CN117616961B - 一种滴灌水肥控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种滴灌水肥控制系统及方法，属于水肥控制系统技术领域。本发明通过合理的设计与计算，摒弃了依靠经验灌溉时长分配水与肥时长的办法，巧妙地实现了滴灌系统水肥的自分配，使得灌水施肥更加精量化；同时，综合受作物、土壤、肥料类型等多重因素，提出了在此复杂情况下如何确定施肥机中通道数量、每路通道应调节的吸肥量、浮子流量计规格及施肥桶规格的方法，很大程度上降低了滴灌水肥控制系统的造价。

Description

一种滴灌水肥控制系统及方法

技术领域

本发明涉及智能农业水动力机械技术领域，具体而言，涉及智能水肥机中的一种滴灌水肥控制系统及方法。

背景技术

水肥一体化技术在我国得到了大面积推广与应用，然而现有的滴灌水肥一体化系统或设备只能简单地将肥料和水混合后输出，而且智能化程度较低，难以精准地控制施肥时间、施肥量和施肥速度等问题。智能水肥机（施肥机）成为解决滴灌水肥一体化的智能设备，如专利公开号为CN 210671302 U 的一种智能定量施肥机，通过采用云控制系统，可根据植物对肥料不同的需求，根据在线监测的液位计，自动调节可调流量的电磁阀，实现吸肥量的自动调节，达到精准施肥的效果；通过通讯模块，可以使用手机、平板、电脑进行远程操作，远程设置施肥时间、施肥量和施肥速度等重要参数，有效解决了目前存在的技术问题，但施肥时间和施肥量等参数的确定完全通过人工经验判定，无法实现高效精准施控。

在滴灌系统中，为避免肥料的淋失，同时提高滴灌系统的抗堵性能、肥料利用效率和作物品质与产量，通常会将水与肥的相对施控时间进行分配，具体采用：

先灌清水再施肥最后灌清水的施控手段；

然而，目前该技术手段仅仅采用经验灌溉时长作为水肥分配的总时长，将总时长按照一定比例去分配施肥前灌溉时长、施肥时长和施肥后灌溉时长，由于该总时长仅是经验值，这将无法达到精量灌溉施肥，因此，缺乏一套适用滴灌的水肥分配控制系统。

水肥控制系统通常借助施肥机作为终端设备执行命令，但在使用中受到作物类型、土壤类型、肥料类型等多重因素带来的直接或间接影响，无法确定施肥机中通道数量、每路通道应调节的吸肥量、浮子流量计规格及施肥桶规格等关键部件。因此，从硬件物理组成系统层面讲，也缺乏一套适用滴灌水肥控制系统的选配方法。

综上所述，亟需发明一种滴灌水肥控制系统及方法。

发明内容

为改善、甚至解决现有技术中的至少一个问题，本发明提出了一种滴灌水肥控制系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的第一方面，提供了一种滴灌水肥控制方法，包括以下步骤：

根据作物与土壤类型获取肥料类型、每亩肥料施用量F（Kg/亩）、滴灌带参数及亩灌水量M（m³)；

根据所述滴灌带参数确定灌水强度h(mm)，计算公式如下：

h=q/(s*L)*10000，式中，q为灌水器流量(L/h)， s为灌水器间距(cm），L为滴灌带间距（cm)；

根据所述亩灌水量换算单位面积灌水深度H(mm)，计算公式如下：

H=M*1.5，式中，M为亩灌水量（m³)；

根据所述灌水强度h和所述灌水深度H确定灌水时长T（h)，计算公式如下：

T=H/h；

根据灌水施肥顺序原则，确实时间比例，继而计算出施肥时长t(min)，其中，所述灌水施肥顺序原则为：先灌清水-再施肥-最后灌清水；

再根据所述肥料类型在不同水温下的溶解度，确定肥料浓度C(Kg/L)；

根据泵房流量确定轮灌面积S(亩）；

根据所述每亩肥料施用量F、所述肥料浓度C、所述施肥时长t及所述轮灌面积S，确定轮灌组吸肥量X（L/h)，计算公式如下：

X=F/C/t*60*S；

根据所述轮灌组吸肥量X和单通道最大吸肥量Qmax的相对大小，确定吸肥通道数量n和每路通道吸肥量Qx（L/h)；

根据所述每路通道吸肥量Qx反算单次施肥体积V（L)，计算公式如下：

V=Qx/60*t；

根据略大原则，确定最佳施肥桶规格。

本发明进一步的设置为：所述先灌清水-再施肥-最后灌清水的时间比例为1:1:1或2:1:1。

本发明进一步的设置为：所述滴灌带参数中灌水器流量设定范围为0.4-4 L/h，所述灌水器间距设定为10 cm的整数倍。

本发明进一步的设置为：所述滴灌带间距设定应根据作物行间距或者灌溉工程设计决定。

本发明的第二方面：还提供了一种滴灌水肥控制系统，所述控制系统包括控制模块和管路模块，其中：

所述控制模块包括控制器和屏幕，所述控制器与所述屏幕电性连接；所述管路模块包括水泵、吸肥通道和施肥桶，所述水泵通过所述吸肥通道与所述施肥桶连通；

所述控制模块作为所述管路模块的上位模块实现命令下发；

本发明进一步的设置为：所述吸肥通道通按照吸肥流动方向依次连接有浮子流量计、流量调节阀及文丘里施肥器；

本发明进一步的设置为：所述文丘里施肥器在出口为-9 m压力工况下所测吸肥量为所述单通道最大吸肥量，所述文丘里施肥器进口与灌溉主管道下游连通，所述文丘里施肥器出口与所述水泵进口连通，所述水泵出口与灌溉主管道上游连通；

本发明进一步的设置为：所述浮子流量计的流量规格应根据所述单通道最大吸肥量选定，尺寸应选定公称直径20 mm规格；

本发明进一步的设置为：所述施肥桶规格应根据实际需要，选定10L或100L的整数倍。

本发明进一步的设置为：所述控制系统的执行设备载体为施肥机。

有益效果

1.本发明通过对作物、土壤、肥料类型及水肥灌施量等多要素与滴灌系统中的滴灌带参数进行耦合匹配计算，巧妙地实现了用于多变复杂的滴灌系统水肥的自分配，摒弃了依靠经验灌溉时长分配水与肥时长的办法，使得灌水施肥更加精量化。

2.本发明基于滴灌水肥自分配控制系统，通过肥料的溶解度、施肥量、轮灌面积及自分配系统确定的施肥时长的推导计算，并巧妙结合文丘里出口-9m时达到最大吸肥量的特点，解决了多变滴灌系统中施肥机关键部件多重盲盒问题，即多个关键部件的选型或调节，包括但不限于施肥机中通道数量的确定、浮子流量计规格及施肥桶规格的选型以及每路通道应如何调节吸肥量，更重要的是实现了滴灌水肥自分配控制系统下，关键部件选配与调节功能的有机匹配，本发明可通过施肥机关键部件合理选型极大程度上降低滴灌水肥控制系统的造价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了滴灌水肥控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明中，在不矛盾或冲突的情况下，本发明的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本发明中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本发明公开的内容自制。在本发明中，为了突出本发明的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

实施例1

如图1所示，本申请实施例以壤土中的玉米为例：

获取了玉米的肥料类型为尿素、每亩肥料施用量F为5 Kg/亩、亩灌水量M为30 m³，每亩灌水量与施肥量均为单次使用量；

玉米按照行间距50 cm，株距30 cm种植，

根据玉米间距和株距及土壤类型确定了滴灌带参数，

其中，灌水器流量规格可选为1.5 L/h，灌水器间距规格选为30 cm的整数倍，滴灌带间距设定为50 cm;

根据确定的滴灌带参数确定灌水强度h(mm/h)，计算公式如下：

h=q/(s*L) =1.5/(30*50)*10000= 10 mm/h，

其中,q为灌水器流量(L/h)， s为灌水器间距(cm），L为滴灌带间距（cm)；

根据所述亩灌水量换算单位面积灌水深度H(mm)，计算公式如下：

H=M*1.5=30*1.5=45 mm；

根据所述灌水强度h和所述灌水深度H确定灌水时长T（h)，计算公式如下：

T=H/h=45/10=4.5 h；

灌水施肥顺序原则，采取：

先灌清水-再施肥-最后灌清水方式，

根据先灌清水-再施肥-最后灌清水方式，确实先灌清水-再施肥-最后灌清水的时间比例为1:1:1，计算出施肥时长为90 min；

再根据所选肥料类型为尿素，假设施肥桶内水温度为20℃，此时尿素的溶解度为105g/100g水，确定肥料浓度C为1.05 Kg/L；

根据泵房流量确定轮灌面积100 亩；

根据确定的每亩肥料施用量F为5Kg/亩、肥料浓度为C为1.05 Kg/L、施肥时长t为90 min及所述轮灌面积S为100亩，从而确定轮灌组吸肥量X（L/h)，计算公式如下：

X=F/C/t*60*S=5/1.05/90*60*100=317.46 L/h；

单通道最大吸肥量应根据文丘里施肥器在出口为-9 m压力工况下所测吸肥量确定，文丘里施肥器进口与灌溉主管道下游连通，所述文丘里施肥器出口与所述水泵进口连通，所述水泵出口与灌溉主管道上游连通。

本实施例1中文丘里施肥器选用中博数字农业(淄博)有限责任公司生产的型号为ZB-WQL-500的文丘里施肥器，该文丘里施肥器在出口-9m压力时所测吸肥量为500 L/h, 即单通道最大吸肥量Qmax= 500 L/h;

浮子流量计的流量规格应根据单通道最大吸肥量500 L/h选定，尺寸应选定公称直径20 mm规格，即浮子流量计流量规格选为500 L/h；

实施例2

根据实施例1中轮灌组吸肥量X=318 L/h<500 L/h, 可知吸肥通道数量n=1时即可满足要求，即设计成单通道施肥机即可，与此同时，通过调节吸肥通道中流量调节阀的阀度，并观察浮子流量计的示数，调整为317.46 L/h，完成通道吸肥量Qx的调节。

同步地，根据通道吸肥量Qx=318 L/h反算单次施肥体积V（L)，计算公式如下：

公式V=Qx/60*t=318/60*90=477 L；

根据略大原则，且应满足施肥桶规格为100L的整数倍，最终确定最佳施肥桶规格为500 L。

实施例3

假设实施例1中轮灌组吸肥量X=600 L/h，此时X>500 L/h (单通道最大吸肥量Qmax), 可知吸肥通道数量n=1时已不再满足要求，

在不考虑更换文丘里施肥器吸肥量规格的前提下，

此时n=X/Qmax=600/500=1.2, n应为整数，取值为2，即设计成双通道施肥机即可。

相应地，计算出每路通道吸肥量：

Qx=X/n=600/2=300 L/h

通过调节吸肥通道中流量调节阀的阀度，并观察浮子流量计的示数，调整为300L/h，完成通道吸肥量Qx的调节。

同步地，根据通道吸肥量Qx=300 L/h反算单次施肥体积V（L)，计算公式如下：

公式V=Qx/60*t=300/60*90=450 L；

根据略大原则，且应满足施肥桶规格为100L的整数倍，最终确定最佳施肥桶规格为500 L，每路吸肥通道配备1个施肥桶，即总数量为2个。

实施例4

本申请实施例的另一目的在于一种滴灌水肥控制系统，控制系统包括控制模块和管路模块，其中：

控制模块包括控制器、屏幕及配套电器件，控制器与屏幕电性连接；管路模块包括水泵、吸肥通道和施肥桶，水泵通过吸肥通道通与施肥桶连通；

控制模块作为管路模块的上位模块实现命令下发；

其中，吸肥通道通按照吸肥流动方向依次连接有浮子流量计、流量调节阀及文丘里施肥器；

文丘里施肥器在出口为-9 m压力工况下所测吸肥量为单通道最大吸肥浮子流量计的流量规格应根据单通道最大吸肥量选定，尺寸应选定公称直径20 mm规格；

实施例5

本申请实施例的另一目的在于提供一种滴灌水肥控制系统，该控制系统的执行设备载体为施肥机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种滴灌水肥控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据作物与土壤类型获取肥料类型、每亩肥料施用量F（Kg/亩）、滴灌带参数及亩灌水量M（m³)；

根据所述滴灌带参数确定灌水强度h(mm/h)，计算公式如下：

h=q/(s*L)*10000，式中，q为灌水器流量(L/h)， s为灌水器间距(cm），L为滴灌带间距（cm)；

根据所述亩灌水量换算单位面积灌水深度H(mm)，计算公式如下：

H=M*1.5，式中，M为亩灌水量；

根据所述灌水强度h和所述灌水深度H确定灌水时长T（h)，计算公式如下：

T=H/h；

根据灌水施肥顺序原则，确实时间比例，继而计算出施肥时长t(min)，其中，所述灌水施肥顺序原则为：先灌清水-再施肥-最后灌清水；

再根据所述肥料类型在不同水温下的溶解度，确定肥料浓度C(Kg/L)；

根据泵房流量确定轮灌面积S(亩）；

根据所述每亩肥料施用量F、所述肥料浓度C、所述施肥时长t及所述轮灌面积S，确定轮灌组吸肥量X（L/h)，计算公式如下：

X=F/C/t*60*S；

根据所述轮灌组吸肥量X和单通道最大吸肥量Qmax的相对大小，确定吸肥通道数量n和每路通道吸肥量Qx（L/h)；

根据所述每路通道吸肥量Qx反算单次施肥体积V（L)，计算公式如下：

V=Qx/60*t；

根据略大原则，确定最佳施肥桶规格。

2.根据权利要求1所述的一种滴灌水肥控制方法，其特征在于，所述先灌清水-再施肥-最后灌清水的时间比例为1:1:1或2:1:1。

3.根据权利要求1所述的一种滴灌水肥控制方法，其特征在于，所述滴灌带参数中灌水器流量设定范围为0.4-4 L/h，所述灌水器间距设定为10 cm的整数倍。

4.根据权利要求1所述的一种滴灌水肥控制方法，其特征在于，所述滴灌水肥控制方法的实现载体为嵌入所述滴灌水肥控制方法的施肥机控制系统，所述施肥机控制系统包括控制模块和管路模块，其中：

所述控制模块包括控制器和屏幕，所述控制器与所述屏幕电性连接；所述管路模块包括水泵、吸肥通道通和施肥桶，所述水泵通过所述吸肥通道与所述施肥桶连通；

所述控制模块作为所述管路模块的上位模块实现命令下发;

所述吸肥通道按照吸肥流动方向依次连接有浮子流量计、流量调节阀及文丘里施肥器;

所述文丘里施肥器在出口为-9 m压力工况下所测吸肥量为所述单通道最大吸肥量，所述文丘里施肥器进口与灌溉主管道下游连通，所述文丘里施肥器出口与所述水泵进口连通，所述水泵出口与灌溉主管道上游连通。

5.根据权利要求4所述的一种滴灌水肥控制方法，其特征在于，所述浮子流量计的流量规格应根据所述单通道最大吸肥量选定，尺寸应选定公称直径20 mm规格。

6.根据权利要求4所述的一种滴灌水肥控制方法，其特征在于，所述施肥桶规格应根据实际需要，选定10L或100L的整数倍。