水肥一体化四控灌溉施肥系统的制作方法

本发明涉及水肥一体化技术领域，尤其涉及一种水肥一体化灌溉施肥控制系统。

背景技术：

水肥一体化技术是现代农业的发展方向，是精准施肥的重要手段，根据不同的环境条件和作物水肥需求规律，运用科学合理的控制方法实施水肥一体化，是实现高效灌溉与施肥的必由之路。但是，由于水肥一体化技术在国内应用时间不长，人们普遍存在既缺乏应用经验，又缺乏对应用技术的深入研究，在实施水肥一体化技术的时候，如何进行灌溉施肥控制，还缺乏系统性和操作性强的方法，导致水肥一体化应用困难，实施效果不佳。为了解决这一问题，

在已公开的技术中，虽然也有人提出对灌溉施肥时期、灌溉施肥量和灌溉施肥周期的模块化控制方案，但不够具体和全面，控制对象不够明确，在实际应用中操作性不强，系统性的灌溉施肥控制必须包含对灌溉施肥的时期和时长、施肥的总量和单次用量、灌溉湿润的程度和深度、肥水的浓度和养分比例的控制，为了实现对以上对象的有效控制，本发明提出水肥一体化四控灌溉施肥系统的设计。

技术实现要素：

本发明目的是针对水肥一体化应用过程中缺乏系统性的控制技术，导致实施处理效果上的不足，提供一种技术实施效果显著，能够全面精准控制灌溉与施肥的系统。

本发明的技术方案是一种水肥一体化四控灌溉施肥系统，包括灌溉施肥控制器及灌溉施肥设备，上述灌溉施肥控制器包含时间控制模块、施肥量控制模块、养分比例控制模块、土壤湿度控制模块；上述灌溉施肥控制器连接设在植物根系密集区或最大根土功能区内的土壤水分传感器，控制器根据土壤水分传感器采集的数据通过控制模块连接并控制灌溉施肥设备。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述土壤水分传感器包括中层土壤水分传感器和底层土壤水分传感器，控制器分别连接上述中层土壤水分传感器和底层土壤水分传感器。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述控制器上设有基于四控灌溉施肥方法的时间控制模块、施肥量控制模块、养分比例控制模块、土壤湿度控制模块，具体还在于：

时间控制模块，用于控制灌溉施肥的时期和每次灌溉施肥的时长；

施肥量控制模块，用于控制施肥总量与单次施肥量；

养分比例控制模块，用于控制肥液浓度与控制肥液养分配比；

土壤湿度控制模块，用于控制湿润程度与湿润深度。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述控制器上还设有：

动态采集模块，其包括中层土壤水份采集子模块、底层土壤水份采集子模块，用于分别采集中层土壤水份数据、底层土壤水份数据并传送给土壤湿度控制模块；

数据库模块，用于存储动态采集模块中数据和不同区域不同作物的最优灌溉施肥种植方案；

修正模块，用于根据动态采集模块采集到的数据和数据库模块中数据进行对比，人工或自动修正灌溉施肥方案。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述动态采集模块上还设有图像采集子模块、图像对比子模块、预警子模块；

图像采集子模块，用于采集植物叶片图像数据；

图像对比子模块，用于与对比数据库模块中的初始资料数据和图像采集子模块采集到的数据；

预警子模块；用于动态采集模块和图像对比模块采集到的数据与数据库模块中数据进行对比，误差超过基准偏差范围时，显示预警信号。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述灌溉施肥设备包括水泵、配肥桶、灌溉主管和微灌管；上述灌溉主管上设有与控制器相连的控制阀；

上述灌溉主管上还设有与上述配肥桶相连的比例施肥器；

上述灌溉主管上设有流量表和过滤器；

上述微灌管上还设有滴头或微喷头；

上述配肥桶上设有流速表和调速阀；

上述灌溉施肥设备还包括设于上述灌溉施肥区中的卫星定位器和图像采集器，用于采集植物生长图像和位置数据；

上述控制器分别连接并控制流量表、卫星定位器、图像采集器、流速表、调速阀。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述土壤水分传感器为张力计。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述土壤水分传感器为电子水分传感器。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述土壤水分传感器为测量稻田水位及落干后土壤饱和水所处位置的水位器；上述灌溉主管出水口设有混合叶轮。

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统进一步设置为，上述灌溉施肥设备包括可以移动放置到田间进水口的便携式配肥桶，上述便携式储肥桶分上下两室，上室为储液室，下室为带配肥桶混合叶轮的混液室，上述混液室一侧设进水口，另一侧设出水口，使混液室形成过水通道，上述储肥桶的储液室和混液室之间安装有放液阀，上述储肥桶的外桶壁标有可读储液量的刻度。

本发明具有的有益效果是：

a)本发明系统通过自动化实施，易于操作，节省用工，方便于广泛的推广应用。

b)本发明提出的水肥一体化灌溉和施肥实现由传感器和模块化控制与调节，灌溉和施肥量均可定量读取或显示，计量准确。

c)本发明针对不同作物的水分需求和根系深度通过埋设土壤湿度传感器实现土壤湿度和灌溉深度的精良控制，可以将灌溉水和肥料溶液限定在根区范围，从而实现水肥的高效利用。

d)本发明提出根据作物不同阶段的养分需求、结合测土配方施肥技术科学制定施肥总量，并通过计量施肥、浓度控制、设计灌溉施肥频次，应用比例施肥器等方法和设备调节控制施肥量，实现精确施肥。

e)本发明根据作物水肥需求规律进行灌溉施肥控制，既保证作物能够良好生长，实现高产稳产，又可控制因过量灌溉与施肥产生肥料流失或挥发造成环境污染。

附图说明

图1是本发明的第一种方案的示意图。

其中，1水泵、2配肥桶、3a流速表、3b调速阀、4过滤器、5流量表、6手动控制阀、7电动控制阀、8控制器、9中层土壤水分传感器（电子传感器）、10底层土壤水分传感器（电子传感器）、11滴灌管、12滴头。

图2是本发明的第二种方案的示意图。

其中，2-1水泵、2-2配肥桶、2-3比例施肥器、2-4过滤器、2-5流量表、2-6手动控制阀、2-7电动控制阀、2-8控制器、2-9中层土壤水分传感器（张力计）、2-10底层土壤水分传感器（张力计）、2-11滴灌管、2-12滴头。

图3是本发明的第三种方案的示意图。

其中，3-1水泵、3-2配肥桶、3-3a流速表、3-3b调速阀、3-4出肥管、3-5流量表、3-6手动控制阀、3-7自动控制阀、3-8控制器、3-9放水口、3-10混合叶轮、3-11渠道、3-12水位器。

图4是本发明的第四种方案的示意图。

其中，4-1配肥桶、4-2刻度、4-3放液阀、4-4混合叶轮、4-5储液室、4-6混液室、4-7进水口，4-8出水口。

图5是本发明的四控灌溉施肥控制原理图。

具体实施方式

下面通过以下实施例子对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容并不局限于此。

实施例1

本实施例中技术方案适用于浅根系旱地植物用灌溉施肥，具体包括如下：

一种水肥一体化四控灌溉施肥系统，包括灌溉施肥控制器及设于灌溉施肥区的灌溉施肥设备，其特征在于，灌溉施肥区种植物根系密集区或最大根土功能区设有土壤水分传感器；控制器连接土壤水分传感器并根据采集的数据来控制出水阀。此种适用于浅根系的植物灌溉施肥，具体实施方案如图1和图2中只设置一个土壤水分传感器。

实施例2

本实施例中技术方案适用于较深根系旱地植物灌溉施肥，具体包括如下：

一种水肥一体化四控灌溉施肥系统，包括设于植物根系密集区或最大根土功能区中部的中层土壤水分传感器和底层土壤水分传感器，控制器连接中层土壤水分传感器和底层土壤水分传感器。

控制器上设有基于四控灌溉施肥系统的时间控制模块、施肥量控制模块、养分比例控制模块、土壤湿度控制模块；

时间控制模块，用于控制灌溉施肥的时期和每次灌溉施肥的时长；

施肥量控制模块，用于控制施肥总量与单次施肥量；

养分比例控制模块，用于控制肥液浓度与控制肥液养分配比；

土壤湿度控制模块，用于控制湿润程度与湿润深度。

本发明的系统进一步设置为，控制器上还设有：

动态采集模块，其包括中层土壤水份采集子模块、底层土壤水份采集子模块，用于分别采集中层土壤水份数据、底层土壤水份数据并传送给土壤湿度控制模块；

数据库模块，用于存储动态采集模块中数据和不同区域不同作物的最优

灌溉施肥种植方案；

修正模块，用于根据动态采集模块采集到的数据和数据库模块中进行对比，人工或自动修正灌溉施肥方案。

本发明的系统进一步设置为，动态采集模块上还设有图像采集子模块、图像对比子模块、预警子模块；

图像采集子模块，用于采集植物叶片图像数据；

图像对比子模块，用于与对比数据库模块中的初始资料数据和图像采集子模块采集到的数据；

预警子模块；用于动态采集模块和图像对比模块采集到的数据与数据库模块中数据进行对比，误差超过基准值时，显示预警信号。

本发明的系统进一步设置为，灌溉施肥设备包括如图1中的水泵2-1、配肥桶2-2、灌溉主管和微灌管2-11、中层土壤水分传感器2-9、底层土壤水分传感器2-10；灌溉主管上设有与控制器相连的控制阀2-7和手动控制阀2-6。

本发明的系统更进一步设置为，灌溉主管上设有流量表2-5和过滤器2-4；

微灌管2-11上还设有滴头2-12或微喷头；

配肥桶2-2上设有流速表2-2-3a和调速阀2-3b；

灌溉施肥设备还包括设于灌溉施肥区中的卫星定位器和图像采集器，用于采集植物生长图像和位置数据；

控制器分别连接并控制土壤水分传感器、电磁阀2-7、卫星定位器、图像采集器、流速表2-3a、调速阀2-3b。

具体实施时：

1肥水配制实现养分“控比”：根据作物不同生长阶段对不同营养元素的要求，选取溶解性良好的尿素、磷酸二氢钾、氯化钾或其它肥料，分别配制溶解形成一定配比的滴灌液肥，储存于图2的配肥桶2-2中，并通过调节比例施肥器的进液比控制施肥浓度。对于多个不同种类的肥料罐（图1的配肥桶），滴灌时打开并调节调速阀2-3b、根据流速表2-3a确定不同肥液的供应速度和供应比例，从而实现实现养分“控比”。

2计时计量灌溉施肥实现“控时”“控量”：按计划通过手动打开控制阀2-6或通过感应土壤湿度由控制器自动打开或关闭电动控制阀2-7和水泵2-1，滴灌液经过滤器2-4过滤后流向田间，也可以通过在控制器上设定水泵运行或控制阀启闭时间，实现单次施肥量控制，并由表2-5计量灌溉量，从而实现灌溉累计及总量控制，实现施肥“控量”。

3根层中部湿度观测实现灌溉“控湿”：灌溉水由滴头2-12滴入土壤，并在植物根区扩散下渗，当埋于根层中部的中层土壤水分传感器2-9显示或感应达到作物水分需求上限时，手动或自动关闭水泵2-1和控制阀2-6或2-7，完成一次灌溉过程。

4根层下部湿度观测实现灌溉“控深”：灌溉水由滴头2-12滴入土壤，并在植物根区扩散下渗，在中层土壤水分传感器2-9还未显示或感应达到作物水分需求上限时，但观测到或感应到埋设于根层下部的底层土壤水分传感器2-10水势值变化，灌溉湿润锋已到达根层下部，手动或控制器控制自动关闭水泵2-1和控制阀2-6或2-7，完成一次灌溉过程。

实施例3

本实施例技术方案适用于水稻栽培水肥一体化灌溉施肥，该实施例系统（图3）主要由供肥泵3-1、肥料桶3-2、流速表3-3a和调速阀3-3b、供肥管3-4、流量计3-5、手动阀3-6、电磁阀3-7、时间控制器3-8、放水口3-9、混合叶轮3-10、供水渠道3-11、水位表3-12组成。

该实施例技术方案由以下步骤实现：

1、该实施例技术方案实施时，肥液从肥料桶3- 2由打肥泵3-1经管道系统打到田间放水口3-9，并随渠道3-11中过来的灌溉水流向田间。灌溉水和肥液在流经田间放水通道时，经过安装于通道中的混合叶轮3-10混匀后流向田间，叶轮在水流带动下转动，从而实现水肥一体化灌溉施肥。

2、在肥料桶3-2中储备的不同养分肥料，根据水稻不同生长时期对养分需求的不同，通过观察流速表3-3a和调节调速阀3-3b实现不同养分配比和肥料流出速度，实现“控比”。

3、通过观察记录表3-5的流量，通过人为控制或由控制器3-8中的模块控制施肥总量和单次施肥量，实现“控量”。

4、根据水稻需水需肥规律，确定施肥时期，通过设定控制器3-8中的灌溉时长，实现“控时”。

5、通过水位器观测，确定灌溉前土壤饱和水需要下降到达的位置，并确定灌溉后的水层厚度，从而控制灌溉深度，实现灌溉“控湿或深”。

实施例4

本发明的水肥一体化四控灌溉施肥系统中的灌溉施肥设备包括可以移动放置到田间进水口的便携式配肥桶4-1，便携式储肥桶4-1分上下两室，上室为储液室4-5，下室为带配肥桶混合叶轮4-4的混液室4-6，混液室4-6一侧设进水口4-7，另一侧设出水口4-8，使混液室形成过水通道（水从进水口4-7流入，另一侧出水口4-8流出），储肥桶的储液室4-5和混液室4-6之间安装有放液阀4-3，储肥桶的外桶壁标有可读储液量的刻度4-2。 本实施例既可以单独使用，也可以与如实施例1-3中系统相连或嵌入，与如实施例1-3中系统相连或嵌入仅仅只需要将阀门4-3设置成可以无线或者有线控制的电控阀门，同时电控阀门与整个灌溉施肥系统的总控制器相连并由其控制。

该实施例技术方案由以下步骤实现：

1、该实施例技术方案实施时，在打开放液阀4-3的状态下，肥液从肥料桶4-1直接下到田间放水通道中，并随渠道中过来的灌溉水经过进水口4-7流入，另一侧出水口4-8流出并流向田间。灌溉水和肥液在流经通道时，经过安装于肥液桶下方的混合叶轮4-4混匀后流向田间，混合叶轮4-4在水流带动下转动，从而实现水肥一体化灌溉施肥。

2、肥料桶4-1中的液肥是事先根据水稻不同生长时期对养分需求的不同进行配制的，并通过阀门4-3调节放肥速度，从而实现“控比”。（也可以通过如实施例1-3系统来自动控制，将阀门4-3设置成可以无线或者有线控制的电控阀门，同时电控阀门与整个灌溉施肥系统的总控制器相连并由其控制。）

3、通过观测肥料桶刻度读数控制施肥总量和单次施肥量，实现“控量”。（也可以通过如实施例1-3系统来自动控制，通过电控阀门与整个灌溉施肥系统的总控制器相连并由其控制灌溉施肥数量。）。

4、根据水稻需水需肥规律，确定施肥时期，通过人为控制灌溉时长，实现“控时”。也可以通过如实施例1-3系统来自动控制。

5、通过水位器观测，确定灌溉前土壤饱和水需要下降到达的位置，并确定灌溉后的水层厚度，从而控制灌溉深度，实现灌溉“控湿（深）”， 也可以通过如实施例1-3系统来自动控制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。