一种基于管网末端信息主动调控的水肥机及其使用方法

技术领域

本发明涉及水肥灌溉设备领域，特别是涉及一种基于管网末端信息主动调控的水肥机及其使用方法。

背景技术

国内现有自主研发的水肥配套产品主要由管道、灌水器、过滤器、文丘里施肥器和简单的控制设备等构成，设计中重硬件，轻软件，部分设备性能欠缺，参数不齐，造成数据采集不准确，反馈不及时，控制精度低等问题，这些因素也影响了智能化设备的发展，同时，现有水肥系统对相关因子的采集多为监测显示，在数据分析、模型运算、控制算法等方面仍较为欠缺。

现有技术中多利用文丘里施肥器吸引肥料溶液，并将肥料溶液输送至主管道与水混合，文丘里施肥器的使用方法为：文丘里施肥器与微灌系统或灌区入口处的供水管控制阀门并联安装，使用时将控制阀门关小，造成控制阀门前后有一定的压差，使水流利经过安装文丘里施肥器的支管，用水流通过文丘里管产生的真空吸力，将肥料溶液从敞口的肥料桶中均匀吸入管道系统内。

申请号为“201910294933.9”，名称为“一种水肥一体化系统”的发明专利公开了一种水肥机，包括供水系统、供肥系统、主管道、喷洒机构以及控制器，供水系统与供肥系统均与主管道连通，主管道与喷洒机构连通，其中供肥系统内设置有多个文丘里施肥器，控制器对供水系统的供水量以及文丘里施肥器供肥量的配比进行控制，从而实现精确施肥，但是，其各个管道上均设置有阀门，控制器控制也仅仅是控制阀门对肥料溶液以及水液的量进行控制，控制精度较低，而且管道内液体流动时，会具有一定的波动，当波动产生时，会使文丘里管产生的负压产生波动，进而使得吸入主管道内的肥料溶液的量不断发生改变，吸入主管道内的肥料溶液的量不断发生变化的过程中，前一刻肥料溶液的流速会对下一刻肥料溶液的流速产生一定的影响，这样会降低最终进入主管道内的肥料溶液量的精确度，影响最终的灌溉效果。

因此人们亟需一种结构简单、输料精度高、响应速度快以及成本低的基于管网末端信息主动调控的水肥机。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于管网末端信息主动调控的水肥机及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单、输料精度高、响应速度快以及成本低。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于管网末端信息主动调控的水肥机，包括混合管道、至少一个文丘里施肥器以及用于检测流体参数的检测管道，所述混合管道上设置有流量调节阀，所述文丘里施肥器与所述流量调节阀并联设置，所述文丘里施肥器包括文丘里管、吸料管道、流量计、流量调节泵以及智能控制器，所述吸料管道与所述文丘里管的缩径段连通，所述吸料管道上依次设置有所述流量计以及所述流量调节泵，所述流量计靠近所述吸料管道与所述文丘里管的连接处，所述流量计与所述流量调节泵与所述智能控制器电连接，所述检测管道串联设置在所述混合管道末端，所述检测管道将检测信息传递至所述智能控制器。

优选的，所述检测管道上设置有PH传感器、EC传感器、温度传感器以及压力传感器，所述检测管道包括与所述混合管道连通的检测主管道以及旁支管道，所述检测主管道上设置有球阀和控制电路板，所述旁支管道与所述球阀并联设置，所述旁支管道上设有缩径段，所述缩径段设置有微型水力发电机，所述控制电路板包括信息采集器、微控制器以及蓄电池，所述信息采集器与所述PH传感器、所述EC传感器、所述温度传感器以及所述压力传感器电连接，所述微控制器与所述球阀电连接，所述蓄电池与所述微型水力发电机连接。

优选的，所述信息采集器以及所述微控制器与无线通讯器电连接，所述智能控制器上设置有用于接收所述无线通讯器发射信号的接收天线，所述智能控制器上设置有人机交互界面。

优选的，还包括光伏板，所述光伏板与所述蓄电池连接。

优选的，所述混合管道与所述检测主管道的连接处设置有手动控制阀。

优选的，还包括稳流罐，所述稳流罐与所述检测主管道的出水端连通，所述稳流罐的出水端设置有灌溉主管道，所述灌溉主管道的末端并联设置有一个或多个灌溉支管道。

优选的，还包括蓄水池以及肥液罐，所述蓄水池的出水口连接所述混合管道的开端，所述吸料管道远离所述文丘里管的一端与所述肥液罐连通，所述流量调节泵与所述肥液罐之间设置有肥液逆止阀、肥液过滤器以及肥液控制阀。

优选的，所述混合管道的前端设置有加压泵、混合管道逆止阀、压力表以及水液过滤器。

本发明还提供一种上述基于管网末端信息主动调控的水肥机的使用方法，包括以下步骤：

S1：启动加压泵并打开肥液控制阀、手动控制阀；

S2：控制流量调节阀关小，造成流量调节阀前后有一定的压差，使水流经过安装文丘里施肥器的支管，用水流通过文丘里管产生的真空吸力，将肥料溶液从肥液罐中均匀吸入混合管道，在肥料溶液被吸入的过程中，流量计时刻测量肥液的流量，当管道内水流产生波动时，文丘里管产生的负压发生变化，肥料溶液的流量产生变化，流量计即刻感知流量变化并将信息传递至智能控制器，智能控制器即刻控制流量调节泵调节肥料溶液的流量，实现主动精确控制；

S3：吸入混合管道的肥料溶液与水液混合形成灌溉液，灌溉液进入检测管道内进行参数检测，无线通讯器将检测信息传递至智能控制器，智能控制器对数据进行分析，并控制文丘里施肥器对肥料溶液的流量进行调控；

S4：检测完成后的灌溉液进入稳流罐稳流，然后通过灌溉主管道和灌溉支管道流向指定位置。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明中在吸料管道上依次设置流量计以及流量调节泵，当文丘里管内流体产生波动时，其产生负压产生变化，导致被吸入文丘里管内部的肥料溶液的量产生变化，即吸料管道内的流量发生变化，由于流量计靠近吸料管道与文丘里管的连接处，当流量发生变化时，流量计即刻感知流量并将数据传递给智能控制器，智能控制器对流量进行分析并计算此时文丘里管内所需肥料溶液的量，并根据计算得出的信息控制流量调节泵主动调节吸料管道内肥料溶液的流量，使其增大或减小，通过主动控制流量的方式，避免了被动调节(靠文丘里管的负压调节)时流量不精确的问题，而且响应速度快。

2、本发明中在检测主管道上设置球阀，旁支管道与球阀并联设置，可通过调节球阀的开度调节从旁支管道内流通的流体的量，由于旁支管道上设置有缩径段，且缩径段设置有微型水力发电机，即可通过调节球阀调节发电量，微型水力发电机的发电可为系统的工作提供能源。

3、本发明中在混合管道的末端串联检测管道，使得肥料溶液与水充分混合后形成的的灌溉液经过该检测管道进行检测，检测管道对灌溉液的各项数值进行检测，并将检测数据传递至智能控制器，智能控制器分析检测数据并主动控制流量调节泵和加压泵，调节水液以及肥料溶液的量，以使灌溉液达到灌溉需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于管网末端信息主动调控的水肥机的结构示意图；

图2为本发明检测管道的结构示意图；

图3为本发明控制电路板的结构示意图；

其中，1、文丘里管；2、吸料管道；3、流量计；4、流量调节泵；5、肥液逆止阀；6、肥液过滤器；7、肥液控制阀；8、肥液罐；9、蓄水池；10、混合管道；11、加压泵；12、混合管道逆止阀；13、光伏板；14、检测管道；15、稳流罐；16、灌溉主管道；17、灌溉支管道；18、出水阀；19、手动控制阀；20、压力表；21、流量调节阀；22、检测主管道；23、旁支管道；24、球阀；25、控制电路板；26、无线通讯器；27、压力传感器；28、电磁阀；29、PH传感器；30、EC传感器；31、温度传感器；32、微型水力发电机；33、信息采集器；34、微控制器；35、超级电容；36、蓄电池；37、充电管理模块；38、继电器；39、稳压芯片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

本发明的目的是提供一种基于管网末端信息主动调控的水肥机及其使用方法，以解决现有技术存在的问题，结构简单、输料精度高、响应速度快以及成本低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考如图1～3所示，本发明提供一种基于管网末端信息主动调控的水肥机，包括混合管道10、至少一个的文丘里施肥器以及用于检测流体参数的检测管道14，文丘里施肥器的数量取决于灌溉液中肥料溶液的种类，所有文丘里施肥器共用一个智能控制器，由一个智能控制器分级控制，混合管道10上设置有流量调节阀21，文丘里施肥器与流量调节阀21并联设置，文丘里施肥器包括文丘里管1、吸料管道2、流量计3、流量调节泵4以及智能控制器，吸料管道2与文丘里管1的缩径段连通，吸料管道2也可以设置多个，对称设置在缩径段的两侧，吸料管道2上依次设置有流量计3以及流量调节泵4，流量计3靠近吸料管道2与文丘里管1的连接处，以快速检测由负压变化引起的流量变化，流量计3与流量调节泵4与智能控制器电连接，当流量发生变化时，流量计3即刻感知流量并将数据传递给智能控制器，智能控制器对流量进行分析并计算此时文丘里管1内所需肥料溶液的量，并根据计算得出的信息控制流量调节泵4主动调节吸料管道2内肥料溶液的流量，使其增大或减小，通过主动控制流量的方式，避免了被动调节时流量不精确的问题，而且响应速度快，由于采用文丘里管1作为负压产生装置，具备一定吸力，可以大幅度缩小流量调节泵4的压力，减小流量调节泵4的体积。

其中流量计3采用精度更高的霍尔流量传感器，以提高肥液的计量精度，流量调节泵4使用57系列无刷直流电机，为三相带Hall电机，24V电压定额，60W功率定额，故采用安森美公司的ATP304-TL-H电力MOSFET，功率放大电路主要由UC3724驱动变压器和UC3725驱动栅隔离器组成，UC3724驱动变压器内部通过TTL门电路、D触发器、变压器与晶体管等实现EDGE检测、偏压稳定、欠压锁定等功能，最主要的是实现变压功能，UC3724驱动变压器的两个输出OUTA、OUT B经外部变压器变压后，作为UC3725驱动栅隔离器的输入INA、IN B，同时具有基准欠压锁定的功能；智能控制器借助MC33039D并配合霍尔传感器实现转速的测量，即对流量进行测量后；由于所采用的流量调节泵4的电机功率较小，故采用MMDF2C05E 1/2-桥，设置MC33035DW负责换向逻辑与功率管的驱动，而电机速度的控制与调节通过单相单极性PWM波形在TMS320F28335 DSP内来完成；可根据精度要求以及响应速度更换不同的流量计3、流量调节泵4以及智能控制器。

在混合管道10末端串联设置检测管道14，检测管道14将检测到的流体信息通过有线或无线的方式传递给智能控制器，智能控制器分析检测数据并判断该灌溉液是否满足灌溉需求，当灌溉液不满足灌溉需求时，智能控制器主动控制流量调节泵4，调节肥料溶液的量，以使灌溉液达到灌溉需求，由于有线信息传递受到环境的影响较大，而无线则受环境影响较小且技术较为成熟，因此，优选采用无线信息传递的方式。

检测管道14上可以设置有用于检测流体信息的PH传感器29、EC传感器30、温度传感器31以及压力传感器27，对肥料溶液与水液混合形成的灌溉液的各项数值进行检测，可针对所需信息的不同设置不同功能的传感器。

检测管道14包括与混合管道10连通的检测主管道22以及旁支管道23，检测主管道22上设置有球阀24和控制电路板25，旁支管道23与球阀24并联设置，可通过调节球阀24的开度调节从旁支管道23内流通液体的量，旁支管道23上设有缩径段，缩径段设置有微型水力发电机32，控制电路板25包括信息采集器33、微控制器34以及蓄电池36，信息采集器33与PH传感器29、EC传感器30、温度传感器31以及压力传感器27电连接，用于采集各项传感器所检测的信息，PH传感器29、EC传感器30、温度传感器31可设置在检测主管道22或旁支管道23上，压力传感器27设置在检测主管道22与旁支管道23的汇集处，微型水力发电机32与蓄电池36连接，利用系统自身流体产生电能，为系统提供能源，提高了对流体动能的利用率，所述微控制器34与所述球阀24电连接，用于控制球阀24的开度，进而调节流经旁支管道23内水流的流量，检测主管道22的末端设置有电磁阀28，用于控制水流的通断。

为了提高检测精度，对于灌溉液的PH值和温度测量采用专用PH值变送器及PT100高精度温度传感器31，其中PH值信息监测采用双高阻三电极体系，同时设置有实时温度补偿、掉电保护、过流保护、过压保护等功能，其PH测量范围0.0～14.0PH，测量精度：±0.01PH，温度测量范围：-20℃～+80℃，测量精度：±0.5℃，对于溶液电导率EC值的测量采用电极式电导率测量法通过测量电极间的溶液电阻，进而转换成电导率值，其测量范围：0-40uS/cm，精度≤±2％FS，为了保证灌溉液水压符合滴灌系统设计压力，设计中采用A级扩散硅压力传感器，量程范围0.1-2.5MPa，测量精度0.25％FS，并采用了膜片隔离技术保证传感器的耐腐蚀稳定性，所测数值通过标准工业信号输出4-20MA并转换为满足Modbus RTU485协议的标准通讯信号，无线通讯器26将信息回传至智能控制器构成闭环控制回路实现灌溉液参数的实时调节。

为了进一步利用自然资源为系统提供能量，还设置光伏板13，光伏板13与蓄电池36连接。

信息采集器33以及所述微控制器34与无线通讯器26电连接，智能控制器上设置有用于接收无线通讯器26信号的接收天线，智能控制器上设置有人机交互界面，智能控制器通过接收天线接收来自无线通讯器26的传递信号并进行分析处理，将各项数据显示在人机交互界面。

控制电路板25还包括与蓄电池36并联的超级电容35、与超级电容35和蓄电池36连接的充放电管理模块37、稳压芯片39以及继电器38，微型水力发电机32与光伏板13收集的能量存储至超级电容35与蓄电池36中，微控制器34控制充放管理模块，实现对电能的存储和利用，并根据电能的存储情况以及电能的使用情况分析使用超级电容35还是蓄电池36，而且微控制器34可控制球阀24的开度大小，进而控制微型水力发电机32可以获取的水能大小，工作人员可通过人机交互界面对控制电路板25内的电能存储情况、灌溉液数据以及充放电信息做一定了解，且可通过人机交互界面对球阀24开度进行控制。

蓄电池36具有恒流和恒压充电模式，非常适合锂电池或磷酸铁锂电池的充电，在恒压充电模式，恒压充电电压由外部电阻分压网络设置；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置，当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，蓄电池36自动进入低功耗的睡眠模式，同时充放电管理模块37包括输入低电压锁存，电池温度监测，电池端过压保护和充电状态指示等功能。

由于水肥机部署和应用环境较为复杂，传感器节点寿命严重依赖于功耗及电池性能，微控制器34根据各节点模块不同工作状态下能耗差异，设置不同睡眠唤醒机制，利用无线传感器网络部署区域的田间灌溉系统中较易获取的太阳能、水能等环境微境能量，实现传感器自主供电，提高节点寿命和网络稳定性。

微控制器34可采用STC12C5A60S2，该单片机为增强型8051单片机，指令代码和最小系统电路完全兼容传统8051单片机，充分利用了STC12系列单片机丰富的片上硬件资源，省去了专用AD转换芯片的使用，微型水力发电机32输出电压、太阳能电池输出电压、蓄电池36电压、超级电容35端电压四处模拟量直接经由STC12单片机的片内四路AD转换电路进行转换采集，即这四处的电压直接通过阻容滤波后连接到单片机的P1.0-P1.2引脚进行模拟量采集，并编制相应控制程序；可根据需要选择不同型号的微控制器34。

本发明在混合管道10与检测主管道22的连接处设置有手动控制阀19，可通过手动控制阀19随时控制灌溉液的通断。

为了保证流体的稳定性，检测主管道22的出水端连通一个稳流罐15，对流体进行稳流，稳流罐15的出水端设置有灌溉主管道16，灌溉主管道16的末端并联设置有一个或多个灌溉支管道17，可通过灌溉点的多少自由调配灌溉支管道17的数量，灌溉支管道17的末端设置有出水阀18。

为了便于为吸料管道2提供肥料溶液以及为混合管道提供水，设置蓄水池9和肥液罐8，蓄水池9的出水口连接混合管道10的开端，吸料管道2远离文丘里管1的一端与肥液罐8连通，流量调节泵4与肥液罐8之间设置有防止肥料溶液逆流的肥液逆止阀5、对肥料溶液进行过滤的肥液过滤器6以及肥液控制阀7，在系统开启时肥液控制阀7处于开启状态，不使用时关闭，避免内部肥料溶液挥发。

混合管道10的前端设置控制水液流量的加压泵11、防止水液逆流的混合管道逆止阀12、压力表20以及水液过滤器。

可将系统中各部位的阀门或者泵与智能控制器电连接，在人机交互界面上显示各点的信息，并在智能控制器内设置控制系统控制各个阀门的开启以及各处泵的功率。

在灌溉点处设置用于检测灌溉点土壤数据的无线采集终端，其将信息传递至智能控制器，以配合调控后续灌溉所需的灌溉液的数据，无线采集终端采用CC2530模块作为通讯节点，该模块是TI公司推出的一款基于ZigBee技术的2.4G射频收发器，数据传输率高达250Kbit/s，并具有2个USART接口，本发明中以部署在野外环境中用于环境监测的传感器节点的供电问题为背景，设计一种基于太阳能的无线传感器网络节点电源系统，包括四个部分：太阳能电池模块、能量储存模块、电源管理模块、节点负载模块，以实现传感器节点的长期稳定的供电，大幅提升传感器节点的工作寿命。

一种基于管网末端信息主动调控的水肥机的使用方法，包括以下步骤：

S1：启动加压泵11并打开肥液控制阀7、手动控制阀19；

S2：控制流量调节阀21关小，造成流量调节阀21前后有一定的压差，使水流经过安装文丘里施肥器的支管，用水流通过文丘里管1产生的真空吸力，将肥料溶液从肥液罐8中均匀吸入混合管道，在肥料溶液被吸入的过程中，流量计3时刻测量肥液的流量，当管道内水流产生波动时，文丘里管1产生的负压发生变化，肥料溶液的流量产生变化，流量计3即刻感知流量变化并将流量信息传递至智能控制器，智能控制器分析此时应该增加还是减少吸料管道2内肥料溶液的流量，并即刻控制流量调节泵4调节肥料溶液的流量，实现主动精确控制；

S3：吸入混合管道的肥料溶液与水液混合形成灌溉液，灌溉液进入检测主管道22以及旁支管道23内进行PH、EC、压力、温度等参数的检测，信息采集器33通过无线通讯器26将检测信息传递至智能控制器，智能控制器对数据进行分析，并判断灌溉液参数数据是否满足灌溉需求，如果不满足，则控制文丘里施肥器对肥料溶液的流量进行调控；在灌溉液检测过程中，部分灌溉液进入旁支管道23内并通过微型水力发电机32进行发电，电能被收集并为系统提供能源；另外，灌溉一段时间后智能控制器接收无线采集终端的信息并根据土壤内PH、EC等信息主动调控灌溉液内肥料溶液的含量；

S4：检测完成后的灌溉液进入稳流罐15稳流，然后通过灌溉主管道16和灌溉支管道17流向指定位置。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。