CN106950346A - 一种无土栽培水质云在线监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种无土栽培水质云在线监控系统，包括中央控制器和培养液流通管路，还包括安装在管路中的检测模块、补偿模块和动力模块；所述检测模块、补偿模块和动力模块均与中央控制器电联接。本发明的综合程度较高，可以同时监测无土栽培培养液管路中pH值、溶解性固体总量、钠离子浓度、重金属浓度、渗透压参数和溶氧量等参数，本发明还设置有多个补偿模块，包括酸碱度调节模块、渗透压补偿模块、溶解氧补偿模块，如果以上监测结果不在预设的范围中，用户可以启动相应的补偿模块，把相应的参数通过补偿模块调节到安全的预设范围，保证管路中的培养液更适合植物生长，提高无土栽培大棚的产量。

Description

一种无土栽培水质云在线监控系统

技术领域

本发明涉及无土栽培技术领域，具体地，涉及一种无土栽培水质云在线监控系统。

背景技术

近年来，随着农业技术的快速发展和进步，设施农业的发展也相当迅速，特别是无土栽培技术领域。常见的无土栽培的类型主要包括以下几种：有机生态型无土栽培，水培，雾培，水气培，砂培和岩棉培。常见的无土栽培类型中，水培的应用较为普及的一种。水培主要是使用培养液提供植物生长所需养分，所用水源主要是河水、雨水、井水、自来水等。水培生产中，植物生长过程中其根系均在培养液中。我们知道，根系不仅需要吸收生长所需养分，还需要进行一定量的呼吸作用，所以水培过程中培养液的质量尤为重要。

现阶段中的无土栽培技术中，技术人员通常关注培养大棚的温度，二氧化碳浓度以及水温方面，对于水质关注的报道比较少。因此，急需开发一种综合监控无土栽培的水质监控系统。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种无土栽培水质云在线监控系统，以解决上述的技术问题；

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无土栽培水质云在线监控系统，包括中央控制器和培养液流通管路，还包括安装在管路中的检测模块、补偿模块和动力模块；所述检测模块、补偿模块和动力模块均与中央控制器电联接；所述中央控制器还包括显示装置、储存模块、远程通讯模块和警报模块，所述中央控制器收集到的数据将储存在储存模块中，所述远程通讯模块包括WIFI模块、CDMA、蓝牙模块；所述远程通讯模块通过WIFI模块、CDMA或者蓝牙模块与客户端连接，所述客户端包括智能手机或者平板电脑；所述中央控制器采用STC89C58系列单片机作为系统控制核心。

优选地，所述中央控制器还包括显示装置和警报模块，所述显示装置包括若干个分布在所述培养液管路中的LED显示屏；所述警报模块包括多个分布在所述培养液管路中LED闪烁灯和语音警报单元；所述LED显示屏为触摸屏，具备输入功能。

优选地，所述补偿模块包括酸碱度调节模块、渗透压补偿模块、溶解氧补偿模块；所述培养液管路中设置一个酸碱度调节模块，所述培养液管路中设置一个渗透压补偿模块；根据培养液管路的规模设置若干个溶解氧补偿模块。

优选地，所述动力模块包括若干个搅拌装置，所述酸碱度调节模块下方设置一个搅拌装置，所述渗透压补偿模块下方设置一个搅拌装置，所述每一个溶解氧补偿模块下方均设置一个搅拌装置。

相对于现有技术，本发明的有益效果：本发明的综合程度较高，可以同时监测无土栽培培养液管路中pH值、溶解性固体总量、钠离子浓度、重金属浓度、渗透压参数和溶氧量等参数，以上监测结果可以通过通讯模块实时上传到客户端，用户可以根据检测结果，采取相应的措施；本发明还设置有多个补偿模块，包括酸碱度调节模块、渗透压补偿模块、溶解氧补偿模块，如果以上监测结果不在预设的范围中，用户可以启动相应的补偿模块，把相应的参数通过补偿模块调节到安全的预设范围，管路中还设置有多个搅拌装置，搅拌装置的工作可以使管路中培养液更均匀，后面补偿的培养液或者高浓度的溶液可以快速的分散均匀，监测模块的采集数据更加准确，保证管路中的培养液更适合植物生长，提高无土栽培大棚的产量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明检测模块中溶解氧检测装置的俯视图。

图3是本发明检测模块中溶解氧检测装置的结构示意图。

其中：高亮度光源-30，光学透镜-31，载玻片-32，溶氧传感膜-33，滤光片-34，光电探测器-35，开窗扣件-36。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明的结构示意图，如图1所示，一种无土栽培水质云在线监控系统，包括中央控制器和培养液流通管路，还包括安装在管路中的检测模块、补偿模块和动力模块；所述检测模块、补偿模块和动力模块均与中央控制器电联接；所述中央控制器还包括显示装置、储存模块、远程通讯模块和警报模块，所述中央控制器收集到的数据将储存在储存模块中，所述远程通讯模块包括WIFI模块、CDMA、蓝牙模块；所述远程通讯模块通过WIFI模块、CDMA或者蓝牙模块与客户端连接，所述客户端包括智能手机或者平板电脑；所述中央控制器采用STC89C58系列单片机作为系统控制核心。

优选地，所述中央控制器还包括显示装置和警报模块，所述显示装置包括若干个分布在所述培养液管路中的LED显示屏；所述警报模块包括多个分布在所述培养液管路中LED闪烁灯和语音警报单元。

优选地，所述补偿模块包括酸碱度调节模块、渗透压补偿模块、溶解氧补偿模块；所述培养液管路中设置一个酸碱度调节模块，所述培养液管路中设置一个渗透压补偿模块；根据培养液管路的规模设置若干个溶解氧补偿模块。

优选地，所述动力模块包括若干个搅拌装置，所述酸碱度调节模块下方设置一个搅拌装置，所述渗透压补偿模块下方设置一个搅拌装置，所述每一个溶解氧补偿模块下方均设置一个一个搅拌装置。

优选地，所述检测模块包括pH检测仪、TDS电极、钠离子测定仪、重金属测定仪、渗透压测定和溶解氧测定仪；所述检测模块采集到的数据回传中央处理器。

本发明的工作过程：安装在无土栽培培养液管路中的检测模块上的各种检测仪，检查培养液的多种参数，并将检测结果回传到中央处理器；每一种检测参数都有预设的最适范围，如果检测结果不在最适范围中，中央控制模块会通过远程通讯模块及时将结果反馈到客户端，客户可以根据检测结果决定是否要启动相应的补偿模块，以修正不在最适范围的检测参数，客户可以基于客户云端实现远程控制和调节本发明的系统，同时也可以远程监测和修正无土栽培管路中培养液的具体理化性质和水质，实现自动化实时在线控制，保证培养液的水质在植物的最适生长范围，提高无土栽培大棚的产量。

本发明的综合程度较高，可以同时监测无土栽培培养液管路中pH、溶解性固体总量、钠离子浓度、重金属浓度、渗透压参数和溶氧量等参数，以上监测结果可以通过通讯模块实时上传到客户端，用户可以根据检测结果，采取相应的措施；本发明还设置有多个补偿模块，包括酸碱度调节模块、渗透压补偿模块、溶解氧补偿模块，如果以上监测结果不在预设的范围中，用户可以启动相应的补偿模块，把相应的参数通过补偿模块调节到安全的预设范围，

作为优选的实施例，以下将介绍本发明检测模块中的溶解氧测定仪的结构和工作原理。

本实施例的溶解氧测定仪是一种基于氧传感膜荧光特性的溶解氧检测装置，如图3所示，图2为本溶解氧检测装置的俯视图，所述溶解氧检测装置形状为倒立圆台状，包括4个组合在一起的基于氧传感膜的传感器，4个传感器均电连接到同一个处理器，处理器整合4个传感器的检测收集的数据，所述处理器还包括信号采集单元、数据处理单元、数据存储模块、远程通讯模块。

因为本溶解氧检测装置的工作环境主要是各种溶液中，且工作环境比较复杂，可能是某些养殖水域，也可能是某些河流。为了提高本装置的使用寿命，经过长期实验发现，使用以下具有弹性的不透水材料可以提高其使用寿命，设置4个传感器与同一个处理器连接，可以同时进行四次平行检测，检测结果取其平均值，结果更加准确、客观；减少在同一水域的检测次数，节约时间，提高效率。

优选地，所述溶解氧检测装置的外表面采用具有弹性的不透水材料制成，所述材料是高分子合成防水材料，包括丁橡胶、氯丁橡胶及乙烯、丙烯橡胶、聚异丁烯橡胶、烯树脂及其共聚体制中的一种或多种。

作为另一个优选的实施例，一种基于氧传感膜的传感器，如图3所示，包括高亮度光源-30，光学透镜组-31，载玻片-32，溶氧传感膜-33，滤光片-34，光电探测器-35，开窗扣件-36；所述高亮度光源包括蓝光LED、红光LED和白光；所述光电探测器与处理器电联接；所述光学透镜组镜片为3～6片；所述载玻片为新型定制载玻片，所述载玻片设置有与溶氧传感器大小配套的凹槽。

以上所述氧传感膜的工作原理：高亮度光源发出高强度的光线，经过光学透镜、载玻片入射到氧传感膜上，激发荧光物质发射荧光，在待测样品的溶解氧的作用下，荧光强度会发生变化，变现为荧光强度逐渐下降，剩余的荧光信号经过滤光片，光学透镜后被光电探测器接受，再由信号采集和处理单元实现信号处理，获得荧光强度信号与氧浓度的关系。

作为另一个优选的实施例，以下将介绍本基于氧传感膜的传感器的溶氧传感膜的组成及制备过程，包括以下步骤：

S1.称量适量的四乙氧基硅烷(TEOS)和三氟丙基三甲氧基硅烷(TFP—TrMOS)加入圆底烧瓶，接着继续加入去离子水和无水乙醇，然后以盐酸为催化剂，调节pH1.1-1.5，加盖密封磁力搅拌1小时后；

S2.加入荧光指示剂乙醇溶液，超声搅拌10分钟；

S3.加入0.1‰-0.05‰纳米活性炭颗粒，超声搅拌30分钟，放入避光环境常温下陈化48小时；

S4.使用匀胶机将已经陈化后溶胶旋涂(3000r/min，30s)于预先处理过的盖玻片槽，得到的溶解氧传感膜需在暗处至少干燥7天后备用；

S5.盖玻片在使用前需浸泡在0.05M NaOH溶液活化24小时，再依次用无水乙醇、75％的酒精溶液和去离子水洗净反复清洗，烘干后备用。

更优选地，所述荧光指示剂为4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉和羧基荧光素的混合物，所述混合物比例；4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉：羧基荧光素为1～2:6～8。

所述羧基荧光素为5-羧基荧光素或者6-羧基荧光素。

优选地，所述溶氧传感膜的厚度为5～30um。

更优选的，所述溶氧传感膜的厚度为10～18um。

溶氧传感膜的厚度与其灵敏度有动态关系，如果传感膜过薄，必定会影响其寿命，如使用过程中待测样品的细小颗粒可能会损坏传感膜，经过试验发现，一定范围的厚度的传感膜，其灵敏度和强度均得到较好的平衡，保持高灵敏度的同时也保证使用寿命。

实验例

本发明氧传感膜的传感器的溶氧传感膜添加了一定量的纳米活性炭颗粒，纳米活性炭由于具有比表面积大、孔径适中、分布均匀及吸附速度快，适量的纳米活性炭可以提高溶氧传感膜对待测液体中氧气的响应速度，即提高其灵敏度，但是过多的纳米活性炭可能会影响膜的透光性，对灵敏度也可能有抑制作用；灵敏度的变化也可能影响其误差；因此，以下将测试纳米活性炭的添加量与溶氧传感膜灵敏度的关系；测试结果如表1所示。

表1

添加量	灵敏度(mg/L)	误差
			0.1‰	0.21	±2.0％
0.02‰	0.13	±1.7％
			0.03‰	0.05	±1.2％
0.04‰	0.12	±1.9％
			0.05‰	0.26	±2.8％

综合表1的测试结果：溶氧传感膜的灵敏度会随着纳米活性炭的添加量提高而提高，在添加0.03‰的纳米活性炭时候，溶氧传感膜的灵敏度最高达到0.05mg/L；但到了一定的范围，纳米活性炭的添加量提高，其灵敏度反而降低，这可能是因为过量的纳米活性炭影响传感膜的透光性，进而影响其灵敏度；溶氧传感膜的测试误差与灵敏度动态正相关。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，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进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种无土栽培水质云在线监控系统，其特征在于，包括中央控制器和培养液流通管路，还包括安装在管路中的检测模块、补偿模块和动力模块；所述检测模块、补偿模块和动力模块均与中央控制器电联接；所述中央控制器还包括显示装置、储存模块、远程通讯模块和警报模块，所述中央控制器收集到的数据将储存在储存模块中，所述远程通讯模块包括WIFI模块、CDMA、蓝牙模块；所述远程通讯模块通过WIFI模块、CDMA或者蓝牙模块与客户端连接，所述客户端包括智能手机或者平板电脑。

2.根据权利要求1所述的无土栽培水质云在线监控系统，其特征在于，所述中央控制器还包括显示装置和警报模块，所述显示装置包括若干个分布在所述培养液管路中的LED显示屏；所述警报模块包括若干个分布在所述培养液管路中LED闪烁灯和语音警报单元。

3.根据权利要求2所述的无土栽培水质云在线监控系统，其特征在于，所述补偿模块包括酸碱度调节模块、渗透压补偿模块、溶解氧补偿模块；所述培养液管路中设置一个酸碱度调节模块，所述培养液管路中设置一个渗透压补偿模块；根据培养液管路的规模设置若干个溶解氧补偿模块。

4.根据权利要求3所述的无土栽培水质云在线监控系统，其特征在于，所述动力模块包括若干个搅拌装置，所述酸碱度调节模块下方设置一个搅拌装置，所述渗透压补偿模块下方设置一个搅拌装置，所述每一个溶解氧补偿模块下方均设置一个搅拌装置。

5.根据权利要求4所述的无土栽培水质云在线监控系统，其特征在于，所述检测模块包括pH检测仪、TDS电极、钠离子测定仪、重金属测定仪、渗透压测定和溶解氧测定仪；所述检测模块采集到的数据回传中央处理器。

6.根据权利要求5所述的无土栽培水质云在线监控系统，其特征在于，所述溶解氧测定仪包括4个组合在一起的基于氧传感膜的传感器，4个传感器均电连接到同一个处理器，处理器整合4个传感器的检测收集的数据，所述处理器还包括信号采集单元、数据处理单元、数据存储模块、远程通讯模块；所述溶解氧测定仪形状为倒立圆台状。

7.根据权利要求6所述的无土栽培水质云在线监控系统，其特征在于，包括高亮度光源-30，光学透镜组-31，载玻片-32，溶氧传感膜-33，滤光片-34，光电探测器-35，开窗扣件-36；所述高亮度光源包括蓝光LED、红光LED和白光；所述光电探测器与处理器电联接；所述光学透镜组镜片为3～6片；所述载玻片为新型定制载玻片，所述载玻片设置有与溶氧传感器大小配套的凹槽。

8.根据权利要求7所述的无土栽培水质云在线监控系统，其特征在于，所述溶氧传感膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.称量适量的四乙氧基硅烷和三氟丙基三甲氧基硅烷加入圆底烧瓶，接着继续加入去离子水和无水乙醇，然后以盐酸为催化剂，调节pH1.1-1.5，加盖密封磁力搅拌1小时后；

S2.加入荧光指示剂乙醇溶液，超声搅拌10分钟；

S3.加入0.1‰-0.05‰纳米活性炭颗粒，超声搅拌30分钟，放入避光环境常温下陈化48小时；

S4.使用匀胶机将已经陈化后溶胶旋涂3000r/min，30s于预先处理过的盖玻片槽，得到的溶解氧传感膜需在暗处至少干燥7天后备用；

S5.盖玻片在使用前需浸泡在0.05M NaOH溶液活化24小时，再依次用无水乙醇、75％的酒精溶液和去离子水洗净反复清洗，烘干后备用。