CN111527858A - 一种水肥一体化施肥装置及灌溉施肥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水肥一体化施肥装置及灌溉施肥的方法，该水肥一体化施肥装置包括储肥罐，与所述储肥罐连通的施肥管，设置于所述施肥管上将肥液输出到灌水流道的电动泵，根据设定的水肥比和灌水流道的实时流量控制电动泵输出流量的控制装置。该灌溉施肥的方法，包括以下步骤：控制装置获取待灌溉施肥区的水位信息，对比所测水位与田面土壤高程的关系，选择相应的施肥模式进行灌溉与施肥；控制装置根据设定的水肥比及灌溉流道内实时水流的流量控制电动泵输出对应肥液的实时流量。本发明能够根据田间水分状况，选择等比例施肥或变比例施肥等合适的施肥模式，达到均匀施肥的目的，对于实现大田水肥高质量管理具有重要意义。

Description

一种水肥一体化施肥装置及灌溉施肥的方法

技术领域

本发明涉及一种施肥装置，尤其涉及一种水肥一体化施肥装置及灌溉施肥方法。

背景技术

水肥一体化施肥装置已经广泛应用于农业生产领域，目前常见的水肥一体化施肥装置有混肥池-泵、罐装施肥车、移动式施肥机、小型人背施肥筒等。其中混肥池-泵占地面积大，人力投入过高；施肥车易损坏田间作物且不适宜于水稻田；移动式施肥机结构庞大，需铺设较多轨道以满足使用，前期投入成本过高；小型人背施肥筒效率低，人力成本高。并且，以上所述现有的水肥一体化施肥装置均无法根据灌水流量的变化，进行施肥量的实时控制，无法根据渠道灌水来实现整个灌水过程的水肥可控性，难以实现施肥效果的均匀化目标。

发明内容

发明目的：本发明的第一个目的是提供一种能够根据渠道输水流量来实时控制施肥流量，从而调控施肥过程中水肥比例的水肥一体化施肥装置；

本发明的第二个目的是提供一种利用水肥一体化施肥装置进行灌溉施肥的方法。

技术方案：本发明的水肥一体化施肥装置，包括储肥罐，与所述储肥罐连通的施肥管，设置于所述施肥管上将肥液输出到灌水流道的电动泵，根据设定的水肥比和灌水流道的实时流量控制电动泵输出流量的控制装置。

为了填补渠道灌区大田范围内的水肥一体化施肥领域的技术空白，实现大田范围内水肥高质量管理及进一步降低农业劳动力，所述灌水流道为灌溉渠道或农田灌溉进水口。

为了便于监测灌水流道的流量，尤其是灌溉渠道或农田灌溉进水口水流过流处的流量，在所述灌水流道处设有用于获取过流处流量的测流堰，在所述测流堰的上游设有用于监测灌水流道实时水位的测流液位计。

为了实时控制灌水流道的流通情况，在所述测流堰的上游设有与控制装置连接用于控制放水的闸门。

优选地，所述电动泵包括由步进电机驱动的蠕动泵，一方面，解决了输送肥料的动力问题，另一方面，可以建立步进电机转动角度与抽肥量的关系，通过控制步进电机的转动角度，实现施肥量的精确控制，同时，通过转动角度的记数，实现施肥量的记录，达到测量与控制一体化的效果。

优选地，所述储肥罐内设有用于监测储肥罐内液位的肥液余量监测液位计，能够实时监控储肥罐内的肥液余量，当监测到肥料不足后，能够及时地通过闸门止住灌水，避免在储肥罐内没有肥液的情况下仍对待灌溉施肥区进行灌溉，影响田间肥料浓度分布以及补肥后续进行水肥一体化施肥。

优选地，为了实时监测待灌溉施肥区比如田间的水位情况，获取田间初始水位与灌溉过程中水位，本发明装置还包括放置于田间与所述控制装置连接的田间液位计，所述控制装置根据田间液位计监测的水位信息与设定的目标水位对比，用于实时监测灌溉进度。一次灌溉过程中，施肥量和灌水量已知，可转换为单位田块面积内所需的灌水深度，即目标水位。此外，还可直接在控制装置里输入目标水位。随着灌水的进行，水深在逐渐增大，田间液位计实时监测田块内的水位，与所定的目标水位比较，即得到该时刻下的灌水进度。同样的，肥料随水一起灌溉，故灌水进度与施肥进度保持一致。

为了使施肥管向灌水流道输送的肥液与水流能够快速充分混合，所述施肥管末端设有布液管路，所述布液管路沿所述灌溉流道内水流的垂直方向设置，所述布液管路上间隔设有出液孔。

优选地，所述控制装置包括单片机，与单片机连接用于实现智能控制的人机交互模块。所述人机交互模块包括显示单元、通讯单元、数据存储单元和输入单元。所述输入单元包括用于输入灌溉量和施肥量输入单元及用于输入水肥比例的数据输入单元。所述输入单元还可以用于输入灌溉的田块面积、灌溉进程各阶段的水肥比例等信息，用于等比例、变比例施肥模式调用。

优选地，所述显示单元显示的内容包括渠道水位、灌溉进程、施肥进程、灌溉面积及灌溉剩余时间。

本发明利用上述水肥一体化施肥装置进行灌溉施肥的方法，包括以下步骤：

(S1)在控制装置内输入目标灌水量与施肥量，控制装置获取待灌溉施肥区的水位信息，对比所测水位与田面土壤高程的关系，选择相应的施肥模式进行灌溉与施肥；

(S2)控制装置根据设定的水肥比及灌溉流道内水流的实时流量控制电动泵输出对应肥液的实时流量；

(S3)输入到灌溉流道内的肥液与水流混合后，流入待灌溉施肥区进行灌溉与施肥；

(S4)累积灌溉量达到设定灌溉量以后，施肥量同步达到设定的施肥量，控制装置控制电动泵停止，同时控制闸门关闭，停止施肥与灌溉。

优选地，步骤(S1)中，所述相应的施肥模式包括：

当所述水位低于田面土壤高程时，控制装置控制电动泵关闭，实施灌溉；

当所述水位等于田面土壤高程时，控制装置内设置一个灌溉施肥阶段，以固定的水肥比进行灌溉施肥；

当所述水位高于田面土壤高程时，控制装置内设置两个或两个以上的灌溉施肥阶段，每个所述阶段设置相同或不同的水肥比；

通过设定每个所述灌溉施肥阶段的灌溉量和施肥量来确定对应的水肥比。

有益效果：本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、能够根据实时的灌溉流道水流量来控制施肥量，从而实时控制整个施肥过程中水肥比例，实现等比例施肥或变比例施肥目的；2、能够根据田间初始水位，选择等比例施肥或变比例施肥等合适的施肥模式，达到均匀施肥的目的；3、通过控制装置中的输入单元能够在不同施肥时间段内设定不同的水肥比例，从而实现变比例施肥，满足更多需求同时能使田间肥料分布更均匀；4、能够根据田间水位信息监测渠道灌溉实际进程，可以进行剩余灌水时间推算，对单片机所计算的灌溉进度进行对比修正；5、灌溉施肥全过程自动执行与停止，实现无人值守，对于实现大田范围内灌溉施肥高效管理及进一步降低农业劳动力需求具有重要意义，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，其中，1、储肥罐，2、电动泵，3、抽肥管，4、施肥管，5、单片机，6、通讯单元，7、显示单元，8、电源，9、罩体，10、测流液位计，11、肥液余量监测液位计，12、测流堰，13、闸门，14、渠道，15、布液管路。本发明的适用于渠道灌区的水肥一体化智能施肥装置，包括储肥罐1，用于存储液态肥，固态肥料可以先溶解后形成液态肥，再通过注肥孔(未示出)注入到储肥罐1里面，以备施肥使用。储肥罐1的材质优选采用隔热性能好、耐化学腐蚀的硬质塑料，优选为沿高度方向截面积相等的结构。伸入肥液内的抽肥管3，材质选用柔性耐腐蚀材质管道，抽肥管3底端为多孔结构，能够触及储肥罐的底部，抽肥管3顶端与电动泵2输入端连接。电动泵2输出端连接有施肥管4。。

控制装置根据设定的水肥比和灌水流道的实时流量控制电动泵2的输出流量。本实施例中电动泵2为步进电机驱动的蠕动泵，，稳固安装于储肥罐1内部。施肥管包括抽肥管3和出肥管4，出肥管4末端设有布液管路15，布液管路15沿灌溉流道内水流的垂直方向设置，布液管路15上间隔设有出液孔。蠕动泵进液口连接有抽肥管3，蠕动泵出液口连接有出肥管4，蠕动泵通过抽肥管3将液态肥抽出，然后通过出肥管4与布液管路15将液态肥排出至灌水流道内进行施肥灌溉。储肥罐1内设有用于监测储肥罐1内液位的肥液余量监测液位计11。

灌水流道可以为灌溉渠道14或农田灌溉进水口，对农田进行灌溉。灌水流道过流处设有用于获取过流处流量的测流堰12，测流堰12位于出肥管4所处渠道下游，肥液、水混合流体经过测流堰12后形成水跌，进而形成紊流提高水肥混合效果。在测流堰的上游设有用于监测灌水流道实时水位的测流液位计。在测流堰12的上游设有与控制装置连接用于控制放水的闸门13。

储肥罐1的顶端安装有控制装置，放置于罩体9内的支架上，本发明装置还包括放置于田间与控制装置连接的田间液位计(图中未示出)，控制装置根据田间液位计监测的水位信息与设定的目标水位对比，用于实时监测灌溉进度。本实施例的控制装置包括单片机5，并连接蠕动泵。控制装置依据渠道14内的水位信息，实时计算灌溉流量，调节蠕动泵的单位时间输肥量，实现对水肥比例的实时控制。单片机5上连接有电源8、输入单元(图中未示出)、显示单元7与通讯单元6，电源8通过线缆与其他部件连接为本装置包含的所有电子器件供电。本实施例的输入单元为键盘，用于施肥过程中的指令输入，其中通过键盘可以键入本次的灌水量、施肥总量、田块面积、灌溉进程中各阶段的灌溉量、施肥量；键盘具体包括五个按键:确认键ENTER、返回键ESC、加UP、减DOWN、菜单键FILE。本实施例的显示单元7为显示器，可显示灌水进程、施肥进程、储肥罐内剩余肥量等关键数据；通讯单元6可以是有线或无线通讯单元，用于实现上位机与远程服务器通信。施肥控制分周期进行，周期开始时，单片机5通过测流液位计10测得渠道14渠道水位数据，通过水位-流量关系计算得到渠道14实时流量数据，根据本阶段的水肥比计算得到本周期施肥量，进而根据施肥量与蠕动泵关系计算蠕动泵在单位时间内转动角度，并控制蠕动泵在本周期内转动上述角度，实现泵送对应体积的肥料，完成本周期的施肥。本实例中周期设定为1S。

如图2所示，利用上述的渠道灌区水肥一体化智能施肥装置，进行等比例灌溉施肥方法，包括以下步骤：

在灌溉与施肥前，通过输入单元向控制装置输入本次目标灌溉量与目标施肥量，并根据安置于田间的田间液位计反馈测量的田间初始水位，与储存于单片机5内的田面土壤高程进行对比：

(1)当田间初始水位低于田面土壤高程时，此时单片机5控制启动测流堰12上游的闸门13，关闭蠕动泵，只进行灌溉动作。田间液位计保持1秒/次的监测频率对田间水位进行观测并传输至单片机5。当田间液位计测得田间水层深度等于田面土壤高程时，蠕动泵启动，开始抽肥动作，按照等比例施肥模式进行工作，此时水肥比为剩余灌溉量与目标施肥量之比；

(2)当田间水位等于所设定的正常地下水位时，按照等比例模式进行施肥，此时的水肥比为目标灌溉量与目标施肥量之比；

(3)当田间水位大于所设定的正常地下水位时，进行分阶段变比例施肥，优选按照肥液浓度先浓后淡的模式进行施肥。

本实施例所述的等比例模式具体操作步骤如下：

1、将本发明装置放置于灌溉渠道14旁的平整的地块上；

2、预先准备好液态肥，并向储肥罐1中灌装肥液：

在灌水施肥动作开始前，需要先行判断储肥罐1现有肥量与施肥总量的大小，具体实现方式为：先由肥液余量监测液位计11监测储肥罐1储肥量，将数据传输至单片机5进行判断；若肥料量满足使用，同时单片机5通过测流液位计10测得该时刻下渠道14流量，并发送指令启动蠕动泵，进行施肥动作；若肥料量不满足使用需要，则单片机5暂不发送开启蠕动泵的指令，由显示器报告缺肥信息，提示进行肥液灌装。待完成注肥后再重复上述判断过程，直至储肥罐1内的肥量满足施肥需求，单片机5才发送指令启动蠕动泵，进行施肥动作。在施肥过程中，肥液余量监测液位计11实时监测储肥罐1现有储肥量，记录储肥罐1现有储肥量并及时存储至SD卡，数据保持1秒/次的刷新频率。

3、预先输入该次灌水施肥过程的灌水总量Q₁和施肥总量q₁，记肥料与灌溉水比例

整个灌水周期中，K值保持不变；

4、通过测流液位计10测得周期开始时渠道14输水流量Q₂，将数据传输至单片机5，则可计算出本周期应施肥量q₂＝Q₂×K。所述周期为1S，所有数据保持1秒/次的刷新频率，已灌水量与施肥量在每周期结束时进行累加；

5、单片机5记录累计灌水量Q_累和累计施肥量q_累，同时将数据保存至SD卡，且于显示器上呈现灌水进程、施肥进程；

6、根据预先键入灌水总量Q₁和施肥总量q₁，可计算出剩余灌水量和施肥量：

Q_余＝Q₁-Q_累

q_余＝q1-q_累

预估施肥时间:

上式中：Q_余-剩余灌水量；

Q₂-该时刻下渠道输水流量；

t-预计本次灌水时长；

在装置使用过程中，整套设备的能源供应采用电池供应。

位于田间内部的田间液位计能够及时读取每时刻田间内部水层深度，并与灌水完成时田间水深进行对比，能够计算施肥进程，并与步骤5所述灌水进程形成对照，减少误差。

在装置使用过程中，单片机5所处理的数据全部通过通讯单元6传输至云端保存，以便保存和后续查询。

利用上述的渠道灌区水肥一体化智能施肥装置，进行变比例施肥的方法，包括以下步骤：

在上述等比例施肥方法的基础上，进行分段变比例灌溉施肥，需要：通过键盘，为单片机5设置本次灌水和施肥两个动作的分段信息，灌水分段数与施肥分段数一致，在键盘上可输入各分段内灌水份额及施肥份额。单片机5根据分段内灌水、施肥份额，计算各分段内灌水量、施肥量，并发送指令给蠕动泵，控制抽肥动作。

具体的分段设置如下：

(1)通过键盘的UP、DOWN键可以上下翻动初始界面，选择性显示相关数值；其中，最上面一层显示的时间栏固定；可以依次下翻、上翻进行查看；预定显示渠道水位、灌水进程、灌溉面积、施肥进程、剩余时间这五项。点击FILE键进入菜单界面后可按动DOWN、UP键上下翻动。

(2)进入菜单，如选中FC，即变比例施肥这一栏目，需要分两段或两段以上进行灌溉与施肥，则按ENTER键，进入下一级菜单。该栏目下共三行项目，第一行为：Q_水、第二行为：Q_肥、第三行为：分段设置。其中前两行的Q_水、Q_肥，单位分别是m³、L，这两个字符长驻屏幕，其后需要使用UP、DOWN两个键完成具体数值的输入作为目标灌水量与目标施肥量。待数据输入完成后，按下ENTER，数据保存至SD卡，同时供单片机5调用。

(3)下翻至分段设置栏，按ENTER键进入菜单。该栏目下，内容共两列，第一行左为Q_水、右为Q_肥，该行长驻屏幕。按DOWN后光标移至第二行第一列Q_水，起始值为0，该数值为00-100％可用UP、DOWN两个键完成数值的输入。分段无具体段数设置，当完成分段后，例如分5段，则第六行，即第五段分段输入完成，按ENTER键进行该行数值确认，再按ENTER键完成分段设置。按ESC键可返回FILE内部菜单。

同理，如选中EP，即等比例施肥这一栏目，只需分一段进行灌溉与施肥，需要键入Q_水、Q_肥数值，完成后按ENTER键，数据保存至SD卡，以供单片机5调用。

Claims (10)

1.一种水肥一体化施肥装置，其特征在于，包括储肥罐(1)，与所述储肥罐(1)连通的施肥管，设置于所述施肥管上将肥液输出到灌水流道的电动泵(2)，根据设定的水肥比和灌水流道的实时流量控制电动泵(2)输出流量的控制装置。

2.根据权利要求1所述的水肥一体化施肥装置，其特征在于，所述灌水流道为灌溉渠道(14)或农田灌溉进水口。

3.根据权利要求2所述的水肥一体化施肥装置，其特征在于，在所述灌水流道处设有用于获取过流处流量的测流堰(12)，在所述测流堰(12)的上游设有用于监测灌水流道实时水位的测流液位计(10)。

4.根据权利要求3所述的水肥一体化施肥装置，其特征在于，在所述测流堰(12)的上游设有与控制装置连接用于控制放水的闸门(13)。

5.根据权利要求1所述的水肥一体化施肥装置，其特征在于，所述电动泵(2)包括由步进电机驱动的蠕动泵。

6.根据权利要求1所述的水肥一体化施肥装置，其特征在于，所述储肥罐(1)内设有用于监测储肥罐(1)内液位的肥液余量监测液位计(11)。

7.根据权利要求1所述的水肥一体化施肥装置，其特征在于，还包括放置于田间与所述控制装置连接的田间液位计，所述控制装置根据田间液位计监测的水位信息与设定的目标水位对比，用于实时监测灌溉进度。

8.根据权利要求1所述的水肥一体化施肥装置，其特征在于，所述施肥管末端设有布液管路(15)，所述布液管路(15)沿所述灌溉流道内水流的垂直方向设置，所述布液管路(15)上间隔设有出液孔。

9.一种利用权利要求1所述水肥一体化施肥装置进行灌溉施肥的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)在控制装置内输入目标灌水量与施肥量，控制装置获取待灌溉施肥区的水位信息，对比所测水位与田面土壤高程的关系，选择相应的施肥模式进行灌溉与施肥；

(S2)控制装置根据设定的水肥比及灌溉流道内水流的实时流量控制电动泵输出对应肥液的实时流量；

(S3)输入到灌溉流道内的肥液与水流混合后，流入待灌溉施肥区进行灌溉与施肥。

10.根据利用权利要求9所述的灌溉施肥的方法，其特征在于，步骤(S1)中，所述相应的施肥模式包括：

当所述水位低于田面土壤高程时，控制装置控制电动泵关闭，实施灌溉；

当所述水位等于田面土壤高程时，控制装置内设置一个灌溉施肥阶段，以固定的水肥比进行灌溉施肥；

当所述水位高于田面土壤高程时，控制装置内设置两个或两个以上的灌溉施肥阶段，每个所述阶段设置相同或不同的水肥比；

通过设定每个所述灌溉施肥阶段的灌溉量和施肥量来确定对应的水肥比。

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