用于提供灌溉服务的系统和灌溉方法与流程

1.本发明属于农业领域，涉及一种用于提供灌溉服务的系统和灌溉方法，尤其涉及一种移动式地将纳米气泡水灌溉至农作物土壤中，改善农作物根区水肥气环境的一体式系统。


背景技术：

2.近年来中国的氢产业发展迅速，市场需求日益增加。氢气由于其具有多种生物学效应以及使用上的安全性和经济性，在农业生产上的应用前景十分广阔。
3.氢气对植物的生长发育具有多种促进作用。已经有多种研究分别发现，氢气作为一种重要的信号分子可以促进黑麦、绿豆和水稻等种子的萌发，例如，使用富氢水浸泡水稻种子可以缓解盐胁迫导致的萌发抑制。根系的发育直接影响植物对养分和水分的吸收，富氢水可以促进猪笼草、万寿菊和黄瓜外植体不定根的发育，有效增加根系表面积，显著促进当归根系的生长，并提升当归的产量。氢气对农作物因重金属浓度过高造成的胁迫具有一定的抵抗作用，例如，使用富氢水可以缓解镉和铝对紫花苜蓿生长的抑制。此外，氢气还可以提高萝卜芽苗菜和草莓中的花青素和多酚含量。
4.现有技术中，氢气在农业上的使用方式主要有氢气熏蒸和富氢水处理等。通过富氢水来提高氢气含量、发挥氢气的生物学效应是可行的。在实验室规模中，需要使用少量富氢水时，常将氢棒或纯氢通入水中等方式制备富氢水，而针对专用农业制氢设备的研究开发还比较少，现有的设备难以满足开放式农田生产的需求。例如，专利号为zl201210154005.0的中国发明专利“一种富氢液态植物生长调节剂及其制备方法与应用”披露了，在营养液中直接通入氢气以获得富含氢的植物生长调节剂。该发明公开了通过发酵法、电解法、化学法以及钢瓶制备氢气，然后将氢气溶解在水或营养液中，从而产生富含氢的植物生长调节剂。然而，直接将氢气通入水中制备的富氢水中的溶解氢半衰期很短，只有约1小时左右，所制备的富氢植物生长调节剂中氢气的停留时间很短，制备后需立即使用，否则氢气将从富氢植物生长调节剂中逸散。这种方式明显不适用于开放式农田生产中浇灌面积大、耗时长的实际情况。发酵法制氢气需要发酵罐或发酵池，发酵过程中往往会带有难闻的气味并产生有害的副产物，并且，为了满足开放式农田农业需求的大量氢气，发酵罐或发酵池的占地面积将会很大，同样也不适用于开放式农田。化学法制备氢气需要向水中添加类似氢化镁等产氢材料，在制备氢气的同时引入了类似镁离子等其他物质，因为开放式农田生产需要大规模高浓度的氢水来发挥氢气的生物学效应，化学法制备氢水将消耗大量产氢材料，成本较高。更重要的是，大量类似氢化镁等产氢材料的使用，可能会带来农作物的金属离子胁迫等问题。另外，即使有可行的设备，如果要达到制备纳米气泡氢水所需的氢气压力和浓度，电解设备的功率就需要很高，往往要达到380v或更高，偏远地区很难达到这样的电力或能源条件。
5.有鉴于此，本发明针对大部分灌溉和加气设备均分散安装布置于不同位置，占地面积大且运行不集中的问题，研发了一套用于提供灌溉服务的一体式系统，保证了微纳米
气泡灌溉的有效灌溉面积，提高了灌溉效率。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种用于提供灌溉服务的一体式系统和灌溉方法。
7.本发明中的移动式的一体式系统集成了抽水泵、气体钢瓶和纳米气泡发生装置，出水量可以达到1t/h～50t/h，产生的纳米气泡气体浓度范围在0～3ppm，半衰期可长达12小时。该系统适用于大棚或开放式农田，尤其是电力状况不佳的偏远地区。该一体式系统借助于卡车等运输工具，易于移动和安装。其中的控制系统可以自动调节气体钢瓶和灌溉水的流量和压力，使纳米气泡气体的浓度保持在设定值范围内。同时控制系统和控制设备相连，实现远程移动监控，农田现场无需过多的人员看守。可移动的特性使其可以供应到多个农场，提高了使用率，大大减少了农场的固定投资费用。另外，气体钢瓶不需要存放在农场，有利于压力设备的集中管理，可以大大降低因存放或操作不当造成的危险。
8.本发明的第一方面提供了一种用于提供灌溉服务的系统，所述系统包括运输工具、移动装置和土壤水分传感器，所述移动装置可拆卸地配置在运输工具内，其中所述移动装置包括纳米气泡发生装置、气体钢瓶、控制系统、抽水泵、供气管道和氧化还原电位测量元件，所述抽水泵的出水口连接纳米气泡发生装置的进水口；所述纳米气泡发生装置、气体钢瓶、抽水泵和氧化还原电位测量元件分别与所述控制系统相连接；
9.所述土壤水分传感器设置在目标农作物的土壤中以获得土壤湿度，并将土壤湿度发送至控制系统，所述控制系统用于根据接收到的土壤湿度，控制抽水泵的功率；
10.所述纳米气泡发生装置通过供气管道与所述气体钢瓶连接，以用于将从所述气体钢瓶输出的气体转化为纳米气泡，并使得纳米气泡溶解于灌溉水中，灌溉水经一灌溉管路输送至目标农作物的土壤中；
11.所述气体钢瓶用于提供包含h2、o2和co2中的至少一种的气体；
12.所述氧化还原电位测量元件用于检测自纳米气泡发生装置至灌溉管路的灌溉水中的溶解氢浓度，并将所述溶解氢浓度发送至所述控制系统，所述控制系统用于根据接收到的溶解氢浓度控制气体钢瓶的开启、关闭或开度。
13.在一种实施方式中，所述控制系统为可编程控制器。
14.在一种实施方式中，所述控制系统预存有溶解氢浓度的上限值和溶解氢浓度的下限值，所述控制系统用于在氧化还原电位测量元件检测到溶解氢浓度小于所述下限值时，控制气体钢瓶的开启或调大；或用于在检测到溶解氢浓度大于所述上限值时，控制气体钢瓶的关闭或调小。
15.在一种实施方式中，该纳米气泡发生装置设置有进水口和出水口，所述纳米气泡发生装置的出水口连接至灌溉管路。
16.在一种实施方式中，所述移动装置内还配置有控制面板，所述控制面板与控制系统相连接。
17.在一种实施方式中，所述控制面板用于显示气体钢瓶中的气体体积、压力和流量，纳米气泡发生装置的进水口和出水口的压力和流量，纳米气泡发生装置出水口处的溶解氢浓度，和抽水泵的功率。
18.在一种实施方式中，所述控制系统包括阀门控制模块、气体钢瓶控制模块、纳米气泡发生装置控制模块和抽水泵控制模块，其中，所述阀门控制模块用于控制各阀门的开启、开度或关闭；所述气体钢瓶控制模块与所述气体钢瓶连接，用于控制气体钢瓶输出的气体的气速和压力；所述纳米气泡发生装置控制模块与所述纳米气泡发生装置相连接，用于控制其产生的纳米气泡的参数；所述抽水泵控制模块用于控制抽水泵的功率。
19.在一种实施方式中，所述阀门控制系统包括电磁阀。
20.在一种实施方式中，气体钢瓶提供的气体压力范围在0.4mpa～20mpa，较佳地为13mpa～20mpa，更佳地为15mpa～18mpa。
21.在一种实施方式中，所述气体钢瓶为氢气钢瓶。
22.在一种实施方式中，纳米气泡发生装置的出水口的流量范围在1t/h～50t/h。
23.在一种实施方式中，纳米气泡发生装置的出口处设置有纳米气泡流量计，用于检测纳米气泡发生装置输出的纳米气泡的气体流量值，并将所述气体流量值发送至控制系统。
24.在一种实施方式中，纳米气泡发生装置产生的纳米气泡气体浓度范围在0～3ppm。
25.在一种实施方式中，移动装置通过螺栓固定在运输工具上。
26.在一种实施方式中，所述控制系统通过远程无线传输系统与控制设备相连，实现远程移动监控。控制系统输出的信号在控制灌溉水量及纳米气泡氢的浓度的同时，可以向控制设备实时发送氢气的压力及流量值、纳米气泡发生装置的进水口和出水口的流量、土壤湿度、气体钢瓶的气体余量等。
27.本发明的第二方面提供了一种灌溉方法，应用于该提供灌溉服务的系统，包括步骤：
28.(1)所述土壤水分传感器获得土壤湿度的数据，并将所述土壤湿度的数据发送至所述控制系统，控制系统根据接收的土壤湿度的数据控制抽水泵的功率、纳米气泡发生装置的出水口的流量；
29.(2)启动抽水泵，向纳米气泡发生装置中注入灌溉水；
30.(3)连接纳米气泡发生装置与氢气钢瓶，将从氢气钢瓶接收到的氢气转化为纳米气泡氢，并通过灌溉管路将纳米气泡氢水输送至目标农作物的土壤中；氧化还原电位测量元件检测自纳米气泡发生装置的出水口至灌溉管路的溶解氢浓度，控制系统用于根据接收到的溶解氢浓度控制氢气钢瓶上的开启、关闭或开度；
31.(4)当土壤湿度达到设定值和/或纳米气泡发生装置的出水口处的溶解氢浓度达到设定值后，关闭气体钢瓶和抽水泵。
32.与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
33.1.本发明的提供灌溉服务的系统通过设置在土壤中的土壤水分传感器以及纳米气泡发生装置处的氧化还原电位测量元件，输出土壤湿度和溶解氢浓度的相关数据至控制系统，控制系统经过逻辑运算后输出相应的模拟信号或数字信号对气体流量和灌溉水的流量进行调节，直至达到所希望的土壤湿度和溶解氢浓度。
34.2.气体钢瓶(储罐)不仅可以提供纯的单一气体，还可以根据需要提供多种气体的混合气。并且解决了需要大量电能或能源制备氢气或氧气的问题，对电力和电压的要求都很低，增加了设备的应用范围，特别适用于电力不发达的偏远地区。另外，气体钢瓶(储罐)
可提供高压气体(15mpa左右)，有利于提高气体在灌溉水中的溶解度，也可以更方便地改变气体的压力的流量以控制其在水中的溶解度。
35.3.本发明的控制系统运行减轻了对气体钢瓶操作者的专业技能要求，也减轻了农民自行调节气体压力和流量所需要掌握的专业知识。
36.4.改装后的运输工具可以为抽水泵提供动力，并且，在纳米气泡发生装置的后部可以额外加装动力系统，在运输工具动力不足时为抽水泵提供动力。
37.5.一体式系统可拆卸地(例如通过螺栓)固定在卡车上，它的可移动性使其具有更高的利用率，大幅度降低了固定投资成本。
38.6.气体钢瓶(储罐)无需存放在农场，降低了误操作等造成的爆炸风险。
附图说明
39.关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。
40.图1是本发明实施例中的用于提供灌溉服务的系统的结构示意图；
41.图2是本发明实施例中的用于提供灌溉服务的系统的俯视图；
42.图3是本发明实施例中的控制系统的控制流程图。
具体实施方式
43.下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
44.在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
45.在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。
46.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。
47.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以
与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。
49.以下实施例以纳米气泡氢水灌溉农作物作为示例。
50.本发明的用于提供灌溉服务的系统的目的是为了在农田环境内提供纳米水平的气泡到目标农作物的土壤中。如图1所示，移动装置可被运输工具配置运输或在其内，运输工具包括但不限于卡车或拖拉机等机动车辆，移动装置可以位于机动车辆上配置的可移动的拖车上。运输工具将移动装置运载到待处理的目标农作物附近。这些农作物具有可根据实施方案和农作物的需要被同时或单独处理的单独植物种群。移动装置上可以产生旨在通过纳米气泡发生装置产生的纳米气泡通过灌溉管路分散至农作物。
51.以本实施例中的纳米气泡发生装置制备纳米气泡氢水为例，纳米气泡氢的直径分布范围为40～500nm，平均直径可达294nm，这样制备的纳米气泡氢水的半衰期可长达12小时。
52.在本发明的一种实施方式中，以氢气钢瓶为例，该系统包括两个部分：运输工具1和移动装置2，移动装置2可以通过螺栓连接等方式可拆卸地放置在运输工具1上。移动装置2内配置有纳米气泡发生装置5、氢气钢瓶9、用于固定氢气钢瓶的支架8、抽水泵4、控制系统(图示未标出)、控制面板6、供气管道和氧化还原电位测量元件。
53.该控制面板6与控制系统相连接，本发明中的控制系统的具体类型不受限制，包括但不限于可编程控制器，该可编程控制器能够和智能手机、电脑、web服务器、数据服务器等具有处理功能的控制设备相连接。控制系统通过远程无线传输系统(包括但不限于rtu远程终端控制系统或iot物联网)与控制设备相连，实现远程移动监控。
54.目标农作物的土壤中安装有一处或多处土壤水分传感器，以获得各处土壤湿度的数据，并将所述土壤湿度的数据发送至控制系统。土壤水分传感器可以选用gprs型管式土壤水分传感器，但不限于此。控制系统用于根据接收的土壤湿度的数据控制抽水泵的功率、纳米气泡发生装置的出水口的流量和压力。同时，控制系统可将该土壤湿度的数据发送至控制设备，控制设备根据土壤湿度、农作物属性、农作物所处生长期、种植面积、土壤性质计算出所需的氢气浓度、氢气和灌溉水的流量和压力等。
55.在纳米气泡发生装置的出水口处安装有氧化还原电位(oxidation-reduction potential,orp)测量元件，实时监测自纳米气泡发生装置的出水口至灌溉管路的溶解氢浓度。orp值是相应溶液的氧化还原能力的测量指标，其单位是mv。控制系统用于根据接收到的溶解氢浓度控制氢气钢瓶上的供气阀门的开启、关闭以及开度。该纳米气泡发生装置与氢气钢瓶通过供气管道连接，以用于将从氢气钢瓶接收到的氢气转化为纳米气泡氢，并通过灌溉管路将纳米气泡氢水输送至目标农作物的土壤中。
56.在本实施例中，控制系统中预存有溶解氢浓度的上限值和溶解氢浓度的下限值。控制系统接收到氧化还原电位测量元件发送的溶解氢浓度后，将该实时的溶解氢浓度与上限值和下限值进行比较。如果纳米气泡发生装置的出水口处的溶解氢浓度低于下限值，则表明当前输送至农作物土壤中纳米气泡氢水的氢浓度较低，不能很好地发挥氢的生物学作用，控制系统会控制氢气钢瓶上的供气阀门(例如电磁阀或气动阀)开启或调大，以向纳米气泡发生装置提供更多氢气，同时可选地控制灌溉管路上的阀门开启，以便后续进行灌溉。如果纳米气泡发生装置的出水口的溶解氢浓度高于上限值，控制系统可控制气体钢瓶上的供气阀门关闭或调小，以减少氢气的供应量。
57.为了对纳米气泡发生装置产生的纳米气泡氢水的流量进行记录，该移动装置还包括纳米气泡氢水流量计，以检测输出的纳米气泡氢水的流量值，并将纳米气泡氢水的流量值发送至所述控制系统。如此，控制系统可接收并保存该流量值，以便对目标农作物生长过程中的相关数据进行记录。
58.此外，为了进一步保障水压和水量的稳定，抽水泵4可以是变频泵，用于控制灌溉管路内用水的水压和水量，使整个系统自动恒压稳定于设定的压力值，即用水量增加时，功率提高，抽水泵转速加快；用水量减少时，功率降低，抽水泵转速减慢。如此，可保证灌溉管路内随时有充足的水压和水量。
59.如图1所示，该纳米气泡发生装置5设置有出水口3，该出水口3连接至用于给农作物灌溉的灌溉管路，以提供纳米气泡氢水用于灌溉。抽水泵4包括进水管7，用于将灌溉水从水源处输送至纳米气泡发生装置5。如图2所示，在需要的时候，例如，运输工具的动力不足时，设置在纳米气泡发生装置后方的柴油机或大功率电池10可以为抽水泵4提供动力。
60.在一种实施方式中，可以使用改装后的卡车作为运输工具，以提供更强大的动力系统和油箱为抽水泵4提供动力。
61.图3示出了本实施例中控制系统的控制流程图。在目标农作物的土壤区域中安装gprs型管式土壤水分传感器。在灌溉过程中，土壤水分传感器的模拟信号输入到控制系统中。
62.首先每天根据土壤水分传感器检测到的土壤湿度，判断是否需要灌溉。当土壤湿度高于设定值时，控制系统的抽水泵控制模块输出模拟信号关闭抽水泵，同时可以将相应的土壤湿度发送到控制面板以显示土壤湿度。当土壤湿度低于该农作物现阶段所需湿度的设定值时，控制系统的抽水泵控制模块输出模拟信号开启抽水泵，与控制系统连接的控制设备根据目标农作物的属性、所处生长期、种植面积、目标农作物的品种、土壤性质及目标农作物所需氢浓度计算灌溉水量、氢气的压力和流量、溶解氢浓度的上限值和下限值等。
63.操作人员驾驶运输工具将移动装置运输到目标农作物的地点后，只需连接好灌溉管路，打开气体钢瓶和纳米气泡发生装置的阀门，开启电源开关，该系统即进入灌溉模式。控制系统根据接收到的信号，对灌溉水量、氢气压力和流量、抽水泵的功率、进水口流量及压力等进行调节和控制，使纳米气泡发生装置的出水口处的溶解氢浓度维持在设定值的
±
5％的误差范围内。同时土壤水分传感器检测土壤湿度达到设定值后，可以关闭气体钢瓶和抽水泵的阀门，关闭相应的电源，完成本次灌溉。
64.本领域技术人员可以根据需要设定移动装置上的控制面板显示氢气钢瓶9中的氢气体积、压力和流量，纳米气泡发生装置的进水口和出水口的压力和流量，纳米气泡发生装置出水口处的溶解氢浓度，抽水泵的功率等。
65.示例性地，上述控制系统的各项功能可由多个控制模块共同完成。例如，设置阀门控制模块控制各阀门的开启、关闭或开度。设置气体钢瓶控制模块控制气体钢瓶输出的气体的气速和压力。设置纳米气泡发生装置控制模块，与纳米气泡发生装置相连接，控制其产生的纳米气泡的参数。设置抽水泵控制模块，控制抽水泵的功率，调节灌溉水的流量。
66.本技术以上描述的实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模
块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
67.本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
68.本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。