CN110972924A - 一种植物工厂营养液检测调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种植物工厂营养液检测调控系统，涉及植物工厂中营养液自动化、智能化调控领域。该植物工厂营养液检测调控系统包括立体培养装置，检测装置，调控装置，循环装置和控制系统。检测装置包括安装在栽培槽内进行营养液指标值实时获取的传感器；调控装置包括营养液成分调整的母液罐和电磁水阀，营养液均匀混合的搅拌装置，对温度和溶氧量进行调整的控温器和增氧器；循环装置包括完成营养液间歇循环流动的输送管和提供动力的水泵。通过检测装置获取指标值信号，经过控制系统处理后控制循环装置和调控装置工作，完成营养液的循环和调控作业。本发明结构简单，使用方便，提升营养液检测调控速度和精度、提高作物品质和产量。

Description

一种植物工厂营养液检测调控系统

技术领域

本专利涉及一种营养液调控系统，具体涉及一种植物工厂营养液检测调控系统。

背景技术

植物工厂是新兴起的现代设施农业的高级形式，能够实现作物周年连续生产的高效农业系统，目前我国植物工厂主要使用营养液栽培的方式进行作物的培养。营养液水培技术的核心是营养液，它可以直接影响作物的生长，是影响作物质量和产量的重要因素。目前的营养液检测调控多使用人工与简单设备协作完成，精度低、费时费力，效率低，不能适应植物工厂的智能化作业。随着智能控制技术的发展以及人们对作物质量和产量要求的提高，自动化、智能化系统在作物的生产领域变得越来越具有竞争力。运用智能控制技术完成植物工厂营养液的检测调控过程，不仅能实现生产过程的自动化提高工作效率，还能减少生产过程中作物的污染提高植物工厂生产作物的产量和质量。

中国专利CN 205623640 U公开了一种植物工厂营养液控制装置，包括光谱调频器、输送管道、消毒室和PLC。其光谱调频器与紫外线杀菌器阵列相连接，检测器、营养液储存池、消毒室依次连接，可以对营养液进行营养成分检测，当营养液不达标时发出警报，可以手动调节杀灭有害病菌的紫外线频率，杀灭多种不同病菌，可以调节营养液的输送速度，以适应植物不同阶段的需求。但是此种装置的调控精度低、速度慢，且营养液的循环使用不能实现，造成营养液浪费严重。

有鉴于此，需要一种植物工厂营养液检测调控系统，设计一种包括营养液检测、调控和循环使用的系统，能够完成营养液的精准快速检测调控。直接安装在植物工厂中进行使用，且能够依次完成营养液的检测、调控和循环使用过程。而且目前市场上对于营养液检测调控系统的应用存在较大问题，因此植物工厂营养液检测调控系统的研究对于提高植物工厂的智能化作业和提高植物工厂生产作物的产量和质量具有重要意义。

发明内容

针对植物工厂营养液检测调控过程中精度低和自动化程度低以及污染浪费等问题，本专利提出一种植物工厂营养液检测调控系统。

本专利通过下列技术方案实现：一种植物工厂营养液检测调控系统，由立体培养装置1、检测装置2、循环装置3、调控装置4和控制系统5组成。其特征是：检测装置2、循环装置3、调控装置4和控制系统5固定安装在立体培养装置1上；检测装置2通过将不同的传感器安装在最佳的位置以实现对栽培槽内营养液的各个指标值实时精准有效的检测；循环装置3通过水泵、输液管道、过滤器的组合作用，完成营养液的杂质过滤和循环使用，以减少营养液浪费；调控装置4通过各个工作部件的作用对营养液的指标值进行调整，其中对于pH、EC、液位的调整在调配桶完成，对DO、液温的调整直接在栽培槽内部完成，达到快速调控的目的；控制系统5通过对信号的获取、处理和发送，控制工作部件工作，实现整个系统的自动化和智能化。

立体培养装置1使用栽培槽309和定植板310组合的方式培养作物，栽培槽309安装在立体栽培架上的中心位置且盛放营养液用于作物培养，定植板310将作物根系定植，且按一定的方向和顺序排列放置在栽培槽309上方，保证作物根系完全处于营养液中。检测装置2主要是各种营养液指标值检测传感器，包括pH传感器201、EC传感器202、DO传感器204、液温传感器203和液位传感器205，其中pH传感器201、EC传感器202、DO传感器204和液温传感器203采用底插式安装方法，将传感器检测头从栽培槽309底部向上安装，且按照pH、EC、DO、液温的顺序呈一字型紧密排列在方形栽培槽309中心的长边中线上；液位传感器205采用沉入式安装方法，将其安装在方形栽培槽309的一角，使其尽可能节约栽培槽309空间不影响作物生长且能够高精度测量营养液的高度位置。调控装置3完成营养液各指标值的调整使其在规定的范围内，包括电磁水阀401、母液罐一407、母液罐二408、母液罐三409、母液罐四410、母液罐五411、输液管404、控温器405、增氧器406、搅拌器403和搅拌电机402，母液罐安装在立体栽培架下方平台上，可以有效节约空间，并实现营养液所需母液的快速供应，电磁水阀401安装在母液罐底部位置的出液口处，通过电磁水阀401的开闭时间准确控制加入营养液的各母液的量，输液管404将电磁水阀401流出的母液输送到调配桶304进行调配，搅拌器403采用三叶片状搅拌头，相互叶片间成120°分布，叶片尺寸长×宽×高为100mm×10mm×1mm，安装在调配桶304中轴线位置且距离地面高度为三分之一调配桶304高度，完成对营养液的搅拌作用，搅拌电机402安装在立体栽培架上，通过联轴器与搅拌器403连接，为搅拌器403的工作提供动力，搅拌电机402的速度设置为110r/min，实现对营养液的有效搅拌和均匀混合，控温器405和增氧器406各有4个，组合成4对安装在方形栽培槽309的四边，且距离栽培槽309侧边的距离为此方向长度的四分之一，调控装置4进行调控作用时，pH、EC、液位的调控需使用循环装置3在调配桶304完成，DO和液温的调控可直接在栽培槽309内部完成。循环装置3完成营养液的循环输送过程，包括下营养液管301、水泵一302、过滤器303、调配桶304、过渡桶305、水泵二306、上营养液管307、水泵三308、栽培槽309，水泵一302、水泵二306、水泵三308安装在立体栽培架上，提供营养液从栽培槽309到调配桶304、从调配桶304到过渡桶305、从过渡桶305到栽培槽309输送过程的动力，过滤器303安装在栽培槽309和水泵一302的中间位置，使其能够有效的过滤使用过的营养液且在循环的过程中不堵塞水泵和输液管，下营养液管301、上营养液管307用于连接各个循环工作部件，完成营养液的循环输送过程，循环装置3的水泵一302、水泵三308、水泵二306依次工作，实现营养液的间歇式循环使用，在循环的过程中保证作物根系有较长时间在最佳组合的营养液中。控制系统5通过对信号的获取、处理和发送，控制检测装置2、循环装置3和调控装置4工作，实现整个系统的自动化和智能化作业。

优选的，所述立体培养装置的定植板采用泡沫材料，定植板尺寸长×宽×高为：600mm×200mm×27mm，在定植板的中部上下开直径25mm的圆孔，在距中心43mm处前后开宽35mm、高12mm的左右对称的通槽用于作物的定植。

优选的，所述检测装置的pH传感器、EC传感器、DO传感器和液温传感器采用底插式安装方法，将传感器检测头从栽培槽底部向上安装，且按照pH、EC、DO、液温的顺序呈一字型紧密排列在方形栽培槽中心的长边中线上。

优选的，所述检测装置的液位传感器采用沉入式安装方法，将其安装在方形栽培槽的一角，使其尽可能节约栽培槽空间且不影响作物生长。

优选的，所述调控装置的电磁水阀，通过控制其开口的开闭时间来精确控制加入营养液的各母液的量。

优选的，所述调控装置的搅拌器采用三叶片状搅拌头，相互叶片间成120°分布，叶片尺寸长×宽×高为100mm×10mm×1mm。

优选的，所述调控装置的的搅拌器安装在调配桶中轴线位置且距离地面高度为三分之一调配桶高度。

优选的，所述调控装置的搅拌电机的速度设置为110r/min，保证搅拌的效果，使营养液能够混合均匀。

优选的，所述调控装置的控温器和增氧器各有4个，组合成4对安装在方形栽培槽的四边，且距离栽培槽侧边的距离为此方向长度的四分之一。

优选的，所述调控装置进行调控作用时，pH、EC、液位的调控需使用循环装置在调配桶完成，DO和液温的调控可直接在栽培槽内部完成，加快调控速度。

优选的，所述循环装置的过滤器安装在栽培槽和水泵一的中间位置，使其能够有效的过滤使用过的营养液且在循环的过程中不堵塞水泵和输液管。

优选的，所述循环装置的水泵一、水泵三、水泵二依次工作，实现营养液的间歇式循环使用，在循环的过程中保证作物根系有较长时间在最佳组合的营养液中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果，本发明能直接安装在植物工厂中进行使用，且能够依次完成营养液的检测、调控和循环使用过程，且调控具有较高的精度和速度。本发明具有结构简单、适应性强的优点，同时能够保证营养液调控的准确性和速度，能够较大提高植物工厂的智能化程度，且提高植物工厂生产作物的产量和质量。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本专利进一步说明。

图1是一种植物工厂营养液检测调控系统；

图2是检测装置的结构示意图；

图3是循环装置的结构示意图；

图4是调控装置的结构示意图。

以下是图中各部件标号：立体培养装置1、检测装置2、循环装置3、调控装置4、控制系统5、pH传感器201、EC传感器202、DO传感器204、液温传感器203、液位传感器205、下营养液管301、水泵一302、过滤器303、调配桶304、过渡桶305、水泵二306、上营养液管307、水泵三308、栽培槽309、定植板310、电磁水阀401、搅拌电机402、搅拌器403、输液管404、控温器405、增氧器406、母液罐一407、母液罐二408、母液罐三409、母液罐四410、母液罐五411。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、2、3和4所示，本专利的一种植物工厂营养液检测调控系统，包括立体培养装置1、检测装置2、循环装置3、调控装置4和控制系统5。包括pH传感器201、EC传感器202、DO传感器204、液温传感器203、液位传感器205、下营养液管301、水泵一302、过滤器303、调配桶304、过渡桶305、水泵二306、上营养液管307、水泵三308、栽培槽309、定植板310、电磁水阀401、搅拌电机402、搅拌器403、输液管404、控温器405、增氧器406、母液罐一407、母液罐二408、母液罐三409、母液罐四410、母液罐五411。立体培养装置1使用栽培槽309和定植板310组合的方式培养作物，栽培槽309安装在立体栽培架上的中心位置且盛放营养液用于作物培养，定植板310将作物根系定植，且按一定的方向和顺序排列放置在栽培槽309上方，保证作物根系完全处于营养液中。检测装置2主要是各种营养液指标值检测传感器， pH传感器201、EC传感器202、DO传感器204和液温传感器203采用底插式安装方法，将传感器检测头从栽培槽309底部向上安装，且按照pH、EC、DO、液温的顺序呈一字型紧密排列在方形栽培槽309中心的长边中线上；液位传感器205采用沉入式安装方法，将其安装在方形栽培槽309的一角，使其尽可能节约栽培槽309空间不影响作物生长且能够高精度测量营养液的高度位置。调控装置3完成营养液各指标值的调整使其在规定的范围内，母液罐安装在立体栽培架下方平台上，可以有效节约空间，并实现营养液所需母液的快速供应，电磁水阀401安装在母液罐底部位置的出液口处，通过电磁水阀401的开闭时间准确控制加入营养液的各母液的量，输液管404将电磁水阀401流出的母液输送到调配桶304进行调配，搅拌器403采用三叶片状搅拌头，相互叶片间成120°分布，叶片尺寸长×宽×高为100mm×10mm×1mm，安装在调配桶304中轴线位置且距离地面高度为三分之一调配桶304高度，完成对营养液的搅拌作用，搅拌电机402安装在立体栽培架上，通过联轴器与搅拌器403连接，为搅拌器403的工作提供动力，搅拌电机402的速度设置为110r/min，实现对营养液的有效搅拌和均匀混合，控温器405和增氧器406各有4个，组合成4对安装在方形栽培槽309的四边，且距离栽培槽309侧边的距离为此方向长度的四分之一，调控装置4进行调控作用时，pH、EC、液位的调控需使用循环装置3在调配桶304完成，DO和液温的调控可直接在栽培槽309内部完成。循环装置3完成营养液的循环输送过程，水泵一302、水泵二306、水泵三308安装在立体栽培架上，提供营养液从栽培槽309到调配桶304、从调配桶304到过渡桶305、从过渡桶305到栽培槽309输送过程的动力，过滤器303安装在栽培槽309和水泵一302的中间位置，使其能够有效的过滤使用过的营养液且在循环的过程中不堵塞水泵和输液管，下营养液管301、上营养液管307用于连接各个循环工作部件，完成营养液的循环输送过程，循环装置3的水泵一302、水泵三308、水泵二306依次工作，实现营养液的间歇式循环使用，在循环的过程中保证作物根系有较长时间在最佳组合的营养液中。控制系统5通过对信号的获取、处理和发送，控制检测装置2、循环装置3和调控装置4工作，实现整个系统的自动化和智能化作业。

具体工作过程：

工作时，首先pH传感器201、EC传感器202、液温传感器203、DO传感器204和液位传感器205实时检测营养液的指标值，若各个指标值均满足作物生长条件，则系统不进行调整继续作物培养；当检测指标值超出阈值范围时，系统工作对其进行调整。DO和液温不满足条件时，控制系统5控制控温器405和增氧器406工作，直接在栽培槽309内对营养液的DO和液温指标值进行调整；pH、EC和液位不满足条件时，控制系统5首先控制循环装置3工作，水泵一302将栽培槽309内营养液抽出，在下营养液管301的作用下经过滤器303过滤后输送至调配桶304；然后水泵三308将过渡桶内305已经调配完成的营养液经上营养液管307输送至栽培槽309内进行作物的培养，同时控制系统5控制调控装置4工作对营养液进行调配，控制5个电磁水阀401的不同开闭时间为调配桶304添加所需不同量的母液，然后搅拌电机402带动搅拌器403工作将营养液混合均匀。水泵二306将调配桶304内已经调配完成的营养液输送至过渡桶305，等待下次营养液的调配和循环使用。

所述立体培养装置1的定植板310采用泡沫材料，定植板尺寸长×宽×高为600mm×200mm×27mm，在定植板310的中部上下开直径25mm的圆孔，在距中心43mm处前后开宽35mm、高12mm的左右对称的通槽用于作物的定植，紧密放置在栽培槽309的上方。

所述检测装置2的pH传感器201、EC传感器202、DO传感器204和液温传感器203采用底插式安装方法，将传感器检测头从栽培槽309底部向上安装，且按照pH、EC、DO、液温的顺序呈一字型紧密排列在方形栽培槽309中心的长边中线上，紧密放置。

所述检测装置2的液位传感器205采用沉入式安装方法，将其安装在方形栽培槽309的一角，使其尽可能节约栽培槽309空间且不影响作物生长。

所述调控装置4的搅拌器403采用三叶片状搅拌头，相互叶片间成120°分布，叶片尺寸长×宽×高为100mm×10mm×1mm，安装在调配桶304中轴线位置且距离地面高度为三分之一调配桶高度。

所述调控装置4的搅拌电机402的速度设置为110r/min，保证搅拌的效果，使营养液能够混合均匀。

所述调控装置4的控温器405和增氧器406各有4个，组合成4对安装在方形栽培槽309的四边，且距离栽培槽309侧边的距离为此方向长度的四分之一。

所述调控装置4进行调控作用时，pH、EC、液位的调控需使用循环装置3在调配桶304内完成，DO和液温的调控可直接在栽培槽309内部完成，加快调控速度。

所述循环装置4的过滤器303安装在栽培槽309和水泵一302的中间位置，使其能够有效的过滤使用过的营养液且在循环的过程中不堵塞水泵和输液管。

所述循环装置4的水泵一302、水泵三308、水泵二306依次工作，实现营养液的间歇式循环使用，在循环的过程中保证作物根系有较长时间在最佳组合的营养液中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种植物工厂营养液检测调控系统，其特征在于，植物工厂营养液检测调控系统包括立体培养装置、检测装置、调控装置、循环装置和控制系统，其中：所述检测装置、调控装置、循环装置和控制系统安装固定在立体培养装置上；立体培养装置包括立体培养架、栽培槽和定植板，栽培槽安装在立体栽培架上且盛放营养液用于作物的培养，定植板完成作物的定植，且按一定的方向和顺序排列放置在栽培槽上方；检测装置包括pH(酸碱度)传感器、EC（电导率）传感器、DO（溶解氧）传感器、液温传感器、液位传感器，传感器安装在栽培槽内用于对营养液的各指标值进行检测，其中pH传感器、EC传感器、DO传感器、液温传感器从栽培槽的下方插入营养液呈一字型排列安装在栽培槽的中间位置，实现对营养液pH值、EC值、DO值和液温的有效准确检测，液位传感器从栽培槽上方安装在栽培槽的一角，使其占据尽量小的位置不影响作物的生长且能够高精度的测量营养液的位置高度；调控装置包括电磁水阀、母液罐一、母液罐二、母液罐三、母液罐四、母液罐五、输液管、控温器、增氧器、搅拌器和搅拌电机，母液罐安装在立体栽培架下方的平台上，以节约空间且提供营养液所需的不同母液，电磁水阀安装在母液罐底部位置的出液口处，通过电磁水阀的开闭时间准确控制加入营养液的各母液的量，输液管将电磁水阀流出的母液输送到调配桶进行调配，搅拌器安装在搅拌桶的中心位置，完成对营养液的搅拌作用，搅拌电机安装在立体栽培架上，通过联轴器与搅拌器连接，为搅拌器的工作提供动力，实现对营养液的有效搅拌和均匀混合，控温器和增氧器使用四组均匀分布安装在栽培槽底部，能够有效的调节栽培槽内营养液整体的温度和溶氧量；循环装置包括下营养液管、水泵一、过滤器、调配桶、过渡桶、水泵二、上营养液管、水泵三、栽培槽，水泵一、水泵二、水泵三安装在立体栽培架上，提供营养液从栽培槽到调配桶、从调配桶到过渡桶、从过渡桶到栽培槽输送过程的动力，过滤器安装在从栽培槽到调配桶输送的过程中，完成对使用过营养液的过滤和杂质清除，以对营养液进行二次使用，下营养液管、上营养液管安装于水泵一、过滤器、调配桶、水泵二、过渡桶、水泵三、栽培槽之间，完成营养液的循环输送过程；控制系统包括单片机、继电器、工控机，完成检测系统信号获取、处理工作，以及调控装置和循环装置部件的自动化控制。

2.根据权利要求1所述一种植物工厂营养液检测调控系统，其特征在于：检测装置的pH传感器、EC传感器、DO传感器和液温传感器采用底插式安装方法，将传感器检测头从栽培槽底部向上安装，且按照pH、EC、DO、液温的顺序呈一字型紧密排列在方形栽培槽中心的长边中线上。

3.根据权利要求1所述一种植物工厂营养液检测调控系统，其特征在于：检测装置的液位传感器采用沉入式安装方法，将其安装在方形栽培槽的一角，使其尽可能节约栽培槽空间且不影响作物生长。

4.根据权利要求1所述一种植物工厂营养液检测调控系统，其特征在于：调控装置的搅拌器采用三叶片状搅拌头，相互叶片间成120°分布，叶片尺寸长×宽×高为100mm×10mm×1mm，安装在调配桶中轴线位置且距离地面高度为三分之一调配桶高度。

5.根据权利要求1所述一种植物工厂营养液检测调控系统，其特征在于：调控装置的搅拌电机的速度设置为110r/min，保证搅拌的效果，使营养液能够混合均匀。

6.根据权利要求1所述一种植物工厂营养液检测调控系统，其特征在于：调控装置的控温器和增氧器各有4个，组合成4对安装在方形栽培槽的四边，且距离栽培槽侧边的距离为此方向长度的四分之一。

7.根据权利要求1所述一种植物营养液检测调控系统，其特征在于：调控装置进行调控作用时，pH、EC、液位的调控需使用循环装置在调配桶完成，DO和液温的调控可直接在栽培槽内部完成。

8.根据权利要求1所述一种植物工厂营养液检测调控装置，其特征在于：循环装置的过滤器安装在栽培槽和水泵一的中间位置，使其能够有效的过滤使用过的营养液使其在循环的过程中不堵塞水泵和输液管。

9.根据权利要求1所述一种植物工厂营养液检测调控系统，其特征在于：循环装置的水泵一、水泵三、水泵二依次工作，实现营养液的间歇式循环使用，在循环的过程中保证作物根系有较长时间在最佳组合的营养液中。

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