CN108782210A - 一种雾化栽培器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种雾化栽培器，雾化箱的一侧安装有轴流式风扇，底部安装有进液管道、营养液回流管道与水箱相连，水泵设置在进液管道上，超声雾化喷头装在雾化箱内；雾化箱体的前侧和后侧内壁上均安装有图像采集装置，用来采集植物根部的图像，图像处理系统对图像进行预处理，得到根系附着雾滴的平均曲率，然后计算其均值；MCU与图像处理系统连接，继电器连接超声雾化喷头和轴流式风扇，MCU通过对比图像处理系统的处理得到的植物根部雾滴均值、植物根系最适宜的雾滴量，通过继电器控制轴流式风扇的转速和通风时间、喷头的喷雾量和喷雾时间，使植物根系始终处于最佳的水肥环境中。

Description

一种雾化栽培器
技术领域
本发明属于农业工程领域，具体涉及一种通过视觉图像采集智能控制喷雾量的雾化栽培器。
背景技术
气雾栽培是目前植物栽培中最为实用的一种栽培方法，根系悬浮在空中，可以最自由的生长，氧气充足，根系特别发达，同时，又可以以最直接的方式获取水分及营养，是一种水肥气三因子最适宜，最充足与最直接供应的方法，可以大幅度的提高生产的数量和质量，大大减少人力，肥料，水，及农药的投入，便于立体化垂直化三维耕作，可以让单位面积的种植效率得以数倍的提高，同时，病虫害的发生可以减少75％以上，可以做到无虫化的免农药生产，这样比土壤栽培更省农药，大大降低了农资成本，所以气雾栽培是目前园艺生产与研究上最具开发潜力与前景的技术，是目前任何一种栽培方式所不能比拟的。是未来温室栽培的一个主要的发展项目与高效农业技术。雾化喷头是雾化栽培的最关键部分，目前国内外的超声雾化都是通过陶瓷厚度方向的超声振动或者通过陶瓷厚度方向的振动驱动雾化喷嘴来雾化营养液，存在驱动电路电压高，电路极其复杂，系统严重发热，喷头的工作效率低，安全性低，可靠性差以及雾滴泄露等缺点。
发明内容
为了更好的实现气雾栽培，整个栽培装置必须与控制系统合理的结合，在根系温湿度传感器、光强度传感器、根据与相应植物的生长特性进行对比，合理地科学地进行调节植物生长环境，实现在线智能无土栽培。本发明提供了一种雾化栽培器，通过视觉图像采集及图像处理系统处获得植株根部的雾滴尺寸，智能控制喷雾量，不仅克服土壤栽培病害虫，水肥利用率低，占地面积大等缺点，而且实现了在线控制喷雾量的目的。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
本发明所述的雾化栽培器，其特征在于：主要包括水箱、机架、进液管道、营养液回流管道、水泵、带MCU和继电器的控制柜、轴流式风扇、超声雾化喷头、图像采集装置、图像处理系统，
雾化箱的一侧安装有轴流式风扇，底部安装有进液管道、营养液回流管道与水箱相连，水泵设置在进液管道上，超声雾化喷头装在雾化箱内；
雾化箱体的前侧和后侧内壁上均安装有图像采集装置，用来采集植物根部的图像，图像处理系统对图像进行预处理，得到根系附着雾滴的平均曲率，然后计算其均值；
MCU与图像处理系统连接，继电器连接超声雾化喷头和轴流式风扇，MCU通过对比图像处理系统的处理得到的植物根部雾滴均值、植物根系最适宜的雾滴量，通过继电器控制轴流式风扇的转速和通风时间、喷头的喷雾量和喷雾时间。
进一步地，图像采集装置每间隔10秒拍摄一次。
进一步地，图像处理系统对图像进行预处理包括灰度处理、灰度变换、二值化、滤波处理，获得根系附着雾滴的平均曲率的方法是提取雾滴图像的边界并进行曲线拟合，根据曲率k＝y″/[(1+(y′)^2)^(3/2)]，半径R＝1/K计算公式得到雾滴的平均曲率半径。
进一步地，图像采集装置主要由白炽灯、高清摄像机组成，白炽灯装在植物顶部，所述高清摄像机装在雾化箱体的前侧和后侧内壁上。
进一步地，所述超声雾化喷头采用相互粘贴的多个矩形压电陶瓷片制作而成，多个矩形压电陶瓷片以串联方式接入电源。
进一步地，雾化箱内安装有三个定位板，每个定位板上均匀安装有三个超声雾化喷头，超声雾化喷头的工作频率均相同，在80-200k的范围内，工作电压为5v。
进一步地，每一个定位板上三个雾化喷头连接同一个继电器。
进一步地，苗盘上的定植孔直径为2cm，定植孔内插有植物，植物与定植孔壁的接触处用海绵固定。
进一步地，所述轴流式风扇的工作电压为12v。
本发明根据植物根系附着雾滴的平均曲率半径，判断根系环境水肥供应状态，进而实时控制喷雾时机和喷雾量的大小，使植物根系始终处于最佳的水肥环境中。本发明的雾化箱内安装的高清摄像机能够实时拍摄植物根系雾滴的粘附状态，通过相应软件的预处理，智能控制雾化片的喷雾量大小；本发明的智能雾耕试验台具有电路结构简单，驱动电压低，电路基本不发热，安全性和可靠性高的特点。
附图说明
图1为本发明所述雾化栽培器的轴测图；
图2苗盘的结构示意图；
图3雾化箱内部的结构放大图；
图4植物根系雾滴粘附变化状态图
图中：1、水箱；2、机架；3、营养液回流管道；4、水泵；5、进液管道；6、控制柜；7、吸水棉；8、定位板；9、轴流式风扇；10、定植孔；11、植物；12、图像传感器；13、白炽灯；14、苗盘；15、高清摄像机；16、雾化箱；17、振子盖板；18、超声雾化喷头；19、图像处理系统；20、海绵；21、水膜；22、水滴
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的雾化栽培器，主要包括水箱1、机架2、进液管道5、营养液回流管道3、水泵4、带MCU和继电器的控制柜6、轴流式风扇9、超声雾化喷头18、图像采集装置、图像处理系统19。雾化箱的一侧安装有轴流式风扇9，底部安装有进液管道5、营养液回流管道3与水箱相1连接，水泵4设置在进液管道上2，超声雾化喷头18装在雾化箱内。所述轴流式风扇9的工作电压为12v，轴流式风扇与雾化箱相通，在风力的作用下，将雾气送至植物根部。当雾化箱内营养液的高度达到营养液回流管道上孔的高度时便从雾化箱底部回流到储液箱内，使营养液循环利用。
雾化箱体的前侧和后侧内壁上均安装有图像采集装置，用来采集植物根部的图像，图像采集装置主要由白炽灯13、高清摄像机15组成，白炽灯13装在植物顶部，所述高清摄像机15装在雾化箱体的前侧和后侧内壁上。高清照相机每间隔10秒拍摄一次，并将拍摄的图片按顺序存储。
刚开始营养液喷射到植物根系表面形成一层薄水膜，逐渐聚集成一个雾滴，在雾滴即将滑落的瞬间前进行拍照。具体的实施过程是利用图像处理系统将植物根系的雾滴放大16倍的情况下每隔10秒进行拍摄，得到雾滴的正视图。
图像处理系统对图像进行预处理，得到根系附着雾滴的平均曲率，然后计算其均值。具体的，包括灰度处理，灰度变换，二值化，滤波处理。获得根系附着雾滴的平均曲率的方法是提取雾滴图像的边界并进行曲线拟合，根据曲率k＝y″/[(1+(y′)^2)^(3/2)]，半径R＝1/K计算公式得到雾滴的平均曲率半径。
由于高清摄像机拍摄的图片灰度不一致导致图像偏亮或偏暗，数据采集过程中在采集片上的污渍，连接在一起的雾滴等影响处理结果，因此需要对图像进行灰度变换，运用相应的程序改善图像的灰度范围，檫除污渍，分开连接在一起的雾滴或忽略重复在一起的少量雾滴，达到便于处理的目的。其次二值化处理，将图像上的像素点的灰度值设置成0或255，就是将整个图像呈现出明显的黑白效果，最后进行滤波处理，也就是在尽量保留图像的细节特征的情况下，对目标图像的特征进行抑制。对雾滴图像的预处理结束后，应用相应的软件，提取相应雾滴图像的边界并进行曲线拟合，根据相应的计算公式得到雾滴的平均曲率半径，则喷雾量的大小取决于雾滴曲率与所有雾滴曲率均值的差值大小。
MCU与图像处理系统19连接，继电器连接超声雾化喷头18和轴流式风扇9，MCU通过对比图像处理系统的处理得到的植物根部雾滴均值、植物根系最适宜的雾滴量，通过继电器控制轴流式风扇的转速和通风时间、喷头的喷雾量和喷雾时间，从而控制根域的环境保持最佳状态，实现智能控制。本装置的营养液在一个严密的闭锁型循环系统中完成养分和水分的供给，可以实现零排外，做到智能可持续不污染环境的效果。
所述雾化箱体内采用超声雾化喷头18，主要采用相互粘贴的多个矩形压电陶瓷片制作而成，因为极化相反，所以多个矩形压电陶瓷片以串联方式接入电源，反面接电源负极，正面接电源正极，在电场激励下，在某一时刻其中一片伸张时，另一片则收缩，整个陶瓷片产生弯曲振动，从而产生大量的雾化。
如图3所示，雾化箱16的底部安装有吸水棉7，其上面安装有定位板8，定位板上安装有三个振子盖板17，每个振子盖板17上均安装有三个超声雾化喷头18，振动频率相同，在80-200k的范围内，工作电压为5v。每一个定位板上三个超声雾化喷头连接同一个继电器，继电器电压均为5v。
如图2所示，苗盘主要由泡沫板制成，上面均匀刻有定植孔10。苗盘上的定植孔直径为2cm，定植孔内插有植物11，植物与定植孔壁的接触处用海绵固定，如图4所示。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种雾化栽培器，其特征在于：主要包括水箱(1)、机架(2)、进液管道(5)、营养液回流管道(3)、水泵(4)、带MCU和继电器的控制柜(6)、轴流式风扇(9)、超声雾化喷头(18)、图像采集装置、图像处理系统(19)，
雾化箱的一侧安装有轴流式风扇(9)，底部安装有进液管道(5)、营养液回流管道(3)与水箱(1)相连，水泵(4)设置在进液管道(5)上，超声雾化喷头(18)装在雾化箱内；
雾化箱体的前侧和后侧内壁上均安装有图像采集装置，用来采集植物根部的图像，图像处理系统对图像进行预处理，得到根系附着雾滴的平均曲率，然后计算其均值；
MCU与图像处理系统连接，继电器连接超声雾化喷头(18)和轴流式风扇(9)，MCU通过对比图像处理系统的处理得到的植物根部雾滴均值、植物根系最适宜的雾滴量，通过继电器控制轴流式风扇(9)的转速和通风时间、喷头的喷雾量和喷雾时间。
2.如权利要求1所述的雾化栽培器，其特征在于：图像采集装置每间隔10秒拍摄一次。
3.如权利要求1所述的雾化栽培器，其特征在于：图像处理系统(19)对图像进行预处理包括灰度处理、灰度变换、二值化、滤波处理，获得根系附着雾滴的平均曲率的方法是提取雾滴图像的边界并进行曲线拟合，根据曲率k＝y″/[(1+(y′)^2)^(3/2)]，半径R＝1/K计算公式得到雾滴的平均曲率半径。
4.如权利要求1所述的雾化栽培器，其特征在于：图像采集装置主要由白炽灯(13)、高清摄像机(15)组成，白炽灯(13)装在植物顶部，所述高清摄像机(15)装在雾化箱体的前侧和后侧内壁上。
5.如权利要求1所述的雾化栽培器，其特征在于：所述超声雾化喷头(18)采用相互粘贴的多个矩形压电陶瓷片制作而成，多个矩形压电陶瓷片以串联方式接入电源。
6.如权利要求1所述的雾化栽培器，其特征在于：雾化箱内安装有三个定位板8，每个定位板上均匀安装有三个超声雾化喷头(18)，超声雾化喷头的工作频率均相同，在80-200k的范围内，工作电压为5v。
7.如权利要求6所述的雾化栽培器，其特征在于：每一个定位板(8)上三个雾化片连接同一个继电器。
8.如权利要求6所述的雾化栽培器，其特征在于：苗盘(14)上的定植孔(10)直径为2cm，定植孔内插有植物(11)，植物与定植孔壁的接触处用海绵固定。
9.如权利要求1所述的雾化栽培器，其特征在于：所述轴流式风扇(9)的工作电压为12v。
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