智能節水灌溉施肥系統及方法
2023-07-10 00:18:16 2
專利名稱：智能節水灌溉施肥系統及方法
技術領域：
本發明涉及控制技術領域，尤其涉及一種智能節水灌溉施肥系統及方法。
背景技術：
傳統的灌溉方案尚不具備智能化自助功能，往往通過預先存儲的澆灌施肥策略實施預置的操作，灌溉過程中僅能對澆灌設備的開關及時序進行控制，即只能控制澆灌時間和/或澆灌順序，無法根據不同的澆灌場地各自的環境特性或土壤特徵自主選擇合適的灌溉施肥方式，也無法根據澆灌場地環境、土壤的變化以及各種突發狀況及時修正灌溉方式。 此外，現有的澆灌系統仍需要掌握專業知識的管理人員實時監護，並及時響應設備故障或澆灌施肥過程中出現的異常現象，浪費人力資源的同時，還影響了澆灌效率。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題在於如何完善澆灌系統的一體化控制流程，簡化系統的現場實施及維護流程，方便後臺管理；以及，如何實現澆灌系統的節水節能、遠程監控、無人值守、自動報警、澆灌施肥指導、地理信息查詢及瀏覽等功能。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發明的技術方案提供了管理控制單元、核心處理單元、通信單元、土壤環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元以及澆灌控制單元；其中，所述管理控制單元通過所述通信單元接收管理人員的遠程/本地指令，並轉發給所述核心處理單元；所述核心處理單元向所述環境檢測單元和/或用水檢測單元發送狀態參數採集指令，根據所述狀態參數和預先存儲的歷史統計數據生成澆灌施肥決策信息；根據管理人員的控制指令或所述決策信息發送施肥/澆灌指令；以及，根據需要將所接收的信息轉發給所述管理控制單元；所述土壤環境檢測單元實時或響應所述參數採集指令獲取與待澆灌場地的土壤環境有關的信息，包括土壤養分信息，並發送給所述核心處理單元；所述用水檢測單元實時或響應所述參數採集指令獲取與澆灌施肥用水的水質和澆灌管道的水壓有關的信息，並發送給所述核心處理單元；所述施肥控制單元響應所述施肥指令，控制溶入澆灌用水中的肥料類型和用量； 接受施肥設備的指令反饋信息並發送給所述核心處理單元；所述澆灌控制單元響應所述澆灌指令，對澆灌施肥用水的水質進行過濾處理；對澆灌量和澆灌管道的水壓進行調節；接受澆灌設備的指令反饋信息並發送給所述核心處理單元。優選地，所述管理控制單元為伺服器，且所述通信單元為網絡通信模塊；和/或， 所述管理控制單元為手機，且所述通信單元為GPRS和/或3G通信模塊。
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優選地，所述系統還包括報警單元，與所述核心處理單元連接，根據所述與澆灌施肥用水的水質和澆灌管道的水壓有關的信息，以及所述施肥控制單元和澆灌控制單元的指令反饋信息生成報警信息，並通過所述通信單元轉發給所述管理控制單元。優選地，所述系統還包括信息檢索單元，與所述核心處理單元連接；所述信息檢索單元存儲有澆灌管道分布信息以及土壤環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元、澆灌控制單元的位置信息。本發明的技術方案還提供了上述智能節水澆灌施肥系統的澆灌施肥方法，該方法包括以下步驟Sl 管理控制單元接收管理人員的遠程/本地指令，並轉發給核心處理單元；S2 核心處理單元判斷所述指令的類型，向環境檢測單元和/或用水檢測單元發送參數採集指令，轉向S3 ；或，向施肥控制單元和/或澆灌控制單元發送施肥和/或澆灌指令，轉向S5 ；S3: 土壤環境檢測單元獲取與待澆灌場地的土壤環境有關的信息，包括土壤養分信息；用水檢測單元獲取與澆灌施肥用水的水質和澆灌管道的水壓有關的信息；S4 核心處理單元根據歷史統計數據以及S3中獲得的信息生成澆灌施肥決策信息，根據所述決策信息向施肥控制單元和/或澆灌控制單元發送施肥和/或澆灌指令；S5 施肥控制單元響應施肥指令，控制溶入澆灌用水中的肥料類型和用量；以及/ 或，澆灌控制單元響應澆灌指令，對澆灌施肥用水的水質進行過濾處理，對澆灌施肥用水的水量、澆灌管道的水壓進行調節；S6 施肥控制單元和/或澆灌控制單元控制相應的施肥設備和/或澆灌設備執行施肥/澆灌。優選地，步驟S2還包括核心處理單元判斷所述指令的類型，若為檢索指令，則在預先存儲的澆灌管道分布信息以及土壤環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元、澆灌控制單元的位置信息中進行檢索，將指定的信息通過遠程/本地方式提供給管理人員。優選地，步驟S4中，所述根據歷史統計數據以及S3中獲得的信息生成澆灌施肥決策信息的過程包括根據土壤溼度信息、溫溼度信息、陽光照度信息確定澆灌水量；根據水質信息確定是否需要過濾以及過濾級別；根據土壤養分信息確定水肥比；根據水壓信息確定水壓調節方式。優選地，步驟S5中，所述對澆灌施肥用水的水量和澆灌管道的水壓進行調節的過程通過PWM控制信號實現。優選地，步驟S6還包括施肥控制單元和/或澆灌控制單元接收施肥/澆灌設備的指令反饋信息，並發送給核心處理單元。優選地，所述方法還包括核心處理單元根據S3中獲得的信息判斷澆灌用水的水壓和/或水質是否存在異常，以及，根據S6中的指令反饋信息判斷澆灌/施肥設備是否故障；若是，則生成報警信息，並通過遠程/本地方式提供給管理人員。(三)有益效果與現有技術相比，根據本發明的智能節水灌溉施肥系統及方法集成了變頻控制、 水肥施肥、水過濾、土壤溼度監測、土壤養分監測、水質及水壓監測、溫溼度監測，以及陽光照度監測等多種功能；依據土壤溼度信息，合理控制澆灌水量，節能節水；根據土壤的養分監測信息，合理施肥，確保作物能夠及時準確地得到養分補充；通過水質監測，確保保灌溉用水對作物沒有傷害；實現了無用戶監控的情況下，對作物進行自動澆灌；實現了澆灌系統故障的自動報警功能；可根據歷史統計數據及當前的狀態信息給出澆灌建議，幫助用戶實現作物的合理澆灌；實現了澆灌系統地理信息的查詢和瀏覽。
圖1是本發明的智能節水灌溉施肥系統的結構示意圖；圖2是本發明的智能節水灌溉施肥系統的灌溉施肥方法的流程圖。
具體實施例方式本發明提出的智能節水灌溉施肥系統及其方法，結合附圖和實施例說明如下。如圖1所示，根據本發明的智能節水灌溉施肥系統主要包括管理控制單元、核心處理單元、通信單元、環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元以及澆灌控制單元。進一步地，其還可以包括信息檢索單元和報警單元。核心處理單元是本發明的智能節水灌溉施肥系統的核心裝置，其通過通信單元與管理控制單元連接，通過區域網與環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元以及澆灌控制單元連接。本發明的核心處理單元接收管理人員通過有線或無線方式發送的遠程或本地指令，包括澆灌場地土壤環境採集指令、澆灌指令和施肥指令；判斷指令的類型後將環境採集指令發送給土壤環境檢測單元和用水檢測單元，以實現傳感器信息採集功能，並將採集到的參數轉發給管理控制單元，以供管理人員查看和/或決策；將澆灌指令和施肥指令分別發送給施肥控制單元和澆灌控制單元，以實現依據指令控制澆灌設備動作、依據指令自動澆灌、依據指令控制水過濾、依據指令水肥施肥等功能。此外，核心處理單元還能實現無人值守功能，其接收並存儲土壤環境檢測單元、用水檢測單元發送的與灌溉場地土壤、環境以及澆灌用水的水質、水壓有關的狀態參數後，根據這些實時的狀態參數以及預先存儲的歷史統計數據生成澆灌施肥決策信息，並向施肥控制單元和澆灌控制單元發送控制指令，以指導並實施自動澆灌，幫助用戶實現作物的合理澆灌，無需用戶監控。這些決策信息包括根據土壤溼度信息、溫溼度信息、陽光照度信息確定澆灌水量，對作物進行合理澆灌；根據水質監測信息確定澆灌用水是否合格，需要執行何種程度的過濾處理，以保證灌溉用水對作物不會造成傷害；根據土壤的養分監測信息，對澆灌場地的所有作物進行合理施肥，確保作物能夠及時準確地得到養分補充；根據各澆灌管道的水位監測信息確定水壓調節方式，以確保所有灌溉設備的水量均衡以及送水管道的水壓平衡，確保灌溉設備能夠安全運行。本發明的管理控制單元通過通信單元與核心處理單元連接，其可以接受管理人員輸入的控制指令，通過通信單元發送給核心處理單元，由核心處理單元發送給參數採集裝置或澆灌施肥執行裝置；同時，其還可以接受並存儲核心處理單元發送的各種檢測信息和控制指令反饋信息，通過文字、圖像、視頻的方式為管理人員呈現，並存儲歷史監測信息和澆灌施肥記錄等。由此，可使管理人員實時監控澆灌施肥系統的所有信息，以便及時制定澆灌的方案，還可根據用戶需要對某些區域進行手動澆灌控制。具體實施過程中，本發明的管理控制單元可以為設置於監控中心的伺服器；可替換地，本發明的管理控制單元還可以為各種可攜式行動裝置，例如，手機，使得管理人員可以實現邊巡查邊監控的移動辦公，隨地監控澆灌系統的運行狀態及作物的生長環境狀態。本發明的通信單元用於實現管理控制單元與核心處理單元之間的通信。其中，當管理控制單元為伺服器時，該通信單元為網絡通信模塊，與核心處理單元通過TCP/IP協議實現通信；當管理控制單元為可攜式行動裝置時，該通信單元為GPRS或3G通信模塊，與核心處理單元通過USB2.0或RS232(RS480協議。需要說明的是，管理控制單元的伺服器形式和行動裝置形式可以並存。本發明的土壤環境檢測單元實時採集或響應核心處理單元轉發的管理人員參數採集指令，通過設置於澆灌場地的傳感器獲取與土壤環境有關的信息，包括土壤溼度信息、土壤養分信息、環境溫度信息、環境溼度信息以及數位化陽光照度信息。使用的傳感器包括但不限於土壤溼度傳感器、土壤養分傳感器、環境溫度傳感器、環境溼度傳感器以及陽光照度。環境檢測單元與核心處理單元通過TCP/IP協議、RS232(RS480協議或模擬量、數字量輸入輸出接口實現數據傳輸。本發明的用水檢測單元實時採集或響應核心處理單元轉發的管理人員參數採集指令，通過設置於澆灌管道附近的傳感器獲取與澆灌用水的水質和管道水壓有關的信息， 包括水質成分信息和澆灌用水管道的水壓信息。使用的傳感器包括但不限於水質傳感器和壓力傳感器。用水檢測單元與核心處理單元通過TCP/IP協議、RS232(RS480協議或模擬量、數字量輸入輸出接口實現數據傳輸。本發明的施肥控制單元響應核心處理單元自動生成的或轉發的水肥施肥指令，控制所需的肥料及農藥按照適當比例溶於水中，控制施肥的種類及施肥量，實現水肥施肥溶液的配比控制以及水肥施肥設備的運行控制。施肥控制單元與核心處理單元通過TCP/IP 協議、RS232(RS48Q協議或模擬量、數字量輸入輸出接口實現數據傳輸。澆灌控制單元響應所述核心處理單元自動生成的或轉發的澆灌指令，對澆灌施肥用水的水質進行過濾處理；對澆灌量和澆灌管道的水壓進行調節；控制澆灌設備運作。具體地，本發明的一個實施例採取三級過濾控制，依次包括粗過濾(過濾沙石等)、細過濾 (過濾泥土等微小顆粒)以及化學物質過濾(過濾對作物有害的化學物質)，由此確保澆灌用水符合作物的生長需求，同時還使得本系統可使用非純淨水進行澆灌，降低了對澆灌水源的要求。此外，澆灌控制單元還可以根據核心處理單元發送的澆灌指令向澆灌設備發送變頻調節控制信號進行變頻控制，合理控制的澆灌水量，確保作物灌溉充分，又沒有灌溉過量，實現節能、節水；同時也確保所有灌溉設備的水量均衡以及送水管道的水壓平衡，確保灌溉設備能夠安全運行。優選地，本發明的智能節水澆灌施肥系統還可以包括報警單元，其與核心處理單元連接，對澆灌施肥用水的水質、澆灌管道的水壓、施肥控制單元和/或澆灌控制單元的指令反饋進行分析，當分析結果顯示澆灌設備發生故障或水壓水質等存在異常時，生成報警信息，並發送給核心處理單元，由核心處理單元通過通信單元轉發給管理控制單元。管理控制單元通過文字報警及聲音報警兩種方式提示用戶。優選地，本發明的智能節水澆灌施肥系統還可以包括信息檢索單元，其與核心處理單元連接，存儲有澆灌場地的地理信息、澆灌設備和施肥設備的管道分布信息以及土壤環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元、澆灌控制單元的位置信息。當發生故障或有其他需要時，用戶通過管理控制單元輸入指令，信息檢索單元與通信單元、核心處理單元協作，將用戶所需的澆灌系統信息以頁面形式提供給管理人員。在澆灌作業中，有時需要擴展一些輔助設備，以保證作物的正常生長，如大棚的捲簾門，加熱裝置等。優選地，本發明的智能節水澆灌施肥系統還可以包括擴展設備控制單元，使得本系統可根據需要擴展任意的輔助設備。在本發明的一個實施例中，擴展設備控制單元預留了 20路DI接口以及16路DO接口，並留有RS232/RS422/RS485等串行通訊接口。如圖2所示，根據本發明的智能節水澆灌施肥系統的澆灌施肥方法主要包括以下步驟S1-S6 Sl 管理控制單元接收管理人員的遠程/本地指令，並轉發給核心處理單元；具體地，管理人員可以登錄前述管理控制單元中的管理監控伺服器或移動終端監控平臺，以有線或3G通信方式發送指令。管理人員的指令包括參數採集指令、預置的灌溉施肥指令以及檢索、瀏覽指令。S2 核心處理單元判斷所述指令的類型，向環境檢測單元和/或用水檢測單元發送參數採集指令，轉向S3 ；或，向施肥控制單元和/或澆灌控制單元發送施肥和/或澆灌指令，轉向S5 ；核心處理單元接收到管理人員的指令後，向相應的檢測單元發送參數採集指令； 向相應的控制單元發送澆灌/施肥指令。上述步驟參見前述核心處理單元的相關描述，在此不作贅述。核心處理單元判斷用戶指令為檢索指令時，則在預先存儲的澆灌管道分布信息以及土壤環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元、澆灌控制單元的位置信息中進行檢索，將指定的信息通過遠程/本地方式提供給管理人員。這些信息可以以資料庫形式存在。S3 土壤環境檢測單元獲取與待澆灌場地的土壤環境有關的信息，包括土壤養分信息；用水檢測單元獲取與澆灌施肥用水的水質和澆灌管道的水壓有關的信息；本步驟的具體流程可參見前述土壤環境檢測單元和用水檢測單元的功能描述，在此不作贅述。S4 核心處理單元根據歷史統計數據以及S3中獲得的信息生成澆灌施肥決策信息，根據所述決策信息向施肥控制單元和/或澆灌控制單元發送施肥/澆灌指令；具體地，根據歷史統計數據以及S3中獲得的信息生成澆灌施肥決策信息的過程包括根據土壤溼度信息、溫溼度信息、陽光照度信息確定澆灌水量；根據水質信息確定是否需要過濾以及過濾級別；根據土壤養分信息確定水肥比；根據水壓信息確定水壓調節方式。以指導並實施自動澆灌。本步驟的具體流程可參見前述核心處理單元的無人值守功能以及報警單元的相關描述，在此不作贅述。S5 施肥控制單元響應施肥指令，控制溶入澆灌用水中的肥料類型和用量；以及/ 或，澆灌控制單元響應澆灌指令，對澆灌施肥用水的水質進行過濾處理，對澆灌施肥用水的水量、澆灌管道的水壓進行調節；本步驟的具體流程可參見前述施肥控制單元和澆灌控制單元的相關描述，在此不作贅述。S6 施肥控制單元和/或澆灌控制單元控制相應的施肥設備和/或澆灌設備執行CN 102165876 A
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施肥/澆灌。本步驟中，施肥控制單元和/或澆灌控制單元還接收施肥/澆灌設備的指令反饋信息，並發送給核心處理單元。優選地，核心處理單元根據S3中獲得的信息判斷澆灌用水的水壓和/或水質是否存在異常；根據S6中的指令反饋信息判斷澆灌/施肥設備是否故障；若是，則生成文字報警及聲音報警，並通過通信單元發送給管理控制單元，以遠程/本地方式提供給管理人員。綜上所述，本發明的技術方案將變頻控制、水肥施肥、水過濾、土壤溼度監測、土壤養分監測、水質及水壓監測、溫溼度監測及陽光照度監測集成於一個監控系統之中；依據土壤溼度信息，合理控制澆灌水量；根據土壤的養分監測信息，合理施肥，確保作物能夠及時準確地得到養分補充；通過水質監測，確保保灌溉用水對作物沒有傷害；實現了無用戶監控的情況下，對作物進行自動澆灌；實現了澆灌系統故障的自動報警功能；可根據歷史統計數據及當前的狀態信息給出澆灌建議，幫助用戶實現作物的合理澆灌；實現了澆灌系統地理信息的查詢和瀏覽。以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。
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權利要求
1.一種智能節水澆灌施肥系統，其特徵在於，所述系統包括管理控制單元、核心處理單元、通信單元、土壤環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元以及澆灌控制單元；其中，所述管理控制單元通過所述通信單元接收管理人員的遠程/本地指令，並轉發給所述核心處理單元；所述核心處理單元自動或響應所述指令向所述環境檢測單元和/或用水檢測單元發送狀態參數採集指令，根據所述狀態參數和預先存儲的歷史統計數據生成澆灌施肥決策信息；根據管理人員的控制指令或所述決策信息發送施肥/澆灌指令；以及，根據需要將所接收的信息轉發給所述管理控制單元；所述土壤環境檢測單元實時或響應所述參數採集指令獲取與待澆灌場地的土壤環境有關的信息，包括土壤養分信息，並發送給所述核心處理單元；所述用水檢測單元實時或響應所述參數採集指令獲取與澆灌用水的水質和澆灌管道的水壓有關的信息，並發送給所述核心處理單元；所述施肥控制單元響應所述施肥指令，控制溶入澆灌用水中的肥料類型和用量；接受施肥設備的指令反饋信息並發送給所述核心處理單元；所述澆灌控制單元響應所述澆灌指令，對澆灌施肥用水的水質進行過濾處理；對澆灌管道的水壓和/或出水量進行調節；接受澆灌設備的指令反饋信息並發送給所述核心處理單元。
2.如權利要求1所述的智能節水澆灌施肥系統，其特徵在於，所述管理控制單元為伺服器，且所述通信單元為網絡通信模塊；和/或，所述管理控制單元為手機，且所述通信單元為GPRS和/或3G通信模塊。
3.如權利要求1所述的智能節水澆灌施肥系統，其特徵在於，所述系統還包括報警單元，與所述核心處理單元連接，根據所述與澆灌施肥用水的水質和澆灌管道的水壓有關的信息，以及所述施肥控制單元和澆灌控制單元的指令反饋信息生成報警信息，並通過所述通信單元轉發給所述管理控制單元。
4.如權利要求1所述的智能節水澆灌施肥系統，其特徵在於，所述系統還包括信息檢索單元，與所述核心處理單元連接；所述信息檢索單元存儲有澆灌管道分布信息以及土壤環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元、澆灌控制單元的位置信息。
5.一種如權利要求1所述的智能節水澆灌施肥系統的澆灌施肥方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟·51管理控制單元接收管理人員的遠程/本地指令，並轉發給核心處理單元；·52核心處理單元判斷所述指令的類型，向環境檢測單元和/或用水檢測單元發送參數採集指令，轉向S3 ；或，向施肥控制單元和/或澆灌控制單元發送施肥和/或澆灌指令， 轉向S5 ；·53土壤環境檢測單元獲取與待澆灌場地的土壤環境有關的信息，包括土壤養分信息； 用水檢測單元獲取與澆灌施肥用水的水質和澆灌管道的水壓有關的信息；·54核心處理單元根據歷史統計數據以及S3中獲得的信息生成澆灌施肥決策信息，根據所述決策信息向施肥控制單元和/或澆灌控制單元發送施肥和/或澆灌指令；·55施肥控制單元響應施肥指令，控制溶入澆灌用水中的肥料類型和用量；以及/或，澆灌控制單元響應澆灌指令，對澆灌施肥用水的水質進行過濾處理，對澆灌施肥用水的水量、澆灌管道的水壓進行調節；S6 施肥控制單元和/或澆灌控制單元控制相應的施肥設備和/或澆灌設備執行施肥/澆灌。
6.如權利要求5所述的智能節水澆灌施肥系統的澆灌施肥方法，其特徵在於，步驟S2 還包括核心處理單元判斷所述指令的類型，若為檢索指令，則在預先存儲的澆灌管道分布信息以及土壤環境檢測單元、用水檢測單元、施肥控制單元、澆灌控制單元的位置信息中進行檢索，將指定的信息通過遠程/本地方式提供給管理人員。
7.如權利要求5所述的智能節水澆灌施肥系統的澆灌施肥方法，其特徵在於，步驟S4 中，所述根據歷史統計數據以及S3中獲得的信息生成澆灌施肥決策信息的過程包括根據土壤溼度信息、溫溼度信息、陽光照度信息確定澆灌水量；根據水質信息確定是否需要過濾以及過濾級別；根據土壤養分信息確定水肥比；根據水壓信息確定水壓調節方式。
8.如權利要求5所述的智能節水澆灌施肥系統的澆灌施肥方法，其特徵在於，步驟S5 中，所述對澆灌施肥用水的水量和澆灌管道的水壓進行調節的過程通過PWM控制信號實現。
9.如權利要求5所述的智能節水澆灌施肥系統的澆灌施肥方法，其特徵在於，步驟S6 還包括施肥控制單元和/或澆灌控制單元接收施肥/澆灌設備的指令反饋信息，並發送給核心處理單元。
10.如權利要求5或9所述的智能節水澆灌施肥系統的澆灌施肥方法，其特徵在於，所述方法還包括核心處理單元根據S3中獲得的信息判斷澆灌用水的水壓和/或水質是否存在異常，以及，根據S6中的指令反饋信息判斷澆灌/施肥設備是否故障；若是，則生成報警信息，並通過遠程/本地方式提供給管理人員。
全文摘要
本發明提供了一種智能節水灌溉系統及方法，該系統包括管理控制單元，接收管理人員的遠程/本地指令，並轉發給核心處理單元；核心處理單元，向環境檢測/用水檢測單元發送狀態參數採集指令，根據狀態參數和歷史統計數據生成澆灌施肥決策信息，並發送施肥/澆灌指令；土壤環境檢測單元，獲取澆灌場地土壤環境信息；用水檢測單元，獲取澆灌施肥用水水質信息和水壓信息；施肥控制單元，控制溶入澆灌用水中的肥料類型和用量；以及，澆灌控制單元，對澆灌施肥用水的水質進行過濾處理，對澆灌量和澆灌管道的水壓進行調節。本發明能實現澆灌系統的節能節水、遠程監控、無人值守、自動報警、澆灌施肥指導、地理信息查詢及瀏覽等功能。
文檔編號A01C23/04GK102165876SQ20111003437
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月1日 優先權日2011年2月1日
發明者孔金學 申請人:海南義利達高新技術實業有限公司