CN103477956A - 一种盆栽试验自动测灌系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盆栽试验自动测灌系统和方法，包括：放在盆钵支架上的多个盆钵，多个盆钵沿直线排列形成行，多条盆钵的行排列形成盆钵矩阵，各个盆钵中分别插有与各自供水装置连接的注水管，各条盆钵行列下设有供测重小车运动的路轨，各条路轨上分别设有测重小车，各个测重小车上分别设有运行机构和升级机构，升降机构上设有测重台。本发明采用测重小车对盆钵矩阵中的一行或一列的盆钵轮番测重的方式，使测重传感器的数量大大减少，在提高测重精度的同时大大降低了测重传感器的标定维护成本。由于使用测重小车和计算机控制的注水装置，使盆栽试验更加精确，操作更加方便，试验的过程更加易于控制，而试验成本可以控制在较低的水平上。

Description

一种盆栽试验自动测灌系统和方法

技术领域

本发明涉及一种盆栽试验自动测灌系统和方法，是一种农业科学实验的系统和方法，是一种计算机控制的自动测控系统和方法。

背景技术

传统的盆栽试验的自动灌注装置，通常是水阀，通过简单的机械传动将注入栽种植物的盆钵中。测量也是采用简单的机械式测量装置，其精度无法满足精确试验的要求。随着农业试验的不断精细化，试验数据的精确度要求越来越高，对试验装置的要求也越来越高。因此，传统的机械式称重和水阀已经无法满足要求。由于试验数据的精度要求越来越高，衡器的精度也越来越高。但在多数情况下，衡器要求经常的进行检定，否则就会出现试验数据的误差，如果简单的将每个栽种植物的盆钵上都安装称重传感器，其数量会十分巨大（通常情况下的盆栽试验大约有数千个盆钵），大量的使用称重传感器（衡器），检定工作将会十分的巨大，试验成本就会高得无法忍受。同时，由于作物不同生长阶段对水分和肥料的敏感性不同，通常会针对不同生长期进行水分和肥料的控制，因此要求试验设备能够依据试验设计的水分条件和亏缺量进行自动控制补水（肥）量。因此，必须找到更加方便、智能和低成本的方法。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种盆栽试验自动测灌系统和方法。所述的系统和方法通过采用称重小车的方式，称重小车对一行或一列的盆钵进行单个的轮流称重，由于试验中重量是一个相对的精确量，因此，也可以得到十分精确的试验数据。

本发明的目的是这样实现的：一种盆栽试验自动测灌系统，包括：放在盆钵支架上的多个盆钵，所述的多个盆钵沿直线排列形成行，多条盆钵的行排列形成盆钵矩阵，所述的各个盆钵中分别插有与各自供水装置连接的注水管，所述各条盆钵行列下设有供测重小车运动的路轨，各条路轨上分别设有测重小车，各个测重小车上分别设有运行机构和升级机构，所述的升降机构上设有测重台，所述的测重台上设有测重传感器，所述的运行机构上设有位置传感器；所述的供水装置、升降机构、运行机构、测重传感器、位置传感器与数据采集器与控制台电连接。

一种使用上述系统的盆栽试验自动测灌方法，所述的方法包括如下步骤：

设定位置的步骤：用于根据实验需要设定待测量重量的盆钵在盆钵矩阵中的位置；

测重小车移动的步骤：用于数据采集器与控制台根据设定的盆钵矩阵的行位置数据，启动该行测重小车的运行机构，使测重小车运行至所设定的盆钵矩阵的列位置；

抬起盆钵的步骤：用于测重小车的升降机构抬起，将盆钵从盆钵支架上抬起，使栽种物的重量压在测重台上；

测量重量的步骤：用于测重台上的测重传感器测量栽种物的重量；

计算给水量的步骤：用于数据采集器与控制台根据获得的栽种物的重量，计算水量的流失量和补给量；

补水的步骤：用于数据采集器与控制台根据计算出的补给量启动所侧盆钵位置的供水装置，对盆钵注水； 

记录的步骤：记录测量的结果，并回到设定位置的步骤，进入下一个测重和补水循环。

本发明产生的有益效果是：（1）本发明利用盆栽试验中各个盆钵可以不同时测重的特点，采用测重小车对盆钵矩阵中的一行或一列的盆钵轮番测重的方式，使测重传感器的数量大大减少，在提高测重精度的同时大大降低了测重传感器的标定维护成本。（2）由于使用测重小车和计算机控制的注水装置，使盆栽试验更加精确，操作更加方便，试验的过程更加易于控制，而试验成本可以控制在较低的水平上。（3）与现有技术相比，可以实现作物生长过程不同土壤含水量（灌水量）条件的灵活控制，即实现试验过程中不同时期含水量不同的试验条件控制。这个在研究作物不同生长期对水分条件敏感性，提升作物的水分（肥料）生产力等方面具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述系统的结构示意图，是图1中A-A方向的剖面图；

图3是本发明的实施例七所述方法的流程框图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种盆栽试验自动测灌系统，如图1、2所示。本实施例包括：放在盆钵支架4上的多个盆钵3，所述的多个盆钵沿直线排列形成行，多条盆钵的行排列形成盆钵矩阵，所述的各个盆钵中分别插有与各自供水装置1连接的注水管6，所述各条盆钵行列下设有供测重小车5运动的路轨2，各条路轨上分别设有测重小车，各个测重小车上分别设有运行机构501和升级机构502，所述的升降机构上设有测重台503，所述的测重台上设有测重传感器，所述的运行机构上设有位置传感器；所述的供水装置、升降机构、运行机构、测重传感器、位置传感器与数据采集器与控制台电连接。

本实施例所述的盆钵是一种专门用于栽培试验用的容器，一般为上大下小的圆台形。在盆钵中下层充填砂石，一般3-5cm。砂石的上面根据试验设计填充指定类型和重量的土壤，一般20-50cm。直径在1-2cm的注水管直接插入砂石层，可以保证灌水的均匀性和作物利用的有效性，土壤中栽培各种作物，如大豆、小麦等。

所述的盆钵支架用于支撑盆钵，一般可以使用金属或其他坚固的材料制成。由于盆钵是上大下小的圆台形，盆钵支架呈带有几条腿的环形，可以支撑在盆钵的中部，当升降机构将盆钵托起的时候，盆钵脱离了盆钵支架的支撑，使栽种物的整个重量都由测重台支撑，即测重台所测出的是整个栽种物的重量。本实施例及之后实施例所述的栽种物是指盆钵、盆钵中的砂石和土壤，以及栽培物、水分等所有盆钵承载的物质。

所述的盆钵阵列是由纵横排列的盆钵组成，为了检测方便，盆钵的排列可以在纵排或横排排成一条直线，以便将小车运行路线设置为直线，方便小车的运行。盆钵阵列的排列也是为了便于编制盆钵位置地址，以方便计算机管理。

盆钵矩阵中的各个盆钵放置在低于地平面的地槽中，并且保证盆钵内土壤表面与地表等高，保证盆钵内土壤温度条件接近自然土壤条件。为了便于称重小车的运行，地槽的底部铺设路轨，地槽及路轨的长度略长于盆钵矩阵的长度。本实施例所述的路轨是平坦的路面或轨道的统称。为使测重小车行走平稳并保持直线运动，可以使用轨道，也可以只铺设平坦的路面。

所述的供水装置主要由储水的容器和微型灌水泵构成。注入盆钵的水不是普通的水，而是掺入肥料和进行实验物质的水。在通常情况下，为了进行实验，不用联通的管路将各个盆钵的注水管连在一起，而是在每个盆钵旁边另外设置一个储水钵。各个储水钵中可以放置不同的肥料和实验物质，以获得不同的实验效果，而各个储水钵可以通过联通所有储水钵的输水管路补水。当然，如果盆栽实验所有盆钵都使用同样的肥料和实验物质，则可以直接使用联通所有盆钵的输水管路注水。

所述的测量小车的运行机构可以是一种由电动机带动车轮运行的小车，小车的运行位置通过位置传感器确定，并传输至数据采集器与控制台，由数据采集器与控制台控制小车的停车位置，即测量盆钵阵列中某个盆钵的位置。位置传感器可以采用光电读码等位置精度相对较低的位置传感器，以降低成本。

测量小车上的升降机构可以采用结构简单的四连杆升降机构，使用简单且经济的电动螺杆推动升降。

所述的测重台是一个平坦的台板，以便稳定的放置盆钵进行测量。测重台也是为了方便设置测重传感器。测重传感器可以是应变传感器或其他晶体测重传感器。

数据采集器与控制台可以是各种可以进行数字存储和处理的电子装置，并具有显示和人机交互的能力，如：通用工控计算机，PC机等。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于供水装置的细化。本实施例所述的供水装置包括：储水钵，所述的储水钵101通过水管与微型灌水泵102连接，所述的微型灌水泵与所述的注水管连接。

所述的储水钵是存储水的容器。所述的微型灌水泵，是一种专门进行精确灌注几百毫升水的设备，可进行精确的农业试验。微型灌水泵的选择可以根据作物类型、盆钵大小和灌水控制精度选择。

为了使灌注的水量更加精确，可以在出水管的位置设置流量传感器，并将流量传感器所测得的数据传输至数据采集器与控制台，数据采集器与控制台对微型灌水泵进行控制。所述供水装置的水源可以按“行”连通，方便为水源进行自动补水。即图1中的储水钵可以用连通管进行连通，在端头位置设置水位限位计，根据水位情况实现自动为储水钵补水。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于供水装置的细化。本实施例所述的微量注水管上设有流量传感器，所述的流量传感器与数据采集器与控制台电连接。

带有流量传感器的闭环控制可以使注入盆钵的水量十分精确。

实施例四：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于路轨的细化。本实施例所述的路轨是平坦的路面，所述路面由金属或水泥构成；所述的测重小车的车轮为硬质滚动面的车轮。

本实施例所述测重小车的行走路面是平坦的路面，测重小车车轮的滚动面应当也为硬质的，不应当有任何弹性，以避免干扰测重和保持测重小车直线运行。为保持测重小车直线运行，可以在测重小车运行的路面上用明显的颜色画出一条直线，利用光电跟踪路面的直线，使测重小车保持直线运动。同时还可以在直线上标记位置符合，这样可以使光电跟踪与位置传感器合一，简化结构。

实施例五：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于路轨的细化。本实施例所述的路轨是钢轨；所述的运行装置的车轮为轨道轮。

本实施例所述的钢轨可以是工字型钢轨，也可以是其他类型的钢轨。所述的轨道轮是带有较大轮缘的钢质车轮。

实施例六：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于路轨的细化。本实施例所述的数据采集器与控制台是PC机或工业控制计算机。

数据采集器与控制台是整个系统的测控核心，除了可以对整个系统的各个动作进行控制外，还要有一定的数据记录和处理能力。主要是根据实验的要求对注入盆钵的水量进行记录和计算水量的变化。因此，使用仅仅能够进行程序控制的PLC是不够的。而PC机或工业控制计算机可以安装不在的处理程序，实现更为强大的功能。

实施例七：

本实施例是一种使用实施例一所述系统的盆栽试验自动测灌方法，所述方法的流程图如图3所示。本实施例所述的方法包括如下步骤：

设定位置的步骤：用于根据实验需要设定待测量重量的盆钵在盆钵矩阵中的位置。盆钵矩阵中的某一个盆钵的位置可以用矩阵的方式记录下来。例如：五行八列的盆钵矩阵A₅₈，第三行的第五个盆钵可以记录为：a₃₅，一种盆钵的位置类似于矩阵的一个元素。如果将测重小车运行的方向定义为“行”，则有多少“行”就有多少测重小车，测重小车运行的各个位置就是“列”。或者同理，将测重小车运行的方向定义为“列”，则多少“列”就有多少测重小车，测重小车运行的各个位置就是“行”。

测重小车移动的步骤：用于数据采集器与控制台根据设定的盆钵矩阵的行位置数据，启动该行测重小车的运行机构，使测重小车运行至所设定的盆钵矩阵的列位置。本步骤确定行为测重小车运行的方向为“行”，则“列”的位置由测重小车的运行位置所确定。对某个盆钵的位置数据采集器与控制台首先根据该盆钵在盆钵矩阵中“行”的位置启动对应行的测重小车，然后根据该盆钵“列”的位置确定测重小车停止的位置，即到达该盆钵的位置。

抬起盆钵的步骤：用于测重小车的升降机构抬起，将盆钵从盆钵支架上抬起，使栽种物的重量压在测重台上。当测重小车到达对应的盆钵位置的时候，测重小车上的测重台在升降机构的作用下抬起，由于这时测重小车在盆钵的正下方，所以可以将盆钵一同抬起，盆钵及其其中的所有物质，即整个栽种物的重量都放在测重台上。

测量重量的步骤：用于测重台上的测重传感器测量栽种物的重量。由于测重台的升起是一个逐步的过程，因此，测重传感器只有在测重平台升起并稳定后才能开始工作，这样才能获得准确的测重数据。

计算给水量的步骤：用于数据采集器与控制台根据获得的栽种物的重量，计算水量的流失量和补给量。当获得测重数据后，中央处理装置就将测得的数据域数据库中的数据进行比对，得出该盆钵水量的流失量，并根据实验需要，计算补充水量。

补水的步骤：用于数据采集器与控制台根据计算出的补给量启动所侧盆钵位置的供水装置，对盆钵注水。补水采用微型灌水泵进行，计算机控制平台通过计算出的补水量和泵的流量，控制泵的工作时间完成补水。补水的工作方式有两种：（1）校准流量泵模式：利用计算出的补水量和泵的流量，计算出泵的工作时长，然后控制泵进行补水，补水完成后再次称重。通过比较补水后的重量与试验设计重量，对流量泵的工作时间-补水量关系进行校准，为评价试验误差提供依据。即进行两次称重；（2）正常工作模式：依据计算出的补给量，控制台按照微型灌水泵的工作时间-补水量关系曲线，计算出泵的工作时间，然后控制流量泵进行补水。即只进行一次称重。

记录的步骤：记录测种和补水的结果，并回到设定位置的步骤，进入下一个测重和补水循环或结束补水，测重小车回到原始位置。当补水达到计算值的要求时，则停止补水，并对整个栽种物进行再一次测重。经过测重验证后则测重小车根据数据采集器与控制台的指令移动到下一个盆钵的位置，进行下一个测重和注水的循环。或者暂停或停止试验。当暂停或停止试验的时候，测重小车要回到原始位置。所述的原始位置通常是指一个特定的位置，这个位置是可以被计算机认识的归零，如图1所示的左侧最下方，最左侧的测重小车的位置，通常情况下被确定为归零位。如图1所示，当所有的测重小车都回到最下方是，就可以认为是所有测重小车归零。

实施例八：

本实施例是实施例七的改进，是实施例七关于补水的步骤的细化。本实施例所述的“补水的步骤” 包括以下子步骤：

利用计算出的补水量和微型灌水泵的流量，计算出泵的工作时长。由于微型灌水泵的流量（每分钟只有几百毫升甚至几十毫升）十分精确，因此，可以根据微型灌水泵的流量计算出开泵多少时间就可以达到的补水量。

控制微量泵进行补水，补水完成后再次称重。通过比较补水后的重量与试验设计重量，对微型灌水泵的工作时间-补水量关系进行校准。由于微型灌水泵在工作过程中，随着时间的变化，其流量会发生变化。流量随时间变化的状况根据微型灌水泵的型号不同而不同。因此，对于一个新使用的微型灌水泵，在使用的初始阶段需要对该型号的流量随时间变化的状况进行检测，获得工作时间-补水量的关系曲线。如果微型灌水泵的制造厂商提供微型灌水泵的工作时间-补水量的关系曲线图表，就应通过实验当对该关系曲线图表进行校准。本实施例所述的过程即为对微型灌水泵的工作时间-补水关系曲线图表的检测或校准过程。

实施例九：

本实施例是实施例七的改进，是实施例七关于补水的步骤的细化。本实施例所述的“补水的步骤” 包括以下子步骤：

依据计算出的补给量，按照微型灌水泵的工作时间-补水量关系曲线，计算出泵的工作时间。本实施例是根据检测并校准的工作时间-补水量关系曲线进行补水的过程，是一个通常的工作过程。

根据计算出的微型灌水泵工作时间控制微型灌水泵进行补水。

实施例十：

本实施例是实施例七、八的细化。本实施例所述的设定位置的步骤至记录的步骤可同时在盆钵矩阵中的多行中进行。

由于盆钵矩阵中有多个测重小车，因此各个测重小车可以同时进行多个测重，而不互相干扰。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如盆钵矩阵的排列方式，数据采集器与控制台的形式、测重小车的形式、方法步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种盆栽试验自动测灌系统，包括：放在盆钵支架上的多个盆钵，所述的多个盆钵沿直线排列形成行，多条盆钵的行排列形成盆钵矩阵，所述的各个盆钵中分别插有与各自供水装置连接的注水管，其特征在于，所述各条盆钵行列下设有供测重小车运动的路轨，各条路轨上分别设有测重小车，各个测重小车上分别设有运行机构和升级机构，所述的升降机构上设有测重台，所述的测重台上设有测重传感器，所述的运行机构上设有位置传感器；所述的供水装置、升降机构、运行机构、测重传感器、位置传感器与数据采集器与控制台电连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的供水装置包括：储水钵，所述的储水钵通过水管与微型灌水泵连接，所述的微型灌水泵与所述的注水管连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的注水管上设有流量传感器，所述的流量传感器与数据采集器与控制台电连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的路轨是平坦的路面，所述路面由金属或水泥构成；所述的测重小车的车轮为硬质滚动面的车轮。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的路轨是钢轨；所述的运行装置的车轮为轨道轮。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的数据采集器与控制台是PC机或工业控制计算机。

7.一种使用权利要求1所述系统的盆栽试验自动测灌方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

设定位置的步骤：用于根据实验需要设定待测量重量的盆钵在盆钵矩阵中的位置；

测重小车移动的步骤：用于数据采集器与控制台根据设定的盆钵矩阵的行位置数据，启动该行测重小车的运行机构，使测重小车运行至所设定的盆钵矩阵的列位置；

抬起盆钵的步骤：用于测重小车的升降机构抬起，将盆钵从盆钵支架上抬起，使栽种物的重量压在测重台上；

测量重量的步骤：用于测重台上的测重传感器测量栽种物的重量；

计算给水量的步骤：用于数据采集器与控制台根据获得的栽种物的重量，计算水量的流失量和补给量；

补水的步骤：用于数据采集器与控制台根据计算出的补给量启动所测盆钵的供水装置，对盆钵注水；

记录的步骤：记录测重和补水的结果，并回到设定位置的步骤，进入下一个测重和补水循环，或结束补水，测重小车回到原始位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的“补水的步骤”包括以下子步骤：

利用计算出的补水量和微型灌水泵的流量，计算出微型灌水泵的工作时长；

控制微型灌水泵进行补水，补水完成后再次称重；

通过比较补水后的重量与试验设计重量，对流量微型灌水泵的工作时间-补水量关系进行校准。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的“补水的步骤”包括以下子步骤：

依据计算出的补给量，按照微型灌水泵的工作时间-补水量关系曲线，计算出微型灌水泵的工作时间；

根据计算出的微型灌水泵工作时间控制微型灌水泵进行补水。

10.根据权利要求7-9之一所述的方法，其特征在于，所述的设定位置的步骤至记录的步骤可同时在盆钵矩阵中的多行中进行。

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