[0003] 本发明就是为了克服现有技术存在的上述缺点，提供一种高效水肥药一体化喷灌机；本发明通过使用卷盘式喷灌机进行喷灌，建立高效节水灌溉示范区，从而改善水浇条件，在节水节能节地增产增收等方面将产生明显的经济效益，同时生态效益好，该机属于无人作业机械，有效降低降低生产成本、减少能耗、减轻对土壤的压实和破坏，能够谁时蓄水保墒，保护耕地；同时分层施肥药能够提高肥料利用率，降低肥药浪费及环境污染，生态效益显著，社会效益高。
[0004] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
[0005] 一种高效水肥药一体化喷灌机，包括卷盘机、喷水行车、输水管，还包括水肥药一体化智能控制系统，所述卷盘机包括绞盘、动力传动机构、底盘、水涡轮机构、排管机构，输水管缠绕在卷盘机的绞盘上，转盘与底盘连接，绞盘与转盘连接并能够绕转动轴转动预定角度，动力传动机构与底盘上水涡轮机构一侧的支架连接，动力传动机构包括减速箱、链条链轮传动部件，水涡轮的动力输出轴通过链条链轮传动与减速箱的动力输入轴连接，减速箱的动力输出轴通过链条链轮传动带动绞盘上的链轮转动从而带动绞盘转动，将输水管缠绕在绞盘上；
[0006] 所述水肥药一体化智能控制系统包括无线墒情传感器、无线传输网络、用于决策的上位机、用于控制电控执行机构的下位机，所述上位机通过串口与无线串口传输站连接，无线串口传输站通过无线信号与下位机连接，下位机与电控执行机构连接，上位机通过网线与无线网络传输站连接，无线网络传输站通过无线信号与无线墒情传感器连接，下位机与电源连接，电源的电量通过无线串口在计算机上得到显示和监控，若干无线墒情传感器分布于土地分格单元中，无线墒情传感器负责收集施肥地块的墒情情况，并将数据实时传送至上位机中、为施肥决策提供依据；
[0007] 所述电控执行机构包括变量调节执行机构、卷盘机匀速回收控制结构、水泵停机机构、感知系统，变量调节执行机构包括肥液气动调节阀、酸碱液气动调节阀、加药计量泵、水泵流量控制阀，感知系统包括EC/PH传感器和液位传感器；
[0008] 在喷水行车的机架上固定有液位采集器、摄像头，所述液位采集器、摄像头通过无线传输与控制器连接，液位传感器与液位采集器连接，液位采集器的入口分别与施药箱、肥液桶通过管道连接，所述液位采集器、施药箱、肥液桶分别连接在靠近机架中间位置的两侧，以保持较长结构的机架的中心尽量靠近机架的中心位置、保持机架和喷水行车的运行平稳性，通过液位采集器、摄像头向田间地头人员实时发送肥液使用量和剩余量信息。
[0009] 所述喷水行车为多喷头桁架车，多喷头桁架车包括相连接的机架、两个行走轮、行走轮支架、喷水总管、施肥总管、施药总管、喷水喷头、施肥喷头、施药喷头，所述喷水喷头通过喷水分管、三通与喷水总管连接，施肥喷头通过施肥分管、三通与施肥总管连接，施药总管与施药箱通过管道连接，施药喷头通过施药分管、三通与施药总管连接，所述喷水总管、施肥总管分别与机架连接，所述施肥喷头、喷水喷头、施药喷头的位置从前向后布置，即工作时按照喷肥、喷水、喷药的顺序进行。
[0010] 喷水总管包括左侧喷水管、右侧喷水管，左侧喷水管与四通连接器的左侧出水口连接，右侧喷水管与四通连接器的右侧出水口连接，输水管出水口与四通连接器的下侧进水口连接，施肥总管与过渡管的出水口连接，过渡管进水口与四通连接器的上侧出水口连接，所述过渡管上设有阀门，阀门的进水一侧通过三通与管道一的一端，阀门的出水一侧通过三通与管道二的一端连接，管道一的另一端与比例式注肥泵的进水口一端连接，管道二的另一端与比例式注肥泵的出水口连接，比例式注肥泵的进肥口与施肥管出口连接，施肥管进口通过过滤器与肥液桶出肥口连接，排管机构与底盘连接，比例式注肥泵固定在机架上，肥液桶通过不锈钢捆带固定在机架上；行走轮与行走轮支架下部连接，行走轮支架上部与机架连接，行走轮支架在机架的位置可以调节。
[0011] 所述施肥总管采用PPR材质，施肥总管由多根施肥管体串联连接形成整体结构，相邻施肥管体的端部分别连接有快换接头，相邻施肥管体的快换接头之间通过透明的弹簧波纹管连接。
[0012] 每个施肥分管旁边皆带有施肥挂钩器，施肥挂钩器一端与施肥分管连接、另一端与施肥总管连接；施肥挂钩器来调节施肥分管的水平间距和高度，分别调节施肥的高度和间距；每个施药分管旁边皆带有施药挂钩器，施药挂钩器一端与施药分管连接、另一端与施药总管连接；同时施药挂钩器来调节施药分管的水平间距和高度。
[0013] 所述施肥分管上设有不锈钢管卡，所述喷水总管上有不锈钢套管，施肥分管通过不锈钢管卡和不锈钢套管配合与喷水总管连接；施药分管上设有不锈钢管卡，施药分管通过不锈钢管卡和不锈钢套管与喷水总管连接。
[0014] 所述上位机内设有数据库，通过计算机数据库调取当前作物需肥或者农药喷撒配比情况，为智能控制器下达施肥及喷药量的指标，同时统计施肥量、用水量、用药量信息；由EC/PH传感器、智能控制器及相应的气动调节阀组成肥料变量控制的PID系统，根据计算机提供的指标为农作物提供最佳的水肥配比，当需要喷撒农药时，在计算机的控制下，根据水罐的截面积及液位计提供的水位信息计算出罐内水的体积，然后根据数据库中提供的农药配比，在智能控制器的作用下驱动加药计量泵将合理量的农药注入到罐内，通过上位机实现被施肥土地的网格划分、初始化喷架参数、喷灌的启动与停止、追踪记录施肥进度、查询单元土地的墒情值。
[0015] 水泵停机机构包括GSM无线传输模块、连杆结构、行程开关、水泵控制器，GSM无线传输模块包括GSM发射模块、GSM接收模块，GSM发射模块与卷盘机连接，GSM接收模块设于水泵控制箱内，行程开关与GSM发射模块连接，连杆结构一端与行程开关配合、另一端与摆动升降机构连接，行程开关通过电路与水泵控制器连接，水泵控制器控制水泵的启停开关动作，或者行程开关直接与水泵启停开关连接控制启停开关动作，采用GSM模块无线传输，当灌溉结束时，通过连杆结构触发行程开关，输出信号到固定在喷灌机卷盘机上的GSM发射模块，通过天线GSM模块无线发射短信到水泵控制箱内的GSM接收模块，然后输出信号到水泵启停开关或者水泵控制器，关闭水泵，水泵控制器还可以与手机信号连接，通过手机短信实现远程控制水泵的启停；水泵控制器与下位机连接。
[0016] 所述卷盘机匀速回收控制结构包括感应轮、传感器、匀速回收控制器、步进电机及减速器、主动齿轮、扇形齿轮、流量计、电池、太阳能发电系统，扇形齿轮与喷灌机水涡轮调速轴连接，传感器与喷灌机水涡轮一侧的支架连接，感应轮与喷灌机水涡轮一侧的涡轮转动轴连接，步进电机及减速器与喷灌机支架连接，主动齿轮与减速器的输出轴连接，主动齿轮与扇形齿轮啮合，匀速回收控制器与喷灌机支架连接，所述传感器、匀速回收控制器、步进电机与电池连接，所述传感器、匀速回收控制器、步进电机及减速器设于喷灌机水涡轮一侧的喷灌机支架上，太阳能发电系统与另一侧的喷灌机支架连接，流量计设于进水管道上、用于监控进入水涡轮的流量大小，传感器、流量计、步进电机的调速器与匀速回收控制器连接，通过匀速回收控制器调节进入水涡轮水流量的多少从而实现喷灌机卷盘转动的快慢；匀速回收控制器与下位机连接。
[0017] 太阳能发电系统包括光伏组件、控制器组件、蓄电池组，光伏组件与控制器组件连接，控制器组件与蓄电池组连接，光伏组件与喷灌机的垂直支撑柱连接，光伏组件可移动地与垂直支撑柱连接，垂直支撑柱与喷灌机另一侧的支架连接，光伏组件通过转轴与垂直支撑柱连接以便于调节与太阳照射的角度，控制器组件、蓄电池组放置在喷灌机的底盘，喷灌机的卷盘机匀速回收控制结构的电池与太阳能发电系统的蓄电池组连接，或者由蓄电池组直接给喷灌机卷盘机匀速回收控制结构的电器供电。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] 1.本发明的上位机PC及PLC下位机相互结合为整个系统提供可靠的决策执行能力。无线传送网络作为信息传输的管道，它的信息传输能力(传输速率、抗干扰性及稳定性)决定了整个控制系统能否可靠稳定工作。水肥药一体化智能控制系统由若干分布于土地分格单元的无线墒情传感器、无线传输网络、用于决策的上位机PC及用于控制电控执行机构的PLC下位机组成。无线墒情传感器负责收集施肥地块的墒情情况，并将数据实时传送至上位机中，为施肥决策提供依据。实现了被施肥土地的网格划分，初始化喷架参数、喷灌的启动与停止、追踪记录施肥进度、查询单元土地的墒情值等功能。
[0020] 2.本发明通过使用卷盘式喷灌机进行喷灌，建立高效节水灌溉示范区，从而改善水浇条件，在节水节能节地增产增收等方面将产生明显的经济效益。具体表现在：高效节水：改地面灌溉为大田喷灌，有效地防止了水的深层渗漏损失，提高了水的有效利用率；节电：喷灌虽配套动力比一般地面灌溉大，但喷灌时间短，灌水定额小；节地：由于喷灌可大量减少沟渠占地，提高耕地利用率与地面灌溉相比；适时灌溉增产：实行喷灌后可提高灌溉保证率，改善田间灌水条件，有利于适时适量灌水；省工：与土渠灌溉相比，喷灌亩年可省工2个，喷灌每公顷每年可省工30个；节约打井投资：喷灌的节水效果明显，使单井控制面积扩大，降低了打井投资。
[0021] 卷盘式喷灌机还具有适应性强的特点地形状况对喷灌基本上没有影响，即便是坡度很大地形状况复杂，难于采用传统地面灌溉的土地，喷灌的灌溉效果依然很好，尤其是卷盘式喷灌机移动非常方便，更适合中国的实际情况。
[0022] 使用卷盘式喷灌机进行喷灌有利于水土保持用户可根据土壤的实际情况来。调整灌溉的水滴直径及喷灌强度的大小，不破坏土壤结构，不产生土壤冲刷，避免水土流失，形成良好的田间小气候，并且通过喷灌控制湿润深度，消除深层渗漏，可以有效避免盐碱化。
[0023] 3.社会效益高，高效节水灌溉示范工程的实施不仅会给项目区带来更大的经济效益，同时还会产生巨大的社会效益；生态效益好，该机属于无人作业机械，有效降低降低生产成本、减少能耗、减轻对土壤的压实和破坏，能够谁时蓄水保墒，保护耕地；同时分层施肥药能够提高肥料利用率，降低肥药浪费及环境污染，生态效益显著。
[0024] 4.本发明的水肥一体化变量灌溉(施肥)操控系统，是喷灌均匀度高，具有喷灌自动校正、灌溉量调节、远程停泵、故障信号远程发送的智能化，实现喷灌精准化作业。通过将土地分成若干单元，每个单元配置一个土地墒情无线传输测试仪，喷灌前测试每个单元土地的墒情，与希望的目标墒情进行比较，根据墒情差值来计算出喷灌机在该单元土地的回收速度，这样就可以实现喷灌机根据不同土地墒情，自动调节运行速度，完成变量喷灌(施肥)。
[0025] 5.通过行走轮142与行走轮支架156下部连接，行走轮支架156上部与机架连接，行走轮支架156在机架的位置可以调节，保证两个行走轮142在机架141上的位置可以调节到向外的位置，保持直线移动的平稳性。
[0026] 6.由于施肥总管144采用PPR材质，施肥总管144由多根施肥管体串联连接形成整体结构，相邻施肥管体的端部分别连接有快换接头1442，相邻施肥管体的快换接头之间通过透明的弹簧波纹管1443连接，每根施肥管体的长度可以为四米左右，每段和每段之间通过快换接头连接，这样可以拆装便捷。快换接头和快换接头之间连接透明的弹簧波纹管，不仅有利于设备在田间不平道路行走时的左右上下摆动，而且还有利于通过透明弹簧波纹管进行实时观察。在施肥管进行喷肥时，施肥总管通过PPR三通到施肥分管，再到雾化喷头进行喷洒。
[0027] 7.每个施肥分管旁边皆带有施肥挂钩器1441，施肥挂钩器一端与施肥分管连接、另一端与施肥总管连接。同时施肥挂钩器来调节橡胶管的间距和水平高度，可分别调节施肥的高度和间距。每个施药分管旁边皆带有施药挂钩器，施药挂钩器一端与施药分管连接、另一端与施药总管连接。同时施药挂钩器来调节橡胶管的间距和水平高度，可分别调节施药的高度和间距。
[0028] 6.所述施肥管上设有不锈钢管卡，所述喷水总管上有不锈钢套管，施肥管通过不锈钢管卡和不锈钢套管配合与喷水总管连接；施药管上设有不锈钢管卡，施药管通过不锈钢管卡和不锈钢套管与喷水总管连接。这样不仅简单美观，而且拆装也是十分方便。
[0029] 7.通过在上位机内设有含数据库，通过计算机数据库调取当前作物需肥或者农药喷撒配比情况，为智能控制器下达施肥及喷药量的指标，同时统计施肥量、用水量、用药量等信息。由EC/PH传感器、智能控制器及相应的气动调节阀组成肥料变量控制的PID系统，可根据计算机提供的指标为农作物提供最佳的水肥配比。当需要喷撒农药时，在计算机的控制下，根据水罐的截面积及液位计提供的水位信息计算出罐内水的体积，然后根据数据库中提供的农药配比，在智能控制器的作用下驱动加药计量泵将合理量的农药注入到罐内。通过上位机实现被施肥土地的网格划分、初始化喷架参数、喷灌的启动与停止、追踪记录施肥进度、查询单元土地的墒情值等。
[0030] 通过无线串口实现了上位机与下位机之间的通讯，摆脱了线缆的束缚，使其之间的搭配更为灵活。上位机与下位机之间采用主从通讯方式，即下位机严格按照计算机的指令进行工作，上位机的供电方式采用锂电池供电，其电量的显示通过无线串口在上位机上得到监控，非常适合工作在无交流电源的野外环境。
[0031] 8.液位采集器、施药箱、肥液桶分别连接在靠近机架中间位置的两侧，以保持较长结构的机架的中心尽量靠近机架的中心位置、保持机架和喷水行车的运行平稳性，通过液位采集器、摄像头向田间地头人员实时发送肥液、药液使用量和剩余量信息。
