溉管道的出液口分别连接各支路灌溉管道；支路灌溉管道用于连接至对应的灌溉区。
一种水肥一体化系统控制方法，运用于水肥一体化系统，
水肥一体化系统，包括：
肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与肥液罐对应的肥液泵；肥液罐的出液口连接对应的肥液泵的入液口；肥液泵的出液口连接肥液混合管道的入液口；
供水装置；供水装置包括清水罐和清水泵；清水罐的出水口连接清水泵的入水口；清水泵的出水口连接肥液混合管道的入水口；
控制装置，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮监测器；控制器分别与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接；混合肥液监测器设于肥液混合管道内；混合肥液监测器用于获取肥液混合管道内的混合肥液EC值、混合肥液pH值；混合肥液有效氮监测器用于获取肥液混合管道内的混合肥液有效氮值；控制器分别与肥液泵的出液控制端、清水泵的出水控制端电连接；
灌溉装置，包括主灌溉管道、各支路灌溉管道和与支路灌溉管道对应的电磁阀；主灌溉管道的入液口连接肥液混合管道的肥液输出口；主灌溉管道的出液口通过电磁阀连接对应的支路灌溉管道；支路灌溉管道用于连接至对应的灌溉区；
水肥一体化系统控制方法包括：
控制器根据预设肥液配方以及获取到的混合肥液数据，确定水肥溶液配制方案；预设肥液配方包括预设的灌溉液有效氮值、灌溉液EC值和灌溉液pH值；混合肥液数据包括获取到的混合肥液EC值、混合肥液pH值以及混合肥液有效氮值；
控制器根据水肥溶液配制方案，发送第一供水指令给清水泵，并发送第一肥液指令给肥液泵；第一供水指令包括出水量、出水时间；第一肥液指令包括出液量、出液时间；
控制器发送灌溉指令给灌溉装置；灌溉指令用于指示灌溉装置将清水泵和肥液泵配制得到的混合肥液进行灌溉。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述的水肥一体化系统控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述的水肥一体化系统控制方法的步骤。
上述提供了一种水肥一体化系统，包括肥液配制装置，控制装置，供水装置和灌溉装置。其中，肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与肥液罐对应的肥液泵；控制装置，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮监测器；灌溉装置，包括主灌溉管道和各支路灌溉管道。基于上述结构，水肥一体化系统中，控制器根据混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器获取到的实时数据以及控制器内预设肥液配方，与肥液泵、供水装置和灌溉装置配合，实现所需混合肥液的配制，将清水泵和肥液泵配制得到的所需混合肥液输送到对应的灌溉区，实现精准按需配肥和自动化灌溉，有效避免氮肥浪费，提高氮肥利用率，达到精细化节水节肥的效果。
附图说明
通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。
图1为一个实施例中水肥一体化系统的第一结构示意图；
图2为一个实施例中水肥一体化系统的控制装置的第一结构示意图；
图3为一个实施例中水肥一体化系统的控制装置的第二结构示意图；
图4为一个实施例中水肥一体化系统的第二结构示意图；
图5为一个实施例中水肥一体化系统的控制装置的第三结构示意图；
图6为一个实施例中水肥一体化系统的第三结构示意图；
图7为一个实施例中水肥一体化系统的部分结构示意图；
图8为一个实施例中水肥一体化系统的控制装置的第四结构示意图；
图9为一个实施例中水肥一体化系统控制方法的第一流程示意图；
图10为一个实施例中水肥一体化系统控制方法的第二流程示意图；
图11为一个实施例中以椰糠基质为例的水肥一体化系统控制方法的示意图；
图12为一个实施例中水肥一体化系统控制方法的第三流程示意图；
图13为一个实施例中水肥一体化系统控制方法的第四流程示意图；
图14为一个实施例中水肥一体化系统的运行流程示意图；
图15为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
氮是构成蛋白质、核酸和叶绿素的重要成分。氮肥，对农作物生长发育有重要影响。有效氮是指易被作物吸收的氮，直接反映氮肥供应能力。农业生产中，通常采用增施氮肥提高有效氮的含量，不进行正确的环境养分含量监测分析，往往会导致过量施肥，这不仅造成肥料浪费，增加生产成本，还会造成严重的农业面源污染问题。
本申请实施例可运用于农业精细化生产技术领域；随着精细农业的发展，人们越来越关注精准灌溉施肥技术，并提出了测土配方施肥技术。目前，氮肥监测主要以化学分析方法为主，其过程包括风干、筛选、除杂等预处理，长时间的恒温培养处理及后续复杂的理化试验，耗时长，且需要专业的实验员，不能直接用于农业生产管理及实时指导灌溉施肥，导致氮肥利用率低。因此，为了解决现有的氮肥利用率低的问题，本申请提供了一种水肥一体化系统，能够提高氮肥利用率，提高水肥一体化技术的精准性和智能性，对减少设施农业面源污染、实现农业科学生产具有重要意义。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种水肥一体化系统，包括：
肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与肥液罐对应的肥液泵；肥液罐的出液口连接对应的肥液泵的入液口；肥液泵的出液口连接肥液混合管道的入液口；
控制装置(未图示)，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮监测器；控制器分别与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接；混合肥液监测器设于肥液混合管道内；混合肥液有效氮监测器用于获取肥液混合管道内的混合肥液有效氮值；控制器与肥液泵的出液控制端电连接；
供水装置；供水装置的出水口连接肥液混合管道的入水口；供水装置的出水控制端与控制器电连接；
灌溉装置，包括主灌溉管道和各支路灌溉管道；主灌溉管道的入液口连接肥液混合管道的肥液输出口；主灌溉管道的出液口分别连接各支路灌溉管道；支路灌溉管道用于连接至对应的灌溉区。
具体而言，肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与肥液罐对应的肥液泵。各肥液罐，存储用于配制所需混合肥液的各类基础肥液。肥液泵用于控制对应肥液罐的流量、出液时间。各肥液罐中的基础肥液通过对应的肥液泵输入到肥液混合管道、直接在混合管道内与清水混合。各肥液罐中至少存储营养液、酸液和药液等一种或多种基础肥液。其中，营养液主要是A+C肥或B肥，A肥主要是氮肥和钾(如KNO3或Ca(NO3)2)，C肥是微量元素，B肥含磷肥；酸液，用于调节pH值；药液，可用于在施肥的同时进行施药处理。示例性地，肥液配制装置包括肥液罐A、B、C和D，肥液罐A中存储A+C肥，肥液罐B中存储酸液，肥液罐C中存储药液，肥液罐D中存储B肥。
如图2所示，控制装置，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮检测器。其中，混合肥液监测器，可用于获取肥液混合管道内的EC值(The value of EC，液体肥料中的可溶性离子浓度)、pH(pondus hydrogenii，酸碱度)值和溶解氧值等。混合肥液有效氮监测器，用于获取肥液混合管道内的有效氮值。对于混合肥液有效氮监测器的实现方式，此处不做具体限定。示例性地，混合肥液有效氮监测器可基于近红外光谱技术，将其光纤探头及光源植入肥液混合管道两侧内，采用透射动态测量原理，实时检测混合肥液有效氮值；混合肥液有效氮监测器，也可通过从肥液混合管道中抽取一部分混合肥液，采取透射静态测量原理检测混合肥液有效氮值。
控制器分别与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接。示例性地，控制器可包括单片机、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或其他具有控制功能的器件。
供水装置，用于提供灌溉和配液所需清水。供水装置，可包括过滤器、清水泵、电磁阀、蓄水池、管道组件和设于供水管道上的压力表等。控制器，分别与肥液泵的出液控制端、供水装置的出水控制端电连接。控制器，可用于根据获取到的预设肥液配方、混合肥液有效氮值以及混合肥液监测器的实时数据分别控制肥液泵与供水装置，以配制所需混预设肥液配方。预设肥液配方，可包括灌溉区域选择信息，所选灌溉区域所需混合肥液的有效氮值、pH值、EC值、灌溉时间、各肥液罐基础肥液的输出比例和灌溉量等。控制器，通过各肥液泵的出液控制端，控制不同肥液罐中基础肥液的输出量，调整肥液混合管道内各基础肥液和清水的比例形成所需混合肥液，以满足不同作物不同生长期的营养需求，有效避免施肥过度，实现精准配肥，提高氮肥利用率。各肥液罐输出的基础肥液直接、准确地注入肥液混合管道内，与供水装置提供的清水混合后一起适时适量地施给作物，有效提高配肥精度，可不受灌溉面积限制。而传统的注肥器靠过负压抽取旁路清水，通过电磁阀开闭频率来控制肥液的注入比例，易受到灌溉面积限制。
灌溉装置，包括主灌溉管道和各支路灌溉管道。配制得到的混合肥液可依次通过主灌溉管道、支路灌溉管道，注入对应的灌溉区供给给作物，实现自动灌溉，使农业灌溉施肥更精确。
基于上述结构，控制器根据各监测器获取到的数据和预设肥液配方，分别控制肥液配制装置、供水装置，调节肥液混合管道内水肥溶液中各肥液与水的混合比例，获得适宜的混合肥液浓度，实现精准定量配肥，避免过量施肥，提高氮肥利用率。灌溉装置，将所需的混合肥液通过对应的支路灌溉管道输送到对应的灌溉区、供给作物，实现自动灌溉，提高水肥一体化技术的精准性和智能性。本申请实施例中，基于水肥溶液肥分浓度的现场快速检测，通过肥液配制装置、控制装置、供水装置和灌溉装置互相配合，实现按需精准灌溉施肥，有效提高氮肥利用率。
在一个实施例中，如图3所示，混合肥液监测器包括设于肥液混合管道内的EC传感器、pH传感器；
控制器分别与EC传感器、pH传感器通信连接。
具体而言，EC传感器用于获取肥液混合管道内混合肥液的实时电导率；pH传感器用于获取混合肥液的实时pH值；优选地，pH传感器为MIK-PH160pH传感器。
控制器，可根据获取到的混合肥液的实时电导率、实时pH值以及混合肥液有效氮值，实时监测混合肥液浓度，以调节各肥液泵、供水装置的流量和输出时间，实现精准配肥，提高生产效率。
优选地，EC传感器为MIK-TDS210EC传感器，该传感器集成标准模拟量输出、通讯输出功能，支持数显表，PLC，变频器，DCS，记录仪等各类采集设备，能够精准、动态地监测水肥溶液电导率，具体参数如下表1：
表1 EC传感器相关参数
在一个实施例中，如图4所示，供水装置包括清水罐和清水泵。清水罐的出水口连接清水泵的入水口；清水泵的出水口连接肥液混合管道的入水口；清水泵的出水控制端与控制器电连接。
具体而言，清水罐内用于灌溉和配液的用水，通过清水泵持续、稳定地输送到肥液混合管道内，进行混合肥液配制。控制器，可通过控制清水泵，控制清水与各基础肥液混合或实现清水灌溉。在一个实施例中，供水装置还包括过滤器；过滤器设于清水罐和清水泵之间。过滤器，用于对注入清水泵的用水进一步过滤，避免发生堵塞，提高系统营运效果。
优选地，水泵为MVL206泵，相关技术参数如下表2：
表2 MVL206泵相关技术参数
在一个实施例中，控制装置还包括设于清水罐内的液位传感器；液位传感器与控制器通信连接。
具体而言，液位传感器，可用于实时监测清水罐内的实时液位，将获取到的实时液位发送给控制器，避免清水罐内实时液位过低影响所需混合肥液配制。在一个实施例中，液位传感器为投入式液位传感器。在一个实施例中，灌溉装置还包括进水泵；进水泵的出水口连接清水泵的入水口；进水泵的控制端与控制器电连接。当清水罐的实时液位低于设定值时，控制器启动进水泵给清水罐加水；当清水罐内实时液位达到或高于设定值时，进水泵停止工作，从而保证对各灌溉区的正常灌溉量。优选地，液位传感器为MIK-P260液位传感器。
在一个实施例中，如图5所示，控制器包括控制组件、处理器；
控制组件与处理器电连接；控制组件可用于获取预设肥液配方；
处理器分别与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接；处理器分别与供水装置的出水控制端、肥液泵的出液控制端电连接。
在一个实施例中，控制组件，可用于获取预设肥液配方，实现人机交互；控制组件，还可用于查看当前系统运行状态、展示肥液混合管道内的混合肥液有效氮的变化曲线。示例性地，控制组件包括输入组件和输出组件。可选地，输入组件包括键盘、鼠标和触摸屏中的至少一种；可选地，输出组件可为触摸屏或显示屏。预设肥液配方，可根据存储于处理器的肥液配方号得到，或可根据在控制组件上设定肥液配方数据得到。
处理器，分别与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接，可获取肥液混合管道内实时的混合肥液有效氮值、EC值和pH值等；处理器，根据预设肥液配方和实时获取到的混合肥液的数据，分别控制供水装置和肥液泵，直至实时的混合肥液数据满足预设肥液配方，有效避免肥液浪费，提高氮肥利用率，实现精准配肥。进而，处理器，控制完成配制的混合肥液，依次经肥液混合管道的肥液输出口、主灌溉管道至各灌溉区对应的支路灌溉管道，实现对各灌溉区作物的自动化灌溉，为农民灌溉施肥提供科学指导。在一个实施例中，处理器可为PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)、CPU(CentralProcessing Unit，中央处理器)、FPGA等。
优选地，控制组件为LS530C触摸屏；其相关技术参数如表3：
表3 触摸屏参数
| 指标名称 | 技术参数 |
| 响应时间 | 5ms |
| 分辨率 | 4096×4096 |
| 触摸次数 | >5000万次 |
| CPU | 赛扬双核1.8GHz |
优选地，处理器为FX5U PLC，其相关技术参数如表4：
表4 PLC技术参数
在一个实施例中，控制装置还包括通信模块；
通信模块，与处理器通信连接；
处理器，通过通信模块分别与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接。
具体而言，通信模块，用于与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接，并将获取到的混合肥液有效氮值、混合肥液EC值、混合肥液pH值发送给处理器，从而实现水肥一体化系统实时监测控制。本申请实施例中，通信模块，可以但不限是：蓝牙模块、紫蜂模块、5G通信模块等。
在一个实施例中，如图6所示，灌溉装置还包括多个电磁阀，以及与各电磁阀对应的电磁阀驱动电路(未图示)；
支路灌溉管道通过对应的电磁阀连接主灌溉管道的出液口；电磁阀通过对应的电磁阀驱动电路与控制器电连接。
具体而言，控制器通过电磁阀驱动电路驱动对应电磁阀的通断，以选择需要进行灌溉施肥的灌溉区。供水装置和肥液泵配制得到的混合肥液经主灌溉管道、导通的电磁阀进入对应的支路灌溉管道，给所选的灌溉区进行精准施肥灌溉。在一个实施例中，水肥一体化系统包括4个肥液罐，即配置标准4通道，各肥液罐中的基础肥液通过对应的肥液泵注入肥液混合管道，可同时输入4种基础母液，单通道流量1000ml/min，设置2个标准通道输出，可对作物的根部和/或叶面进行灌溉。水肥一体化系统实时监测营养液浓度，动态调节混合肥液的EC值和pH值，从而直接、准确地把肥料注入肥液混合管道，连同灌溉水一起适时适量地施给作物。
在一个实施例中，如图7所示，电磁阀可包括第一电磁阀、第二电磁阀。第一电磁阀，用于作物叶面喷施；第二电磁阀，用于作物根部灌溉施肥。支路灌溉管道通过对应的电磁阀连接主灌溉管道的出液口；电磁阀通过对应的电磁阀驱动电路与控制器电连接。本申请实施例中，控制器通过对应的电磁阀驱动电路导通对应灌溉区的第一电磁阀和/或第二电磁阀，以给所需灌溉区的作物的叶面和/或根部施肥灌溉，满足不同作物实际生长需求，适用范围广。
在一个实施例中，如图7所示，供水装置还包括泄压阀；泄压阀设于清水泵的管道上。
具体而言，供水装置还包括泄压阀，泄压阀设于清水泵的管道上，用于清水泵管道内的压力达到泄压阀的泄压压力值，由泄压阀进行泄压，降低清水泵出水压力值，以保证管路安全。在一个实施例中，供水装置还包括压力表；压力表设于清水泵的管道上，压力表用于展示清水泵的压力值。
在一个实施例中，控制装置还包括设于各灌溉区的环境监测器；环境监测器与控制器通信连接。具体地，环境监测器，用于监测各灌溉区的环境参数，并将获取到的环境参数发送给控制器。控制器根据各灌溉区的环境参数、肥液混合管道内的混合肥液有效氮值以及混合肥液监测器实时采集数据，分别控制肥液泵和供水装置，实现精准配肥，提高氮肥利用率，有效避免氮肥浪费。
在一个实施例中，环境监测器包括设于各灌溉区的温度传感器、湿度传感器；
控制器分别与温度传感器、湿度传感器通信连接。
具体而言，温度传感器可包括土壤温度传感器、室内温度传感器和室外温度传感器等；湿度传感器可包括室外湿度传感器、室内湿度传感器等。
本申请实施例中，可根据肥液混合管道内实时检测数据及温室环境数据，确定水肥溶液配制方案，控制器控制肥液配制装置调节氮肥与水的混合比例，获得适宜的氮肥液浓度，实现精准定量灌溉施肥，提高氮肥利用率。优选地，肥液泵为K25/TB泵。肥液泵的相关参数如下表5：
表5 肥液泵的技术参数
如图8所示，在一个实施例中，控制装置还包括基质有效氮监测器；基质有效氮监测器与控制器通信连接；基质有效氮监测器，用于获取栽培基质的有效氮值，为肥液配方设置提供依据。基质有效氮监测器与混合肥液有效氮监测器配合，达到精准配制有效氮溶液的要求，防止氮肥多了造成浪费和污染，也避免氮肥过少影响作物生长，有效提高氮肥利用率。传统的灌溉施肥系统中主要通过监测水肥溶液中的EC、pH进行配肥，不能针对农作物所需的具体营养成分进行配制，无法实现精准配肥。为此，本申请实施例中，通过结合监测混合肥液有效氮值和基质有效氮的方式，并综合混合肥液EC、pH及作物生长环境参数，达到有效氮溶液精准配制的要求，进而实现智能化精准定量灌溉施肥，有效提高氮肥利用率。
具体地，基质有效氮监测器可包括输送系统、样品前处理系统、检测系统及控制系统。其中，样品前处理系统可以自动进行样品干燥、粉碎和筛选等操作，主要包括驱动电机、粉碎室、筛网、加热板、隔热板及其他组件。粉碎室由粉碎室上部分和粉碎室下部分组成，通过螺纹将上下两部分连接在一起，形成密闭的粉碎空间。通过控制电机和加热板的工作时间可以实现样品干燥时间和粉碎时间的控制。
其中，检测系统主要包括近红外光谱仪、2个35w卤钨灯，光纤和光纤探头、滚珠丝杠滑台、样品室、计算机控制单元和暗箱。该系统光谱数据的采样间隔为3.4nm，信噪比为6000：1，其积分时间、平滑度和扫描平均次数分别设置为3ms，5和3。通过调节光纤探头固定支撑架上的调节螺栓，可改变光纤探头与样本之间的距离，将光纤探头和样品表面间距设定为13mm。样品检测前，打开卤钨灯预热30min，直至光源稳定后再进行光谱数据采集。当光谱仪的CCD温度达到设定值且灯源稳定后，采用聚四氟乙烯标准白板进行黑板参考获取。
通过控制面板上的操控按钮设定光谱数据的采集模式为反射测量，开启检测平台下方的2个卤钨灯光源，卤钨灯光通过检测平台上的透光孔照射到石英材质样品室中的样品表面，经样品表面反射的光信号进入光纤探头，最终被光谱仪接收。
在一个实施例中，一种水肥一体化系统控制方法，运用于水肥一体化系统，
水肥一体化系统，包括：
肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与肥液罐对应的肥液泵；肥液罐的出液口连接对应的肥液泵的入液口；肥液泵的出液口连接肥液混合管道的入液口；
供水装置；供水装置包括清水罐和清水泵；清水罐的出水口连接清水泵的入水口；清水泵的出水口连接肥液混合管道的入水口；
控制装置，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮监测器；控制器分别与混合肥液监测器、混合肥液有效氮监测器通信连接；混合肥液监测器设于肥液混合管道内；混合肥液监测器用于获取肥液混合管道内的混合肥液EC值、混合肥液pH值；混合肥液有效氮监测器用于获取肥液混合管道内的混合肥液有效氮值；控制器分别与肥液泵的出液控制端、清水泵的出水控制端电连接；
灌溉装置，包括主灌溉管道、各支路灌溉管道和与支路灌溉管道对应的电磁阀；主灌溉管道的入液口连接肥液混合管道的肥液输出口；主灌溉管道的出液口通过电磁阀连接对应的支路灌溉管道；支路灌溉管道用于连接至对应的灌溉区；
如图9所示，水肥一体化系统控制方法包括：
步骤S100、控制器根据预设肥液配方以及获取到的混合肥液数据，确定水肥溶液配制方案；预设肥液配方包括预设的灌溉液有效氮值、灌溉液EC值和灌溉液pH值；混合肥液数据包括获取到的混合肥液EC值、混合肥液pH值以及混合肥液有效氮值；
步骤S200、控制器根据水肥溶液配制方案，发送第一供水指令给清水泵，并发送第一肥液指令给肥液泵；第一供水指令包括出水量、出水时间；第一肥液指令包括出液量、出液时间；
步骤S500、控制器发送灌溉指令给灌溉装置；灌溉指令用于指示灌溉装置将清水泵和肥液泵配制得到的混合肥液进行灌溉。
具体而言，预设肥液配方可包括预设的灌溉液有效氮值、灌溉液EC值、灌溉液pH值、各肥液罐中的基础肥液比例以及灌溉量等。预设肥液配方，可根据不同作物不同生长期的生长需求确定。
控制器根据水肥溶液配制方案，发送第一供水指令给清水泵，并发送第一肥液指令给肥液泵。第一供水指令，可用于指示清水泵的出水量、出水时间；第一肥液指令，可用于指示对应肥液泵的出液量、出液时间。
控制器发送灌溉指令给灌溉装置，控制灌溉装置将清水泵和肥液泵配制得到的混合肥液进行灌溉。配制得到的混合肥液，可依次通过肥液混合管道的肥液输出口、主灌溉管道和支路灌溉管道，输送到对应的灌溉区，给作物提供生长所需的混合肥液，实现自动灌溉，达到节水节肥的效果。
本申请实施例中，提供了一种水肥一体化系统控制方法，运用于水肥一体化系统，控制器根据预设肥液配方以及获取到的实时混合肥液数据，确定水肥溶液配制方案，并根据该水肥溶液配制方案，分别控制清水泵和肥液泵，使各肥液罐中的基础肥液与清水泵输出的灌溉水在肥液混合管道中混合，配制得到适宜浓度的混合肥液溶液，实现精准配肥，避免造成过度施肥等不当施肥，提高氮肥利用率。进而，控制器控制灌溉装置进行自动化灌溉，将配制得到的混合肥液输送到对应的灌溉区，提高水肥一体化技术的精准性和智能性，对减少设施农业面源污染、实现农业科学生产具有重要意义。
在一个实施例中，根据获取到的基质有效氮含量，确定预设肥液配方。其中，基质有效氮含量检测可采用可见近红外光谱漫反射分析技术，结合碱解扩散法等多种化学计量学方法，通过建立基质环境中有效氮含量的近红外光谱精确预测模型，快速得到基质有效氮含量。进而，根据准确得到的基质有效氮含量，确定预设肥液配方。在一个实施例中，基于水肥溶液有效氮浓度的近红外快速光谱精确预测模型，得到混合肥液有效氮值。所述水肥溶液有效氮浓度的近红外快速光谱精确预测模型，采用可见近红外光谱透射分析技术与化学计量学方法结合得到。示例性地，化学计量学方法包括靛酚蓝比色法。
在一个实施例中，如图10所示，控制器根据水肥溶液配制方案，发送第一供水指令给清水泵，并发送第一肥液指令给肥液泵的步骤之后，还包括步骤：
步骤S300、控制器根据获取到的实时混合肥液数据，发送第一供水调整指令给清水泵，并发送第一肥液调整指令给肥液泵，直至混合肥液数据满足预设肥液配方。
具体而言，控制器根据获取到的实时混合肥液数据，发送第一供水调整指令给清水泵，调整清水泵的出水量、出水时间；同时，控制器根据获取到的实时肥液数据，发送第一肥液调整指令给肥液泵，用以调整肥液泵的出液量、出液时间，调整肥液混合管道中的实时混合肥液EC值、混合肥液pH值以及混合肥液有效氮值，直至与预设肥液配方中的灌溉液有效氮值、灌溉液EC值和灌溉液pH值相同，通过清水泵和肥液泵配合得到所需混合肥液。然后，控制器控制灌溉装置，将配制得到的所需混合肥液注入对应的灌溉区，完成自动灌溉。
随着电化学、电磁、激光、光谱技术的发展，越来越多的新技术被应用于肥分快速检测。其中，由于近红外光谱技术丰富的物质分子结构信息，使其在肥分检测分析中得到广泛应用。例如，美国农业部Beltsville农业研究中心(USDA-ARS)在基于中红外漫反射光谱(MIRS)及近红外光谱(NIRS)的土壤环境污染快速检测方法及先进传感器技术研究领域取得了较好的研究结果；澳大利亚精细农业研究中心在土壤硝态氮光谱快速检测方面取得了较为可靠的预测模型。中国农业大学利用近红外光谱技术建立了2mm、0.15mm粒径的风干土全氮、碱解氮快速预测模型。成都理工大学研究发现近红外光谱与土壤全氮、碱解氮具有良好的相关性。
虽然国内外专家学者在土壤光谱检测领域已取得了不少的研究成果，但在基质快速检测领域还存在一些问题，主要如下：(1)肥分的迁移转化对基质快速检测模型的影响尚未完全探明，从而导致模型的适应性问题；(2)非破坏性快速提取现场基质样品光谱信息的难题尚未完全解决；(3)基质与土壤对检测模型的影响规律目前尚未完全探明。另外，针对基质环境中肥分含量与水肥溶液肥分浓度的现场快速检测建立，考虑基质吸附特性并根据作物栽培环境进行水肥一体化精准定量灌溉施肥的研究鲜见报道。而本申请实施例中，可基于近红外光谱检测技术，建立基质快速检测模型，根据基质有效氮现场检测数据确定基质中有效氮含量数据，并根据基质的基质对氮的吸附特性及迁移转化规律，确定基质中需添加的氮肥量，进而确定预设肥液配方，避免施肥过度，提高氮肥利用率。
在一个实施例中，以椰糠基质的精准配肥过程为例，如图11所示，根据椰糠基质有效氮现场检测数据，采用近红外光谱检测技术，采用反射方式采集椰糠基质近红外光谱数据，建立有效氮含量现场快速光谱精准预测模型，并根据得到的椰糠基质有效氮含量信息数据和椰糠基质对氮的吸附特性及迁移转化规律，确定需要在椰糠基质中添加的氮肥量，确定预设肥液配方。控制器根据预设肥液配方以及获取到的实时混合肥液数据，发送第一供水调整指令给清水泵，并发送第一肥液调整指令给肥液泵，以调整混合管道内各基础肥液和清水的混合比例，直到实时混合肥液数据与预设肥液配方中的灌溉液有效氮值、灌溉液EC值和灌溉液pH值相同，得到所需混合肥液。
在一个实施例，如图12所示，还包括步骤：
步骤S400、控制器在确认混合肥液数据满足预设肥液配方时，进行延时等待，并在完成延时等待时，确认延时等待后的混合肥液数据是否满足预设肥液配方；若不满足，发送第二供水调整指令给清水泵，并发送第二肥液调整指令给对应的肥液泵。
具体而言，在确认混合肥液数据满足预设肥液配方时，控制器进行延时等待，延时等待后再次确认混合肥液数据是否满足预设肥液配方，以确认当前的混合肥液满足预设肥液配方。若不满足，控制器发送第二供水调整指令给清水泵，可用于控制清水泵的出水量、出水时间；并发送第二肥液调整指令给对应的肥液泵，从而控制对应肥液泵的出液量、出液时间。
本申请实施例中，通过先后两次确认混合肥液数据是否满足预设肥液配方，避免因混合不充分造成误差，提高施肥灌溉精度。
在一个实施例中，控制装置还包括设于清水罐内的液位传感器；
液位传感器与控制器通信连接；液位传感器用于获取清水罐的实时液位；
如图13所示，控制器发送灌溉指令给灌溉装置；灌溉指令用于指示灌溉装置将清水泵和肥液泵配制得到的混合肥液进行灌溉的步骤之后，还包括步骤：
步骤S600、控制器根据获取到的实时液位，确认实时液位是否达到预设液位；若否，发送进水指令给清水罐的进水口开关；进水指令用于进水口开关导通。
具体而言，控制器在监测到实时液位未满足预设液位时，发送进水指令给清水罐的进水开关，以导通进水开关给清水罐注水，以保证供水装置能够正常、持续地提供灌溉、配液用水。
示例性地，设置延时等待时长为20秒。如图14所示，控制器在确认混合肥液数据满足预设肥液配方时，延时等待20秒，并在完成延时等待时，确认延时等待后的混合肥液数据是否满足预设肥液配方。若满足，控制器则发送灌溉指令给灌溉装置，由灌溉装置将配制得到的混合肥液注入对应的灌溉区。若不满足，控制器发送第二供水调整指令给清水泵，可用于控制清水泵的出水量、出水时间；并发送第二肥液调整指令给对应的肥液泵，从而控制对应肥液泵的出液量、出液时间。然后，控制器通过设于清水罐内的液位传感器监测液位是否达到预设液位。当监测到实时液位未满足预设液位时，控制器发送进水指令给清水罐的进水开关，以导通进水开关给清水罐注水，以保证供水装置能够正常、持续地提供灌溉、配液用水。
应该理解的是，虽然图9-14的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图9-14中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图15所示，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终口，其内部结构图可以如图15所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终口通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种水肥一体化系统控制方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图15中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
控制器根据预设肥液配方以及获取到的混合肥液数据，确定水肥溶液配制方案；预设肥液配方包括预设的灌溉液有效氮值、灌溉液EC值和灌溉液pH值；混合肥液数据包括获取到的混合肥液EC值、混合肥液pH值以及混合肥液有效氮值；
控制器根据水肥溶液配制方案，发送第一供水指令给清水泵，并发送第一肥液指令给肥液泵；第一供水指令包括出水量、出水时间；第一肥液指令包括出液量、出液时间；
控制器发送灌溉指令给灌溉装置；灌溉指令用于指示灌溉装置将清水泵和肥液泵配制得到的混合肥液进行灌溉。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
控制器根据预设肥液配方以及获取到的混合肥液数据，确定水肥溶液配制方案；预设肥液配方包括预设的灌溉液有效氮值、灌溉液EC值和灌溉液pH值；混合肥液数据包括获取到的混合肥液EC值、混合肥液pH值以及混合肥液有效氮值；
控制器根据水肥溶液配制方案，发送第一供水指令给清水泵，并发送第一肥液指令给肥液泵；第一供水指令包括出水量、出水时间；第一肥液指令包括出液量、出液时间；
控制器发送灌溉指令给灌溉装置；灌溉指令用于指示灌溉装置将清水泵和肥液泵配制得到的混合肥液进行灌溉。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线式动态随机存储器(Rambus DRAM，简称RDRAM)以及接口动态随机存储器(DRDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种水肥一体化系统，其特征在于，包括：
肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与所述肥液罐对应的肥液泵；所述肥液罐的出液口连接对应的所述肥液泵的入液口；所述肥液泵的出液口连接所述肥液混合管道的入液口；
控制装置，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮监测器；所述控制器分别与所述混合肥液监测器、所述混合肥液有效氮监测器通信连接；所述混合肥液监测器设于所述肥液混合管道内；所述混合肥液有效氮监测器用于获取肥液混合管道内的混合肥液有效氮值；所述控制器与所述肥液泵的出液控制端电连接；
供水装置；所述供水装置的出水口连接所述肥液混合管道的入水口；所述供水装置的出水控制端与所述控制器电连接；
灌溉装置，包括主灌溉管道和各支路灌溉管道；所述主灌溉管道的入液口连接所述肥液混合管道的肥液输出口；所述主灌溉管道的出液口分别连接各所述支路灌溉管道；所述支路灌溉管道用于连接至对应的灌溉区。
2.根据权利要求1所述的水肥一体化系统，其特征在于，所述混合肥液监测器包括设于所述肥液混合管道内的EC传感器、pH传感器；
所述控制器分别与所述EC传感器、所述pH传感器通信连接。
3.根据权利要求2所述的水肥一体化系统，其特征在于，所述供水装置包括：
清水罐；
清水泵；
所述清水罐的出水口连接所述清水泵的入水口；所述清水泵的出水口连接所述肥液混合管道的入水口；所述清水泵的出水控制端与所述控制器电连接；
所述控制装置还包括设于所述清水罐内的液位传感器；
所述液位传感器与所述控制器通信连接。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的水肥一体化系统，其特征在于，所述控制器包括控制组件、处理器；
所述控制组件与所述处理器电连接；所述控制组件可用于获取预设肥液配方；
所述处理器分别与所述混合肥液监测器、所述混合肥液有效氮监测器通信连接；所述处理器分别与所述供水装置的出水控制端、所述肥液泵的出液控制端电连接。
5.一种水肥一体化系统控制方法，其特征在于，运用于水肥一体化系统，
所述水肥一体化系统，包括：
肥液配制装置，包括肥液混合管道、各肥液罐以及与所述肥液罐对应的肥液泵；所述肥液罐的出液口连接对应的所述肥液泵的入液口；所述肥液泵的出液口连接所述肥液混合管道的入液口；
供水装置；所述供水装置包括清水罐和清水泵；所述清水罐的出水口连接所述清水泵的入水口；所述清水泵的出水口连接所述肥液混合管道的入水口；
控制装置，包括控制器、混合肥液监测器和混合肥液有效氮监测器；所述控制器分别与所述混合肥液监测器、所述混合肥液有效氮监测器通信连接；所述混合肥液监测器设于所述肥液混合管道内；所述混合肥液监测器用于获取所述肥液混合管道内的混合肥液EC值、混合肥液pH值；所述混合肥液有效氮监测器用于获取所述肥液混合管道内的混合肥液有效氮值；所述控制器分别与所述肥液泵的出液控制端、所述清水泵的出水控制端电连接；
灌溉装置，包括主灌溉管道、各支路灌溉管道和与支路灌溉管道对应的电磁阀；所述主灌溉管道的入液口连接所述肥液混合管道的肥液输出口；所述主灌溉管道的出液口通过所述电磁阀连接对应的所述支路灌溉管道；所述支路灌溉管道用于连接至对应的灌溉区；
所述水肥一体化系统控制方法包括：
所述控制器根据预设肥液配方以及获取到的混合肥液数据，确定水肥溶液配制方案；所述预设肥液配方包括预设的灌溉液有效氮值、灌溉液EC值和灌溉液pH值；所述混合肥液数据包括获取到的所述混合肥液EC值、所述混合肥液pH值以及所述混合肥液有效氮值；
所述控制器根据所述水肥溶液配制方案，发送第一供水指令给所述清水泵，并发送第一肥液指令给所述肥液泵；所述第一供水指令包括出水量、出水时间；所述第一肥液指令包括出液量、出液时间；
所述控制器发送灌溉指令给所述灌溉装置；所述灌溉指令用于指示所述灌溉装置将所述清水泵和所述肥液泵配制得到的混合肥液进行灌溉。
6.根据权利要求5所述的水肥一体化系统控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述水肥溶液配制方案，发送第一供水指令给所述清水泵，并发送第一肥液指令给所述肥液泵的步骤之后，还包括步骤：
所述控制器根据获取到的实时混合肥液数据，发送第一供水调整指令给所述清水泵，并发送第一肥液调整指令给所述肥液泵，直至所述混合肥液数据满足所述预设肥液配方。
7.根据权利要求6所述的水肥一体化系统控制方法，其特征在于，还包括步骤：
所述控制器在确认所述混合肥液数据满足所述预设肥液配方时，进行延时等待，并在完成所述延时等待时，确认延时等待后的混合肥液数据是否满足所述预设肥液配方；若不满足，发送第二供水调整指令给所述清水泵，并发送第二肥液调整指令给对应的所述肥液泵。
8.根据权利要求5至7任意一项所述的水肥一体化系统控制方法，其特征在于，所述控制装置还包括设于所述清水罐内的液位传感器；
所述液位传感器与所述控制器通信连接；所述液位传感器用于获取所述清水罐的实时液位；
所述控制器发送灌溉指令给所述灌溉装置；所述灌溉指令用于指示所述灌溉装置将所述清水泵和所述肥液泵配制得到的混合肥液进行灌溉的步骤之后，还包括步骤：
所述控制器根据获取到的所述实时液位，确认所述实时液位是否达到预设液位；若否，发送进水指令给所述清水罐的进水口开关；所述进水指令用于所述进水口开关导通。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5至8任意一项所述的水肥一体化系统控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5至8任意一项所述的水肥一体化系统控制方法的步骤。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202010166342.6A CN111213471A (zh) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | 水肥一体化系统及控制方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111213471A true CN111213471A (zh) | 2020-06-02 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114402968A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-04-29 | 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 | 一种沼液灌溉施肥系统及其应用 |
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2020
- 2020-03-11 CN CN202010166342.6A patent/CN111213471A/zh active Pending
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