CN116569725A - 一种水肥一体化灌溉设备 - Google Patents

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殷浩铭
王福华
吴凯
胡仁祥
王明慧
王智
侯泽东
郭伟
马丽亚
胡阳
谢文成
段德毅
张奔
李广场
张远
王晓园
樊小朝
史瑞静
李文亮
徐立军
蒋甲丁
谢昌润
晋青云
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Abstract

本发明公开了一种水肥一体化灌溉设备，涉及种植技术领域，包括混肥罐、集装箱和控制柜，所述混肥罐的内部上侧安装有搅拌器，且混肥罐的外部一侧设置有集装箱，所述集装箱的前方安装有控制柜，且集装箱一侧下方水平设置有肥液进口一、肥液进口二和肥液进口三，所述肥液进口一、肥液进口二和肥液进口三的中部分别安装有电磁阀一、电磁阀二和电磁阀三，且肥液进口一、肥液进口二和肥液进口三的一侧连接有PVC管路，所述PVC管路的后方连接有止回阀，且PVC管路的末端连接有注肥软管。该水肥一体化灌溉设备便于实现水流量监测、肥液量控制和水肥混合，采用现代智能水肥一体化灌溉设备，根据农作物的生长特性，自动匹配化肥，实现自动化控制。

Description

一种水肥一体化灌溉设备
技术领域
本发明涉及种植技术领域，具体为一种水肥一体化灌溉设备。
背景技术
种植即植物栽培,包括各种农作物、林木、果树、花草、药用和观赏等植物的栽培，有粮食作物、经济作物、蔬菜作物、绿肥作物、饲料作物、牧草等。在种植的过程中，需要对植物进行灌溉，因此需要用到灌溉设备，灌溉指的是利用人工设施，补充农田水分，以改善作物生长发育的条件，并满足作物对水分的需要，还能调节地温和土壤养分等。
目前自动灌溉系统存在效率低下和精度低等问题，水资源和化肥浪费依然存在，有必要设计一套新型水肥一体化灌溉设备及其控制系统。
于是，有鉴于此，针对现有的结构及缺失予以研究改良，提出一种水肥一体化灌溉设备。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种水肥一体化灌溉设备，解决了上述背景技术中提出的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种水肥一体化灌溉设备，包括混肥罐、集装箱和控制柜，所述混肥罐的内部上侧安装有搅拌器，且混肥罐的外部一侧设置有集装箱，所述集装箱的前方安装有控制柜，且集装箱一侧下方水平设置有肥液进口一、肥液进口二和肥液进口三，所述肥液进口一、肥液进口二和肥液进口三的中部分别安装有电磁阀一、电磁阀二和电磁阀三，且肥液进口一、肥液进口二和肥液进口三的一侧连接有PVC管路，所述PVC管路的后方连接有止回阀，且PVC管路的末端连接有注肥软管，所述注肥软管的上端安装有注肥阀，且注肥阀的上方连接有文丘里射流器，所述注肥软管的下方安装有蠕动泵，且蠕动泵的上方另一侧连接有混肥软管，所述混肥软管的末端通过管道与混肥罐的内部相互连通，所述PVC管路、止回阀、注肥软管、注肥阀、文丘里射流器、蠕动泵均封装于集装箱的内部。
进一步的，所述集装箱一侧设置有进水口，且进水口的上方安装有流量计，并且进水口与文丘里射流器之间相互连通，而且进水口处设置有注水阀。
进一步的，所述集装箱的一侧连接有出口电磁阀，且出口电磁阀与文丘里射流器、混肥罐之间相互连通，并且出口电磁阀外接喷管和喷头。
进一步的，所述水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S1、水肥浓度模型构建
如图4所示，水肥混合动态模型中的Q水(t)为水流量，Q注(t)为肥液量，C注(t)为注肥浓度，Qo(t)和Co(t)分别为水肥溶液的输出量，VG为管道体积，GG(t)为管道内肥液含量并假设管道肥液体积浓度一定。
进一步的，由肥料守恒可得，输入管道肥料量等于管道内肥料量加管道输出肥料量，则有
根据溶液体积守恒得式(2-2)
系统动态平衡后有
代入(2-3)到(2-1)中，假定C注固定不变,则有：
将输出浓度作为可设定参数，不同浓度模式下，蠕动泵注肥流速和主管路内供水流速有式(2-5)的关系，并作为控制系统设计依据
其中，流量传感器输出主管路内供水流量Q水(t)，蠕动泵注肥流量Q注(t)由直流电机的驱动电压控制。
进一步的，所述水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S2、自动灌溉
假设灌溉加入充盈管中的水量为Qs-立方米，T为灌水管道开通时间，单位为秒；Q水为灌溉水量-立方米；q水为灌溉时流量计采集的流量数据，单位为立方米每小时；灌溉时间计算公式满足
此外，需设定土壤湿度上限，当监测湿度超过上限，同样停止灌溉。
进一步的，所述水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S3、肥液调配
设Ti为第i个肥料管的开通时间(秒)；Q肥为需要的施肥总量(升)；qmax为蠕动泵吸肥最大流量(升/分钟)；ki为各通道肥料原液比例；n为开工配肥管道数量；则各配肥管道开通时间满足
控制注水阀开通时间计算公式满足
其中，T水为注水阀开通时间-(秒)；QL为混肥罐总量上限(升)；q1为配肥水流量(立方米/小时)；当水、肥输入混肥罐通道均关闭，混肥罐中溶液配置完成，计算初次水肥混合液的浓度，搅拌均匀后可进入下一步；此时调制水肥混合液的浓度计算公式为：
进一步的，所述水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S4、水肥混合喷施
混合肥液搅拌均匀后，通过需要的水肥浓度与稳定水速计算需要的注肥流速；计算公式为：
其中，q注为需要的注肥流量(立方米/小时)；C1为调配混合液体浓度；C设为设定的水肥浓度；q2为施肥时流量计测量流量(立方米/小时)。
设T施为所需施肥时间(秒)，Q肥为所需施肥总量(升)；T水为配肥注水阀开通时间(秒)；q1为配肥水流量(立方米/小时)；q注为注肥流量(立方米/小时)施肥时间具体公式为：
本发明提供了一种水肥一体化灌溉设备，具备以下有益效果：
1.该水肥一体化灌溉设备便于实现肥液量控制：由直流电机驱动的高精度蠕动泵可控制肥液流动，由于直流电压与泵转速成正比，PLC驱动电机调压就可以精准控制蠕动泵转速与输出流量。
2.该水肥一体化灌溉设备便于实现水肥混合：如果水肥浓度和注肥量过小，注肥管路容易受到来自主管路的压力，使得蠕动泵注肥困难，而在主管路注肥口安装文丘里射流器，形成压力差，易于肥液的注入。
3.该水肥一体化灌溉设备便于实现水流量监测：选用有显示与传输信号的流量计，通过PLC处理流量计信号对外设操作，控制柜设计有监测平台界面便于进行人机交互。
附图说明
图1为本发明一种水肥一体化灌溉设备的总体装备结构示意图；
图2为本发明一种水肥一体化灌溉设备的集装箱内部结构示意图；
图3为本发明一种水肥一体化灌溉设备的水肥一体化系统原理示意图；
图4为本发明一种水肥一体化灌溉设备的水肥混合动态模型示意图。
图中：1、混肥罐；2、搅拌器；3、集装箱；4、流量计；5、进水口；6、出口电磁阀；7、控制柜；8、肥液进口一；9、肥液进口二；10、肥液进口三；11、电磁阀一；12、电磁阀二；13、电磁阀三；14、PVC管路；15、止回阀；16、注肥软管；17、注肥阀；18、文丘里射流器；19、蠕动泵；20、混肥软管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
请参阅图1至图4，本发明提供技术方案：一种水肥一体化灌溉设备，包括混肥罐1、集装箱3和控制柜7，混肥罐1的内部上侧安装有搅拌器2，且混肥罐1的外部一侧设置有集装箱3，集装箱3的前方安装有控制柜7，且集装箱3一侧下方水平设置有肥液进口一8、肥液进口二9和肥液进口三10，肥液进口一8、肥液进口二9和肥液进口三10的中部分别安装有电磁阀一11、电磁阀二12和电磁阀三13，且肥液进口一8、肥液进口二9和肥液进口三10的一侧连接有PVC管路14，PVC管路14的后方连接有止回阀15，且PVC管路14的末端连接有注肥软管16，注肥软管16的上端安装有注肥阀17，且注肥阀17的上方连接有文丘里射流器18，注肥软管16的下方安装有蠕动泵19，且蠕动泵19的上方另一侧连接有混肥软管20，混肥软管20的末端通过管道与混肥罐1的内部相互连通，PVC管路14、止回阀15、注肥软管16、注肥阀17、文丘里射流器18、蠕动泵19均封装于集装箱3的内部；集装箱3一侧设置有进水口5，且进水口5的上方安装有流量计4，并且进水口5与文丘里射流器18之间相互连通，而且进水口5处设置有注水阀；集装箱3的一侧连接有出口电磁阀6，且出口电磁阀6与文丘里射流器18、混肥罐1之间相互连通，并且出口电磁阀6外接喷管和喷头；
具体操作如下，搅拌器2的搅拌部分安装在混肥罐1中，用来均匀混合将配置好的肥液，配肥、水肥混合和输出部分都被封装在集装箱3中，内置蠕动泵19和输送液体的软管，自动控制部分安装在控制柜7内，参数设置、控制设备动作和数据信息显示都在该处操作，整个装置预留主管路的进水口5、水肥出口(出口电磁阀6)与吸肥口(肥液进口一8、肥液进口二9、肥液进口三10)，主管路进水口5与水源相连，水肥出口(出口电磁阀6)与农田灌溉设备相连，吸肥口(肥液进口一8、肥液进口二9、肥液进口三10)和养分肥液桶连接，进而便于进行水肥一体化的灌溉。
水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S1、水肥浓度模型构建
如图4所示，水肥混合动态模型中的Q水(t)为水流量，Q注(t)为肥液量，C注(t)为注肥浓度，Qo(t)和Co(t)分别为水肥溶液的输出量，VG为管道体积，GG(t)为管道内肥液含量并假设管道肥液体积浓度一定。
由肥料守恒可得，输入管道肥料量等于管道内肥料量加管道输出肥料量，则有
根据溶液体积守恒得式(2-2)
系统动态平衡后有
代入(2-3)到(2-1)中，假定C注固定不变,则有：
将输出浓度作为可设定参数，不同浓度模式下，蠕动泵注肥流速和主管路内供水流速有式(2-5)的关系，并作为控制系统设计依据
其中，流量传感器输出主管路内供水流量Q水(t)，蠕动泵注肥流量Q注(t)由直流电机的驱动电压控制。
S2、自动灌溉
假设灌溉加入充盈管中的水量为Qs-立方米，T为灌水管道开通时间，单位为秒；Q水为灌溉水量-立方米；q水为灌溉时流量计采集的流量数据，单位为立方米每小时；灌溉时间计算公式满足
此外，需设定土壤湿度上限，当监测湿度超过上限，同样停止灌溉。
S3、肥液调配
设Ti为第i个肥料管的开通时间(秒)；Q肥为需要的施肥总量(升)；qmax为蠕动泵吸肥最大流量(升/分钟)；ki为各通道肥料原液比例；n为开工配肥管道数量；则各配肥管道开通时间满足
控制注水阀开通时间计算公式满足
其中，T水为注水阀开通时间-(秒)；QL为混肥罐总量上限(升)；q1为配肥水流量(立方米/小时)；当水、肥输入混肥罐通道均关闭，混肥罐中溶液配置完成，计算初次水肥混合液的浓度，搅拌均匀后可进入下一步；此时调制水肥混合液的浓度计算公式为：
S4、水肥混合喷施
混合肥液搅拌均匀后，通过需要的水肥浓度与稳定水速计算需要的注肥流速；计算公式为：
其中，q注为需要的注肥流量(立方米/小时)；C1为调配混合液体浓度；C设为设定的水肥浓度；q2为施肥时流量计测量流量(立方米/小时)。
设T施为所需施肥时间(秒)，Q肥为所需施肥总量(升)；T水为配肥注水阀开通时间(秒)；q1为配肥水流量(立方米/小时)；q注为注肥流量(立方米/小时)施肥时间具体公式为：
综上，该水肥一体化灌溉设备，使用时，首先种植区域内设土壤湿度传感器和土壤养分传感器，然后传感器采集外部环境信息，PLC收集信号判断当前作物状态，决策层判断是否需要施肥注水，水肥灌溉过程中，进水口5接入水源，水流量由流量计4显示，出口电磁阀6连接外部喷管和喷头，PLC根据灌水量需求与当前流量计算电磁阀开通时间，由喷头执行灌溉命令；
在这一过程中，需要进行水肥配置，设置各类肥液混合比例，使得肥液进口一8、肥液进口二9、肥液进口三10接入不同的原液桶，然后控制电磁阀一11、电磁阀二12、电磁阀三13的开启，蠕动泵19正转将原液桶中的肥料吸入PVC管路14、注肥软管16再通过混肥软管20送入混肥罐1，主管路出口阀与注肥阀17关闭，水流经进水口5、注水阀后最终流入混肥罐1，PLC始终控制搅拌器2将配好的母液混合均匀，再设置需要浓度，并通过PLC计算蠕动泵19的驱动电压，注水阀关闭，注肥阀17和出口电磁阀6开启，蠕动泵19反转将混肥罐1中的肥液抽进注肥软管16，与进水管路进水口5、文丘里射流器18中的水混合，出口电磁阀6的出口连接喷灌管路系统的喷管和喷头对作物进行施肥；
完成水肥喷洒后，管路进水口5通以少量水，系统进入自动清洗阶段，排出的水用于作物灌溉，同时还需记录清洗阶段的时间和水流量以便于冲洗的水量控制，并且在运行过程中，控制柜7的界面设计监测平台，显示传感器采集数据与其他外界设备工作状态，并对异常状态数据报警提示，就这样完成整个水肥一体化灌溉设备的使用过程。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种水肥一体化灌溉设备，其特征在于，包括混肥罐(1)、集装箱(3)和控制柜(7)，所述混肥罐(1)的内部上侧安装有搅拌器(2)，且混肥罐(1)的外部一侧设置有集装箱(3)，所述集装箱(3)的前方安装有控制柜(7)，且集装箱(3)一侧下方水平设置有肥液进口一(8)、肥液进口二(9)和肥液进口三(10)，所述肥液进口一(8)、肥液进口二(9)和肥液进口三(10)的中部分别安装有电磁阀一(11)、电磁阀二(12)和电磁阀三(13)，且肥液进口一(8)、肥液进口二(9)和肥液进口三(10)的一侧连接有PVC管路(14)，所述PVC管路(14)的后方连接有止回阀(15)，且PVC管路(14)的末端连接有注肥软管(16)，所述注肥软管(16)的上端安装有注肥阀(17)，且注肥阀(17)的上方连接有文丘里射流器(18)，所述注肥软管(16)的下方安装有蠕动泵(19)，且蠕动泵(19)的上方另一侧连接有混肥软管(20)，所述混肥软管(20)的末端通过管道与混肥罐(1)的内部相互连通，所述PVC管路(14)、止回阀(15)、注肥软管(16)、注肥阀(17)、文丘里射流器(18)、蠕动泵(19)均封装于集装箱(3)的内部。
2.根据权利要求1所述的一种水肥一体化灌溉设备，其特征在于，所述集装箱(3)一侧设置有进水口(5)，且进水口(5)的上方安装有流量计(4)，并且进水口(5)与文丘里射流器(18)之间相互连通，而且进水口(5)处设置有注水阀。
3.根据权利要求1所述的一种水肥一体化灌溉设备，其特征在于，所述集装箱(3)的一侧连接有出口电磁阀(6)，且出口电磁阀(6)与文丘里射流器(18)、混肥罐(1)之间相互连通，并且出口电磁阀(6)外接喷管和喷头。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种水肥一体化灌溉设备，其特征在于，所述水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S1、水肥浓度模型构建
如图4所示，水肥混合动态模型中的Q水(t)为水流量，Q注(t)为肥液量，C注(t)为注肥浓度，Qo(t)和Co(t)分别为水肥溶液的输出量，VG为管道体积，GG(t)为管道内肥液含量并假设管道肥液体积浓度一定。
5.根据权利要求4所述的一种水肥一体化灌溉设备，其特征在于，由肥料守恒可得，输入管道肥料量等于管道内肥料量加管道输出肥料量，则有
根据溶液体积守恒得式(2-2)
∫[Q注(t)+Q水(t)]dt＝VG+∫Qo(t)dt (2-2)
系统动态平衡后有
代入(2-3)到(2-1)中，假定C注固定不变,则有：
将输出浓度作为可设定参数，不同浓度模式下，蠕动泵注肥流速和主管路内供水流速有式(2-5)的关系，并作为控制系统设计依据
其中，流量传感器输出主管路内供水流量Q水(t)，蠕动泵注肥流量Q注(t)由直流电机的驱动电压控制。
6.根据权利要求5所述的一种水肥一体化灌溉设备，其特征在于，所述水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S2、自动灌溉
假设灌溉加入充盈管中的水量为Qs-立方米，T为灌水管道开通时间，单位为秒；Q水为灌溉水量-立方米；q水为灌溉时流量计采集的流量数据，单位为立方米每小时；灌溉时间计算公式满足
此外，需设定土壤湿度上限，当监测湿度超过上限，同样停止灌溉。
7.根据权利要求6所述的一种水肥一体化灌溉设备，其特征在于，所述水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S3、肥液调配
设Ti为第i个肥料管的开通时间(秒)；Q肥为需要的施肥总量(升)；qmax为蠕动泵吸肥最大流量(升/分钟)；ki为各通道肥料原液比例；n为开工配肥管道数量。则各配肥管道开通时间满足
控制注水阀开通时间计算公式满足
其中，T水为注水阀开通时间-(秒)；QL为混肥罐总量上限(升)；q1为配肥水流量(立方米/小时)；当水、肥输入混肥罐通道均关闭，混肥罐中溶液配置完成，计算初次水肥混合液的浓度，搅拌均匀后可进入下一步；此时调制水肥混合液的浓度计算公式为：
8.根据权利要求7所述的一种水肥一体化灌溉设备，其特征在于，所述水肥一体化灌溉设备包括以下具体步骤：
S4、水肥混合喷施
混合肥液搅拌均匀后，通过需要的水肥浓度与稳定水速计算需要的注肥流速，计算公式为：
其中，q注为需要的注肥流量(立方米/小时)；C1为调配混合液体浓度；
C设为设定的水肥浓度；q2为施肥时流量计测量流量(立方米/小时)；
设T施为所需施肥时间(秒)，Q肥为所需施肥总量(升)；T水为配肥注水阀开通时间(秒)；q1为配肥水流量(立方米/小时)；q注为注肥流量(立方米/小时)施肥时间具体公式为：
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