本发明属于农业施肥、施药及灌溉技术领域，尤其涉及一种基于滴灌首部的水、肥、药一体化系统及其控制方法。
背景技术：
随着农业现代化的发展，基于滴灌的水肥（农药）一体化技术在广大农村得到了一定的认可，水肥（农药）一体化技术可实现节水灌溉，实现水分和养分的综合协调和一体化管理，具有提高作物产量和品质、对地形和地质的适应性强、能保持水土的优点，成为现代农业的重要标志。但目前水肥(农药)一体化的有机集成不够完善，施肥单一，其要么是只能用于液态肥料(农药)的施用，要么是只能是固态肥料(农药)的施用)，最关键的是肥料(农药)用量控制精准度不高。
现有施肥(药)装置主要有施肥(药)罐、文丘里施肥器、注射泵施肥装置、施肥箱等几种，其作用是将适于根施且速溶于水的肥料、农药、除草剂、化控药品等在施肥(药)装置中充分溶解，然后再通过滴灌系统输送到作物根部。由于目前适用于滴灌的液态肥料（农药）少，且液态肥料（农药）不宜运输和贮藏。因此，固态肥料（农药）还是主要的滴灌用肥来源，利用固态肥料（农药）通过现有的施肥(药)装置来进行水肥一体化操作时，这些施肥装置均存在固体肥料溶解不彻底、废渣多、注肥用时长等缺点。肥料（农药）的溶解不彻底或易造成管道堵塞问题，一直是困扰着滴灌水肥（农药）一体化的推广应用。
经对现有技术文献检索发现，专利号CN201410558859.4的专利文件1公开了一种大田滴灌分布式精确施肥施药装置。该发明专利技术方案摘要为：一种大田滴灌分布式精确施肥施药装置，增设注肥注药系统、供肥供药管路，在分输水管上增设灌溉阀门，供肥供药系统与首部系统连通，供肥供药管路包括与供肥供药系统连通的总输肥输药管、与总输肥输药管连通的分输肥输药管，注肥注药系统的一端与分输肥输药管连通，注肥注药系统的另一端与灌溉阀门的进口连通。采用这种水、肥液药液单独输送的模式，然后在田间灌溉时根据实际需要打开相应的灌溉阀门，注肥注药系统就会将肥液药液同水一起注入分输水管内，混合一体化后灌入田间，实用性强，成本低，安装操作简单，有效解决了大面积农田施肥不均匀的问题。
专利号CN201410558859.4的专利文件存在如下缺点：
（1）该专利采用水、肥液、药液单独输送的分布模式，需要与输水管道并行增设注肥注药系统、供肥供药管路，这样田间就得铺设两条管路，一条是输水管路，一条是输肥药管路，从而导致不但工作量大，而且系统控制过于繁琐。
（2）该专利的肥液、药液与首部系统的连接没有公开，无法确定是在泵吸施肥药，还是泵注肥药，还是文丘里施肥药等。然而，利用首部系统结合，无论是利用泵吸施肥药，还是泵注肥药，还是文丘里施肥药均可以直接把肥药直接注入主管道，从而进入田间。
（3）该专利中仍然存在有机集成不够完善，施肥单一，肥料(农药)用量控制精准度不高的问题。
（4）该专利在运作时，肥料（农药）的溶解不彻底，易造成管道堵塞问题。
专利号CN03202937.3的专利文件2公开了一种灌溉、施肥、施药的摘灌微喷灌机。该实用新型专利的技术方案是由吸水、泵水和水处理机件，加之向输水管路供给肥料和农药的机件，支撑机身的机架等构成，其特征在于在水泵至水源问通过吸水管安装有带过滤器的吸水底阀，在水泵与输水管间安装有水质过滤器，在输水管与滴灌微喷灌管网间安装有一个快换接头构成了给水系统：从肥药料箱底部接装有由引水控制阀控制的引水管，还接装有由置于肥药料箱内的吸头过滤器、从肥药料箱内的吸头过滤器出口处接出的比例式吸水药管、与吸水管连通构成了肥药液供给系统。本实用新型是一种小型的滴灌微喷灌机，成本低，操作和控制方便，适应于机械或人力移动，也适应于农村常用的各种机械动力来支持它的水泵的工作。
专利号CN03202937.3的专利文件存在如下缺点：
（1）只是适合一个轮灌区的场合，没有充分发挥滴灌首部的功能，不能进行自动化控制。
（2）首部系统过于简单，过滤系统只是利用吸水底盘处的过滤网，不适合含砂水质的水源等。
（3）该专利中仍然存在有机集成不够完善，施肥单一，肥料(农药)用量控制精准度不高的问题。
（4）该专利在运作时，肥料（农药）的溶解不彻底，易造成管道堵塞问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于滴灌首部的水、肥、药一体化系统及其控制方法，使施肥、施药与滴灌真正的集成，使滴灌首部成为水、肥、药一体化的系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于滴灌首部的水、肥、药一体化系统，包括滴灌首部系统、用于固态肥料或农药的固体溶解注入系统和用于液态肥料或农药的液体注入系统，所述滴灌首部系统包括与水源连接的灌溉主管道，所述灌溉主管道上沿出水方向依次设置有第一连接部和第二连接部，所述灌溉主管道位于第一连接部和第二连接部之间的管道上设置有过滤装置，其特征在于：所述灌溉主管道位于第一连接部和水源之间的管道上设置有第一回水逆止阀，所述灌溉主管道位于过滤装置和第二连接部之间的管道上设置有第二回水逆止阀；
所述固体溶解注入系统包括上部敞口的喷淋冲洗溶解池，喷淋冲洗溶解池的敞口上方对应设置有喷淋头，喷淋头通过喷淋供水管道在第二连接部处与所述灌溉主管道连接，喷淋冲洗溶解池内铺设有喷淋池过滤网，喷淋过滤网将喷淋冲洗溶解池分为用于放置固态肥料或农药的上喷淋冲洗溶解池和用于盛放溶解液的下喷淋冲洗溶解池；喷淋冲洗溶解池的下方设置有溶解液收集池，溶解液收集池通过溶解液注入管道在第一连接部处与所述灌溉主管道连接，下喷淋冲洗溶解池底部设置有喷淋冲洗溶解池出口，溶解液收集池与喷淋冲洗溶解池出口连接；
下喷淋冲洗溶解池内设置有电导仪；溶解液注入管道上设置有溶解液注入阀；喷淋供水管道上设置有喷淋供水阀；所述溶解液收集池的侧壁处设置有水位仪。
所述液体注入系统包括用于盛放液态肥料或农药的料筒，料筒通过液体注入管道在第一连接部处与所述灌溉主管道连接，液体注入管道上沿液体注入方向依次设置液体注入阀和液体流量计。
所述过滤装置为多级过滤器结构，多级过滤器结构包括在所述灌溉主管道上沿出水方向依次设置的离心过滤器、滤网过滤器和碟片过滤器。
所述上喷淋冲洗溶解池的底部处设置有排渣口；所述滴灌首部系统的水泵连接在第一连接部和离心过滤器之间的灌溉主管道处；所述灌溉主管道位于第二连接部和灌溉主管道出水口之间的管道上设置有总流量计。
它还包括数据采集与控制系统，数据采集与控制系统包括监控单元，监控单元通讯连接至少一个田间控制单元，每个田间控制单元均包括多通道数据采集控制模块传输模块，多通道数据采集控制模块采样连接液体流量计、总流量计、水位仪和电导仪，控制连接溶解液注入阀、喷淋供水阀和液体注入阀，多通道数据采集控制模块通过传输模块连接监控单元。
所述溶解液注入阀、喷淋供水阀和液体注入阀均选用电磁阀。
所述喷淋池过滤网为多层防酸碱过滤网。
所述溶解液收集池与喷淋冲洗溶解池出口连接的设置方式如下：溶解液收集池为上部敞口结构，喷淋冲洗溶解池出口对应设置在溶解液收集池的敞口上方。
本发明的另一目的是提供基于滴灌首部的水、肥、药一体化系统的控制方法，其特征在于：它包括控制方法A和/或控制方法B，控制方法A为固态肥料或农药的溶解注入控制方法，控制方法B为液态肥料或农药的注入控制方法；
所述固态肥料或农药的溶解注入控制方法依次按以下步骤进行：
（1）将对应轮灌区所需的固态肥料或农药事先称重好，放置喷淋溶解池的喷淋池过滤网上；
（2）启动喷淋供水阀，用强大的水流冲击溶解固态肥料或农药，经喷淋池过滤网过滤后，进入过溶解液收集池，当溶解液收集池达到一定容量时，即溶解液液面达到最高限时，控制关闭喷淋供水阀，同时启动溶解液注入阀，把肥料或农药溶解液注入到滴灌首部系统；当溶解液收集池溶液注入完毕，即溶解液液面达到最低限时，控制关闭溶解液注入阀，并再次控制启动喷淋供水阀；如上所述依次循环反复，直到下喷淋冲洗溶解池内的电导仪读数不变，此时下喷淋冲洗溶解池内的电导率到达最低限，即为固态肥料或农药溶解完毕，此时控制关闭喷淋供水阀；
（3）在完成肥料或农药溶解液注入后，继续滴灌3-5分钟后，再进行下一轮灌区的肥料或农药的加入；
（4）滴灌结束，喷淋池过滤网上不溶解的肥料或农药废渣部分需通过排渣口人工给予清除；
所述液态肥料或农药的注入控制方法依次按以下步骤进行：
（1）把液态肥料或农药装入料筒，
（2）根据对应轮灌区所需的用量，控制开启液体注入阀，经液体流量计计量施用量，当流量达到所需的施用量时，控制关闭液体注入阀；
（3）在完成肥料或农药溶解液注入后，继续滴灌3-5分钟后，再进行下一轮灌区的肥料或农药的加入；
（4）当进行下一轮灌区施肥或施药时，先进行滴灌5-10分钟，待滴灌出水均匀后，再控制开启液体注入阀，待液体流量计达到所需的施用量时，控制关闭液体注入阀；
（5）步骤（2）至步骤（4）依次循环反复，直到把整个轮灌区灌溉施肥施药结束。
本发明中系统的有益效果是：
本发明利用灌溉首部水泵和过滤现有优势，不需另外增设专用的肥料和农药过滤设备，只需增设无需动力的注肥注药系统（固体溶解注入系统和液体注入系统），以及肥药在输送管上增设监测设备和控制开关阀，充分发挥灌溉首部的输水动力，使肥和药随灌溉管路自动化进行输肥和输药，采用这种基于灌溉首部系统的灌溉水、肥液、药液一体化模式，在田间灌溉时根据实际需要打开相应的灌溉阀门，注肥注药系统就会将肥液药液同水一起注入分输水管内，混合一体化后灌入田间，实用性强，成本低，安装操作简单，有效解决了大面积农田施肥施药不均匀的问题。
本发明利用肥料或农药的水溶性原理，在灌溉的同时利用滴灌首部的灌溉水的强大冲力喷淋冲洗肥料或农药，水循环喷淋冲洗，保证了肥料溶解彻底，利用灌溉水本身溶解后的肥料溶液，进入滴灌系统后也就不会再堵塞灌水器。
本发明利用溶解液注入阀、喷淋供水阀、液体注入阀、液体流量计、总流量计、水位仪、电导仪和采集与控制系统的配合实现了自动化控制；喷淋冲洗溶解池有多层过滤网，溶解液注入灌溉主管道是从水泵前的第一连接部注入，肥料（农药）溶解液再次经滴灌首部系统上过滤装置的多级过滤，保证了不会因肥料溶解问题而引起堵塞。
本发明利用数据采集与控制系统对肥料（农药）的溶解彻底程度和肥料（农药）溶解收集液液面进行自动控制，主要体现在以下两个方面：
(1)利用喷淋供水阀和安装在喷淋冲洗溶解池底部的电导仪自动监测控制肥料（农药）溶解状况，当喷淋冲洗溶解池的溶解液达到灌溉水的电导率时，或者说是电导率的下限时，说明肥料（农药）已经彻底溶解，即关闭喷淋供水阀，停止喷淋。
(2)利用水位仪监测溶解液收集池上限水位，当达到水位上限时先关闭喷淋供水阀，停止喷淋冲洗肥料（农药），再开启溶解液注入阀，向灌溉主管道注入肥料（农药）溶液，待溶解液收集池内溶解液液面达到下限时，即停止肥料（农药）溶液的注入，这时再次启动喷淋供水阀，再次开始进行喷淋冲洗肥料（农药），如此循环直到把肥料（农药）彻底溶解为止。
本发明中控制方法的有益效果是：
本控制方法解决了施肥和施药与灌溉不同步问题，因为肥料(或用于治疗作物根腐等病的农药)一定要溶解到土壤水中才能被吸收，不溶解的肥料(农药)植物是无法吸收利用的，所以在农业生产实践中就要求灌溉和施肥(药)同时进行，也就是农民说的水肥药一体化，这样施入土壤的肥料(农药)才是有效的。应用该发明，可根据不同作物的需肥(需药)特点、土壤环境、养分含量（或药量）状况以及不同生长期的需水量(用药量)，进行全生育期随灌溉进行施肥、施药，把水分和养分(农药)定时、定量，按比例直接提供给作物，可以方便地控制灌溉时间、肥料用量、养分浓度和营养元素间的比例。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于滴灌首部的水、肥、药一体化系统，包括滴灌首部系统和用于固态肥料或农药的固体溶解注入系统，所述滴灌首部系统包括与水源1连接的灌溉主管道12，所述灌溉主管道12上沿出水方向依次设置有第一连接部和第二连接部，所述灌溉主管道位于第一连接部和第二连接部之间的管道上设置有过滤装置，所述灌溉主管道12位于第一连接部和水源1之间的管道上设置有第一回水逆止阀31，所述灌溉主管道12位于过滤装置和第二连接部之间的管道上设置有第二回水逆止阀32。
所述过滤装置为多级过滤器结构，多级过滤器结构包括在所述灌溉主管道12上沿出水方向依次设置的离心过滤器8、滤网过滤器9和碟片过滤器10，所述滴灌首部系统的水泵4连接在第一连接部和离心过滤器8之间的灌溉主管道12处。所述灌溉主管道12位于水泵4和离心过滤器8之间的管道处、位于滤网过滤器9与碟片过滤器10之间的管道处、位于碟片过滤器10与第二连接部之间的管道处均设置有压力表6。
所述固体溶解注入系统包括上部敞口的喷淋冲洗溶解池15，喷淋冲洗溶解池15的敞口上方对应设置有喷淋头14，喷淋头14通过喷淋供水管道7在第二连接部处与所述灌溉主管道12连接，喷淋冲洗溶解池15内铺设有喷淋池过滤网17，喷淋池过滤网为多层防酸碱过滤网。喷淋过滤网17将喷淋冲洗溶解池15分为用于放置固态肥料或农药16的上喷淋冲洗溶解池和用于盛放溶解液18的下喷淋冲洗溶解池；喷淋冲洗溶解池15的下方设置有溶解液收集池20，溶解液收集池20通过溶解液注入管道5在第一连接部处与所述灌溉主管道12连接，下喷淋冲洗溶解池底部设置有喷淋冲洗溶解池出口19，溶解液收集池20为上部敞口结构，喷淋冲洗溶解池出口19对应设置在溶解液收集池20的敞口上方。
下喷淋冲洗溶解池内设置有电导仪24；溶解液注入管道5上设置有溶解液注入阀22；喷淋供水管道7上设置有喷淋供水阀13。
本发明的基于滴灌首部的水、肥、药一体化系统还包括用于液态肥料或农药的液体注入系统，液体注入系统包括用于盛放液态肥料或农药的料筒28，料筒28通过液体注入管道29在第一连接部处与所述灌溉主管道12连接，液体注入管道29上沿液体注入方向依次设置液体注入阀27和液体流量计26。
所述上喷淋冲洗溶解池的底部处设置有排渣口25；所述灌溉主管道12位于第二连接部和灌溉主管道出水口之间的管道上设置有总流量计11；所述溶解液收集池20的侧壁处设置有水位仪23。
所述溶解液注入阀22、喷淋供水阀13和液体注入阀27均选用电磁阀。
本发明的基于滴灌首部的水、肥、药一体化系统还包括数据采集与控制系统，数据采集与控制系统包括监控单元，监控单元通讯连接至少一个田间控制单元，每个田间控制单元均包括多通道数据采集控制模块传输模块，多通道数据采集控制模块采样连接液体流量计26、总流量计11、水位仪23和电导仪24，控制连接溶解液注入阀22、喷淋供水阀13和液体注入阀27，多通道数据采集控制模块通过传输模块连接监控单元。数据采集与控制系统在本申请人于2013年06月27日申请的实用新型专利（专利名称：一种精准灌溉数据采集与控制系统和精准灌溉系统；申请号：CN201320378576.2）已公开。因此，本发明所用数据采集与控制系统的具体原理及工作过程就不再详细阐述。
本发明利用数据采集与控制系统对肥料（农药）的溶解彻底程度和肥料（农药）溶解收集液液面进行自动控制，主要体现在以下两个方面：
(1)利用喷淋供水阀13和安装在喷淋冲洗溶解池15底部的电导仪24自动监测控制肥料（农药）溶解状况，当喷淋冲洗溶解池15的溶解液达到灌溉水的电导率时，或者说是电导率的下限时，说明肥料（农药）已经彻底溶解，即关闭喷淋供水阀13，停止喷淋。
(2)利用水位仪23监测溶解液收集池20上限水位，当达到水位上限时先关闭喷淋供水阀13，停止喷淋冲洗肥料（农药），再开启溶解液注入阀22，向灌溉主管道12注入肥料（农药）溶液，待溶解液收集池20内溶解液液面达到下限时，即停止肥料（农药）溶液的注入，这时再次启动喷淋供水阀13，再次开始进行喷淋冲洗肥料（农药），如此循环直到把肥料（农药）彻底溶解为止。
本发明利用灌溉首部水泵和过滤现有优势，不需另外增设专用的肥料和农药过滤设备，只需增设无需动力的注肥注药系统（固体溶解注入系统和液体注入系统），以及肥药在输送管上增设监测设备和控制开关阀，充分发挥灌溉首部的输水动力，使肥和药随灌溉管路自动化进行输肥和输药，采用这种基于灌溉首部系统的灌溉水、肥液、药液一体化模式，在田间灌溉时根据实际需要打开相应的灌溉阀门，注肥注药系统就会将肥液药液同水一起注入分输水管内，混合一体化后灌入田间，实用性强，成本低，安装操作简单，有效解决了大面积农田施肥施药不均匀的问题。
本发明利用肥料或农药的水溶性原理，在灌溉的同时利用滴灌首部的灌溉水的强大冲力喷淋冲洗肥料或农药，水循环喷淋冲洗，保证了肥料溶解彻底，利用灌溉水本身溶解后的肥料溶液，进入滴灌系统后也就不会再堵塞灌水器。
本发明利用溶解液注入阀22、喷淋供水阀13、液体注入阀27、液体流量计26、总流量计11、水位仪23、电导仪24和采集与控制系统的配合实现了自动化控制；喷淋冲洗溶解池有多层过滤网，溶解液注入灌溉主管道是从水泵前的第一连接部注入，肥料（农药）溶解液再次经滴灌首部系统上过滤装置的多级过滤，保证了不会因肥料溶解问题而引起堵塞。
本发明的另一目的是提供基于滴灌首部的水、肥、药一体化系统的控制方法，它包括控制方法A和/或控制方法B，控制方法A为固态肥料或农药的溶解注入控制方法，其在使用固态肥料或农药时使用；控制方法B为液态肥料或农药的注入控制方法，在使用液态肥料或农药时使用。
所述固态肥料或农药的溶解注入控制方法依次按以下步骤进行：
（1）将对应轮灌区所需的固态肥料或农药事先称重好，放置喷淋溶解池的喷淋池过滤网17上；
（2）启动喷淋供水阀13，用强大的水流冲击溶解固态肥料或农药，经喷淋池过滤网17多层过滤后，进入过溶解液收集池20，当溶解液收集池20达到一定容量时，即溶解液液面达到最高限时，控制关闭喷淋供水阀13，同时启动溶解液注入阀22，把肥料或农药溶解液注入到滴灌首部系统；当溶解液收集池20溶液注入完毕，即溶解液液面达到最低限时，控制关闭溶解液注入阀22，并再次控制启动喷淋供水阀13；如上所述依次循环反复，直到下喷淋冲洗溶解池内的电导仪24读数不变，此时下喷淋冲洗溶解池内的电导率到达最低限，即为固态肥料或农药溶解完毕，此时控制关闭喷淋供水阀13；一般每3-5分钟，即可完成一次冲淋溶解注入过程，2-3个循环即可完全溶解肥料或农药；
（3）在完成肥料或农药溶解液注入后，继续滴灌3-5分钟后，再进行下一轮灌区的肥料或农药的加入，这样可以保证每个轮灌区所应施用的肥料和农药都全部作用到作物的根部，充分发挥其作用；
（4）滴灌结束，喷淋池过滤网17上不溶解的肥料或农药废渣部分需通过排渣口25人工给予清除。
所述液态肥料或农药的注入控制方法依次按以下步骤进行：
（1）把液态肥料或农药装入料筒28，料筒28也可采用水池型结构；
（2）根据对应轮灌区所需的用量，控制开启液体注入阀27，经液体流量计26计量施用量，当流量达到所需的施用量时，控制关闭液体注入阀27；
（3）在完成肥料或农药溶解液注入后，继续滴灌3-5分钟后，再进行下一轮灌区的肥料或农药的加入；
（4）当进行下一轮灌区施肥或施药时，先进行滴灌5-10分钟，待滴灌出水均匀后，再控制开启液体注入阀27，待液体流量计26达到所需的施用量时，控制关闭液体注入阀27；
（5）步骤（2）至步骤（4）依次循环反复，直到把整个轮灌区灌溉施肥施药结束。
本控制方法解决了施肥和施药与灌溉不同步问题，因为肥料(或用于治疗作物根腐等病的农药)一定要溶解到土壤水中才能被吸收，不溶解的肥料(农药)植物是无法吸收利用的，所以在农业生产实践中就要求灌溉和施肥(药)同时进行，也就是农民说的水肥药一体化，这样施入土壤的肥料(农药)才是有效的。应用该发明，可根据不同作物的需肥(需药)特点、土壤环境、养分含量（或药量）状况以及不同生长期的需水量(用药量)，进行全生育期随灌溉进行施肥、施药，把水分和养分(农药)定时、定量，按比例直接提供给作物，可以方便地控制灌溉时间、肥料用量、养分浓度和营养元素间的比例。
本发明集成了滴灌、施肥、施药于一体，从而实现了滴灌、施肥、施药一体化之目的，肥料溶解彻底，废渣残余少，工作效率高，费用较低，有利于克服了现有技术浪费水、溶解效果差、不利于随灌溉高效施肥的不足。本发明经农业生产实践中应用，获得了较好的效果。其在烟田中实践时，安装简单方便，增产效果好，根据水井的出水量和滴灌首部功率大小，轮灌区面积可控制在15-30亩为宜，每个滴灌首部管理轮灌区5-10个为宜。本发明根据需要安装或拆分非常灵活，便于操作和自动化管理。实践证明，运用该发明，15分钟左右完成每个轮灌区的固体施肥和农药的溶解和随滴灌水的施用，5分钟左右完成液态肥料和农药的随滴灌水的施用，灌溉施肥和施药均匀度和精确度非常好；与常规灌溉施肥相比，在烟草上应用该基于滴灌首部的水肥药一体化方法，烟叶产量增产15%以上，优等烟比例增加明显，每亩净效益增加500元以上，同时社会和环境效益显著，且实用性较强。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述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：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。