CN114982454A - 一种多模态水肥一体化自动灌溉系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模态水肥一体化自动灌溉系统及方法，重新设计了供水管路以及液肥管路的整体架构，调整用于计量液肥供应量的流量计的位置，使其一方面能够被供水管路上的流量计校准，另一方面能够被水及时清洗；通过定义多个节点及节点间的流路段，基于流量检测数据能够快速定位泄露或堵塞位置；通过对渗灌插管的尺寸、形状、内部构造、开孔布置、运动方式进行改进，提高了对土壤的渗灌效果，同时能够更好地根据葡萄根系的特点供应养分；此外，还提供了多向且流率可调的喷灌装置，配合渗灌系统实现多模态、高针对性的灌溉。

Description

一种多模态水肥一体化自动灌溉系统及方法

技术领域

本发明属于自动化灌溉技术在农田种植领域尤其是葡萄种植方面的应用，涉及多模态水肥一体化自动灌溉系统及方法。

背景技术

随着社会的不断发展和人民生活水平的显著提高，人们越来越注重饮食的营养与健康，水果已成为日常消费品之一。葡萄富含维生素与纤维素，口感酸甜美味，越来越受到人们的青睐。我国幅员辽阔，地大物博，是葡萄生产大国，同时需求量也位居世界前列。品种、土壤、气候、温度、光照、降水等因素均会影响葡萄的品质，随着人类科学技术水平的提升，大棚技术在葡萄种植方面的应用，使得葡萄种植脱离了地域限制，也为葡萄的品质提供了坚实保障。

然而，如果种植方式不当，葡萄的含糖量、维生素含量等均会受到较大影响，其色泽、饱满度也会大打折扣，进而影响其口感及营养价值。

为了解决上述问题，已发展出了针对葡萄藤的自动灌溉系统及方法，但是现有技术广泛存在以下几方面问题：第一，位于肥料供应管路上的流量计由于长期受到肥料侵蚀，其测量精度及准确度都会出现偏差；第二，如果灌溉管路出现泄漏或堵塞，无法快速响应并定位故障点；第三，渗灌插管功能单一，且无法适配葡萄根系的特点；第四，喷灌方式无法灵活调节，且喷灌与渗灌无法实现有效的协同作用。

发明内容

本发明重点针对上述种种不足，提供一种多模态水肥一体化自动灌溉系统及方法。

本发明首先提供了一种多模态水肥一体化自动灌溉系统，包括喷灌装置以及渗灌系统，所述渗灌系统包括储水罐、液肥罐、第一泵、第二泵、第一流量计、第二流量计、第一换路阀、第二换路阀、供水插管以及供肥插管；

其中，所述储水罐、第一泵、第一流量计依次串接，构成第一供给支路，所述液肥罐、第二泵依次串接，构成第二供给支路，所述第一供给支路与第二供给支路一端共同连接到第一换路阀；所述供水插管顺次连接于第一流出支路，所述供肥插管顺次连接于第二流出支路，所述第一流出支路与第二流出支路一端共同连接到第二换路阀；且，所述第二流量计串接于所述第一换路阀与第二换路阀之间。

优选的，所述供水插管及供肥插管均包括外管及内管，所述内管外径为外管内径的2/3，所述内管能够相对于外管伸缩。

优选的，所述内管的下端为尖端，上端外圆周设有与所述外管的内壁相贴合的阻水环。

优选的，所述外管自上而下被配置为具有第一部分和第二部分，所述第一部分不具有开口，所述第二部分外周均匀设置有第一开口，所述第一开口具有第一孔径。

优选的，所述内管外周均匀设置有第二开口，所述第二开口的孔径自上而下依次减小，且所述第二开口的最大孔径为第一孔径。

优选的，所述喷灌装置包括套接在供水管路上的多组喷头，每组喷头由相互紧邻设置的三个子喷头构成，所述三个子喷头相互呈120°夹角，且每个所述子喷头的喷出量及雾珠大小均可调。

同时，本发明还提供了一种应用于多模态水肥一体化自动灌溉系统的自动灌溉方法，包括如下步骤：

S1：设定供水量；

S2：储水罐中的水通过第一泵、第一流量计、第一换路阀、第二流量计、第二换路阀供给到第一流出支路，并通过供水插管向土壤中提供水；

S3：将储水罐、第一泵、第一流量计、第二流量计均定义为节点，各相邻节点间构成一段流路，通过储水罐中的液位传感器、第一泵的检测部件、第一流量计、第二流量计分别获得对应节点处的总水流量；

S4：将各对应节点处的总水流量分别与设定供水量进行比较，若差值的绝对值均小于等于第一阈值，则进行步骤S6，若至少一个差值的绝对值大于第一阈值，则进行步骤S5；

S5：将该至少一个差值的绝对值所对应的节点处的总水流量与其前一个节点处的总水流量进行比较，若差值的绝对值大于第二阈值，则确定该段流路泄露，若差值的绝对值小于等于第二阈值，则确定该段流路及其前一段流路泄露；

S6：在确保任一段流路没有泄露后，比较第一流量计以及第二流量计的读数，若二者读数在误差允许范围内，则进行步骤S7，若二者读数超出误差允许范围，则对第二流量计进行修正；

S7：继续通过供水插管向土壤中提供水，在供水量达到设定值后，通过第二流出支路向土壤提供液肥。

优选的，上述步骤S7具体包括：

S71：设定液肥供应量；

S72：液肥罐中的液肥通过第二泵、第一换路阀、第二流量计、第二换路阀供给到第二流出支路，并通过供肥插管向土壤中提供液肥；

S73：将液肥罐、第二泵、第二流量计均定义为节点，各相邻节点间构成一段流路，通过液肥罐中的液位传感器、第二泵的检测部件、第二流量计分别获得对应节点处的总液肥流量；

S74：将各对应节点处的总液肥流量分别与设定液肥供应量进行比较，若差值的绝对值均小于等于第一阈值，则进行步骤S76，若至少一个差值的绝对值大于第一阈值，则进行步骤S75；

S75：将该至少一个差值所对应的节点处的总液肥流量与其前一个节点处的总液肥流量进行比较，若差值的绝对值大于第二阈值，则确定该段流路堵塞，若差值的绝对值小于等于第二阈值，则确定该段流路及其前一段流路堵塞；

S76：在确保任一段流路没有堵塞后，继续通过第二流出支路向土壤提供液肥，以达到设定值。

优选的，在上述步骤S7之后，还包括如下步骤：

S8：再次通过第一泵、第一流量计、第一换路阀、第二流量计、第二换路阀将储水罐中的水供给到第一流出支路，以实现对第二流量计的冲洗；

S9：根据土壤表层湿度以及空气湿度情况，启动喷灌装置进行喷灌。

优选的，上述步骤S9具体包括以下情况：

A1：土壤表层湿度及空气湿度均小于对应的设定值，喷灌装置上每组喷头的三个子喷头均开启，且朝向土壤的子喷头的喷出量及雾珠均调至最大；

A2：仅土壤表层湿度小于对应的设定值，仅开启朝向土壤的子喷头，雾珠调至最大；

A3：仅空气湿度小于对应的设定值，开启除朝向土壤的子喷头之外的两个子喷头，喷出量调至最大，雾珠调至最小；

A4：土壤表层湿度及空气湿度均不小于对应的设定值，以预定时间间隔分别单独开启三个子喷头中的任一个。

与现有技术相比，本发明对水肥一体化自动灌溉系统及方法进行改进，其一，重新设计供水管路以及液肥管路的整体架构，调整用于计量液肥供应量的流量计的位置，使其一方面能够被供水管路上的流量计校准，另一方面能够被水及时清洗；其二，通过定义多个节点及节点间的流路段，基于流量检测数据能够快速定位泄露或堵塞位置；其三，通过对渗灌插管的尺寸、形状、内部构造、开孔布置、运动方式进行改进，提高了对土壤的渗灌效果，同时能够更好地根据葡萄根系的特点供应养分；其四，提供多向且流率可调的喷灌装置，配合渗灌系统实现多模态、高针对性的灌溉。

附图说明

图1为本发明多模态水肥一体化自动灌溉系统框图；

图2为本发明供水插管及供肥插管结构图；

图3为本发明多参数传感探测器结构图；

图4为本发明多模态水肥一体化自动灌溉方法流程图。

附图标记说明：储水罐1、液肥罐2、第一泵3、第二泵4、第一流量计5、第二流量计6、第一换路阀7、第二换路阀8、供水插管9、外管91、内管92、尖端93、阻水环94、第一部分95、第二部分96、第一开口97、第二开口98、供肥插管10、多参数传感探测器11、第一传感检测单元111、第二传感检测单元112、第三传感检测单元113、第一开孔114、第二开孔115、第三开孔116。

具体实施方式

以下说明的技术可进行多种变换，并可具有多种实施例，在此结合附图以特定实施例进行详细说明。然而，这并不意味着将下文描述的技术限制于特定实施例。应当理解，在不脱离下文所描述的技术的精神和技术范围的情况下，本发明包括所有类似的修改、等同及替代。

如图1-3所示，本发明提供了一种多模态水肥一体化自动灌溉系统，包括喷灌装置以及渗灌系统，所述渗灌系统包括储水罐1、液肥罐2、第一泵3、第二泵4、第一流量计5、第二流量计6、第一换路阀7、第二换路阀8、供水插管9以及供肥插管10；

其中，所述储水罐1、第一泵3、第一流量计5依次串接，构成第一供给支路，所述液肥罐2、第二泵4依次串接，构成第二供给支路，所述第一供给支路与第二供给支路一端共同连接到第一换路阀7；所述供水插管9顺次连接于第一流出支路，所述供肥插管10顺次连接于第二流出支路，所述第一流出支路与第二流出支路一端共同连接到第二换路阀8；且，所述第二流量计6串接于所述第一换路阀7与第二换路阀8之间。

如果按照传统的连接方式，即液肥罐2、第二泵4、第二流量计6依次串接，构成第二供给支路，则由于通过第二流量计6的是液肥，其中的有机质会对第二流量计6造成侵蚀，长此以往，将会导致第二流量计6不准甚至损坏。因此，将第二流量计6串接在第一换路阀7与第二换路阀之间8，使得在渗灌系统供水时，一方面能够通过第一流量计5对第二流量计6进行校准，另一方面也能够通过水对残存于第二流量计6中的液肥进行清洗，确保了整个系统的稳定。

此外，水与液肥通过不同的流出支路供应到土壤的不同位置，能够提升水与肥料之间的相互渗透，从而提高水肥灌溉效果。具体而言，一条第一流出支路与其相邻的一条第二流出支路构成一组，属于同一组的第一流出支路与第二流出支路相互平行设置，在第一流出支路上任意两相邻供水插管9的入水口之间的中垂线与第二流出支路的交点处，设置供肥插管10。

其中，所述供水插管9及供肥插管均包括外管91及内管92，所述内92管外径为外管91内径的2/3，所述内管92能够相对于外管91伸缩。

水或液肥首先进入内管92，并经内管与外管之间的间隙到达外管壁，最后从外管91进入土壤。此外，供水插管9及供肥插管10的长度可调节，在不同的灌溉阶段，内管92相对于外管91处于不同的伸缩状态。

其中，所述内管92的下端为尖端93，上端外圆周设有与所述外管92的内壁相贴合的阻水环94。

内管92下端设置为尖端93，能够便于插管向土壤内部插入。内管92上端外圆周设有与外管91的内壁相贴合的阻水环94，以使得内管92在收缩状态下，水或液肥先进入内管92，后经内管92进入外管91；内管92在伸出状态下，阻水环94与外管91下端贴合，避免水或液肥泄露。

其中，所述外管91自上而下被配置为具有第一部分95和第二部分96，所述第一部分95不具有开口，所述第二部分96外周均匀设置有第一开口97，所述第一开口97具有第一孔径。

更进一步的，可在供水插管9外管91的第二部分96的外壁上套设水扩散层，水扩散层由多孔长纤维构成，包括靠近外管壁的第一扩散层及远离外管壁的第二扩散层，第一扩散层的表观密度大于第二扩散层的表观密度。通过水扩散层的毛细现象能够使水充分、缓慢、均匀的渗透到周围的土壤中。

考虑到葡萄喜肥，且其根系较深，因此，供肥插管10更包括位于第一部分95上方的第三部分，第三部分不具有开口。第三部分与第一部分95可以是一体成型，也可以是螺接、套接或卡接。

其中，所述内管92外周均匀设置有第二开口98，所述第二开口98的孔径自上而下依次减小，且所述第二开口98的最大孔径为第一孔径。

由于液压自源头至末端依次减小，为确保流速稳定，第二开口98孔径依次渐变，且自上而下逐渐减小，以使内管92在收缩状态下，水或液肥能够稳定输出，同时内管92在伸出状态下，插管开口的孔径总体呈大-大-小分布，从而实现流率以及流速的平稳过渡。

此外，可根据需要在内管92下端的尖端93也开设小孔径开口，促进水或液肥对深层土壤的冲击与疏松。

其中，所述喷灌装置包括套接在供水管路上的多组喷头，每组喷头由相互紧邻设置的三个子喷头构成，所述三个子喷头相互呈120°夹角，且每个所述子喷头的喷出量及雾珠大小均可调。

更进一步的，所述多模态水肥一体化自动灌溉系统还包括能够同时检测水分含量、肥料浓度以及PH值的多参数传感探测器11，所述多参数传感探测器埋设于土壤中，由在第一方向上依次堆叠的第一传感检测单元111、第二传感检测单元112、第三传感检测单元113构成，所述第一传感检测单元111、第二传感检测单元112、第三传感检测单元113在第二方向上长度依次增大，且一端对齐。

更进一步的，所述第一传感检测单元上设置有具有第一孔径的第一开孔114，第二传感检测单元上设置有具有第二孔径的第二开孔115，第三传感检测单元上设置有具有第三孔径的第三开孔116，所述第一孔径114小于所述第二孔径115，所述第二孔径小于所述第三孔径116。

如图4所示，本发明还提供了一种应用于多模态水肥一体化自动灌溉系统的自动灌溉方法，包括如下步骤：

S1：设定供水量；

S2：储水罐1中的水通过第一泵3、第一流量计5、第一换路阀7、第二流量计6、第二换路阀8供给到第一流出支路，并通过供水插管9向土壤中提供水；

S3：将储水罐1、第一泵3、第一流量计5、第二流量计6均定义为节点，各相邻节点间构成一段流路，通过储水罐1中的液位传感器、第一泵3的检测部件、第一流量计5、第二流量计6分别获得对应节点处的总水流量；

S4：将各对应节点处的总水流量分别与设定供水量进行比较，若差值的绝对值均小于等于第一阈值，则进行步骤S6，若至少一个差值的绝对值大于第一阈值，则进行步骤S5；

第一阈值可以是经验值。

S5：将该至少一个差值的绝对值所对应的节点处的总水流量与其前一个节点处的总水流量进行比较，若差值的绝对值大于第二阈值，则确定该段流路泄露，若差值的绝对值小于等于第二阈值，则确定该段流路及其前一段流路泄露；

第二阈值优选设定为第一阈值的70％-80％。

S6：在确保任一段流路没有泄露后，比较第一流量计以及第二流量计的读数，若二者读数在误差允许范围内，则进行步骤S7，若二者读数超出误差允许范围，则对第二流量计进行修正；

误差允许范围为经验值，且远小于第一阈值。

S7：继续通过供水插管9向土壤中提供水，在供水量达到设定值后，通过第二流出支路向土壤提供液肥。

在通过供水插管向土壤中提供水时，于第一时段，插管的内管92收缩在外管91中，在第二时段，插管的内管92伸出于外管91外，第一时段对应步骤S2-S6中的时段，第二时段对应步骤S7中的供水时段。

其中，上述步骤S7具体包括：

S71：设定液肥供应量；

S72：液肥罐2中的液肥通过第二泵4、第一换路阀7、第二流量计6、第二换路阀8供给到第二流出支路，并通过供肥插管10向土壤中提供液肥；

S73：将液肥罐2、第二泵4、第二流量计6均定义为节点，各相邻节点间构成一段流路，通过液肥罐2中的液位传感器、第二泵4的检测部件、第二流量计6分别获得对应节点处的总液肥流量；

S74：将各对应节点处的总液肥流量分别与设定液肥供应量进行比较，若差值的绝对值均小于等于第一阈值，则进行步骤S76，若至少一个差值的绝对值大于第一阈值，则进行步骤S75；

S75：将该至少一个差值所对应的节点处的总液肥流量与其前一个节点处的总液肥流量进行比较，若差值的绝对值大于第二阈值，则确定该段流路堵塞，若差值的绝对值小于等于第二阈值，则确定该段流路及其前一段流路堵塞；

S76：在确保任一段流路没有堵塞后，继续通过第二流出支路向土壤提供液肥，以达到设定值。

在通过供肥插管10向土壤中提供液肥时，于第三时段，插管的内管92收缩在外管91中，在第四时段，插管的内管92伸出于外管91外，第三时段对应步骤S72-S75中的时段，第四时段对应步骤S76中的时段。

其中，在上述步骤S7之后，还包括如下步骤：

S8：再次通过第一泵3、第一流量计5、第一换路阀7、第二流量计6、第二换路阀8将储水罐1中的水供给到第一流出支路，以实现对第二流量计6的冲洗；

S9：根据土壤表层湿度以及空气湿度情况，启动喷灌装置进行喷灌。

其中，上述步骤S9具体包括以下情况：

A1：土壤表层湿度及空气湿度均小于对应的设定值，喷灌装置上每组喷头的三个子喷头均开启，且朝向土壤的子喷头的喷出量及雾珠均调至最大；

A2：仅土壤表层湿度小于对应的设定值，仅开启朝向土壤的子喷头，雾珠调至最大；

A3：仅空气湿度小于对应的设定值，开启除朝向土壤的子喷头之外的两个子喷头，喷出量调至最大，雾珠调至最小；

A4：土壤表层湿度及空气湿度均不小于对应的设定值，以预定时间间隔分别单独开启三个子喷头中的任一个。

相互以120°夹角分布的三个子喷头中的一个子喷头正对土壤表面。在单独开启三个子喷头中的任一个时，优选以三个子喷头轮循开启的方式进行。

通过对喷灌装置的结构及工作方式进行改进，能够很好地实现与渗灌系统的协同工作，以充分应对土壤表层湿度、空气湿度在不同条件下的各种情况。

虽然上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明专利范围为限制，对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多模态水肥一体化自动灌溉系统，包括喷灌装置以及渗灌系统，所述渗灌系统包括储水罐、液肥罐、第一泵、第二泵、第一流量计、第二流量计、第一换路阀、第二换路阀、供水插管以及供肥插管；

其特征在于，所述储水罐、第一泵、第一流量计依次串接，构成第一供给支路，所述液肥罐、第二泵依次串接，构成第二供给支路，所述第一供给支路与第二供给支路一端共同连接到第一换路阀；所述供水插管顺次连接于第一流出支路，所述供肥插管顺次连接于第二流出支路，所述第一流出支路与第二流出支路一端共同连接到第二换路阀；且，所述第二流量计串接于所述第一换路阀与第二换路阀之间。

2.根据权利要求1所述的多模态水肥一体化自动灌溉系统，其特征在于，所述供水插管及供肥插管均包括外管及内管，所述内管外径为外管内径的2/3，所述内管能够相对于外管伸缩。

3.根据权利要求2所述的多模态水肥一体化自动灌溉系统，其特征在于，所述内管的下端为尖端，上端外圆周设有与所述外管的内壁相贴合的阻水环。

4.根据权利要求3所述的多模态水肥一体化自动灌溉系统，其特征在于，所述外管自上而下被配置为具有第一部分和第二部分，所述第一部分不具有开口，所述第二部分外周均匀设置有第一开口，所述第一开口具有第一孔径。

5.根据权利要求4所述的多模态水肥一体化自动灌溉系统，其特征在于，所述内管外周均匀设置有第二开口，所述第二开口的孔径自上而下依次减小，且所述第二开口的最大孔径为第一孔径。

6.根据权利要求1所述的多模态水肥一体化自动灌溉系统，其特征在于，所述喷灌装置包括套接在供水管路上的多组喷头，每组喷头由相互紧邻设置的三个子喷头构成，所述三个子喷头相互呈120°夹角，且每个所述子喷头的喷出量及雾珠大小均可调。

7.一种应用于如权利要求1-6任意一项所述的多模态水肥一体化自动灌溉系统的自动灌溉方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：设定供水量；

S2：储水罐中的水通过第一泵、第一流量计、第一换路阀、第二流量计、第二换路阀供给到第一流出支路，并通过供水插管向土壤中提供水；

S3：将储水罐、第一泵、第一流量计、第二流量计均定义为节点，各相邻节点间构成一段流路，通过储水罐中的液位传感器、第一泵的检测部件、第一流量计、第二流量计分别获得对应节点处的总水流量；

S4：将各对应节点处的总水流量分别与设定供水量进行比较，若差值的绝对值均小于等于第一阈值，则进行步骤S6，若至少一个差值的绝对值大于第一阈值，则进行步骤S5；

S5：将该至少一个差值的绝对值所对应的节点处的总水流量与其前一个节点处的总水流量进行比较，若差值的绝对值大于第二阈值，则确定该段流路泄露，若差值的绝对值小于等于第二阈值，则确定该段流路及其前一段流路泄露；

S6：在确保任一段流路没有泄露后，比较第一流量计以及第二流量计的读数，若二者读数在误差允许范围内，则进行步骤S7，若二者读数超出误差允许范围，则对第二流量计进行修正；

S7：继续通过供水插管向土壤中提供水，在供水量达到设定值后，通过第二流出支路向土壤提供液肥。

8.根据权利要求7所述的自动灌溉方法，其特征在于，上述步骤S7具体包括：

S71：设定液肥供应量；

S72：液肥罐中的液肥通过第二泵、第一换路阀、第二流量计、第二换路阀供给到第二流出支路，并通过供肥插管向土壤中提供液肥；

S73：将液肥罐、第二泵、第二流量计均定义为节点，各相邻节点间构成一段流路，通过液肥罐中的液位传感器、第二泵的检测部件、第二流量计分别获得对应节点处的总液肥流量；

S74：将各对应节点处的总液肥流量分别与设定液肥供应量进行比较，若差值的绝对值均小于等于第一阈值，则进行步骤S76，若至少一个差值的绝对值大于第一阈值，则进行步骤S75；

S75：将该至少一个差值所对应的节点处的总液肥流量与其前一个节点处的总液肥流量进行比较，若差值的绝对值大于第二阈值，则确定该段流路堵塞，若差值的绝对值小于等于第二阈值，则确定该段流路及其前一段流路堵塞；

S76：在确保任一段流路没有堵塞后，继续通过第二流出支路向土壤提供液肥，以达到设定值。

9.根据权利要求7所述的自动灌溉方法，其特征在于，在上述步骤S7之后，还包括如下步骤：

S8：再次通过第一泵、第一流量计、第一换路阀、第二流量计、第二换路阀将储水罐中的水供给到第一流出支路，以实现对第二流量计的冲洗；

S9：根据土壤表层湿度以及空气湿度情况，启动喷灌装置进行喷灌。

10.根据权利要求9所述的自动灌溉方法，其特征在于，上述步骤S9具体包括以下情况：

A1：土壤表层湿度及空气湿度均小于对应的设定值，喷灌装置上每组喷头的三个子喷头均开启，且朝向土壤的子喷头的喷出量及雾珠均调至最大；

A2：仅土壤表层湿度小于对应的设定值，仅开启朝向土壤的子喷头，雾珠调至最大；

A3：仅空气湿度小于对应的设定值，开启除朝向土壤的子喷头之外的两个子喷头，喷出量调至最大，雾珠调至最小；

A4：土壤表层湿度及空气湿度均不小于对应的设定值，以预定时间间隔分别单独开启三个子喷头中的任一个。

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