CN111616032A - 一种利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，用于解决现有痕量灌溉装置控水头尺寸大不能精细调节水量、没有实现完全节水、对浇水量缺少主动、精确、智能控制的技术问题。本发明包括控制器、控水元件和温湿度传感器；所述控制器分别与控水元件、温湿度传感器相连接，温湿度传感器设置在植物的根部；所述控水元件的一端与粗水管相连接，粗水管与储水袋相连通，控水元件的另一端与细水管相连接，细水管埋入植物的根部。本发明实现了对名贵盆载、种子培育等所需营养液、水的精确灌溉和农药精细喷洒等的功能，具有结构简单、尺寸小、控水主动、浇水精细，易于满足需要精准灌溉的植物。

Description

一种利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置

技术领域

本发明涉及控水灌溉技术领域，特别是指一种利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置。

背景技术

目前痕量灌溉技术主要是针对控水头来实现的，是通过特制的控水头，将低压水转化成极细小的水流，从灌溉水量的角度来讲仍然是宏观水量的浇水，不能满足名贵盆栽、种子培育的精细灌溉。而且，目前的痕量灌溉装置主要是针对干旱、半干旱或水资源分布不均的地区，对农作物进行宏观水量的灌溉，节水是主要目的之一，不是根据植物根部对水分的需求进行精细灌溉。再者，目前痕量灌溉装置以及其较小的流速，均匀、不间断的直接输送到植物根系附近的土壤，为植物长久供水，其目标是微小、均匀和不间断，缺少主动、精确控制。最后，现有痕量灌溉装置还需要人的主观参与，系统本身不能根据植物根部对土壤湿度的需求自动浇水，缺乏智能性。目前痕量灌溉装置主要存在以下不足：1）控水头尺寸大，结构复杂，使用寿命不长，价格较高；2）仍然是宏观水量的灌溉，没有根据植物根部需求进行精准灌溉，没有达到完全节水的目的；3）难以满足名贵盆栽、种子培育等精细灌溉的需求；4）对于植物根部来说仍是被动灌溉，对灌溉水量缺少主动、精确控制；5）不能根据植物根部对土壤湿度的需求自主浇水。

发明内容

针对现有痕量灌溉装置控水头尺寸大不能精细调节水量、没有实现完全节水、对浇水量缺少主动、精确、智能控制的技术问题，本发明提出了一种利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，实现了对名贵盆载、种子培育等所需营养液、水的精确灌溉和农药精细喷洒等的功能，具有结构简单、尺寸小、控水主动、浇水精细，易于满足需要精准灌溉的植物。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，包括控制器、控水元件和温湿度传感器；所述控制器分别与控水元件、温湿度传感器相连接，温湿度传感器设置在植物的根部；所述控水元件的一端与粗水管相连接，粗水管与储水袋相连通，控水元件的另一端与细水管相连接，细水管埋入植物的根部。

所述控水元件包括膜阀，膜阀包括PDMS厚片，PDMS厚片之间设有阀膜，阀膜的一侧设有液体微流道，阀膜的另一侧设有气体驱动腔，气体驱动腔与气源装置相连接；所述液体微流道的入口与粗水管相连通，液体微流道的出口与细水管相连通。

所述膜阀设有三个，分别为膜阀m1、膜阀m2和膜阀m3，膜阀m1的入口与粗水管相连通，膜阀m1的出口与膜阀m2的入口相连通，膜阀m2的出口与膜阀m3的入口相连通，膜阀m3的出口与细水管相连通。

所述储水袋和控制器均通过固定绳固定在支撑棍的上部，支撑棍的底部插入植物的土壤中。

所述控制器通过控制线与控水元件相连接，控制器通过温/湿度传感器信号线与温湿度传感器相连接。

所述控制器内设有无线模块，控制器通过无线模块与移动设备相连接。

所述气体驱动腔为矩形。

本技术方案能产生的有益效果：

1）本发明的控水元件尺寸小，实现对控水量的精细调节，解决以往痕量灌溉装置的宏观水量的问题；

2）本发明采用膜阀序列作为控水元件，根据植物根部要求实现精准灌溉；

3）本发明结构简单、尺寸小（毫米级别），满足痕量灌溉装置向微型化发展的趋势；

4）本发明采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）高弹材料，封接强度高，有益于延长智能痕量灌溉装置整体使用寿命；

5）本发明具有手动、自动两种浇水模式，可根据植物生长阶段需要和主人需求选择浇水模式。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中控水元件沿垂直于液流方向的剖视图；

图3为图1中控水元件沿平行于液流方向的剖视图。

图中，101为控制器固定绳，102为储水袋，103为粗水管，104为控制线，105为控水元件，105-1为液体微流道，105-2为PDMS厚片，105-3为阀膜，105-4为气体驱动腔，106为控制器，107为细水管，108为支撑棍，109为温/湿度传感器信号线，110为温湿度传感器。

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付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所示，本发明实施例提供了一种利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，包括控制器106、控水元件105和温湿度传感器110；控制器106用于接收温湿度传感器110发送的温度和湿度信号，然后对温度和湿度信号进行处理，分出干旱等级。干旱等级的划分方法：土壤湿度传感器是用来监测土壤的湿度，使用时将其的探头部分埋在作植物根部附近的土壤中，湿度传感器监测到的湿度范围为0%~100%，该发明中将土壤湿度划分为五个范围，分别对应非常潮湿（80%-1）、潮湿（60%-80%）、半干旱（40%-60%）、干旱（20%-40%）、非常干旱（0-20%）。再根据土壤干旱等级，把浇水指令发送给控水元件105，实现精确浇水。湿度信号是判断土壤干旱程度的主要依据，温度信号作为参考信号，当温度过高时，土壤水分会蒸发比较快，系统会自动认为土壤干旱程度更高一级，浇水量也会自动增加，温度阈值可设置为30摄氏度。所述控制器106通过控制线104与控水元件105相连接，控制器106通过温/湿度传感器信号线109与温湿度传感器110相连接，温湿度传感器110设置在植物的根部，温湿度传感器110用于对植物根部附近的土壤温度和湿度进行实时监控，并通过温/湿度信号线109实时传递给控制器106，控制器106对反馈数据进行实时分析，及时通过控制线104控制控水元件105上的三通电磁微阀，进而控制控水元件105进行浇水，避免浇水过量。浇水开关是气源装置与气体驱动腔105-4之间安装的三通微阀，通过控制三通微阀的打开和闭合，控制气体驱动腔105-4内的气体压力，从而控制膜阀的阀口开度。所述控水元件105的一端与粗水管103相连接，粗水管103与储水袋102相连通，控水元件105的另一端与细水管107相连接，细水管107埋入植物的根部。所述储水袋102用于储存灌溉所需的水、营养液或农药，储水袋102的顶端开口处插入粗水管103的一端，粗水管103的另一端和控水元件105的入口相连，控水元件105的出口和细水管107的一端相连，细水管107的另一端埋在盆栽植物的根部，缩短了给水距离，减少不必要的浪费，组成植物-土壤-灌溉装置巧妙的水势平衡系统。上端粗水管易于和常规尺寸的储水袋102的顶端开口相连，下部设置细水管是为了和从控水元件出水口的较精细的出水量相匹配。缩短给水距离是与常规灌溉相比较的，常规灌溉的出水口置于土壤上部，灌溉用水从出水口到植物根部有一定距离，而该发明中细水管107一端直接埋在植物根部土壤中，所以缩短了给水距离。细水管107的一端和温湿度传感器110的触头同时埋在植物根部的土壤中，两者应有一定距离，否则会造成湿度信号不能完全植物根部的干旱程度。所述储水袋102和控制器106均通过固定绳101固定在支撑棍108的上部，支撑棍108的底部插入植物的土壤中，储水袋102和控制器106的实际位置均可根据支撑棍108插入底部的牢固程度和平衡程度自行调节，储水袋102和控制器106的位置也可互相调换。所述支撑棍108可采用中空不锈钢细管，既安装轻便，又可起到固定储水袋106和控制器102的作用，中空不锈钢管具体粗细程度可根据承重和平衡需求自行选择，其上部也可打孔，便于固定储水袋106和控制器102。

储水袋106的材质和体积大小可根据所需盛放液体的多少自行选择，选取原则是结实耐用，且质量轻巧；储水袋106内液体盛放的多少则根据植物的需求以及所盛液体的保质期自行决定，原则是既不需要频繁续液，又能保证所盛液体的质量；支撑棍108、储水袋102、控制器106和固定绳101是一个力平衡系统，选取各个元件时应考虑总体受力情况。

所述控制器106内设有无线模块，控制器106通过无线模块与移动设备相连接。控制器106通过无线模块把土壤干旱等级发送给盆栽主人手机APP，主人可根据土壤、盆栽植物实际情况手动摁下浇水按钮，浇水信号经过移动设备发送至控制器106，控制器106接收到主人发送的浇水指令后控制三通电磁微阀的开闭，从而控制控水元件105进行浇水；控制器106在5分钟内接收不到主人发送的浇水命令，可自动根据土壤干旱程度自行浇水；实现了手动模式和自动模式两种浇水模式。

所述粗水管103和细水管107均为质量较轻的聚四氟乙烯管，粗水管103直径为Φ4mm×2mm，细水管107直径为Φ0.5mm×0.9mm；利用头部尺寸为Φ1.7mm×2.0mm的不锈钢打孔器，用于在控水元件105的PDMS厚片105-2上进水口处打孔，使粗水管103一端与控水元件105的入口直接相连，由于PDMS材料具有高弹性，两者完全可以实现无泄漏连接；细水管103先与顶端经过特殊打磨处理的微型不锈钢管(Φ0.45mm×0.60mm)连接，微型不锈钢管再与控水元件105的出口相连接；控水元件105的宽度为6mm，长度为10mm，高度为5mm；控水元件105总体质量约为15g，质量较轻，可依靠粗水管103和控水元件105入口之间的紧密连接轻松挂在粗水管103和细水管107中间。

如图2所示，所述控水元件105采用的非线性各向同性不可压缩PDMS材料，具有高弹易变形特性，无毒无味、绿色环保，且制备工艺简单可靠，封接强度高，可延长控水元件的使用寿命。控水元件105包括膜阀，膜阀包括PDMS厚片105-2，PDMS厚片105-2之间设有阀膜105-3，阀膜105-3的一侧设有液体微流道105-1，液体微流道105-1位于阀膜105-3的上部，阀膜105-3的另一侧设有气体驱动腔105-4，气体驱动腔105-4位于阀膜105-3的下部，气体驱动腔105-4与气源装置相连接。所述气体驱动腔105-4的形状为矩形，其好处是制备工艺流程简单，矩形模具不需要弧化过程，而且成本低。气源装置给膜阀的气体驱动腔105-4充气，阀膜105-3在气体驱动腔105-4内气体压力作用下，向液体微流道105-1的方向产生形变，形变后的阀口截面类似拱形，阀口开度的大小取决于气体驱动腔105-4内气体驱动压力高低。当气体驱动腔105-4内的压力增加时，阀膜105-3的形变增大，膜阀的阀口开度则变小；当气体驱动腔105-4内压力逐渐减小时，阀膜105-3的形变恢复，膜阀阀口开度则逐渐增大。所述气源装置采用微型气囊，体积较小，不影响控水元件整体体积和集成；气源装置与气体驱动腔105-4之间安装三通微阀，当气体驱动腔105-4内压力需要升高时，接通气源装置与气体驱动腔105-4，气源装置给气体驱动腔105-4充气；当气体驱动腔105-4内压力需要降低时，接通气体驱动腔105-4与大气环境，气体驱动腔105-4排气。三通微阀体积较小，可与气源装置集成在一起。

阀膜105-3的厚度大约在0.04mm左右，既保证其变形在弹性变化范围内，又不容易造成坍塌或撕裂；PDMS厚片105-2的厚度为约2mm，可以避免在较大压力时造成微流道的扩大变形或弯曲，起支撑作用；液体微流道105-1横截面为圆弧形，长度为0.5mm，深度为0.1mm，宽度为1mm。气体驱动腔105-4横截面为矩形，长度为1mm，宽度为0.5mm，深度为0.1mm。液体微流道105-1、阀膜105-3和气体驱动腔105-4均采用高弹有机分子材料PDMS。

如图3所示，所述膜阀设有三个，分别为膜阀m1、膜阀m2和膜阀m3，膜阀m1的入口与粗水管103相连通，膜阀m1的出口与膜阀m2的入口相连通，膜阀m2的出口与膜阀m3的入口相连通，膜阀m3的出口与细水管107相连通。本发明中控水元件由三个膜阀串联组成的膜阀序列构成，通过依次调节膜阀的阀口开度，从而调节液流出水口流量的大小。

工作原理：本发明中串联三个膜阀，当被灌溉液体从控水元件105左侧入水口进入，增大膜阀m1的气体驱动腔105-4压力，膜阀m1的PDMS阀膜105-3向液体微流道105-1方向变形，膜阀m1的气体驱动腔105-4体积减小，液流流经气体驱动腔105-4上侧时，由于小孔的阻尼和流道壁的摩擦，使得部分液压能变为热能消耗掉，且液流面积减小，所以膜阀m1出口的流量减小。当膜阀m1出口的流量范围仍然较大时，增大膜阀m2的气体驱动腔105-4压力，膜阀m2的PDMS阀膜105-3向液体微流道105-1方向变形，膜阀m2的气体驱动腔105-4体积减小，液流面积减小，进一步微调液流流量。同理，当膜阀m2出口的流量范围仍然较大时，增大膜阀m3的气体驱动腔105-4压力，膜阀m3的PDMS阀膜105-3向液体微流道105-1方向变形，膜阀m3的气体驱动腔105-4体积减小，液流面积减小，更进一步微调液流流量。顺序开启与液流微流道串联的膜阀，串联的膜阀依次对微流道内液流流量进行调节，直到微流道内液流流量调至合理范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，其特征在于，包括控制器（106）、控水元件（105）和温湿度传感器（110）；所述控制器（106）分别与控水元件（105）、温湿度传感器（110）相连接，温湿度传感器（110）设置在植物的根部；所述控水元件（105）的一端与粗水管（103）相连接，粗水管（103）与储水袋（102）相连通，控水元件（105）的另一端与细水管（107）相连接，细水管（107）埋入植物的根部。

2.根据权利要求1所述的利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，其特征在于，所述控水元件（105）包括膜阀，膜阀包括PDMS厚片（105-2），PDMS厚片（105-2）之间设有阀膜（105-3），阀膜（105-3）的一侧设有液体微流道（105-1），阀膜（105-3）的另一侧设有气体驱动腔（105-4），气体驱动腔（105-4）与气源装置相连接；所述液体微流道（105-1）的入口与粗水管（103）相连通，液体微流道（105-1）的出口与细水管（107）相连通。

3.根据权利要求2所述的利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，其特征在于，所述膜阀设有三个，分别为膜阀m1、膜阀m2和膜阀m3，膜阀m1的入口与粗水管（103）相连通，膜阀m1的出口与膜阀m2的入口相连通，膜阀m2的出口与膜阀m3的入口相连通，膜阀m3的出口与细水管（107）相连通。

4.根据权利要求1所述的利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，其特征在于，所述储水袋（102）和控制器（106）均通过固定绳（101）固定在支撑棍（108）的上部，支撑棍（108）的底部插入植物的土壤中。

5.根据权利要求1所述的利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，其特征在于，所述控制器（106）通过控制线（104）与控水元件（105）相连接，控制器通过温/湿度传感器信号线（109）与温湿度传感器（110）相连接。

6.根据权利要求5所述的利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，其特征在于，所述控制器（106）内设有无线模块，控制器（106）通过无线模块与移动设备相连接。

7.根据权利要求2所述的利用膜阀控水的智能痕量灌溉装置，其特征在于，所述气体驱动腔（105-4）为矩形。

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