CN210406548U - 水肥调配装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种水肥调配装置，包括肥液槽、水槽、酸液槽、营养液槽和连接管，肥液槽、水槽和酸液槽分别与营养液槽通过对应的连接管连通，其特征在于，各连接管自进液口往出液口方向依次设有第一吸液泵、第一比例电磁阀和第一流量计，营养液槽内设有电导率传感器和pH传感器；还包括单片机，单片机分别与第一吸液泵、第一比例电磁阀、第一流量计、电导率传感器和pH传感器通讯连接。本实用新型水肥调配系统可快速纠正偏差，反应及时，实现营养液的精准调配。

Description

水肥调配装置

技术领域

本实用新型涉及种植领域，具体涉及一种水肥调配装置。

背景技术

水培精准调控技术是现代水培一体化的技术核心，其关键在于水肥溶液的精确配比和灌溉。在水培模式下，精准配比与灌溉通过调控营养液营养成分和灌溉的时间进一步提高水肥的利用率，减少环境的污染，提高种植效率，在国内外农业设施应用上受到大力推广。

现有的水培循环灌溉装置或营养液栽培系统通常是以如下三种方式判断何时需要对植物进行循环补充营养液：第一种是根据经验定时定量循环灌溉；第二种是混合罐营养液浓度符合预设值触发循环灌溉开关；第三种是传感器检测植物栽培管道残留的营养液浓度，若低于设定值触发循环灌溉开关。以上方法缺少智能化且会导致营养液配比存在一定的误差。例如申请号为CN107046907A的中国实用新型专利公开一种营养液供应装置及营养液浓度的监控方法，通过传感器检测判断总营养池的营养液浓度值是否达到预设总浓度值,若达到则对分营养池进行营养液的输送直到栽培植物的分营养池的营养液浓度符合要求；若未达到则打开营养液调配设备的阀门向总营养池输送营养液直到浓度符合预设值。专利号为CN107155489A的中国实用新型，公开了一种自动灌溉装置和自动灌溉的控制方法，通过控制传感器检测自循环装置内的营养液的当前浓度值，若当前浓度值小于预设阂值,重新配置营养液并供给至自循环装置。现有的水培模式通过传感器检测溶液的EC和PH值不断地与设定值进行比较，这种方案会导致整个系统的响应速度慢，不能及时地对营养液的EC和PH值进行调节，存在滞后性，整个装置运作误差较大，反应不及时。因此，亟需一种精确度高，反应速度快的水肥调配装置。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种精确度高，反应速度快的水肥调配装置。

本实用新型的目的采用以下技术方案实现：

一种水肥调配装置，包括肥液槽、水槽、酸液槽、营养液槽和连接管，肥液槽、水槽和酸液槽分别与营养液槽通过对应的连接管连通，各连接管自进液口往出液口方向依次设有第一吸液泵、第一比例电磁阀和第一流量计，营养液槽内设有电导率传感器和pH传感器；还包括单片机，单片机分别与第一吸液泵、第一比例电磁阀、第一流量计、电导率传感器和pH传感器通讯连接。

在本实用新型的其中一种具体实施方式中，还包括出液管和第二吸液泵，出液管的进液口与第二吸液泵的出液口管道连接，第二吸液泵的进液口与营养液槽管道连接，出液管的进液口处设有过滤器；第二吸液泵与单片机通讯连接。

在本实用新型的其中一种具体实施方式中，过滤器为Y型过滤器。

在本实用新型的其中一种具体实施方式中，还包括设置于出液管的第二比例电磁阀和第二流量计；第二比例电磁阀位于出液管的出液口和第二吸液泵之间，第二流量计设置于出液管的出液口和第二比例电磁阀之间，单片机分别与第二比例电磁阀以及第二流量计通讯连接。

在本实用新型的其中一种具体实施方式中，还包括支架，支架分为四层，出液管以及三根连接管分别安装于支架的四层板面上，各第一吸液泵、第一比例电磁阀、第二吸液泵和第二比例电磁阀分别固定于对应支架的板面上。

在本实用新型的其中一种具体实施方式中，酸液槽对应的连接管的安装高度高于肥液槽对应的连接管的安装高度，肥液槽对应的连接管的安装高度高于水槽对应的连接管的安装高度。

在本实用新型的其中一种具体实施方式中，还包括管壁上边缘设有若干通孔的S型培植管道，各通孔内嵌合有定植篮，S型培植管道的进液口与出液管的出液口管道连接，S型培养管道的出液口与营养液槽管道连接。

在本实用新型的其中一种具体实施方式中，还包括用于采集种植于定植篮内植物光谱信息的光谱探头以及与光谱探头通讯连接的控制终端，控制终端与单片机通讯连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型水肥调配系统通过单片机计算控制第一比例电磁阀的开合程度达到精确控制液体流量的目的，再通过电导率传感器和pH传感器监控营养液的EC值和pH值，单片机通过与预设值比对且结合第一流量计反馈的流量信息，快速纠正偏差，反应及时，实现营养液的精准调配。

附图说明

图1为本实用新型的水肥调配装置结构示意图一。

图2为本实用新型的水肥调配装置结构示意图二。

图3为图2的主视图。

其中：101、肥液槽；102、水槽；103、酸液槽；104、营养液槽；201、连接管；202、第一吸液泵；203、第一比例电磁阀；204、第一流量计；301、电导率传感器；302、pH传感器；401、出液管；402、第二吸液泵；403、第二比例电磁阀；404、第二流量计；50、Y型过滤器；60、支架；701、S型培植管道；702、定植篮；801、光谱探头；802、滚珠丝杆；803、滑块；901、种植架；902、智能补光模块。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的具体实施方式，具体实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将结合附图以及具体实施方式，对本实用新型技术方案做进一步描述：

如图1所示，图1中省略肥液槽101、酸液槽103对应的连接管201、第一比例电磁阀203、第一吸液泵202和第一流量计204，本具体实施方式提供的一种水肥调配装置，包括肥液槽101、水槽102、酸液槽103、营养液槽104和连接管201，肥液槽101、水槽102和酸液槽103分别与营养液槽104通过对应的连接管201连通，各连接管201自进液口往出液口方向依次设有第一吸液泵202、第一比例电磁阀203和第一流量计204，营养液槽104内设有电导率传感器301和pH传感器302；还包括单片机，单片机分别与第一吸液泵202、第一比例电磁阀203、第一流量计204、电导率传感器301和pH传感器302通讯连接。

单片机、第一吸液泵202、第一比例电磁阀203、第一流量计204、电导率传感器301和pH传感器302的结构以及供电方式为现有技术，在此不再赘述。

水肥调配方法：

S1、根据种植的作物种类设置所需营养液槽104内营养液的EC值范围和pH值范围；

S2、单片机通过计算，得出所需肥液、水和酸液的用量，并将计算结果转换为时间控制信号作用到各第一吸液泵202以及第一比例电磁阀203，同时通过电导率传感器301和pH传感器302分别检测营养液的EC值和pH值，第一流量计204监测各连接管201的液体流量后将检测的统计值反馈给单片机进行检验校准；

S3、单片机将测得的EC值和pH值分别与预设的EC值和pH值进行比对，判断测得的EC值和pH值是否在预设值范围内，若是，则停止配液；若不是，单片机则进行精确调配，精确调配通过将测得值分别与预设值之差作为模糊PID算法的输入量，不断校正当前营养液的EC值和pH值，直至测得值在预设值范围内。

具体的模糊PID算法，包括模糊化、模糊推理和解模糊三部分。为消除环境因子之间的耦合，可根据模糊输出结果对另外的环境因子进行补偿。对于营养液EC值和pH值的控制，EC值在±1us/cm内和pH为±1内为模糊控制区，超出这个范围则为确定控制区。在模糊控制区调节系统的EC值和pH值；在确定区，单片机开启第一比例电磁阀203对营养液进行调控。在模糊控制区，将EC和pH值的偏差划分为7个模糊子状态，分别为PL(正大)、PM(正中)、PS(正小)、Z(零)、NS(负小)、NM(负中)、NL(负大)。将EC值变化率和pH值变化率划分为5个模糊状态，即PL(正大)、PS(正小)、Z(零)、NS(负小)、NL(负大)。模糊推理过程设置为:输入变量δ、d及输出r的隶属函数采用三角形函数表示。

确定模糊控制规则的原则是：单片机输出响应的动静态特征达到最佳。当偏差较大时，选择控制量尽快消除偏差，当偏差较小时，以单片机控制稳定为主，此时防止超调。根据单片机的输入/输出特性，以消除EC值和PH值偏差为控制目标。

单片机型号为STC8A8K64S4A12。

在本实用新型的其中一种具体实施方式中，还包括出液管401和第二吸液泵402，出液管401的进液口与第二吸液泵402的出液口管道连接，第二吸液泵402的进液口与营养液槽104管道连接，出液管401的进液口处设有过滤器；第二吸液泵402与单片机通讯连接。通过单片机控制第二吸液泵402开启，对作物进行浇灌，为滤去营养液中的杂质，通过过滤器进行过滤，避免杂质影响作物的生长。

具体的，过滤器为Y型过滤器50。Y型过滤器50阻力低，且便于清洗。

为实现单片机对出液管401流量的控制，以维持营养液槽104内的营养液组分稳定，还包括设置于出液管401的第二比例电磁阀403和第二流量计404；第二比例电磁阀403位于出液管401的出液口和第二吸液泵402之间，第二流量计404设置于出液管401的出液口和第二比例电磁阀403之间，单片机分别与第二比例电磁阀403以及第二流量计404通讯连接。

为防止连接管201和出液管401承重导致从装置上脱落，还包括支架60，支架60分为四层，出液管401以及三根连接管201分别安装于支架60的四层板面上，各第一吸液泵202、第一比例电磁阀203、第二吸液泵402和第二比例电磁阀403分别固定于对应支架60的板面上。由于第一吸液泵202、第一比例电磁阀203、第二吸液泵402和第二比例电磁阀403具有一定重量，长期承重会影响连接管201、出液管401与其它部件连接结构的稳定性，采用支架60支撑对应的部件，能保证连接管201、出液管401与其它部件连接结构的稳定。

为提高营养液槽104内营养液的混合均匀性，酸液槽103对应的连接管201的安装高度高于肥液槽101对应的连接管201的安装高度，肥液槽101对应的连接管201的安装高度高于水槽102对应的连接管201的安装高度。酸液、肥液和水按照所需用量的相对大小，通过对应连接管201的安装高度设置，实现用量较少的液体添加入用量较多的液体中的混合原则，便于用量少的液体快速均匀分散与用量较多的液体(水)中。

进一步的，营养液槽104中设有搅拌结构，搅拌结构为现有技术，例如搅拌桨，搅拌结构搅动营养液，有助于营养液的快速混合均匀，便于电导率传感器301、pH传感器302的准确测量，有助于单片机作出精确的计算。

如图2和图3所示，还包括管壁上边缘设有若干通孔的S型培植管道701，各通孔内嵌合有定植篮702，S型培植管道701的进液口与出液管401的出液口管道连接，S型培养管道的出液口与营养液槽104管道连接。S型培植管道701设置，便于营养液的回流，提高营养液的利用率；结合单片机与相关比例电磁阀以及吸液泵的配合，实现营养液成分的精准控制。

为根据作物的生长状况对应匹配营养液的成分，还包括用于采集种植于定植篮702内植物光谱信息的光谱探头801以及与光谱探头801通讯连接的控制终端，控制终端与单片机通讯连接。控制终端为现有技术，本实用新型中以电脑为例。电脑通过光谱探头801探测到作用的光谱数据，根据作物的光谱数据评估作物的生长情况，电脑将评估得到的作物的生长情况反馈到单片机，单片机根据作物的生长情况匹配对应的预设EC值和pH值，对应的第一吸液泵202、第一比例电磁阀203、电导率传感器301和pH传感器302对应调整，完成作物该生长阶段营养液组分的调配，从而实现实时监控作物的生长状从而快速匹配营养液的自动化控制。

作物的生长状况通过光谱分析步骤实现，以百香果叶片为例，光谱分析步骤包括以下步骤：

a)将校正集的400片百香果叶片按照颜色分为三组，第一组为深绿色的叶片，第二组为浅绿色的叶片，第三组为黄绿色的叶片，在黑暗条件下用光谱分析仪采集三组叶片的光谱数据，将光谱数据利用最小二乘法进行二阶转换，以光谱波段为自变量，光谱反射值为因变量建立一元线性回归分析模型，得到百香果叶片在光谱波段为382nm～800nm时有较高的光谱反射值，且保持稳定，证明百香果叶片的营养元素在该光谱波段范围内有较高的相关性，另外将校正集中的各组叶片消煮得到消煮液后用定氮仪经蒸馏和滴定得到对应校正集叶片的氮元素含量实测值；

b)为提高预测值的准确度，以步骤a)中波段范围为382nm～800nm内的反射值为自变量x，氮元素含量实测值为因变量y，利用最小二乘法进行多元线性回归分析，建立预测集叶片氮元素的线性方程y＝ax+b,；

c)将预测集中的百香果叶片的光谱反射值代入步骤b)的线性方程，得到预测集叶片氮元素的预测值，将氮元素的预测值y与对应反射值的校正集叶片氮元素含量实测值Y进行线性拟合，得到纠偏方程y＝AY+B；

d)采用纠偏方程对预测集叶片氮元素的线性方程进行纠偏，得到纠偏后的氮元素的预测值，预测值更加精准。

为减少误差，将步骤a)中采集的光谱数据进行预处理，不同预处理方式处理后的线性方程以及纠偏方程的相关系数R²如表1所示。

表1 不同方式预处理后校正模型与预测模型的结果

由表1可知，采用趋势算法对光谱数据进行预处理，综合相关系数较高，提高预测结构的准确性。

将步骤d)得到的纠偏后的氮元素的预测值循环作为c)步骤中的叶片氮元素的预测值，结合校正集叶片氮元素含量实测值重新进行线性拟合，得到新的纠偏方程，即训练原纠偏方程，逐步提高对预测集内叶片氮元素分析的精准度，根据氮元素含量确定叶片的生长阶段。

为实现对区域范围内待检测叶片的光谱分析，S型培植管道701安装于种植架901上，种植架901上还设有滚珠丝杆802，光谱探头801通过滑块803实现在滚珠丝杆802上移动以满足对不同区域待检测叶片的光谱分析，从而综合评估种植架901上该区域待检测叶片的生长状况，以便于单片机对营养液组分进行准确调整。

还包括智能补光模块902，智能补光模块902包括植物补光灯、光照传感器和PWM调节模块，光照传感器安装在种植架901的左上方，用以检测植物生长环境的光照度。光照传感器的芯片型号为BH1750，利用IIC通信协议与单片机进行通信，能够实时监测环境的光照度。

植物补光灯安装在每一层培育区的上方，各一盏，总共四盏，长1米，前后两侧的倾角各120°，光照范围能够覆盖每一层的作物。植物补光灯代替自然光为作物生长发育提供所需要的光源，植物补光灯是以红、蓝、白三种颜色的LED灯珠组合而成，在保证红、蓝光为作物的发芽与发育的前提下，结合白光以补充作物生长所需的少量光谱。

PWM调节模块有两个端口，一个端口串联在植物补光灯与DC24V电源之间，另一端接入单片机，控制不同的占空比以调节植物补光灯的电流大小，利用LED的亮度与电流成线性关系，进而调节灯珠的亮度。因此，通过应用PWM脉宽调制技术，调节占空比以连续地改变电流的大小，植物补光灯的光照值能够在0-6000lx范围内均匀调节，大大满足植物生长的光照需求。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水肥调配装置，包括肥液槽、水槽、酸液槽、营养液槽和连接管，所述肥液槽、水槽和酸液槽分别与所述营养液槽通过对应的所述连接管连通，其特征在于，各所述连接管自进液口往出液口方向依次设有第一吸液泵、第一比例电磁阀和第一流量计，所述营养液槽内设有电导率传感器和pH传感器；还包括单片机，所述单片机分别与所述第一吸液泵、第一比例电磁阀、第一流量计、电导率传感器和pH传感器通讯连接。

2.根据权利要求1所述的水肥调配装置，其特征在于，还包括出液管和第二吸液泵，所述出液管的进液口与所述第二吸液泵的出液口管道连接，所述第二吸液泵的进液口与所述营养液槽管道连接，所述出液管的进液口处设有过滤器；所述第二吸液泵与所述单片机通讯连接。

3.根据权利要求2所述的水肥调配装置，其特征在于，所述过滤器为Y型过滤器。

4.根据权利要求2所述的水肥调配装置，其特征在于，还包括设置于所述出液管的第二比例电磁阀和第二流量计；所述第二比例电磁阀位于所述出液管的出液口和第二吸液泵之间，所述第二流量计设置于所述出液管的出液口和所述第二比例电磁阀之间，所述单片机分别与所述第二比例电磁阀以及第二流量计通讯连接。

5.根据权利要求2所述的水肥调配装置，其特征在于，还包括支架，所述支架分为四层，所述出液管以及三根连接管分别安装于所述支架的四层板面上，各所述第一吸液泵、第一比例电磁阀、第二吸液泵和第二比例电磁阀分别固定于对应所述支架的板面上。

6.根据权利要求5所述的水肥调配装置，其特征在于，所述酸液槽对应的所述连接管的安装高度高于所述肥液槽对应的所述连接管的安装高度，所述肥液槽对应的所述连接管的安装高度高于所述水槽对应的所述连接管的安装高度。

7.根据权利要求5所述的水肥调配装置，其特征在于，还包括管壁上边缘设有若干通孔的S型培植管道，各所述通孔内嵌合有定植篮，所述S型培植管道的进液口与所述出液管的出液口管道连接，所述S型培养管道的出液口与所述营养液槽管道连接。

8.根据权利要求7所述的水肥调配装置，其特征在于，还包括用于采集种植于定植篮内植物光谱信息的光谱探头以及与所述光谱探头通讯连接的控制终端，所述控制终端与所述单片机通讯连接。

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