CN101779588A - 一种实现植物水肥养分供给的系统及方法 - Google Patents

一种实现植物水肥养分供给的系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种实现植物水肥养分供给的系统及方法，包括：太阳能光电板在光照辐射强度达到植物光合的有效强度时，输出足够大的电流；电流检测单元将检测到的该电流输出给控制单元；控制单元预先设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，并在输入的检测电流超过或小于该电流最低临界值时，输出控制电磁开关闭合或断开的控制信号；电磁开关在此控制信号的控制下闭合或断开；泵据电磁开关的闭合或断开来接通或断开交流电源；水肥养分储池通过泵向植物生长田地滴灌、渗灌或喷灌水肥养分。本发明将植物的光合作用和太阳能光电板的异曲同工结合，能够提高作物的光能和水肥利用效率。

Description

一种实现植物水肥养分供给的系统及方法
技术领域
本发明涉及为植物提供水肥养分的系统及方法。
背景技术
植物光合作用是地球上最为普遍、规模最大的反应过程，在有机物合成、蓄积太阳能量和净化空气，保持大气中氧气含量和碳循环的稳定等方面起很大作用，更是农作物生产的基础。
植物光合速率因品种、生育期、光合产物积累等的不同而异，也受光照、CO2、温度、水分、矿质元素等环境条件的影响。在一定范围内，各种条件越适宜，光合速率就越快。目前植物光能利用率还很低，反映在农作物生产现有产量与理论产量相差甚远，还具有很大的增产潜力。植物光合作用与水肥营养的协调，是提高光能和水肥利用效率，促进农业增产的重要途径。
叶片中的叶绿体是光合作用的重要细胞器。叶绿体色素吸收光能，把光能转换成电能，再将电能转变为活跃的化学能，进而通过碳同化过程转变为稳定化学能，积累碳水化合物、脂肪和蛋白质等，形成农作物产量。
同样，太阳能板在接受阳光照射之后，光子被硅材料吸收，光能量传递给硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率，实现了光能量转换成电能的过程。
植物叶绿体的光合作用和太阳能光电板接受阳光照射，异曲同工将光能转化为电能，两者具有完美的协调一致性。在一定范围内，太阳辐射越强，植物光合速率越高，植物所需水分和养分量越多。同时，太阳能光电板产电能量也越多，可使水泵动力输送水肥养分更多，从而能够满足农作物光合作用所需要的更多的水肥养分条件。
而现有的植物水肥养分供给方法及系统，并没有将上述植物的光合作用和太阳能光电板的异曲同工巧妙地结合起来，从而更有效地利用光能为植物提供充分的水肥养分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实现植物水肥养分供给的系统及方法，能够将植物的光合作用和太阳能光电板的异曲同工巧妙地结合，从而更有效地利用光能为植物提供充分的水肥养分。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种实现植物水肥养分供给的系统，包括依次连接的太阳能光电板、电流检测单元、控制单元、电磁开关还包括由该电磁开关控制提供交流电源的一泵和水肥养分储池；其中：
太阳能光电板，用于在光照辐射强度达到植物光合的有效强度时，产生并输出足够大的电流；
电流检测单元，用于对太阳能光电板输出的电流进行检测，并将检测电流输出给控制单元；
控制单元，用于预先设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，并在输入的检测电流超过设定的电流最低临界值时，输出控制电磁开关闭合的控制信号；否则，输出控制电磁开关断开的控制信号；
电磁开关，用于根据输入的控制信号控制电磁开关闭合或断开；
泵，用于根据电磁开关的闭合或断开来接通或断开交流电源；
水肥养分储池，用于通过泵向植物生长田地滴灌、渗灌或喷灌水肥养分。
进一步地，控制单元还用于依照土壤最大持水量的70～80％，设定水肥养分供给的电流最高临界临值，根据检测电流与电流最高临界值的差值，控制电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
进一步地，控制单元还用于依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值，根据检测电流与电流最高临界值的差值，控制电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
进一步地，控制单元通过电流比较器实现，或通过电压比较器实现，或通过微控制器实现。
为了解决上述技术问题，本发明提供了另一种实现植物水肥养分供给的系统，包括依次连接的包括依次连接的太阳能光电板、电流检测单元、计算机及电磁开关，还包括由该电磁开关控制提供交流电源的一泵和水肥养分储池；其中：
太阳能光电板，用于在光照辐射强度达到植物光合的有效强度时，产生并输出足够大的电流；
电流检测单元，用于对太阳能光电板输出的电流进行检测，并将检测电流输出给计算机；
计算机，用于预先设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，并在输入的检测电流超过设定的电流最低临界值时，输出控制电磁开关闭合的控制信号；否则，输出控制电磁开关断开的控制信号；
电磁开关，用于根据输入的控制信号控制电磁开关闭合或断开；
泵，用于根据电磁开关的闭合或断开来接通或断开交流电源；
水肥养分储池，用于通过泵向植物生长田地滴灌、渗灌或喷灌水肥养分。
进一步地，计算机还用于依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值；或者，依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值；根据检测电流与电流最高临界值的差值，控制电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种实现植物水肥养分供给的方法，涉及太阳能光电板、电流检测单元、电磁开关，以及由该电磁开关控制提供交流电源的一泵和水肥养分储池，该方法包括：
设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，当光照辐射强度达到植物光合有效强度，通过太阳能光电板产生并输出足够大的电流，由电流检测单元检测到该电流超过设定的电流最低临界值，则控制闭合电磁开关，使泵接通交流电源而工作，将水肥养分储池中的水肥养分通过该泵滴灌、渗灌或喷灌到植物生长田地。
进一步地，该方法还包括：依照土壤最大持水量的70～80％，设定水肥养分供给的电流最高临界值，依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值；根据电流检测单元检测到的电流与电流最高临界值的差值控制所述电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
进一步地，该方法还包括：测量获取水肥养分的已灌溉量，依照土壤最大持水量的60～80％，设定水肥养分最大临界灌溉量，减去之前累加的已灌溉量，再加上农作物历年平均的生长阶段累计经验耗水量，通过评价运算，获得当日需浇灌水肥的最大灌溉量，并将该最大水肥灌溉量信息折算成设定的水肥养分供给的最佳电流，将电流检测单元输出的检测电流与该最佳电流比较，并根据检测电流与最佳电流的差值来控制电磁开关闭合和断开的时间比例，从而调节水肥养分的灌溉量。
本发明将植物的光合作用和太阳能光电板的异曲同工巧妙地结合，在太阳辐射很强时，利用太阳能光电板产生很大的电能再转化为动力能，为强太阳辐射下的植物调配光合作用所需充足的水肥营养，从而最大程度地协调植物光合作用与水肥营养需求，提高作物的光能和水肥利用效率，促进农业增产。
附图说明
图1是本发明实现植物水肥养分供给的系统实施例1的结构框图；
图2是本发明实现植物水肥养分供给的系统实施例2的结构框图。
具体实施方式
本发明的实现植物水肥养分供给的系统及方法，其核心要点是，利用太阳能光电板将光能转化为电能，太阳辐射越强，太阳能光电板产电能量越多；同时，植物光合速率也越高，植物所需水分和养分量越多。当光照辐射达到植物光合有效强度临界，太阳能光电系统输出电力，启动对植物的水肥养分供给系统工作。植物光合速率越高，太阳能光电动力系统供给的水肥养分越充足，实现植物光合速率与水分和养分供给量同步成正比关系。
下面结合附图和实施例对本发明的系统及方法进行更详细地说明。
实施例1
夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～12万Lux，阴天室外光照强度0.1万～1万Lux。设定农作物有效光合始动日照强度为6万Lux，太阳能光电板接受日照辐射，产生相应大小的电流，通过电流检测单元、控制单元，启动电磁开关及系统工作。
如图1所示，为本发明的实现植物水肥养分供给的系统实施例1的结构框图，该系统包括依次连接的太阳能光电板、电流检测单元、控制单元、电磁开关，还包括由该电磁开关控制提供交流电源的一泵，以及一个水肥养分储池；其中：
太阳能光电板，用于在光照辐射强度达到植物光合的有效强度时，产生并输出足够大的电流；
电流检测单元，用于将检测到的太阳能光电板输出的电流输出给控制单元；
控制单元，用于预先设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，以及依照土壤最大持水量的70～80％，设定水肥养分供给的电流最高临界临值，或者，依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值，并在输入的检测电流超过设定的启动水肥养分供给的电流最低临界值时，输出控制电磁开关闭合的控制信号；根据检测电流与该电流最高临界值的差值控制电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
该控制单元可以通过电流比较器或电压比较器或微控制器实现。
电磁开关，用于在输入的控制信号的控制下闭合或断开；
泵，用于根据电磁开关的闭合或断开来接通或断开交流电源；
水肥养分储池，用于通过泵向植物生长田地滴灌、渗灌或喷灌水肥养分。
实施例2
夏季晴天时，多数蔬菜的最佳日照强度为5～6万Lux，遮阴网下的日照强度仍能保持5万Lux左右。日照强度2～4万Lux时(甚至2～1万Lux以下)，光合同化作用处于低水平状况。设定蔬菜(甘蓝、白菜、芥菜、芹菜、莴苣、番茄、黄瓜等)有效光合始动日照强度为2.5万Lux，太阳能光电板接受日照辐射，产生相应大小的电流，通过电流检测单元、计算机，启动电磁开关及系统工作。
如图2所示，为本发明的实现植物水肥养分供给的系统实施例2的结构框图，该系统包括依次连接的太阳能光电板、电流检测单元、微型计算机电磁开关、由该电磁开关控制提供交流电源的泵1以及水肥养分储池；其中，与图1不同的是电流检测单元检测到的检测电流输出给计算机，计算机将该检测电流与计算机内预先设定的启动水肥养分供给的电流最低临界值比较，若检测电流超过设定的电流最低临界值，则计算机输出控制信号给电磁开关，通过控制电磁开关的闭合与断开，控制泵1的交流(AC)电源接通与否，从而通过泵1向植物生长田地滴灌、渗灌或喷灌水肥养分。
另外，水肥养分储池内安有浮子液位计，分别在储池液位到达最低液位和最高液位值时，控制水位控制开关闭合和断开，从而控制储池内水肥养分的灌溉量。同时，浮子液位计在储池液位从最高液位值到达最低液位值时，将该最低液位值信号输出给计算机，由计算机记录得到从该最高液位值到达最低液位值信号的次数，来累加计算已灌溉量。
计算机依照该浇灌田地的土壤最大持水量的60～80％，设定水肥养分灌溉最大临界量，减去之前的已灌溉量，再加农作物历年平均的生长阶段累计经验耗水量，经计算机评价运算，实时、动态地获得当日需浇灌水肥的最大灌溉量。根据该最大水肥灌溉量信息折算成设定的水肥养分供给的最佳电流值，将电流检测单元输出的检测电流值与该最佳电流值比较，并根据检测电流值与该最佳电流的差值来控制电磁开关闭合和断开的时间比例，从而调节水肥养分的灌溉量。
本发明的实现植物水肥养分供给的系统的工作流程包括如下步骤：
(1)设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，当光照辐射强度达到植物光合有效强度，太阳能光电板产生的电流足够大，电流检测单元检测到该电流超过设定的水肥养分供给的电流最低临界值，则控制闭合电磁开关，使泵接通交流电源而工作，将水肥养分储池中的水肥养分通过泵滴灌、渗灌或喷灌到田地。
(2)依照土壤最大持水量的70～80％，设定水肥养分供给的电流最高临界值，电流检测单元检测到的太阳能光电板产生电流的大小变化，根据检测电流与该电流最高临界值的差值控制电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
或者，依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值，电流检测单元检测到的太阳能光电板产生电流的大小变化，根据检测电流与该电流最高临界值的差值控制电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
(3)测量获取水肥养分的已灌溉量，依照土壤最大持水量的60～80％，设定水肥养分最大临界灌溉量，减去之前累加的已灌溉量，再加上农作物历年平均的生长阶段累计经验耗水量，通过评价运算，获得当日需浇灌水肥的最大灌溉量，并将该最大水肥灌溉量信息折算成设定的水肥养分供给的最佳电流值，将电流检测单元输出的检测电流与该最佳电流值比较，并根据检测电流与该最佳电流值的差来控制电磁开关闭合和断开的时间比例，从而调节水肥养分的灌溉量。
以上根据最大水肥灌溉量信息折算成设定的水肥养分供给的最佳电流值均为业界已知方法，故此不再赘述。

Claims (10)

1.一种实现植物水肥养分供给的系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的太阳能光电板、电流检测单元、控制单元、电磁开关，还包括由该电磁开关控制提供交流电源的一泵和水肥养分储池；其中：
所述太阳能光电板，用于在光照辐射强度达到植物光合的有效强度时，产生并输出足够大的电流；
所述电流检测单元，用于对所述太阳能光电板输出的电流进行检测，并将检测电流输出给所述控制单元；
所述控制单元，用于预先设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，并在输入的所述检测电流超过设定的所述电流最低临界值时，输出控制所述电磁开关闭合的控制信号；否则，输出控制所述电磁开关断开的控制信号；
所述电磁开关，用于根据输入的控制信号控制所述电磁开关闭合或断开；
所述泵，用于根据所述电磁开关的闭合或断开来接通或断开交流电源；
所述水肥养分储池，用于通过所述泵向植物生长田地滴灌、渗灌或喷灌水肥养分。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元还用于依照土壤最大持水量的70～80％，设定水肥养分供给的电流最高临界临值，根据所述检测电流与所述电流最高临界值的差值，控制所述电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元还用于依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值，根据所述检测电流与所述电流最高临界值的差值，控制所述电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
4.按照权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述控制单元通过电流比较器实现，或通过电压比较器实现，或通过微控制器实现。
5.一种实现植物水肥养分供给的系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的包括依次连接的太阳能光电板、电流检测单元、计算机及电磁开关，还包括由该电磁开关控制提供交流电源的一泵和水肥养分储池；其中：
所述太阳能光电板，用于在光照辐射强度达到植物光合的有效强度时，产生并输出足够大的电流；
所述电流检测单元，用于对所述太阳能光电板输出的电流进行检测，并将检测电流输出给所述计算机；
所述计算机，用于预先设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，并在输入的所述检测电流超过设定的所述电流最低临界值时，输出控制所述电磁开关闭合的控制信号；否则，输出控制所述电磁开关断开的控制信号；
所述电磁开关，用于根据输入的控制信号控制所述电磁开关闭合或断开；
所述泵，用于根据所述电磁开关的闭合或断开来接通或断开交流电源；
所述水肥养分储池，用于通过所述泵向植物生长田地滴灌、渗灌或喷灌水肥养分。
6.按照权利要求5所述的系统，其特征在于，所述计算机还用于依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值；或者，依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值；根据所述检测电流与所述电流最高临界值的差值，控制所述电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
7.按照权利要求5或6所述的系统，其特征在于，
所述水肥养分储池内安装有液位计，用于在储池液位从最高液位值到达最低液位值时，将该最低液位值信号输出给所述计算机；
所述计算机，还用于记录得到从所述最高液位值到达所述最低液位值信号的次数，来累加计算已灌溉量；依照该浇灌田地的土壤最大持水量的60～80％，设定水肥养分灌溉最大临界量，减去之前的所述已灌溉量，再加农作物历年平均的生长阶段累计经验耗水量，经评价运算获得当日需浇灌水肥的最大灌溉量；根据所述最大水肥灌溉量信息折算成设定的水肥养分供给的最佳电流，将所述输入的检测电流与该最佳电流比较，并根据所述检测电流与该最佳电流的差值来控制所述电磁开关闭合和断开的时间比例，从而调节水肥养分的灌溉量。
8.一种实现植物水肥养分供给的方法，涉及太阳能光电板、电流检测单元、电磁开关，以及由该电磁开关控制提供交流电源的一泵和水肥养分储池，所述方法包括：
设定启动水肥养分供给的电流最低临界值，当光照辐射强度达到植物光合有效强度，通过太阳能光电板产生并输出足够大的电流，由电流检测单元检测到该电流超过设定的所述电流最低临界值，则控制闭合电磁开关，使所述泵接通交流电源而工作，将水肥养分储池中的水肥养分通过所述泵滴灌、渗灌或喷灌到植物生长田地。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：依照土壤最大持水量的70～80％，设定水肥养分供给的电流最高临界值，依照相应作物不同生育阶段的日耗水和养分需求量，设定水肥养分供给的电流最高临界值；根据电流检测单元检测到的电流与所述电流最高临界值的差值控制所述电磁开关闭合与断开的时间比例，从而调节水肥滴灌、渗灌或喷灌量的多少。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：测量获取水肥养分的已灌溉量，依照土壤最大持水量的60～80％，设定水肥养分最大临界灌溉量，减去之前累加的已灌溉量，再加上农作物历年平均的生长阶段累计经验耗水量，通过评价运算，获得当日需浇灌水肥的最大灌溉量，并将该最大水肥灌溉量信息折算成设定的水肥养分供给的最佳电流，将电流检测单元输出的检测电流与该最佳电流比较，并根据所述检测电流与所述最佳电流的差值来控制电磁开关闭合和断开的时间比例，从而调节水肥养分的灌溉量。
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