CN103404288A - 全自动大棚营养液配制及喷洒的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
全自动大棚营养液配制及喷洒的方法及其系统。方法是计算机控制营养液配制单元中各个原料桶中高浓度液体与稀释水的流量；完成营养液的配制；完成时关闭各个原料桶的阀门及稀释水的阀门；打开混合箱中的微型搅拌器进行搅拌；混合完成后，计算机打开正排量水泵抽取并增压；增压后的营养液流向营养液喷洒单元；计算机控制营养液喷洒单元中移动喷头的传动装置运转并控制移动喷头实现营养液的精准喷洒。全自动大棚营养液配制及喷洒的系统由营养液配制单元、营养液喷洒单元和数据处理单元三个单元组成。所述三个单元中的运转部件及各种传感器的输出均接计算机。本发明可根据用户设定的营养液成分表、喷洒时间等参数，自动完成营养液的配制及喷洒工作。
Description
技术领域
本发明涉及无线数据传输、计算机数据处理技术以及农业喷洒方法和设备，尤其涉及以温室大棚为主要适用对象的全自动营养液配制及喷洒的方法及其系统。
背景技术
当前，随着社会经济的迅速发展，对非时令季节花卉、蔬果的需求量越来越大，由此温室大棚的重要性与日剧增。而温室大棚中营养液的供给状况直接影响着作物生长的好坏。因此，营养液的配制及喷洒已经成为大棚种植中的重要环节。传统营养液的配制多通过人工方式根据营养液成分表进行，然而人工方式对元素特别是微量元素的称量难以保证其称重的准确性，而对于占地较大的大棚来说，营养液的人工调配更显得耗时费力。
在日常的生产当中，如果要对温室作物进行定时定量的营养液喷洒，一般要安排多名员工利用手动喷液器对作物逐个进行营养液补充，但是人工操作往往很难保证营养液的准确定
量，也造成了喷洒工作效率的低下，难以适应大规模大棚种植的需求。
目前也有一些针对上述缺陷进行改进的发明，但是它们都没有做到尽善尽美。例如专利号为201120313056.4的《营养液自动配制灌溉系统》实用新型专利，专利中装置水泵运用过于频繁，既耗损电力又布线麻烦，在营养液的喷洒方面，喷头过少，只适用于小型大棚，在操作方面也不够智能化，属于人工操作范畴；例如专利号为201220284013.2的《一种营养液电动喷洒器》实用新型专利，其中的喷洒装置过于庞大，且只适用于单个种植槽的营养液喷洒，难以满足大型大棚营养液喷洒的需要。
为了改善上述的状况，发明一种能够快速精确地调配营养液，并且可以定时定量地将营养液喷洒于大棚全部作物上的装置就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的就是在于针对现有技术的不足，提供一种主要用于大型温室大棚的全自动营养液配制及其喷洒的方法及其系统，它可根据用户设定的营养液成分表、喷洒时间等参数，自动完成营养液的配制及喷洒工作。本发明数据传输更加安全可靠，且无需布线，极大减轻用户安装设备及使用设备的负担。不仅适用小型大棚营养液的配制及喷洒，同时还能够满足大型、综合型的大棚营养液的需求；同时采用全自动一体化处理，整个系统的操作显得十分简单，非常方便。本发明将开发系统异地操作的功能，用户可在异地计算机上登入大棚营养液配制及喷洒系统的管理软件，实现异地操作。
本发明采用的技术方案如下：
一种全自动大棚营养液配制及喷洒的的方法，设备由营养液配制单元、营养液喷洒单元和数据处理单元三个单元组成，其中营养液配制单元包括若干个原料桶，原料桶中存放着含有配制营养液所需元素的高浓度液体；其特征在于，步骤如下：
⑴.将营养液配制单元中各个原料桶中高浓度液体的浓度输入系统的数据处理单元中的计算机管理软件中；
⑵. 数据处理单元的计算机对输入的营养液成分表、喷洒时间等参数进行数据处理，计算出所需元素及稀释水的液体体积后，首先进行自检，判断有无充足元素原料，无线网络连接是否正常，如过没有管理软件将发出报警信息；
⑶.计算机根据营养液成分表计算出所需元素的液体体积；
⑷.计算机根据步骤⑶的计算结果，分别打开各个原料桶的下泄阀门；同时不断接收各个原料桶出口的高精度霍尔流量传感器输出的数据；以此控制各个原料桶向混合箱中的下泄流量；
⑸.计算机根据步骤⑶的计算结果，打开稀释水的阀门，同时不断接收稀释水的高精度霍尔流量传感器输出的数据；以此控制向混合箱中注入的控制稀释水的流量；
⑹. 混合箱中的红外测距传感器不断测量混合箱中的液体量，并将测量数据随时输送给计算机；
⑺. 计算机根据步骤⑹红外测距传感器输送的数据，确定营养液配制是否已经完成；完成时关闭各个原料桶的阀门及稀释水的阀门；
⑻. 在最后一种元素完成注入后，计算机打开混合箱中的微型搅拌器进行搅拌；
⑼. 达到预定的搅拌时间后，计算机关闭微型搅拌器；
⑽.混合完成后，计算机打开正排量水泵，营养液由该正排量水泵抽取并增压；
⑾. 在管中压力到达合适数值后，计算机将控制增压后的营养液流向营养液喷洒单元；
⑿.计算机控制营养液喷洒单元中移动喷头的传动装置运转，使得移动喷头在钢制轨道槽上移动；
⒀.可移动喷头上的红外测距传感器检测到定位物（作物）后，将信息发送给计算机；
⒁. 计算机控制移动喷头停止移动并进行喷洒；喷洒时，移动喷头上的高精度霍尔流量传感将流量数据输送给计算机；
⒂.计算机控制移动喷头实现营养液的精准喷洒；
⒃.营养液的喷洒达到预定量以后，计算机控制移动喷头停止喷洒。
以上各控制步骤中，计算机的工作方式是：各个传感器及各部件与计算机之间的控制及反馈信息都由无线控制节点CC2530来完成与数据处理单元中网关节点的数据交换。管理软件在使用过程可将由无线控制节点反馈回的传感器信息、喷洒进度等上传至Internet网络，使得管理软件同时可在异地计算机登入，方便用户在异地远程控制大棚营养液配制及喷洒系统。
以上方案的进一步优化，可以在第⑸步骤中增加以下步骤：
⑸-1. 计算机根据混合箱中温度传感器的输出数据进行测温；并根据该数据进行温度调整；
⑸-2. 计算机根据混合箱中pH值传感器的输出数据进行pH值检测；并根据该检测结果进行pH值的调整；
以上方案的进一步优化，可以在第⑾步骤中增加以下步骤：
⑾-1.增压后的营养液流先经紫外线消毒（然后流向营养液喷洒单元）；
完成本申请第二个发明任务的技术方案是，以上方法所使用的设备：一种全自动大棚营养液配制及喷洒的系统，由营养液配制单元、营养液喷洒单元和数据处理单元三个单元组成，其特征在于，所述的营养液配制单元中设有若干个原料桶，每个原料桶中分别存放着所需元素的高浓度液体；每个原料桶的出口安装有阀门和高精度霍尔流量传感器；各个原料桶的出口通过管道与其下方的混合箱连接；该混合箱中装有红外测距传感器和微型搅拌器；所述混合箱中还设有正排量水泵；所述各原料桶的阀门、混合箱中的微型搅拌器及正排量水泵，均由计算机控制运转；所述各原料桶的高精度霍尔流量传感器、红外测距传感器的输出，均接计算机。
优化方案中：
混合箱中还装有温度传感器、pH值传感器；该温度传感器、pH值传感器的输出，均接计算机。
增压后的营养液流经后流向营养液喷洒单元的管道中，设置有紫外线消毒系统；
以上所述的高精度霍尔流量传感器、温度传感器、PH值传感器、红外测距传感器、微型搅拌器、正排量水泵以及紫外线消毒系统，它们的控制及反馈信息都由无线控制节点CC2530来完成与数据处理单元中网关节点的数据交换。
换言之，本发明的方法和设备组成如下：由营养液配制单元、营养液喷洒单元和数据处理单元三个单元组成。其中营养液配制单元包括若干个原料桶，原料桶中存放着含有配制营养液所需元素的高浓度液体。液体浓度事先输入系统的管理软件中，以便计算机根据营养液成分表计算出所需元素的液体体积。每个原料桶的出口都安装了高精度霍尔流量传感器，对桶中的高浓度化学液体以及起稀释作用的水进行精确流量控制，在重力的作用下，液体会流入营养液混合箱。混合箱中装有温度传感器、pH值传感器、红外测距传感器以及微型搅拌器，其中红外测距传感器起到测量桶中水位的作用，为了减小误差，使用微型搅拌器来进行营养液的混合。混合完成后的营养液由一个正排量水泵抽取并增压，增压后的营养液流经紫外线消毒系统后流向营养液喷洒单元。以上所述的高精度霍尔流量传感器、温度传感器、pH值传感器、红外测距传感器、微型搅拌器、正排量水泵以及紫外线消毒系统，它们的控制及反馈信息都由无线控制节点CC2530来完成与数据处理单元中网关节点的数据交换。
营养液喷洒单元包括一组可移动喷头及分布在种植槽上方的钢制轨道槽组成。钢制轨道槽以距离种植槽重的土壤1m-1.2m为宜。移动喷头的上部分为传动装置，由步进电机带动滑轮使得喷头在钢制轨道槽上移动；移动喷头的下部分由一个高精度霍尔流量传感、多个喷头、无线控制节点和红外测距传感器组成，喷头的数量视作物的种植密度而定，红外测距传感器负责作物的定位，每一行作物在其一边会放置一个定位物，红外测距传感器检测到定位物后控制移动喷头停止移动并进行喷洒，从而实现营养液的精准喷洒。以上所述的步进电机、高精度霍尔流量传感器以及红外测距传感器，它们的控制及反馈信息都由无线控制节点CC2530来完成与数据处理单元中网关节点的数据交换。
数据处理单元包括无线网关节点和计算机，无线网关节点通过USB2.0连接计算机。计算机上的管理软件负责对用户输入的营养液成分表、喷洒时间等参数进行数据处理，计算出所需元素及稀释水的液体体积后，首先进行自检，判断有无充足元素原料，无线网络连接是否正常，如过没有管理软件将发出报警信息。自检通过后，计算机利用无线网关节点将各个元素对应的流量信息通过Zigbee网络传送至无线控制节点一 ，无线控制节点一根据流量信息控制相对应的高精度霍尔流量传感器让相对应元素的液体流入营养液混合箱。在最后一种元素完成注入后，控制微型搅拌器进行营养液的混合搅拌，同时利用温度传感器、pH值传感器、红外测距传感器，对混合过程进行监控，如发生数据异常则管理软件发出报警信息。混合完成后，计算机控制正排量水泵抽取混合箱中的营养液并增压，同时打开紫外线消毒系统。在管中压力到达合适数值后，计算机将控制信息利用无线网关节点通过Zigbee网络传送至无线控制节点二，此时步进电机启动，移动喷头在钢制轨道槽上向前移动，在红外测距传感器感应到定位物并且测距发生改变时，步进电机停止工作，营养液喷洒单元的高精度霍尔流量传感器被打开，营养液通过弹性软管到达喷头后被喷洒到作物上。到达喷洒时间后，高精度霍尔流量传感器关闭，步进电机启动继续向下一喷洒点移去。在最后一个定位物被识别后，步进电机带动喷头移向原位。管理软件在使用过程可将由无线控制节点反馈回的传感器信息、喷洒进度等上传至Internet网络，使得管理软件同时可在异地计算机登入，方便用户在异地远程控制大棚营养液配制及喷洒系统。
本发明具有如下有益效果：
1. 本发明采用先进的Zigbee网络技术，控制及反馈信息数据的传输采用无线方式实现，比起以往的设备来说，数据传输更加安全可靠，且无需布线，极大的减轻了用户安装设备及使用设备的负担。
2. 本发明不仅适用小型大棚营养液的配制及喷洒，同时还考虑到了大型、综合型的大棚营养液的需求，可以对大棚内所有种植槽中的作物进行营养液的喷洒。
3.本发明采用全自动一体化处理，用户只需输入的营养液成分表、喷洒时间等参数，其余工作都在计算机控制下自主完成，这样使得整个系统的操作显得十分简单，极大方便了用户。
4.本发明开发系统异地操作的功能，用户可在异地计算机上登入大棚营养液配制及喷洒系统的管理软件，实现异地操作。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构图；
图2为本发明实施例营养液配制单元结构示意图（图中无箭头线为电线，有箭头线为液体管道）；
图3为本发明实施例营养液喷洒单元轨道结构示意图；
图4-1、图4-2为本发明营养液喷洒单元移动喷头结构示意图（图中无箭头线为电线，有箭头线为液体管道）；
图5为本发明实施例数据处理单元示意图；
图6为本发明实施例的全自动大棚营养液配制及喷洒流程图。
具体实施方式
参见图1，一种全自动大棚营养液配制及喷洒系统，包括营养液配制单元1、营养液喷洒单元2和数据处理单元3三个单元组成。它们之间通过CC2530组建的Zigbee无线网络4实现数据交换。
参见图2，营养液配制单元1包括若干个原料桶13，原料桶13中存放在配制营养液所需元素的高浓度液体，液体浓度事先输入系统的管理软件中，以便计算机根据营养液成分表计算出所需元素的液体体积。每个原料桶13的出口都安装了高精度霍尔流量传感器14，对桶中的高浓度化学液体以及起稀释作用的水15进行精确流量控制，在重力的作用下，液体会流入营养液混合箱8，混合箱8中装有温度传感器16、pH值传感器5、红外测距传感器6以及微型搅拌器7，其中红外测距传感器6起到测量桶中水位的作用，为了减小误差使用微型搅拌器7来进行营养液的混合。混合完成后的营养液由一个正排量水泵9抽取并增压，增压后的营养液流经紫外线消毒系统10后从营养液出水口17流向营养液喷洒单元。以上所述的高精度霍尔流量传感器14、温度传感器16、pH值传感器5、红外测距传感器6、微型搅拌器7、正排量水泵9以及紫外线消毒系统10，它们的控制及反馈信息都由CC2530无线控制节点一11来完成与数据处理单元中网关节点的数据交换。水源进水口15出安装了过滤器12，以防杂物进入营养液混合箱8。图中无箭头线为电线，有箭头线为液体管道。
参见图3和图4-1、图4-2，营养液喷洒单元2由一组可移动喷头18及分布在种植槽上方的钢制轨道槽19组成。钢制轨道槽19以距离安装种植槽20的土壤271m-1.2m为宜。营养液配制单元1的营养液出水口17通过弹性软管27接至移动喷头18，移动喷头18的上部分为传动装置，由步进电机21带动滑轮22使得移动喷头18在钢制轨道槽19上移动；移动喷头18的下部分由一个高精度霍尔流量传感26、多个喷头23、无线控制节点二24和红外测距传感器25组成，喷头23的数量视作物的种植密度而定，红外测距传感器24负责作物28的定位，每一行作物在其一边的水泥台29放置一个定位物26，红外测距传感器24检测到定位物26后控制移动喷头18停止移动并进行喷洒，从而实现营养液的精准喷洒。以上所述的步进电机21、高精度霍尔流量传感器26以及红外测距传感器25，它们的控制及反馈信息都由CC2530无线控制节点二24来完成与数据处理单元中网关节点的数据交换。图中无箭头线为电线，有箭头线为液体管道。
参见图5，数据处理单元3包括无线网关节点30和本地计算机31，无线网关节点30通过USB2.0连接本地计算机31。本地计算机31上安装专用管理软件，可将本地计算机31中数据上传至Internet网，使得异地计算机32可以利用Internet网同步控制营养液配制及喷洒系统。
参见图6，本发明管理软件具体运作流程为：对用户输入的营养液成分表、喷洒时间等参数进行数据处理，计算出所需元素及稀释水的液体体积后，首先进行自检，判断有无充足元素原料，无线网络连接是否正常，如果自检不通过管理软件将发出报警信息。自检通过后，计算机利用无线网关节点将各个元素对应的流量信息通过Zigbee网络传送至无线控制节点一11，无线控制节点一11根据流量信息控制相对应的高精度霍尔流量传感器14让相对应元素的液体流入营养液混合箱8。在最后一种元素完成注入后，控制微型搅拌器7进行营养液的混合搅拌，同时利用温度传感器16、PH值传感器5、红外测距传感器6，对混合过程进行监控，如发生数据异常则管理软件发出报警信息。混合完成后，计算机控制正排量水泵9抽取混合箱中的营养液并增压，同时打开紫外线消毒系统10。在管中压力到达合适数值后，计算机将控制信息利用无线网关节点通过Zigbee网络传送至无线控制节点二24，此时步进电机21启动，移动喷头18在钢制轨道槽19上向前移动，在红外测距传感器25感应到定位物26使测距发生改变时，步进电机21停止工作，高精度霍尔流量传感器26被打开，营养液通过弹性软管27到达喷头23后被喷洒到作物28上。到达所设定的喷洒时间后，营养液喷洒单元二的高精度霍尔流量传感器26关闭，步进电机21启动继续向下一喷洒点移去。在最后一个定位物被识别后，步进电机21带动移动喷头18退回原位。
Claims (10)
1. 一种全自动大棚营养液配制及喷洒的方法，设备由营养液配制单元、营养液喷洒单元和数据处理单元三个单元组成，其中营养液配制单元包括若干个原料桶，原料桶中存放着含有配制营养液所需元素的高浓度液体；其特征在于，步骤如下：
⑴.将营养液配制单元中各个原料桶中高浓度液体的浓度输入系统的数据处理单元中的计算机管理软件中；
⑵. 数据处理单元的计算机对输入的营养液成分表、喷洒时间等参数进行数据处理，计算出所需元素及稀释水的液体体积后，首先进行自检，判断有无充足元素原料，无线网络连接是否正常，如过没有管理软件将发出报警信息；
⑶.计算机根据营养液成分表计算出所需元素的液体体积；
⑷.计算机根据步骤⑶的计算结果，分别打开各个原料桶的下泄阀门；同时不断接收各个原料桶出口的高精度霍尔流量传感器输出的数据；以此控制各个原料桶向混合箱中的下泄流量；
⑸.计算机根据步骤⑶的计算结果，打开稀释水的阀门，同时不断接收稀释水的高精度霍尔流量传感器输出的数据；以此控制向混合箱中注入的控制稀释水的流量；
⑹. 混合箱中的红外测距传感器不断测量混合箱中的液体量，并将测量数据随时输送给计算机；
⑺. 计算机根据步骤⑹红外测距传感器输送的数据，确定营养液配制是否已经完成；完成时关闭各个原料桶的阀门及稀释水的阀门；
⑻. 在最后一种元素完成注入后，计算机打开混合箱中的微型搅拌器进行搅拌；
⑼. 达到预定的搅拌时间后，计算机关闭微型搅拌器；
⑽.混合完成后，计算机打开正排量水泵，营养液由该正排量水泵抽取并增压；
⑾. 在管中压力到达合适数值后，计算机将控制增压后的营养液流向营养液喷洒单元；
⑿.计算机控制营养液喷洒单元中移动喷头的传动装置运转，使得移动喷头在钢制轨道槽上移动；
⒀.可移动喷头上的红外测距传感器检测到定位物（作物）后，将信息发送给计算机；
⒁. 计算机控制移动喷头停止移动并进行喷洒；喷洒时，移动喷头上的高精度霍尔流量传感将流量数据输送给计算机；
⒂.计算机控制移动喷头实现营养液的精准喷洒；
⒃.营养液的喷洒达到预定量以后，计算机控制移动喷头停止喷洒。
2. 根据权利要求1所述的全自动大棚营养液配制及喷洒的的方法，其特征在于，以上各控制步骤中，计算机的工作方式是：各个传感器及各部件与计算机之间的控制及反馈信息都由无线控制节点CC2530来完成与数据处理单元中网关节点的数据交换；管理软件在将由无线控制节点反馈回的传感器信息、喷洒进度等上传至Internet网络。
3. 根据权利要求1所述的全自动大棚营养液配制及喷洒的的方法，其特征在于，在第⑸步骤中增加以下步骤：
⑸-1. 计算机根据混合箱中温度传感器的输出数据进行测温；并根据该数据进行温度调整。
4. 根据权利要求1所述的全自动大棚营养液配制及喷洒的的方法，其特征在于，在第⑸步骤中增加以下步骤：⑸-2. 计算机根据混合箱中pH值传感器的输出数据进行pH值检测；并根据该检测结果进行pH值的调整。
5. 根据权利要求1所述的全自动大棚营养液配制及喷洒的的方法，其特征在于，在第⑾步骤中增加以下步骤：
⑾-1.增压后的营养液流先经紫外线消毒，然后流向营养液喷洒单元。
6. 一种全自动大棚营养液配制及喷洒系统，由营养液配制单元、营养液喷洒单元和数据处理单元三个单元组成，其特征在于，所述的营养液配制单元中设有若干个原料桶，每个原料桶中分别存放着所需元素的高浓度液体；每个原料桶的出口安装有阀门和高精度霍尔流量传感器；各个原料桶的出口通过管道与其下方的混合箱连接；该混合箱中装有红外测距传感器和微型搅拌器；所述混合箱中还设有正排量水泵；所述各原料桶的阀门、混合箱中的微型搅拌器及正排量水泵，均由计算机控制运转；所述各原料桶的高精度霍尔流量传感器、红外测距传感器的输出，均接计算机。
7. 根据权利要求6所述的全自动大棚营养液配制及喷洒的系统，其特征在于，所述混合箱中还装有温度传感器、pH值传感器；该温度传感器、pH值传感器的输出，均接计算机。
8. 根据权利要求6所述的全自动大棚营养液配制及喷洒的系统，其特征在于，所述增压后的营养液流经后流向营养液喷洒单元的管道中，设置有紫外线消毒系统。
9. 根据权利要求6-8之一所述的全自动大棚营养液配制及喷洒的系统，其特征在于，所述的高精度霍尔流量传感器、温度传感器、PH值传感器、红外测距传感器、微型搅拌器、正排量水泵以及紫外线消毒系统，它们的控制及反馈信息都由无线控制节点CC2530来完成与数据处理单元中网关节点的数据交换。
10. 根据权利要求9所述的全自动大棚营养液配制及喷洒的系统，其特征在于，所述的数据处理单元（3）包括有无线网关节点（30）和本地计算机（31），无线网关节点（30）通过USB2.0连接本地计算机（31）；本地计算机（31）上安装专用管理软件，可将本地计算机（31）中数据上传至Internet网；异地计算机（32）利用Internet网同步控制营养液配制及喷洒系统。
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