CN115024212A - 应用无土栽培的营养液串级回收循环系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无土栽培技术领域，涉及应用无土栽培的营养液串级回收循环系统及其控制方法，要解决传统无土栽培系统对营养液利用率低，废弃后对环境带来富营养化的问题，本方案营养液循环箱、营养液循环系统、水培模组和植物补光灯均设置在外设支架上，植物补光灯位于水培模组的上方，水培模组上设有多个定殖槽，水培模组的出口端与营养液循环箱的收集口通过回流管连接，水培模组的入口端与营养液循环箱的水培口通过另一个回流管连接，营养液循环箱的废液排出端和新液供给端均与营养液循环系统连接；营养液循环箱内设有循环水泵，循环水泵的出水端与营养液循环箱的水培口连接，本方案自动化程度极高，在植物生长周期内，只需要供给系统能源。
Description
技术领域
本发明涉及无土栽培技术领域，涉及应用无土栽培的营养液串级回收循环系统及其控制方法，具体的是一种智能无土栽培营养液废液循环处理再利用系统及其控制方法。
背景技术
无土栽培是指以类液体环境作为植物根系生长介质的新型植物栽培方法。用无土栽培技术培育植物其营养液成分可调且易于控制，使得作物产量和品质得到极大提高，近年来被各国大力发展。伴随着信息技术的进步和无土栽培规模化的应用，人们对无土栽培自动化、智能化的的需求日益升高。现有的无土栽培系统虽规模巨大，但想要实现高效的，零污染的排放仍然是一个巨大的挑战。目前对营养液废液的处理方法通常是简单过滤后直接排放到外界环境，其中的有机污染物极易对生态环境造成污染，同时没有充分利用营养液中的营养成分，增加人力介入处理流程，不利于控制成本。
无土栽培系统营养液需要周期性更换。一是由于植物生长吸收了营养液中的营养成分，需要定期补充营养物质；二是由于植物生长的同时根系分泌柠檬酸、丁二酸、乙酸以及脱落的根须长时间泡在营养液中形成的水杨酸等有机酸类会抑制植物生长，因此在营养成分充足的条件下也需要更换营养液。传统无土栽培系统将更换掉的营养液废弃，营养液利用率低，同时造成环境富营养化。
基于上述问题，急需设计一种智能化的营养液处理再循环装置，加入到无土栽培系统中。通过光催化降解营养液中的有机酸，充分循环利用营养液，降低无土栽培系统废弃营养液对环境的影响。
发明内容
本发明专利的目的：本发明要解决传统无土栽培系统对营养液利用率低，废弃后对环境带来富营养化的问题，提供应用无土栽培的营养液串级回收循环系统及其控制方法。
为实现上述目的，应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，它包括营养液循环箱、营养液循环系统、外设支架、水培模组和植物补光灯；
所述营养液循环箱、营养液循环系统、水培模组和植物补光灯均设置在外设支架上，所述植物补光灯位于水培模组的上方，所述水培模组上设有多个定殖槽，水培模组的出口端与营养液循环箱的收集口通过回流管连接，水培模组的入口端与营养液循环箱的水培口通过另一个回流管连接，所述营养液循环箱的废液排出端和新液供给端均与营养液循环系统连接；
所述营养液循环箱内设有循环水泵，所述循环水泵的出水端与营养液循环箱的水培口连接。
进一步地，所述营养液循环系统包括颗粒过滤池、主控制器、PH调节池、营养液第一贮存箱、连接管道、光催化降解池、水箱、水质吸附装置、电化学沉淀池、营养液第二贮存箱、营养液原液池、主控制器和信息采集设备；
所述营养液循环箱的废液排出端、颗粒过滤池、PH调节池、光催化降解池、水质吸附装置、电化学沉淀池、营养液第二贮存箱，营养液第一贮存箱、营养液循环箱的新液供给端顺次连接，所述营养液原液池固定在水培模组的底部，所述营养液原液池悬置在营养液第二贮存箱的上方，所述水箱的出口端与营养液第二贮存箱连接，
所述营养液循环箱的废液排出端、颗粒过滤池的颗粒过滤池排水管上、PH调节池的PH调节池排出管、电化学沉淀池的光催化降解池排出管、电化学沉淀池的排出管、营养液原液池的排出管上均设有电磁阀，所述电磁阀与主控制器信号连接；
所述营养液第二贮存箱、营养液第一贮存箱和水箱内均设有水泵，营养液第二贮存箱中的水泵用于向营养液第一贮存箱内输送液体，水箱中的水泵用于向第二贮存箱输送液体，第一贮存箱中的水泵用于向营养液循环箱输送液体；
所述主控制器固定在颗粒过滤池的侧部，信息采集设备设置在外设支架顶部。
再进一步地，所述水培模组包括多个水培模块；
每个水培模块的一端设有营养液入口管、水培模块的另一端设有营养液出口管，每个水培模块上布置有多个定殖槽，水培模块底部设有导流槽，所述导流槽的一端设置在营养液入口管处，导流槽的另一端设置在营养液出口管处。
进一步地，所述外设支架底部固定有磁性轨道；
所述水箱、电化学沉淀池和营养液第二贮存箱设置在磁性轨道上。
再进一步地，所述颗粒过滤池通过电磁阀与营养液循环箱的废液排出端连通，颗粒过滤池内设有集成过滤器，颗粒过滤池的底部设有颗粒过滤池排水管，颗粒过滤池排水管位于PH调节池的上方，集成过滤器设置在电磁阀和颗粒过滤池排水管之间，所述颗粒过滤池排水管设置在PH调节池的上方，所述颗粒过滤池排水管上设有电磁阀。
进一步地，所述颗粒过滤池侧部固定有碱液池，碱液池底部出口端处设有电磁阀，碱液池底部出口端设置在PH调节池的上方，所述PH调节池位于光催化降解池的斜上方，PH调节池的PH调节池的PH调节池排出管的出口端位于光催化降解池的上方，PH调节池排出管上设有电磁阀。
再进一步地，所述光催化降解池内设有抽滤装置和若干个紫外线灯柱；
所述紫外线灯柱通过固定柱固定在光催化降解池内；所述光催化降解池的侧壁上设有光催化降解池排出管，光催化降解池排出管上设有电磁阀。
所述抽滤装置包括滤杯、砂芯过滤器和负压水泵；
所述负压水泵设置在光催化降解池的底部，负压水泵的侧部设有负压水泵进水口，负压水泵的顶部设有负压水泵出水口，且负压水泵的负压水泵出水口与砂芯过滤器连接，所述滤杯设置在砂芯过滤器的顶部，滤杯和砂芯过滤器之间设有水系滤膜。
进一步地，所述水质吸附装置包括树脂吸附入水管、分流管、集流管、树脂吸附出水管和多个树脂吸附柱；
所述分流管和集流管通过多个树脂吸附柱连通，所述分流管上设有树脂吸附入入口，树脂吸附入入口与光催化降解池的降解池出水口连接，所述集流管的入口与树脂吸附出水管连通，所述树脂吸附出水管的出口位于光化学沉淀池的上方。
再进一步地，所述信息采集设备包括电控十字滑台、电动推杆、云台、植物补水蠕动泵、摄像头、雾化器；
所述电控十字滑台设置在外设支架顶部，云台通过电动推杆与电控十字滑台连接，电控十字滑台用于带动云台移动；所述摄像头设置在云台底部，植物补水蠕动泵和雾化器设置在云台的侧部，雾化器底部设有多个雾化出口。
应用无土栽培的营养液串级回收循环系统的控制方法，它包括以下控制过程：
过程一：水培循环过程：连接电源，主控制器进入待机状态，开启主控制器，主控制器控制营养液循环箱内的循环水泵自动开启，营养液循环箱内营养液的通过水培口泵入另一个回流管，营养液流过整个水培模组后，经一个回流管沿营养液循环箱的收集口进入营养液循环箱，一个流程后，营养液循环箱内为废液；
过程二：颗粒过滤过程：颗粒过滤池与营养液循环箱之间的电磁阀通过主控制器控制开启，营养液循环箱内废液进入颗粒过滤池，废液流经集成过滤器进行过滤；过滤后的废液通过重力作用经由底部的颗粒过滤池排水管自动流入PH调节池后，位于颗粒过滤池与营养液循环箱间的电磁阀自动关闭；
过程三：光催化降解过程：
在光催化降解池内预先投放TiO废液流入光催化降解池，位于其内部的紫外线灯柱由主控制器控制自动开启，紫外线灯柱发射光子，
过程四：吸附过滤过程：
光催化后液体进入分流管，分流后进入树脂吸附柱，液体经树脂吸附柱吸附后在集流管汇聚，并由树脂吸附出水管排入电化学沉淀池；
步骤五：电解过程：
电化学沉淀池内液体进行电解，电解后液体由水泵泵入营养液第二贮存箱；
步骤六：重新配制营养液过程：
主控制器控制营养液原液池底部的电磁阀打开，在营养液第二贮存箱中加入事先设定好的值营养液原液，将电解后液体与设定好的值营养液原液混合形成新的营养液；
上述过程中：水箱内水泵受主控制器控制开启，水箱内水通过水泵进入营养液第二贮存箱；
步骤七：营养液补给过程：
营养液第二贮存箱中水泵受主控制器控制开启，营养液由营养液第二贮存箱泵入营养液第一贮存箱；营养液第一贮存箱中水泵受主控制器控制开启，营养液由营养液第一贮存箱泵入营养液循环箱。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
其一，自动化程度极高，在植物生长周期内，不需要人工介入任何操作，只需要供给系统能源。
其二，对资源分配合理费，利用智能控制系统结合多种传感器实现对植物生长环境所需要的光照、水分等环境因素的精准控制，避免了资源浪费，
其三，设计光催化降解池与抽滤装置，通过光催化降解营养液中的有机污染物，对营养液进行精确处理，重复利用率高，排放后对环境污染小。
其四，为保证所有箱体内的液体均能排出，该发明多处利用重力作用引导液体排出，并且在无法设置阶梯级排水的箱体内底部固定有一定倾角的导流槽保证液体顺利排出，节约能源。
其五，其可结合WiFi模块，WIFI模块将主控制器采集到的数据通过网络发送到手机端APP上，方便远程对系统进行监控与调整。
其六：通过现代信息技术与电气化技术相结合实现了智慧农业。
附图说明
图1为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统结构示意图。
图2为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统中的营养液循环箱与主控制器结构示意图。
图3为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统中光催化降解池的结构示意图。
图4为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统中光催化降解池内部的抽滤装置结构示意图。
图5为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统中树脂吸附装置结构示意图。
图6为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统中水培模块俯视结构示意图。
图7为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统中外设支架上的信息采集设备示意图。
图8为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统中主要硬件电路连接示意图。
图9为应用无土栽培的营养液串级回收循环系统运行时控制逻辑流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，它包括营养液循环箱1、营养液循环系统、外设支架9、水培模组16和植物补光灯19；
所述营养液循环箱1、营养液循环系统、水培模组16和植物补光灯19均设置在外设支架9上，所述植物补光灯19位于水培模组16的上方，所述水培模组16上设有多个定殖槽17，水培模组16的出口端与营养液循环箱1的收集口101通过回流管18连接，水培模组16的入口端与营养液循环箱1的水培口102通过另一个回流管18连接，所述营养液循环箱1的废液排出端和新液供给端均与营养液循环系统连接；
所述营养液循环箱1内设有循环水泵104，所述循环水泵104的出水端与营养液循环箱1的水培口102连接。
本实施方式中：营养液循环箱的循环水泵负责将营养液泵入水培模组达到小型闭环循环；循环水泵通过DSP(主控制器)发出占空比和频率可调的PWM信号对循环水泵的电机两端电枢电压进行控制从而达到了调节水流量，进而调节水位的目的，克服了现有栽培装置对植物兼容性不高的缺点，并满足了不同种类的植物不同时期的生长需求。
外设支架表面有磁吸式灯架，灯架上安有植物补光灯，植物补光灯为低压植物全光谱补光灯，可选择地，所述外设支架由高磁性材料构成、营养液循环系统包含多个外部设置磁体的装置，多个外部设置磁体的装置可通过磁力吸附于支架上，并可自由调节个设备间的相对位置关系，兼容性极强，可控度极高。
具体实施方式二：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，所述营养液循环系统包括颗粒过滤池2、主控制器3、PH调节池5、营养液第一贮存箱6、连接管道7、光催化降解池8、水箱10、水质吸附装置11、电化学沉淀池12、营养液第二贮存箱13、营养液原液池15、主控制器3和信息采集设备；
所述营养液循环箱1的废液排出端、颗粒过滤池2、PH调节池5、光催化降解池8、水质吸附装置11、电化学沉淀池12、营养液第二贮存箱13，营养液第一贮存箱6、营养液循环箱1的新液供给端顺次连接，所述营养液原液池15固定在水培模组16的底部，所述营养液原液池15悬置在营养液第二贮存箱13的上方，所述水箱10的出口端与营养液第二贮存箱13连接，
所述营养液循环箱1的废液排出端、颗粒过滤池2的颗粒过滤池排水管202上、PH调节池5的PH调节池排出管7、电化学沉淀池12的光催化降解池排出管808、电化学沉淀池12的排出管、营养液原液池15的排出管上均设有电磁阀，所述电磁阀与主控制器3信号连接；
所述营养液第二贮存箱13、营养液第一贮存箱6和水箱10内均设有水泵，营养液第二贮存箱13中的水泵用于向营养液第一贮存箱6内输送液体，水箱10中的水泵用于向第二贮存箱13输送液体，第一贮存箱6中的水泵用于向营养液循环箱1输送液体；
所述主控制器3固定在颗粒过滤池2的侧部，信息采集设备设置在外设支架9顶部。
本实施方式中：所述营养液第一贮存池，该池中事先备有一定量的营养液，当营养液循环箱中水位检测器检测到废液全部流出低于设定阈值后，该池中的水泵自动将营养液泵入营养液循环箱，此为双闭环中第二闭环。
所述营养液第二贮存池，经处理过的营养液由泵泵入到该池中，向该池中加入营养液，经箱底部的搅拌子搅拌后，泵回营养液第一贮存池。
所述水箱，用于贮存清水和向营养液第二贮存池中添加因废液处理流程所损失的水分。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，所述水培模组16包括多个水培模块1604；
每个水培模块1604的一端设有营养液入口管1601、水培模块1604的另一端设有营养液出口管1603，每个水培模块1604上布置有多个定殖槽17，水培模块1604底部设有导流槽1602，所述导流槽1602的一端设置在营养液入口管1601处，导流槽1602的另一端设置在营养液出口管1603处。
本实施方式中：为保证营养液正常单向流动，管道内部刻有首尾坡度比2％的导流槽，在不影响水位的同时，保证了营养液不会堆积。且水培管上表面为上凸椭圆形，保证露天情况下雨水不会落入到管道内部污染营养液。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，所述外设支架9底部固定有磁性轨道14；
所述水箱10、电化学沉淀池12和营养液第二贮存箱13设置在磁性轨道上。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，所述颗粒过滤池2通过电磁阀与营养液循环箱1的废液排出端连通，颗粒过滤池2内设有集成过滤器201，颗粒过滤池2的底部设有颗粒过滤池排水管202，颗粒过滤池排水管202位于PH调节池5的上方，集成过滤器201设置在电磁阀和颗粒过滤池排水管202之间，所述颗粒过滤池排水管202设置在PH调节池5的上方，所述颗粒过滤池排水管202上设有电磁阀。
本实施方式中：所述颗粒物过滤池，在其内安装了集成过滤器，营养液流过集成过滤器的过滤网时，活性炭利用其吸附作用吸附杂质，在池底部连有颗粒过滤池排水管，通过重力作用使液体自然流下，在保证营养液快速流动的同时又提高了杂质的去除率。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式六：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，所述颗粒过滤池2侧部固定有碱液池4，碱液池4底部出口端处设有电磁阀，碱液池4底部出口端设置在PH调节池5的上方，所述PH调节池5位于光催化降解池8的斜上方，PH调节池5的PH调节池4的PH调节池排出管7的出口端位于光催化降解池8的上方，PH调节池排出管7上设有电磁阀。
本实施方式中：所述PH调节池，PH调节池上连颗粒物过滤池，在其侧安装有碱液池，碱液池底部安有电磁阀，通过DSP(主控制器)对其开闭进行控制，根据营养液量衡量所需碱液量，进而通过DSP确定电磁阀开通时间，在反应结束后，由DSP控制开通位于底部的电磁阀流入下一处理池。较于以往人工操作且精度不高的PH调节方式，本发明采用自动化的方式提高了调节精度，减少了浪费，降低了成本。可选择地，同时在PH调节池底部安有水下搅拌器，充分搅拌液体，使中和反应能够高效进行。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式七：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，所述光催化降解池8内设有抽滤装置和若干个紫外线灯柱801；
所述紫外线灯柱801通过固定柱802固定在光催化降解池8内；所述光催化降解池8的侧壁上设有光催化降解池排出管808，光催化降解池排出管808上设有电磁阀。
所述抽滤装置包括滤杯803、砂芯过滤器805和负压水泵806；
所述负压水泵806设置在光催化降解池8的底部，负压水泵806的侧部设有负压水泵进水口807，负压水泵806的顶部设有负压水泵出水口，且负压水泵806的负压水泵出水口与砂芯过滤器805连接，所述滤杯803设置在砂芯过滤器805的顶部，滤杯803和砂芯过滤器805之间设有水系滤膜804。
本实施方式中：光催化降解池中有固定于池底的数条紫外线灯柱，优选地，可以在紫外线灯柱外部设置石英玻璃管与液体环境隔离，通过紫外光和Ti02(TiO2是购买来的，直接投入光催化降解池中，具体设置于光催化降解池内)联合催化降解有机物，使酸类物质充分降解。同时在抽滤装置的砂芯过滤器内部安装水系滤膜(分子级透过性膜)，可将催化剂颗粒封存在光催化降解池中达到催化剂的重复利用的目的，降低成本。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式八：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，所述水质吸附装置11包括树脂吸附入水管1101、分流管1102、集流管1105、树脂吸附出水管1104和多个树脂吸附柱1103；
所述分流管1102和集流管1105通过多个树脂吸附柱1103连通，所述分流管1102上设有树脂吸附入入口1101，树脂吸附入入口1101与光催化降解池8的降解池出水口808连接，所述集流管1105的入口与树脂吸附出水管1104连通，所述树脂吸附出水管1104的出口位于光化学沉淀池12的上方。
本实施方式中：竖直吸附柱内设有大口径管吸附树脂，吸附树脂柱内部具有大孔结构和筛选特性，故可通过表面吸附、表面电性或形成氢键等方法使其具有吸附性。根据相似相吸的原则，一般在处理废水时，利用非极性树脂与极性树脂混合的方法，从营养液废液中吸附有机废物，其大致的吸附过程为：废液进入分流管区域后进行分流，保证吸附效率，随后进入树脂吸附柱经过填充的大孔吸附树脂进行吸附，将植物培养废水变为经过处理的软化水。
所述电化学沉淀池，在一定的电解质和操作条件下，通过电场的作用，离子态的金属离子等化合物发生沉淀，进而达到分离，利用电化学的方法达到所期望的对一些难以去除的金属离子的去除，待处理的植物培养液废液进入电化学沉淀池中，在电场的作用下，金属阳离子被析出沉淀，过滤后自然排出。在保证金属离子去除率的同时，本装置通过在低位处电解化学沉淀产生向上飘的氢气，为植物提供更有利于成长的富氢环境。
其他实施方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，所述信息采集设备20包括电控十字滑台2007、电动推杆2001、云台2002、植物补水蠕动泵2003、摄像头2004、雾化器2005；
所述电控十字滑台2001设置在外设支架9顶部，云台2002通过电动推杆与电控十字滑台2007连接，电控十字滑台2007用于带动云台2002移动；所述摄像头2004设置在云台2002底部，植物补水蠕动泵2003和雾化器2005设置在云台2002的侧部，雾化器2005底部设有多个雾化出口2006。
本实施方式中：可选择地，外设支架上设有磁吸滑槽，电控十字滑台安装在磁吸滑槽中，滑台下部装有由电动推杆和舵机构成的云台，云台用于安装植物补水蠕动泵、雾化器、摄像头、采样探头等外部设备。外设扩展支架在实现精准农业的同时，为后续拓展和创新提供了可能。
植物补水蠕动泵供水端与雾化器连接，植物补水蠕动泵的吸水段与水箱连接，雾化器与水箱连接，水箱为雾化器提供水源。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
实施例1：
结合图1-9说明本发明的具体实施方式，本发明的一种无土栽培与营养液串级回收循环一体化系统，包括营养液循环箱1。工作时营养液在营养液循环箱1中，由位于其内部的由DSP3控制的循环水泵104将营养液经泵入水培口102，营养液2流过整个水培模组后，经过植物根系后，经由回流管18回到营养液循环箱1，在完成一个培养周期后，DSP3自动打开位于营养液循环箱1与过颗粒过滤池2间的电磁阀。营养液流经过颗粒过滤池2中的集成过滤器201，进入PH调节池5，并由DSP3控制碱液4向PH调节池5添加碱液。调节到合适PH区间后，DSP3控制位于导流管7中的电磁阀打开，营养液在重力作用下，自动流入光催化降解池8，当池中水位达到设定值后，液位传感器自动向DSP发送信号，DSP3控制紫外线灯801打开，对TiO2反应进行联合催化，分解有机酸，当达到DSP3定时器设定的时间后，紫外线灯801关闭，位于其内部的水泵自动工作，将营养液泵入抽滤滤杯803，同时负压水泵806开启，负压水泵806将抽滤滤杯903过滤后的液体通过出水口807排入光催化降解池排出管808，经树脂吸附柱1103吸附后经由树脂吸附出水管1104进入电化学沉淀池12，光化学沉淀池的电极在DSP3控制通电后自动电解营养液，达到DSP3定时器设定的时间后，自动关闭，由水泵泵入营养液第二贮存池13，由DSP控制营养液原液池15底部的电磁阀打开，在营养液第二贮存池中加入事先设定好的值营养液原液，经底部的搅拌器搅拌均匀后由泵泵入营养液第一贮存池6以备下次使用，同时当营养液循环箱1内的营养液排出后，其底部的水位传感器检测到水位低于阈值后自动发送信号到DS3中，DSP3控制营养液第一贮存箱6中的水泵。将预先贮存好的营养液泵入营养液循环箱1中，使植物能够持续的生长在营养液环境中达到闭环循环。在植物生长过程中，由上位机人机交互界面控制十字滑台2007移动，十字滑台2007下固定有电动推杆2001，电动推杆2001上安有云台2002，云台2002上安有植物补水蠕动泵2003，摄像头2004，雾化器2005，通过控制十字滑台22移动摄像头2004对植物叶片长势实时监测，并可通过DSP定时器控制摄像头2004每隔一段时间拍摄植物图片通过SCI(串行通信接口，具有发送和接收数据的功能，用来与上位机进行数据交换)发送到上位机形成存储数据。
具体实施方式十：应用无土栽培的营养液串级回收循环系统的控制方法，它包括以下控制过程：
过程一：水培循环过程：连接电源，主控制器3进入待机状态，开启主控制器3，主控制器3控制营养液循环箱1内的循环水泵104自动开启，营养液循环箱1内营养液的通过水培口102泵入另一个回流管18，营养液流过整个水培模组后，经一个回流管18沿营养液循环箱1的收集口101进入营养液循环箱1，一个流程后，营养液循环箱1内为废液；
过程二：颗粒过滤过程：颗粒过滤池2与营养液循环箱1之间的电磁阀通过主控制器3控制开启，营养液循环箱1内废液进入颗粒过滤池，废液流经集成过滤器201进行过滤；过滤后的废液通过重力作用经由底部的颗粒过滤池排水管202自动流入PH调节池5后，位于颗粒过滤池2与营养液循环箱1间的电磁阀自动关闭；
过程三：光催化降解过程：
在光催化降解池8内预先投放TiO2废液流入光催化降解池8，位于其内部的紫外线灯柱801由主控制器控制自动开启，紫外线灯柱801发射光子，
过程四：吸附过滤过程：
光催化后液体进入分流管1102，分流后进入树脂吸附柱1103，液体经树脂吸附柱1103吸附后在集流管1105汇聚，并由树脂吸附出水管1104排入电化学沉淀池12；
步骤五：电解过程：
电化学沉淀池12内液体进行电解，电解后液体由水泵泵入营养液第二贮存箱；
步骤六：重新配制营养液过程：
主控制器控制营养液原液池15底部的电磁阀打开，在营养液第二贮存箱13中加入事先设定好的值营养液原液，将电解后液体与设定好的值营养液原液混合形成新的营养液；
上述过程中：水箱10内水泵受主控制器3控制开启，水箱10内水通过水泵进入营养液第二贮存箱13；
步骤七：营养液补给过程：
营养液第二贮存箱13中水泵受主控制器3控制开启，营养液由营养液第二贮存箱13泵入营养液第一贮存箱6；营养液第一贮存箱6中水泵受主控制器3控制开启，营养液由营养液第一贮存箱6泵入营养液循环箱1。
实施例2
一种基于实施例1的无土栽培与营养液串级回收循环一体化系统的控制方法，包括以下步骤(其流程如图9所示)：
绿萝培养，将绿萝单株幼苗插入定植篮放置在水培管定植槽17后开启电源，DSP3电源指示灯常亮表明装置进入待机状态，按下矩阵键盘K1进入自检程序，所有硬件通电5秒钟，各电磁阀处上部的电压表头均显示电压12v，同时检测各模块能否正常工作(提前通过CCS6.0编写自检程序，赋予各器件高电平信号，按下按键dsp自动运行检测程序，通过观察各电磁阀电压表头示数，观察补光灯与光催化灯是否正常工作，观察各电机是否正常运转，观察各传感器是否在上位机返回数据)，检测完毕后位于营养液循环箱1内的循环水泵104自动开启将营养液循环箱的水培口102泵入水培模组16开始闭环循环，水培模组16包括按照S形排列的多个水培模块，保证营养液的单向流动性。一个周期(周期即植物生长周期，每个周期预先人为确定好，并通过计时器确定该周期)结束后，营养液循环箱1内的循环水泵自动关闭，系统待机30秒。待水培模组16内部残留营养液全部经由收集口101回流到营养液循环箱1后，位于颗粒过滤池2与营养液循环箱1间的12v无压电磁阀自动打开，废液流经集成过滤器201，对绿萝脱落物等固体杂质进行初步过滤。过滤后的废液通过重力作用经由底部的颗粒过滤池排水管202自动流入PH调节池5。此时，位于颗粒过滤池2与营养液循环箱1间的电磁阀自动关闭，位于营养液第一贮存箱6中的水泵开启，将预置好的营养液泵入营养液循环箱1，当营养液循环箱1中的水位传感器检测到水位达到阈值后，发送停止信号，位于营养液第一贮存箱4中的水泵停止工作，延时5秒后，营养液循环池1底部的循环水泵104开始工作，与此同时废液流入光催化降解池8，延时30秒，位于其内部的紫外线灯柱801由DSP控制自动开启，并发射出波长小于385nm的光子，激发纳米Tio2颗粒，价带中的电子会受激发到导带上形成带负电荷的高活性的e_(cb^-)，同时在价带上生成带正电的价带空穴h_(vb^+)，这样在半导体表面生成电子—空穴对，空穴氧化的·OH能把柠檬酸、丁二酸、乙酸等有机污染物降解，同时位于光催化降解池底部的搅拌器启动，在催化期间保证催化剂载体(TiO2被有机物负载后的产物)被负载后仍能发生迁移翻滚等现象，使流动相流过表面发生反应。催化处理后经由由水泵泵入抽滤装置(如图4)的抽滤杯803，同时其中的负压水泵806开启，通过安装在滤杯803与砂芯过滤器805中间的水系滤膜804的拦截作用将催化剂颗粒拦截下来并回收，大压强负吸泵806将废液通过出水口807吸出到808催化池排水口自然进入树脂吸附入口1101，并经过分流管1102分别进入树脂吸附柱1103而后通过树脂吸附出水管1104进入电化学沉淀池12沉淀相关物质，电解后由水泵抽入营养液第二贮存箱13，待全部抽入后通过DSP3控制打开营养液原液添加装置15，向其中添加各种绿萝生长所需的多种元素。添加后，将营养液经回流管泵回营养液第一贮存箱6。同时在循环培养过程中，云台上的摄像头会根据程序定期对绿萝进行拍照并传回上位机，上位机根据BP神经网络训练后的模型对绿萝叶片面积进行计算，并打包成数据集储存在上位机中方便后续处理。同理，其他植物也可参照上述步骤进行。特别针对价值较高的植物，可以开启拓展支架上的外设，对单株植株进行精细化培养。此外对于某些植株可采用固定水培养，由于所有箱体均是通过磁体吸附于支架上，可以通过调整箱体角度达到固定水培养，同时可对各水培道做隔离处理，可以同时培养多种植物。
BP神经网络训练：无需输入数学公式，摄像头拍摄叶片照片后，先利用网格纸确定确定确定对比参照物面积(如硬币)，利用matlab灰度处理，通过像素计算，统计植物叶片边界像素及内部的像素点个数，叶片区域记为1，背景区域记为0.将单个像素面积与叶片像素个数相乘得到面积，重复过程得到大量数据集，送入BP神经网络，训练后将误差反向送入神经网络，来调节误差。训练后得到较为准确的叶片面积测量。
Claims (10)
1.应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：它包括营养液循环箱(1)、营养液循环系统、外设支架(9)、水培模组(16)和植物补光灯(19)；
所述营养液循环箱(1)、营养液循环系统、水培模组(16)和植物补光灯(19)均设置在外设支架(9)上，所述植物补光灯(19)位于水培模组(16)的上方，所述水培模组(16)上设有多个定殖槽(17)，水培模组(16)的出口端与营养液循环箱(1)的收集口(101)通过回流管(18)连接，水培模组(16)的入口端与营养液循环箱(1)的水培口(102)通过另一个回流管(18)连接，所述营养液循环箱(1)的废液排出端和新液供给端均与营养液循环系统连接；
所述营养液循环箱(1)内设有循环水泵(104)，所述循环水泵(104)的出水端与营养液循环箱(1)的水培口(102)连接。
2.根据权利要求1所述的应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：所述营养液循环系统包括颗粒过滤池(2)、主控制器(3)、PH调节池(5)、营养液第一贮存箱(6)、连接管道(7)、光催化降解池(8)、水箱(10)、水质吸附装置(11)、电化学沉淀池(12)、营养液第二贮存箱(13)、营养液原液池(15)、主控制器(3)和信息采集设备；
所述营养液循环箱(1)的废液排出端、颗粒过滤池(2)、PH调节池(5)、光催化降解池(8)、水质吸附装置(11)、电化学沉淀池(12)、营养液第二贮存箱(13)，营养液第一贮存箱(6)、营养液循环箱(1)的新液供给端顺次连接，所述营养液原液池(15)固定在水培模组(16)的底部，所述营养液原液池(15)悬置在营养液第二贮存箱(13)的上方，所述水箱(10)的出口端与营养液第二贮存箱(13)连接，
所述营养液循环箱(1)的废液排出端、颗粒过滤池(2)的颗粒过滤池排水管(202)上、PH调节池(5)的PH调节池排出管(7)、电化学沉淀池(12)的光催化降解池排出管(808)、电化学沉淀池(12)的排出管、营养液原液池(15)的排出管上均设有电磁阀，所述电磁阀与主控制器(3)信号连接；
所述营养液第二贮存箱(13)、营养液第一贮存箱(6)和水箱(10)内均设有水泵，营养液第二贮存箱(13)中的水泵用于向营养液第一贮存箱(6)内输送液体，水箱(10)中的水泵用于向第二贮存箱(13)输送液体，第一贮存箱(6)中的水泵用于向营养液循环箱(1)输送液体；
所述主控制器(3)固定在颗粒过滤池(2)的侧部，信息采集设备设置在外设支架(9)顶部。
3.根据权利要求2所述的应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：所述水培模组(16)包括多个水培模块(1604)；
每个水培模块(1604)的一端设有营养液入口管(1601)、水培模块(1604)的另一端设有营养液出口管(1603)，每个水培模块(1604)上布置有多个定殖槽(17)，水培模块(1604)底部设有导流槽(1602)，所述导流槽(1602)的一端设置在营养液入口管(1601)处，导流槽(1602)的另一端设置在营养液出口管(1603)处。
4.根据权利要求2所述的应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：所述外设支架(9)底部固定有磁性轨道(14)；
所述水箱(10)、电化学沉淀池(12)和营养液第二贮存箱(13)设置在磁性轨道上。
5.根据权利要求2所述的应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：所述颗粒过滤池(2)通过电磁阀与营养液循环箱(1)的废液排出端连通，颗粒过滤池(2)内设有集成过滤器(201)，颗粒过滤池(2)的底部设有颗粒过滤池排水管(202)，颗粒过滤池排水管(202)位于PH调节池(5)的上方，集成过滤器(201)设置在电磁阀和颗粒过滤池排水管(202)之间，所述颗粒过滤池排水管(202)设置在PH调节池(5)的上方，所述颗粒过滤池排水管(202)上设有电磁阀。
6.根据权利要求2所述的应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：所述颗粒过滤池(2)侧部固定有碱液池(4)，碱液池(4)底部出口端处设有电磁阀，碱液池(4)底部出口端设置在PH调节池(5)的上方，所述PH调节池(5)位于光催化降解池(8)的斜上方，PH调节池(5)的PH调节池(4)的PH调节池排出管(7)的出口端位于光催化降解池(8)的上方，PH调节池排出管(7)上设有电磁阀。
7.根据权利要求2所述的应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：所述光催化降解池(8)内设有抽滤装置和若干个紫外线灯柱(801)；
所述紫外线灯柱(801)通过固定柱(802)固定在光催化降解池(8)内；所述光催化降解池(8)的侧壁上设有光催化降解池排出管(808)，光催化降解池排出管(808)上设有电磁阀。
所述抽滤装置包括滤杯(803)、砂芯过滤器(805)和负压水泵(806)；
所述负压水泵(806)设置在光催化降解池(8)的底部，负压水泵(806)的侧部设有负压水泵进水口(807)，负压水泵(806)的顶部设有负压水泵出水口，且负压水泵(806)的负压水泵出水口与砂芯过滤器(805)连接，所述滤杯(803)设置在砂芯过滤器(805)的顶部，滤杯(803)和砂芯过滤器(805)之间设有水系滤膜(804)。
8.根据权利要求7所述的应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：所述水质吸附装置(11)包括分流管(1102)、集流管(1105)、树脂吸附出水管(1104)和多个树脂吸附柱(1103)；
所述分流管(1102)和集流管(1105)通过多个树脂吸附柱(1103)连通，所述分流管(1102)上设有树脂吸附入入口(1101)，树脂吸附入入口(1101)与光催化降解池(8)的降解池出水口(808)连接，所述集流管(1105)的入口与树脂吸附出水管(1104)连通，所述树脂吸附出水管(1104)的出口位于光化学沉淀池(12)的上方。
9.根据权利要求2所述的应用无土栽培的营养液串级回收循环系统，其特征在于：所述信息采集设备(20)包括电控十字滑台(2007)、电动推杆(2001)、云台(2002)、植物补水蠕动泵(2003)、摄像头(2004)、雾化器(2005)；
所述电控十字滑台(2001)设置在外设支架(9)顶部，云台(2002)通过电动推杆与电控十字滑台(2007)连接，电控十字滑台(2007)用于带动云台(2002)移动；所述摄像头(2004)设置在云台(2002)底部，植物补水蠕动泵(2003)和雾化器(2005)设置在云台(2002)的侧部，雾化器(2005)底部设有多个雾化出口(2006)。
10.应用无土栽培的营养液串级回收循环系统的控制方法，基于权利要求1-9的系统实施本方法：其特征在于：
它包括以下控制过程：
过程一：水培循环过程：连接电源，主控制器(3)进入待机状态，开启主控制器(3)，主控制器(3)控制营养液循环箱(1)内的循环水泵104自动开启，营养液循环箱(1)内营养液的通过水培口(102)泵入另一个回流管(18)，营养液流过整个水培模组后，经一个回流管(18)沿营养液循环箱(1)的收集口(101)进入营养液循环箱(1)，一个流程后，营养液循环箱(1)内为废液；
过程二：颗粒过滤过程：颗粒过滤池(2)与营养液循环箱(1)之间的电磁阀通过主控制器(3)控制开启，营养液循环箱(1)内废液进入颗粒过滤池，废液流经集成过滤器(201)进行过滤；过滤后的废液通过重力作用经由底部的颗粒过滤池排水管(202)自动流入PH调节池(5)后，位于颗粒过滤池(2)与营养液循环箱(1)间的电磁阀自动关闭；
过程三：光催化降解过程：
在光催化降解池(8)内预先投放TiO2废液流入光催化降解池(8)，位于其内部的紫外线灯柱(801)由主控制器控制自动开启，紫外线灯柱(801)发射光子，
过程四：吸附过滤过程：
光催化后液体进入分流管(1102)，分流后进入树脂吸附柱(1103)，液体经树脂吸附柱(1103)吸附后在集流管(1105)汇聚，并由树脂吸附出水管(1104)排入电化学沉淀池(12)；
步骤五：电解过程：
电化学沉淀池(12)内液体进行电解，电解后液体由水泵泵入营养液第二贮存箱；
步骤六：重新配制营养液过程：
主控制器控制营养液原液池(15)底部的电磁阀打开，在营养液第二贮存箱(13)中加入事先设定好的值营养液原液，将电解后液体与设定好的值营养液原液混合形成新的营养液；
上述过程中：水箱(10)内水泵受主控制器(3)控制开启，水箱(10)内水通过水泵进入营养液第二贮存箱(13)；
步骤七：营养液补给过程：
营养液第二贮存箱(13)中水泵受主控制器(3)控制开启，营养液由营养液第二贮存箱(13)泵入营养液第一贮存箱(6)；营养液第一贮存箱(6)中水泵受主控制器(3)控制开启，营养液由营养液第一贮存箱(6)泵入营养液循环箱(1)。
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