CN113228910B - 一种稻田节水节肥智能调控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稻田节水节肥智能调控装置，属于稻田节水节肥领域，一种稻田节水节肥智能调控装置，包括云端、通信单元、监测单元和执行单元，云端包括数据库、决策单元以及显控单元；监测单元用于获取稻田数据，并实时的将获取到的数据传输到后台服务端；它通过决策单元接收管理人员的远程/本地指令，判断指令的类型后将采集参数指令发送给监测单元，以实现信息采集功能，并将采集到的参数转发给显控单元，以供管理人员查看或提供决策辅助方案；或者决策单元将灌溉和施肥指令发送给执行单元，依据管理人员的控制指令控制水闸设备自动灌溉、随水施肥；从而实现提水、输水、灌水、排水、给肥、水肥混合一体化联网的运行。
Description
技术领域
本发明涉及稻田节水节肥领域，更具体地说，涉及一种稻田节水节肥智能调控装置。
背景技术
水稻是我国最主要的粮食作物之一，我国是一个农业大国，在全国各地很多地区都种植有水稻，同时我国也是一个淡水资源比较贫乏的国家，人均淡水资源仅为世界平均的1/4，在水稻种植中需用到大量的水，因此贫乏的水资源与水稻种植之间存在一定冲突性。
目前市场上，许多人在种植水稻时，用水用肥具有很大的随意性，不仅会浪费大量的水资源及肥料，而且还导致水稻产量不高，不能做到科学种植。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种稻田节水节肥智能调控装置。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种稻田节水节肥智能调控装置，包括云端、通信单元、监测单元和执行单元，所述云端包括数据库、决策单元以及显控单元；监测单元用于获取稻田数据，并实时的将获取到的数据传输到后台服务端；执行单元响应决策单元自动生成的或转发的指令，对施肥灌溉的肥料进行搅拌处理，同时控制施肥；数据库、显控单元以及决策单元两两间通过通信单元实现通信；显控单元接收管理人员输入的控制指令，通过通信单元发送给决策单元，同时接受信息，通过文字、图像、视频的方式为管理人员呈现；决策单元是核心单元，通过通信单元连接监测单元和执行单元，决策单元接收管理人员的远程/本地指令，判断指令的类型后将采集参数指令发送给监测单元，以实现信息采集功能，并将采集到的参数转发给显控单元，以供管理人员查看或提供决策辅助方案；或者决策单元将灌溉和施肥指令发送给执行单元，依据指令控制水闸设备自动灌溉、随水施肥；数据库为决策单元做外部的支持。
进一步的，所述稻田两侧分别设置有进水渠和排水渠；进水渠在农田需水时由提水泵从蓄水池中提水灌溉；排水渠在农田排水时收集多余水排放至蓄水池中；所述执行单元包括智能水闸和施肥装置；所述智能水闸包括分别设置在进水渠和排水渠的田埂上、数量不止一个的进水闸和排水闸，以及在两相邻稻田连接位置设置的分田水闸。
进一步的，所述施肥装置包括肥料桶壳、输气机构、管道本体、连接机构和混动板；所述输气机构安装在肥料桶壳外侧，其两侧壁分别接入管道本体两端；所述管道本体贯穿肥料桶壳两相对侧壁；管道本体上设有弹性部，所述弹性部位于肥料桶壳的内侧并通过连接机构与混动板固定；所述混动板与肥料桶壳的内底壁连接；当所述输气机构向管道本体输气时，弹性部形变通过连接机构拉动混动板活动，对肥料桶壳底部搅动。
进一步的，所述肥料桶壳包括分别设置在其上端和下端的加料口和施肥口，所述施肥口内侧安装有电磁阀。
进一步的，所述输气机构包括输气通道、出气通道、变速风扇、位于管道本体与输气通道连接处的第一单向阀以及与出气通道连接处的第二单向阀，输气通道与第一输气硬管相通，出气通道与第二输气硬管相通，所述第一单向阀只能沿着远离输气通道的方向出风，所述第二单向阀只能沿着靠近出气通道处进风；所述变速风扇的中部通过转轴转动连接在出气通道的内侧壁上，且变速风扇位于靠近第二单向阀处，使得第二单向阀进风推动变速风扇转动。
进一步的，所述转轴包括前转动杆和后转动杆，后转动杆的前端开设有不规则凹槽，所述后转动杆远离前转动杆的一侧设有电机，所述电机输出轴上开设有供所述后转动杆插设的滑道；前转动杆固定有与凹槽相匹配的定位块，所述凹槽内底端和定位块之间连接有电动伸缩杆，所述前转动杆与出气通道内壁转动连接。
进一步的，所述管道本体包括输气软管、第一输气硬管、第二输气硬管和补偿管；所述第一输气硬管、输气软管、补偿管和第二输气硬管依次固定；所述输气软管是弹性部；所述输气软管和补偿管均位于肥料桶壳的内侧；所述第一输气硬管远离输气软管的一端贯穿肥料桶壳侧壁与输气机构固定；所述第二输气硬管远离补偿管的一端贯穿肥料桶壳侧壁与输气机构固定。
进一步的，所述连接机构包括数量至少一个拉绳或连接杆，进一步的，所述混动板包括数量至少一个抖动片，所述抖动片通过连接机构与管道本体的弹性部连接。
进一步的，所述监测单元包括设置在稻田内部，用于精确测量和监控水肥状态的数量不止一个的传感器。
进一步的，所述传感器可以是水位传感器、流速传感器、视频传感器、土壤墒情传感器以及土壤氮磷钾传感器中的一个或两个以上。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
一、本方案通过决策单元接收管理人员的远程/本地指令，判断指令的类型后将采集参数指令发送给监测单元，以实现信息采集功能，并将采集到的参数转发给显控单元，以供管理人员查看或提供决策辅助方案；或者决策单元将灌溉和施肥指令发送给执行单元，依据管理人员的控制指令控制水闸设备自动灌溉、随水施肥；从而实现提水、输水、灌水、排水、给肥、水肥混合一体化联网的运行。
二、本方案通过对施肥装置的设计，在灌溉前，通过管理人员向执行单元发出指令，向管道本体内充入气体，气体通过第一单向阀进入，使弹性部拉长挤压补偿管，然后从第二单向阀排出，推动变速风扇，变速风扇转动会改变气体排出速度，从而使得弹性部在肥料桶壳内不断的波动，拉动抖动片浮动，对底部的水肥料进行搅动，带动肥料晃动，提高溶解速度。
三、本方案的变速风扇中部的转轴采用前转动杆和后转动杆结合，使得变速风扇除由风力推动转动外，还可以人为由电机来控制，只需通过对电动伸缩杆的缩短将前转动杆套入后转动杆内侧，使其同步转动，即可利用电机对后转动杆的转动来带动前转动杆上的变速风扇一起转动。
附图说明
图1为本发明的结构模块图；
图2为本发明的智能灌排流程图；
图3为本发明的精准施肥流程图；
图4为本发明施肥装置的立体结构示意图，其中抖动片为两个；
图5为本发明施肥装置的立体结构示意图，其中抖动片为两个以上；
图6为本发明施肥装置的正面结构示意图；
图7为图6中A处结构示意图；
图8为本发明的转轴处立体结构示意图；
图9为本发明的转轴处正面结构示意图；
图10为本发明电动伸缩杆缩短后，转轴处正面结构示意图。
图中标号说明：
1云端、11数据库、12决策单元、13显控单元、2通信单元、3监测单元、4执行单元、4a智能水闸、4a1进水闸、4a2排水闸、4a3分水田闸、4b施肥装置、41肥料桶壳、4b-1加料口、4b-2施肥口、42输气机构、421输气通道、422出气通道、423转轴、4231前转动杆、4232后转动杆、4233定位块、4234电动伸缩杆、43管道本体、431输气软管、432第一输气硬管、433补偿管、434输气硬管、44连接机构、45混动板、45-1抖动片。
具体实施方式
实施例1：
请参阅图1-7，一种稻田节水节肥智能调控装置，包括云端1、通信单元2、监测单元3和执行单元4，云端1包括数据库11、决策单元12以及显控单元13。
监测单元3用于获取稻田数据，并实时的将获取到的数据传输到后台服务端；监测单元包括设置在稻田内部，用于精确测量和监控水肥状态的数量不止一个的传感器；可以是水位传感器、流速传感器、视频传感器、土壤墒情传感器以及土壤氮磷钾传感器中的一个或两个以上；水位传感器安装在稻田的灌渠里，对比监测到的水位高度与灌渠的警戒线后，进行灌溉或排水；流速传感器用于监测一段时间内水和肥的流速，放置在闸门附近的灌渠中和滴肥管道的出口位置，为控制水闸闸门和滴肥管的开关提供参数，从而调节灌溉用水用肥的流量；视频传感器实时获取水稻的生长情况，用于统计历史数据，获取规律，便于支持辅助决策系统；土壤墒情传感器放置在稻田中，将获取到土壤的墒情土壤湿度的情况等数据传输给决策处理模块，为调控系统提供是否需要灌溉做依据；土壤氮磷钾传感器监测稻田中的氮磷钾的含量，放置在稻田的四角和中心位置，可以判断作物多肥少肥的情况，给决策处理模块传输数据。
执行单元4响应决策单元12自动生成的或转发的指令，对施肥灌溉的肥料进行搅拌处理，同时控制施肥，具体的。
数据库11、显控单元13以及决策单元12两两间通过通信单元2实现通信；当显控单元为服务器时为网络通信，通信单元与显控单元通过TCP/IP协议实现通信；当显控单元为便携式移动设备时，该通信为GPRS或4G通信模块，与决策单元通过USB2.0或RS232(RS485)协议；显控单元13接收管理人员输入的控制指令，通过通信单元2发送给决策单元12，同时接受信息，通过文字、图像、视频的方式为管理人员呈现。
决策单元12是核心单元，通过通信单元2连接监测单元3和执行单元4，决策单元12接收管理人员的远程/本地指令，判断指令的类型后将采集参数指令发送给监测单元3，以实现信息采集功能，并将采集到的参数转发给显控单元13，以供管理人员查看或提供决策辅助方案；或者决策单元12将灌溉和施肥指令发送给执行单元4，依据管理人员的控制指令控制水闸设备自动灌溉、随水施肥；从而实现提水、输水、灌水、排水、给肥、水肥混合一体化联网的运行；数据库11为决策单元12做外部的支持。
稻田两边分别设置有进水渠和排水渠；进水渠在农田需水时由提水泵从蓄水池中提水灌溉；排水渠在农田排水时收集多余水排放至蓄水池中；执行单元4包括智能水闸4a和施肥装置4b；智能水闸4a包括分别设置在进水渠和排水渠的田埂上、数量不止一个的进水闸4a1和排水闸4a2，以及在两相邻稻田连接位置设置的分田水闸4a3。
请参阅图2，通过水位传感器和土壤墒情传感器获取到田间的水位高度/土壤的湿度，系统的专家知识库依据当前气象、水稻生长时期等条件计算出目前水田标准的水位高度/土壤湿度，从而判断水田进行进水操作还是排水操作。
以上述的田间水位高度/土壤墒情为控制目标作为系统的输入，系统根据水田的面积和专家知识库给出的标准水位高度/土壤墒情，获取当前水田所需的进水量/排水量；以控制闸体升降高度为输出，达到灌排水量的精准测算，结合系统的智能调控形成一套水回收，水循环的灌溉流程。
1进水量计算
根据气象条件、水稻生长时期等条件可知水田目前标准水位深度为h标，水稻面积s田，通过田间的水位传感器获取实时水位深度h实，计算需水量m进：
m进＝(h标-h实)*s田
进水闸开启时，通过流速传感器可知进水的流速V进，闸体开启的横截面积为s闸，计算进水时间t进：
进水时间t进为进水闸的闭合条件。
2排水量计算
通过田间的水位传感器可知目前水位和标准水位的高度差为h差，根据水稻面积s田，可计算排水量m排：
m排＝h差*s田
已知排水闸开启时闸体的面积s闸和排水流速V排，计算排水时间t排：
排水时间t排为排水闸的闭合条件。
请参阅图3，当水田需要施肥时，系统通过氮磷钾传感器获取到田间土壤中氮磷钾的含量，再根据当前水稻的类型、生长时期等条件使用专家知识库计算出目前水田总的需肥量；由于随水施肥，若田间水位处于标准范围内，需要先进行排水，再开始随水施肥。
随水施肥基于以进水的情况判断施肥时间；水肥同等配对，水结束，肥结束；已知需肥量和进水量，云端1计算出水肥流量的系数比，以水的流量控制肥的流量，使得田地水位达到标准高度时所需的肥料也滴落完成。
依据水田面积、实时测量数据及专家库知识计算判断所需肥料的类型和
质量，换算成液态肥的体积L肥；施肥时，由于是随水施肥，需要开启进水水闸，让液态肥随着进水闸的灌溉水融入水田；若水田水位已达到标准水位线，需先进行排水，再开始随水施肥。
根据进水量计算可以得出当前进水时间t进，通过需肥量的体积L肥计算出液态肥的流量Q肥：
以进水和施肥同时结束为条件，控制滴肥管道的横截面积s肥大小，可以计算出液态肥的滴落速度V肥：
施肥装置的实施例1：
由于采用随水施肥的方法灌溉，肥料在水中会出现溶解不完全就被灌溉的现象，尤其是在静淀后肥料桶壳41内肥料浓度上下不均，底部的水含肥量浓度往往比桶上部的浓度高，导致排出的水肥浓度先后不均，稻田内先灌溉的稻子生长要优于后方，形成不均匀的生长，产生差异，而且这种未溶解完全的肥料在管道内易堵塞管道，因而在对施肥装置4b进行改进；请参阅图4，施肥装置4b包括肥料桶壳41、输气机构42、管道本体43、连接机构44和混动板45；输气机构42安装在肥料桶壳41外侧，其两侧壁分别接入管道本体43两端；管道本体43贯穿肥料桶壳41两相对侧壁；管道本体43上设有弹性部，弹性部位于肥料桶壳41的内侧并通过连接机构44与混动板45固定；混动板45与肥料桶壳41的内底壁连接；当输气机构42向管道本体43输气时，弹性部形变通过连接机构44拉动混动板45活动，对肥料桶壳41底部搅动。
请参阅图4，肥料桶壳41包括分别设置在其上端和下端的加料口4b-1和施肥口4b-2，施肥口4b-2内侧安装有电磁阀；请参阅图6-7，输气机构42包括输气通道421、出气通道422、变速风扇424、位于管道本体43与输气通道421连接处的第一单向阀以及与出气通道422连接处的第二单向阀，输气通道421与第一输气硬管432相通，出气通道422与第二输气硬管434相通，第一单向阀只能沿着远离输气通道421的方向出风，第二单向阀只能沿着靠近出气通道422处进风；变速风扇424的中部通过转轴423转动连接在出气通道422的内侧壁上，且变速风扇424位于靠近第二单向阀处，使得第二单向阀进风推动变速风扇424转动。
请参阅图4，管道本体43包括输气软管431、第一输气硬管432、第二输气硬管434和补偿管433；第一输气硬管432、输气软管431、补偿管433和第二输气硬管434依次固定；输气软管431是弹性部；输气软管431和补偿管433均位于肥料桶壳41的内侧；第一输气硬管432远离输气软管431的一端贯穿肥料桶壳41侧壁与输气机构42固定；第二输气硬管434远离补偿管433的一端贯穿肥料桶壳41侧壁与输气机构42固定；补偿管433可伸缩，当输气软管431充进气体拉伸时，补偿管433会被压缩提供位置。
请参阅图4，连接机构44包括数量至少一个拉绳或连接杆，混动板45包括数量至少一个抖动片45-1，抖动片45-1通过连接机构44与管道本体43的弹性部连接，图4中具有两个抖动片45-1，两侧对称分布，图中采用的拉绳也对称的连接在两侧，每片抖动片45-1上均匀分布拉绳，抖动片45-1远离拉绳的一端与肥料桶壳41底壁转动，最好可以将转动点不放置在最边缘的位置，这样转动时靠近肥料桶壳41底壁边沿的部分能被抖动片45-1转动的水流带动，从而减少肥料颗粒的沉淀团积，但是转动点在上述位置时，需要注意抖动片45-1与底壁间留有足够转动的距离，以免抖动片45-1与底壁刮擦严重，图5中具有数个抖动片45-1，每个抖动片45-1上都连接一个拉绳，抖动片45-1远离拉绳的一端与肥料桶壳41底壁转动，搅拌时更多向，效果更好。
施肥装置的实施例2：
与施肥装置的实施例1不同的是，请参阅图8-10，转轴423包括前转动杆4231和后转动杆4232，后转动杆4232的前端开设有不规则凹槽，后转动杆4232远离前转动杆4231的一侧设有电机，电机输出轴上开设有供后转动杆4232插设的滑道；前转动杆4231固定有与凹槽相匹配的定位块4233，凹槽内底端和定位块4233之间连接有电动伸缩杆4234，电动伸缩杆4234与凹槽内底端固定，与定位块4233转动，前转动杆4231与出气通道422内壁转动连接。
施肥装置的实施例1中转轴423通过风力自转，没有提供外部动力，当风力较大时，变速风扇424持续转动，速度过快给予较短时间的阻挡，使得变速不明显，而本实施例具有电机增加外部动力，当需要较长时间的阻挡时，可以控制电动伸缩杆4234缩短，前转动杆4231套入后转动杆4232，因其不规则的凹槽，当控制电机转动时可以带动前转动杆4231一起转动，需要说明的是，滑道是条状的，搭配后转动杆4232后端一体形成的限位部使用，从而有利于电机带动后转动杆4232一起运动，减慢电机的转速，减小变速风扇424的转动频率，则阻挡时间更长，弹性部的波动效果更佳，当然，不需要电机时，即采用施肥装置的实施例1方案，可以如图9所示，电动伸缩杆4234与定位块4233转动，因而前转动杆4231可以自由的在风力作用下转动，几乎不受影响。
Claims (8)
1.一种稻田节水节肥智能调控装置，其特征在于：包括云端（1）、通信单元（2）、监测单元（3）和执行单元（4），所述云端（1）包括数据库（11）、决策单元（12）以及显控单元（13）；
监测单元（3）用于获取稻田数据，并实时的将获取到的数据传输到后台服务端；执行单元（4）响应决策单元（12）自动生成的或转发的指令，对施肥灌溉的肥料进行搅拌处理，同时控制施肥；
数据库（11）、显控单元（13）以及决策单元（12）两两间通过通信单元（2）实现通信；
显控单元（13）接收管理人员输入的控制指令，通过通信单元（2）发送给决策单元（12），同时接受信息，通过文字、图像、视频的方式为管理人员呈现；
决策单元（12）是核心单元，通过通信单元（2）连接监测单元（3）和执行单元（4），决策单元（12）接收管理人员的远程/本地指令，判断指令的类型后将采集参数指令发送给监测单元（3），以实现信息采集功能，并将采集到的参数转发给显控单元（13），以供管理人员查看或提供决策辅助方案；或者决策单元（12）将灌溉和施肥指令发送给执行单元（4），依据指令控制水闸设备自动灌溉、随水施肥；
数据库（11）为决策单元（12）做外部的支持；
所述稻田两侧分别设置有进水渠和排水渠；进水渠在农田需水时由提水泵从蓄水池中提水灌溉；排水渠在农田排水时收集多余水排放至蓄水池中；所述执行单元（4）包括智能水闸（4a）和施肥装置（4b）；所述智能水闸（4a）包括分别设置在进水渠和排水渠的田埂上、数量不止一个的进水闸（4a1）和排水闸（4a2），以及在两相邻稻田连接位置设置的分田水闸（4a3）；
所述施肥装置（4b）包括肥料桶壳（41）、输气机构（42）、管道本体（43）、连接机构（44）和混动板（45）；
所述输气机构（42）安装在肥料桶壳（41）外侧，其两侧壁分别接入管道本体（43）两端；
所述管道本体（43）贯穿肥料桶壳（41）两相对侧壁；管道本体（43）上设有弹性部，所述弹性部位于肥料桶壳（41）的内侧并通过连接机构（44）与混动板（45）固定；
所述混动板（45）与肥料桶壳（41）的内底壁连接；
当所述输气机构（42）向管道本体（43）输气时，弹性部形变通过连接机构（44）拉动混动板（45）活动，对肥料桶壳（41）底部搅动。
2.根据权利要求1所述的一种稻田节水节肥智能调控装置，其特征在于：所述肥料桶壳（41）包括分别设置在其上端和下端的加料口（4b-1）和施肥口（4b-2），所述施肥口（4b-2）内侧安装有电磁阀。
3.根据权利要求1所述的一种稻田节水节肥智能调控装置，其特征在于：所述输气机构（42）包括输气通道（421）、出气通道（422）、变速风扇（424）、位于管道本体（43）与输气通道（421）连接处的第一单向阀以及与出气通道（422）连接处的第二单向阀；
所述第一单向阀只能沿着远离输气通道（421））的方向出风，所述第二单向阀只能沿着靠近出气通道（422）处进风；
所述变速风扇（424）的中部通过转轴（423）转动连接在出气通道（422）的内侧壁上，且变速风扇（424）位于靠近第二单向阀处，使得第二单向阀进风推动变速风扇（424）转动。
4.根据权利要求3所述的一种稻田节水节肥智能调控装置，其特征在于：所述转轴（423）包括前转动杆（4231）和后转动杆（4232），后转动杆（4232）的前端开设有不规则凹槽，所述后转动杆（4232）远离前转动杆（4231）的一侧设有电机，所述电机输出轴上开设有供所述后转动杆（4232）插设的滑道；前转动杆（4231）固定有与凹槽相匹配的定位块（4233），所述凹槽内底端和定位块（4233）之间连接有电动伸缩杆（4234），所述前转动杆（4231）与出气通道（422）内壁转动连接。
5.根据权利要求1所述的一种稻田节水节肥智能调控装置，其特征在于：所述管道本体（43）包括输气软管（431）、第一输气硬管（432）、第二输气硬管（434）和补偿管（433）；
所述第一输气硬管（432）、输气软管（431）、补偿管（433）和第二输气硬管（434）依次固定；所述输气软管（431）是弹性部；
所述输气软管（431）和补偿管（433）均位于肥料桶壳（41）的内侧；
所述第一输气硬管（432）远离输气软管（431）的一端贯穿肥料桶壳（41）侧壁与输气机构（42）固定；
所述第二输气硬管（434）远离补偿管（433）的一端贯穿肥料桶壳（41）侧壁与输气机构（42）固定。
6.根据权利要求1所述的一种稻田节水节肥智能调控装置，其特征在于：所述连接机构（44）包括数量至少一个拉绳或连接杆，进一步的，所述混动板（45）包括数量至少一个抖动片（45-1），所述抖动片（45-1）通过连接机构（44）与管道本体（43）的弹性部连接。
7.根据权利要求1所述的一种稻田节水节肥智能调控装置，其特征在于：所述监测单元包括设置在稻田内部，用于精确测量和监控水肥状态的数量不止一个的传感器。
8.根据权利要求7所述的一种稻田节水节肥智能调控装置，其特征在于：所述传感器可以是水位传感器、流速传感器、视频传感器、土壤墒情传感器以及土壤氮磷钾传感器中的一个或两个以上。
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