本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于水肥一體化作業(yè)中的多種固體肥料在線配肥裝置及控制方法，尤其適用于作物進(jìn)行水肥一體化微噴灌時的肥液調(diào)配使用。

背景技術(shù)：

隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，農(nóng)作物的增產(chǎn)依然通過施加肥料的方式實現(xiàn)，水肥一體化已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，在水肥一體化的母液配置過程中，精量配肥裝置的選用成為施肥質(zhì)量的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有水肥一體化配肥過程中一般使用多種水溶性母液進(jìn)行按比例混合，但是由于水溶性肥料的價格高昂，一般農(nóng)戶難以承受，因此大大阻礙了水肥一體化的推廣進(jìn)程和速度，特別是在大田作物上的應(yīng)用與推廣。

目前傳統(tǒng)的固體肥料難以應(yīng)用在水肥一體化中，其主要原因在于其溶解速度慢，溶解后有沉淀，容易造成管路堵塞。因此急需發(fā)明一種能實現(xiàn)顆粒型肥料的按比例混合并能保證其肥料可溶性的精量配肥裝置及其控制方法，適用于作物進(jìn)行水肥一體化微噴灌時的肥液調(diào)配使用，實現(xiàn)既能節(jié)省肥料投入成本，又能精確控制排肥量和肥料比例，這對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和節(jié)約肥料有著重要的現(xiàn)實意義。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利“一種應(yīng)用在滴灌上精量控制施肥配肥裝置”申請?zhí)?01210151681.2，提供了一種配肥裝置，用電機(jī)驅(qū)動配肥盤轉(zhuǎn)動，通過配肥盤的出料口排出來實現(xiàn)排肥。這種方法只能實現(xiàn)定量排肥，但依然無法實現(xiàn)精量控制排肥量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對在水肥一體化中無法實現(xiàn)精量控制排肥量問題，提供了一種水肥一體化適用的固體肥精量配肥裝置及控制方法，適用于作物進(jìn)行水肥一體化微噴灌時的肥液調(diào)配使用。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種水肥一體化適用的固體肥精量配肥裝置，包括精量排肥機(jī)構(gòu)、攪拌過濾機(jī)構(gòu)、支撐架和控制系統(tǒng)。

所述的精量排肥機(jī)構(gòu)包括三個相同的排肥機(jī)構(gòu)，三個排肥機(jī)構(gòu)安裝在支撐架上；精量排肥機(jī)構(gòu)包括肥料漏斗、排肥電機(jī)、絞龍、絞龍軸、外殼、進(jìn)肥口和排肥口。所述的肥料漏斗焊接在外殼的進(jìn)肥口上面；所述的外殼是兩個端面封閉的圓柱筒，在殼體上下兩個側(cè)面分別設(shè)有進(jìn)肥口和排肥口；所述的排肥電機(jī)位于外殼的前端通過聯(lián)軸器與絞龍軸連接；所述的絞龍位于外殼內(nèi)，絞龍的螺旋外邊緣與外殼的內(nèi)壁相切，絞龍的螺旋內(nèi)邊緣固接在絞龍軸上；所述的絞龍軸與外殼同心安裝，絞龍軸另一端通過軸承固定在外殼末端。

所述的攪拌過濾機(jī)構(gòu)所采取的方案一：包括攪拌電機(jī)、過濾網(wǎng)筒、母液罐、攪拌軸和扇型攪拌葉輪，適用于易溶的肥料。所述的過濾網(wǎng)筒位于母液罐內(nèi)部，過濾網(wǎng)筒的開口與母液罐的開口相接觸，并通過彈性卡扣活動的安裝在母液罐口上，使過濾網(wǎng)筒可拆裝，便于過濾網(wǎng)筒的清洗；所述的母液罐是圓柱形桶，母液罐底部側(cè)面分別設(shè)有出液管和液面顯示管；母液罐口為敞開式且位于排肥機(jī)構(gòu)三個排肥口的下方，便于肥料落入母液罐；所述的攪拌軸上端穿過母液罐口通過聯(lián)軸器與攪拌電機(jī)連接，攪拌軸下端與扇型攪拌葉輪連接；所述的扇型攪拌葉輪是風(fēng)扇狀的葉輪，可使液體上下翻滾便于肥料和水混合，扇型攪拌葉輪位于過濾網(wǎng)筒的底部。

所述的攪拌過濾機(jī)構(gòu)所采取的方案二：包括攪拌電機(jī)、V型過濾網(wǎng)筒、漏斗、混合罐、攪拌軸和爪型攪刀，適用于溶解速度較慢的肥料；所述的攪拌電機(jī)固定在混合罐頂端的一側(cè)并通過聯(lián)軸器與攪拌軸連接，攪拌軸下端連接爪型攪刀；所述的V型過濾網(wǎng)筒位于混合罐內(nèi)部，V型過濾網(wǎng)筒一端固定在混合罐頂端，可容納攪拌軸和爪型攪刀可在V型過濾網(wǎng)筒內(nèi)自由轉(zhuǎn)動；所述的爪型攪刀是外形似爪的刀片且位于V型過濾網(wǎng)筒末端，可將肥料從V型過濾網(wǎng)筒底部吸起，從而實現(xiàn)反復(fù)攪碎并加快溶解肥料；混合罐罐口設(shè)有漏斗，漏斗位于排肥口正下方；漏斗底部與V型過濾網(wǎng)筒另一端連接，漏斗用于將排肥機(jī)構(gòu)的肥料落入V型過濾網(wǎng)筒；所述的混合罐是圓柱形桶，其底部側(cè)面設(shè)有出液管和液面顯示管，混合罐頂部固定攪拌電機(jī)和漏斗。

所述的支撐架位于母液罐或混合罐上方用于固定精量排肥機(jī)構(gòu)。

所述的控制系統(tǒng)，包括電源、WIFI模塊、用戶終端設(shè)備、精量配肥控制器、輸入輸出接口、EC傳感器、PH傳感器和流量傳感器；所述的EC傳感器和PH傳感器位于出液管上；所述的流量傳感器位于進(jìn)水管和出液管上，用于測量進(jìn)出母液罐的溶液流量；所述的電源選用12伏或24伏直流電源；所述的用戶終端設(shè)備是帶有無線網(wǎng)卡的智能手機(jī)或平板電腦類的電子設(shè)備，通過現(xiàn)有軟件開發(fā)技術(shù)編寫控制軟件，實現(xiàn)對固體肥精準(zhǔn)變量配肥的控制；所述的WiFi模塊通過所述的輸入輸出接口與精量配肥控制器相連接；所述的精量配肥控制器選用STM32型單片機(jī)；所述的輸入輸出接口包括光電隔離、信號放大以及數(shù)字IO驅(qū)動電路；所述的EC傳感器、PH傳感器通過所述輸入輸出接口連接至精量配肥控制器；所述的排肥電機(jī)和攪拌電機(jī)通過所述的輸入輸出接口與精量配肥控制器相連，精量配肥控制器通過輸入輸出接口控制繼電器進(jìn)而控制電機(jī)啟停。安裝在用戶終端設(shè)備上的APP應(yīng)用程序通過無線信號輸出至WiFi模塊，由精量配肥控制器讀取WiFi模塊的控制信號，精量配肥控制器輸出控制信號控制繼電器的通斷狀態(tài)，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)落肥和攪拌操作。當(dāng)進(jìn)出口流量、EC和PH值發(fā)生改變時，流量傳感器、EC傳感器和PH傳感器將信號反饋給精量配肥控制器，精量配肥控制器讀取并處理信號，精量配肥控制器輸出控制信號對繼電器的通斷狀態(tài)和進(jìn)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)落肥和調(diào)節(jié)注水量，使母液的濃度、EC和PH值保持在一個恒定范圍內(nèi)。

本發(fā)明一種水肥一體化適用的顆粒肥精量配肥裝置的具體控制過程如下：

(1)操作人員將所述的精量配肥控制APP應(yīng)用程序安裝在手機(jī)中。當(dāng)需要進(jìn)行配肥工作時，操作人員開啟手機(jī)中的APP應(yīng)用程序，選擇APP應(yīng)用程序中顯示的注水按鍵，手機(jī)輸出的無線信號通過WiFi模塊傳輸至精量配肥控制器上，由精量配肥控制器對手機(jī)傳來的信號進(jìn)行讀取，通過對無線信號的判讀來控制進(jìn)水泵開始往母液罐中注水，當(dāng)母液罐的水位達(dá)到設(shè)定值時暫停注水；

(2)操作人員選擇APP應(yīng)用程序中顯示的排肥和攪拌按鍵，手機(jī)輸出的無線信號通過WiFi模塊傳輸至精量配肥控制器上，由精量配肥控制器對手機(jī)傳來的信號進(jìn)行讀取，通過對無線信號的判讀來控制繼電器狀態(tài)，進(jìn)而控制排肥電機(jī)和攪拌電機(jī)，開始往母液罐中排肥，攪拌機(jī)構(gòu)開始工作，肥料在母液罐中與水充分混合配成母液；

(3)當(dāng)母液濃度、EC和PH值達(dá)到設(shè)定值時，EC傳感器和PH傳感器將信號傳送到精量配肥控制器，控制器通過輸入輸出接口控制進(jìn)水泵和注肥泵，使兩個水泵開始工作，流量值通過流量傳感器傳送給精量配肥控制器，控制器控制進(jìn)出口有相同的流量，實現(xiàn)一邊排出母液，一邊繼續(xù)往母液罐中注水，注入的水再次和落入的肥料混合，使母液的濃度、EC和PH值在一個恒定范圍內(nèi)，實現(xiàn)母液配置的連續(xù)性；

(4)母液在排出的同時，母液的濃度、EC值和PH值隨之發(fā)生改變，EC傳感器和PH傳感器將測得當(dāng)前的值傳送給精量配肥控制器，控制器通過輸入輸出接口控制排肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若當(dāng)前值高于設(shè)定值，減小排肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小排肥量，若當(dāng)前值低于設(shè)定值，增大排肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，增大排肥量，通過調(diào)節(jié)排肥量來控制母液的濃度、EC值和PH值。

本發(fā)明中精量配肥控制APP應(yīng)用程序中信號處理流程如下：

1)單位時間內(nèi)排肥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速n_i1轉(zhuǎn)換為排肥量I_i

I_i＝47×ρ₁φD²Sn_i1i i＝1、2、3......------------(1)

式中ρ₁為肥料密度；φ為填充系數(shù)；D為蛟龍螺旋公稱直徑；S為蛟龍螺距；i為時間；

2)單位時間內(nèi)水泵流量q_i轉(zhuǎn)換為質(zhì)量M_i

M_i＝q_iρ₂i i＝1、2、3......------------(2)

式中ρ₂為水密度；i為時間；

3)單位時間內(nèi)母液濃度C_m

$C_m=\frac{I_i}{I_i+M_i},i=1,2,\mathrm{3......}---\left(3\right)$

4)將母液的濃度C_m以及測得的EC值和PH值與設(shè)定值對比，若當(dāng)前值高于設(shè)定值，減小排肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小排肥量，若當(dāng)前值低于設(shè)定值，增大排肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，增大排肥量，通過調(diào)節(jié)排肥量來控制母液的濃度、EC值和PH值。

本發(fā)明的有益效果是：

1、針對水肥一體化配肥要求，本發(fā)明可實現(xiàn)精確、定量、均勻穩(wěn)定的肥料施用，省時省力，降低了勞動強(qiáng)度和使用工序。

2、本發(fā)明可以施用粉末狀和顆粒狀的肥料，特別是針對難溶解的顆粒肥，提高了溶解速率和溶解率，提高了水肥一體化配肥的實用性。

3、本發(fā)明可實現(xiàn)配肥母液隨排隨配，提高了配肥的連續(xù)性，具備實現(xiàn)變量配肥功能。

附圖說明

圖1為精量配肥裝置示意圖

圖2為排肥機(jī)構(gòu)示意圖

圖3為攪拌機(jī)構(gòu)示意圖

圖4為精量配肥裝置內(nèi)部剖視圖

圖5為精量配肥裝置內(nèi)部剖視圖(二)

圖6為精量配肥裝配流程圖

圖7為精量排肥裝置控制過程流程圖

圖中：1支撐架、2母液罐、3出液管、4液面顯示管、5肥料漏斗、6外殼、7軸承、8絞龍、9排肥口、10絞龍軸、11排肥電機(jī)、12進(jìn)肥口、13攪拌電機(jī)、14攪拌軸、15扇型攪拌葉輪、16過濾網(wǎng)筒、17漏斗、18V型過濾網(wǎng)筒、19混合罐、20爪型攪刀

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

一種水肥一體化適用的固體肥精量配肥裝置，包括精量排肥機(jī)構(gòu)、攪拌過濾機(jī)構(gòu)、支撐架和控制系統(tǒng)。

所述的精量排肥機(jī)構(gòu)包括三個相同的排肥機(jī)構(gòu)，三個排肥機(jī)構(gòu)安裝在支撐架1上；三個排肥口9位于母液罐2口上方便于肥料的落入；精量排肥機(jī)構(gòu)包括肥料漏斗5、排肥電機(jī)11、絞龍8、絞龍軸10、外殼6、進(jìn)肥口12和排肥口9。所述的肥料漏斗5焊接在外殼6的進(jìn)肥口9上面；所述的外殼6是兩個端面封閉的圓柱筒，在殼體上下兩個側(cè)面分別設(shè)有進(jìn)肥口12和排肥口9；所述的排肥電機(jī)11位于外殼6的前端通過聯(lián)軸器與絞龍軸10連接；所述的絞龍8位于外殼6內(nèi)，絞龍8的螺旋外邊緣與外殼6的內(nèi)壁相切，絞龍8的螺旋內(nèi)邊緣固接在絞龍軸10上；所述的絞龍軸10與外殼6同心，絞龍軸10另一端通過軸承固定在外殼6末端。

所述的攪拌過濾機(jī)構(gòu)所采取的方案一：包括攪拌電機(jī)13、過濾網(wǎng)筒16、母液罐2、攪拌軸14和扇型攪拌葉輪15，適用于溶解速度較快的肥料。所述的過濾網(wǎng)筒16位于母液罐2內(nèi)部，過濾網(wǎng)筒16的開口與母液罐口相接觸，并通過彈性卡扣活動的安裝在母液罐口上，使過濾網(wǎng)筒16可拆裝，便于過濾網(wǎng)筒16的清洗；所述的母液罐2是圓柱形桶，母液罐2底部側(cè)面分別設(shè)有出液管3和液面顯示管4，母液罐口是敞開式位于排肥機(jī)構(gòu)三個排肥口9的下方，便于肥料落入母液罐2；所述的攪拌軸14上端穿過母液罐口通過聯(lián)軸器與攪拌電機(jī)13連接，攪拌軸14下端與扇型攪拌葉輪15連接；所述的扇型攪拌葉輪15是風(fēng)扇狀的葉輪，可使液體上下翻滾便于肥料和水混合，扇型攪拌葉輪15位于過濾網(wǎng)筒16的底部。

所述的攪拌過濾機(jī)構(gòu)所采取的方案二：包括攪拌電機(jī)13、V型過濾網(wǎng)筒18、漏斗17、混合罐19、攪拌軸14和爪型攪刀20，適用于溶解速度較慢的肥料；所述的攪拌電機(jī)13固定在混合罐19頂端的一側(cè)并通過聯(lián)軸器與攪拌軸14連接，攪拌軸14下端連接爪型攪刀20；所述的V型過濾網(wǎng)筒18位于混合罐19內(nèi)部，V型過濾網(wǎng)筒18一端固定在混合罐19頂端，可容納攪拌軸14和爪型攪刀20可在V型過濾網(wǎng)筒18內(nèi)自由轉(zhuǎn)動；所述的爪型攪刀20是外形似爪的刀片且位于V型過濾網(wǎng)筒20末端，可將肥料從V型過濾網(wǎng)筒20底部吸起，從而實現(xiàn)反復(fù)攪碎并加快溶解肥料；混合罐19罐口設(shè)有漏斗17，漏斗17位于排肥口9正下方；漏斗17底部與V型過濾網(wǎng)筒18另一端連接，漏斗17用于將排肥機(jī)構(gòu)的肥料落入V型過濾網(wǎng)筒18；所述的混合罐19是圓柱形桶，其底部側(cè)面設(shè)有出液管3和液面顯示管4，混合罐19頂部固定攪拌電機(jī)13和漏斗17。

所述的支撐架1位于母液罐2或混合罐19上方用于固定精量排肥機(jī)構(gòu)。

所述的控制系統(tǒng)，包括電源、WIFI模塊、用戶終端設(shè)備、精量配肥控制器、輸入輸出接口、EC傳感器和PH傳感器和流量傳感器；所述的EC傳感器和PH傳感器位于出液管3上；所述的流量傳感器位于進(jìn)水管和出液管3上，用于測量進(jìn)出母液罐2的溶液流量；所述的電源選用12伏或24伏直流電源；所述的用戶終端設(shè)備是帶有無線網(wǎng)卡的智能手機(jī)或平板電腦類的電子設(shè)備，本實施例以用戶終端使用智能手機(jī)為例，通過現(xiàn)有軟件開發(fā)技術(shù)可以編寫手機(jī)APP軟件，實現(xiàn)對固體肥精準(zhǔn)變量配肥的控制；所述的WiFi模塊通過所述的輸入輸出接口與精量配肥控制器相連接；所述的精量配肥控制器選用STM32型單片機(jī)；所述的輸入輸出接口包括光電隔離、信號放大以及數(shù)字IO驅(qū)動電路；所述的EC傳感器和PH傳感器通過所述輸入輸出接口連接至精量配肥控制器；所述的排肥電機(jī)11和攪拌電機(jī)13通過所述的輸入輸出接口與精量配肥控制器相連，精量配肥控制器通過輸入輸出接口控制繼電器進(jìn)而控制電機(jī)啟停。安裝在用戶終端設(shè)備上的APP應(yīng)用程序通過無線信號輸出至WiFi模塊，由精量配肥控制器讀取WiFi模塊的控制信號，精量配肥控制器輸出控制信號控制繼電器的通斷狀態(tài)，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)落肥和攪拌操作。當(dāng)進(jìn)出口流量、EC和PH值發(fā)生改變時，流量傳感器、EC傳感器和PH傳感器將信號反饋給精量配肥控制器，精量配肥控制器讀取并處理信號，精量配肥控制器輸出控制信號對繼電器的通斷狀態(tài)和進(jìn)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)落肥和調(diào)節(jié)注水量，使母液的濃度、EC和PH值保持在一個恒定范圍內(nèi)。

本發(fā)明一種水肥一體化適用的顆粒肥精量配肥裝置的具體控制過程如下：

(1)操作人員將精量配肥控制APP應(yīng)用程序安裝在手機(jī)中。當(dāng)需要進(jìn)行配肥工作時，操作人員開啟手機(jī)中的APP應(yīng)用程序，選擇APP應(yīng)用程序中顯示的注水按鍵，手機(jī)輸出的無線信號通過WiFi模塊傳輸至精量配肥控制器上，由精量配肥控制器對手機(jī)傳來的信號進(jìn)行讀取，通過對無線信號的判讀來控制進(jìn)水泵開始往母液罐2中注水，當(dāng)母液罐2的水位達(dá)到設(shè)定值時暫停注水；

(2)操作人員選擇APP應(yīng)用程序中顯示的排肥和攪拌按鍵，手機(jī)輸出的無線信號通過WiFi模塊傳輸至精量配肥控制器上，由精量配肥控制器對手機(jī)傳來的信號進(jìn)行讀取，通過對無線信號的判讀來控制繼電器狀態(tài)，進(jìn)而控制排肥電機(jī)11和攪拌電機(jī)13，開始往母液罐2中排肥，攪拌機(jī)構(gòu)開始工作，肥料在母液罐2中與水充分混合配成母液；

(3)當(dāng)母液濃度、EC和PH值達(dá)到設(shè)定值時，EC傳感器和PH傳感器將信號傳送到精量配肥控制器，控制器通過輸入輸出接口控制進(jìn)水泵和注肥泵，使兩個水泵開始工作，流量值通過流量傳感器傳送給精量配肥控制器，控制器控制進(jìn)出口有相同的流量，實現(xiàn)一邊排出母液，一邊繼續(xù)往母液罐中注水，注入的水再次和落入的肥料混合，使母液的濃度、EC和PH值在一個恒定范圍內(nèi)，實現(xiàn)母液配置的連續(xù)性；

(4)母液在排出的同時，母液的濃度、EC值和PH值隨之發(fā)生改變，EC傳感器和PH傳感器將測得當(dāng)前的值傳送給精量配肥控制器，控制器通過輸入輸出接口控制排肥電機(jī)11的轉(zhuǎn)速，若當(dāng)前值高于設(shè)定值，減小排肥電機(jī)11的轉(zhuǎn)速，減小排肥量，若當(dāng)前值低于設(shè)定值，增大排肥電機(jī)11的轉(zhuǎn)速，增大排肥量，通過調(diào)節(jié)排肥量來控制母液的濃度、EC值和PH值。

本發(fā)明中信號處理流程如下：

1)單位時間內(nèi)排肥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速n_i1轉(zhuǎn)換為排肥量I_i

I_i＝47×ρ₁φD²Sn_i1i i＝1、2、3......------------(1)

式中ρ₁為肥料密度；φ為填充系數(shù)；D為蛟龍螺旋公稱直徑；S為蛟龍螺距；i為時間；

3)單位時間內(nèi)水泵流量q_i轉(zhuǎn)換為質(zhì)量M_i

M_i＝q_iρ₂i i＝1、2、3......------------(2)

式中ρ₂為水密度；i為時間；

4)單位時間內(nèi)母液濃度C_m

$C_m=\frac{I_i}{I_i+M_i},i=1,2,\mathrm{3......}---\left(3\right)$

4)將母液的濃度C_m以及測得的EC值和PH值與設(shè)定值對比，若當(dāng)前值高于設(shè)定值，減小排肥電機(jī)11的轉(zhuǎn)速，減小排肥量，若當(dāng)前值低于設(shè)定值，增大排肥電機(jī)11的轉(zhuǎn)速，增大排肥量，通過調(diào)節(jié)排肥量來控制母液的濃度、EC值和PH值。