专利名称：自动灌溉施肥机工作状态监测装置及监测方法
技术领域：
本发明涉及一种自动灌溉施肥机工作状态监测系统及其监测方法，尤其是用于设 施农业微滴灌系统的自动灌溉施肥机工作状态监测装置及其监测方法。
背景技术：
我国现代化温室、日光温室和塑料大棚等设施农业种植面积很大，设施农业自动 化作业装备技术也得到了长足发展，不仅微滴灌系统被广泛应用，能一次完成灌溉和施肥 的自动灌溉施肥机也逐步得到了推广应用。自动灌溉施肥机可按照设施作物的需要，在灌 溉的同时将各种肥料和营养物质按设定的比例自动配兑成各种比例的营养液一起精确地 供给到设施作物的根部土壤，通过精确控制灌溉量、施肥量、灌溉及施肥时间，不但可以有 效提高水肥利用率，节约资源、减少环境污染，而且能实现全自动作业，极大地提高作业效 率，适应大规模生产的需要。自动灌溉施肥机一般由供水装置、注肥装置、混肥装置、灌溉/施肥控制装置、电 气控制系统、智能测控系统以及相应的管路和线路等组成，结构复杂、故障率较高，且一旦 发生故障，就会给设施农业生产造成直接影响。为此，自动灌溉施肥机一般都设置有一定 的状态监测装置，以便能及时发现系统故障并作出紧急处理。例如，荷兰Priva公司的 Nutriflex和NutriMix系列自动灌溉施肥系统、专利申请号为03104695. 9中公开的温室滴 灌施肥智能化控制系统都设有营养液EC(电导率)值/pH值监测和混肥罐液位监控装置；专 利申请号为03104695. 9中公开的温室滴灌施肥智能化控制系统还能够进行泵、阀的状态 监测，但没有给出具体实施方式
；ZL03206584. 1中公开的全自动灌溉施肥过滤一体化机在 每个文丘里注肥器前都安装有一个吸肥速度指示装置，以便对吸肥状态进行人工监测。但 以上系统或装置都没有实现自动灌溉施肥机从供水、吸肥、营养液配制到灌溉/施肥的全 工作过程的状态监测，尤其是无法实现吸肥环节的自动监测。而当多路肥料母液中的一路 发生吸肥故障时，往往通过其他肥料母液的加量注入，也能达到要求的营养液EC值/pH值， 从而导致营养液EC值/pH值监测环节无法发现此故障，不仅故障难以发现，而且会直接导 致实际肥料配比远远偏离预期要求，有可能会对设施作物造成重大损害。
发明内容
本发明提供一种能实现自动灌溉施肥机全工作过程状态监测的监测装置和监测 方法。利用该系统可以对自动灌溉施肥机的供水、吸肥、营养液配制和灌溉/施肥等各个环 节的工作状态进行监测。本发明监测装置采用如下技术方案自动灌溉施肥机包括有供水管路、灌溉管路、 注肥管路、混肥管路、施肥管路、电气控制系统和智能控制器，供水管路包括供水泵、施肥控 制电磁阀、混肥罐依次连通；灌溉管路包括灌溉压力调节装置、灌溉控制电磁阀、流量计和 灌区控制电磁阀依次连通；注肥管路包括肥料罐、吸肥速度指示装置、吸肥控制电磁阀和文 丘里注肥器依次连通；混肥管路包括施肥泵、并联的EC值传感器和pH值传感器、文丘里注肥器和混肥罐依次连通构成；施肥管路由施肥泵与施肥压力调节装置相连通并依次连通混 肥控制电磁阀、流量计和灌区控制电磁阀构成；施肥压力调节装置的回流管路连接混肥罐； 混肥罐内设有混肥罐液位检测装置；EC值传感器、pH值传感器、混肥罐液位检测装置和流 量计的输出信号分别连接智能控制器；所述施肥控制电磁阀、混肥控制电磁阀、灌溉控制电 磁阀、灌区控制电磁阀、吸肥控制电磁阀、供水泵和施肥泵分别连接到电气控制系统，电气 控制系统连接智能控制器。本发明监测方法是1)灌溉工作过程的状态监测智能控制器通过流量计检测出 实际灌溉流量，与理论灌溉流量进行比较，若差值在预定限度之内，则灌溉工作过程运行正 常；2)施肥工作过程供水的状态监测首先查询当前施肥工作状态，如果是只注水不施肥， 智能控制器9通过混肥罐液位检测装置检测混肥罐实际液位，与上次的液位检测结果进行 比较，得出混肥罐液位的实际变化趋势，若液位上升则供水正常；如果是边注水边施肥，通 过混肥罐液位检测装置检测混肥罐实际液位并计算混肥罐液位的实际变化趋势，若与理论 变化趋势相符则供水正常；3)施肥工作过程吸肥的状态监测肥料经注肥管路被文丘里注 肥器吸入混肥管路，对应的吸肥速度指示装置的浮子浮起，吸肥状态监测装置输出到智能 控制器的信号发生变化，若营养液配比中包含某一肥料组份，而对应吸肥状态监测装置没 有检测到状态变化，则是该路吸肥或吸肥状态监测有故障；4)施肥工作过程营养液配制的 状态监测智能控制器通过EC值传感器和pH值传感器对营养液的EC值/pH值进行实时检 测，并与设定值进行比较，智能控制器根据实测值与设定值的比较值调节吸肥控制电磁阀 的开/闭占空比以调节吸肥速度；5)施肥工作过程施肥的状态监测智能控制器通过流量 计检测出实际施肥流量与理论施肥流量进行比较，若差值在预定限度之内，则施肥环节工 作正常；6)施肥工作过程的状态监测首先依次对供水、吸肥、营养液配制和施肥进行状态 检测，如果一切正常，则施肥工作过程运行正常，累计施肥量。与现有技术相比，本发明具有以下优点
1、能够实现自动灌溉施肥机吸肥环节工作状态的自动监测，确保营养液的实际肥料配 比符合预先设定的配比要求；
2、能够实现自动灌溉施肥机从供水、吸肥、营养液配制到灌溉/施肥的全工作过程的 状态监测，确保自动灌溉施肥机工作正常。自动灌溉施肥机工作状态监测装置和监测方法，主要应用于现代化温室、规模化 日光温室和塑料大棚等农业设施中微滴灌系统的自动灌溉施肥机，解决自动灌溉施肥机的 工作状态监测问题。
图1是自动灌溉施肥机的总体结构框图2是自动灌溉施肥机灌溉工作过程的状态监测流程图； 图3是自动灌溉施肥机施肥工作过程供水环节的状态监测流程图； 图4是自动灌溉施肥机施肥工作过程吸肥环节的状态监测流程图； 图5是自动灌溉施肥机施肥工作过程营养液配制环节的状态监测流程图； 图6是自动灌溉施肥机施肥工作过程施肥环节的状态监测流程图； 图7是自动灌溉施肥机施肥工作过程的状态监测流程图。
图中1.灌溉压力调节装置，2.施肥控制电磁阀，3.过滤器，4.混肥罐液位检测装 置，5.混肥罐，6.供水泵，7.手动阀，8.水池，9.智能控制器，10.文丘里注肥器，11.吸肥速 度指示装置，12.肥料罐，13.过滤器，14.手动调节阀，15.吸肥状态监测装置，16.吸肥控制 电磁阀，17. EC值传感器，18. pH值传感器，19.过滤器，20.施肥泵，21.手动阀，22.施肥压 力调节装置，23.混肥控制电磁阀，24.灌溉控制电磁阀，25.流量计，26.灌区控制电磁阀。
具体实施例方式如图1所示，自动灌溉施肥机由供水管路、灌溉管路、注肥管路、混肥管路、施肥管 路、电气控制系统、智能控制器以及相应的管路和线路等组成。其中，供水管路主要由水池 8、手动阀7、供水泵6、过滤器3、施肥控制电磁阀2和混肥罐5依次连通，构成供水管路。过 滤器3还与灌溉压力调节装置1相连通，并依次连通灌溉控制电磁阀24、流量计25和灌区 控制电磁阀26，构成灌溉管路。灌溉压力调节装置1的回流管路连接到水池8 ；肥料罐12、 过滤器13、手动调节阀14、吸肥速度指示装置11、吸肥控制电磁阀16和文丘里注肥器10依 次连通，构成注肥管路。混肥罐5、手动阀21、施肥泵20、过滤器19、并联的EC值传感器17 和pH值传感器18、文丘里注肥器10和混肥罐5依次连通，构成闭合的混肥管路。施肥泵20 还与施肥压力调节装置22相连通，并依次连通混肥控制电磁阀23、流量计25和灌区控制电 磁阀26，构成施肥管路。施肥压力调节装置22的回流管路连接到混肥罐5 ；最低液位控制 开关、最高液位控制开关和混肥罐液位检测装置4安装在混肥罐5内。EC值传感器17、pH 值传感器18、混肥罐液位检测装置4和流量计25的输出信号分别连接到智能控制器9，以 检测营养液EC值、pH值、混肥罐液位和灌溉/施肥流量；吸肥速度指示装置11上设置吸肥 状态监测装置15，吸肥状态监测装置15的输出信号连接到智能控制器9，以监测各注肥管 路的吸肥状态；施肥控制电磁阀2、混肥控制电磁阀23、灌溉控制电磁阀24、灌区控制电磁 阀26、吸肥控制电磁阀16、供水泵6和施肥泵20都连接到电气控制系统(图中未示出)，由 电气控制系统在智能控制器9的指令下控制其开/闭或启/停。当施肥控制电磁阀2和混肥控制电磁阀23关闭、灌溉控制电磁阀24打开、供水泵 6启动供水时，即可对灌区控制电磁阀26已打开的灌区进行灌溉；当施肥控制电磁阀2打 开、灌溉控制电磁阀24关闭、供水泵6启动供水时，即可向混肥罐5中注水；当混肥控制电 磁阀23关闭、施肥泵20启动、吸肥控制电磁阀16打开时，即可向混肥罐5中注肥，并可通 过智能控制器9调节吸肥控制电磁阀16的开/闭信号占空比来自动调节吸肥速度，或通过 手动调节阀14对吸肥速度进行手动调节；当混肥控制电磁阀23打开、灌溉控制电磁阀24 关闭、所有吸肥控制电磁阀16关闭、施肥泵20启动时，即可将混肥罐5中已配制好的营养 液施肥到灌区控制电磁阀26已打开的灌区中；当灌溉控制电磁阀24关闭、施肥控制电磁阀 2和混肥控制电磁阀23打开、供水泵6和施肥泵20都启动、吸肥控制电磁阀16也打开时， 即可同时注水、注肥并将混合好的营养液施肥到灌区控制电磁阀26已打开的灌区中，并可 通过智能控制器9调节吸肥控制电磁阀16的开/闭信号占空比来自动调节吸肥速度，或通 过手动调节阀14对吸肥速度进行手动调节。灌溉压力调节装置1和施肥压力调节装置22可以将管路压力调节到某一设定压 力值，且当灌区控制发生变化时维持管路压力基本不变，从而维持恒定的滴灌速度和吸肥 速度，保证灌溉/施肥流量与灌溉/施肥区域的大小近似成正比，吸肥量与吸肥时间近似成正比。吸肥速度指示装置11带有状态信号输出功能或者不带状态信号输出功能，没有 状态信号输出功能的吸肥速度指示装置1可采用玻璃转子流量计，在没有状态信号输出功 能的吸肥速度指示装置1配置能自动检测吸肥速度指示装置11状态变化的吸肥状态监测 装置15，该吸肥状态监测装置15可采用光电传感器、光电开关或电导率检测装置。带有状 态信号输出功能的吸肥速度指示装置11可采用流量传感器或流量检测仪表，此时，吸肥速 度指示装置11本身就具有状态输出功能，不再需要吸肥状态监测装置15。如图2和图1所示，灌溉工作过程的状态监测主要通过流量计25进行。根据灌区 控制的当前设置状态，可以知道当前的灌溉区域及其大小，从而推算出理论灌溉流量。智能 控制器9通过流量计25检测出实际灌溉流量，与理论灌溉流量进行比较，如果差值超过了 预定限度，则必定是供水装置或灌溉/施肥控制装置中的某一环节出现了故障，立即进行 紧急处理，并给出报警提示；如果差值在预定限度之内，则认为灌溉工作过程运行正常，累 计灌溉量。如果灌溉量已够，则停止灌溉；否则，继续灌溉。如图3和图1所示，自动灌溉施肥机施肥工作过程供水环节的状态监测主要依靠 混肥罐液位检测装置4实现。首先查询当前的施肥工作状态，如果是只注水不施肥，则混肥 罐液位应该上升，智能控制器9通过混肥罐液位检测装置4检测混肥罐实际液位，并与上次 的液位检测结果进行比较，得出混肥罐液位的实际变化趋势，如果液位上升，则表示供水环 节正常，否则表示发生故障，立即进行紧急处理，并给出报警提示；如果是边注水边施肥，则 通过正常供水流量和理论施肥流量可推算出混合罐液位的理论变化趋势，智能控制器9通 过混肥罐液位检测装置4检测混肥罐实际液位并计算混肥罐液位的实际变化趋势，如果与 理论变化趋势相符，则表示供水环节正常，否则表示已出现故障。如图1和图4所示，自动灌溉施肥机施肥工作过程吸肥环节的状态监测主要依靠 吸肥状态监测装置15实现。吸肥速度指示装置11可采用玻璃转子流量计，吸肥状态监测 装置15可采用光电传感器或电导率检测装置。吸肥时，肥料母液经注肥管路被文丘里注肥 器10吸入混肥管路，对应的吸肥速度指示装置11 (玻璃转子流量计)的浮子就会浮起来， 从而引起透光率或电导率的变化，吸肥状态监测装置15的输出到智能控制器9的信号继而 就会发生变化。如果营养液配比中包含某一肥料组份，而对应吸肥状态监测装置15没有检 测到状态变化，则必定是该路吸肥或吸肥状态监测环节出现了故障。如图5和图1所示，自动灌溉施肥机施肥工作过程营养液配制环节的状态监测主 要依靠EC值传感器17和pH值传感器18实现。在混肥过程中，智能控制器9不断地通过 EC值传感器17和pH值传感器18对营养液的EC值/pH值进行实时检测，并与设定值进行 比较。如果营养液EC值/pH值实测值在设定值的允许范围之内，则控制施肥控制电磁阀2 和混肥控制电磁阀23打开，灌溉控制电磁阀24关闭，供水泵6和施肥泵20启动，向灌区控 制电磁阀26已打开的灌区施肥，并根据营养液EC值/pH值实测值与设定值之间的差值调 节各路吸肥控制电磁阀16的开/闭占空比，从而调节吸肥速度，使营养液EC值/pH值更接 近于设定值。如果营养液EC值/pH值实测值高于设定值的允许范围，则对混肥罐液位进行 检测，如果低于中间液位，则控制施肥控制电磁阀2打开，混肥控制电磁阀23和灌溉控制电 磁阀24关闭，供水泵6和施肥泵20启动，向混肥罐5中同时注水和注肥，但不向灌区施肥， 并根据营养液EC值/pH值实测值与设定值之间的差值调节各路吸肥控制电磁阀16的开/闭占空比，从而调节吸肥速度，使营养液EC值/pH值快速趋向于设定值；如果高于中间液 位，则控制施肥控制电磁阀2打开，混肥控制电磁阀23、灌溉控制电磁阀24和各路吸肥控 制电磁阀16同时关闭，供水泵6和施肥泵20启动，向混肥罐5中注水、混肥，但不注肥，也 不向灌区施肥。如果营养液EC值/pH值实测值低于设定值的允许范围，则对混肥罐液位进 行检测，如果低于中间液位，则控制施肥控制电磁阀2打开，混肥控制电磁阀23和灌溉控制 电磁阀24关闭，供水泵6和施肥泵20启动，向混肥罐5中同时注水和注肥，但不向灌区施 肥，并根据营养液EC值/pH值实测值与设定值之间的差值调节各路吸肥控制电磁阀16的 开/闭占空比，从而调节吸肥速度，使营养液EC值/pH值快速趋向于设定值；如果高于中间 液位，则控制施肥控制电磁阀2、混肥控制电磁阀23、灌溉控制电磁阀24关闭，供水泵6停 转，施肥泵20启动，向混肥罐5中注肥、混肥，但不注水，也不向灌区施肥，并根据营养液EC 值/pH值实测值与设定值之间的差值调节各路吸肥控制电磁阀16的开/闭占空比，从而调 节吸肥速度，使营养液EC值/pH值快速趋向于设定值。为确保EC值传感器17和PH值传感器18工作正常，可分别并行地设置两路EC值 传感器和两路PH值传感器(图1中未示出)，并对两路传感器的检测结果进行比较，如果差 值超过了容许限度，则认为发生了传感器故障(图5中未示出)，立即进行紧急处理，并给出 报警提示。混肥罐5的液位保护主要通过混肥罐液位检测装置4、混肥罐最低液位控制开关 和混肥罐最高液位控制开关(图1中未示出)实现。当混肥罐液位低于最低液位时，混肥罐 最低液位控制开关动作，切断施肥泵20的控制回路，使施肥泵20强制停转，并通过辅助触 点和中间电路向智能控制器9发出报警信号；当混肥罐液位高于最高液位时，混肥罐最高 液位控制开关动作，切断供水泵6的控制回路，使供水泵6强制停转，并通过辅助触点和中 间电路向智能控制器9发出报警信号。混肥罐液位检测装置4也同时进行混肥罐液位的监 测，如果混肥罐液位检测装置4的检测结果与混肥罐最低液位控制开关和混肥罐最高液位 控制开关的状态不符(图3和图5中未示出)，则必定是最低液位控制、最高液位控制或液位 检测中的某一环节发生了故障。如图6和图1所示，自动灌溉施肥机施肥工作过程施肥环节的状态监测主要依靠 流量计25实现。根据灌区控制的当前设置状态，可以知道当前的施肥区域及其大小，从而 推算出理论施肥流量。通过流量计25检测出实际施肥流量，与理论施肥流量进行比较，如 果差值超过了预定限度，则必定是施肥环节出现了故障，立即进行紧急处理，并给出报警提 示；如果差值在预定限度之内，则认为施肥环节工作正常。如图7所示，自动灌溉施肥机施肥工作过程的状态监测集成了供水环节、吸肥环 节、营养液配制环节和施肥环节的状态监测。在每个状态监测周期内，首先依次对供水环 节、吸肥环节、营养液配制环节和施肥环节进行状态检测，如果检测出故障，则立即进行紧 急处理，并给出报警提示；如果一切正常，则认为施肥工作过程运行正常，累计施肥量。如果 施肥量已够，则停止施肥；否则，继续施肥。最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明 的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在 本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种自动灌溉施肥机工作状态监测装置，自动灌溉施肥机包括有供水管路、灌溉管 路、注肥管路、混肥管路、施肥管路、电气控制系统和智能控制器，其特征是所述供水管路 包括供水泵(6)、施肥控制电磁阀(2)和混肥罐(5)依次连通；所述灌溉管路包括灌溉压力 调节装置(1)、灌溉控制电磁阀(24)、流量计(25)和灌区控制电磁阀(26)依次连通；所述 注肥管路包括肥料罐(12)、吸肥速度指示装置(11)、吸肥控制电磁阀(16 )和文丘里注肥器 (10)依次连通；所述混肥管路包括施肥泵(20)、并联的EC值传感器(17)和pH值传感器 (18)、文丘里注肥器(10)和混肥罐(5)依次连通构成；所述施肥管路由施肥泵(20)与施肥 压力调节装置(22)相连通并依次连通混肥控制电磁阀(23)、流量计(25)和灌区控制电磁 阀(26)构成；施肥压力调节装置(22)的回流管路连接混肥罐(5)；混肥罐(5)内设有混肥 罐液位检测装置(4) ；EC值传感器(17)、pH值传感器(18)、混肥罐液位检测装置(4)和流 量计(25)的输出信号分别连接智能控制器(9)；所述施肥控制电磁阀(2)、混肥控制电磁阀 (23)、灌溉控制电磁阀(24)、灌区控制电磁阀(26)、吸肥控制电磁阀(16)、供水泵(6)和施 肥泵(20)分别连接到电气控制系统，电气控制系统连接智能控制器(9)。
2.根据权利要求1所述的自动灌溉施肥机工作状态监测装置，其特征是吸肥速度指 示装置(11)上设有吸肥状态监测装置(15)，吸肥状态监测装置(15)的输出信号连接智能 控制器(9)；吸肥状态监测装置(15)采用光电传感器、光电开关或电导率检测装置。
3.一种自动灌溉施肥机工作状态监测方法，其特征是具有如下步骤1)灌溉工作过程的状态监测智能控制器(9)通过流量计(25)检测出实际灌溉流量， 与理论灌溉流量进行比较，若差值在预定限度之内，则灌溉工作过程运行正常；2)施肥工作过程供水的状态监测首先查询当前施肥工作状态，如果是只注水不施肥， 智能控制器(9)通过混肥罐液位检测装置(4)检测混肥罐实际液位，与上次的液位检测结 果进行比较，得出混肥罐液位的实际变化趋势，若液位上升则供水正常；如果是边注水边施 月巴，通过混肥罐液位检测装置(4)检测混肥罐实际液位并计算混肥罐液位的实际变化趋势， 若与理论变化趋势相符则供水正常；3)施肥工作过程吸肥的状态监测肥料经注肥管路被文丘里注肥器(10)吸入混肥管 路，对应的吸肥速度指示装置(11)的浮子浮起，吸肥状态监测装置(15)输出到智能控制器 (9)的信号发生变化，若营养液配比中包含某一肥料组份，而对应吸肥状态监测装置(15)没 有检测到状态变化，则是该路吸肥或吸肥状态监测有故障；.4)施肥工作过程营养液配制的状态监测智能控制器(9)通过EC值传感器(17)和pH 值传感器(18)对营养液的EC值/pH值进行实时检测，并与设定值进行比较，智能控制器 (9)根据实测值与设定值的比较值调节吸肥控制电磁阀(16)的开/闭占空比以调节吸肥速 度；.5 )施肥工作过程施肥的状态监测智能控制器(9 )通过流量计(25 )检测出实际施肥流 量与理论施肥流量进行比较，若差值在预定限度之内，则施肥环节工作正常；.6)施肥工作过程的状态监测首先依次对供水、吸肥、营养液配制和施肥进行状态检 测，如果一切正常，则施肥工作过程运行正常，累计施肥量。
全文摘要
本发明公开一种自动灌溉施肥机工作状态监测装置及监测方法，混肥罐内设有混肥罐液位检测装置；EC值传感器、pH值传感器、混肥罐液位检测装置和流量计的输出信号分别连接智能控制器；施肥控制电磁阀、混肥控制电磁阀、灌溉控制电磁阀、灌区控制电磁阀、吸肥控制电磁阀、供水泵和施肥泵分别连接到电气控制系统，电气控制系统连接智能控制器；实现自动灌溉施肥机从供水、吸肥、营养液配制到灌溉/施肥的全工作过程的状态监测，确保营养液的实际肥料配比符合预先设定的配比要求。
文档编号A01G9/24GK102090288SQ201010586460
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者左志宇, 毛罕平, 魏新华 申请人:江苏大学