CN111418477A - 一种柑橘育苗潮汐灌溉系统 - Google Patents

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揭钊越
李震
宋淑然
洪添胜
薛秀云
吕石磊
刘洪山
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Abstract

本发明公开了一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，包括：隔离变压器、单片机控制系统、触控显示终端和苗床灌溉系统；隔离变压器的输入端通过总开关与市电连接，输出端通过开关电源与单片机控制系统连接；触控显示终端通过局域网或公网与单片机控制系统通信，并实时显示苗床灌溉系统的工作参数；单片机控制系统根据触控显示终端发出的指令或预设的灌溉程序主动或自动控制苗床灌溉系统的工作状态。本发明采用单片机控制系统控制苗床育苗，无需PLC布线，技术简单、且容易部署，非常适用于中小规模的育种场合。

Description

一种柑橘育苗潮汐灌溉系统
技术领域
本发明涉及果蔬幼苗培育技术领域，更具体的说是涉及一种柑橘育苗潮汐灌溉系统。
背景技术
潮汐灌溉是模拟自然界的潮汐现象，当作物需要水的时候进行灌溉，灌溉完成药液回退，就像潮起潮落一样，平时保持基质干燥，避免因为潮湿引起病害，由于是底部灌溉，幼苗叶子保持干净干燥，从而提高叶子光合效率。近十多年来，国内的潮汐灌溉技术在花卉，蔬菜育苗方面得到推广和应用，但由于技术复杂性，以及对苗床要求高，投资大，一般在大规模的育苗场合才会用到自动化的潮汐灌溉系统。
现有的潮汐灌溉控制系统一般基于PLC，PLC控制系统成本高昂，因而比较适合对可靠性要求极高的大型育苗灌溉场合，大型的潮汐灌溉系统技术复杂不便部署，模式单一，调试维护的工作量也大，造成了潮汐灌溉技术在中小规模的育种场合应用不是十分普遍，一方面专业的一体成型苗床普遍造价高；另一方面，苗床还要求其平面平整；在一般中小规模的使用场合，潮汐灌溉一般使用定时或人工集中控制的方式进行灌溉，人工操作繁琐费时，现有的定时控制一般是机械定时或者简单的电子定时，系统无法对灌溉过程进行监控，若灌溉过程出现错误，阀门、水泵等部件损坏系统无法给出相应的提醒，由此带来潜在的经济损失更是使得潮汐灌溉系统难以在这些小规模场合推广应用。另外，在一些特殊的场合，用户需要上水回水迅速，但现有的系统不具备这样的控制功能。
因此，如何提供一种无需PLC控制、成本低、技术简单容易部署、且具有多种工作模式、便于维护和调试的适用于中小规模育种场合的自动潮汐灌溉系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其采用单片机控制系统，技术简单，且容易部署，能够很好地适用于中小规模的育种场合。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，包括：隔离变压器、单片机控制系统、触控显示终端和苗床灌溉系统；所述隔离变压器的输入端通过总开关与市电连接，输出端通过开关电源与所述单片机控制系统连接；所述触控显示终端通过局域网或公网与所述单片机控制系统通信，并实时显示所述苗床灌溉系统的工作参数；所述单片机控制系统根据所述触控显示终端发出的指令或预设的灌溉程序主动或自动控制所述苗床灌溉系统的工作状态。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明通过单片机控制系统与触控显示终端进行通信，可以实现实时远程监控和控制苗床灌溉系统的运行参数及灌溉情况，在突发故障时，可以远程控制，减少不必要的损失；还可以预先设定灌溉程序，使苗床灌溉系统按照预设的程序有序地进行灌溉，减少人工操作。除此之外，本发明无需PLC控制，成本低，技术简单，容易部署，同时具有手动、定时和自动多种工作模式，便于维护和调试，能够很好地适用于中小规模的育种场合。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，所述苗床灌溉系统包括药池、上水系统、回水系统、上回水管道以及至少一个苗床；所述上水系统和所述回水系统分别与所述单片机控制系统电性连接；
所述上回水管道一端伸入所述药池，另一端分别与每个所述苗床的底端连通；
所述上水系统和所述回水系统分别安装在所述上回水管道伸入所述药池的一端。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，所述上水系统包括上水水泵、上水流量传感器和第一电磁阀；所述上水水泵、所述上水流量传感器和所述第一电磁阀自所述药池的底端向上依次安装在所述上回水管道的上水管道上；所述回水系统包括回水水泵、回水流量传感器和第二电磁阀；所述回水水泵、所述回水流量传感器和所述第二电磁阀自所述药池的底端向上依次安装在所述上回水管道的回水管道上。
经由上述技术方案可知，本发明在上回水管道上分别安装有上水流量传感器和回水流量传感器，分别用于检测上水水流和回水水流，并通过传输一定频率的方波信号至单片机控制系统，单片机控制系统根据水流数据做出相应的动作。上水流量传感器一方面检测单个苗床进水量的多少，在手动操作模式下能够看到进水量，便于评估在定时模式下的定时时间设定；另一方面能够根据水流量的大小，及时判断灌溉过程中管路、水泵和电磁阀的故障检测。回水流量传感器一方面用于检测回流流量，另一方面用于当苗床中的水抽干时，及时关闭回水水泵，防止回水水泵干转。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，所述苗床上均匀布置有多个用于检测基质湿度的湿度传感器，所述湿度传感器与所述单片机控制系统电性连接。
经由上述技术方案可知，在苗床的不同位置布置一定数量的湿度传感器，能够实时监测基质湿度，单片机控制系统根据实际值和设定值决定是否对苗床进行灌溉。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，所述单片机控制系统包括单片机、继电器和流量计数模块；所述单片机具有输入端口、数据接收端口、网络通信端口和输出端口；其中，所述输入端口与所述触控显示终端的控制面板连接；所述流量计数模块的输入端分别与所述上水流量传感器和所述回水流量传感器电性连接，输出端与所述单片机连接；所述网络通信端口与所述触控显示终端连接；所述数据接收端口与所述湿度传感器电性连接；所述输出端口与所述继电器电性连接；所述继电器分别与所述上水水泵、所述第一电磁阀、所述回水水泵、所述第二电磁阀和所述第三电磁阀电性连接。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，每个所述苗床底端与所述上回水管道连接的位置处均安装有第三电磁阀，所述单片机控制系统根据每个所述苗床的灌溉情况依次单独控制所述第三电磁阀的开启和关闭。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，所述苗床为漏斗状，且所述苗床的最低端高于所述药池的开口端。
经由上述技术方案可知，本发明中的药池的开口端低于苗床最低端，能够保证回水过程中在重力作用下苗床中的水迅速回流，同时，将苗床设置为漏斗状，进一步促进灌溉水的回流。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，还包括限位管，所述限位管的一端穿过所述苗床底部，另一端与所述药池连通；且所述限位管伸出所述苗床底部的高度不高于灌溉过程中所需的最大液面高度。
经由上述技术方案可知，本发明通过安装限位管，当进水超过设定的高度时，水将会从限位管回流至药池，从而限定苗床的水位高度。当一个苗床中液面高度达到设定高度时，单片机控制系统控制该苗床底部的第三电磁阀关闭，即完成该苗床的灌溉，同时打开下一个苗床底部的第三电磁阀开始灌溉。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，所述限位管的管径大于所述上回水管道的管径。
经由上述技术方案可知，限位管管径大于上回水管径，能够保证苗床中多余的水快速回流至药池，避免幼苗叶子长时间接触水，影响光合效率，从而进一步确保幼苗的生长过程不受影响。
优选的，在上述一种柑橘育苗潮汐灌溉系统中，还包括消毒装置，所述消毒装置的输出端与所述药池连通，所述消毒装置的输入端与所述单片机控制系统电性连接；消毒装置可以是臭氧消毒装置。
经由上述技术方案可知，本发明在灌溉过程中，消毒装置一直处于打开状态，全部苗床都灌溉完毕后，消毒装置仍然会工作一段时间。本发明通过设置消毒装置，能够实现对药池中灌溉液的连续循环使用，减少土壤类病菌的传播，提高作物的生产效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的结构示意图；
图2附图为本发明提供的苗床灌溉系统的结构示意图；
图3附图为本发明提供的触控显示终端的控制面板结构示意图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本发明实施例公开了一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，包括：隔离变压器1、单片机控制系统2、触控显示终端3和苗床灌溉系统4；隔离变压器1的输入端通过总开关与市电连接，输出端通过开关电源与单片机控制系统2连接；触控显示终端3通过局域网或公网与单片机控制系统2通信，并实时显示苗床灌溉系统4的工作参数；单片机控制系统2根据触控显示终端3发出的指令或预设的灌溉程序主动或自动控制苗床灌溉系统4的工作状态。开关电源输出24V电压为单片机控制系统2和触控显示终端3提供电压。
本发明基于STM32F407VET6的单片机控制系统2，与触控显示终端3之间进行通信，单片机控制系统2的功能设置和数据显示均由触控显示终端3的触摸屏实现，本实施例中触摸屏运行Linux系统；触摸屏与单片机控制系统2通过网络或者串口进行通信，配置的参数保存在单片机控制系统2内部，触摸屏用的软件和远程监控的软件是同一套软件，软件在触摸屏上通过局域网或者485总线能访问单片机控制系统2的数据，软件在远程主机上时可以通过公网IP访问单片机数据，实现对苗床灌溉系统4的本地或远程监控，并控制苗床灌溉系统4的运行参数及灌溉情况，在突发故障，且工作人员不在现场时，可以远程控制，减少不必要的损失；还可以预先设定灌溉程序，使苗床灌溉系统4按照预设的程序有序地进行灌溉，减少人工操作。除此之外，本发明无需PLC控制，成本低，技术简单，容易部署，同时具有手动、定时和自动多种工作模式，便于维护和调试，能够很好地适用于中小规模的育种场合。
具体的，苗床灌溉系统4包括药池41、上水系统42、回水系统43、上回水管道44以及至少一个苗床45；上水系统42和回水系统43分别与单片机控制系统2电性连接；
上回水管道44一端伸入药池41，另一端分别与每个苗床45的底端连通；
上水系统42和回水系统43分别安装在上回水管道44伸入药池41的一端。
在一些实施例中，上水系统42包括上水水泵421、上水流量传感器422和第一电磁阀423；上水水泵421、上水流量传感器422和第一电磁阀423自药池41的底端向上依次安装在上回水管道44的上水管道上；回水系统43包括回水水泵431、回水流量传感器432和第二电磁阀433；回水水泵431、回水流量传感器432和第二电磁阀433自药池41的底端向上依次安装在上回水管道44的回水管道上。
本发明在上回水管道44上分别安装有上水流量传感器422和回水流量传感器432，分别用于检测上水水流和回水水流，并通过传输一定频率的方波信号至单片机控制系统2，单片机控制系统2根据水流数据做出相应的动作。上水流量传感器422一方面检测单个苗床45进水量的多少，在手动操作模式下能够看到进水量，便于评估在定时模式下的定时时间设定；另一方面能够根据水流量的大小，及时判断灌溉过程中所有管路、水泵和电磁阀的故障检测。单片机控制系统2无法直接感知上水水泵421、下水水泵431以及各电磁阀的故障，而是通过上流量传感器422测量当前作业过程中水流量情况，间接获取上水水泵421、下水水泵431以及各电磁阀的故障，假如当前作业的水流量不稳定或系统在已经工作的情况下无流量通过，系统会在监控界面抛出错误事件，并停止当前作业。回水流量传感器432一方面用于检测回流流量，另一方面用于当苗床45中的水抽干时，及时关闭回水水泵421，防止回水水泵421干转。
在其他实施例中，苗床45上均匀布置有多个用于检测基质湿度的湿度传感器47，湿度传感器47与单片机控制系统2电性连接。湿度传感器47放置在幼苗基质中上部，通信线接485总线。本发明通过在苗床45的不同位置布置一定数量的湿度传感器47，能够实时检测苗床45中的基质湿度，单片机控制系统2根据实际值和触控显示终端3的设定值决定是否对苗床45进行灌溉。比如柑橘育苗中设置开始湿度为10％，停止灌溉湿度为85％，最大灌溉持续时间为30min，最大灌溉频次为每2天一次，单片机控制系统2会持续检测基质湿度，每2天当湿度下降到10％以下时开始灌溉，期间持续检测，当湿度大于85％时停止灌溉，一次灌溉作业完成，如果最大灌溉时间内湿度依然无法达到85％，系统会在触控显示终端3的监控界面产生一个错误事件提醒。
具体的，单片机控制系统2包括单片机21、继电器22和流量计数模块23；单片机具有输入端口211、数据接收端口212、网络通信端口213和输出端口214；其中，输入端口211与触控显示终端3的控制面板连接；流量计数模块23的输入端分别与上水流量传感器422和回水流量传感器432电性连接，输出端与单片机21连接；网络通信端口213与触控显示终端3连接；数据接收端口212为485接口，并与湿度传感器47电性连接；输出端口214与继电器22电性连接；继电器22分别与上水水泵421、第一电磁阀423、回水水泵431、第二电磁阀433和第三电磁阀451电性连接。单片机21通过MII接口驱动PHY芯片LAN8720A和其他局域网主机或者远程主机交互，实现本地、远程的单片机控制系统2正常/错误状态监控和参数设置。流量计数模块23具有流量检测接口，流量检测接口是基于单片机定时器的频率测量接口它不直接和单片机连接，外部频率信号要经过缓冲处理后才与单片机21连接，流量检测接口直接与上水流量传感器422和下水流量传感器432连接，传感器检测到水流并通过传输一定频率方波信号的方式给单片机控制系统2，单片机控制系统2根据传感器数据做出相应的动作。
更有利的，每个苗床45底端与上回水管道44连接的位置处均安装有第三电磁阀451，单片机控制系统2根据每个苗床45的灌溉情况依次单独控制第三电磁阀451的开启和关闭。本发明单片机控制系统2每次只单独灌溉一个苗床45，且采用大功率的上水水泵421和回水水泵431单独为一个苗床45工作，确保一个苗床45上的水能迅速完成。
更有利的，苗床45为漏斗状，且苗床45的最低端高于药池41的开口端。
在另一个实施例中，苗床灌溉系统4还包括限位管46，限位管46的一端穿过苗床45底部，另一端与药池41连通；且限位管46伸出苗床45底部的高度不高于灌溉过程中所需的最大液面高度。
更有利的，限位管46的管径大于上回水管道44的管径。
苗床45的结构设计为漏斗型，最底部为上回水供液回液管路，限位管46设计用于限制苗床45药液平面的高低，相比上回水管道44，限位管46独立，苗床45限位部分设计可供用户自行设置的，比如一个直通为5cm，用户要设置液位为10cm以上，那可以套两个直通，药池41建设在地下，由于重力差的作用，药液回自行流回药池41。
在另一个实施例中，还包括消毒装置5，消毒装置5的输出端与药池41连通，消毒装置5的输入端与单片机控制系统2电性连接。
本发明在灌溉过程中，消毒装置5一直处于打开状态，全部苗床45都灌溉完毕后，消毒装置5仍然会工作一段时间。本发明通过设置消毒装置5，能够实现对药池41中灌溉液的连续循环使用，减少土壤类病菌的传播，提高作物的生产效益。
如图3所示，本发明的触控显示终端3的控制面板上设置有系统状态指示灯31、灌溉状态指示灯32、网络状态指示灯33、显示屏34和门锁35；系统状态指示灯31用于提醒用户单片机控制系统2是否正常运行，灌溉状态指示灯32用于提醒用户苗床灌溉系统4是否正常运行；网络状态指示灯34用于提醒当前网络是否正常；显示屏34为10寸的触摸屏，内置Linux系统；门锁用于在结束灌溉工作时，关闭控制门柜，避免零件损坏。
本发明共有三种工作模式：手动模式、定时模式和自动模式；三种模式属于互斥模式，同一时刻只能使用其中一种。
1、通过触控显示终端3的触摸屏设置为手动模式控制页面，操作员可以选择打开关闭对应的电磁阀开关、以及水泵和消毒设备等，同时也能通过屏幕看到流量参数的变化。要使得水泵运转，必须要让管路阀门打开，在管路连接药池与及苗床的通路被打开后，相应水泵才会受控启动。
2、通过触控显示终端3的触摸屏设置为定时模式时，在定时模式配置页面设置系统参数，定时模式下可以设置多组定时工作组，每一组可设置灌溉起始时间、单次作业苗床编号、单次作业持续时间，组内可以有多个单次作业组。
3、通过触控显示终端3的触摸屏设置为自动灌溉模式时，首先在配置页面配置灌溉的启停条件：启动灌溉作业时的湿度范围、最大持续时间、最大动作频次、同时灌溉苗床的最大允许数量。在自动模式运行之后本发明将会读取设置在基质的湿度传感器数据，并根据配置参数决定是否启动灌溉作业。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，包括：隔离变压器(1)、单片机控制系统(2)、触控显示终端(3)和苗床灌溉系统(4)；所述隔离变压器(1)的输入端通过总开关与市电连接，输出端通过开关电源与所述单片机控制系统(2)连接；所述触控显示终端(3)通过局域网或公网与所述单片机控制系统(2)通信，并实时显示所述苗床灌溉系统(4)的工作参数；所述单片机控制系统(2)根据所述触控显示终端(3)发出的指令或预设的灌溉程序主动或自动控制所述苗床灌溉系统(4)的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，所述苗床灌溉系统(4)包括药池(41)、上水系统(42)、回水系统(43)、上回水管道(44)以及至少一个苗床(45)；所述上水系统(42)和所述回水系统(43)分别与所述单片机控制系统(2)电性连接；
所述上回水管道(44)一端伸入所述药池(41)，另一端分别与每个所述苗床(45)的底端连通；
所述上水系统(42)和所述回水系统(43)分别安装在所述上回水管道(44)伸入所述药池(41)的一端。
3.根据权利要求2所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，所述上水系统(42)包括上水水泵(421)、上水流量传感器(422)和第一电磁阀(423)；所述上水水泵(421)、所述上水流量传感器(422)和所述第一电磁阀(423)自所述药池(41)的底端向上依次安装在所述上回水管道(44)的上水管道上；所述回水系统(43)包括回水水泵(431)、回水流量传感器(432)和第二电磁阀(433)；所述回水水泵(431)、所述回水流量传感器(432)和所述第二电磁阀(433)自所述药池(41)的底端向上依次安装在所述上回水管道(44)的回水管道上。
4.根据权利要求3所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，所述苗床(45)上均匀布置有多个用于检测基质湿度的湿度传感器(47)，所述湿度传感器(47)与所述单片机控制系统(2)电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，所述单片机控制系统(2)包括单片机(21)、继电器(22)和流量计数模块(23)；所述单片机具有输入端口(211)、数据接收端口(212)、网络通信端口(213)和输出端口(214)；其中，所述输入端口(211)与所述触控显示终端(3)的控制面板连接；所述流量计数模块(23)的输入端分别与所述上水流量传感器(422)和所述回水流量传感器(432)电性连接，输出端与所述单片机(21)连接；所述网络通信端口(213)与所述触控显示终端(3)连接；所述数据接收端口(212)与所述湿度传感器(47)电性连接；所述输出端口(214)与所述继电器(22)电性连接；所述继电器(22)分别与所述上水水泵(421)、所述第一电磁阀(423)、所述回水水泵(431)、所述第二电磁阀(433)和所述第三电磁阀(451)电性连接。
6.根据权利要求2-5任一项所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，每个所述苗床(45)底端与所述上回水管道(44)连接的位置处均安装有第三电磁阀(451)，所述单片机控制系统(2)根据每个所述苗床(45)的灌溉情况依次单独控制所述第三电磁阀(451)的开启和关闭。
7.根据权利要求2-5任一项所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，所述苗床(45)为漏斗状，且所述苗床(45)的最低端高于所述药池(41)的开口端。
8.根据权利要求2-5任一项所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，所述苗床灌溉系统(4)还包括限位管(46)，所述限位管(46)的一端穿过所述苗床(45)底部，另一端与所述药池(41)连通；且所述限位管(46)伸出所述苗床(45)底部的高度不高于灌溉过程中所需的最大液面高度。
9.根据权利要求8所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，所述限位管(46)的管径大于所述上回水管道(44)的管径。
10.根据权利要求2-5任一项所述的一种柑橘育苗潮汐灌溉系统，其特征在于，还包括消毒装置(5)，所述消毒装置(5)的输出端与所述药池(41)连通，所述消毒装置(5)的输入端与所述单片机控制系统(2)电性连接。
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