技术领域
[0001] 本
发明涉及一种施肥给水控制系统及方法，具体涉及一种自动施肥给水控制系统及方法。
背景技术
[0002] 精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的，
定位、定时、定量的实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。其基本含义是根据作物生长的
土壤情况变化，精细准确的调节对作物的投入，以最少最节省的投入达到获取最大产量、最大经济效益的目的。
[0003]
专利号ZL 200710175341.2，名称为《一种变量施肥控制系统及方法》的中国专利是基于
地理信息系统、全球卫星定位系统、遥感技术和计算机自动控制系统的精准农业。
[0004] 我国是农业大国，地域辽阔，种植的
农作物成千上百种，而且各地的
温度，湿度，土壤成分也不一样，而且不同
植物的施肥量不同，同一种作物同时在不同时期对肥的要求不同，因此我们需要因地制宜的进行
灌溉，传统的人工施肥方法浪费水资源、浪费
肥料，浪费水人
力物力，对环境造成的污染，不能根据植物需要及时施肥等缺点，现有施肥控制技术中提供的自动施肥系统虽然达到节约水资源，实施灌溉的效果，但整个灌溉系统中只是监测土壤EC值，不检测土壤温度等其他参数，仅通过土壤EC值施肥量判断是否需要灌溉是不太合理的。
发明内容
[0005] 本发明提供一种自动施肥给水控制系统及方法，针对传统的施肥方法浪费水资源、浪费人力物力、不能根据农作物需要及时施肥浇灌以及现有的自动施肥系统只监测土壤EC值，没有温度补偿等缺点，通过对农作物生长过程中根部土壤的分析设计自动按需施肥的控制系统，该系统可自动对农作物进行
滴灌施肥，可节约用水、用电及人力成本。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] 一种自动施肥给水控制系统，包括CPU模
块部分、I/O模块部分、土壤
传感器采样部分、主回路肥水采样部分、施肥机部分、滴灌部分、水路部分、上位机监控部分；CPU模块部分通过I/O模块部分与土壤传感器采样部分、主回路肥水采样部分、施肥机部分、滴灌部分及水路部分连接，上位机监控部分与CPU模块部分之间通过电气隔离板进行连接或者通过互联网进行远程监控；
[0008] CPU模块部分通过I/O模块部分采集土壤传感器采样部分、主回路肥水采样部分及水路部分的实时数据，CPU模块部分对实时数据进行运算处理后控制I/O模块部分输出
信号，I/O模块部分
输出信号控制施肥机部分和滴灌部分实现对农作物的自动施肥和给水；
[0009] CPU模块部分把实时数据发送给上位机监控部分，上位机监控部分根据这些实时数据生成农作物生长实时曲线图、历史曲线图和数据报表，上位机监控部分根据实时曲线图、历史曲线图和数据报表对农作物的施肥和给水配方设定参数及进行
修改。
[0010] 所述的自动施肥给水控制系统，其中，所述土壤传感器采集部分包括土壤深层
张力传感器、土壤浅层张力传感器、土壤温度传感器和土壤EC值传感器，土壤深层传感器和土壤浅层传感器分别采集土壤深层和浅层的张力值用来判断农作物生长的土壤水分状况，土壤温度传感器用来检测农作物土壤的温度值，土壤EC值传感器用来检测农作物土壤的EC值以判断农作物的肥料状况。
[0011] 所述的自动施肥给水控制系统，其中，所述主回路肥水采样部分包括采样电磁
阀、EC值传感器和PH传感器，当CPU模块部分需要采样肥水的EC值和PH值时，CPU模块部分通过I/O模块部分控制采样
电磁阀打开，采样电磁阀打开后，肥水进入到EC值传感器和PH值传感器内，EC值传感器和PH值传感器把采集的肥水数据通过I/O模块部分发送到CPU模块部分中，当CPU模块部分不需要采样时，CPU模块部分通过I/O模块部分控制采样电磁阀关闭，肥水不进入到EC值传感器和PH值传感器内，不进行数据采样。
[0012] 所述的自动施肥给水控制系统，其中，所述施肥机部分包括施肥电磁阀一、施肥电磁阀二、加酸电磁阀、搅拌
电机和
压力传感器，CPU模块部分通过I/O模块部分控制施肥电磁阀一、施肥电磁阀二和加酸电磁阀的通断，当需要施肥时，分别控制施肥电磁阀一、施肥电磁阀二及加酸电磁阀，以达到施肥浓度的调节；当不需要施肥时，关闭施肥电磁阀一、施肥电磁阀二和加酸电磁阀；搅拌电机能够保证肥料罐内的肥水浓度均匀，压力传感器实时测量肥料罐压力并将实时数据传送给CPU模块部分，CPU模块部分依据压力的变化能够计算施肥量。
[0013] 所述的自动施肥给水控制系统，其中，所述滴灌部分包括多个灌溉电磁阀，CPU模块部分通过I/O模块部分控制灌溉电磁阀的通断实现对农作物的滴灌。
[0014] 所述的自动施肥给水控制系统，其中，所述水路部分包括水量调节电磁阀、水路压力传感器和水路流量传感器，水路压力传感器用于实时测量滴灌系统主水路压力并发送给CPU模块部分，水路流量传感器用于实时测量滴灌系统主水路水流量并发送给CPU模块部分，CPU模块部分通过分析水路压力及水路流量实时数据确定滴灌部分的用水量并通过控制水量调节电磁阀保证滴灌部分的用水量。
[0015] 所述的自动施肥给水控制系统，其中，还包括与CPU模块部分连接在一起的显示部分和
键盘部分，所述显示部分用于显示土壤传感器采样部分的采样数据、主回路肥水采样部分的采样数据、施肥机部分的施肥电磁阀一、施肥电磁阀二、加酸电磁阀和搅拌电机工作状态数据、滴灌部分灌溉电磁阀工作状态数据和水路部分的采样数据；所述键盘部分用于供操作者或者技术人员修改设定CPU模块部分中的参数，所述参数包括调试参数和配方设定参数，所述调试参数只能通过键盘部分进行修改。
[0016] 所述的自动施肥给水控制系统，其中，所述CPU模块部分可以分别设定所述施肥电磁阀一、施肥电磁阀二和加酸电磁阀的每次加药量，所述CPU模块部分可以分别控制所述施肥电磁阀一、施肥电磁阀二和加酸电磁阀的动作次数。
[0017] 本发明还涉及一种自动施肥给水控制方法，由上述的自动施肥给水控制系统实施，包括如下步骤：
[0018] (1)操作者通过上位机监控部分
指定施肥计划，上位机监控部分和CPU模块部分进行实时通讯，CPU模块部分根据施肥计划精确计算并制定施肥量和给水量，CPU模块部分通过I/O模块部分控制施肥机部分、滴灌部分和水路部分执行施肥给水；同时土壤传感器采样部分，主回路肥水采样部分和水路部分实时采集土壤和肥水的实时数据，并把这些实时数据通过I/O模块部分实时发送给CPU模块部分，CPU模块部分再把这些数据发送给上位机监控部分，上位机监控部分根据这些实时数据生成农作物生长实时曲线图，历史曲线图和数据报表，操作者根据实时曲线图，历史曲线图和数据报表对农作物的施肥给水配方进行修改；
[0019] (2)执行施肥给水时，CPU模块部分设定施肥电磁阀一、施肥电磁阀二和加酸电磁阀的每次加药量分别为A1、A2和A3，施肥电磁阀一、施肥电磁阀二和加酸电磁阀的动作次数分别为N1、N2、N3；水路每分钟灌溉量为B，PH传感器检测数值为P，加酸电磁阀的动作条件数值为Pmax；EC传感器检测数值为E，施肥电磁阀一和施肥电磁阀二的动作条件数值为Emin；土壤浅层张力传感器检测数值为Z，灌溉电磁阀的动作条件数值为Zmin，每次灌溉时间设定值为T；施肥理想浓度为X，理想酸度为Y，传感器检测间歇时间设定为R，所有参数可通过键盘部分或者上位机监控部分设定；
[0020] (3)当Z＜Zmin，P≤Pmax，E≥Emin时，施肥机部分不工作，滴灌部分动作，只浇水，不施肥，不加酸，灌溉量为BT，R到后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0021] (4)当Z＜Zmin，P＞Pmax，E≥Emin时，加酸电磁阀动作，施肥电磁阀一和施肥电磁阀二不工作，只浇水加酸，不加肥，灌溉量为BT+A3N3，N3＝YBT/A3，R到后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0022] (5)当Z＜Zmin，P≤Pmax，E＜Emin时，施肥电磁阀一和施肥电磁阀二动作，加酸电磁阀不工作，只浇水加肥，不加酸，灌溉量为BT+A1N1+A2N2，R到后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0023] (6)当Z＜Zmin，P＞Pmax，E＜Emin时，即加肥，又加酸，，施肥电磁阀一、施肥电磁阀二和加酸电磁阀工作，R到后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0024] (7)当Z≥Zmin，P＞Pmax或者E＜Emin时，施肥机部分不工作，灌溉电磁阀也不动作。
[0025] 所述的自动施肥给水控制方法，其中，操作者或者技术人员通过键盘部分进行修改调试参数,调试参数包括I/O模块部分设定参数、实时采样参数、CPU模块部分与上位机监控部分的通讯参数。
[0026] 本发明的有益效果如下：
[0027] 1、本发明针对传统的施肥方法浪费水资源、浪费人力物力、不能根据农作物需要及时施肥浇灌以及现有的自动施肥系统只监测EC值，没有温度补偿等缺点，通过对农作物生长过程中根部土壤的分析设计自动按需施肥的控制系统，该系统可综合考虑
环境温度、湿度及季节的变化，自动对农作物进行滴灌施肥，可节约用水、用电及人力成本；在滴灌施肥的过程中，操作者能够通过上位机监控部分指定施肥计划，上位机监控部分和CPU模块进行实时通讯，CPU模块根据施肥计划精确计算并确定控制施肥量和水量，执行全程自动化操作，同时土壤传感器采样部分，主回路肥水采样部分，水路部分实时采集土壤和肥水的实时数据，并把这实时数据通过I/O模块实时发送给CPU模块，CPU模块再把这些数据发送给上位机监控部分以便操作者对农作物的生长过程信息实时监控。
[0028] 2、本发明中，整个施肥滴灌过程全自动化，并且避免肥料浪费，同时农业生产者可以通过组态
软件实时了解农作物各种生长数据，并且可以打印各种数据，真正实现了计算机按需施肥全自动管理。
[0029] 3、本发明的系统具有处理速度快，可控制多种
外围设备，
数据库资源丰富，性能稳定，且结构简单，操作方便，价格低廉等特点。
[0030] 4、本发明控制上，即可自动施肥，也可手动施肥；计算机操作简单高效，产品具有较高的实用价值，便于推广应用。
[0031] 5、本发明真正实现了根据农作物根部土壤分析自动按需施肥的效果，与传统施肥方法相比，大大节约肥料，灌溉水量，提高肥料利用率，减少了环境污染。
[0032] 6、本发明的上位机监控和CPU模块部分之间通过电气隔离板进行连接，保证了整个电气控制系统不受外界干扰，进行稳定的工作。
[0033] 7、本发明中，CPU模块部分主要负责采样以下几部分数据：土壤传感器采样部分，主回路肥水采样部分肥水数据，水路部分采样数据，显示部分显示数据，键盘数据；上位机监控实时数据和配方设定数据，CPU模块根据这些采样数据进行实时计算，控制施肥机部分和滴灌部分的电磁阀和搅拌电机进行正常工作，并把这些实时运算数据和电磁阀，搅拌电机等工作状态数据发送给上位机监控部分和显示部分进行显示以方便操作者进行实时了解整个电气控制系统工作状态。
附图说明
[0034] 图1为控制系统结构图；
[0036] 图3为控制系统工作过程曲线。
具体实施方式
[0037] 如图1所示，一种自动施肥给水控制系统，包括CPU模块部分1、I/O模块部分2、土壤传感器采样部分3、主回路肥水采样部分4、施肥机部分5、滴灌部分6、水路部分7、上位机监控部分8、显示部分9和键盘部分10；CPU模块部分1通过I/O模块部分2与土壤传感器采样部分3、主回路肥水采样部分4、施肥机部分5、滴灌部分6及水路部分7连接，上位机监控部分8与CPU模块部分1之间通过电气隔离板进行连接或者通过互联网进行远程监控，显示部分9和键盘部分10与CPU模块部分1连接在一起。
[0038] 所述土壤传感器采集部分3包括土壤深层张力传感器11、土壤浅层张力传感器12、土壤温度传感器13和土壤EC值传感器14，土壤深层传感器11和土壤浅层传感器12分别采集土壤深层和浅层的张力值用来判断农作物生长的土壤水分状况，土壤温度传感器13用来检测农作物土壤的温度值，土壤EC值传感器14用来检测农作物土壤的EC值以判断农作物的肥料状况。
[0039] 所述主回路肥水采样部分4包括采样电磁阀15、EC值传感器16和PH传感器17，当CPU模块部分1需要采样肥水的EC值和PH值时，CPU模块部分1通过I/O模块部分2控制采样电磁阀15打开，采样电磁阀15打开后，肥水进入到EC值传感器16和PH值传感器17内，EC值传感器16和PH值传感器17把采集的肥水数据通过I/O模块部分2发送到CPU模块部分1中，当CPU模块部分1不需要采样时，CPU模块部分1通过I/O模块部分2控制采样电磁阀15关闭，肥水不进入到EC值传感器16和PH值传感器17内，不进行数据采样。
[0040] 所述施肥机部分5包括施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19、加酸电磁阀20、搅拌电机21和压力传感器22，CPU模块部分1通过I/O模块部分2控制施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19和加酸电磁阀20的通断，当需要施肥时，分别控制施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19及加酸电磁阀20，以达到施肥浓度的调节；当不需要施肥时，关闭施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19和加酸电磁阀20；搅拌电机21能够保证肥料罐内的肥水浓度均匀，压力传感器22实时测量肥料罐压力并将实时数据传送给CPU模块部分1，CPU模块部分1依据压力的变化能够计算施肥量。
[0041] 所述滴灌部分6包括多个灌溉电磁阀23，CPU模块部分1通过I/O模块部分2控制灌溉电磁阀23的通断实现对农作物的滴灌。
[0042] 所述水路部分7包括水量调节电磁阀24、水路压力传感器25和水路流量传感器26，水路压力传感器25用于实时测量滴灌系统主水路压力并发送给CPU模块部分1，水路流量传感器26用于实时测量滴灌系统主水路水流量并发送给CPU模块部分1，CPU模块部分
1通过分析水路压力及水路流量实时数据确定滴灌部分6的用水量并通过控制水量调节电磁阀24保证滴灌部分6的用水量。
[0043] 所述显示部分9用于显示土壤传感器采样部分3的采样数据、主回路肥水采样部分4的采样数据、施肥机部分5的施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19、加酸电磁阀20和搅拌电机21工作状态数据、滴灌部分6灌溉电磁阀23工作状态数据和水路部分7的采样数据；所述键盘部分10用于供操作者或者技术人员修改设定CPU模块部分1中的参数，所述参数包括调试参数和配方设定参数，其中调试参数主要包括I/O模块部分2设定参数，实时采样参数，CPU模块部分1与上位机监控部分8的通讯参数，调试参数只能通过键盘部分10进行修改。
[0044] 所述CPU模块部分1可以分别设定所述施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19和加酸电磁阀20的每次加药量，所述CPU模块部分1可以分别控制所述施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19和加酸电磁阀20的动作次数。
[0045] CPU模块部分1通过I/O模块部分2采集土壤传感器采样部分3、主回路肥水采样部分4及水路部分7的实时数据，CPU模块部分1对实时数据进行运算处理后控制I/O模块部分2输出信号，I/O模块部分2输出信号控制施肥机部分5和滴灌部分6实现对农作物的自动施肥和给水；CPU模块部分1把实时数据发送给上位机监控部分8，上位机监控部分8根据这些实时数据生成农作物生长实时曲线图、历史曲线图和数据报表，上位机监控部分
8根据实时曲线图、历史曲线图和数据报表对农作物的施肥和给水配方设定参数及进行修改。
[0046] 如图1、2所示，一种自动施肥给水控制方法，包括如下步骤：
[0047] (1)操作者通过上位机监控部分8指定施肥计划，上位机监控部分8和CPU模块部分1进行实时通讯，CPU模块部分1根据施肥计划精确计算并制定施肥量和给水量，CPU模块部分1通过I/O模块部分2控制施肥机部分5、滴灌部分6和水路部分7执行施肥给水；同时土壤传感器采样部分3，主回路肥水采样部分4和水路部分7实时采集土壤和肥水的实时数据，并把这些实时数据通过I/O模块部分2实时发送给CPU模块部分1，CPU模块部分
1再把这些数据发送给上位机监控部分8，上位机监控部分8根据这些实时数据生成农作物生长实时曲线图，历史曲线图和数据报表，操作者根据实时曲线图，历史曲线图和数据报表对农作物的施肥给水配方进行修改；
[0048] (2)执行施肥给水时，软件设定施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19和加酸电磁阀20的每次加药量分别为A1、A2和A3，施肥电磁阀一18、施肥电磁阀二19和加酸电磁阀20的动作次数分别为N1、N2、N3；水路每分钟灌溉量为B，PH传感器17检测数值为P，加酸电磁阀20的动作条件数值为Pmax；EC传感器16检测数值为E，施肥电磁阀一18和施肥电磁阀二19的动作条件数值为Emin；土壤浅层张力传感器12检测数值为Z，灌溉电磁阀23的动作条件数值为Zmin，每次灌溉时间设定值为T；施肥理想浓度为X，理想酸度为Y，传感器检测间歇时间设定为R，所有参数可通过键盘部分10或者上位机监控部分8设定；
[0049] (3)当Z＜Zmin，P≤Pmax，E≥Emin时，施肥机部分5不工作，滴灌部分6动作，只浇水，不施肥，不加酸，灌溉量为BT，R到后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0050] (4)当Z＜Zmin，P＞Pmax，E≥Emin时，加酸电磁阀20动作，施肥电磁阀一18和施肥电磁阀二19不工作，只浇水加酸，不加肥，灌溉量为BT+A3N3，N3＝YBT/A3，R到后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0051] (5)当Z＜Zmin，P≤Pmax，E＜Emin时，施肥电磁阀一18和施肥电磁阀二19动作，加酸电磁阀20不工作，只浇水加肥，不加酸，灌溉量为BT+A1N1+A2N2，R到后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0052] (6)当Z＜Zmin，P＞Pmax，E＜Emin时，即加肥，又加酸，R到后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0053] (7)当Z≥Zmin，P＞Pmax或者E＜Emin时，施肥机部分5不工作，灌溉电磁阀23也不动作。
[0054] 操作者或者技术人员通过键盘部分10进行修改调试参数，其中调试参数主要包括I/O模块部分2设定参数，实时采样参数，CPU模块部分1与上位机监控部分8的通讯参数。
[0055] 如图1、3所示，以玉米为例说明自动施肥给水控制系统的使用过程，曲线31为土壤浅层张力传感器12的检测工作曲线，曲线32为土壤EC值传感器16的检测工作曲线，曲线33为PH值传感器17的检测工作曲线；
[0056] 当土壤浅层张力传感器12检测到的数值低于23.5时，说明玉米缺水，CPU模块部分会控制灌溉电磁阀23开启，给该区域的玉米浇水；
[0057] 当PH值传感器17检测到的数值高于6.2时，说明玉米缺酸，CPU模块部分会控制加酸电磁阀20开启，给水中加酸；
[0058] 当土壤EC值传感器16检测到的数值低于8.8时，说明玉米缺肥，CPU模块部分会控制施肥电磁阀一18或者施肥电磁阀二19开启，给水中加肥。
[0059] 具体说明如下：
[0060] 当Z＜23.5，P≤6.2，E≥8.8时，施肥机部分5不工作，灌溉电磁阀23动作，只浇水，不施肥，不加酸，灌溉量为B*5，间歇时间R后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0061] 当Z＜23.5，P＞6.2，E≥8.8时，CPU模块部分控制加酸电磁阀20动作，施肥电磁阀一18和施肥电磁阀二19不动作，只浇水加酸，不加肥，灌溉量为B*5+A3N3，N3＝5YB/A3；R后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0062] 当Z＜23.5，P≤6.2，E＜8.8时，CPU模块部分控制施肥电磁阀一18和施肥电磁阀二19动作，加酸电磁阀20不工作，只浇水加肥，不加酸，灌溉量为5B+(A1N1+A2N2)，施肥电磁阀一18和施肥电磁阀二19具体哪个阀动作，可根据配方设定；R后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0063] 当Z＜23.5，P＞6.2，E＜8.8时，即加肥，又加酸；R后1s，再次检测传感器数值，决定下步动作；
[0064] 当Z≥23.5，P＞6.2或者E＜8.8时，施肥机部分5不工作，灌溉电磁阀23也不动作。
