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

背景技術(shù)：

當前，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)濟社會發(fā)展的需求。我國作為全球13個貧水國家之一，水資源的不足已經(jīng)對我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅，甚至成為經(jīng)濟與社會繼續(xù)向前發(fā)展的“瓶頸”，我國是一個農(nóng)業(yè)大國，同時也是貧水大國，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)，也是一項革命措施，更是我國的基本策略之一。

精準灌溉自動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，并利用計算機、無線數(shù)據(jù)通訊、采集控制器、傳感器等先進技術(shù)對農(nóng)田灌溉進行監(jiān)控管理，保證適時適量地滿足作物生長所需要的水分從而達到節(jié)水灌溉及節(jié)水灌溉自動化的目的。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)濟效益和社會效益，已顯示出強大的生命力。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，科學性差、節(jié)水不徹底，同時導致了節(jié)水灌溉裝置的自動化程度低，大區(qū)域推廣時管理困難、勞動強度較大，嚴重阻礙了節(jié)水灌溉的進一步推廣。同時，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)計并實施了灌溉工程自動控制裝置，但只是小面積的局部控制，真正具有擴展功能大規(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，提供了一種遠程精準灌溉施肥系統(tǒng)，本發(fā)明的是通過下述方式實現(xiàn)的：

一種遠程精準灌溉施肥系統(tǒng)，包括田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)，田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)zigbee無線通信相連與遠程監(jiān)控系統(tǒng)連接，田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以對田間子系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定及工作狀態(tài)的監(jiān)控并發(fā)送至遠程監(jiān)控系統(tǒng)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)獲得的當前灌溉區(qū)域的植物生長期、土壤墑情、ec值的數(shù)據(jù)信息，發(fā)出當前植物生長所需的土壤含水量的標準值以及與當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通訊模塊與遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，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)采集控制模塊上對應(yīng)連接有至少一個a/d轉(zhuǎn)換器；并在a/d轉(zhuǎn)換器的輸入端對應(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、精密實時時鐘、閃存和無線傳輸模塊組成，其接收遠程監(jiān)控系統(tǒng)的灌溉信號并進行解碼，并將解碼后的信號通過傳輸模塊發(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，并能使遠程監(jiān)控系統(tǒng)綜合分析此信息來調(diào)整灌溉計劃。

一種精準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：通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)按照作物不同生長階段的需求特點，確定出不同生長階段的需肥量，按照作物養(yǎng)分吸收規(guī)律確定出整個生長期的施肥次數(shù)以及每次施肥量，田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將田間信息發(fā)送給控制器，遠程監(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：控制器控制打開儲肥罐上連接的出肥泵和供水泵和混合罐之間的第一電動閥，ec/ph值傳感器實時檢測的肥液ec值和肥液ph值和土壤濕度傳感器監(jiān)測到的土壤濕度值，并將所述實時檢測的肥液ec值、肥液ph值和濕度值發(fā)送給控制器；

步驟4：控制器將所述實時檢測的肥液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)定值和濕度值進行對比，控制器控制調(diào)節(jié)吸肥泵的吸肥流量，使所述實時檢測的肥液ec值、肥液ph值和濕度值趨向于所述設(shè)定值，當其差值滿足允許誤差范圍時，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)，壓力表實時檢測水管實時壓力值，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，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設(shè)置，即光照強度傳感器、大氣溫濕度傳感器每天在6:00與18:00間每兩個小時間隔工作一次，傳感器節(jié)點和終端執(zhí)行節(jié)點的無線收發(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行中才工作，其余時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)點和終端執(zhí)行節(jié)點的控制芯片選用集成rf收發(fā)器、增強型8051cpu、在線可編程的flash模塊的cc2530單片機，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行施肥，有利于提高施肥精度，節(jié)省肥料，同時肥料隨水進入作物根系附近，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

具體實施方式

下面對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，一種遠程精準灌溉施肥系統(tǒng)，其特征在于，包括田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)，田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)zigbee無線通信相連與遠程監(jiān)控系統(tǒng)連接，田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以對田間子系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定及工作狀態(tài)的監(jiān)控并發(fā)送至遠程監(jiān)控系統(tǒng)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)獲得的當前灌溉區(qū)域的植物生長期、土壤墑情、ec值的數(shù)據(jù)信息，發(fā)出當前植物生長所需的土壤含水量的標準值以及與當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與遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，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)采集控制模塊上對應(yīng)連接有至少一個a/d轉(zhuǎn)換器；并在a/d轉(zhuǎn)換器的輸入端對應(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、精密實時時鐘、閃存和無線傳輸模塊組成，其接收遠程監(jiān)控系統(tǒng)的灌溉信號并進行解碼，并將解碼后的信號通過傳輸模塊發(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，并能使遠程監(jiān)控系統(tǒng)綜合分析此信息來調(diào)整灌溉計劃。

一種精準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：通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)按照作物不同生長階段的需求特點，確定出不同生長階段的需肥量，按照作物養(yǎng)分吸收規(guī)律確定出整個生長期的施肥次數(shù)以及每次施肥量，田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將田間信息發(fā)送給控制器，遠程監(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)之間的第一電動閥2，ec/ph值傳感器實時檢測的肥液ec值和肥液ph值和土壤濕度傳感器監(jiān)測到的土壤濕度值，并將所述實時檢測的肥液ec值、肥液ph值和濕度值發(fā)送給控制器；

步驟4：控制器將所述實時檢測的肥液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)定值和濕度值進行對比，控制器控制調(diào)節(jié)吸肥泵的吸肥流量，使所述實時檢測的肥液ec值、肥液ph值和濕度值趨向于所述設(shè)定值，當其差值滿足允許誤差范圍時，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)，壓力表實時檢測水管實時壓力值，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，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，當肥液配制管對桶體進行注水到設(shè)定高度(或設(shè)定體積)時水位高度傳感器將監(jiān)測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，控制芯片啟動攪拌裝置進行攪拌混勻。待肥料配制完成后，攪拌裝置停止工作，控制芯片啟動施肥噴灌模塊。