一种智能水肥一体控制机及其控制方法与流程

1.本发明涉及农业灌溉技术领域，更具体地说，它涉及一种智能水肥一体控制机及其控制方法。


背景技术：

2.肥料是指提供一种或一种以上植物必需的营养元素，改善土壤性质、提高土壤肥力水平的一类物质，是农业生产的物质基础之一。
3.随着农业技术的发展，用于给农田自动施肥的水肥一体控制机正逐渐被推广使用，水肥一体控制机一般是将预先配好的肥料原液和水混合形成水肥，再将水肥送入田间管网，既能给农田施肥，又能灌溉农田，一举两得。
4.但是，现有的水肥一体控制机，其水肥的流量一般是固定的，即机器运行时以一定的流量向田间管网输送水肥。由于再不同的环境温度和湿度条件下，植物对水肥的吸收速率和土壤中水肥的自然流失速率是有较大差异的，若施水肥的流量小于水肥流失速率，则农作物不能有效吸收水肥，导致施水肥效果不佳；而施水肥的流量大于作物的水肥吸收速率和水肥流失速率之和时，就会造成水肥的大量浪费。
5.为保证作物充分吸收水肥，现有的水肥一体控制机通常采用的是大流量输出水肥，不能对流量进行精细化调节，常常造成水肥的大量浪费，有待改进。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种智能水肥一体控制机及其控制方法，其能够对输出水肥的流量进行更精细地调节，减少水肥的浪费。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
8.一种智能水肥一体控制机，包括水肥控制主机和现场监测终端，水肥控制主机包括机架，固定于机架上的控制箱、混合箱、设置于混合箱上的搅拌电机，以及进水管、水肥输送管和若干组原料输送管，所述进水管的一端与混合箱的内部连通，所述进水管的另一端用于与水泵连接，所述进水管上装有用于水源电磁阀；所述原料输送管的一端与进水管连通，所述原料输送管的另一端用于与原料桶连接，所述原料输送管上装有原料流量控制阀；所述水肥输送管的一端与混合箱的内部连通，所述水肥输送管的另一端用于连接田间管网，所述水肥输送管上装有水肥流量控制阀；所述水肥控制主机还包括主控制器，所述主控制器用于控制水源电磁阀、原料流量控制阀、水肥流量控制阀、搅拌电机和水泵电机；所述现场监测终端包括支撑杆，所述支撑杆的下端用于插入农田内，所述支撑杆上固定有防护箱，所述防护箱的顶部装有风速传感器，所述支撑杆的上端固定有横杆，所述横杆上装有摄像头，所述摄像头的镜头朝下用于拍摄农田内的作物，所述防护箱内装有空气温度传感器和空气湿度传感器，所述防护箱的外部设置有用于埋入土壤内的土壤温度传感器，所述防护箱内装有采集处理板，所述土壤温度传感器、土壤湿度传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器、风速传感器、土壤氮磷钾传感器和摄像头分别与采集处理板连接，所述采集处理
板与主控制器通信连接。
9.作为优选方案：所述采集控制板根据土壤的氮磷钾含量判断是否需要对土壤施水肥，当土壤氮磷钾中有一种元素的含量低于预设值时，认为需要施水肥，所述采集处理板根据土壤的温度获取当前土壤温度下作物的水肥吸收速率；同时，采集处理板根据土壤的湿度、空气的温度和空气的湿度获取该环境条件下水肥的流失速率数据，并根据水肥吸收速率和水肥流失速率计算出所需水肥流量值；所述采集处理模块将水肥流量数据发送至主控制器，所述主控制器对水肥流量控制阀的开度进行控制，使其允许通过的流量值等于所需水肥流量值，同时主控制器控制水源电磁阀打开、控制水泵启动、控制原料流量控制阀打开，控制搅拌电机启动，开始施水肥。
10.作为优选方案：在施水肥过程中，对土壤湿度值持续采样，每采样一次次啊及处理板都计算当前环境条件下的所需水肥流量值，将实时所需水肥流量值发送至主控制器，所述主控制器根据实时所需水肥流量值对水肥流量阀的流量进行调节，使两者相等。
11.作为优选方案：所述采集处理板每次将计算出的所需水肥流量值和检测到的风速数据发送至主控制器，所述主控制器在控制水肥一体机执行施水肥的动作前将检测到的风速值与预设值进行比较，当风速值大于预设值时主控模块设置一段延迟时间，延迟时间小于采集处理板的初次和二次采集的时间间隔，在延迟时间过后控制水肥一体机开始施水肥，并在主控制器接收到采集处理板发送的下一次所需水肥流量值和的风速数据时停止施水肥。
12.作为优选方案：延迟时间过后，当主控制器控制水肥一体机开始施水肥后，先是施水肥t1秒，再暂停施水肥t2秒，接着再施水肥t1秒，如此循环直到主控模块接收到采集处理板发送的下一次所需水肥流量值和的风速数据。
13.作为优选方案：所述采集处理板对空气湿度值持续采样，当需要施水肥时，采集处理板对之前采集到的多组空气湿度值进行比对，当最近测得的三组空气湿度值持续增大时，采集处理板将计算出的所需水肥流量值发送至主控制器，同时向主控制器发送一等待执行名称，此时主控制器处于待命状态并通过gsm模块向管理人员的手机发送提示短信，提醒管理人员通过操作触控屏来确认是否开始执行施水肥的动作。
14.作为优选方案：所述采集处理板对拍摄到的图像进行分析处理，通过图像中的特征点来识别作物的种类，再根据不同种类的植物对各种养分的需求，为该作物匹配各种原料的比例，所述采集处理板将原料比例数据发送至主控制器，所述主控制器根据原料比例对各组原料输送管上的原料流量控制阀的控制实现对各种原料比例的调节。
15.作为优选方案：所述采集处理板对拍摄到的图像中的所有像素点进行扫描，获取各个像素点的颜色值，再统计颜色值为绿色的像素点的数量，通过绿色的像素点与图像的总的像素点的比例对作物的长势情况进行分级，再为各个长势等级匹配原料与水的比例，所述采集处理板将原料与水的比例数据发送至主控制器，所述主控制器根据原料与水的比例对原料液的流量进行调节。
16.与现有技术相比，本发明的优点是：该水肥一体控制器可以根据农田内当前的土壤条件和空气条件对水肥流量进行精细化动态调节，既可以保证作物充分吸收水肥，又能有效减少水肥的浪费。
附图说明
17.图1为本实施例中的水肥控制主机的结构示意图；
18.图2为本实施例中的现场监测终端的结构示意图；
19.图3为本实施例中的电路原理图。
20.附图标记说明:1、水肥主机；101、机架；102、控制箱；103、混合箱；104、搅拌电机；105、进水管；106、水源电磁阀；107、泄压阀；108、进水手动阀；109、原料输送管；110、原料手动阀；111、原料流量控制阀；112、水肥输送管；113、水肥流量控制阀；2、现场监测终端；201、支撑杆；202、防护箱；203、横杆；204、摄像头；205、太阳能电池板。
具体实施方式
21.一种智能水肥一体控制机，包括水肥控制主机和现场监测终端2。
22.参照图1，水肥控制主机包括机架101，固定于机架101上的控制箱102、混合箱103、设置于混合箱103上的搅拌电机104，以及进水管105、水肥输送管112和若干组原料输送管109。各组原料输送管109可以分别与储存有不同原料或相同原料的原料桶连接。其中，进水管105的一端与混合箱103的内部连通，进水管105的另一端用于与水泵连接，在进水管105上装有用于水源电磁阀、进水手动阀108和泄压阀107；原料输送管109的一端与进水管105(或是直接与混合箱103连通)连通，原料输送管109的另一端用于与肥料原料(以下简称原料)桶连接，原料桶内的原料液通过泵压装置或是依靠自身重力流入原料输送管109内；在原料输送管109上装有原料流量控制阀111和原料手动阀110；水肥输送管112的一端与混合箱103的内部连通，在水肥输送管112上装有水肥流量控制阀113。
23.参照图3，水肥控制主机还包括主控制器，主控制器包括主控模块，还包括与主控模块连接的第一电磁驱动模块、第二电磁驱动模块、第三电磁驱动模块、第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第一储存模块、触控屏、第一通信模块、gsm模块以及第一电源模块。第一电磁驱动模块与水源电磁阀106连接，用于控制水源电磁阀106；第二电磁驱动模块与原料流量控制阀111连接，用于控制原料流量控制阀111；第三电磁驱动模块与水肥流量控制阀113连接，用于控制水肥流量控制阀113；第一电机驱动模块与搅拌电机104连接，用于控制搅拌电机104；第二电机驱动模块与水泵电机连接，用于控制水泵电机。
24.主控模块向各个驱动模块发送控制信号，使各个驱动模块驱动各自对应的执行器(执行器包括阀体和电机)产生相应动作。
25.参照图2，现场监测终端2包括支撑杆201，支撑杆201的下端用于插入农田内，在支撑杆201上固定有防护箱202，在防护箱202的顶部装有风速传感器，在支撑杆201的上端固定有横杆203，在横杆203上装有摄像头204，摄像头204的镜头朝下用于拍摄农田内的作物，防护箱202内装有空气温度传感器和空气湿度传感器，在防护箱202的外部设置有用于埋入土壤内的土壤温度传感器。
26.在防护箱202内装有采集处理板，采集处理板包括微处理模块，还包括与微处理模块连接的信号采样模块、图像采集模块、第二储存模块、第二通信模块以及第二电源模块。
27.土壤温度传感器、土壤湿度传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器、风速传感器以及土壤氮磷钾传感器分别与信号采样模块的各个采样端口连接，信号采样模块对各个传感器的输出信号进行采集并将采集到的信号传输至微处理模块。摄像头204的输出端与
图像采集模块连接。
28.第二通信模块用于与第一通信模块配对并交互数据，使得采集处理板可以与主控制器之间通信。
29.该智能水肥一体控制机运行前，需要通过控制变量的方法预先对各组土壤湿度值、空气温度值和空气湿度值下水肥的自然流失速率(每秒小时x毫升)进行测定，建立土壤湿度值、空气温度值和空气湿度值与水肥的自然流速率的对应数据表，将数据储存至第二储存模块中；通过控制变量的方法预先对各组土壤温度值时作物的水肥吸收速率(每小时y毫升)进行测定，建立作物的水肥吸收速率与土壤温度的对应数据表，将数据储存至第二储存模块中。
30.该智能水肥一体控制机的工作原理为：土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤氮磷钾传感器、空气温度传感器和空气湿度传感器分别对土壤的温度、土壤的湿度、土壤的氮磷钾含量、空气的温度和空气的湿度进行检测，并将检测结果反馈至微处理模块，微处理模块根据土壤的氮磷钾含量判断是否需要对土壤施水肥，当土壤氮磷钾中有一种元素的含量低于预设值时，认为需要施水肥。
31.需要施水肥时，微处理模块根据土壤的温度获取当前土壤温度下作物的水肥吸收速率；同时，微处理模块根据土壤的湿度、空气的温度和空气的湿度获取该环境条件下水肥的流失速率数据，并根据水肥吸收速率和水肥流失速率计算出所需水肥流量值。所需水肥流量值应等于农田内管网所有的滴灌口的滴灌流量之和，每个滴灌口的滴灌流量等于该滴灌口作用范围内的作物水肥吸收速率和水肥流失速率。
32.微处理模块将水肥流量数据发送至主控模块，主控模块对水肥流量控制阀113的开度进行控制，使其允许通过的流量值等于所需水肥流量值。随后主控模块控制水源电磁阀打开、控制水泵启动、控制原料流量控制阀111打开，控制搅拌电机104启动，此时水泵将外部水源泵入进水管105内，原料液通过原料输送管109流入进水管105内从而与水混合，混合液流入混合箱103内并被搅拌电机104搅拌均匀从而形成水肥，水肥通过水肥输送管112流入田间管网，从而能以所需流量向农田输送水肥，既可以保证作物充分吸收水肥，又能有效减少水肥的浪费。
33.本实施例中在施水肥过程中，微处理器控制信号采集模块对各个传感器的信号持续地每间隔一段时间进行采样，且随着土壤湿度的增大，采样的间隔时间越来越短。每采样一次，都计算当前环境条件下的所需水肥流量值，将实时所需水肥流量值发送至主控模块，主控模块根据实时所需水肥流量值对水肥流量阀的流量进行调节，使两者相等。
34.由于施水肥前和施水肥中的土壤的湿度会有较大差异，在施水肥的过程中由于土壤中的水肥逐渐饱和，土壤湿度越来越大。土壤湿度直接影响到水肥流失速率，具体来说是土壤湿度越大，水肥的流失速率越小。若在整个施水肥过程中都已施水肥前的环境条件计算出的所需水肥流量值来施水肥，则不可避免地会造成水肥外溢浪费。
35.通过采取持续采样计算并逐渐缩短采样计算的时间间隔，可以实现施水肥流量随土壤湿度的变化而动态调节，进一步减少水肥的浪费，提高水肥的利用率。
36.本实施例中的风速传感器可以检测农田内的风速，将风速数据反馈至微处理模块，微处理模块每次将计算出的所需水肥流量值和检测到的风速数据发送至主控模块，主控模块在控制水肥一体机执行施水肥的动作前将检测到的风速值与预设值进行比较，当风
速值大于预设值时主控模块设置一段延迟时间，延迟时间小于采集处理板的初次和二次采集的时间间隔(该时间间隔至少为半小时)，在延迟时间过后控制水肥一体机开始施水肥，并在主控模块接收到微处理模块发送的下一次所需水肥流量值和的风速数据时停止施水肥。
37.之后再根据下一次的所需水肥流量值和风速数据执行重复执行上述步骤，直至完成施水肥(当土壤湿度达到一定值时，则完成施水肥)。
38.采用延迟施水肥的措施可以等待风速变化，若延迟时间过后风速下降了，此时开始施水肥可以减少水肥的蒸发量；若延迟时间过后风速没变或是变大了，则由于缩短了采样间隔内施水肥的时间，同样能较少水肥的蒸发量，节约水肥，相应的需要延迟整个施水肥的时间。
39.如此可以避免在有较大风时持续向农田施水肥，
40.在此基础上，延迟时间过后，当主控模块控制水肥一体机开始施水肥后，先是施水肥t1秒，再暂停施水肥t2秒，接着再施水肥t1秒
……
如此循环，直到主控模块接收到微处理模块发送的下一次所需水肥流量值和的风速数据。
41.如此可以间断式施水肥，在面对农田中的风速持续变化的风时更能减少水肥的蒸发量。
42.本实施例中，微处理对空气湿度传感器的输出信号进行持续采样，当需要施水肥时，微处理模块对之前采集到的多组空气湿度值进行比对，当最近测得的三组空气湿度值持续增大时，微处理模块将计算出的所需水肥流量值发送至主控模块，同时向主控模块发送一等待执行名称，此时主控模块处于待命状态并通过gsm模块向管理人员的手机发送提示短信，提醒管理人员通过操作触控屏来确认是否开始执行施水肥的动作。
43.当空气湿度持续增大时，说明可能会下雨，若施水肥时下雨则必然造成水肥大量流失浪费。此时提示管理人员进行人工操作，管理人员可以根据天气预报和施水肥经验来选择是否启动施水肥。
44.本实施例中还通过摄像头204拍摄农作物，摄像头204将拍摄得到的图像传输至微处理器，微处理模块内置图像处理模块。图像处理模块对拍摄到的图像进行分析处理，通过图像中的特征点来识别作物的种类(拍照识别植物为已经实现的技术)，再根据不同种类的植物对各种养分的需求，为该作物匹配各种原料液的比例(事先预设)，将原料比例数据发送至主控模块，主控模块根据原料比例数据通过对各组原料输送管109上的原料流量控制阀111的控制实现对各种原料比例的调节，使得到的水肥中的各种养分可以较好的满足该种作物的需求。
45.图像处理模块还对图像中的所有像素点进行扫描，获取各个像素点的颜色值，再统计颜色值为绿色的像素点的数量，通过绿色的像素点与图像的总的像素点的比例来判断作物的长势情况，绿色像素点的比例越大，说明作物的长势越好。通过绿色像素点的比例值对作物的长势情况进行分级，再为各个长势等级匹配原料液与水的比例(事先预设)，长势差的则原料液与水的比例高，长势好的则原料液与水的比例小，将原料与水的比例数据发送至主控模块，主控模块根据原料与水的比例对原料流量控制阀111和水源电磁阀106进行控制。在水源流量不变时，通过对原料流量控制阀111的控制可以对原料液的流量进行调节，从而调节原料液与水的比例。如此可以实现根据作物长势对水肥中的养分含量的差异
化调节，既能满足作物对养分的需求，又能减少养分的浪费。
46.以上所述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上述实施例，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。