CN116849111B - 一体式智能等离子体水雾培系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式智能等离子体水雾培系统，属于等离子体固氮领域，包括等离子体放电单元、智能水雾培柜、固氮水箱和储水箱。本发明能实现高效的空气固氮以及植物水培和雾培的循环供给，同时实现对水雾培系统的整体调控，通过等离子体放电单元在自来水中进行固氮，同时消杀自来水中有害的细菌和微生物，以减少植物的病虫害；将水培和雾培的周期间隔开启，交替进行，水培可以使植物根系得到足够的水分和营养，同时雾培提供了充足的氧气供植物根部呼吸，又不会过度浸泡，避免烂根和缺氧现象的发生。本发明可用于无土栽培、城市农业、园艺种植等领域，能有效提高植物的生长速度和品质，减少病虫害的发生，可在空间有限的情况下实现高效种植。

Description

一体式智能等离子体水雾培系统

技术领域

本发明属于等离子体固氮领域，更具体地，涉及一种一体式智能等离子体水雾培系统。

背景技术

随着农业的不断发展，人们对植物生长环境的要求越来越高，传统的土壤种植方式已不能满足需求。水培和雾培作为新型植物种植技术，逐渐受到广泛关注。水培技术是一种将植物根部浸泡在水中，并在水中添加适量的营养液以满足植物生长所需的营养物质。雾培技术则是一种将植物根部生长在空气中，通过将水和营养液雾化形成细小的水滴，然后让植物的根系通过吸收这些水滴来吸收所需的营养物质。这两种技术可以提高植物的生长效率和产量，并减少了土壤和水污染。同时，这些技术也可以更好地控制植物生长环境，包括光照、温度、湿度和氧气浓度等，可以适应不同的气候条件，可以在室内或室外进行，不受季节、温度、湿度等因素的限制。然而，这些技术在植物的营养和生长速度方面仍存在不足，如水培一直浸泡可能会导致植物缺氧，影响根系呼吸；而雾培提供的养分可能有所不足，难以满足植物的生长需求。同时，植物的生长过程中也需要一定量的氮素，而传统的氮肥使用不仅存在浪费、污染等问题，而且不利于植物的健康生长。因此，如何寻求一种新型的、高效的植物生长技术，是当前亟待解决的问题。

低温等离子体固氮技术是一种新型的氮固定技术，利用等离子体的高能量密度和高反应活性来激发和电离氮分子，促进氮元素的固定。空气中的氮气分子被等离子体的电子和离子撞击，分解成氮原子和氮离子，氮原子和氮离子与其他分子或离子结合，形成氨盐、亚硝酸、亚硝酸盐等化合物，化合物进一步反应形成尿素、硝酸盐等化合物，最终被植物吸收利用。等离子体固氮相较传统的化学和生物固氮方法，具有高效、温和、可控性好等优点，相比于传统的哈珀-博世固氮法，等离子体固氮具有更高的效率和更小的能耗，且不会对环境造成影响。同时，等离子体固氮还会产生多种活性氮和活性氧物质，如过氧亚硝酸、过氧化氢、羟基自由基等，这些物质能刺激植物的根部并促进其生长，同时具有杀菌消毒的作用，可以抑制植物病虫害。因此，等离子体空气固氮是一种具有潜力的新型固氮技术，可以应用于农业、环保等领域。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种一体式智能等离子体水雾培系统，旨在解决传统土壤种植方法空间利用率低，肥料生产污染性大，当前等离子体固氮技术在水雾培方面应用的不足，以及等离子体固氮不能提供植物生长所必须的磷和钾等元素的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种一体式等离子体活化雾制备装置，包括若干等离子体放电单元、智能水雾培柜、固氮水箱和储水箱；所述固氮水箱和储水箱位于智能水雾培柜的底部，所述等离子体放电单元固定于固氮水箱的水箱盖上，所述智能水雾培柜上层分布有植物培养箱；通过多个等离子体放电单元放电产生等离子体，在固氮水箱中产生硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐等液相等离子体活性物质，达到水中固氮的效果；通过水泵将固氮水箱中的水转移到储水箱中，用于水培和雾培阶段时给植物培养箱供水和供雾，为植物提供充足的养分和氧气；通过智能水雾培柜上的PLC控制系统和液晶显示屏对整个系统进行智能化调控。

所述等离子体放电单元包括：进气口、金属棒状电极、玻璃内壁、玻璃外壁，所述玻璃外壁为下端封口的圆柱状玻璃管，上方有进气口与固定台，下方均匀分布多个气泡孔；所述玻璃内壁为与玻璃外壁同轴相连玻璃管，玻璃内壁为与玻璃外壁之间留有一定空隙以形成放电区域；所述金属棒状电极与所述玻璃内壁紧密贴合，上方连接高压导线并与电源高压极相连。

所述智能水雾培柜包括：柜体、植物培养箱、水雾培循环管道、led照明灯、气泵、电源、PLC控制系统、显示屏和水管，所述柜体为120*70*180cm的长方体柜子；所述植物培养箱为带有定植槽的半封闭箱体，用于植物的固定和培养；所述水雾培循环管道为连通储水箱和植物培养箱的管道，用于水和雾的循环流动；所述led照明灯用于给植物提供光源以促进其光合作用；所述气泵为具有进气口和出气口的空气泵，出气口用于给所述等离子体放电单元通气以排出所述玻璃内壁与玻璃外壁之间的水，形成纯空气的放电环境，进气口与固氮水箱内部相接，以吸收放电产生的臭氧和氮氧化物并循环利用；所述电源与所述等离子体放电单元的金属棒状电极相连，驱动放电装置；所述PLC控制系统用于整个系统的智能控制，并将显示和控制功能集成到所述显示屏上。

所述固氮水箱包括固定孔、水箱盖和出水管，所述水箱盖上开有多个固定孔，用于固定等离子体放电单元；所述出水管用于连接储水箱，以将经过等离子体固氮后的水转移到储水箱。

所述储水箱包括进水管、给水通道、给雾通道、水泵和雾化器，所述进水管用于接收固氮水箱运输的固氮后的水；所述给水通道在植物水培时开启，通过水雾培循环管道给植物提供富含氮元素的水分；所述给雾通道在雾培植物时开启，通过雾化器将储水箱中的水雾化并在水雾培循环管道中流通，以给植物根部提供营养以及充足的氧气；所述水泵用于将储水箱中的水定时抽入给水通道进行植物水培；所述雾化器用于将储水箱中的水雾化后通入给雾通道循环。

优选地，所述等离子体放电单元的玻璃外壁由石英玻璃制成，直径为12mm，长度为160mm；优选地，所述玻璃外壁的进气口外径为6mm，长度为20mm，吹入的气体经过玻璃内壁与玻璃外壁之间从气泡孔吹出；优选地，进气口正下方设有固定台，厚度为10mm，直径为20mm，用于在水箱上方固定；优选地，所述玻璃外壁下方的气泡孔共有5行、每行3个沿圆周对称分布，孔径为1mm。将空气绝缘介质阻挡放电应用于活化水制备技术中，在水中插入金属接地电极，以将固氮水箱中的水都作为地电极，石英玻璃覆盖的金属棒状电极作为阳极，通过15个放电通道在水中放电产生大体积的高活性等离子体，一方面直接在水中产生大量液相等离子体活性物质，另一方面能够使得气相等离子体活性物质充分溶解。此外，水中的金属棒状电极可以部分溶解在等离子体放电装置固氮时产生的活化水中，可以防止放电时水的pH降至太低，同时为植物提供生长必须的金属元素。本发明所述等离子体固氮装置结构小巧、便于携带、工作时只需通入空气、装配快速、更换放电组件效率高，可以产生高浓度的液相活性物质，进行高效和清洁固氮，由此解决传统的土壤种植方式不能满足节约空间的需求、传统氮肥存在浪费、污染和不利于植物健康生长等问题。同时将固氮和水雾培装置与PLC控制系统和显示屏相结合并集成为一个整体式智能等离子体水雾培系统，具有节省空间、成本低、易拆卸、易操作等优势，可随时随地进行各类植物的培养。

优选地，所述玻璃内壁由石英玻璃制成，直径为6mm，长度为140mm，与玻璃外壁同轴相连；优选地，玻璃内壁与玻璃外壁之间的空气间隙不大于3mm，以免场强过小导致无法放电。

优选地，为了降低放电电压，所述玻璃内壁与玻璃外壁的石英玻璃层厚度应不超过1mm。

优选地，所述金属棒状电极采用导电良好的金属材料，如铜、钢或钨等制成，直径为4mm，长度为160mm，与玻璃内壁同轴固定，两者之间的空隙通过浇灌焊锡紧密贴合，超过玻璃外壁上方的金属棒状电极部分需包裹耐压20kV以上的绝缘外皮，以防止漏电和击穿。

优选地，所述等离子体放电单元为9个，每3个之间的连接方式为并联。

优选地，所述电源为高压交流电源，电压峰峰值控制在20kV左右，频率为10kHz，每个电源驱动三个并联的等离子体放电单元。优选地，所述等离子体放电单元的放电形式为介质阻挡放电，金属棒状电极连接高压交流电源，待处理的水作为地电极。

优选地，所述水中的金属棒状电极可以为镁、锌、铁，或者几种金属的组合。

优选地，所述气泵为空气泵，气流量大于18L/min，每个气泵通过3合1接口给三个等离子体放电单元通气，以保证每个等离子体放电单元进气口的气流量不小于6L/min。优选地，空气泵的进气口接通到所述固氮水箱内部，以吸收放电产生的臭氧和氮氧化物并循环利用，减少臭氧的排放和氮氧化物的浪费。

优选地，所述固氮水箱和储水箱均为边长为30cm的正方体水箱，水箱整体为不锈钢制成，固氮水箱上方的水箱盖为绝缘材料聚四氟乙烯制成，用来固定和绝缘9个等离子体放电单元以提供更高的活化效率；优选地，固氮水箱中的自来水不超过水箱盖的高度。优选地，所述led照明灯为全光谱暖白光灯。

优选地，所述显示屏为液晶触摸屏。

优选地，所述水雾培循环管道的直径为2厘米，材质为PVC塑料。

优选地，早上8:00到晚上22:00中每小时植物水培和雾培的开启时间均为10分钟，两种培养方式间隔进行，且雾培开启于水培之后；晚上22:00到第二天早上8:00每小时植物水培和雾培的开启时间均为3分钟，其余时间关闭给水通道和给雾通道。

优选地，led照明灯每天开启的时间为早上8:00到晚上22:00。

优选地，所述PLC控制系统将一体式智能等离子体水雾培系统的功能集成到显示屏上，可通过显示屏实现对led照明灯和气泵的开关、电压大小和频率以及固氮时间的控制，此外还可以动态显示储水箱中液体的pH值和电导率，并设置适合植物生长的pH值和电导率，当储水箱中的含氮液体偏离植物生长适宜的pH和电导率时，储水箱中的控制开关通过自动添加适量磷酸钾来进行实时调控，同时为植物补充生长必须的磷元素和钾元素。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。

(1)本发明将等离子体固氮技术和植物水雾培技术结合在一起成为一体式智能等离子体水雾培系统，同时结合了水培和雾培并利用了这两种培养方式各自的优点，水培可以使植物根系得到足够的水分和营养，同时雾培又可以提供充足的氧气，使得植物根部不会被过度浸泡而腐烂，避免病害和缺氧现象的发生。

(2)本发明使用的是水中大面积空气等离子体绝缘介质阻挡放电放电，只需要使用空气就可以达到良好的放电效果，氮元素吸收和转化率高。相比传统直流针-水和等离子体射流等在水面上放电的形式，本发明通过多个放电通道在水中放电产生高活性等离子体，使等离子体与水充分作用反应，大大提高了固氮效率，氮元素能直接溶解在水中便于植物吸收和利用，不需要利用传统的化工方法进行吸收。解决了传统等离子体液相固氮过程中气液两相接触不均匀、不充分的问题。本发明利用等离子体放电单元实现了高效的空气固氮，将空气中的氮气固定成为植物可以利用的形态，并直接将固定下来的氮元素溶解在自来水中方便植物的吸收利用，从而提高植物的养分利用效率，有效促进植物生长，提高了植物的抗病虫害能力，减少化肥和农药的使用，成本低廉且绿色环保、能量利用率高，不会对环境造成污染。

(3)本发明通过PLC自动控制对整个水雾培系统进行智能控制，将水培和雾培的周期间隔开启，交替进行，系统操作简单，基本全自动化。对水培和雾培实现按照设定的时间间隔自动开启和关闭，从而实现对植物生长环境的优化。同时PLC控制系统可以通过储水箱中的pH探头和电导率探头实时测量储水箱中含氮液体的pH值和电导率并将结果反馈到显示屏上，当偏离预先设定的适合植物生长的pH值和电导率的范围时，通过小水泵自动将储水箱外配置好的磷酸钾溶液添加到储水箱中，使其回到适合植物生长的范围，同时为植物补充了生长必须的磷和钾元素，克服了传统等离子体固氮只能为植物提供氮肥的不足。

(4)本发明实现了对垂直空间的高效利用，整个系统采用垂直布局的方式，通过将等离子体固氮装置和4×3的植物培养箱垂直固定在智能水雾培柜中且水培和雾培都采用垂直循环流通的方式，只利用了120×70cm的水平空间实现了高效的等离子体固氮和种植流程，相比于传统的土培大大节省了水平占地。本发明采用智能化调控，能避免土壤连作障碍、天气灾害和病虫害，也无重金属污染，无需打农药，保证了蔬菜品质安全和清洁卫生。本系统的等离子体放电还可以对水中的细菌进行消杀，有效减少水污染导致的植物病虫害。插入水中的金属地电极如铁、镁、锌等，可以在等离子体放电时部分溶解在活化水中，有效防止pH降至太低对植物造成不利影响，同时溶解的金属离子可以为植物提供微量金属元素促进其生长。

附图说明

图1是是是本发明实施例提供的一体式智能等离子体水雾培系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的等离子体放电单元的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的智能水雾培柜的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的固氮水箱的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的储水箱的结构示意图；

图6是不同培养方式种植生菜20天的数据图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、等离子体放电单元，101、进气口，102、固定台，103、金属棒状电极，104、玻璃内壁，105、玻璃外壁，106、气泡孔，107、高压极；2、智能水雾培柜，201、植物培养箱，202、定植槽，203、水雾培循环管道，204、led照明灯，205、气泵，206、电源，207、PLC控制系统，208、显示屏，209、水管，210、柜体；3、固氮水箱，301、固定孔，302、水箱盖，303、出水管；4、储水箱，401、进水管，402、给水管道，403、给雾通道，404、水泵，405、雾化器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

等离子体固氮是一种利用等离子体技术将氮气转化为可用于植物生长的氮化物的过程。在这个过程中，氮气被暴露在高能量的等离子体中，这会导致氮分子的键断裂并与氢或氧结合形成氨根或硝酸根、亚硝酸根离子。这些化合物可以被吸收到植物根系中，供植物用作营养物质。水培是一种植物栽培技术，其根基于将植物放置在水中并提供必需的养分，而不是使用土壤作为植物的生长介质。水培通常涉及将植物根系放置在水中，水中添加适量的肥料和营养物质以供植物吸收。雾培通常使用水和营养溶液通过喷雾器对植物的根系进行喷雾，这种技术可以通过将水和养分直接提供给植物的根系来增加植物的吸收效率，同时可以通过喷雾器产生的水蒸气保持植物的湿度。水培和雾培技术通常用于室内植物栽培，特别是在没有土壤或土地的情况下，比如城市居民的室内种植，这些技术也可以用于研究植物的生长和根系发展等方面的科学研究，但两种技术也各有一定的缺点和不足，如水培可能会导致植物缺氧，雾培的营养供应有所欠缺等等。

基于上述原理，本发明实施例提供了一种一体式智能等离子体水雾培系统，如图1所示，包括等离子体放电单元1、智能水雾培柜2、固氮水箱3和储水箱4；

其中，如图2所示，等离子体放电单元1包括进气口101、固定台102、金属棒状电极103、玻璃内壁104、玻璃外壁105、气泡孔106和高压极107；除金属棒状电极103外，所述等离子体放电单元1整体由电介质材料石英玻璃制成，上方的进气口101与玻璃外壁105连通，以排出玻璃外壁105和玻璃内壁104之间的水来提供放电环境，并通过气泡孔106将活性气体成分吹出到被处理的液体中以充分溶解；气泡孔是在所述玻璃外壁105上开的小孔；金属棒状电极103由铜或钨等导电性良好的金属制成，与所述玻璃内壁104之间紧密贴合，以防止金属棒状电极103直接对玻璃内壁104放电；所述高压极107的金属棒状电极裸露出来的部分需包裹绝缘外皮，金属棒状电极上方连接到高压交流电源；所述固定台102为进气口101下方一圈凸出的柱状石英玻璃，用于等离子体放电单元1的固定。

如图3所示，所述智能水雾培柜2包括植物培养箱201、定植槽202、水雾培循环管道203、led照明灯204、气泵205、电源206、PLC控制系统207、显示屏208、水管209和柜体210；所述柜体210用于固定植物培养箱201和水雾培循环管道203，且led照明灯204、气泵205、电源206、PLC控制系统207、和显示屏208均位于其中。所述植物培养箱201为位于柜体上方的3排中空塑料箱体，体积为10L；毎排有4个平行排列的植物培养箱，箱体之间通过所述水管209连接，所述植物培养箱201通过所述水雾培循环管道203固定在柜体210中；最底层植物培养箱距离柜体下方60cm处，毎排植物培养箱之间的间距为20cm。所述定植槽202为直径5cm、高为2cm的海绵圆片，位于所述植物培养箱201上方，可固定植物茎部并将根部露出于植物培养箱中。所述水雾培循环管道203为连通各个植物培养箱之间的管道，固定在所述柜体210的内壁，并与所述植物培养箱201相连，可以保证水培和雾培时固氮水和雾的流通与收集。所述led照明灯204为全光谱暖白光灯，毎个led照明灯固定于植物培养箱上方20cm处，通过支架固定在所述柜体210中为植物培养箱中的植物提供充足的光照。所述气泵205为3个并排放置的空气泵，摆放于所述柜体210的底部，每个空气泵的出气口通过3合1接口连接到等离子体放电单元的进气口101，空气泵的进气口接于所述固氮水箱3的内部，以吸收等离子体放电产生的臭氧和氮氧化物并循环利用，减少臭氧的排放和促进氮氧化物的溶解。所述电源206为3个并排放置的高压交流电源，电压峰峰值为20kV，频率为10kHz，每个电源驱动三个并联的等离子体放电单元。所述PLC控制系统207安装在智能水雾培柜的右侧内壁上，可以对整个系统进行宏观控制，并将控制功能集成到液晶触摸屏208上。所述液晶触摸屏208安装在智能水雾培2的右侧外壁上，距离所述柜体210底面150cm，与所述PLC控制系统207连接，能实时显示储水箱4中液体的电导率和pH值等参数，通过触摸屏幕可以改变电源的电压、频率、开关以及气泵的开关等。

如图4所示，所述固氮水箱3包括固定孔301、水箱盖302和出水管303，位于所述柜体210的底部。所述水箱盖302的材质为绝缘耐高温材料聚四氟乙烯，位于所述固氮水箱3的上方，上面开有9个与所述等离子体放电单元的固定台102同轴、上下贯通的固定孔301，固定孔301与所述固定台102的直径相同，以卡住并固定等离子体放电单元1；出水管303处安装有抽水泵，可以定时将固氮水箱中的液体运输到储水箱4中。

如图5所示，所述储水箱4包括进水管401、给水管道402、给雾通道403、水泵404和雾化器405，位于所述固氮水箱3的右侧。所述进水管401与固氮水箱3的出水管303连接，当固氮水箱3中的水完成固氮后，固氮后的活化水通过出水管303流入进水管401并储存在储水箱4中，并用于植物的水培和雾培。所述给水管道402位于储水箱4内部，下方安装有定时水泵并在植物水培期间开启，时间为每天8:00到22:00的每小时前10分钟以及22:00到第二天8:00的每小时前3分钟，并可根据培养植物的种类自行调整。含氮液体经过所述水雾培循环管道203并流经所述植物培养箱201，为植物提供充足的水分和氮元素，再通过给水管道402回收到储水箱4中并继续循环。所述给雾通道403的原理与所述给水管道402类似，下方安装有雾化器并将雾化后的水汽通过水雾培循环管道203抽入植物培养箱201中，为植物提供部分营养以及根系呼吸所必要的氧气。给雾通道403的开启时间为给水通道关闭之后，8:00到22:00之间每小时开启10分钟后关闭，22:00到第二天8:00之间每小时开启3分钟后关闭。所述水泵404的进水口位于储水箱4内，出水口与给水通道的下端口相连，在植物水培开启时，定时开关自动打开并启动水泵404，将储水箱4中经过等离子体固氮后的水抽入所述水雾培循环管道203，并流入植物培养箱中与植物根系接触。所述雾化器405的出雾口与给雾通道403下端连接，雾培阶段将储水箱中的水雾化后通入给雾通道进行循环，并在植物培养箱中完成植物根系的供氧与供氮。

当空气通过空气泵输入玻璃外壁和玻璃内壁之间时，处于两者之间的待处理液体会从气泡孔排出，从而在玻璃外壁和玻璃内壁之间保持纯空气的放电环境。装置连接气泵并在金属棒状电极施加高压交流电压时，此时在金属棒状电极-玻璃内壁-空气-玻璃外壁-被处理液体之间形成了绝缘介质阻挡放电，在玻璃外壁和玻璃内壁之间会形成均匀的蓝紫色放电细丝，并通过气泡孔形成的放电通道延伸到水中，直接对水面进行放电，提高了固氮效率。金属棒状电极连接高压极，被处理液体充当的是地电极。等离子体放电时空气电离产生的活性组分随着气流从气泡孔吹入到水中并均匀混合，使得液体内含有如硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐、过氧亚硝酸、过氧化氢、单线态氧等活性物质，可以促进植物生长，为植物提供充足的营养元素，同时能够起到一定的杀菌消毒作用。随着电压的增大，放电会明显增强，产生更多的活性物质，温升也会更高。考虑到装置整体的耐压和电源的功放，实际采用的电压为峰峰值20kV，频率10kHz的交流电压。

所述玻璃内壁104和玻璃外壁105的材料设计为石英玻璃，但并不局限于这一种材质，也可以用其他绝缘良好的介质制成。

所述植物培养箱201的数量包括但不限于12个，每个植物培养箱上的定植槽数量包括但不限于3个，可以根据实际所需进行灵活选择。

上述等离子体放电单元1的设置中，利用等离子体气泡与水混合的方式，促进了等离子体气相活性物质的溶解以及向液相活性物质的转化，保证了空气等离子体产生的活性物质完全与水融合形成活化水，这样提高了等离子体固氮的效率并减小了能耗。为保证所述玻璃内壁与玻璃外壁之间的水能被完全排出，所述气泡孔不宜过多，且直径应控制在2mm以内。

具体到本实施例中，固氮水箱还应包括直接与箱体表面相连的金属地电极，使整个箱体构成地电极的电位，以使得水作为地电极的作用参与等离子体放电单元1的放电过程。金属地电极的材质可以为铁、锌或者镁，其作用还在于：等离子体放电会使得固氮水箱3中水的pH值降低，加入的金属地电极在较低pH的水中可以部分溶解，将pH适量提高，可以将水的pH值保证在植物适宜的pH内；此外金属地电极溶解为金属元素后还可以为植物提供生长所必须的微量元素，避免植物缺乏微量元素导致生长不佳。流通整个放电装置的电流峰峰值为100～150mA，在所述固氮水箱3和被处理液体之间可设置限流装置，所述限流装置的阻值为1MΩ～5MΩ。限流装置能有效维持绝缘介质阻挡放电的稳定，防止装置电压电流出现过大波动。

本实施例中的储水箱4中还设置有pH探头和电导率探头，可以实时测量储水箱中液体的pH值和电导率，并将结果反馈到显示屏界面。储水箱外部连接着装有配置好的1mmol/L磷酸钾溶液的储液盒以及连接到储液盒和储水箱内部的小水泵，使用者可以预先在显示屏上设置一个适合所种植植物生长的pH值和电导率的范围，在储水箱中的含氮溶液pH和电导率偏离这个范围后，小水泵在PLC控制系统的控制下自动向储水箱中缓慢加入磷酸钾溶液进行实时调节，使得溶液的pH值和电导率回到适合植物生长的范围内。同时，磷酸钾的加入还为植物提供了生长必须的磷元素和钾元素，保证了植物叶片和根系各种元素的营养供应。

本发明中固氮水箱可一次性制备的含氮溶液体积为20L，制备时间初始值为3小时，且使用者可以根据所种植的植物种类自由设定固氮时间，时间越长，水中氮元素的含量就会越高。在固氮时间为3小时时，水中氮元素的含量为2mmol/L以上。使用者可在显示屏上控制水培和雾培时的流速，在储水箱中的液体循环使用7天后，需要重新在固氮水箱中进行等离子体固氮并更换储水箱中的含氮溶液，防止植物代谢生成的有害物质堆积。

对本发明实施例提供的等离子体放电单元制备的含氮溶液进行水雾培测试，结果如图6表明，本发明实施例提供的等离子体固氮装置在每次固氮时间为3h时并水雾培生菜20天时，相比于自来水直接培养生菜，鲜重、株高、叶长、根长分别提高了48.2％、39.5％、43.7％和37.2％，证明了本系统制备的固氮溶液对于植物的生长具有良好的促进作用。

本发明实施例提供的一体式智能等离子体水雾培系统的使用方法包括以下步骤：

1.等离子体固氮前，先安装好整体装置并在固氮水箱中加入20L自来水，将系统电源插头连接到220V的电源上。将气泵连接到等离子体放电单元的进气口，并调节好通气量使得每个放电单元流通的空气不小于6L/min。将所要培养的植物茎部由海绵圆片固定在定植槽中，根部自然垂入植物培养箱上空。

2.通过显示屏设置系统参数并打开led照明灯和电源，调节电源的电压峰峰值为20kV左右，频率为10kHz左右。设置好固氮时间，初始值为3小时，可根据培养的植物进行调整。通过显示屏可以设置储水箱中含氮溶液的pH值和电导率范围，以保证在适合植物生长的范围内，当偏离这个范围时PLC控制系统会自动在储水箱中加入适量磷酸钾进行调节。

3.在每次固氮水箱中完成固氮后，里面的含氮液体会由水泵抽入储水箱中。制备好的固氮溶液可以在室温中长期存放且氮元素含量不会有所下降。在显示屏上点击开始水雾培后，分别按设定时间由给水通道和给雾通道的开启与关闭来控制植物的水培和雾培。在水雾培7天后，需要重新更换自来水进行固氮并转移到储水箱中进行水雾培。

4.在植物水雾培完成后，对植物进行采收并可更换一批新的作物。本一体式智能等离子体水雾培系统充分结合了等离子体固氮以及水培和雾培的优势，通过PLC控制系统进行智能化调控。本系统可以多次循环使用且不会对环境造成污染，符合双碳背景下绿色节能环保的要求。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，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。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一体式智能等离子体水雾培系统，其特征在于，包括多个等离子体放电单元(1)、智能水雾培柜(2)、固氮水箱(3)和储水箱(4)；所述固氮水箱(3)和储水箱(4)位于智能水雾培柜(2)的底部，所述多个等离子体放电单元(1)固定于固氮水箱(3)的水箱盖上，所述智能水雾培柜(2)上层分布有植物培养箱；通过多个等离子体放电单元(1)放电产生等离子体，在固氮水箱(3)中产生液相等离子体活性物质，达到水中固氮的效果；固氮水箱(3)中的水转移到储水箱(4)后，用于水培和雾培阶段时给植物培养箱供水和供雾，为植物提供养分和氧气；所述智能水雾培柜还对整个系统进行智能化调控；

所述等离子体放电单元(1)包括：进气口(101)、固定台(102)、金属棒状电极(103)、玻璃内壁(104)、玻璃外壁(105)，所述玻璃外壁(105)为下端封口的圆柱状玻璃管，玻璃内壁(104)为绝缘介质制成，上方有进气口(101)与固定台(102)，下方均匀分布多个气泡孔(106)，进气口(101)与玻璃外壁(105)连通；所述玻璃内壁(104)与玻璃外壁(105)同轴相连，两者之间留有预设空隙以形成放电区域；所述金属棒状电极(103)与所述玻璃内壁(104)紧密贴合，上方与电源高压极相连，在金属棒状电极(103)施加高压交流电压时，在金属棒状电极(103)-玻璃内壁(104)-空气-玻璃外壁(105)-被处理液体之间形成绝缘介质阻挡放电，在玻璃外壁(105)和玻璃内壁(104)之间形成均匀的蓝紫色放电细丝，并通过气泡孔形成的放电通道延伸到水中。

2.根据权利要求1所述的一体式智能等离子体水雾培系统，其特征在于，所述智能水雾培柜(2)包括：植物培养箱(201)、水雾培循环管道(203)、led照明灯(204)、气泵(205)、电源(206)、PLC控制系统(207)、显示屏(208)、水管(209)和柜体(210)；所述植物培养箱(201)为带有定植槽(202)的半封闭箱体，用于植物的固定和培养；所述水雾培循环管道(203)为连通储水箱(4)和植物培养箱(201)的管道，用于水和雾的循环流动；所述led照明灯(204)用于给植物提供光源以促进其光合作用；所述气泵(205)为具有进气口和出气口的空气泵，出气口用于给所述等离子体放电单元(1)通气以排出所述玻璃内壁(104)与玻璃外壁(105)之间的水，形成纯空气的放电环境，进气口与固氮水箱(3)内部相接，以吸收放电产生的臭氧和氮氧化物并循环利用；所述电源(206)与所述等离子体放电单元(1)的金属棒状电极(103)相连；所述PLC控制系统(207)用于整个系统的智能控制，并将显示和控制功能集成到所述显示屏(208)上；所述水管(209)用于植物培养箱(201)之间的两两连接，在水培和雾培阶段使得水和雾在植物培养箱(201)之间流通。

3.根据权利要求2所述的一体式智能等离子体水雾培系统，其特征在于，所述固氮水箱(3)包括固定孔(301)、水箱盖(302)和出水管(303)，所述水箱盖(302)上开有多个固定孔(301)，用于固定等离子体放电单元(1)；所述出水管(303)用于连接储水箱(4)，将经过等离子体固氮后的水转移到储水箱(4)。

4.根据权利要求3所述的一体式智能等离子体水雾培系统，其特征在于，所述储水箱(4)包括进水管(401)、给水通道(402)、给雾通道(403)、水泵(404)和雾化器(405)，所述进水管(401)用于接收固氮水箱(3)运输的固氮后的水；所述给水通道(402)在植物水培时开启，通过水雾培循环管道(203)给植物提供富含氮元素的水分；所述给雾通道(403)在雾培植物时开启，通过雾化器(405)将储水箱(4)中的水雾化并在水雾培循环管道(203)中流通，以给植物根部提供营养以及充足的氧气；所述水泵(404)用于将储水箱(4)中的水定时抽入给水通道(402)进行植物水培；所述雾化器(405)用于将储水箱(4)中的水雾化后通入给雾通道(403)循环。

5.根据权利要求1所述的一体式智能等离子体水雾培系统，其特征在于，所述等离子体放电单元(1)为9个，每3个之间的连接方式为并联。

6.根据权利要求4所述的一体式智能等离子体水雾培系统，其特征在于，通过PLC控制系统(207)控制水培和雾培两种模式的切换。

7.根据权利要求4所述的一体式智能等离子体水雾培系统，其特征在于，储水箱(4)中还设置有pH探头和电导率探头，用于实时测量储水箱(4)中液体的pH值和电导率。