本發(fā)明涉及農(nóng)、林業(yè)的野外或溫室節(jié)水灌溉，特別涉及一種遠(yuǎn)程精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，水資源日益緊缺已經(jīng)成為全球性的問題，節(jié)約用水并實(shí)現(xiàn)高效用水是人類生存與發(fā)展的需求，也是全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求。我國作為全球13個(gè)貧水國家之一，水資源的不足已經(jīng)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，甚至成為經(jīng)濟(jì)與社會(huì)繼續(xù)向前發(fā)展的“瓶頸”，我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，同時(shí)也是貧水大國，人均水資源占有量約0.23萬m3，約為世界人均的1/4，在我國用水中，農(nóng)業(yè)用水占總供水的70％左右，其中又以農(nóng)業(yè)灌溉為主。農(nóng)業(yè)灌溉效率低下和用水浪費(fèi)的問題普遍存在。目前全國灌溉水利用率約為43％，單方水糧食生產(chǎn)率只有10公斤左右，大大低于發(fā)達(dá)國家灌溉水利用率70～80％、單方水糧食生產(chǎn)率2.0公斤以上的水平，因此，隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進(jìn)程的加快和工業(yè)用水的不斷增加，我國農(nóng)業(yè)必須走節(jié)水之路以適應(yīng)資源的合理利用；大力發(fā)展節(jié)約用水不僅是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)業(yè)用水利用效率是我國節(jié)水戰(zhàn)略中的重要環(huán)節(jié)，也是一項(xiàng)革命措施，更是我國的基本策略之一。

精準(zhǔn)灌溉自動(dòng)化裝置采取因地制宜的原則依據(jù)不同地區(qū)、不同作物的不同需求，選擇不同的灌溉設(shè)施，并利用計(jì)算機(jī)、無線數(shù)據(jù)通訊、采集控制器、傳感器等先進(jìn)技術(shù)對(duì)農(nóng)田灌溉進(jìn)行監(jiān)控管理，保證適時(shí)適量地滿足作物生長所需要的水分從而達(dá)到節(jié)水灌溉及節(jié)水灌溉自動(dòng)化的目的。近年來，噴灌、微灌、滲灌等一些灌溉技術(shù)在我國得到較為廣泛應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已顯示出強(qiáng)大的生命力。目前節(jié)水灌溉所涉及的方式主要包括灌溉控制技術(shù)、輸水方式和灌溉方式，而目前絕大多數(shù)節(jié)水灌溉裝置的灌溉控制技術(shù)嚴(yán)重滯后?？刂品绞饺远嘁允止りP(guān)停水源為主，全憑操作者的經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)性差、節(jié)水不徹底，同時(shí)導(dǎo)致了節(jié)水灌溉裝置的自動(dòng)化程度低，大區(qū)域推廣時(shí)管理困難、勞動(dòng)強(qiáng)度較大，嚴(yán)重阻礙了節(jié)水灌溉的進(jìn)一步推廣。同時(shí)，現(xiàn)代化灌溉裝置的研究應(yīng)用在農(nóng)、林及園藝為數(shù)不多，目前仍基本停留在人工操作上，即使有些地方設(shè)計(jì)并實(shí)施了灌溉工程自動(dòng)控制裝置，但只是小面積的局部控制，真正具有擴(kuò)展功能大規(guī)模灌溉工程的監(jiān)控裝置在我國也不多見。因此，為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化需求，生產(chǎn)出簡單方便、自動(dòng)化較高、易于推廣應(yīng)用的灌溉控制器是我國節(jié)水領(lǐng)域的重要任務(wù)之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服上述技術(shù)的不足和缺陷，提供了一種遠(yuǎn)程精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)，本發(fā)明的是通過下述方式實(shí)現(xiàn)的：

一種遠(yuǎn)程精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)，包括田間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，田間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)zigbee無線通信相連與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)連接，田間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)田間子系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定及工作狀態(tài)的監(jiān)控并發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的當(dāng)前灌溉區(qū)域的植物生長期、土壤墑情、ec值的數(shù)據(jù)信息，發(fā)出當(dāng)前植物生長所需的土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)值以及與當(dāng)前植物生長期相適應(yīng)用的指令信息，通過無線通信向灌溉子系統(tǒng)發(fā)送信息，灌溉執(zhí)行子系統(tǒng)包括進(jìn)水部分、吸肥部分、灌溉施肥部分、灌溉管路和控制部分；其中進(jìn)水部分包括供水泵和混合罐，供水泵和混合罐之間通過第一電動(dòng)閥相連，吸肥部分包括出肥泵、文丘里吸肥器、流量可調(diào)電磁閥和肥料桶，肥料桶通過流量可調(diào)電磁閥與文丘里吸肥器相連，文丘里吸肥器通過出肥泵和混合罐相連，灌溉施肥部分包括混合罐、肥液配制管、混合泵電磁閥，混合罐和肥液配制管之間通過混合泵電磁閥相連。

控制部分包括控制器、控制面板和無線傳輸模塊；出肥泵一端連接混合罐，另一端與文丘里吸肥器、流量可調(diào)電磁閥和肥料桶依次相連；出水泵電磁閥的一端連接混合罐，另一端連接控制器；控制器與控制面板相連，控制面板通過gprs通訊模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，控制部分包括主控模塊、與所述主控模塊雙向數(shù)據(jù)通信連接的數(shù)據(jù)采集控制模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊上對(duì)應(yīng)連接有至少一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器；并在a/d轉(zhuǎn)換器的輸入端對(duì)應(yīng)連接有數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器包括土壤濕度傳感器、ec值傳感器，所述控制器電連接水泵，所述水泵的輸入端電連接電源模塊。

所述控制器由gsm模塊、微程序控制器、精密實(shí)時(shí)時(shí)鐘、閃存和無線傳輸模塊組成，其接收遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的灌溉信號(hào)并進(jìn)行解碼，并將解碼后的信號(hào)通過傳輸模塊發(fā)送給無線電磁閥；控制器將接收到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信息反饋給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，供用戶選擇無線電磁閥門執(zhí)行或忽略傳感器的信息，并能使遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)綜合分析此信息來調(diào)整灌溉計(jì)劃。

一種精準(zhǔn)化灌溉施肥智能控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)輸入肥液ph設(shè)定值、肥液ec設(shè)定值、肥液濃度值，；

步驟2：通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)按照作物不同生長階段的需求特點(diǎn)，確定出不同生長階段的需肥量，按照作物養(yǎng)分吸收規(guī)律確定出整個(gè)生長期的施肥次數(shù)以及每次施肥量，田間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將田間信息發(fā)送給控制器，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過所述田間信息、每次施肥量、施肥次數(shù)以及施肥時(shí)間，確定出施肥肥液的濃度和所需灌水量；

步驟3：控制器控制打開儲(chǔ)肥罐上連接的出肥泵和供水泵和混合罐之間的第一電動(dòng)閥，ec/ph值傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的肥液ec值和肥液ph值和土壤濕度傳感器監(jiān)測(cè)到的土壤濕度值，并將所述實(shí)時(shí)檢測(cè)的肥液ec值、肥液ph值和濕度值發(fā)送給控制器；

步驟4：控制器將所述實(shí)時(shí)檢測(cè)的肥液ec值、肥液ph值和濕度值與所述肥液ph設(shè)定值、肥液ec設(shè)定值和濕度值進(jìn)行對(duì)比，控制器控制調(diào)節(jié)吸肥泵的吸肥流量，使所述實(shí)時(shí)檢測(cè)的肥液ec值、肥液ph值和濕度值趨向于所述設(shè)定值，當(dāng)其差值滿足允許誤差范圍時(shí)，控制器控制關(guān)閉灌溉控制電磁閥；

步驟5：控制器控制打開混合泵電磁閥(10)，壓力表實(shí)時(shí)檢測(cè)水管實(shí)時(shí)壓力值，壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)管道中灌溉肥液壓力，使其滿足田間灌溉的壓力需求；

步驟6：施肥結(jié)束時(shí)，控制器控制關(guān)閉吸肥泵、施肥泵、混肥控制電磁閥以及灌溉控制電磁閥，結(jié)束這一次的施肥過程。

確定所需灌水量步驟為：所述采集土壤濕度傳感器，土壤濕度以體積百分比為單位，確定所述所需灌水量

vi＝v0×m÷p

v＝vi÷vmax

wi＝(vh-v)÷(m÷p)×vmax＝(vh-v)×(p÷m)×vmax式中：v0代表以體積百分比為單位的土壤水分，m代表水的密度，p代表土壤容重，vi代表以質(zhì)量百分比為單位的土壤水分，vmax代表田間最大持水量，v代表當(dāng)前持水率，vh代表期望田間持水率，wi代表所需灌水量。

zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的智能控制與通信模塊在需要收發(fā)收據(jù)時(shí)才工作，一般處于休眠狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集部分采用周期性自啟動(dòng)設(shè)置，即光照強(qiáng)度傳感器、大氣溫濕度傳感器每天在6:00與18:00間每兩個(gè)小時(shí)間隔工作一次，傳感器節(jié)點(diǎn)和終端執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊每天在6:00與18:00分別工作一次，流量傳感器、壓力傳感器只在灌溉進(jìn)行中才工作，其余時(shí)刻各采集部件處于休眠狀態(tài)。

智能控制與通訊模塊選用集成32-bitrisc處理器，可充分兼容2.4ghzieee802.15.4協(xié)議和zigbee無線通信技術(shù)的jn5139無線微處理模塊；空氣溫濕度傳感器選用數(shù)字溫濕度傳感器dht21；光照強(qiáng)度傳感器選用感光模塊gy-30，土壤水分傳感器選用圓柱狀的hm1500；傳感器節(jié)點(diǎn)和終端執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的控制芯片選用集成rf收發(fā)器、增強(qiáng)型8051cpu、在線可編程的flash模塊的cc2530單片機(jī)，電磁閥選擇低功率閥。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將智能控制應(yīng)用于節(jié)水灌溉領(lǐng)域，解決節(jié)水灌溉系統(tǒng)中人工操作需要耗費(fèi)大量人力物力的問題；其次，智能控制系統(tǒng)按照土壤類型、作物種類和生長期進(jìn)行施肥，有利于提高施肥精度，節(jié)省肥料，同時(shí)肥料隨水進(jìn)入作物根系附近，有利于防止肥料深層流失，不僅提高了肥效，增加了作物產(chǎn)量，又使地下水免受肥料及化學(xué)藥劑的污染，從而緩解了農(nóng)業(yè)面源污染的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種遠(yuǎn)程精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)，其特征在于，包括田間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，田間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)zigbee無線通信相連與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)連接，田間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)田間子系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定及工作狀態(tài)的監(jiān)控并發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的當(dāng)前灌溉區(qū)域的植物生長期、土壤墑情、ec值的數(shù)據(jù)信息，發(fā)出當(dāng)前植物生長所需的土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)值以及與當(dāng)前植物生長期相適應(yīng)用的指令信息，通過無線通信向灌溉子系統(tǒng)發(fā)送信息，灌溉執(zhí)行子系統(tǒng)包括進(jìn)水部分、吸肥部分、灌溉施肥部分、灌溉管路和控制部分；其中進(jìn)水部分包括供水泵1和混合罐4，供水泵1和混合罐4之間通過第一電動(dòng)閥2相連，吸肥部分包括出肥泵5、文丘里吸肥器6、流量可調(diào)電磁閥7和肥料桶9，肥料桶9通過流量可調(diào)電磁閥7與文丘里吸肥器6相連，文丘里吸肥器6通過出肥泵5和混合罐4相連，灌溉施肥部分包括混合罐4、肥液配制管、混合泵電磁閥10，混合罐4和肥液配制管之間通過混合泵電磁閥10相連。

控制部分包括控制器11、控制面板12和無線傳輸模塊；出肥泵5一端連接混合罐4，另一端與文丘里吸肥器6、流量可調(diào)電磁閥7和肥料桶9依次相連；出水泵電磁閥10的一端連接混合罐4，另一端連接控制器11；控制器11與控制面板12相連，控制面板12通過gprs通訊模塊13與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，控制部分包括主控模塊、與所述主控模塊雙向數(shù)據(jù)通信連接的數(shù)據(jù)采集控制模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊上對(duì)應(yīng)連接有至少一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器；并在a/d轉(zhuǎn)換器的輸入端對(duì)應(yīng)連接有數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器包括土壤濕度傳感器、ec值傳感器，所述控制器11電連接水泵10，所述水泵10的輸入端電連接電源模塊。

所述控制器11由gsm模塊、微程序控制器、精密實(shí)時(shí)時(shí)鐘、閃存和無線傳輸模塊組成，其接收遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的灌溉信號(hào)并進(jìn)行解碼，并將解碼后的信號(hào)通過傳輸模塊發(fā)送給無線電磁閥；控制器11將接收到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信息反饋給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，供用戶選擇無線電磁閥門執(zhí)行或忽略傳感器的信息，并能使遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)綜合分析此信息來調(diào)整灌溉計(jì)劃。

一種精準(zhǔn)化灌溉施肥智能控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)輸入肥液ph設(shè)定值、肥液ec設(shè)定值、肥液濃度值，；

步驟2：通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)按照作物不同生長階段的需求特點(diǎn)，確定出不同生長階段的需肥量，按照作物養(yǎng)分吸收規(guī)律確定出整個(gè)生長期的施肥次數(shù)以及每次施肥量，田間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將田間信息發(fā)送給控制器，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過所述田間信息、每次施肥量、施肥次數(shù)以及施肥時(shí)間，確定出施肥肥液的濃度和所需灌水量；

步驟3：控制器控制打開儲(chǔ)肥罐上連接的出肥泵5)和供水泵1)和混合罐4)之間的第一電動(dòng)閥2，ec/ph值傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的肥液ec值和肥液ph值和土壤濕度傳感器監(jiān)測(cè)到的土壤濕度值，并將所述實(shí)時(shí)檢測(cè)的肥液ec值、肥液ph值和濕度值發(fā)送給控制器；

步驟4：控制器將所述實(shí)時(shí)檢測(cè)的肥液ec值、肥液ph值和濕度值與所述肥液ph設(shè)定值、肥液ec設(shè)定值和濕度值進(jìn)行對(duì)比，控制器控制調(diào)節(jié)吸肥泵的吸肥流量，使所述實(shí)時(shí)檢測(cè)的肥液ec值、肥液ph值和濕度值趨向于所述設(shè)定值，當(dāng)其差值滿足允許誤差范圍時(shí)，控制器控制關(guān)閉灌溉控制電磁閥；

步驟5：控制器控制打開混合泵電磁閥10)，壓力表實(shí)時(shí)檢測(cè)水管實(shí)時(shí)壓力值，壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)管道中灌溉肥液壓力，使其滿足田間灌溉的壓力需求；

步驟6：施肥結(jié)束時(shí)，控制器控制關(guān)閉吸肥泵、施肥泵、混肥控制電磁閥以及灌溉控制電磁閥，結(jié)束這一次的施肥過程。

確定所需灌水量步驟為：所述采集土壤濕度傳感器，土壤濕度以體積百分比為單位，確定所述所需灌水量

vi＝v0×m÷p

v＝vi÷vmax

wi＝(vh-v)÷(m÷p)×vmax＝(vh-v)×(p÷m)×vmax式中：v0代表以體積百分比為單位的土壤水分，m代表水的密度，p代表土壤容重，vi代表以質(zhì)量百分比為單位的土壤水分，vmax代表田間最大持水量，v代表當(dāng)前持水率，vh代表期望田間持水率，wi代表所需灌水量。

本發(fā)明所提供的混合罐，包括桶體，在桶體內(nèi)設(shè)置水位高度傳感器、攪拌裝置，水位高度傳感器與控制芯片連接，當(dāng)肥液配制管對(duì)桶體進(jìn)行注水到設(shè)定高度(或設(shè)定體積)時(shí)水位高度傳感器將監(jiān)測(cè)的信息反饋到控制芯片，控制芯片控制主控電磁閥斷開肥液配制管的供水管路，以保證比例施肥泵內(nèi)的肥料配制濃度達(dá)到設(shè)定值，以便后續(xù)的施肥。在肥液配制管注水后，控制芯片啟動(dòng)攪拌裝置進(jìn)行攪拌混勻。待肥料配制完成后，攪拌裝置停止工作，控制芯片啟動(dòng)施肥噴灌模塊。