阅读说明：本技术 一种高精度水肥施用控制装置及其控制方法 (High-precision water and fertilizer application control device and control method thereof ) 是由 潘绍坤 陈乃维 李丽平 鲁海荣 谢序强 陈玲 帅正彬 吴永枚 周翔 于 2018-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度水肥施用控制装置,包括清水管(1)、液体肥料管(2)、主管(3)和控制模块,其控制方法为：农场按离控制装置距离分为若干独立地块；检测每个地块在初始工作阶段和清洗阶段所用的清水量Q<Sub>1</Sub>、Q<Sub>2</Sub>以及最小稀释倍数a；读取Q<Sub>1</Sub>、Q<Sub>2</Sub>、a,输入每个地块单次所需的清水量Q<Sub>清</Sub>和单次液体肥料流量Q<Sub>肥</Sub>,经预警模块判断施肥程序能否进行；若能进行,则调节液体肥料的最大流速V<Sub>2</Sub>至最佳流速μ<Sub>2</Sub>,控制两种液体在完成施肥程序后分别截断各自的液体来源；若不能进行,则改变输入值重新判断。本发明均衡兼顾自动化程度、精准控制程度、水肥均匀程度等方面,分地块手动测试初始工作阶段和清洗阶段消耗的清水,实现了水肥的精准化控制。(The invention discloses a high-precision water and fertilizer application control device, which comprises a clear water pipe (1), a liquid fertilizer pipe (2), a main pipe (3) and a control module, wherein the control method comprises the following steps: the farm is divided into a plurality of independent plots according to the distance from the control device; detecting the clear water quantity Q used by each land block in the initial working stage and the cleaning stage 1 、Q 2 And a minimum dilution factor a; read Q 1 、Q 2 A, inputting the single required clear water quantity Q of each land block Medicine for treating acute respiratory syndrome And single liquid fertilizer flow rate Q Fertilizer Judging whether the fertilization program can be carried out or not through an early warning module; if it can be done, then the maximum flow velocity V of the liquid fertilizer is adjusted 2 To the optimum flow rate mu 2 Controlling the two liquids to cut off respective liquid sources after the fertilization program is finished; if the judgment cannot be carried out, the input value is changed for judgment again. The invention balances and considers the aspects of automation degree, accurate control degree, water and fertilizer uniformity and the like, manually tests the clear water consumed in the initial working stage and the cleaning stage by dividing the plot, and realizes the accurate control of the water and fertilizer。)

一种高精度水肥施用控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及水肥控制方式领域，特别是涉及一种高精度水肥施用控制装置及其控制方法。

背景技术

我国果蔬产品的种植人工成本逐渐上升，而且长期的粗放式施肥方式导致土壤肥力的下降，对肥料的需求量也越来越大，总体生产成本逐年上升，不仅如此，消费者消费能力的上升也对农产品的品质提出了更高的要求，加上种植方式也越来越集中，大中型的水肥一体化精准施肥设施的需求量也越来越大。

目前市场上一部分水肥化设施自动化程度虽高，但在设计上对影响精准性的因素考虑不全，导致水肥混合不均，影响果蔬产量，再者，某些作物生长阶段单次的水肥需求量很小，精度不高的水肥化设施可能无法进行施肥工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度水肥施用控制装置及其控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高精度水肥施用控制装置，包括清水管、液体肥料管、主管和控制模块，所述的清水管和液体肥料管的出口均与主管的入口相连，所述的清水管内设有清水流速测量计和清水流量测量控制计，所述的液体肥料管内设有液体肥料流速测量计、液体肥料流量测量控制计以及液体肥料流速控制计，所述的清水流速测量计、液体肥料流速测量计、清水流量测量控制计、液体肥料流量测量控制计与控制模块的采样信号输入端相连，控制模块的使能信号输出端与所述的控制装置清水流量测量控制计、液体肥料流量测量控制计、液体肥料流速控制计相连；

所述的控制模块包括测试模块、最小稀释倍数计算模块、存储模块、输入模块、预警模块、液体肥料流速计算模块、液体肥料流速控制模块和输出模块；

所述的测试模块用于测试每个地块在初始工作阶段所用的固定清水流量Q₁、每个地块在清洗阶段所用的固定清水流量Q₂；

所述的最小稀释倍数计算模块用于计算清水流速测量计采集的清水管中的清水流速V₁与液体肥料流速测量计采集的液体肥料最大流速V₂的比值a，所述a表示最小稀释倍数；

所述的存储模块用于存储所述的Q₁、Q₂、a；

所述的输入模块用于读取存储模块中的Q₁、Q₂、a的同时输入每个地块单次所需的清水量Q_清、每个地块所需的单次液体肥料流量Q_肥；

所述的预警模块用于根据在输入模块得到的数据，在液体肥料的工作压力大于清水的工作压力时，判断各地块是否满足Q_清＞Q₁+Q₂+a*Q_肥，进而判断各地块施肥程序能否进行；

所述的液体肥料流速计算模块用于在所述预警模块判断能够执行施肥程序时，根据Q_清、Q_肥、Q₁、Q₂，以及所述清水流速计采集的清水管中的清水流速μ₁计算得到液体肥料最佳流速μ₂，具体的，μ₂=[Q_肥/（Q_清-Q₁-Q₂）] *μ₁；

所述的液体肥料流速控制模块用于在所述预警模块判断能够执行施肥程序时控制所述的液体肥料流速控制计达到液体肥料最佳流速μ₂；

所述的输出模块在所述预警模块判断能够执行施肥程序时向清水流量测量控制计、液体肥料流量测量控制计输出相应使能信号。

所述液体肥料的工作压力是清水工作压力的1.2倍以上。

所述的一种高精度水肥施用控制装置还包括预警提示模块，所述的预警提示模块用于当预警模块判断某地块无法执行施肥程序时，通过所述的预警提示装置发出预警提示，提示修改该地块的输入值。

所述的一种高精度水肥施用控制装置的控制方法，包括如下步骤：

S1：将农场按离控制装置的距离分为若干独立地块；

S2：测试每个地块在初始工作阶段所用的固定清水流量Q₁、每个地块在清洗阶段所用的固定清水流量Q₂，记录Q₁、Q₂的值；

S3：计算清水流速V₁与液体肥料最大流速V₂的比值a，记录a的值；

S4：读取记录的Q₁、Q₂，a的值，并同时输入每个地块所需的清水量Q_清、注射式施肥器需注射的液体肥料流量Q_肥，判断施肥程序能否进行；

S5：若施肥程序能够进行，则检测清水管（1）工作时的清水流速μ₁，根据步骤S2得到的Q₁、Q₂以及步骤S4所输入的该地块所需的清水量Q_清、注射式施肥器需注射的液体肥料流量Q_肥，计算得出注射式施肥器的最佳工作流速μ₂，即μ₂=[Q_肥/（Q_清-Q₁-Q₂）] *μ₁；

S6：根据μ₂，控制模块控制调节注射式施肥器的流速为最佳工作流速μ₂，并控制清水和液体肥料在完成施肥程序后分别截断各自的液体来源；

S7：若施肥程序不能进行，则通过控制变量法单一改变控制装置的输入值Q₁、Q₂，重复步骤S4。

所述Q₁、Q₂的检测方法包括以下步骤：

S21：测试清水管中清水的EC值，并同时启动注射式施肥器以及水泵；

S22：测试独立地块出液口的初始EC值，当出液口的EC值上升时，记录同时刻清水在初始工作阶段所用的流量Q₁；

S23：当出液口的EC值上升至稳定值时，关闭注射式施肥器；

S24：随后出液口的EC值下降，当出液口的EC值下降至稳定值时，记录清水在清洗阶段所用的流量Q₂。

所述a的检测方法包括以下步骤：

S31：清水管以恒定的流速V₁工作，液体肥料管以最大流速V₂工作；

S32：清水流速测量计检测清水的流速V₁，液体肥料流速测量计（5）检测液体肥料的最大流速V₂；

S33：计算V₁与V₂的比值a。

本发明的有益效果是：

1）初始工作阶段和清洗阶段消耗的清水，在精准化施肥中，是必须要考虑的因素，现有技术大多为经验值，无法实现精准控制，而这与管道的长短、粗细、弯角等因素均有关，分地块手动测试初始工作阶段和清洗阶段消耗的清水，并将相关参数作为固定值输入控制装置内，可满足不同输送距离地块的水肥施用精准度。

2）所述预警模块通过建立参数预警机制，结合液体肥料流速计算模块协同工作，进而可知地块与控制装置之间的距离越远，μ₁越小，μ₂也越小，则液体的流量也相应减小，故更加适用于长距离运输、单次水肥量需求少的情况，则操作人员可根据预警模块来检验设置的参数是否能够真正落实到这些施肥工作中。

3）液体肥料流速计算模块通过检测到的在有效工作阶段的清水流速μ₁，通过公式μ₂={ Q_肥/（Q_清-Q₁-Q₂）}×μ₁自动计算出液体肥料流速μ₂，液体肥料流速计算模块可根据计算出的μ₂，自动调整注射式施肥器的流速至μ₂，使液体肥料的工作时间与清水管有效工作阶段的时间尽量重合，除去了清水管初始工作阶段和清洗阶段所需时间，以及调整液体肥料流速到μ₂的响应时间，最大程度保证水肥的均匀程度。

附图说明

图1为本发明液体控制机构结构示意图；

图2为本发明控制模块框图；

图3为本发明的整体流程图；

图中，1-清水管1，2-液体肥料管，3-主管，4-清水流速测量计，5-液体肥料流速测量计，6-清水流量测量控制计，7-液体肥料流量测量控制计，8-液体肥料流速控制计。

具体实施方式

下面将结合实施例，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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种高精度水肥施用控制装置，包括清水管1、液体肥料管2、主管3和控制模块，所述的清水管1和液体肥料管2的出口均与主管3的入口相连，所述的清水管1内设有清水流速测量计4和清水流量测量控制计6，所述的液体肥料管2内设有液体肥料流速测量计5、液体肥料流量测量控制计7以及液体肥料流速控制计8，所述的清水流速测量计4、液体肥料流速测量计5、清水流量测量控制计6、液体肥料流量测量控制计7与控制模块的采样信号输入端相连，控制模块的使能信号输出端与所述的控制装置清水流量测量控制计6、液体肥料流量测量控制计7、液体肥料流速控制计8相连；

所述的控制模块包括测试模块、最小稀释倍数计算模块、存储模块、输入模块、预警模块、液体肥料流速计算模块、液体肥料流速控制模块和输出模块；

所述的测试模块用于测试每个地块在初始工作阶段所用的固定清水流量Q₁、每个地块在清洗阶段所用的固定清水流量Q₂；

所述的最小稀释倍数计算模块用于计算清水流速测量计4采集的清水管中的清水流速V₁与液体肥料流速测量计5采集的液体肥料最大流速V₂的比值a，所述a表示最小稀释倍数；

所述的存储模块用于存储所述的Q₁、Q₂、a；

所述的输入模块用于读取存储模块中的Q₁、Q₂、a的同时手动输入每个地块单次所需的清水量Q_清、每个地块所需的单次液体肥料流量Q_肥；

所述的预警模块用于根据在输入模块得到的数据，在液体肥料的工作压力大于清水的工作压力时，判断各地块是否满足Q_清＞Q₁+Q₂+a*Q_肥，进而判断各地块施肥程序能否进行；

所述液体肥料的工作压力是清水工作压力的1.2倍以上，以保证整个施肥程序的正常进行，该倍数随管道管径等因素而因地制宜地变化。

所述的液体肥料流速计算模块用于在所述预警模块判断能够执行施肥程序时，根据Q_清、Q_肥、Q₁、Q₂，以及所述清水流速计采集的清水管中的清水流速μ₁计算得到液体肥料最佳流速μ₂，具体的，μ₂=[Q_肥/（Q_清-Q₁-Q₂）] *μ₁；

所述的一种高精度水肥施用控制装置还包括预警提示模块，所述的预警提示模块用于当预警模块判断某地块无法执行施肥程序时，通过所述的预警提示装置发出预警提示，提示修改该地块的输入值。

所述预警模块通过建立参数预警机制，结合液体肥料流速计算模块协同工作，进而可知地块与控制装置之间的距离越远，μ₁越小，μ₂也越小，则液体肥料的流量也相应减小，故更加适用于长距离运输、单次水肥量需求少的情况，则操作人员可根据预警模块来检验设置的参数是否能够真正落实到施肥工作中。

所述的液体肥料流速控制模块用于在所述预警模块判断能够执行施肥程序时控制所述的液体肥料流速控制计8达到液体肥料最佳流速μ₂；

进一步的，所述清水流速计4可选用MSI公司研发的FS20系列力传感器检测清水流速μ₁，液体肥料流速计算模块通过检测到的在有效工作阶段的清水流速μ₁，通过公式μ₂={ Q_肥/（Q_清-Q₁-Q₂）}×μ₁自动计算出液体肥料流速μ₂，液体肥料流速计算模块可根据计算出的μ₂，自动调整注射式施肥器的流速至μ₂，使液体肥料的工作时间与清水管1有效工作阶段的时间尽量重合，除去了清水管1初始工作阶段和清洗阶段所需时间，以及调整液体肥料流速到μ₂的响应时间，最大程度保证水肥的均匀程度。

所述的输出模块在所述预警模块判断能够执行施肥程序时向清水流量测量控制计6、液体肥料流量测量控制计7输出相应使能信号。

控制装置通过清水流量测量控制计6、液体肥料流量测量控制计7控制液体的流量，控制模块接收到施肥程序结束的信号后便发出使能信号截断清水与液体肥料的来源，完成整个施肥工作。

所述的一种高精度水肥施用控制装置的控制方法，包括如下步骤：

S1：将农场按离控制装置的距离分为若干独立地块，清水管1中初始工作阶段和清洗阶段消耗的清水较多，影响对水肥施用的控制精度，需要科学的控制方式进行补偿，而这与管道的长短、粗细、弯角等因素均有关，分不同的地块并进行手动校正可有效提高控制精度；

S2：测试每个地块在初始工作阶段所用的固定清水流量Q₁、每个地块在清洗阶段所用的固定清水流量Q₂，记录Q₁、Q₂的值，所述Q₁、Q₂的检测方法包括以下步骤：

S21：测试清水管1中清水的EC值，并同时启动注射式施肥器以及水泵，使注射式施肥器与水泵同时工作；

S22：测试独立地块出液口的初始EC值，出液口的EC值为清水和液体肥料组成的混合液体的EC值，则出液口的EC值大于清水的EC值，当出液口的EC值上升时，记录同时刻清水在初始工作阶段所用的流量Q₁，则此时清水管1从初始工作阶段进入有效工作阶段，所述初始工作阶段为清水与液体肥料未完全达到配比阶段，有效工作阶段为清水与液体肥料达到施用标准后的工作阶段；

S23：当出液口的EC值上升至稳定值时，关闭注射式施肥器，说明液体肥料与清水已混合均匀，关闭注射式施肥器，使清水管1进入清洗管道的阶段；

S24：注射式施肥器关闭后，管道内的清水含量大于液体肥料，随后出液口的EC值下降，随后出液口的EC值下降，当出液口的EC值下降至稳定值时，说明液体肥料已施用完全，下降的稳定值趋近于清水的EC值 ，记录清水管1中液体在清洗阶段所用的流量Q₂，所述的EC值均通过EC计测得。

初始工作阶段和清洗阶段消耗的清水，在精准化施肥中，是必须要考虑的因素，现有技术大多为经验值，无法实现精准控制，分地块手动测试初始工作阶段和清洗阶段消耗的清水，并将相关参数作为固定值输入控制装置内，可满足不同输送距离地块的水肥施用精准度。

S3：计算清水流速V₁与液体肥料最大流速V₂的比值a，记录a的值，所述a的检测方法包括以下步骤：

S31：清水管以恒定的流速V₁工作，液体肥料管以最大流速V₂工作；

S32：清水流速测量计4检测清水的流速V₁液体肥料流速测量计5检测液体肥料的最大流速V₂；

S33：计算得到V₁与V₂的比值a，则在V₁不变的情况下，V₂的值取最大值时，a的值恒定不变，在后续V₁随环境变化为μ₁的过程中，a的值仅随V₁变化。

S4：读取记录的Q₁、Q₂，a的值，并同时输入每个地块所需的清水量Q_清、注射式施肥器需注射的液体肥料流量Q_肥，判断施肥程序能否进行，控制装置通过预警模块判断施肥程序能否进行，即是否满足Q_清＞Q₁+Q₂+a*Q_肥。

S5：若施肥程序能够进行，即Q_清＞Q₁+Q₂+a*Q_肥时，则清水流速测量计4检测清水管1工作时的清水流速μ₁，根据步骤S2得到的Q₁、Q₂以及该地块所需的清水量Q_清、注射式施肥器需注射的液体肥料流s量Q_肥，计算得出注射式施肥器的最佳工作流速μ₂，即μ₂=[Q_肥/（Q_清-Q₁-Q₂）] *μ₁；

S6：根据μ₂，液体肥料流速控制计8控制调节注射式施肥器的流速为最佳工作流速μ₂，并通过清水流量测量控制计6、液体肥料流量测量控制计7控制清水和液体肥料在完成施肥程序后分别截断各自的液体来源；

S7：若施肥程序不能进行，即Q_清≤Q₁+Q₂+a*Q_肥时，则通过控制变量法单一改变控制装置的输入值Q₁、Q₂，操作人员可通过判断条件Q_清≤Q₁+Q₂+a*Q_肥来调高液体肥料的母液浓度，减少Q_肥的值或增大Q_清，重复步骤S4，直到施肥程序能够正常进行为止。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。