CN103798116A - 一种植物无土栽培营养液循环装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物无土栽培营养液循环装置，其包括：用于供给和处理植物所需营养液的营养液供给处理单元；与营养液供给处理单元连接的用于进行液体循环的营养液循环单元，其与营养液供给处理单元和外部栽培床共同形成封闭式栽培系统；以及分别与营养液供给处理单元和营养液循环单元连接的控制单元；其中所述封闭式栽培系统具有仿生物心脏供血供氧工作机制。本发明通过对植物无土栽培营养液各组分含量进行检测并根据植物营养需求进行重要组分的有效补给调控，使得循环后的营养液可以多次循环利用，并可满足植物不同阶段对营养的实际需求，并避免了对环境的污染；此外，本发明还提供了一种植物无土栽培营养液循环的控制方法。

Description

一种植物无土栽培营养液循环装置及控制方法

技术领域

本发明涉及植物无土栽培技术领域，具体涉及一种植物无土栽培营养液循环装置及控制方法。

背景技术

植物营养液栽培属于无土栽培模式，是一种代替土壤向植物提供生长必要的营养元素的栽培模式，它摆脱了传统土壤栽培所带来的土壤泛盐，土传病虫害和连作障碍等一系列问题，具有生长快、质量好、产量稳定等优点。合理使用营养液栽培对现代农业的发展具有重要的推动作用。

然而在现实的生产和应用中，营养液的使用几乎都是一次性的，废弃的营养液富含营养，不仅浪费，而且会对环境造成一定程度的污染。因而，在植物无土栽培环节如何实现营养液的高效循环再利用，有着重要的现实意义。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种植物无土栽培营养液循环装置，其通过对植物无土栽培营养液各组分含量进行检测并根据植物营养需求进行重要组分的有效补给调控，使得循环后的营养液可以多次循环利用，并可满足植物不同阶段对营养的实际需求，确保植物无土栽培营养液的合理高效循环利用，同时避免了循环后的废液给环境造成污染；此外，本发明还提供了一种利用上述循环装置实现植物无土栽培营养液循环的控制方法，为植物无土栽培开辟了新的途径。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明植物无土栽培营养液循环装置包括：用于供给和处理植物所需营养液的营养液供给处理单元；与营养液供给处理单元连接的用于进行液体循环的营养液循环单元，其与营养液供给处理单元和外部栽培床共同形成封闭式栽培系统；以及分别与营养液供给处理单元和营养液循环单元连接的控制单元；其中所述封闭式栽培系统具有仿生物心脏供血供氧工作机制。其中，所述营养液供给处理单元包括：壳体；设置在壳体内部且彼此间相互独立的混合池、母液池、过滤池和检测池。

优选地，所述母液池内设有用于提供营养液所需各种组分的营养液供给罐组，其中所述营养液供给罐组包括：酸罐、碱罐、清水罐和用于供给植物生长所需元素的母液罐。

优选地，所述混合池内设有水泵和搅拌器；所述检测池内设有离子检测电极；所述过滤池内设有过滤装置。

其中，所述营养液循环单元包括：分别与所述混合池和所述过滤池连接的外部循环管道；以及分别设置在所述过滤池与所述检测池之间、所述检测池与所述混合池之间、所述混合池与所述母液池之间以及所述过滤池和所述混合池与外部循环管道之间的阀门组件。

优选地，所述阀门组件包括：设置在所述母液池和所述混合池之间且与所述母液罐的各阀门连接的组分调节阀门组；以及分别设置在所述过滤池与所述检测池之间、所述检测池与所述混合池之间以及所述混合池和所述过滤池与所述外部循环管道之间的止回阀。

其中，所述外部循环管道包括：供液管道和回流管道；其中所述供液管道的入液口和出液口分别与所述混合池的出液口和所述栽培床的入液口连接，所述回流管道的入液口和出液口分别与所述栽培床的出液口和所述过滤池的入液口连接。

其中，所述控制单元包括：调理电路、数据采集模块、控制模块和显示模块；其中所述调理电路与所述离子检测电极连接；所述数据采集模块与所述调理电路连接；所述控制模块分别与所述调理电路、所述数据采集模块、所述显示模块以及所述营养液供给罐组的各阀门连接。

本发明实现植物无土栽培营养液循环的控制方法主要包括如下步骤：

1）开启控制单元，对检测池中各离子检测电极进行检测预处理，待达到预定时间T1后，开始对回流液中营养液的相关参数进行采集、检测和分析处理，之后根据处理结果对相关参数做出适应性补给和调整，无误后，将营养液输出至混合池；2）搅拌营养液，至均匀后将其输出，经供液管道开始为栽培床中的植物供液，待供液达到预定时间T2后，排出废液；3）待废液经回流管道回流至过滤池后，对回流液进行过滤处理，待处理时间达到预定值T3后，将液体输出至检测池，进而完成一个循环控制过程。

其中，步骤1）中控制单元对回流液中营养液的相关参数进行分析处理的方法为：将所测数值与植物生长所需营养浓度的阈值比较，如需补给相关参数，则根据预先设定或人为设置标准执行补给、调整操作；或者将所测数值与植物生长所需营养浓度的阈值比较，如果检测池中各相关参数满足植物所需数值动态范围，则无需任何操作。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1）本发明通过在壳体内设置由彼此间相互独立的混合池、母液池、过滤池和检测池，并组成营养液供给处理单元，其与营养液循环单元和外部栽培床连接形成完整的栽培系统，实现了植物无土栽培营养液的合理高效循环利用，避免了循环后的废液给环境造成的污染；

2）本发明的循环装置以仿生学为依据，优选以生物（如人类）心脏为原型，模仿生物心脏供血供氧机制，通过四个“腔室”（检测池、母液池、混合池和过滤池）和“血液”（营养液）在封闭式栽培环节形成完整的循环，提高了营养液利用效率；

3）本发明通过在混合池、母液池、过滤池和检测池及外部循环管道等之间设置阀门组件、在母液池内设置营养液供给罐组、在检测池内设置离子检测电极等，并通过控制单元对各部件、各阀门的连接控制，实现了对植物无土栽培营养液各组分含量的检测，同时根据植物营养需求进行重要组分的有效补给调控，实现各组分含量和酸碱度的智能调节，满足了植物不同阶段对营养的实际需求；

4）本发明中的止回阀可用来防止介质倒流；母液池中的母液罐、酸罐、碱罐和清水罐可以提供营养液所需的各种组分；调节阀门组中与各组成部分相对应的阀门可以单独开启，也可以多个同时开启，从而可以调控营养液各组分含量；过滤池可以充分地过滤掉回流液中含有的杂质、浮生植物、细菌等污染源，并兼顾臭氧杀菌消毒作用；提供的触摸屏显示、控制，实现了智能化和傻瓜化操作；

5）本发明的循环装置是一个完整的闭环系统，具有较强的抑制干扰能力和鲁棒性，整个系统稳定、可靠，并提高了生产效率，为封闭式植物栽培系统提供了营养液循环供给方案；

6）本发明以农艺学为基础，辅以自动化检测与控制技术，针对植物不同的生长阶段对营养的实际需求进行动态调整，使营养液不断循环为植物提供最佳的生长环境；

7）本发明利用上述循环装置实现植物无土栽培营养液循环的控制方法，有效解决了浪费和环境污染问题，降低了生产成本，提高了经济效益，符合现代农业节能、环保的要求和趋势，为植物无土栽培开辟了新的途径。

附图说明

图1是本发明植物无土栽培营养液循环装置的结构示意图；

图2是图1所示控制单元的工作原理图；

图3是本发明植物无土栽培营养液循环控制方法的控制流程图。

附图标记说明：1-壳体；21-混合池；211-水泵；212-搅拌器；22-母液池；23-过滤池；24-检测池；241-离子检测电极；25a-调节阀门组；25b-止回阀；31-供液管道；32-回流管道；4-控制单元；41-调理电路；42-数据采集模块；43-控制模块；44-显示模块；5-栽培床。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明，所配附图仅用于解释本发明，是对本发明实施例的示意性说明，并不能理解为对本发明的限定，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或相同或相类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明植物无土栽培营养液循环装置包括：壳体1，在壳体1内部设置有混合池21、母液池22、过滤池23和检测池24等四个彼此相互独立的腔室，混合池21、母液池22、过滤池23、检测池24和壳体1共同组成营养液供给处理单元，用于供给和处理植物所需营养液；主要由供液管道31、回流管道32和阀门组件等构成的营养液循环单元与营养液供给处理单元相连，用于进行液体循环，供液管道31和回流管道32组成外部循环管道。供液管道31和回流管道32还分别与外部种植有植物的栽培床5连接，其与营养液供给处理单元共同形成封闭式栽培系统；控制单元4与营养液供给处理单元和营养液循环单元连接，用于对整个循环系统进行动态调控。

具体地，母液池22内设有母液罐（含氮、氧、磷、钾、钙、镁、硫等植物成长所需必要元素）、酸罐、碱罐和清水罐，用于提供营养液所需的各种组分；混合池21内设有水泵211和搅拌器212，营养液各种组分和过滤后的回流液在此混合，搅拌后成为可供使用的营养液；检测池24内设有离子检测电极241，提供电极进行检测所需的外界环境；过滤池23内设有过滤装置，过滤池23可以充分地过滤掉回流液中含有的杂质、浮生植物、细菌等污染源，兼顾臭氧杀菌消毒作用。

营养液循环单元的阀门组件主要由设置在母液池22和混合池21之间的组分调节阀门组25a和分别设置在过滤池23与检测池24之间、检测池24与混合池21之间以及混合池21和过滤池23与外部循环管道之间的止回阀25b组成。组分调节阀门组25a与母液罐的各阀门连接，组分调节阀门组25a可以与各组成部分相对应的阀门单独开启，也可以多个同时开启，从而可以调控营养液各组分含量；止回阀25b也即单向阀，可用来防止介质倒流，控制容器中营养液只能按照图1所示方向流动。

供液管道31的入液口和出液口分别与混合池21的出液口和栽培床5的入液口连接，回流管道32的入液口和出液口分别与栽培床5的出液口和过滤池23的入液口连接。

如图2所示，控制单元4主要包括调理电路41、数据采集模块42、控制模块43和显示模块44，可对采集到的数据进行分析，处理并根据各离子的控制策略开启相应的阀门，进而调节营养液中各组分含量，实现动态调控的目的。调理电路41与设置在检测池24内的离子检测电极241连接；数据采集模块42与调理电路41连接，用于采集各种离子检测电极周期性实时传递的过滤后的回流液中各养分含量和酸碱度状况等信息；控制模块43分别与调理电路41、数据采集模块42、显示模块44以及设置在母液池22内的营养液供给罐组的各阀门连接，以完成对整个系统的控制、运行和显示。

壳体1提供支撑作用，为营养液充当密闭容器，用于营养液循环流通，需要说明的是，该壳体1可以是心形形状，也可以是方形、圆形等多种形状中的一种过几种。

此外，如图3所示，本发明利用上述植物无土栽培营养液循环装置实现了一种植物无土栽培营养液循环的控制方法，该方法主要包括如下步骤：

1）开启控制单元4，对检测池24中各离子检测电极241进行检测预处理，待达到预定时间T1后，开始对回流液中营养液的相关参数（如组分含量和/或酸碱度）进行采集、检测和分析处理，之后根据处理结果对相关参数做出适应性补给和调整，无误后，将营养液输出至混合池21；

2）搅拌营养液，至均匀后将其输出，经供液管道31开始为栽培床5中的植物供液，待供液达到预定时间T2后，排出废液；

3）待废液经回流管道32回流至过滤池23后，对回流液进行过滤处理，待处理时间达到预定值T3后，将液体输出至检测池24，进而完成一个循环控制过程。

在步骤1）中控制单元4对回流液中营养液的相关参数进行分析处理的方法为：将所测数值与植物生长所需营养浓度的阈值比较，如需补给相关参数，则根据预先设定或人为设置标准执行补给、调整操作；或者将所测数值与植物生长所需营养浓度的阈值比较，如果检测池24中各相关参数满足植物所需数值动态范围，则无需任何操作。

具体地，启动该装置后，系统首先对检测池24中的各离子检测电极241进行检测预处理，当各电极达到采集数据所需要的预定时间T1后，自动采集回流液中各组分含量和酸碱度信息，采集到的微弱、带干扰信号通过相应的调理电路处理后，变成可靠的信号，经由数据采集模块42传递给控制模块43（如STM32主控制器），控制模块43对采集到的数据进行分析处理：所测数值与植物生长所需营养浓度的阈值比较，如果需要补给所缺元素或调节pH，则根据预先设定或人为设置的控制策略，执行补给、调整操作，打开调节阀门组25a中所缺元素或清水、或酸、碱罐对应的开关，调整混合池中营养液的各组分含量；若检测池24中各组分含量满足植物所需元素的动态范围，则不需要任何操作；为保障溶液营养元素浓度和酸碱度得到充分调整，重复上述过程三次，以此来确保混合池21中的营养液符合栽培所需要求，达到动态调控的目的；进入混合池21后，池中的搅拌器212和水泵211把混合池21中的营养液搅拌均匀后泵出，经由供液管道31单向流入栽培床5中，向植物提供营养液，控制营养液在栽培床5中的时间不小于预定时间T2，以保证植物对养分的充分接触和吸收；然后，用过的营养液由回流管道32单向流入过滤池23，开启池中的过滤设备并控制过滤时间不小于预定时间T3，以确保充分去除回流液中的杂质、浮生植物、细菌等污染源，并进行有效的杀菌消毒；过滤消毒后的回流液在止回阀25b的作用下单向流入检测池24，至此，完成一个循环，开启下一个新的循环过程，类似于在心脏的作用下，血液在人体内的循环过程。

从本发明的上述技术方案不难看出，本领域普通技术人员在未进行创造性劳动的前提上是无法实现本发明的技术方案的，本发明相对于现有技术是非显而易见的，具有突出的实质性特点。此外，本发明能够带来诸多有益效果：本发明通过在壳体1内设置由彼此间相互独立的混合池21、母液池22、过滤池23和检测池24，并组成营养液供给处理单元，其与营养液循环单元和外部栽培床5连接形成完整的栽培系统，实现了植物无土栽培营养液的合理高效循环利用，避免了循环后的废液给环境造成的污染；本发明的循环装置以仿生学为依据，优选以生物（如人类）心脏为原型，模仿生物心脏供血供氧机制，通过四个“腔室”（检测池24、母液池22、混合池21和过滤池23）和“血液”（营养液）在封闭式栽培环节形成完整的循环，提高了营养液利用效率；通过在混合池21、母液池22、过滤池23和检测池24及外部循环管道等之间设置阀门组件、在母液池22内设置营养液供给罐组、在检测池24内设置离子检测电极241等，并通过控制单元4对各部件、各阀门的连接控制，实现了对植物无土栽培营养液各组分含量的检测，同时根据植物营养需求进行重要组分的有效补给调控，实现各组分含量和酸碱度的智能调节，满足了植物不同阶段对营养的实际需求；本发明中的止回阀25b可用来防止介质倒流；母液池22中的母液罐、酸罐、碱罐和清水罐可以提供营养液所需的各种组分；调节阀门组25a中与各组成部分相对应的阀门可以单独开启，也可以多个同时开启，从而可以调控营养液各组分含量；过滤池23可以充分地过滤掉回流液中含有的杂质、浮生植物、细菌等污染源，并兼顾臭氧杀菌消毒作用；提供的触摸屏显示、控制，实现了智能化和傻瓜化操作。

此外，本发明的循环装置是一个完整的闭环系统，具有较强的抑制干扰能力和鲁棒性，整个系统稳定、可靠，并提高了生产效率，为封闭式植物栽培系统提供了营养液循环供给方案；本发明以农艺学为基础，辅以自动化检测与控制技术，针对植物不同的生长阶段对营养的实际需求进行动态调整，使营养液不断循环为植物提供最佳的生长环境；本发明利用上述循环装置实现植物无土栽培营养液循环的控制方法，有效解决了浪费和环境污染问题，降低了生产成本，提高了经济效益，符合现代农业节能、环保的要求和趋势，为植物无土栽培开辟了新的途径。

需要说明的是，尽管上文对本发明作了详细说明，但不限于此，本技术领域的技术人员可根据本发明记载的内容或原理进行修改，因此，凡按照本发明记载的内容或原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种植物无土栽培营养液循环装置，其特征在于，其包括：

用于供给和处理植物所需营养液的营养液供给处理单元；

与营养液供给处理单元连接的用于进行液体循环的营养液循环单元，其与营养液供给处理单元和外部栽培床（5）共同形成封闭式栽培系统；以及

分别与营养液供给处理单元和营养液循环单元连接的控制单元；其中

所述封闭式栽培系统具有仿生物心脏供血供氧工作机制。

2.根据权利要求1所述的植物无土栽培营养液循环装置，其特征在于，所述营养液供给处理单元包括：

壳体（1）；

设置在壳体（1）内部且彼此间相互独立的混合池（21）、母液池（22）、过滤池（23）和检测池（24）。

3.根据权利要求2所述的植物无土栽培营养液循环装置，其特征在于，所述母液池（22）内设有用于提供营养液所需的各种组分的营养液供给罐组，其中

所述营养液供给罐组包括：酸罐、碱罐、清水罐和用于供给植物生长所需元素的母液罐。

4.根据权利要求3所述的植物无土栽培营养液循环装置，其特征在于，所述混合池（21）内设有水泵（211）和搅拌器（212）；所述检测池（24）内设有离子检测电极（241）；所述过滤池（23）内设有过滤装置。

5.根据权利要求4所述的植物无土栽培营养液循环装置，其特征在于，所述营养液循环单元包括：

分别与所述混合池（21）和所述过滤池（23）连接的外部循环管道；以及

分别设置在所述过滤池（23）与所述检测池（24）之间、所述检测池（24）与所述混合池（21）之间、所述混合池（21）与所述母液池（22）之间以及所述过滤池（23）和所述混合池（21）与外部循环管道之间的阀门组件。

6.根据权利要求5所述的植物无土栽培营养液循环装置，其特征在于，所述阀门组件包括：

设置在所述母液池（22）和所述混合池（21）之间且与所述母液罐的各阀门连接的组分调节阀门组（25a）；以及

分别设置在所述过滤池（23）与所述检测池（24）之间、所述检测池（24）与所述混合池（21）之间以及所述混合池（21）和所述过滤池（23）与所述外部循环管道之间的止回阀（25b）。

7.根据权利要求5所述的植物无土栽培营养液循环装置，其特征在于，所述外部循环管道包括：供液管道（31）和回流管道（32）；其中

所述供液管道（31）的入液口和出液口分别与所述混合池（21）的出液口和所述栽培床（5）的入液口连接，所述回流管道（32）的入液口和出液口分别与所述栽培床（5）的出液口和所述过滤池（23）的入液口连接。

8.根据权利要求4所述的植物无土栽培营养液循环装置，其特征在于，所述控制单元（4）包括：调理电路（41）、数据采集模块（42）、控制模块（43）和显示模块（44）；其中

所述调理电路（41）与所述离子检测电极（241）连接；所述数据采集模块（42）与所述调理电路（41）连接；所述控制模块（43）分别与所述调理电路（41）、所述数据采集模块（42）、所述显示模块（44）以及所述营养液供给罐组的各阀门连接。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的循环装置实现植物无土栽培营养液循环的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

1）开启控制单元（4），对检测池（24）中各离子检测电极（241）进行检测预处理，待达到预定时间T1后，开始对回流液中营养液的相关参数进行采集、检测和分析处理，之后根据处理结果对相关参数做出适应性补给和调整，无误后，将营养液输出至混合池（21）；

2）搅拌营养液，至均匀后将其输出，经供液管道（31）开始为栽培床（5）中的植物供液，待供液达到预定时间T2后，排出废液；

3）待废液经回流管道（32）回流至过滤池（23）后，对回流液进行过滤处理，待处理时间达到预定值T3后，将液体输出至检测池（24），进而完成一个循环控制过程。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤1）中控制单元（4）对回流液中营养液的相关参数进行分析处理的方法为：

将所测数值与植物生长所需营养浓度的阈值比较，如需补给相关参数，则根据预先设定或人为设置标准执行补给、调整操作；或者

将所测数值与植物生长所需营养浓度的阈值比较，如果检测池（24）中各相关参数满足植物所需数值动态范围，则无需任何操作。

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