CN109937864A - 一种基于自动控制系统的水培茶苗装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于，包括定量杯、储水箱、自动控制模块、传感器模块、水培箱；定量杯设置于储水箱顶部，并与储水箱连接；储水箱侧壁开设有储水箱进液口、储水箱出液口，并分别设置阀门；自动控制模块设置于储水箱箱体外侧；水培箱底部设置有抽水泵，抽水泵通过水泵抽液管与储水箱连通，并由自动控制系统进行控制；水培箱箱体上设置育苗盘，用于放置定植篮；传感器模块设置于水培箱箱体外侧，用于获取水培箱数据并传输至自动控制模块处理；本发明采用自动化培育，对茶苗的生长环境进行实时监测，保证茶苗营养所需，解决因移苗换水对幼苗根部造成伤害问题，减少成本，操作简单实用，推广性强。

Description

一种基于自动控制系统的水培茶苗装置及方法

技术领域

本发明涉及一种程序化植物培育的研究领域，特别涉及一种基于自动控制系统的水培茶苗装置及方法。

背景技术

目前，国内茶园面积287万公顷、产量240多万吨，种植规模世界第一，消费量超过200万吨，每年国内乃至全球茶叶消费量总体呈上升趋势，因此茶树具有极高的经济价值。目前，国内对于茶苗的种植大多采用传统的土植方式，由于传统茶园存在土壤障碍的问题，传统土植茶苗生长速度缓慢，且出现移植存活率低或生长不良的现象。国内对于水培蔬菜的研究已经有了一定的成果，但对于水培茶苗的探索依然很少。水培茶苗相对于传统土植有着许多水培共有特性，如植株吸收营养率更高，生长更快，移植更易、存活率更高等。本发明专利所要解决的技术问题是提供一种基于自动控制系统的水培茶苗培育方法，可以解决水培茶苗培育难的问题，流程简单、操作方便，种植工具少且成活率高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于自动控制系统的水培茶苗装置。

本发明的另一目的在于提供一种基于自动控制系统的水培茶苗方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，包括定量杯、储水箱、自动控制模块、传感器模块、水培箱；

所述定量杯设置于储水箱顶部，并与储水箱连接；所述储水箱侧壁开设有储水箱进液口、储水箱出液口；储水箱进液口设置进液口阀门，储水箱出液口设置出液口阀门；所述自动控制模块设置于储水箱箱体外侧，与传感器模块连接；所述水培箱与储水箱连接，水培箱底部设置有抽水泵，抽水泵通过水泵抽液管与储水箱连通，并与自动控制系统连接，由自动控制系统进行控制；水培箱箱体上设置育苗盘，所述育苗盘用于放置定植篮；所述传感器模块设置于水培箱箱体外侧，用于获取水培箱数据并传输至自动控制模块处理。

进一步地，所述储水箱底部还设置有搅拌棒，用于搅拌储水箱中液体。

进一步地，所述定量杯设置有定量杯进液口和定量杯阀门，定量杯通过定量杯阀门与储水箱连接。

进一步地，所述储水箱出液口包含第一出液口、第二出液口；所述第一出液口和第二出液口设置在储水箱不同侧面的底部，并分别设置有第一出液口阀门和第二出液口阀门。

进一步地，所述第一出液口阀门为出液口阀门，第二出液口为储水箱排水阀门。

进一步地，所述储水箱底部还设置有底端排水管道，所述底端排水管道连接出液口阀门和储水箱排液口阀门，所述底端排水管道通过水培箱排水阀门连通水培箱。

进一步地，所述传感器模块包含EC值传感器、PH值传感器、水位显示传感器；所述EC值传感器设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱EC值并传输至自动控制模块；所述PH值传感器设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱PH值并传输至自动控制模块；所述水位显示传感器设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱水位数据并传输至自动控制模块。

进一步地，所述定植篮底部为镂空设计；所述定植篮还设置定植绵，用于固定茶苗放置在定植篮中。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：

一种基于自动控制系统的水培茶苗方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、将预先配置好的培养液装进定量杯；

S2、自动控制系统控制打开进液口阀门，向储水箱补充水到规定水位，自动关闭进液口阀门；

S3、自动控制系统控制打开定量杯阀门，倒入一定量的培养液进入储水箱，同时自动控制系统设定搅拌棒自动搅拌时间，搅拌棒进行搅拌，使溶液浓度均匀，自动搅拌时间结束，关闭定量杯阀门，得到适合茶苗生长的培养液，并在需要时抽入到水培箱中；

S4、将茶苗放入定植篮，并通过定植棉固定，将带有茶苗的定植篮放在水培箱的育苗盘中，茶苗根部通过定植篮镂空孔，使茶苗根部一部分浸入培养液中，茶苗根部一部分露出培养液与空气接触；

S5、自动控制系统控制EC值传感器和PH值传感器对水培箱中培养液进行定时检测，即每6个小时监测一次，并将采集得到的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，再将数字信号传输给自动控制系统进行处理；当检测到水培箱中培养液离子浓度或PH值过低，不符合茶苗生长浓度数值时，则进行换液操作；

S6、通过水位显示传感器的液位监测头监测水培箱的水位高度，当水培箱中培养液低于规定水平线时，触发低液位传感器产生低电平，则自动控制系统控制水泵将储水箱中配置好的培养液抽入水培箱中；当水培箱中培养液达到规定水平线时，液位传感器产生高电平，则自动控制系统控制水泵停止工作；

S7、设定定时换液，即设定在周期内定时进行换液操作；所述周期为7至14天。

进一步地，所述换液操作具体为：自动控制系统控制出液口阀门打开，将水培箱中培养液完全排出并关闭出液口阀门，使用抽水泵将储水箱中适合茶苗生长的培养液抽入培养箱。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明更换培养液过程实现自动化控制，通过单片机处理器自动控制对培养液进行自动采集数据、自动更换培养液、定时自动换水，整个过程无需人工干预，大大减少人力成本，且通俗易懂，操作简单，管理过程更加科学高效。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗装置结构示意图；

图2是本发明所述的一种基于自动控制系统的水培茶面装置的内部结构示意图；

图3是本发明所述实施例中的定植篮结构示意图；

图4是本发明所述实施例中的一种基于自动控制的水培茶苗方法的方法流程图。

图中，1-定量杯，2-自动控制模块，3-储水箱，4-传感器模块，5-水培箱，6-进液口阀门，7-定量杯阀门，8-出液口阀门，9-搅拌棒，10-储水箱排水阀门，11-底端排水管道，12-水培箱排水阀门，13-抽水泵，14-水泵抽液管，15-水培箱箱盖，16-PH值传感器，17-EC值传感器，18-水位显示传感器，19-茶苗，20-定植棉，21-定植篮。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，如图1所示，其特征在于，包括定量杯1、储水箱3、自动控制模块2、传感器模块4、水培箱5；其内部结构图如图2所示；

所述定量杯1设置于储水箱3顶部，并与储水箱连接；所述定量杯1设置有定量杯进液口和定量杯阀门7，定量杯1通过定量杯阀门7与储水箱3连接。

所述储水箱3侧壁开设有储水箱进液口、储水箱出液口；储水箱进液口设置进液口阀门6，储水箱出液口设置出液口阀门；所述储水箱3底部还设置有搅拌棒9，用于搅拌储水箱中液体。所述储水箱3出液口包含第一出液口、第二出液口；所述第一出液口和第二出液口设置在储水箱不同侧面的底部，并分别设置有第一出液口阀门和第二出液口阀门；所述第一出液口阀门为出液口阀门8，第二出液口为储水箱排水阀门10；所述储水箱底部还设置有底端排水管道11，所述底端排水管道11连接出液口阀门8和储水箱排液口阀门10，所述底端排水管道11通过水培箱排水阀门12连通水培箱5。

所述自动控制模块2采用基于LabVIEW自动控制系统处理器，设置于储水箱箱体外侧，与传感器模块4连接；

所述传感器模块4包含EC值传感器17、PH值传感器16、水位显示传感器18；所述EC值传感器17设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱EC值并传输至自动控制模块2；所述PH值传感器16设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱PH值并传输至自动控制模块2；所述水位显示传感器18设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱水位数据并传输至自动控制模块2。

所述水培箱5与储水箱3连接，水培箱底部设置有抽水泵13，抽水泵13通过水泵抽液管14与储水箱3连通，并与自动控制模块2的自动控制系统连接，由自动控制系统进行控制；水培箱的水培箱箱盖15上设置育苗盘，所述育苗盘用于放置定植篮21；所述传感器模块4设置于水培箱箱体外侧，用于获取水培箱数据并传输至自动控制模块2处理。

所述定植篮21底部为镂空设计，如图3所示，所述定植篮还设置定植绵20，用于固定茶苗19放置在定植篮21中。

将整个控制系统分解为上位机和下位机两个部分：上位机为装有LabVIEW软件的PC机，下位机为采集卡及外围的电路组成系统。两个部分是通过串口进行通信的。其中下位机部分主要完成对导电率(EC值)、pH值数据信号的采集记忆数据的输出；上位机部分进行输入信号的分析、处理，完成对硬件的驱动，启动换水设备的功能。

水培液配置

水培的营养液自主研发配比，把(NH₄)₂SO₄等各种营养物质和蒸馏水按一定比例配置而成，加入定量杯1。定量杯1需要人工配置好标准的茶苗营养液，其各成分所需的量根据定量杯载液容积和定量杯阀门7的开启时间来确定。

茶苗放置

定植篮21放置于水培箱箱盖15上，茶苗放入定植篮21，茶苗根部，通过定植篮21中间小孔，使茶苗根部的2/3浸入水培液1中，1/3露出水培液。

茶苗固定

选取气孔比较多的小石头，用自来水清洗干净的小石头放置于定制篮21的底部，用定植棉20套上茶苗19，定植棉20紧挨定植篮21固定工放置，使茶苗位置固定。

后期培育

科学摆放：本实例整个水培装置置于实验室环境下，室内温度23度左右，放置于透光度较好，又不会有阳光直射到的实验室窗台；

保持湿润：定时向茶苗叶面、枝干，新芽用喷雾器喷施凉置后的开水，将定植棉20也喷湿，特别是栽培后的1-2个月要尽量多喷水，早上，下午以及晚上各一次，保证叶面和枝干，新芽能吸收的充足不含较多氯气的水分，尽量使枝干和茶叶都有水雾覆盖；

自动换培养液：连接自动控制系统的水位显示传感器18，pH值传感器16和EC值传感器17固定在水培箱壁上，浸泡在水培液里，设定6小时一次把水培箱里的营养液PH值和EC值检测并传输给自动控制模块2，EC值传感器17检测营养液的可溶性离子浓度，PH值传感器16检测营养液的酸碱度，设定茶苗适合的EC值在1000-1500μs/cm范围，最适合的pH值在4.5-5.5范围。当pH值或EC值其一不在设定范围时，自动控制模块2发出指令，水培箱排水阀门12和出液口阀门8排出旧液，排完自动关闭，进液口阀门6开启，放进自来水，到达设定时间，自动关闭进液口阀门6，定量杯阀门7自动打开一定时间，放出一定量的标准营养液于储水箱清水中，到达设定时间，定量杯阀门7自动关闭，搅拌棒9开启，旋转搅拌，使其充分混合，到达设定搅拌时间后，搅拌棒9停止工作，抽水泵13开始工作，从储水箱3抽出营养液进水培箱5中，直至到达水位显示传感器18设定的水位，则抽水泵13停止工作，储水箱3所残留的营养液通过第一出液口阀门和第二出液口阀门的开启排出；第一出液口阀门为出液口阀门8，第二出液口阀门为储水箱排水阀门10。周而复始，始终保持茶苗处于设定的水培环境。水位显示传感器18需要定期人工设定水面高度，尽量控制茶苗根部的2/3浸入水培液1中，1/3露出水培液。

保持卫生：及时清理落下的枯枝萎叶，除去被虫子咬损严重的叶片，剪去不完整或是大体黄色的叶片和枯黑的枝条，若发现某茶苗根系腐烂并导致水质污染发臭，应迅速将烂根剪去，对剪口进行消毒，并清洗和消毒水培箱和茶苗根。

一种基于自动控制系统的水培茶苗方法，如图4所示，包含以下步骤：

S1、将预先配置好的培养液装进定量杯；

S2、自动控制系统控制打开进液口阀门，向储水箱补充水到规定水位，自动关闭进液口阀门；

S3、自动控制系统控制打开定量杯阀门，倒入一定量的培养液进入储水箱，同时自动控制系统设定搅拌棒自动搅拌时间，搅拌棒进行搅拌，使溶液浓度均匀，自动搅拌时间结束，关闭定量杯阀门，得到适合茶苗生长的培养液，并在需要时抽入到水培箱中；

S4、将茶苗放入定植篮，并通过定植棉固定，将带有茶苗的定植篮放在水培箱的育苗盘中，茶苗根部通过定植篮镂空孔，使茶苗根部一部分浸入培养液中，茶苗根部一部分露出培养液与空气接触；

S5、自动控制系统控制EC值传感器和PH值传感器对水培箱中培养液进行定时检测，即每6个小时监测一次，并将采集得到的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，再将数字信号传输给自动控制系统进行处理；当检测到水培箱中培养液离子浓度或PH值过低，不符合茶苗生长浓度数值时，则进行换液操作；

S6、通过水位显示传感器的液位监测头监测水培箱的水位高度，当水培箱中培养液低于规定水平线时，触发低液位传感器产生低电平，则自动控制系统控制水泵将储水箱中配置好的培养液抽入水培箱中；当水培箱中培养液达到规定水平线时，液位传感器产生高电平，则自动控制系统控制水泵停止工作；

S7、设定定时换液，即设定在周期内定时进行换液操作；所述周期为7至14天。

进一步地，所述换液操作具体为：自动控制系统控制出液口阀门打开，将水培箱中培养液完全排出并关闭出液口阀门，使用抽水泵将储水箱中适合茶苗生长的培养液抽入培养箱。

若EC值或PH值正常，系统也可通过人为设定的换水周期定时自动更换培养液，使营养液始终保持养分均衡，保证茶苗的正常成长。培养液后期的自动管理系统由单片机自动控制，整个换水过程无需人为干预，实现自动化管理。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于，包括定量杯、储水箱、自动控制模块、传感器模块、水培箱；

所述定量杯设置于储水箱顶部，并与储水箱连接；所述储水箱侧壁开设有储水箱进液口、储水箱出液口；储水箱进液口设置进液口阀门，储水箱出液口设置出液口阀门；所述自动控制模块设置于储水箱箱体外侧，与传感器模块连接；所述水培箱与储水箱连接，水培箱底部设置有抽水泵，抽水泵通过水泵抽液管与储水箱连通，并与自动控制系统连接，由自动控制系统进行控制；水培箱箱体上设置育苗盘，所述育苗盘用于放置定植篮；所述传感器模块设置于水培箱箱体外侧，用于获取水培箱数据并传输至自动控制模块处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于，所述储水箱底部还设置有搅拌棒，用于搅拌储水箱中液体。

3.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于。所述定量杯设置有定量杯进液口和定量杯阀门，定量杯通过定量杯阀门与储水箱连通。

4.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于，所述储水箱出液口包含第一出液口、第二出液口；所述第一出液口和第二出液口设置在储水箱不同侧面的底部，并分别设置有第一出液口阀门和第二出液口阀门。

5.根据权利要求4所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于，所述第一出液口阀门为出液口阀门，第二出液口为储水箱排水阀门。

6.根据权利要求5所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于，所述储水箱底部还设置有底端排水管道，所述底端排水管道连接出液口阀门和储水箱排液口阀门，所述底端排水管道通过水培箱排水阀门连通水培箱。

7.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于，所述传感器模块包含EC值传感器、PH值传感器、水位显示传感器；所述EC值传感器设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱EC值并传输至自动控制模块；所述PH值传感器设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱PH值并传输至自动控制模块；所述水位显示传感器设置在水培箱箱体外侧，用于获取水培箱水位数据并传输至自动控制模块。

8.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗装置，其特征在于，所述定植篮底部为镂空设计；所述定植篮还设置定植绵，用于固定茶苗放置在定植篮中。

9.一种基于自动控制系统的水培茶苗方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、将预先配置好的培养液装进定量杯；

S2、自动控制系统控制打开进液口阀门，向储水箱补充水到规定水位，自动关闭进液口阀门；

S3、自动控制系统控制打开定量杯阀门，倒入一定量的培养液进入储水箱，同时自动控制系统设定搅拌棒自动搅拌时间，搅拌棒进行搅拌，使溶液浓度均匀，自动搅拌时间结束，关闭定量杯阀门，得到适合茶苗生长的培养液，并在需要时抽入到水培箱中；

S4、将茶苗放入定植篮，并通过定植棉固定，将带有茶苗的定植篮放在水培箱的育苗盘中，茶苗根部通过定植篮镂空孔，使茶苗根部一部分浸入培养液中，茶苗根部一部分露出培养液与空气接触；

S5、自动控制系统控制EC值传感器和PH值传感器对水培箱中培养液进行定时检测，即每6个小时监测一次，并将采集得到的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，再将数字信号传输给自动控制系统进行处理；当检测到水培箱中培养液离子浓度或PH值过低，不符合茶苗生长浓度数值时，则进行换液操作；

S6、通过水位显示传感器的液位监测头监测水培箱的水位高度，当水培箱中培养液低于规定水平线时，触发低液位传感器产生低电平，则自动控制系统控制水泵将储水箱中配置好的培养液抽入水培箱中；当水培箱中培养液达到规定水平线时，液位传感器产生高电平，则自动控制系统控制水泵停止工作；

S7、设定定时换液，即设定在周期内定时进行换液操作；所述周期为7至14天。

10.根据权利要求9所述的一种基于自动控制系统的水培茶苗方法，其特征在于，所述换液操作具体为：自动控制系统控制出液口阀门打开，将水培箱中培养液完全排出并关闭出液口阀门，使用抽水泵将储水箱中适合茶苗生长的培养液抽入培养箱。