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CN107360774B - 一种动比例注肥方法、智能精量灌溉施肥机及方法 - Google Patents

一种动比例注肥方法、智能精量灌溉施肥机及方法 Download PDF

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CN107360774B CN201710501826.XA CN201710501826A CN107360774B CN 107360774 B CN107360774 B CN 107360774B CN 201710501826 A CN201710501826 A CN 201710501826A CN 107360774 B CN107360774 B CN 107360774B
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Abstract

本发明涉及水利工程领域，公开了一种动比例注肥方法，其利用算法控制动比例注肥装置控制注肥量，本发明还公开一种智能精量灌溉施肥机，包括：动比例注肥装置、监测机构和电控机构，本发明还公开一种智能精量灌溉施肥方法，包括：通过监测机构监测，电控机构采用动比例注肥方法控制动比例注肥装置，实现了精量、高效、智能注肥，并实现了增压、注肥、过滤、灌溉控制于一体，具有多功能特点，提高了机械化和自动化水平。

Description

一种动比例注肥方法、智能精量灌溉施肥机及方法
技术领域
本发明涉及水利工程领域，特别是涉及一种动比例注肥方法、智能精量灌溉施肥机及方法。
背景技术
我国肥料利用率仅为30％-40％，而发展中国家肥料利用率普遍高于60％以上，农业过量施肥、肥料利用率低下成为我国农业面源污染、土壤质量下降的主要原因，是我国发展现代农业迫切需要解决的问题。大力发展水肥一体化技术是有效提高肥料利用率、解决过量施肥的重要对策。欧美等发达国家水肥一体化技术最为先进，形成了较为完善水肥一体化技术装备体系，我国高端智能精量灌溉施肥机基本依赖进口，低端施肥机基本处于仿制阶段，缺乏自主原创技术，严重制约我国水肥一体化技术的应用与发展。
随着信息技术、控制技术的发展，目前国外高端智能精量灌溉施肥机普遍采用混肥罐进行水、肥的混合，低端智能精量灌溉施肥机采用注肥泵进行固定比例注肥，混肥罐结构注肥效率低、容积较小，控制面积有限，注肥泵一般不能自动调节比例，注肥精度较低。现有的这两类智能精量灌溉施肥机存在注肥精度不高、功能单一等突出问题，发展多功能、精量化、智能化的比例自动可调式智能精量灌溉施肥机是本技术领域的未来重点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种动比例注肥方法、智能精量灌溉施肥机及方法，解决现有技术中存在注肥精度不高、功能单一及低智能化等突出问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种动比例注肥方法，其特征在于，包括：
判断需要调节电导率和酸碱度或需要适时适量进行灌溉；
当需要调节电导率和酸碱度时，监测灌溉液的浓度，并设定灌溉液浓度预设值、控制精度和阀门执行器的开度的系数；
实时判断
Figure GDA0003954015970000021
与a的关系，若
Figure GDA0003954015970000022
则ki乘以f，并作为新的ki，直到当
Figure GDA0003954015970000023
时，此时的ki为稳定时的阀门执行器的开度；其中，ki代表阀门执行器的开度，ki＝1代表阀门执行器为完全打开，ki＝0代表阀门执行器为完全闭合；Fi代表灌溉液浓度预设值；Fs代表灌溉液的浓度；a代表控制精度；f代表阀门执行器的开度的系数；
当需要适时适量进行灌溉时，测定需要灌溉作物的全生育期腾发量、全生育期蒸腾量、全生育期蒸腾系数、两次施肥间隔期的腾发量、作物系数、两次施肥间隔期的蒸腾量、不同生育期蒸腾系数、全生育期施肥量及参考作物的两次施肥间隔期的腾发量，并测量输出灌溉液的管道流量、最大注肥比例以及肥料稀释比例；
利用公式：Td＝ET0d×Kd×jd和
Figure GDA0003954015970000024
计算Td和s；
设定ki＝1，利用公式
Figure GDA0003954015970000025
计算b；
实时判断b与
Figure GDA0003954015970000026
的关系，若
Figure GDA0003954015970000027
则ki乘以f，并作为新的ki，直至
Figure GDA0003954015970000028
时，此时的ki为开启时的阀门执行器的开度，利用公式
Figure GDA0003954015970000029
Oc＝Ot+b，计算Oc；其中，ki代表阀门执行器的开度，ki＝1代表阀门执行器为完全打开，ki＝0代表阀门执行器为完全闭合，f代表阀门执行器的开度的系数，ET代表需要灌溉作物的全生育期腾发量，j代表需要灌溉作物的全生育期蒸腾系数，ET0d代表参考作物的两次施肥间隔期的腾发量；Kd代表需要灌溉作物的作物系数，ETd代表需要灌溉作物的两次施肥间隔期的腾发量，Td代表需要灌溉作物的两次施肥间隔期的蒸腾量，jd代表需要灌溉作物的不同生育期蒸腾系数，S代表需要灌溉作物的全生育期施肥量，s代表本次施肥量；Q代表输出灌溉液的管道流量，Z(ki)代表最大注肥比例，e代表肥料稀释比例，b代表施肥时长，c代表一次灌溉延续时间，Ot代表一次阀门执行器开启时间；Oc代表一次阀门执行器关闭时间。
本发明还公开一种智能精量灌溉施肥机，其特征在于，包括：
动比例注肥装置，包括施肥装置、阀门和能够实时调节所述阀门开度比例的阀门执行器，用于控制从肥料罐中抽取肥料的流量，并将灌溉水源和肥料混合形成水肥溶液；
监测机构，包括电导率传感器、酸碱度传感器和微气候传感器，所述电导率传感器、酸碱度传感器和微气候传感器用于监测灌溉液的电导率、酸碱度及其处于的微气候环境；
电控机构，所述电控机构与所述电导率传感器、酸碱度传感器和微气候传感器通讯连接，且与所述阀门执行器电连接，所述电控机构利用本发明的动比例注肥方法通过驱动所述阀门执行器控制肥料注入的流量；
驱动装置，用于驱动灌溉水源、肥料及水肥溶液传输。
其中，还包括第二压力传感器、第三压力传感器和过滤器，所述第二压力传感器和第三压力传感器分别设于所述过滤器的两端，所述过滤器还设有反冲洗阀，所述第二压力传感器、第三压力传感器和反冲洗阀均与所述电控机构电连接，所述电控机构接收所述第二压力传感器和第三压力传感器的数据并控制所述反冲洗阀。
其中，所述肥料罐还设有过滤逆止装置，所述过滤逆止装置包括滤网、防堵帽和逆止板。
其中，水肥溶液的出料口分为第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述监测机构的入料口连接，第二端口与所述动比例注肥装置的入料口连接，第三端口用于排出水肥溶液，所述监测机构的出料口与所述动比例注肥装置的出料口均与灌溉水源的入料口连接，所述驱动装置设于所述水肥溶液的出料口与灌溉水源的入料口之间。
其中，所述肥料罐还设有鼓风机和吹肥装置，所述鼓风机通过吹肥装置与肥料罐连接，且所述鼓风机与电控机构电连接，所述吹肥装置包括导流体和导流锥。
本发明还公开一种智能精量灌溉施肥方法，其特征在于，包括：
监测灌溉液的电导率、酸碱度及其处于的微气候环境，并上报给电控机构；
所述电控机构利用本发明的动比例注肥方法，控制阀门执行器。
其中，所述电控机构根据第一压力传感器与第二压力传感器的差值判断控制反冲洗阀的开启或关闭。
(三)有益效果
本发明提供的一种动比例注肥方法、智能精量灌溉施肥机及方法，采用动比例注肥方法及装置，实现了精量、高效、智能注肥，并实现了增压、注肥、过滤、灌溉控制于一体，具有多功能特点，提高了机械化和自动化水平。
附图说明
图1为本发明基于混合溶液浓度稳定输出的注肥控制算法的流程图；
图2为本发明基于作物耗水的总施肥动态分配注肥控制算法的流程图；
图3为本发明一种智能精量灌溉施肥机的结构示意图；
图4为本发明一种智能精量灌溉施肥方法的流程图；
图5为本发明动比例注肥装置的示意图；
图6为本发明过滤逆止装置的结构图；
图7为本发明吹肥装置的结构图；
图中，1、水泵；2、第一压力传感器；3、第二压力传感器；4、过滤器；5、反冲洗阀；6、第二压力传感器；7、流量计；8、电导率传感器；9、酸碱度传感器；10、动比例注肥装置；11、肥料罐；12、过滤逆止装置；13、鼓风机；14、吹肥装置；15、电控机构；16、无线通讯方式；17、微气候传感器；18、开关；19、阀门执行器；20、施肥装置；21、控制算法；22、滤网；23、防堵帽；24、逆止板；25、导流体；26、导流锥。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示(图中判断需要调节电导率和酸碱度或需要适时适量进行灌溉和测量步骤未标出)，本发明公开一种动比例注肥方法，包括两种情况的算法：
判断需要调节电导率和酸碱度或需要适时适量进行灌溉；
(1)当需要调节电导率和酸碱度时(基于混合溶液浓度稳定输出的注肥控制算法)，监测灌溉液的浓度，并设定灌溉液浓度预设值、控制精度和阀门执行器的开度的系数；
如图1所示，实时判断
Figure GDA0003954015970000061
与a的关系，若
Figure GDA0003954015970000062
则ki乘以f，并作为新的ki，直到当
Figure GDA0003954015970000063
时，此时的ki为稳定时的阀门执行器的开度；其中，ki代表阀门执行器的开度，ki＝1代表阀门执行器为完全打开，ki＝0代表阀门执行器为完全闭合；Fi代表灌溉液浓度预设值；Fs代表灌溉液的浓度；a代表控制精度；f代表阀门执行器的开度的系数；
(2)当需要适时适量进行灌溉时(基于作物耗水的总施肥动态分配注肥控制算法)，测定需要灌溉作物的全生育期腾发量、全生育期蒸腾量、全生育期蒸腾系数、两次施肥间隔期的腾发量、作物系数、两次施肥间隔期的蒸腾量、不同生育期蒸腾系数、全生育期施肥量及参考作物的两次施肥间隔期的腾发量，并测量输出灌溉液的管道流量、最大注肥比例以及肥料稀释比例；
如图2所示，利用公式：Td＝ET0d×Kd×jd和
Figure GDA0003954015970000064
计算Td和s；
设定ki＝1，利用公式
Figure GDA0003954015970000065
计算b；
实时判断b与
Figure GDA0003954015970000066
的关系，若
Figure GDA0003954015970000067
则ki乘以f，并作为新的ki，直至
Figure GDA0003954015970000068
时，此时的ki为开启时的阀门执行器的开度，利用公式
Figure GDA0003954015970000069
Oc＝Ot+b，计算Oc；其中，ki代表阀门执行器的开度，ki＝1代表阀门执行器为完全打开，ki＝0代表阀门执行器为完全闭合，f代表阀门执行器的开度的系数，ET代表需要灌溉作物的全生育期腾发量，j代表需要灌溉作物的全生育期蒸腾系数，ET0d代表参考作物的两次施肥间隔期的腾发量；Kd代表需要灌溉作物的作物系数，ETd代表需要灌溉作物的两次施肥间隔期的腾发量，Td代表需要灌溉作物的两次施肥间隔期的蒸腾量，jd代表需要灌溉作物的不同生育期蒸腾系数，S代表需要灌溉作物的全生育期施肥量，s代表本次施肥量；Q代表输出灌溉液的管道流量，Z(ki)代表最大注肥比例，e代表肥料稀释比例，b代表施肥时长，c代表一次灌溉延续时间，Ot代表一次阀门执行器开启时间；Oc代表一次阀门执行器关闭时间。图中的kw为最终的阀门执行器的开度。
具体的，电导率传感器和酸碱度传感器或其他测量工具对溶液进行测量，计算出Fi，并且根据灌溉实际需要，预设Fs、a以及f，执行算法；通过微气候传感器检测出ET、ET0d、ETd等数据，流量计可测出管道流量Q以及已知量，根据公式T＝j×ET、Td＝jd×ETd、ETd＝ET0d×Kd和j，则可导出Td＝ET0d×Kd×jd。并计算出s和b，执行算法。
本发明公开的一种动比例注肥方法，通过电控机构控制阀门执行器的开度，以控制施肥量，适用于基于混合溶液浓度稳定输出的注肥控制以及基于作物耗水的总施肥动态分配注肥控制，具有精量、高效、智能注肥的特点，节省人力，提高了机械化和自动化水平。
如图3和图5所示，本发明还公开一种智能精量灌溉施肥机，包括：
动比例注肥装置10，包括施肥装置20、阀门和能够实时调节所述阀门开度比例的阀门执行器19，用于控制从肥料罐11中抽取肥料的流量，并将灌溉水源和肥料混合形成水肥溶液；
监测机构，包括电导率传感器8、酸碱度传感器9和微气候传感器17，所述电导率传感器8、酸碱度传感器9和微气候传感器17用于监测灌溉液的电导率、酸碱度及其处于的微气候环境；
电控机构15，所述电控机构15与所述电导率传感器8、酸碱度传感器9和微气候传感器17通讯连接，且与所述阀门执行器19电连接，所述电控机构15利用所述的动比例注肥方法通过驱动所述阀门执行器19控制肥料注入的流量；
驱动装置，用于驱动灌溉水源、肥料及水肥溶液传输。驱动装置可以选用水泵1。
具体的，少量水流进入电导率传感器8、酸碱度传感器9和微气候传感器17检测；并将上述检测结果发送给电控机构15，电控机构15根据不同情况执行算法，并控制阀门执行器19的开度；部分水流进入到施肥装置20，阀门执行器19用于调节从肥料罐11中抽取的肥料的量，混合后排出水肥溶液，并经流量计7检测。在灌溉水源处还设有第一压力传感器2，将监测到的信息传输给电控机构15，电控机构15与开关18和其他装置的通讯方式优选为无线通讯方式16，开关18可以人为控制智能精量灌溉施肥机的工作，开关18可以为电磁阀或光温热气启闭装置等。其中，无线通讯方式16包括因特网/GPRS/Zigbee/WiFi等通讯方式。
本发明公开一种智能精量灌溉施肥机，采用动比例注肥装置10，实现了精量、高效、智能注肥，并实现了增压、注肥、过滤、灌溉控制于一体，具有多功能特点，提高了机械化和自动化水平。
其中，还包括第二压力传感器3、第三压力传感器6和过滤器4，所述第二压力传感器3和第三压力传感器6分别设于所述过滤器4的两端，所述过滤器4还设有反冲洗阀5，所述第二压力传感器3、第三压力传感器和反冲洗阀5均与所述电控机构15电连接，所述电控机构15接收所述第二压力传感器3和第三压力传感器的数据并控制所述反冲洗阀5。具体的，电控机构15根据第二压力传感器3和第三压力传感器的差值判断是否开启反冲洗阀5，以恢复过滤器4净化功能，去除过滤器4堵塞，减小过滤器4两端压差。
如图6所示，所述肥料罐11还设有过滤逆止装置12，所述过滤逆止装置12包括滤网22、防堵帽23和逆止板24。具体的，滤网22有效去除固体颗粒杂质，防止堵塞流道，防堵帽23防止固体肥料或大颗粒物质进入注肥流道，逆止板24防止流道逆流。
其中，水肥溶液的出料口分为第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述监测机构的入料口连接，第二端口与所述动比例注肥装置10的入料口连接，第三端口用于排出水肥溶液，所述监测机构的出料口与所述动比例注肥装置10的出料口均与灌溉水源的入料口连接，所述驱动装置设于所述水肥溶液的出料口与灌溉水源的入料口之间。水肥出料口即用于作物灌溉施肥的出料口。这样的设置，仅用一个水泵1即可实现增压、注肥、过滤、灌溉控制于一体，具有多功能特点。
如图1和图7所示，所述肥料罐11还设有鼓风机13和吹肥装置14，所述鼓风机13通过吹肥装置14与肥料罐11连接，且所述鼓风机13与电控机构15电连接，所述吹肥装置14包括导流体25和导流锥26。采用鼓风机13与吹肥装置14通过主动鼓风加速固体肥料在水中快速均匀溶解，吹肥装置14由导流体25和导流锥26组成，采用流线型设计保证了气体对肥料颗粒的均匀高效扰动。
其中，过滤器4为并排设置的多个，依据灌溉水源的注入流量选择过滤器4的数量，还可以当某个过滤器4发生故障时，还可利用并排设置的其他过滤器4进行过滤。
如图4所示，本发明还公开一种智能精量灌溉施肥方法，其特征在于，包括：
监测灌溉液的电导率、酸碱度及其处于的微气候环境，并上报给电控机构；
所述电控机构利用所述的动比例注肥方法，控制阀门执行器。
本发明公开的一种智能精量灌溉施肥方法采用动比例注肥方法及装置，实现了精量、高效、智能注肥，并实现了增压、注肥、过滤、灌溉控制于一体，具有多功能特点，提高了机械化和自动化水平。
其中，所述电控机构根据第一压力传感器与第二压力传感器的差值判断控制反冲洗阀的开启或关闭。
本发明公开一种动比例注肥方法、智能精量灌溉施肥机及方法，采用动比例注肥方法及装置，实现了精量、高效、智能注肥，并实现了增压、注肥、过滤、灌溉控制于一体，具有多功能特点，提高了机械化和自动化水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种智能精量灌溉施肥机，其特征在于，包括：
动比例注肥装置(10)，包括施肥装置(20)、阀门和能够实时调节所述阀门开度比例的阀门执行器(19)，用于控制从肥料罐(11)中抽取肥料的流量，并将灌溉水源和肥料混合形成水肥溶液；
监测机构，包括电导率传感器(8)、酸碱度传感器(9)和微气候传感器(17)，所述电导率传感器(8)、酸碱度传感器(9)和微气候传感器(17)用于监测灌溉液的电导率、酸碱度及其处于的微气候环境；
电控机构(15)，所述电控机构(15)与所述电导率传感器(8)、酸碱度传感器(9)和微气候传感器(17)通讯连接，且与所述阀门执行器(19)电连接，所述电控机构(15)通过驱动所述阀门执行器(19)控制肥料注入的流量；
驱动装置，用于驱动灌溉水源、肥料及水肥溶液传输；其中，
所述动比例注肥装置(10)采用如下的动比例注肥方法注肥，包括：
判断需要调节电导率和酸碱度或需要适时适量进行灌溉；
当需要调节电导率和酸碱度时，监测灌溉液的浓度，并设定灌溉液浓度预设值、控制精度和阀门执行器的开度的系数；
实时判断
Figure FDA0003974581580000011
与a的关系，若
Figure FDA0003974581580000012
则ki乘以f，并作为新的ki，直到当
Figure FDA0003974581580000013
时，此时的ki为稳定时的阀门执行器的开度；其中，ki代表阀门执行器的开度，ki＝1代表阀门执行器为完全打开，ki＝0代表阀门执行器为完全闭合；Fi代表灌溉液浓度预设值；Fs代表灌溉液的浓度；a代表控制精度；f代表阀门执行器的开度的系数；
当需要适时适量进行灌溉时，测定需要灌溉作物的全生育期腾发量、全生育期蒸腾量、全生育期蒸腾系数、两次施肥间隔期的腾发量、作物系数、两次施肥间隔期的蒸腾量、不同生育期蒸腾系数、全生育期施肥量及参考作物的两次施肥间隔期的腾发量，并测量输出灌溉液的管道流量、最大注肥比例以及肥料稀释比例；
利用公式：Td＝ET0d×Kd×jd和
Figure FDA0003974581580000021
计算Td和s；
设定ki＝1，利用公式
Figure FDA0003974581580000022
计算b；
实时判断b与
Figure FDA0003974581580000023
的关系，若
Figure FDA0003974581580000024
则ki乘以f，并作为新的ki，直至
Figure FDA0003974581580000025
时，此时的ki为开启时的阀门执行器的开度，利用公式
Figure FDA0003974581580000026
Oc＝Ot+b，计算Oc；其中，ki代表阀门执行器的开度，ki＝1代表阀门执行器为完全打开，ki＝0代表阀门执行器为完全闭合，f代表阀门执行器的开度的系数，ET代表需要灌溉作物的全生育期腾发量，j代表需要灌溉作物的全生育期蒸腾系数，ET0d代表参考作物的两次施肥间隔期的腾发量；Kd代表需要灌溉作物的作物系数，Td代表需要灌溉作物的两次施肥间隔期的蒸腾量，jd代表需要灌溉作物的不同生育期蒸腾系数，S代表需要灌溉作物的全生育期施肥量，s代表本次施肥量；Q代表输出灌溉液的管道流量，Z(ki)代表最大注肥比例，e代表肥料稀释比例，b代表施肥时长，c代表一次灌溉延续时间，Ot代表一次阀门执行器开启时间；Oc代表一次阀门执行器关闭时间。
2.如权利要求1所述的智能精量灌溉施肥机，其特征在于，还包括第二压力传感器(3)、第三压力传感器(6)和过滤器(4)，所述第二压力传感器(3)和第三压力传感器(6)分别设于所述过滤器(4)的两端，所述过滤器(4)还设有反冲洗阀(5)，所述第二压力传感器(3)、第三压力传感器和反冲洗阀(5)均与所述电控机构(15)电连接，所述电控机构(15)接收所述第二压力传感器(3)和第三压力传感器的数据并控制所述反冲洗阀(5)。
3.如权利要求1所述的智能精量灌溉施肥机，其特征在于，所述肥料罐(11)还设有过滤逆止装置(12)，所述过滤逆止装置(12)包括滤网(22)、防堵帽(23)和逆止板(24)。
4.如权利要求1所述的智能精量灌溉施肥机，其特征在于，水肥溶液的出料口分为第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述监测机构的入料口连接，第二端口与所述动比例注肥装置(10)的入料口连接，第三端口用于排出水肥溶液，所述监测机构的出料口与所述动比例注肥装置(10)的出料口均与灌溉水源的入料口连接，所述驱动装置设于所述水肥溶液的出料口与灌溉水源的入料口之间。
5.如权利要求1所述的智能精量灌溉施肥机，其特征在于，所述肥料罐(11)还设有鼓风机(13)和吹肥装置(14)，所述鼓风机(13)通过吹肥装置(14)与肥料罐(11)连接，且所述鼓风机(13)与电控机构(15)电连接，所述吹肥装置(14)包括导流体(25)和导流锥(26)。
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