CN109105243A - 用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机及其控制方法，包括与水源连接的蓄水桶、蓄肥桶和蓄酸桶，本发明还包括信号采集机构、控制机构和动力机构，信号采集机构与控制机构相连，控制机构与动力机构相连，信号采集机构包括光照探头采集器、PH探头和电导率测定仪，控制机构包括控制面板、灌溉单元、施肥单元和酸碱度调节单元，动力机构包括置于蓄水桶内的潜水泵、置于进肥管上的第一注肥泵和置于进酸管上的第二注肥泵。本发明采用上述结构的用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机及其控制方法，通过建立灌溉施肥模型，可实现智能化灌溉施肥，根据作物水分需求规律和光照调节灌溉施肥，且结构简单，操作便捷，降低了生产成本。

Description

用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种技术，尤其涉及一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机及其控制方法。
背景技术
基质栽培是用固体基质(介质)固定植物根系，并通过吸收营养液获取生长所需物质的一种无土栽培方式。蔬菜基质栽培不仅有效减少土传病害的发生，还可以实现蔬菜对水分、肥料的高吸收，缩短了蔬菜的生长周期。目前基质栽培技术已在100多个国家广泛应用，90％以上的商业性无土栽培均是采用基质栽培方式。基质栽培代表了现代设施农业发展的趋势。基质栽培条件下，作物所有的营养来源均来自营养液，所以水肥管理成为基质栽培的一项重要技术门槛。
因基质栽培和土壤栽培相比较，缓冲性相对较差，在作物的不同生育时期，对营养液的电导率EC和酸碱度pH需求不同，所以要根据作物生长，对营养液进行调整。随着基质栽培推广面积逐步扩大，对于智能灌溉施肥系统需求量将会越来越大。
但是目前，市场上的大型施肥机大多数都价格昂贵，操作复杂，使用者无法掌握复杂的操作流程，也无力承担高昂的费用，而其使用的灌溉策略目前主要是时序法，需要技术人员根据天气和苗情，实时对灌溉策略进行调整，故需要技术人员具备丰富的生产经验，这种灌溉策略对于技术人员依赖性较大，需要投入大量的人力和物力，比如荷兰Priva公司生产的NutriFit灌溉施肥机和以色列Netafim公司生产的Netajet自动灌溉施肥机，均能有效的控制灌溉水和肥液的混合，实现对电导率Ec、酸碱度pH的精确控制，但其价格较贵,并且需要技术人员具备一定的知识水平尚能完成操作使用。而我国水肥一体化技术的研究与应用还处于起步阶段，国内学者对水肥灌溉设备也有较多研究，如杨仁全等研制的精密施肥机，能精确控制肥液的Ec值和pH 值，实现定时、定量的自动灌溉施肥；姚舟华等研制的WGF-6-12型温室自动灌溉施肥机及俞卫东等研制的基于PLC的智能灌溉施肥机，均能实现多路营养液、酸液的动态配比，但这些设备大多适用于大型温室多路肥料的混合与施用，存在体积大、成本高以及操作复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机及其控制方法，通过建立灌溉施肥模型，可实现智能化灌溉施肥，根据作物水分需求规律和光照调节灌溉施肥，且结构简单，操作便捷，降低了生产成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，包括与水源连接的蓄水桶、用于容置单质肥的蓄肥桶和用于容置酸源的蓄酸桶，所述蓄水桶、所述蓄肥桶和所述蓄酸桶分别经进水管、进肥管和进酸管与主管相通，所述主管经分体管伸入置于日光温室内的基质，本发明还包括信号采集机构、控制机构和动力机构，所述信号采集机构与所述控制机构相连，所述控制机构与所述动力机构相连，所述信号采集机构包括用于采集所述日光温室内光照数据的光照探头采集器、用于采集所述主管内灌溉营养液酸碱度的PH探头和用于采集所述灌溉营养液电导率的电导率测定仪，所述控制机构包括控制面板、灌溉单元、施肥单元和酸碱度调节单元，所述动力机构包括置于所述蓄水桶内的潜水泵、置于所述进肥管上的第一注肥泵和置于所述进酸管上的第二注肥泵。
优选的，所述控制面板上设置有种植作物选择键、茬口选择键、生育期选择键、用于调节所述潜水泵灌溉量的倍数选择键、用于设定所述施肥单元中电导率值的电导率设定键和用于设定所述酸碱度调节单元中酸碱度值的酸碱度设定键。
优选的，所述灌溉单元包括用于反应光照数据与灌溉量相关性的灌溉模型，所述光照探头采集器和设置于所述进水管上的第一流速计均与所述灌溉模型相连，所述灌溉模型与所述潜水泵相连，所述潜水泵还与所述倍数选择键相连。
优选的，所述施肥单元包括用于反应电导率与所述第一注肥泵调速比例相关性的施肥模型，所述电导率测定仪、所述电导率设定键和设置于所述进肥管上的第二流速计均与所述施肥模型相连，所述施肥模型与所述第一注肥泵相连。
优选的，所述酸碱度设定键、所述PH探头和设置于所述进酸管上的第三流速计均与所述酸碱度调节单元相连，所述酸碱度调节单元与所述第二注肥泵相连。
优选的，所述光照数据包括光照强度和累计光辐射能。
优选的，所述蓄水桶内设置有浮球开关，所述水源与所述蓄水桶之间设置有第一电磁阀，所述浮球开关经所述控制机构与所述第一电磁阀相连。
优选的，所述灌溉模型包括苗期模型、开花期模型和结果期模型，
所述苗期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为：y＝0.0822x– 3.331；所述开花期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为：y＝0.467x– 38.342；所述结果期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为：y＝0.7339x –102.92；
所述苗期模型、所述开花期模型和所述结果期模型累计光辐射能(J/cm2) 与所述光照采集器采集光照数据的光照数据(Lex)的线性方程均为：y＝ 0.0146x+2.9839。
优选的，所述施肥模型包括模块一和模块二，
模块一，所述主管内营养液的电导率与所述第一注肥泵每分钟的注肥量的线性方程为：y＝0.0747x-0.7323；
模块二，所述第一注肥泵每分钟的注肥量与所述第一注肥泵的转速线性方程为：y＝0.0393x-0.4136。
一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机的控制方法，包括以下步骤：
S1、用户通过控制面板上的种植作物选择键、茬口选择键和生育期选择键依次选择待种植作物的种类、茬口和生育期；
S2、通过电导率设定键和酸碱度设定键分别设定施肥模型的电导率值和酸碱度调节单元的酸碱度值；
S3、灌溉模型根据光照探头采集器采集的光照数据控制潜水泵的灌溉量；施肥模型根据设定的电导率值控制第一注肥泵的注肥量；酸碱度调节单元根据设定的酸碱度值控制第二注肥泵的注酸量。
因此，本发明采用上述结构的用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机及其控制方法，通过建立灌溉施肥模型，可实现智能化灌溉施肥，根据作物水分需求规律和光照调节灌溉施肥，且结构简单，操作便捷，降低了生产成本。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的实施例一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机的结构布置图。
其中：1、过滤器；2、电磁阀；3、第一流速计；4、主管；5、分体管； 6、第三流速计；7、第二注肥泵；8、蓄酸桶；9、蓄肥桶；10、自动搅拌机构；11、第一注肥泵；12、第二流速计；13、蓄水桶；14、潜水泵；15、浮球开关。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明的实施例一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机的结构布置图，如图1所示所示，本发明的结构，包括与水源连接的蓄水桶13、用于容置单质肥的蓄肥桶9和用于容置酸源的蓄酸桶8，水源和蓄水桶13之间连接有过滤器1，其中单质肥为磷酸二氢铵、四水硝酸钙、硝酸钾或七水硫酸镁，酸源为磷酸，本实施例设置有两个蓄肥桶9，两个蓄肥桶9和蓄酸桶8内均设置有自动搅拌机构10，实现肥料的自动溶解，蓄水桶13、蓄肥桶 9和蓄酸桶8分别经进水管、进肥管和进酸管与主管4相通，主管4经分体管5伸入置于日光温室内的基质，本发明还包括信号采集机构、控制机构和动力机构，信号采集机构与控制机构相连，控制机构与动力机构相连，信号采集机构包括用于采集日光温室内光照数据的光照探头采集器、用于采集主管内灌溉营养液酸碱度的PH探头和用于采集灌溉营养液电导率的电导率测定仪，其中光照数据包括光照强度和累计光辐射能，控制机构包括控制面板、灌溉单元、施肥单元和酸碱度调节单元，动力机构包括置于蓄水桶13内的潜水泵14、置于进肥管上的第一注肥泵11和置于进酸管上的第二注肥泵7。
控制面板上设置有种植作物选择键、茬口选择键、生育期选择键、用于调节潜水泵14灌溉量的倍数选择键、用于设定施肥单元中电导率值的电导率设定键和用于设定酸碱度调节单元中酸碱度值的酸碱度设定键，本实施例的控制面板上还设置有手/自动切换键，手动模式下，当用户需灌溉施肥的时候，点击启动即可，灌溉完成后点击关停即可；自动模式下，用户经控制面板上的种植作物选择键、茬口选择键和生育期选择键选择种植作物种类、茬口和生育期，同时经电导率设定键和酸碱度设定键设定电导率值和酸碱度值，控制机构内部的灌溉单元、施肥单元和酸碱度调节单元即可分别自动控制灌溉、施肥和调酸。
灌溉单元包括用于反应光照数据与灌溉量相关性的灌溉模型，光照探头采集器和设置于进水管上的第一流速计3均与灌溉模型相连，灌溉模型与潜水泵14相连，潜水泵14还与倍数选择键相连，其中，灌溉模型包括苗期模型、开花期模型和结果期模型，苗期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为：y＝0.0822x–3.331；开花期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为： y＝0.467x–38.342；结果期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为：y＝ 0.7339x–102.92；苗期模型、开花期模型和结果期模型累计光辐射能(J/cm2) 与光照采集器采集光照数据的光照数据(Lex)的线性方程均为：y＝0.0146x+ 2.9839，从而建立光照数据与灌溉量之间相关性模型，使用时首先经控制面板上的种植作物选择键、茬口选择键和生育期选择键依次选择待种植作物的种类、茬口和生育期，然后根据不同生育期的植株耗水规律，确定单次的灌溉量，根据灌溉量与累计光辐射能的模型，确定启动累积光辐射能门槛值后，启动潜水泵14，达到与当前累计光辐射能对应的灌溉量时停止潜水泵14，此时使用者观察田间作物长势，若发现系统模型灌溉量偏多，经控制面板上的倍数选择键将倍数值调整到1.0以下；若灌溉量偏小，将倍数调整到1.0以上；若模型灌溉量合适，则将倍数值调整到1.0即可，操作便捷。
施肥单元包括用于反应电导率与第一注肥泵11调速比例相关性的施肥模型，电导率测定仪、电导率设定键和设置于进肥管上的第二流速计12均与施肥模型相连，施肥模型与第一注肥泵11相连，其中，施肥模型包括模块一和模块二，模块一，主管4内营养液的电导率与第一注肥泵11每分钟的注肥量的线性方程为：y＝0.0747x-0.7323；模块二，第一注肥泵11每分钟的注肥量与第一注肥泵11的转速线性方程为：y＝0.0393x-0.4136，从而建立电导率与第一注肥泵11调速比例之间相关性模型，首先经控制面板上的电导率设定键设定电导率值，根据设定的电导率值经施肥模型确定对应的第一注肥泵11调速比例，从而经控制第一注肥泵11的调速比例控制注肥量，直至电导率测定仪测定基质中的电导率值达到设定值，关停第一注肥泵11即可。
酸碱度设定键、PH探头和设置于进酸管上的第三流速计6均与酸碱度调节单元相连，酸碱度调节单元与第二注肥泵7相连，PH值控制采用区间测定，少量添加的原则，即首先经控制面板上的酸碱度设定键设定酸碱度值，本实施例以PH值为6.5例进行说明，根据使用者输入的目标PH值，上下加减0.3 为PH值调控上下限，即若PH值为6.5则调控区间是6.2-6.8，酸碱度调节单元控制第二注肥泵7每次注入50mL的酸液，当PH探头检测基质的PH值低于6.2时，停止注入酸液，当PH探头检测基质的PH值高于6.8时，则按照每次50mL的量，将酸液经主管4注入基质，使得基质的酸碱度始终保持在 6.2-6.8之间。
蓄水桶13内设置有浮球开关15，水源与蓄水桶13之间设置有第一电磁阀2，浮球开关15经控制机构与第一电磁阀2相连，可保证蓄水桶13内的水源始终充足。
一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机的控制方法，包括以下步骤：
S1、用户通过控制面板上的种植作物选择键、茬口选择键和生育期选择键依次选择待种植作物的种类、茬口和生育期；比如种植作物选择茄果类，茬口选择秋冬茬，生育期只需工作人员根据植株生长情况选择苗期、开花期或结果期即可；
S2、通过电导率设定键和酸碱度设定键分别设定施肥模型的电导率值和酸碱度调节单元的酸碱度值；
S3、灌溉模型根据光照探头采集器采集的光照数据控制潜水泵14的灌溉量；施肥模型根据设定的电导率值控制第一注肥泵11的注肥量；酸碱度调节单元根据设定的酸碱度值控制第二注肥泵7的注酸量。
实施例
在北京市大兴区农业技术示范站日光温室开展田间应用试验，试验作物为茄子，栽培模式为椰糠栽培，试验时间为2017年9月-2018年1月。
灌溉策略为依据光辐射能控制灌溉启动门槛和灌溉时长，营养液控制策略为第一注肥泵11和第二注肥泵7分别调控电导率EC值和酸碱度PH值。根据下表中的肥料配方，配置营养液母液，采用磷酸作为酸源来调控PH值。
表1为营养液母液配置表
元素 单质肥 浓度(mg/L) 单质肥用量(kg)
Ca Ca(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·4H<sub>2</sub>O 210 24.8
K KNO<sub>3</sub> 340 17.6
Mg MgSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O 60 13.4
NH4 聚磷酸铵 20 13
Fe EDTA-铁 2.5 0.35
Mn MnSO<sub>4</sub>·4H<sub>2</sub>O 0.8 0.065
Zn ZnSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O 0.33 0.029
B H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub> 0.33 0.037
Cu CuSO<sub>4</sub>·5H<sub>2</sub>O 0.15 0.118
Mo (NH<sub>4</sub>)<sub>6</sub>Mo<sub>7</sub>O<sub>24</sub>·4H<sub>2</sub>O 0.05 0.013
表1
表2为生育期系统调控表
表2
整个生育期系统运行正常，茄子最终产量8625kg/亩。
因此，本发明采用上述结构的用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机及其控制方法，通过建立灌溉施肥模型，可实现智能化灌溉施肥，根据作物水分需求规律和光照调节灌溉施肥，且结构简单，操作便捷，降低了生产成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，包括与水源连接的蓄水桶、用于容置单质肥的蓄肥桶和用于容置酸源的蓄酸桶，所述蓄水桶、所述蓄肥桶和所述蓄酸桶分别经进水管、进肥管和进酸管与主管相通，所述主管经分体管伸入置于日光温室内的基质，其特征在于：还包括信号采集机构、控制机构和动力机构，所述信号采集机构与所述控制机构相连，所述控制机构与所述动力机构相连，所述信号采集机构包括用于采集所述日光温室内光照数据的光照探头采集器、用于采集所述主管内灌溉营养液酸碱度的PH探头和用于采集所述灌溉营养液电导率的电导率测定仪，所述控制机构包括控制面板、灌溉单元、施肥单元和酸碱度调节单元，所述动力机构包括置于所述蓄水桶内的潜水泵、置于所述进肥管上的第一注肥泵和置于所述进酸管上的第二注肥泵。
2.根据权利要求1所述的一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，其特征在于：所述控制面板上设置有种植作物选择键、茬口选择键、生育期选择键、用于调节灌溉量的倍数选择键、用于设定所述施肥单元中电导率值的电导率设定键和用于设定所述酸碱度调节单元中酸碱度值的酸碱度设定键。
3.根据权利要求2所述的一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，其特征在于：所述灌溉单元包括用于反应光照数据与灌溉量相关性的灌溉模型，所述光照探头采集器和设置于所述进水管上的第一流速计均与所述灌溉模型相连，所述灌溉模型与所述潜水泵相连，所述潜水泵还与所述倍数选择键相连。
4.根据权利要求2所述的一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，其特征在于：所述施肥单元包括用于反应电导率与所述第一注肥泵调速比例相关性的施肥模型，所述电导率测定仪、所述电导率设定键和设置于所述进肥管上的第二流速计均与所述施肥模型相连，所述施肥模型与所述第一注肥泵相连。
5.根据权利要求2所述的一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，其特征在于：所述酸碱度设定键、所述PH探头和设置于所述进酸管上的第三流速计均与所述酸碱度调节单元相连，所述酸碱度调节单元与所述第二注肥泵相连。
6.根据权利要求1所述的一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，其特征在于：所述光照数据包括光照强度和累计光辐射能。
7.根据权利要求1所述的一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，其特征在于：所述蓄水桶内设置有浮球开关，所述水源与所述蓄水桶之间设置有第一电磁阀，所述浮球开关经所述控制机构与所述第一电磁阀相连。
8.根据权利要求3所述的一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，其特征在于：所述灌溉模型包括苗期模型、开花期模型和结果期模型，
所述苗期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为：y＝0.0822x–3.331；所述开花期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为：y＝0.467x–38.342；所述结果期模型灌溉量与累计光辐射能的线性方程为：y＝0.7339x–102.92；
所述苗期模型、所述开花期模型和所述结果期模型累计光辐射能(J/cm2)与所述光照采集器采集光照数据的光照数据(Lex)的线性方程均为：y＝0.0146x+2.9839。
9.根据权利要求4所述的一种用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机，其特征在于：所述施肥模型包括模块一和模块二，
模块一，所述主管内营养液的电导率与所述第一注肥泵每分钟的注肥量的线性方程为：y＝0.0747x-0.7323；
模块二，所述第一注肥泵每分钟的注肥量与所述第一注肥泵的转速线性方程为：y＝0.0393x-0.4136。
10.一种基于上述权利要求1-9任一项所述的用于基质栽培的轻简式智能灌溉施肥机的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、用户通过控制面板上的种植作物选择键、茬口选择键和生育期选择键依次选择待种植作物的种类、茬口和生育期；
S2、通过电导率设定键和酸碱度设定键分别设定施肥模型的电导率值和酸碱度调节单元的酸碱度值；
S3、灌溉模型根据光照探头采集器采集的光照数据控制潜水泵的灌溉量；施肥模型根据设定的电导率值控制第一注肥泵的注肥量；酸碱度调节单元根据设定的酸碱度值控制第二注肥泵的注酸量。
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