施肥机及其快速混肥装置、EC-PH平衡调节方法与存储介质与流程

施肥机及其快速混肥装置、ec-ph平衡调节方法与存储介质
技术领域
1.本发明涉及农业施肥技术，特别是一种施肥机及其快速混肥装置、ec-ph平衡调节方法与存储介质。


背景技术：

2.现有施肥机技术，大多采用plc的pid算法，来完成肥料溶液的混合，但是缺乏正面计算的方法数学模型，反馈算法从启动到稳定需要一定时间，在深度节水灌溉领域，灌溉大概十几秒到几十秒，因此大部分施肥机在节水灌溉中表现并不理想，导致手动灌溉比较多，很少能完成全自动灌溉过程。目前水肥一体化行业存在精度低、稳定性差、智能化程度低、缺乏策略优化手段等难题。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种施肥机及其快速混肥装置、ec-ph平衡调节方法与存储介质。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种施肥机的ec-ph平衡调节方法，其中，包括如下步骤：
5.s100、检测施肥机出口端肥水的ec-ph值，并获得ec-ph检测值；
6.s200、将所述ec-ph检测值与ec-ph设定值比较，并根据调节测算公式计算平衡调节至ec-ph目标值需要注入的母液量，获得相应的酸液量或碱液量；
7.s300、按所述酸液量或碱液量注入母液并与原水充分混合得到平衡调节后的肥水继续输出；以及
8.s400、重复上述步骤s100-s300，直至输出肥水的所述ec-ph检测值稳定于所述ec-ph目标值。
9.上述的施肥机的ec-ph平衡调节方法，其中，步骤s100之前，还包括如下步骤：
10.s001、将施肥机的混肥桶内液体排空后，注入原水；
11.s002、计量进入所述混肥桶的原水体积，完成注入目标；
12.s003、查找历史记录，采用如下公式测算需注入的母液量：
13.ec累计测算公式：a1∫e1v1+a2∫e2v2＝∫e3(v1+v2)；
14.ph累积测算公式：b1∫ph1v1+b2∫ph2v2＝∫ph3(v1+v2)；
15.其中，e1为原水的ec，e2为母液的ec，e3为输出肥水的ec，v1为使用原水的体积，v2为使用母液的体积，v1+v2为肥水输出体积，a1为原水对应的ec对目标输出值的影响系数，a2为母液对应的ec对目标输出值的影响系数；b1为原水对应的ph对目标输出值的影响系数，b2为母液对应的ph对目标输出值的影响系数，ph1为原水的ph，ph2为母液的ph，ph3为输出肥水的ph；
16.s004、按测算的所述母液量将母液注入所述原水，并计算混合后肥水的ec-ph值。
17.上述的施肥机的ec-ph平衡调节方法，其中，步骤s003中，若没有历史记录，则按小
批量分次注入母液，同时应用如下所述调节测算公式完成ec-ph的计算：
18.当所述ec-ph检测值中ph》phmax时，
19.计算增加到ph目标值需要的酸液量v1
′
和对应的ec1
′
，及增加到phmax值需要的酸液量v2
′
和对应的ec2
′
：
20.v1'＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(ph2*b2)；
21.ec1'＝(a1∫e1v1+a2∫e2v2)/(v1+v2+v1')；
22.v2'＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(phmax*b2)；
23.ec2'＝(a1∫e1v1+a2∫e2v2)/(v1+v2+v2')；
24.当ec1
′
在设定范围内，则酸液量取v1
′
；当ec1
′
《ec2
′
时，设定ph调节目标值phm，并计算加酸量vm：vm＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(phm*b2)；
25.当ph《phmin时，计算增加到ph目标值需要的碱液量v3
′
和对应的ec3
′
，及增加到phmin值需要的碱液量v4
′
和对应的ec4
′
；
26.v3'＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(ph2*b2)；
27.ec3'＝(a1∫e1v1+a2∫e2v2)/(v1+v2+v3')；
28.v4'＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(phmin*b2)；
29.ec4'＝(a1∫e1v1+a2∫e2v2)/(v1+v2+v4')；
30.当ec3
′
在设定值内，则碱液量取v3
′
；当ec3
′
《ec4
′
时，设定ph调节目标值phm，并计算算出加碱量vj：vj＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(phm*b2)。
31.为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种施肥机的快速混肥装置，安装在施肥机的机架上，并与所述施肥机的控制系统连接，其中，通过预配预检测保持水肥的稳定输出，所述快速混肥装置包括：
32.主管路，输入端与所述施肥机的原水储罐连接，输出端与所述施肥机的施肥管路连接；
33.至少一个吸肥管路，一端与所述施肥机的母液储罐连接，另一端与集水管连接，所述吸肥管路靠近所述集水管的一端设置有电磁阀，所述电磁阀与所述控制系统连接；所述集水管的两端分别通过第一管路和第二管路与所述主管路连通，所述第一管路靠近所述主管路的输出端，所述第二管路上设置有水泵并靠近所述主管路的输入端；
34.检测管路，与所述第二管路连通；
35.ec-ph检测器，分别与所述检测管路和所述控制系统连接；
36.其中，所述控制系统根据ec-ph设定值及所述ec-ph检测器的检测值计算出ec-ph平衡调节需要输入的母液量，并通过控制所述电磁阀的开闭控制相应的母液输入量，输入的母液在集水管中与所述第一管路输入的原水进行水肥一次混合后，通过所述水泵自所述第二管路输送至所述主管路，与自所述输入端输入的原水完成水肥二次混合后从所述输出端输出，以完成水肥在线实时ec-ph平衡调节及稳定输出。
37.上述的施肥机的快速混肥装置，其中，所述主管路内设置有螺旋混合器。
38.上述的施肥机的快速混肥装置，其中，所述第一管路通过文氏管与所述集水管连通，所述吸肥管路通过所述电磁阀与所述文氏管连接。
39.上述的施肥机的快速混肥装置，其中，在所述第一管路和第二管路与所述主管路连接的一端分别设置有油压表。
40.上述的施肥机的快速混肥装置，其中，所述第一管路与所述水泵之间通过第三管路连通，且所述第三管路上设置有背压阀，以避免所述水泵空烧。
41.上述的施肥机的快速混肥装置，其中，所述吸肥管路上还设置有电子流量计、观察流量计和微调阀。
42.上述的施肥机的快速混肥装置，其中，所述检测管路包括检测通道，所述检测通道与设置在所述第一管路上的检测口连通，所述检测通道上设置有ec-ph检测接口，所述ec-ph检测器通过所述ec-ph检测接口与所述检测通道连通。
43.为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种包括上述快速混肥装置的施肥机。
44.为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述施肥机的ec-ph平衡调节方法。
45.本发明的技术效果在于：
46.本发明采用正面计算方法，通过结构和流程设置，消灭施肥机的启动稳定时间，实现了施肥机平稳的ec-ph输出，可以满足节水灌溉的需求。同时结合植物学优化灌溉策略，能够实现多种符合植物学的自动灌溉，真正实现了全自动灌溉。
47.以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
48.图1为本发明一实施例的快速混肥装置结构示意图；
49.图2为图1的俯视图；
50.图3为本发明一实施例的主管路结构示意图；
51.图4为本发明一实施例的检测管路结构示意图；
52.图5为本发明一实施例的第三管路结构示意图；
53.图6为本发明一实施例的施肥机工作原理图。
54.其中，附图标记
55.1机架
56.2控制系统
57.21触控屏
58.22急停键
59.23报警器
60.3主管路
61.31输入端
62.32混肥管
63.33输出端
64.34单向取水止回阀
65.35单向出肥止回阀
66.4集水管
67.41第一管路
68.42第二管路
69.43第三管路
70.44背压阀
71.45检测口
72.5吸肥管路
73.51电磁阀
74.52电子流量计
75.53观察流量计
76.54微调阀
77.55母液通道
78.6文氏管
79.7检测管路
80.71检测通道
81.72ec-ph检测接口
82.8水泵
83.9油压表
具体实施方式
84.下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
85.本发明适用于农业自动化施肥机实时调节肥料的浓度与酸碱度，为精准化农业生产提供技术支撑，为大田类农作物提供高效、精准水肥供给，减少肥料使用量，提高水肥一体化智能化水平。通过水肥一体化精准施肥算法及快速混肥装置，构建ec-ph平衡关系计算模型，实现ec、ph精准控制，实现水肥定时定量自动化控制，并根据植物的土壤信息、环境信息，实现按植物光合效率进行灌溉智能调配，结合物联网技术，利用网络、手机进行远程监测指导施肥灌溉作业，实现智能化、现代化农业管理，最终实现深度节水省肥，减轻、规避农业生产对水体的消耗和污染。
86.参见图1-图3，图1为本发明一实施例的快速混肥装置结构示意图，图2为图1的俯视图，图3为本发明一实施例的主管路3结构示意图。本发明的施肥机，包括快速混肥装置，该施肥机其他部分的组成、结构、相互位置关系及连接关系等均为较成熟的现有技术，故在此不做赘述，下面仅对该快速混肥装置予以详细说明。
87.本发明的快速混肥装置，安装在施肥机的机架1上，并与所述施肥机的控制系统2连接，通过预配预检测保持水肥的稳定输出，该控制系统2可安装在机架1上，其上可设置有触控屏21、急停键22和报警器23等，该控制系统2也可为无线遥控装置，对此不做限定，所述快速混肥装置包括：主管路3，中间为混肥管32，输入端31与所述施肥机的原水储罐连接，输出端33与所述施肥机的施肥管路连接；至少一个吸肥管路5，一端与所述施肥机的母液储罐连接，另一端与集水管4连接，所述吸肥管路5靠近所述集水管4的一端设置有电磁阀51，所述电磁阀51与所述控制系统2连接；所述集水管4的两端分别通过第一管路41和第二管路42与所述主管路3连通，所述第一管路41靠近所述主管路3的输出端33，所述第二管路42上设置有水泵8并靠近所述主管路3的输入端31，该水泵8优选小型水泵以形成带肥压力差；检测
管路7，与所述第一管路41连通；ec-ph检测器，分别与所述检测管路7和所述控制系统2连接；其中，所述控制系统2根据ec-ph设定值及所述ec-ph检测器的检测值计算出ec-ph平衡调节需要输入的母液量，并通过控制所述电磁阀51的开闭控制相应的母液输入量，输入的母液在集水管4中与所述第一管路41输入的原水进行水肥一次混合后，通过所述水泵8自所述第二管路42输送至所述主管路3，与自所述输入端输入的原水完成水肥二次混合后从所述输出端输出，以完成水肥在线实时ec-ph平衡调节及稳定输出(ec为溶液中可溶性盐浓度或者液体肥料或种植介质中的可溶性离子浓度，单位是ms/cm或者us/cm，1ms/cm＝1000us/cm。ph为溶液的酸碱度，一般认为7为中性，小于7为酸性，大于7为碱性)。
88.其中，所述主管路3内设置有。所述第一管路41通过文氏管6与所述集水管4连通，所述吸肥管路5通过所述电磁阀51与所述文氏管6连接。文氏管6负责完成虹吸效应，产生吸收肥料的吸力，最后汇入集水管4，在集水管4中完成水与母液的一次混合。所述吸肥管路5上还设置有电子流量计52、观察流量计53和微调阀54。在所述第一管路41和第二管路42与所述主管路3连接的一端分别设置有油压表9。肥水自单向取水止回阀34进入第一管路41，单向取水止回阀34作用是防止水逆向倒流，混合后的目标肥水自输出端33进入施肥管路，在单向取水止回阀34上部和第二管路42进入主管路3处均设置了油压表9，两个油压表9成对设置，二者之间的压力差代表了施肥机工作的健康状态，即存在压力的多少，决定了吸肥能力的大小。第二管路42进入主管路3处还设置有单向出肥止回阀35。
89.参见图4，图4为本发明一实施例的检测管路7结构示意图。所述检测管路7包括检测通道71，所述检测通道71与设置在所述第一管路41上的检测口45连通，该检测口45设置一个气管接口与检测通道71连接，所述检测通道71上设置有ec-ph检测接口72，所述ec-ph检测器通过所述ec-ph检测接口72与所述检测通道71连通。
90.参见图5，图5为本发明一实施例的第三管路43结构示意图。所述第一管路41与所述水泵8之间通过第三管路43连通，且所述第三管路43上设置有背压阀44，以避免所述水泵8空烧。背压阀44的作用是保障后面的水泵8的吸水，使得水泵8不会发生空烧现象，保护水泵8的长时间稳定运行。
91.工作时，原水吸入主管路3之后，吸肥管路5精确吸入肥料，肥料自母液通道55进入，先经过观察流量计53，该观察流量计53用于观察有没有实际吸肥以及吸肥量的多少，可以通过微调阀54完成吸肥平衡的调节。微调阀54之后设置有电子流量计52，该电子流量计52用于完成母液的计量。肥料母液再经过施肥电磁阀51的时候，会被控制过肥量，施肥电磁阀51是一个高频电磁阀51，可以速开速关母液通道55，完成流量调节。吸肥管路5完成吸肥之后，母液进入集水管4，肥料在集水管4进行一次混合后，通过水泵8进入主管路3。水泵8启动的时候，就会在集水管4行成压力差，从而驱动文氏管6完成肥料的吸入，第二管路42与主管路3连接处设置的油压表9，用来检测压力差，协助判断故障。混肥管32内设置有螺旋混合器，逼迫原水和肥料进行快速融合，完成水肥精确精准混合，完成二次快速混合，输出稳定的肥水。该快速混肥装置不占用施肥机主管网的流量和扬程，在施肥机区域内形成了微循环，简化了施肥管网的计算与设计。对比混桶式，混肥的水泵8小，成本低廉，节省能源，主泵水压和流量无损失；ec-ph调节更快；螺旋快速混肥使得肥料分布更均匀，数据起伏更平缓；更方便支持大流量的施肥需要。
92.本发明的施肥机的ec-ph平衡调节方法，包括如下步骤：
93.步骤s100、检测施肥机出口端肥水的ec-ph值，并获得ec-ph检测值；
94.步骤s200、将所述ec-ph检测值与ec-ph设定值比较，并根据调节测算公式计算平衡调节至ec-ph目标值需要注入的母液量，获得相应的酸液量或碱液量；
95.步骤s300、按所述酸液量或碱液量注入母液并与原水充分混合得到平衡调节后的肥水继续输出；以及
96.步骤s400、重复上述步骤s100-s300，直至输出肥水的所述ec-ph检测值稳定于所述ec-ph目标值。
97.其中，步骤s100之前，还可包括如下步骤：
98.步骤s001、将施肥机的混肥桶内液体排空后，注入原水；
99.步骤s002、计量进入所述混肥桶的原水体积，完成注入目标；
100.步骤s003、查找历史记录，采用如下公式测算需注入的母液量：
101.ec累计测算公式：a1∫e1v1+a2∫e2v2＝∫e3(v1+v2)；
102.ph累积测算公式：b1∫ph1v1+b2∫ph2v2＝∫ph3(v1+v2)；
103.其中，e1为原水的ec，e2为母液的ec，e3为输出肥水的ec，v1为使用原水的体积，v2为使用母液的体积，v1+v2为肥水输出体积，a1为原水对应的ec对目标输出值的影响系数，a2为母液对应的ec对目标输出值的影响系数；b1为原水对应的ph对目标输出值的影响系数，b2为母液对应的ph对目标输出值的影响系数，ph1为原水的ph，ph2为母液的ph，ph3为输出肥水的ph；(v1+v2)采用流量计测量，注意输出肥水的体积约等于v1+v2，因此实际采用测量肥水v3代替，上述公式是动态平衡过程，需要多点交叉动态采样才能完成数值逼近；以及
104.步骤s004、按测算的所述母液量将母液注入所述原水，并计算混合后肥水的ec-ph值。
105.步骤s003中，若没有历史记录，则按小批量分次注入母液，同时应用如下所述调节测算公式完成ec-ph的计算：
106.一般施肥机只具备单向调节能力，以避免酸碱中和，因此，施肥机要么调酸要么调碱。工程实践中，ec和ph有可能不会同时得到满足，因此需要对ec-ph进行目标变化，在保障ec的情况下，对ph的目标用量进行调校，使得ec和ph尽可能都在目标区间，当不能都在目标区间，需要把ph调节到最接近目标的区间。
107.当所述ec-ph检测值中ph》phmax时，计算增加到ph目标值需要的酸液量v1
′
和对应的ec1
′
，及增加到phmax值需要的酸液量v2
′
和对应的ec2
′
：
108.v1'＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(ph2*b2)；
109.ec1'＝(a1∫e1v1+a2∫e2v2)/(v1+v2+v1')；
110.v2'＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(phmax*b2)；
111.ec2'＝(a1∫e1v1+a2∫e2v2)/(v1+v2+v2')；
112.当ec1
′
在设定范围内，则酸液量取v1
′
；当ec1
′
《ec2
′
时，需要减少酸液投入，调高ph实际可以到达的区域，设定ph调节目标值phm，取ph调节目标：phm2＝(phmax+phm)/2；并根据该目标值phm2计算出加酸量vm：vm＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(phm*b2)；
113.当ph《phmin时，不能调酸，判断是否最大超限，需要报警改调碱。
114.调碱时，当ph《phmin，计算增加到ph目标值需要的碱液量v3
′
和对应的ec3
′
，及增加到phmin值需要的碱液量v4
′
和对应的ec4
′
；
115.v3'＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(ph2*b2)；
116.ec3'＝(a1∫e1v1+a2∫e2v2)/(v1+v2+v3')；
117.v4'＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(phmin*b2)；
118.ec4'＝(a1∫e1v1+a2∫e2v2)/(v1+v2+v4')；
119.当ec3
′
在设定值内，则碱液量取v3
′
；当ec3
′
《ec4
′
时，需要减少碱液投入，调低ph实际可以到达的区域，设定ph调节目标值phm，取ph调节目标：phm3＝(phmax+phm)/2；并根据该目标值phm3计算出加碱量vj：vj＝(∫ph3(v1+v2)-b1∫ph1v1)/(phm*b2)。
120.当ph》phmax，不能调碱，判断是否最大超限，需要报警改调酸。
121.基于同一发明构思，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的ec-ph平衡调节方法。
122.参见图6，图6为本发明一实施例的施肥机工作原理图。施肥机在a启动之后，进入b排液，需要先把施肥机混肥桶内的液体，通过其水泵8排出到外部管道，进入c注入原水，这里的原水，可能是纯水，也可能是需要二次处理的肥水(不同项目有不同情况)，注入混肥桶的水按高度测算，高度由系统参数化提供，同时计量进入桶原水的体积，完成注入目标，进入d查找历史，测算需注入的母液，这里的历史是施肥机以前配肥留下的记录，通过以前记录的数据，应用ec累计测算公式和ph累计测算公式)，计算出需要的母液量，进入e注入母液并计算ec-ph，这里的母液是肥料稀释出来的原液，如果d步骤已经有数据则验算这个数据，如果步骤d没有找到历史，不能提前测算需要注入的母液，则按小批量分次注入母液，同时应用ec累计测算公式、ph累计测算公式和ec-ph平衡调节公式完成ec-ph的计算，过程失败进入h系统报警，这里的过程失败是指检测到各种设备故障)，计算成功进入f成功并算出母液及酸碱比例，如果计算失败，下一次配肥时进入b排液重新执行一遍，在f完成了计算，则进入g执行并微调，这个过程中反复要用到ec累计测算公式、ph累计测算公式和ec-ph平衡调节公式协助系统做微调算法，过程中若有各种故障，进入h失败报警，成功则为l完成工作。
123.相比传统方法，本发明增加了预配预检测的流程，使得施肥机一开始就可完成高精度及平稳的水肥输出。相对于缺乏预配预检测的施肥机，该施肥机可以保障出水即是目标ec和ph，而缺乏该工艺的施肥机，需要几分钟完成目标的界定，实际上精确灌溉可能就只需要几十秒，因此本施肥机目标执行效果更好。
124.当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。