一种水肥一体化灌溉系统及灌溉方法与流程

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种水肥一体化灌溉系统及灌溉方法。

背景技术：

我国是一个农业大国，但并不是一个农业强国，目前我国正处于农业快速发展的时期，粮食产量连年增加。但是这种增产是建立在“大水、大肥、大药”的基础投入上的，这种种植方式造成了极大的资源浪费和严重的环境污染问题。我国目前农业灌溉用水量每年约3500亿立方米，按照灌溉水利用率为40%计算，每年农业灌溉流失水量为2100亿立方米，由此可见每年农业灌溉用水的消耗是多么的庞大。而农业生产中化肥的使用更是惊人。从上个世纪70年代末以来，短短几十年，我国化肥施用量增加了上百倍，用量达到了平均434千克/公顷，这个数字是国际公认的化肥施用安全上线225千克/公顷的两倍左右。这些化肥的平均利用率仅为40%，多余的部分都随水流进入了生态圈，造成严重水体富营养化，危及江河湖泊生态系统。过量的使用化肥和漫灌，一方面造成资源的浪费和环境的污染，另一方面容易造成土地的板结和盐碱化，严重影响农业的可持续发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水肥一体化灌溉系统及灌溉方法，无需提前配置肥料便可以实现精确的大田灌溉及施肥作业，不仅大大节省了资源，而且有效地避免了环境的污染。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水肥一体化灌溉系统，包括沿水流方向依次设置于水流管道上的变频水泵、总电磁阀及比例积分调节阀，所述比例积分调节阀的第一分水口经比例施肥泵连接施肥管道，比例积分调节阀的第二分水口连接流量传感器，所述流量传感器的输出端连接有ph/ec传感器，所述ph/ec传感器分别连接各个灌溉区域的分电磁阀，所述分电磁阀设置于各个灌溉区域的灌溉管道上，各个灌溉区域还分别设置有土壤湿度传感器，土壤湿度传感器、ph/ec传感器及流量传感器分别与控制器的输入端相连，控制器的输出端分别与变频水泵、总电磁阀、比例积分调节阀及比例施肥泵相连。

优选地，所述流量传感器采用涡轮流量传感器。

优选地，所述变频水泵与电磁阀之间设置有碟片式过滤器。

优选地，所述变频水泵的压力控制信号线与控制器的水泵控制接口相连，总电磁阀和分电磁阀的信号线与控制器的总电磁阀接口相连，比例积分调节器的信号线与控制器的4-20ma输出接口相连，土壤湿度传感器、流量传感器和ph/ec传感器分别与控制器的传感器接口相连。

优选地，所述控制器内存储有作物生长需水模型及作物生长水肥模型，所述作物生长需水模型如下：

其中，当前土湿为土壤湿度传感器采集到的湿度数据，流量为流量传感器采集到的水流量，目标土湿、土壤渗透系数及转换系数均根据经验设定；

所述作物生长水肥模型如下：

其中，已施肥量为根据流量传感器采集到的流量计算出的当前已施肥量，通过取土样检验土壤中氮、磷、钾等元素的含量，确定土壤基础肥力。

优选地，还包括远程服务器，所述控制器通过无线网关与远程服务器进行通信。

利用上述水肥一体化灌溉系统进行灌溉的方法，分别包括控制方法a和/或控制方法b，所述控制方法a为利用水进行灌溉的控制方法，所述控制方法b为将水和肥料混合之后进行施肥的控制方法；

所述控制方法a依次包括以下步骤：

（1）在控制器上选择灌溉模式，此时控制器控制比例积分调节阀及施肥泵关闭；

（2）打开变频水泵；

（3）打开所需灌溉区域的分电磁阀，开始灌溉；

（4）水流流经流量传感器，流量传感器采集当前管道内的水流量，并计算出当前灌溉区域内已灌溉的水量；同时土壤湿度传感器实时采集当前灌溉区域的土壤湿度，并将数据发送至控制器；

（5）控制器将当前灌溉区域内已灌溉的水量、当前灌溉区域的土壤湿度及当前灌溉时间输入作物生长需水模型，结合系统当前运行时间，计算出当前灌溉区域的最优灌溉方案，并按照此方案进行自动灌溉作业；

（6）当前灌溉区域灌溉完成之后，控制器控制当前灌溉区域的分电磁阀关闭，然后返回步骤（3）；

（7）控制器判断所有区域是否全部完成灌溉，若是，则关闭所有分电磁阀、总电磁阀及变频水泵，一次灌溉过程完成，若否，则返回步骤（3），继续进行下一区域的灌溉；

所述控制方法b依次包括以下步骤：

（1）在控制器上选择水肥一体化模式，此时控制器自动将比例积分调节阀调整至两路对开状态，同时打开变频水泵和施肥泵；

（2）打开所需施肥区域的分电磁阀；

（3）调节比例积分调节阀及比例施肥泵，肥料与水混合之后形成水肥混合液，开始施肥；

（4）ph/ec传感器采集水肥混合液的电导率ec值和酸碱度ph值，流量传感器采集水肥混合液的流量，并计算出当前灌溉区域内已灌溉的流量，控制器将采集到的电导率ec值、酸碱度ph值及流量值输入作物生长水肥模型，结合系统当前运行时间，由控制器计算出最优施肥方法；

（5）调节比例积分调节阀和比例施肥泵的开度，将输出的水肥浓度调整至最优，并按照此最优施肥方法进行施肥；

（6）当前施肥区域施肥完成之后，控制器控制当前施肥区域的分电磁阀关闭，然后返回步骤（2）；

（7）控制器判断所有施肥区域是否全部完成施肥，若是，则关闭所有分电磁阀、总电磁阀及变频水泵，一次施肥过程完成，若否，则返回步骤（2），继续进行下一施肥区域的施肥。

本发明在实现精准灌溉功能的情况下，加入了自动配置水肥的功能，无需另外配备水肥混合装置，通过调节比例积分调节阀的开度，能够调节肥料的浓度，无需人工参与即可实现精准施肥，避免了传统方式因肥料配置问题造成的施肥不足和过量的问题；控制器中加入了生长需水模型及作物生长水肥模型，以科学的模型代替传统人工的经验，使得灌溉和施肥更加精确，不仅节约了水资源和肥料，而且能够防止土地板结和盐碱化；控制器控制连接各个灌溉区域的分电磁阀，根据控制器的指令，能够实现自动轮灌，无需人工值守，大大提高了农业灌溉的效率。此外，系统加入了远程服务器，用户可以远程监测系统运行状态。

本发明结构简单，操作方便，无需提前配置肥料便可以实现精确的大田灌溉及施肥作业，避免了传统方式因肥料配置问题造成的施肥不足和过量的问题，控制精度高，大大提高了灌溉及施肥的效率，并且能够有效地避免由于肥料的浪费而造成的环境污染和土地盐碱化问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明所述方法a的流程图；

图3为本发明所述方法b的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所述的一种水肥一体化灌溉系统，包括沿水流方向依次设置于水流管道1上的变频水泵2、碟片式过滤器3、总电磁阀4及比例积分调节阀5，比例积分调节阀5的第一分水口经比例施肥泵6连接施肥管道7，比例积分调节阀5的第二分水口连接流量传感器8，流量传感器8的输出端连接有ph/ec传感器9，ph/ec传感器9分别连接各个灌溉区域的分电磁阀10，各个分电磁阀10分别设置于各个灌溉区域11的灌溉管道上，各个灌溉区域11还分别设置有土壤湿度传感器12，土壤湿度传感器12、ph/ec传感器9及流量传感器8分别与控制器13的输入端相连，控制器13的输出端分别连接变频水泵2、总电磁阀4、比例积分调节阀5及比例施肥泵6，控制器13还通过无线网关与远程服务器14进行通信。

比例积分调节阀5主要用于调节水流管道1和施肥管道7的流量，比例积分调节阀5通过接收控制器13发出的模拟量信号来调整两个管道的流量大小；流量传感器8用于测量当前水流管道1内液体的流量，结合系统运行时间，计算出液体的总量，在本实施例中，流量传感器8采用涡轮流量传感器，当水肥混合液流过流量传感器8时，涡轮叶片可以对混合液进行搅拌，使水和肥料混合的更加均匀；ph/ec传感器9用于测量水肥溶液的电导率ec值和酸碱度ph值，ec值用于判断水溶肥在水肥混合液中的浓度，ph值用于判断水肥溶液的酸碱度是否适合植物生长；土壤湿度传感12器用于测量大田内的土壤湿度，控制器13根据土壤湿度信息确定灌溉的程度；控制器13用于采集流量传感器8及土壤湿度传感器12的数据，并控制各种阀门的通断。

变频水泵2的压力控制信号线与控制器13的水泵控制接口（485接口）相连，总电磁阀4和分电磁阀10的信号线与控制器13的总电磁阀接口（24v继电器接口）相连，比例积分调节器5的信号线与控制器13的4-20ma输出接口相连，土壤湿度传感器12、流量传感器8和ph/ec传感器9分别与控制器13的传感器接口（4-20ma输入接口）相连。

此外，控制器13内存储有作物生长需水模型及作物生长水肥模型，作物生长需水模型如下：

其中，当前土湿为土壤湿度传感器12采集到的湿度数据，流量为流量传感器8采集到的水流量，目标土湿、土壤渗透系数及转换系数均根据经验设定；

作物生长水肥模型如下：

其中，已施肥量为根据流量传感器采集到的流量计算出的当前已施肥量，通过取土样检验土壤中氮、磷、钾等元素的含量，确定土壤基础肥力。

如图1至图3所示，利用上述水肥一体化灌溉系统进行灌溉的方法，分别包括控制方法a和/或控制方法b，控制方法a为利用水进行灌溉的控制方法，控制方法b为将水和肥料混合之后进行施肥的控制方法。

其中，控制方法a依次包括以下步骤：

（1）在控制器13上选择灌溉模式，此时控制器13控制比例积分调节阀5及比例施肥泵6关闭；

（2）打开变频水泵2；

（3）打开所需灌溉区域的分电磁阀10，开始灌溉；

（4）水流流经流量传感器8，流量传感器8采集当前水流管道1内的水流量，并计算出当前灌溉区域内已灌溉的水量；同时土壤湿度传感器12实时采集当前灌溉区域的土壤湿度，并将数据发送至控制器13；

（5）控制器13将当前灌溉区域内已灌溉的水量、当前灌溉区域的土壤湿度及当前灌溉时间输入作物生长需水模型，结合系统当前运行时间，计算出当前灌溉区域的最优灌溉方案，并按照此方案进行自动灌溉作业；

作物生长需水模型如下：

其中，当前土湿为土壤湿度传感器12采集到的湿度数据，流量为流量传感器8采集到的水流量，土壤渗透系数及转换系数均根据经验设定；

（6）控制器13实时将当前灌溉区域的状况及灌溉数据发送至远程服务器14，用户可通过远程服务器14查看当前灌溉情况；

（7）当前灌溉区域灌溉完成之后，控制器13控制当前灌溉区域的分电磁阀10关闭，然后返回步骤（3）；

（8）控制器13判断所有区域是否全部完成灌溉，若是，则关闭所有分电磁阀10、总电磁阀4及变频水泵2，一次灌溉过程完成，若否，则返回步骤（3），继续进行下一区域的灌溉。

控制方法b依次包括以下步骤：

（1）在控制器13上选择水肥一体化模式，此时控制13器自动将比例积分调节阀5调整至两路对开状态，同时打开变频水泵2和比例施肥泵6；

（2）打开所需施肥区域的分电磁阀10；

（3）调节比例积分调节阀5及比例施肥泵6，将肥料与水混合之后形成水肥混合液，开始施肥；

（4）ph/ec传感器9采集水肥混合液的电导率ec值和酸碱度ph值，流量传感器8采集水肥混合液的流量，并计算出当前灌溉区域内已灌溉的流量，控制器13将采集到的电导率ec值、酸碱度ph值及流量值输入作物生长水肥模型，结合系统当前运行时间，由控制器13计算出最优施肥方法；

（5）调节比例积分调节阀5及比例施肥泵6的开度，将输出的水肥浓度调整至最优，并按照此最优施肥方法进行施肥；

其中，作物生长水肥模型如下：

其中，已施肥量为根据流量传感器采集到的流量计算出的当前已施肥量，通过取土样检验土壤中氮、磷、钾等元素的含量，确定土壤基础肥力。土壤基础肥力的测定过程为现有技术，不再赘述。

（6）控制器13实时将当前区域的状况及施肥数据发送至远程服务器14，用户可通过远程服务器14查看当前施肥情况；

（7）当前施肥区域施肥完成之后，控制器13控制当前施肥区域的分电磁阀10关闭，然后返回步骤（2）；

（8）控制器13判断所有施肥区域是否全部完成施肥，若是，则关闭所有分电磁阀10、总电磁阀4及变频水泵2，一次施肥过程完成，若否，则返回步骤（2），继续进行下一施肥区域的施肥。

本发明结构简单，操作方便，无需提前配置肥料便可以实现精确的大田灌溉及施肥作业，避免了传统方式因肥料配置问题造成的施肥不足和过量的问题，控制精度高，大大提高了灌溉及施肥的效率，并且能够有效地避免由于肥料的浪费而造成的环境污染和土地盐碱化问题。