CN114946368A - 一种设施温室的精准灌溉施肥***及灌溉施肥方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种设施温室的精准灌溉施肥***及灌溉施肥方法，精准灌溉施肥***所述包括配肥***、酸碱调控***和控制***；其中控制***包括决策控制***，决策控制***用于根据作物生长模型、作物需水需肥模型、土壤墒情和温室环境参数模块设置需水需肥量；控制***与配肥***和酸碱调控***电连，依据决策控制***设置的需水需肥量控制配肥***的灌溉施肥量以及酸碱调控***的酸碱调节量。本发明的水肥控制智能，且个性化，通过建立作物生长模型、需水需肥模型，结合温室环境参数、土壤墒情等信息参数，制定符合作物生长阶段的水肥管理控制策略，实现对水肥浓度、水肥供应时间、水肥供应周期等方面精准控制。

Description

一种设施温室的精准灌溉施肥***及灌溉施肥方法
技术领域
本发明涉及一种温室的灌溉施肥***及灌溉施肥方法，尤其涉及一种设施温室的精准灌溉施肥***及灌溉施肥方法。
背景技术
温室大棚农作物种植需要根据作物长势有规律地施加肥料，然而我国肥料施加仍然停留在人工阶段，采用粗放方式将不同肥料简单混合后通过喷滴灌施加给作物，这样容易造成肥料配方不合理、水和肥用量过多且利用率低以及土壤酸化等环境污染问题。
传统施肥机使用文丘里、比例施肥泵等吸肥器，只能按照一定的比例控制肥料的吸入量，如专利CN216017776U公开了智能灌溉施肥机，所述肥料配比箱上连接出液管，连接管上设置有流量计、电磁阀和第一抽水泵，出液管上设置有第二抽水泵，第一抽水泵连接有第一动力机构，第二抽水泵上连接有第二动力机构，流量计、电磁阀、第一动力机构和第二动力机构均与PLC控制***电连接，出液管通过分流阀连接多个喷头，所述底板上设置有旋转升降组件，分流阀与旋转升降组件固定连接，控制水和肥料原液的配比比例。该方案只能依据人为输入的参数控制水和肥料原液的配比比例，无法根据作物的特性，智能调控施肥量。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种精确吸肥、高效混肥、肥水酸碱动态调控和对作物有针对性的水肥供给管理的设施温室的精准灌溉施肥***；本发明的另一目的是提供一种利用上述精准灌溉施肥***的灌溉施肥方法。
技术方案：本发明的一种设施温室的精准灌溉施肥***，包括配肥***、酸碱调控***和控制***；
配肥***包括主泵、若干用于储存肥料的肥料桶、混肥泵，肥料桶与混肥泵的输入端连接，混肥泵的输出端与主泵的输入端连接，主泵的输入端还连接有水源，主泵的输出端连接有若干用于灌溉施肥的支路；
酸碱调控***包括分别储存酸碱的肥料桶、分别设在主泵输出端的管路上的 pH传感器和EC传感器，二者分别用于检测主泵输出的混合肥的pH值和电导率值并反馈给控制***，控制***根据反馈值调节储存酸碱肥料桶的输出量；
控制***包括决策控制***，决策控制***用于根据作物生长模型、作物需水需肥模型、土壤墒情和温室环境参数模块设置需水需肥量；控制***与配肥***和酸碱调控***电连，依据决策控制***设置的需水需肥量控制配肥***的灌溉施肥量以及酸碱调控***的酸碱调节量。其中，作物生长模型是使用的一种通用且成熟的模型***：DSSAT模型。作物生长模型、作物需水需肥模型、土壤墒情和温室环境参数模块的使用方法为将DSSAT模型软件安装在云服务器上，然后将作物模型参数、土壤模型参数、温室环境参数在模型软件进行配置，该模型软件即可制定响应的控制决策，后台将该控制决策作为自动控制***的影响因子，结合温室当前的实时环境和土壤墒情，制定符合现场需求的控制指令，通过 4G信息发送给现场的网关，由网关进行执行。
进一步地，配肥***中的肥料桶为氮肥桶、磷肥桶、钾肥桶；酸碱调控***中的肥料桶为酸液桶和碱液桶。
进一步地，各肥料桶与混肥泵间设有相互独立的肥料电磁阀，各肥料电磁阀与控制***电连，肥料电磁阀为可调开度电磁阀。
进一步地，主泵的输出端的各支路上分别设有相互独立的支路电磁阀，各支路电磁阀与控制***电连，支路电磁阀为可调开度电磁阀。
进一步地，各肥料桶输出的肥料和/或酸碱汇聚在肥料主管路中，肥料主管路与混肥泵的输入端连接，肥料主管路上设有与控制***电连的水流量传感器，用于检测各肥料桶输出的总流量并反馈给控制***。
进一步地，控制***包括分别与酸碱调控***和配肥***电连的PLC，PLC 连接有模拟量模块和交换机，交换机分别连接有用于显示和控制PLC的触摸屏和PLC云网关，PLC云网关连接有用于制定当前阶段的灌溉施肥控制策略的决策控制***。
另一方面，本发明提供一种利用上述的精准灌溉施肥***的灌溉施肥方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)操作人员通过触摸屏，设置氮磷钾三种肥料肥量，精准灌溉施肥***即根据输入信息进行自动运行；首先启动主泵，然后再启动混肥泵，打开相对应的肥料电磁阀，并控制其阀门开度，当肥料从肥料桶吸入主管道时经过水流量传感器，控制***通过计算并控制电磁阀开度值，实现定量吸肥；
(2)设定水肥的PH值，***通过PH传感器实时监测出肥主管道内溶液的酸碱度和水流量传感器计算吸入的酸碱液容量，并通过控制酸液电磁阀和碱液电磁阀，动态调整肥水的酸碱度；
(3)结合作物生长阶段对水肥的需求，和土壤墒情与环境参数，通过触摸屏选择手动与自动两种运行模式，当切换到手动模式时，可以自行控制水泵、电磁阀开度执行机构工作，当设定为自动运行模式时，用户录入作物信息，其中包括作物品种、当前生长阶段，***即自动根据该作物生长模型和作物需水需肥模型，启动对应的水肥调控策略。
进一步地，步骤(1)中，环境参数包括空气温湿度、光照强度、CO2浓度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)精确吸肥、高效混肥：本发明使用可调开度电磁阀，通过调节电磁开度，并结合水流量传感器计算肥料吸入量，从而准确的控制肥料吸入量，而传统施肥机使用文丘里、比例施肥泵等吸肥器，只能按照一定的比例控制肥料的吸入量；
(2)肥水酸碱度动态调控：具有PH动态调整***，操作人员在启动施肥机进行作业时，可以对肥水的酸碱度进行调控，设定水肥的PH值，***即通过 PH传感器实时监测出肥主管道内溶液的酸碱度和水流量传感器计算吸入的酸碱液容量，并通过控制酸液电磁阀和碱液电磁阀，动态调整肥水的酸碱度，而传统施肥机无法实现对肥水的酸碱度调控；
(3)水肥控制智能，且个性化：具有智能决策控制***，通过建立作物生长模型、需水需肥模型，结合温室环境参数、土壤墒情等信息参数，制定符合作物生长阶段的水肥管理控制策略，实现对水肥浓度、水肥供应时间、水肥供应周期等方面精准控制。
附图说明
图1为本发明的配肥***和酸碱调控***的流程示意图；
图2为本发明的控制***的流程示意图；
图3为本发明的控制***中触摸屏的人机操作界面；
图4为本发明的实物图1；
附图标记，1、主泵；2、混肥泵；3、氮肥桶；4、磷肥桶；5、钾肥桶；6、酸液桶；7、碱液桶；8、第一肥料电磁阀；9、第二肥料电磁阀；10、第三肥料电磁阀；11、第四肥料电磁阀；12、第五肥料电磁阀；13、pH传感器；14、EC 传感器；15、第一支路电磁阀；16、第二支路电磁阀；17、PLC；18、模拟量模块；19、交换机；20、触摸屏；21、PLC云网关；22、决策控制***；23、操作人员；24、作物生长模型；25、作物需水需肥模型；26、土壤墒情；27、温室环境参数模块；28、水流量传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1-2所示，在一实施例中，设施温室的精准灌溉施肥***包括配肥***、酸碱调控***和控制***。
所述配肥***包括主泵1、混肥泵2、氮肥桶3、磷肥桶4、钾肥桶5、第一肥料电磁阀8、第二肥料电磁阀9、第三肥料电磁阀10、第一支路电磁阀15、第二支路电磁阀16和水流量传感器28。
其中，氮肥桶3、磷肥桶4、钾肥桶5分别通过各支路汇聚到肥料主管路中并与混肥泵2连接，肥料主管路上设有水流量传感器28，用于检测各肥料桶输出的总流量并反馈给控制***。
所述混肥泵2包括输入端和输出端，其输入端与肥料主管路连通，用于接收氮肥桶3、磷肥桶4、钾肥桶5输送的肥料，并在混肥泵2中混合，输出端用于将混合后的肥料输送至主泵1。
所述主泵1包括输入端和输出端，输出端分别与混肥泵2和水源连通，其输出端连接有两个用于灌溉施肥的支路；第一肥料电磁阀8、第二肥料电磁阀9、第三肥料电磁阀10分别设在氮肥桶3、磷肥桶4、钾肥桶5的支路上，各肥料电磁阀与控制***电连，肥料电磁阀为可调开度电磁阀。用于灌溉施肥的支路上分别设有第一支路电磁阀15和第二支路电磁阀16，支路电磁阀均为可调开度电磁阀并与控制***电连。
如图3所示，本发明的设施温室的精准灌溉施肥***工作时，操作人员通过触摸屏20，设置氮磷钾三种肥料肥量。***即根据输入信息进行自动运行。首先启动主泵1，然后再启动混肥泵2，打开相对应的肥料电磁阀，并控制其阀门开度，当肥料从肥料桶吸入主管道时经过水流量传感器28，***通过计算并控制电磁阀开度值，实现定量吸肥。
所述酸碱调控***包括pH传感器13和EC传感器14，pH传感器13和EC 传感器14分别设在主泵1输出端的管路上，用于检测主泵1输出的混合肥的pH 值和电导率值并反馈给控制***，控制***根据反馈值调节各肥料桶的输出量。
具体的，酸碱调控***由主泵1、混肥泵2、酸液桶6、碱液桶7、第四肥料电磁阀11、第五肥料电磁阀12等组成。其中，酸液桶6和碱液桶7分别通过各支路汇聚到肥料主管路中并与混肥泵2连接，肥料主管路上设有水流量传感器 28，用于检测各肥料桶输出的总流量并反馈给控制***。所述混肥泵2包括输入端和输出端，其输入端与肥料主管路连通，用于接收酸液桶6、碱液桶7输送的肥料，并在混肥泵2中混合，输出端用于将混合后的肥料输送至主泵1；第四肥料电磁阀11、第五肥料电磁阀12分别设在酸液桶6和碱液桶7的支路上，各肥料电磁阀与控制***电连，肥料电磁阀为可调开度电磁阀。
操作人员在启动施肥机进行作业时，可以对肥水的酸碱度进行调控，设定水肥的PH值，***即通过PH传感器实时监测出肥主管道内溶液的酸碱度和水流量传感器计算吸入的酸碱液容量，并通过控制酸液电磁阀和碱液电磁阀，动态调整肥水的酸碱度，保证到作物根部的肥水酸碱度与设定值一样。
所述控制***包括PLC17、模拟量模块18、交换机19、触摸屏20、PLC云网关21和决策控制***22，PLC17分别与酸碱调控***和配肥***电连，具体的，PLC17与主泵1、混肥泵2第一肥料电磁阀8、第二肥料电磁阀9、第三肥料电磁阀10、第四肥料电磁阀11、第五肥料电磁阀12、第一支路电磁阀15、第二支路电磁阀16和水流量传感器28电连，并对其控制；其中酸碱调控***种的 pH传感器13和EC传感器14通过模拟量模块18与PLC17连接；触摸屏20通过交换机19与PLC17连接，决策控制***22通过PLC云网关21和交换机19 与PLC17连接。
决策控制***22包括作物生长模型24、作物需水需肥模型25、土壤墒情 26和温室环境参数模块27，其中决策控制***22用于根据作物生长模型24、作物需水需肥模型25、土壤墒情26和温室环境参数模块27设置需水需肥量， PLC17依据决策控制***22设置的需水需肥量控制配肥***的灌溉施肥量以及酸碱调控***的酸碱调节量。
具体的，控制***由本地控制与云端控制两部分组成。其中本地控制***以PLC17为控制核心，执行上位机下达的控制指令，收集水流量传感器28和肥料电磁阀的数值，并对主泵1、混肥泵2、支路电磁阀和肥料电磁阀的控制，通过模拟量模块18采集EC和PH传感器的数据，通过PLC云网关21将数据通过 4G转发至指定云服务器，操作人员可通过本地触摸屏20和计算机WEB端实时监测吸肥量、EC值、pH值，对水泵、电磁阀等执行机构进行操控。
除了通过触摸屏和WEB端对执行机构进行手动操作，还可以实现自动操作。云端决策控制***22通过对作物生长模型24、作物需水需肥模型25、土壤墒情 26、温室环境参数模块27执行作物当前阶段的灌溉施肥控制策略，随后将控制指令同步到PLC17中，进行灌溉施肥作业。
通过建立对作物生长模型24、作物需水需肥模型25，结合土壤墒情26和温室环境参数模块27等信息参数，制定符合作物生长阶段的水肥管理控制策略，其中包括水肥浓度、水肥供应时间、水肥供应周期。
其中作物生长模型24和作物需水需肥模型25均使用现有的作物生长模型和作物需水需肥模型，土壤墒情26和温室环境参数模块27内的参数也是采用现有技术中已有的参数进行设置。具体的，作物生长模型是使用的一种通用且成熟的模型***：DSSAT模型。作物生长模型、作物需水需肥模型、土壤墒情和温室环境参数模块的使用方法为将DSSAT模型软件安装在云服务器上，然后将作物模型参数、土壤模型参数、温室环境参数在模型软件进行配置，该模型软件即可制定响应的控制决策，后台将该控制决策作为自动控制***的影响因子，结合温室当前的实时环境和土壤墒情，制定符合现场需求的控制指令，通过4G信息发送给现场的网关，由网关进行执行。
在一实施例中提供一种设施温室的精准灌溉施肥方法，包括以下步骤：
(1)操作人员通过触摸屏，设置氮磷钾三种肥料肥量。***即根据输入信息进行自动运行。首先启动主泵，然后再启动混肥泵，打开相对应的肥料电磁阀，并控制其阀门开度，当肥料从肥料桶吸入主管道时经过水流量传感器，***通过计算并控制电磁阀开度值，实现定量吸肥。
(2)部分农作物对水肥的PH要求较高。***开发设计了PH动态调整***，操作人员在启动施肥机进行作业时，可以对肥水的酸碱度进行调控，设定水肥的PH值，***即通过PH传感器实时监测出肥主管道内溶液的酸碱度和水流量传感器计算吸入的酸碱液容量，并通过控制酸液电磁阀和碱液电磁阀，动态调整肥水的酸碱度，保证到作物根部的肥水酸碱度与设定值一样，最大程度的为作物提供适宜生长的营养物质。
(3)作物生长水肥调控决策***。***开发了多类作物水肥调控策略，目前开发了针对设施温室的草莓、番茄两类作物的水肥控制策略，结合作物生长阶段对水肥的需求，和土壤墒情与环境参数(包括空气温湿度、光照强度、CO2 浓度)。用户可以通过现场触摸屏选择手动与自动两种运行模式，当切换到手动模式时，可以自行控制水泵、电磁阀开度等执行机构工作，当设定为自动运行模式时，用户录入作物信息，其中包括作物品种、当前生长阶段等，***即自动根据该作物模型，启动对应的水肥调控策略。
如图4所示，在一实施例中提供本发明的实物图，并具有手动和自动控制两种操作方式，具体步骤如下：
(1)***上电。
(2)选择操作模式。通过本地触摸屏或WEB端，选择手动和自动两种工作模式。当切换到手动模式时，可以自行控制水泵、电磁阀开度等执行机构工作，当设定为自动运行模式时，用户录入作物信息，其中包括作物品种、当前生长阶段等，***即自动根据该作物模型，启动对应的水肥调控策略，随后将控制指令同步到PLC17中，进行灌溉施肥作业。

Claims (8)

1.一种设施温室的精准灌溉施肥***，其特征在于，包括配肥***、酸碱调控***和控制***；
配肥***包括主泵(1)、若干用于储存肥料的肥料桶、混肥泵(2)，肥料桶与混肥泵(2)的输入端连接，混肥泵(2)的输出端与主泵(1)的输入端连接，主泵(1)的输入端还连接有水源，主泵(1)的输出端连接有若干用于灌溉施肥的支路；
酸碱调控***包括分别储存酸碱的肥料桶、分别设在主泵(1)输出端的管路上的pH传感器(13)和EC传感器(14)，二者分别用于检测主泵(1)输出的混合肥的pH值和电导率值并反馈给控制***，控制***根据反馈值调节储存酸碱肥料桶的输出量；
控制***包括决策控制***(22)，决策控制***(22)用于根据作物生长模型(24)、作物需水需肥模型(25)、土壤墒情(26)和温室环境参数模块(27)设置需水需肥量；控制***与配肥***和酸碱调控***电连，依据决策控制***(22)设置的需水需肥量控制配肥***的灌溉施肥量以及酸碱调控***的酸碱调节量。
2.根据权利要求1所述的设施温室的精准灌溉施肥***，其特征在于，配肥***中的肥料桶为氮肥桶(3)、磷肥桶(4)、钾肥桶(5)；酸碱调控***中的肥料桶为酸液桶(6)和碱液桶(7)。
3.根据权利要求1所述的设施温室的精准灌溉施肥***，其特征在于，各肥料桶与混肥泵(2)间设有相互独立的肥料电磁阀，各肥料电磁阀与控制***电连，肥料电磁阀为可调开度电磁阀。
4.根据权利要求1所述的设施温室的精准灌溉施肥***，其特征在于，主泵(1)的输出端的各支路上分别设有相互独立的支路电磁阀，各支路电磁阀与控制***电连，支路电磁阀为可调开度电磁阀。
5.根据权利要求1所述的设施温室的精准灌溉施肥***，其特征在于，各肥料桶输出的肥料和/或酸碱汇聚在肥料主管路中，肥料主管路与混肥泵(2)的输入端连接，肥料主管路上设有与控制***电连的水流量传感器(28)，用于检测各肥料桶输出的总流量并反馈给控制***。
6.根据权利要求1所述的设施温室的精准灌溉施肥***，其特征在于，控制***包括分别与酸碱调控***和配肥***电连的PLC(17)，PLC(17)连接有模拟量模块(18)和交换机(19)，交换机(19)分别连接有用于显示和控制PLC(17)的触摸屏(20)和PLC云网关(21)，PLC云网关(21)连接有用于制定当前阶段的灌溉施肥控制策略的决策控制***(22)。
7.一种利用根据权利要求1-6任一所述的精准灌溉施肥***的灌溉施肥方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)操作人员通过触摸屏，设置氮磷钾三种肥料肥量，精准灌溉施肥***即根据输入信息进行自动运行；首先启动主泵，然后再启动混肥泵，打开相对应的肥料电磁阀，并控制其阀门开度，当肥料从肥料桶吸入主管道时经过水流量传感器，控制***通过计算并控制电磁阀开度值，实现定量吸肥；
(2)设定水肥的PH值，***通过PH传感器实时监测出肥主管道内溶液的酸碱度和水流量传感器计算吸入的酸碱液容量，并通过控制酸液电磁阀和碱液电磁阀，动态调整肥水的酸碱度；
(3)结合作物生长阶段对水肥的需求，和土壤墒情与环境参数，通过触摸屏选择手动与自动两种运行模式，当切换到手动模式时，可以自行控制水泵、电磁阀开度执行机构工作，当设定为自动运行模式时，用户录入作物信息，其中包括作物品种、当前生长阶段，***即自动根据该作物生长模型和作物需水需肥模型，启动对应的水肥调控策略。
8.根据权利要求7所述的灌溉施肥方法，其特征在于，步骤(1)中，环境参数包括空气温湿度、光照强度、CO2浓度。
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