CN114303565B - 一种智能水肥一体机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业设备技术领域，公开一种智能水肥一体机，包括储肥罐和搅拌桶，储肥罐与搅拌桶连接有输肥管道，搅拌桶上安装有搅拌电机，搅拌电机的输出轴上安装有搅拌组件；搅拌组件包括搅拌轴，搅拌轴上安装有定搅拌扇叶和动搅拌扇叶，定搅拌扇叶固定在搅拌轴的末端，动搅拌扇叶通过轴承安装在搅拌轴上，定搅拌扇叶和动搅拌扇叶之间连接有牵引绳，定搅拌扇叶和动搅拌扇叶的外端部都通过绳子分别安装有带磁性的第一球体和第二球体，搅拌桶外壁上安装有分别用于吸引第一球体和第二球体的第一磁环和第二磁环。定搅拌扇叶和动搅拌扇叶能够错位快速将水肥混合溶液搅拌均匀，为了实现搅拌桶内壁边缘处都被搅拌均匀。

Description

一种智能水肥一体机

技术领域

本发明涉及农业设备技术领域，尤其涉及一种智能水肥一体机。

背景技术

在传统农业生产过程中，给农作物浇水和施肥通常需要分开进行，不仅需要大量的劳动力，还会浪费很多的水肥资源，同时作业效率也非常低下。就作业方式而言，手动施肥和浇水，常常会过量或者不足，不能保证精准的水肥供给，致使农作物吸收不均匀，不能得到统一的最佳的供给量。

现有的机械化施肥结构较为复杂，不但制造成本高，作用效率也达不到需求，且对于操作员而言，过多的机械操作过程不但繁琐不便，还具有一定的危险性，无法实现较高的自动化和智能化，对于日益提高的灌溉施肥需求无法得到满足。农户既需要操作复杂的机械，又需要到作用现场观察施肥效果，通过实际效果不断调整作用效率。这样的生产方式不符合现代化的农业生产，不仅无法充分解放劳动力，也不能适应现代化农业的发展需求。因此，提供一种智能水肥一体机是本领域技术人员研究需要解决的热点问题。

农业施肥技术中多采用滴灌或者喷灌的方式将水和肥料同步输送到灌溉系统。智能水肥一体机使用智能调控系统，根据作物生长需要配置不同含量的营养液，将含量不同的可溶性固体或液体养料按作物需肥规律和特点，配置成专用的水肥混合溶液，在溶液充分混合后输送到管道控制系统，精确施加给作用对象，在根系保持土壤疏松和含氧量的同时输送养料。

现有技术中也有采用电器模块来控制水肥输送，例如申请号为201710829530.0，一种智能水肥一体机，只是控制水肥输送的稳定性，对于水肥浓度配比以及在水肥液体输出的均匀性上都较差。传统的在搅动搅动水肥都是采用螺旋叶片进行搅拌，这种搅动方式只有在靠近螺旋叶片处的水肥液体才能被搅动，假如要搅动全部，就需要增大螺旋叶片的体积，这样会一方面增加了成本，另一方面水肥液体的输出量较小。

发明内容

本发明针对现有技术水肥液体输出的均匀性较差的缺点，提供一种智能水肥一体机。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种智能水肥一体机，包括储肥罐和搅拌桶，储肥罐与搅拌桶连接有输肥管道，搅拌桶上安装有搅拌电机，搅拌电机的输出轴上安装有搅拌组件；搅拌组件包括搅拌轴，搅拌轴上安装有定搅拌扇叶和数量至少为一个的动搅拌扇叶，定搅拌扇叶固定在搅拌轴的末端，动搅拌扇叶通过轴承安装在搅拌轴上，定搅拌扇叶和动搅拌扇叶之间连接有牵引绳，定搅拌扇叶和动搅拌扇叶的外端部都通过绳子分别安装有带磁性的第一球体和第二球体，搅拌桶外壁上安装有分别用于吸引第一球体和第二球体的第一磁环和第二磁环。搅拌桶中将搅拌叶设计成定搅拌扇叶和动搅拌扇叶，目的是为了使得搅拌轴在转动后，定搅拌扇叶和动搅拌扇叶错位搅拌，使得搅拌效果更加的好。搅拌轴转动后，第一球体和第二球体在旋转离心力的作用下在搅拌桶的内壁上滚动，第一磁环吸引第一球体，保证第一球体在能够在搅拌桶壁上稳定的移动，第二磁环吸引第二球体，保证第二球体在能够在搅拌桶壁上稳定的移动。

作为优选，第一磁环的高度与定搅拌扇叶的高度相同，第二磁环的高度与动搅拌扇叶的高度相同，定搅拌扇叶和动搅拌扇叶之间设有间隙，间隙的宽度为s，定搅拌扇叶和动搅拌扇叶的高度都为h，绳子的长度为l，牵引绳的长度为p，第一球体和第二球体的半径都为r，l+r＜s+h/2，p≥2s。第一磁环和第二磁环都具有与搅拌扇叶相同的宽度尺寸，绳子能够倾斜成一定角度并带动第一球体和第二球体在靠近搅拌桶壁上移动，从而使得水肥液体在绳子、第一球体和第二球体的旋转扰动下更加的均匀。牵引第一球体的绳子和第二球体的绳子在搅拌轴带动下不会发生干涉，保证了水肥液体搅拌的稳定性。

作为优选，搅拌桶内安装有稳定管，搅拌轴穿过稳定管伸入到搅拌桶的底端，搅拌轴通过轴承安装在稳定管内，稳定管的端口安装有密封盖。稳定管用于稳定搅拌轴，使得搅拌轴在工作时不会发生偏移现象，提高搅拌轴搅动的稳定性，增加搅拌轴的使用寿命。密封盖用于防止水肥液体在搅拌时进入到稳定管内。

作为优选，拌桶底面为锥形面，搅拌桶底面中间处设有出料口，出料口连接有水肥输出管道。锥形面能够使得水肥液体汇聚在出料口，从而使得搅拌桶底部的水肥能够较为彻底的排出，提高水肥液体的利用率。

作为优选，搅拌桶的顶部还安装有风机，搅拌桶的内腔顶部安装有环形风道，风机的出风口与环形风道连通，环形风道的底面设有若干个出风口，出风口为倾斜式风口，出风口的倾斜方向与搅拌轴的旋转方向相同。风机通过出风口将风吹送到搅拌桶内，由于出风口的风向与搅拌轴的旋转方向相同，一方面能够快速的带动搅拌桶周边的水肥运转，另一方面能够将残留在搅拌桶内壁的水肥吹落，提高水肥液体的利用率。

作为优选，储肥罐的顶面设有注肥孔，注肥孔的边上安装有水泵，输肥管道与储肥罐之前安装有电磁阀，电磁阀安装在储肥罐上。注肥孔方便人们将肥料注入到储肥罐中，水泵能够将水注入到储肥罐中，从而实现水肥液体混合，电磁阀控制储肥罐中水肥液体输出量。

作为优选，还包括控制柜，储肥罐上安装有用于检测水肥液体电导率和浓度的EC传感器、用于检测水肥液体酸碱度的PH传感器、用于检测输肥管道内水肥流速的流量传感器，控制柜通过EC传感器、PH传感器和流量传感器传送的数据来控制水泵的启停。

作为优选，控制柜的系统设定水肥配比来控制水泵的启停，控制柜设置最优肥料浓度与实际肥料浓度之间的偏差E与偏差的变化量EC作为输入，水肥浓度控制过程中对肥料原液桶电磁阀的开关时间作为输出构建模糊控制器：

E(h)＝SV(h)-AC

其中E(h)为采集值的误差值；SV(h)为第h个采集值；AC为设定值；EC(h)为误差变化率；E(h-1)为第h-1个采集误差值；t为采样时间；

模糊PID自适应控制算法中偏差、偏差变化率、输出控制量的控制范围为一个精确量，需将其模糊化，将被控对象的基本论域通过量化因子：

偏差量化因子：

偏差变化率量化因子：

输出控制量比例因子：

变为对应的模糊集论域，经测试分析，偏差E和偏差变化率EC及输出论域均选择为[-6，6]，可得：

其中w为论域单区间宽度，g_x为论域总长度。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：该智能水肥一体机通过大口径管道与大功率水泵，通过控制柜精确而快速的将肥料和水到输送到搅拌桶内，通过控制柜智能控制搅拌桶，搅拌桶内搅拌电机实现无级变速，定搅拌扇叶和动搅拌扇叶能够错位快速将水肥混合溶液搅拌均匀，为了实现搅拌桶内壁边缘处都被搅拌均匀，第一球体和第二球体都通过绳子在搅拌轴的带动下沿着内壁环形移动，同时在第一磁环和第二磁环的作用下，第一球体和第二球体能够拉近绳子，保证第一球体和第二球体在搅拌轴转速较慢时也不掉落。混合后的肥料可通过输肥管道快速输入植物根系以供使用。

由于作物在不同的生长阶段所需的肥料浓度配比不同，对土壤电导率与土壤酸碱度的要求也不一样，按需施肥、精准施肥能够保证植物又快又好的生长。智能水肥一体机将高效率硬件与基于模糊PID控制的智能控制算法相结合，根据环境变化和作物生长状态实时调整水肥配比，提高施肥精准度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中搅拌桶的内部结构示意图。

图3是图2中A的局部放大示意图。

图4是图2中A的局部放大示意图。

图5是图1中搅拌桶的外部结构示意图。

图6是发明的控制柜的结构示意图。

图7是图1中储肥罐的结构示意图。

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：

10—储肥罐、101—注肥孔

11—搅拌桶、111—出料口

12—输肥管道、13—搅拌电机

14—搅拌组件、140—间隙、141—搅拌轴、142—定搅拌扇叶、143—动搅拌扇叶、144—牵引绳、145—绳子、146—第一球体、147—第二球体

15—第一磁环、16—第二磁环、17—稳定管、18—水肥输出管道、19—风机

20—环形风道、201—出风口

21—水泵、22—电磁阀、23—控制柜、24—EC传感器、25—PH传感器、26—流量传感器。

具体实施方式

下面结合附图1-7与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种智能水肥一体机，包括储肥罐10和搅拌桶11，储肥罐10与搅拌桶11连接有输肥管道12，输肥管道12上安装有抽液泵，抽液泵能够将储肥罐10内的水肥液体抽送到搅拌桶11内，搅拌桶11上安装有搅拌电机13，搅拌电机13的输出轴上安装有搅拌组件14，搅拌电机13带动搅拌组件14转动，从而搅动搅拌桶11内的水肥液体，使得搅拌桶11内的水肥液体能够均匀混合在一起。搅拌组件14包括搅拌轴141，搅拌轴141与搅拌电机13的输出轴固定连接，搅拌电机13带动搅拌轴141转动，搅拌轴141上安装有定搅拌扇叶142和数量至少为一个的动搅拌扇叶143，本实施例动搅拌扇叶143为一个，每个动搅拌扇叶142上都设有对称的两片搅拌片，定搅拌扇叶142固定在搅拌轴141的末端，其随着搅拌轴141同时同步转动，动搅拌扇叶143通过轴承安装在搅拌轴141上，定搅拌扇叶142和动搅拌扇叶143之间连接有牵引绳144，在定搅拌扇叶142转动时，通过牵引绳144带动动搅拌扇叶143，由于定搅拌扇叶142和动搅拌扇叶143转动有先后，从而使得定搅拌扇叶142与动搅拌扇叶143之间形成错位，这种结构设计能够使得水肥液体混合的根据均匀。定搅拌扇叶142和动搅拌扇叶143的外端部都通过绳子145分别安装有带磁性的第一球体146和第二球体147，搅拌桶11外壁上安装有分别用于吸引第一球体146和第二球体147的第一磁环15和第二磁环16。当搅拌轴141转动时，定搅拌扇叶142和动搅拌扇叶143先后运动，第一球体146和第二球体147在离心力的作用下被甩到搅拌桶11内侧壁上，第一球体146和第二球体147能够搅动搅拌桶11边缘出的水肥液体，从而使得搅拌桶11内壁处的水肥液体混合均匀。第一磁环15和第二磁环16分别用于吸引第一球体146和第二球体147，在吸引力的作用，第一球体146和第二球体147在搅拌轴141转速较慢的时候，也不至于掉落，保证了第一球体146和第二球体147尽量沿着搅拌桶11内壁旋转运动。

第一磁环15的高度与定搅拌扇叶142的高度相同，第一球体146和第二球体147在低速移动时能够尽量靠近搅拌桶11内壁，第一磁环15的高度决定了第一球体146在低速运动的高度范围值。第二磁环16的高度与动搅拌扇叶143的高度相同，本实施例第一磁环15的高度与第二磁环16的高度相同，第二磁环16保证了第二球体146在低速运动的高度范围值。定搅拌扇叶142和动搅拌扇叶143之间设有间隙140，间隙140的宽度为s，定搅拌扇叶142和动搅拌扇叶143的高度都为h，绳子145的长度为l，牵引绳的长度为p，第一球体146和第二球体147的半径都为r，l+r＜s+h/2，p≥2s。第一磁环15和第二磁环16都具有与搅拌扇叶相同的宽度尺寸，绳子145能够倾斜成一定角度并带动第一球体146和第二球体147在靠近搅拌桶11壁上移动，从而使得水肥液体在绳子145、第一球体146和第二球体147的旋转扰动下更加的均匀。牵引第一球体146的绳子和第二球体147的绳子在搅拌轴141带动下不会发生干涉，保证了水肥液体搅拌的稳定性。

搅拌桶11内安装有稳定管17，搅拌轴141穿过稳定管17伸入到搅拌桶11的底端，搅拌轴141通过轴承安装在稳定管17内，由于一些搅拌桶11的深度较深，从而需要较长的搅拌轴141来进行搅动，但长度越长的搅拌轴141在搅动时容易发生偏移，从而影响搅拌组件14搅拌的稳定性，稳定管17能够保证搅拌轴141稳定的搅拌，避免第一球体146和第二球体147撞击到搅拌桶11内壁上，同时也提高搅拌轴141使用寿命。在搅拌轴141转动时，稳定管17的端口安装有密封盖，搅拌轴141穿出密封盖，密封盖避免大量的水肥进入到稳定管17内，提高搅拌组件14搅拌的稳定性。

储肥罐10的顶面设有注肥孔101，注肥孔101的边上安装有水泵21，输肥管道12与储肥罐10之前安装有电磁阀22，电磁阀22安装在储肥罐10上。注肥孔101方便人们将肥料注入到储肥罐10中，水泵21能够将水注入到储肥罐10中，从而实现水肥液体混合，电磁阀22控制储肥罐10中水肥液体输出量。

一种智能水肥一体机还包括控制柜23，储肥罐10上安装有用于检测水肥液体电导率和浓度的EC传感器24、用于检测水肥液体酸碱度的PH传感器25、用于检测输肥管道12内水肥流速的流量传感器26，控制柜23通过EC传感器24、PH传感器25和流量传感器26传送的数据来控制水泵21的启停。

控制柜23的系统设定水肥配比来控制水泵21的启停，控制柜23设置最优肥料浓度与实际肥料浓度之间的偏差E与偏差的变化量EC作为输入，水肥浓度控制过程中对肥料原液桶电磁阀的开关时间作为输出构建模糊控制器：

E(h)＝SV(h)-AC

其中E(h)为采集值的误差值；SV(h)为第h个采集值；AC为设定值；EC(h)为误差变化率；E(h-1)为第h-1个采集误差值；t为采样时间；

模糊PID自适应控制算法中偏差、偏差变化率、输出控制量的控制范围为一个精确量，需将其模糊化，将被控对象的基本论域通过量化因子：

偏差量化因子：

偏差变化率量化因子：

输出控制量比例因子：

变为对应的模糊集论域，经测试分析，偏差E和偏差变化率EC及输出论域均选择为[-6，6]，可得：

其中w为论域单区间宽度，g_x为论域总长度。从而得到比例ΔK_p、积分ΔK_i、微分ΔK_d三个控制变化量，调整储肥罐10所连电磁阀22的开启与闭合时间，达到实时在线调整水肥浓度的目的。

智能水肥一体机具体工作原理：首先，拧动控制柜23控制面板的钥匙打开电源总开关，然后按下控制面板开机按钮打开智能水肥一体机控制系统开关，控制系统初始化，储肥罐10的水泵21、电磁阀22、搅拌桶11的搅拌电机13进入待机状态，EC传感器24、PH传感器25、流量传感器26开始检测肥、水状态。

控制柜23通过ZigBee和RS485接口和智能温室内智能控制系统进行通讯，接收温室内作物的状态信息，将温室采集到的土壤氮磷钾浓度、土壤导电率、土壤温湿度等信息和系统内设定值进行比较，将比较结果和控制柜23内置智能控制系统施肥方案相匹配，将最佳实施方案发送至手机APP和PC远程控制端提醒操作员进行相应操作，实现智能控制。操作员也可以通过手机APP、PC远程控制端和控制柜23相应的功能按钮直接实施已经设置的施肥方案。

当实施方案启动时相应的储肥罐10和储水罐会先后开始输送动作，当前一个罐体工作完毕后下一个罐体才会开始工作。当相应指令发送至储肥罐10，储肥罐10内EC传感器24、PH传感器25将监测数值发送控制柜23，控制柜23对比数据合格后，搅拌桶11下方水肥输出管道18关闭，储肥罐10通过电磁阀22导通，流量传感器26开始监测液体流量，水泵21开始工作，储肥罐10内水肥通过输肥管道12到达搅拌桶11。当流量传感器26检测到当前液体输送量达标，控制柜23关闭储肥罐10电磁阀22，当前液体停止输送，下个储肥罐10开始工作。

当最后的水肥输送工作完成，控制柜23发出搅拌指令，搅拌桶11上方搅拌电机13开始工作，搅拌时间达标后，搅拌动作停止，搅拌桶11下方水肥输送管道18打开，混合溶液通过大口径水肥输送管道18快速流向智能温室作物根系，操作结束。

实施例2

实施例2与实施例1特征基本相同，不同的是搅拌桶11底面为锥形面，搅拌桶11底面中间处设有出料口111，出料口111连接有水肥输出管道18。锥形面能够使得水肥液体汇聚在出料口111，从而使得搅拌桶11底部的水肥能够较为彻底的排出，提高水肥液体的利用率。

实施例3

实施例3与实施例1特征基本相同，不同的是搅拌桶11的顶部还安装有风机19，风机19与搅拌电机13同步工作，搅拌桶11的内腔顶部安装有环形风道20，风机19的出风口与环形风道20连通，环形风道20的底面设有若干个出风口201，出风口201为倾斜式风口，出风口201的倾斜方向与搅拌轴141的旋转方向相同。风机19工作时会产生强风，强风通过环形风道20的出风口201进入到搅拌桶11内，由于风向与搅拌轴141的旋转方向相同，从而使得搅拌桶11内壁的水肥液体能够快速旋转，辅助提高水肥液体混合均匀度。同时出风口201处吹出的强风能够清理搅拌桶11内壁的水肥液体，提高搅拌桶11的清洁度和水肥利用率。

Claims (8)

1.一种智能水肥一体机，包括储肥罐(10)和搅拌桶(11)，储肥罐(10)与搅拌桶(11)连接有输肥管道(12)，搅拌桶(11)上安装有搅拌电机(13)，搅拌电机(13)的输出轴上安装有搅拌组件(14)；其特征在于：搅拌组件(14)包括搅拌轴(141)，搅拌轴(141)上安装有定搅拌扇叶(142)和数量至少为一个的动搅拌扇叶(143)，定搅拌扇叶(142)固定在搅拌轴(141)的末端，动搅拌扇叶(143)通过轴承安装在搅拌轴(141)上，定搅拌扇叶(142)和动搅拌扇叶(143)之间连接有牵引绳(144)，定搅拌扇叶(142)和动搅拌扇叶(143)的外端部都通过绳子(145)分别安装有带磁性的第一球体(146)和第二球体(147)，搅拌桶(11)外壁上安装有分别用于吸引第一球体(146)和第二球体(147)的第一磁环(15)和第二磁环(16)。

2.根据权利要求1所述的一种智能水肥一体机，其特征在于：第一磁环(15)的高度与定搅拌扇叶(142)的高度相同，第二磁环(16)的高度与动搅拌扇叶(143)的高度相同，定搅拌扇叶(142)和动搅拌扇叶(143)之间设有间隙(140)，间隙(140)的宽度为s，定搅拌扇叶(142)和动搅拌扇叶(143)的高度都为h，绳子(145)的长度为l，牵引绳的长度为p，第一球体(146)和第二球体(147)的半径都为r，l+r＜s+h/2，p≥2s。

3.根据权利要求1所述的一种智能水肥一体机，其特征在于：搅拌桶(11)内安装有稳定管(17)，搅拌轴(141)穿过稳定管(17)伸入到搅拌桶(11)的底端，搅拌轴(141)通过轴承安装在稳定管(17)内，稳定管(17)的端口安装有密封盖。

4.根据权利要求1所述的一种智能水肥一体机，其特征在于：搅拌桶(11)底面为锥形面，搅拌桶(11)底面中间处设有出料口(111)，出料口(111)连接有水肥输出管道(18)。

5.根据权利要求1所述的一种智能水肥一体机，其特征在于：搅拌桶(11)的顶部还安装有风机(19)，搅拌桶(11)的内腔顶部安装有环形风道(20)，风机(19)的出风口与环形风道(20)连通，环形风道(20)的底面设有若干个出风口(201)，出风口(201)为倾斜式风口，出风口(201)的倾斜方向与搅拌轴(141)的旋转方向相同。

6.根据权利要求1所述的一种智能水肥一体机，其特征在于：储肥罐(10)的顶面设有注肥孔(101)，注肥孔(101)的边上安装有水泵(21)，输肥管道(12)与储肥罐(10)之前安装有电磁阀(22)，电磁阀(22)安装在储肥罐(10)上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种智能水肥一体机，其特征在于：还包括控制柜(23)，储肥罐(10)上安装有用于检测水肥液体电导率和浓度的EC传感器(24)、用于检测水肥液体酸碱度的PH传感器(25)、用于检测输肥管道(12)内水肥流速的流量传感器(26)，控制柜(23)通过EC传感器(24)、PH传感器(25)和流量传感器(26)传送的数据来控制水泵(21)的启停。

8.根据权利要求7所述的一种智能水肥一体机，其特征在于：控制柜(23)的系统设定水肥配比来控制水泵(21)的启停，控制柜(23)设置最优肥料浓度与实际肥料浓度之间的偏差E与偏差的变化量EC作为输入，水肥浓度控制过程中对肥料原液桶电磁阀的开关时间作为输出构建模糊控制器：

E(h)＝SV(h)-AC

其中E(h)为采集值的误差值；SV(h)为第h个采集值；AC为设定值；EC(h)为误差变化率；E(h-1)为第h-1个采集误差值；t为采样时间；

模糊PID自适应控制算法中偏差、偏差变化率、输出控制量的控制范围为一个精确量，需将其模糊化，将被控对象的基本论域通过量化因子：

偏差量化因子：

偏差变化率量化因子：

输出控制量比例因子：

变为对应的模糊集论域，经测试分析，偏差E和偏差变化率EC及输出论域均选择为[-6，6]，可得：

其中w为论域单区间宽度，g_x为论域总长度。

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