智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，包括營養液回收泵、第一過濾器、殺菌消毒器、營養液回收桶、第二過濾器、進水泵、混肥桶、混肥泵、混肥閥、灌溉閥、第一流量計、循環閥、緩沖池、肥料桶、隔膜泵、電磁閥、第二流量計、逆止閥和控制器；還包括第一pH傳感器、第一Ec傳感器、第二pH傳感器、第二Ec傳感器、上液位開關、下液位開關、液位傳感器、液溫傳感器和電加熱器；本實用新型將在實現精確控制營養液母液和水混合比例的基礎上，采集回收營養液的Ec值和pH值，根據回收營養液信息和灌溉肥水信息建立的作物肥水灌溉模型，修正成熟的無土栽培作物灌溉配方，從而實現溫室作物無土栽培肥水灌溉的閉環監控。
【專利說明】智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種閉環控制的自動肥水灌溉系統，尤其是用于農業溫室大棚無土栽培作物滴灌系統領域中。
【背景技術】
[0002]溫室大棚無土栽培技術采用營養液或固體基質加營養液等栽培作物的方法，代替天然土壤向作物提供良好的水、肥、氣、熱等根際環境條件，是一項新的現代化農業技術。無土栽培技術具有以下優點:(I)可避免土壤連作障礙；(2)省水、省肥、省力、省工；(3)作物長勢強、產量高、品質好；(4)可極大地擴展農業生產空間；(5)有利于實現農業生產的現代化。由于作物需要的水分和養分均需從灌溉液中攝取，所以肥水灌溉是溫室大棚無土栽培技術中最為關鍵的技術。目前由于滴灌技術的水利用系數較高，達到80%以上，并且能夠實現灌溉和施肥同步完成，所以在作物無土栽培時通常采用滴灌方式。根據溫室大棚無土栽培作物在不同生長階段對肥水的需求，自動肥水混合灌溉機能夠根據預設定的營養液配方、灌溉量和灌溉時間，實現自動混合配制的營養液母液和水，精確控制營養液中各種肥料的成分比例，并實施滴灌，將肥水精確地供給到設施作物的根部，從而有效提高肥水的利用效率、減少水資源浪費和肥料過量使用對環境的污染。自動混合灌溉機的高效性，非常適合于現代化溫室大棚無土栽培生產應用，是我國設施農業實現可持續發展的重要裝備。
[0003]智能溫室大棚無土栽培肥水混合灌溉機主要有供水裝置、混肥裝置、灌溉裝置、監控裝置、報警裝置、營養液回收裝置組成，其機構分為水路和電路兩部分。傳統肥水混合灌溉采用文丘里式吸肥器加在灌溉管道上，如專利201220195289.3，采用虹吸原理，在進行灌溉時同時吸進配制好的營養液母液，這種施肥器中營養液母液與水沒有充分混合過程，營養液沒有均勻供給作物；目前國內較為先進的肥水灌溉機，如專利201010586460.9，能夠實現自動灌溉機的供水、吸肥、營養液配制、灌溉全工作過程的監控，能夠確保營養液的實際肥料配比符合預先設定的配比要求，但沒有綜合考慮作物對肥水的需求，預先設定配比值是否符合作物對肥水的需要，沒有進行閉環檢測。
【發明內容】
[0004]本實用新型目的是提供一種智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，解決的技術問題在于采用可編程邏輯控制器(PLC)，精確控制營養液母液和水的混合比例基礎上，采集肥水灌溉機各項信息:灌溉肥水信息(Ec值、pH值、液位、液溫)、和回收肥水信息(Ec值、pH值)，并通過肥水灌溉模型，實現溫室大棚作物無土栽培肥水充分混合并灌溉的閉環監控；本系統改善傳統文丘里式吸肥器存在的缺陷:營養液母液與水沒有得到充分混合現象；以及完善僅側重于肥水混合精度的精確控制思想，但缺乏作物對肥水營養成分的需求性信息檢測。
[0005]本實用新型解決問題所采用的技術方案是:智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，包括營養液回收泵、第一過濾器、殺菌消毒器、營養液回收桶、第二過濾器、進水泵、混肥桶、混肥泵、混肥閥、灌溉閥、第一流量計、循環閥、緩沖池、肥料桶、隔膜泵、電磁閥、第二流量計、逆止閥和控制器；
[0006]營養液回收液通過第一過濾器輸入到營養液回收泵的輸入口，營養液回收泵的輸出口連接殺菌消毒器的輸入口，殺菌消毒器的輸出口通過管路連接到營養液回收桶中；
[0007]營養液回收桶中營養液回收液和天然水源通過第二過濾器過濾后輸入到進水栗;
[0008]進水泵的輸出口通過管路連接到混肥桶中；
[0009]混肥泵的輸入口通過管路連接到混肥桶中，混肥泵的輸出口通過管路連接混肥閥的輸入口，混肥閥的輸出口通過管路連接循環閥的輸入口，循環閥的輸出口通過管路連接到緩沖池中，緩沖池通過管路連接到混肥桶中；
[0010]混肥泵的輸出口通過管路還連接到灌溉閥的輸入口，灌溉閥的輸出口連接的管路上設置有第一流量計；
[0011]隔膜泵的輸入口連接到肥料桶中，隔膜泵的輸出口通過第二流量計后連接到逆止閥的輸入口，逆止閥的輸出口通過管路連接到混肥桶中；
[0012]混肥閥的輸出口通過管路還連接到止逆閥的輸入口 ；
[0013]還包括第一 pH傳感器、第一 Ec傳感器、第二 pH傳感器、第二 Ec傳感器、上液位開關、下液位開關、液位傳感器、液溫傳感器和電加熱器；
[0014]設置于緩沖池內的第一 pH傳感器和第一 Ec傳感器檢測到的信號輸入到控制器；
[0015]設置于營養液回收桶內的第二 pH傳感器和第二 Ec傳感器檢測到的信號輸入到控制器；
[0016]設置于混肥桶內的液位傳感器和液溫傳感器檢測到的信號輸入到控制器；
[0017]設置于混肥桶上部的上液位開關和設置于混肥桶下部的下液位開關檢測到的信號輸入到控制器；
[0018]電加熱器設置于混肥桶內部；
[0019]控制器控制營養液回收泵、進水泵、混肥泵和電加熱器的啟停；
[0020]所述的隔膜泵的輸出管路上設置有電磁閥，控制器控制所述的電磁閥；
[0021]還包括上位機；
[0022]所述的控制器與上位機通信。
[0023]更加優選技術方案，所述的控制器采用PLC實現。
[0024]更加優選技術方案，所述的控制器與所述上位機采用RS232通信。
[0025]更加優選技術方案，所述的PLC控制器通過CAN總線接口連接模數擴展模塊，實現采集多路傳感器信號與控制多路輸出執行裝置。
[0026]更加優選技術方案，控制器通過繼電器控制營養液回收泵、進水泵、混肥泵和電加熱器的啟停。
[0027]更加優選技術方案，所述的控制器控制循環閥的開與關。
[0028]更加優選技術方案，所述的隔膜泵的輸出管路上設置有過濾器。
[0029]更加優選技術方案，所述的控制器通過繼電器控制殺菌消毒器的啟停。
[0030]更加優選技術方案，所述的上位機配置有觸摸屏。
[0031]與現有技術方案相比，本實用新型的有益效果是:(I)閉環肥水灌溉決策方式:本實用新型采用閉環控制方式決策肥水灌溉的濃度，根據作物對肥水的需求，精確控制營養液母液和水混合比例。(2)肥水混合灌溉控制模式:本實用新型肥水混合灌溉機具有三種控制模式:手動控制模式、標準配方控制模式和基于肥水灌溉模型的控制模式。手動模式:可根據用戶設置的參數，執行肥水混合灌溉；標準配方模式:可導入成熟的作物肥水灌溉配方，實施肥水混和灌溉；基于肥水灌溉模型的控制模式:根據灌溉肥水信息和回收肥水信息建立的肥水灌溉模型，執行肥水混合灌溉。(3) HMI觸控系統:HMI觸控系統具有簡單易操作的肥水灌溉控制界面，顯示各項傳感器及執行設備的信息，并存儲各傳感器信息及系統執行日志信息于SD存儲卡中，以便后期的查詢與分析使用，可通過觸摸設置及查詢系統工作參數。(4)移動式鋁材臺架:采用可移動式臺架，方便肥水灌溉機到達多棟溫室大棚執行肥水灌溉任務。本實用新型特別適用于大型多棟溫室大棚無土栽培作物肥水灌溉場合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1為本實用新型管路示意圖；
[0033]圖2為本實用新型電路控制部分示意圖；
[0034]圖3為本實用新型工作流程示意圖；
[0035]圖4為本實用新型的HMI觸控系統控制界面示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本實用新型具體實施例做進一步的描述。
[0037]智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，包括營養液回收泵、第一過濾器、殺菌消毒器、營養液回收桶、第二過濾器、進水泵、混肥桶、混肥泵、混肥閥、灌溉閥、第一流量計、循環閥、緩沖池、肥料桶、隔膜泵、電磁閥、第二流量計、逆止閥和控制器；營養液回收液通過第一過濾器輸入到營養液回收泵的輸入口，營養液回收泵的輸出口連接殺菌消毒器的輸入口，殺菌消毒器的輸出口通過管路連接到營養液回收桶中；營養液回收桶中營養液回收液和天然水源通過第二過濾器過濾后輸入到進水泵；進水泵的輸出口通過管路連接到混肥桶中；混肥泵的輸入口通過管路連接到混肥桶中，混肥泵的輸出口通過管路連接混肥閥的輸入口，混肥閥的輸出口通過管路連接循環閥的輸入口，循環閥的輸出口通過管路連接到緩沖池中，緩沖池通過管路連接到混肥桶中；混肥泵的輸出口通過管路還連接到灌溉閥的輸入口，灌溉閥的輸出口連接的管路上設置有第一流量計；隔膜泵的輸入口連接到肥料桶中，隔膜泵的輸出口通過第二流量計后連接到逆止閥的輸入口，逆止閥的輸出口通過管路連接到混肥桶中；混肥閥的輸出口通過管路還連接到止逆閥的輸入口 ；還包括第一 pH傳感器、第一 Ec傳感器、第二 pH傳感器、第二 Ec傳感器、上液位開關、下液位開關、液位傳感器、液溫傳感器和電加熱器；設置于緩沖池內的第一 PH傳感器和第一 Ec傳感器檢測到的信號輸入到控制器；設置于營養液回收桶內的第二 PH傳感器和第二 Ec傳感器檢測到的信號輸入到控制器；設置于混肥桶內的液位傳感器和液溫傳感器檢測到的信號輸入到控制器；設置于混肥桶上部的上液位開關和設置于混肥桶下部的下液位開關檢測到的信號輸入到控制器；電加熱器設置于混肥桶內部；控制器控制營養液回收泵、進水泵、混肥泵和電加熱器的啟停；所述的隔膜泵的輸出管路上設置有電磁閥，控制器控制所述的電磁閥；還包括上位機；所述的控制器與上位機通信。所述的上位機配置有觸摸屏。[0038]其中，所述的控制器采用PLC實現。所述的控制器與所述上位機采用RS232通信。所述的PLC控制器通過CAN總線接口連接模數擴展模塊，實現采集多路傳感器信號與控制多路輸出執行裝置。控制器通過繼電器控制營養液回收泵、進水泵、混肥泵和電加熱器的啟停。所述的控制器控制循環閥的開與關。所述的隔膜泵的輸出管路上設置有過濾器。所述的控制器通過繼電器控制殺菌消毒器的啟停。
[0039]請閱圖1，肥水灌溉系統總體分為四部分:肥水信息檢測裝置、肥水混合灌溉控制器、執行裝置、輔助設備。肥水信息檢測裝置通過PH傳感器、Ec傳感器、液位傳感器、液溫傳感器、流量傳感器、液位開關，檢測灌溉肥水信息和回收肥水信息，并實時在HMI控制器上顯示與存儲。肥水混合灌溉控制器分為下位機PLC控制器和上位機HMI控制器，下位機PLC控制器采集肥水信息，將信息通過RS232接口傳送給HMI控制器，并根據上位機選擇的控制模式，執行相應的肥水混肥灌溉命令，其中下位機PLC控制器通過CAN總線連接模數擴展模塊。上位機HMI控制器實現顯示、存儲肥水信息，并設置肥水混合灌溉參數等功能，包括模式選擇、進水參數設置、混肥參數設置、灌溉參數設置、液溫參數設置、配方參數設置。執行裝置包括進水泵、混肥泵、隔膜泵、電磁閥等，主要通過PLC控制器或多路繼電器驅動電路控制，執行水源吸取、營養液母液吸取、肥水混肥比例控制、回收營養液和灌溉等功能。輔助設備主要包括營養液母液罐(肥料桶)、營養液回收桶、混肥桶、殺菌消毒器、過濾器等，輔助整個肥水混合灌溉功能的實現。
[0040]本實用新型采用的營養液母液是根據作物營養液配方成分制作的，選擇肥料進行合成營養液母液，并標定不同稀釋倍數下得Ec值和pH值及營養液成分穩定性。根據肥料的不同溶解度和合成反應，對肥料分類，分別放置在不同的營養液母液罐(肥料桶)中，以減少營養液母液的沉淀和化學反應。
[0041]肥水混合灌溉系統工作時，首先執行進水命令，水源有兩種選擇，分別為天然水源和回收營養液，由進水泵吸取到混肥桶中，當混肥桶中的水源達到設定液位值時，啟動混肥程序。當混肥桶中的水源達液位到設定高度時，自動停止進水。當液位超過混肥桶最高液位高度時，自動停止進水。當液位低于混肥要求的最低液位高度時，系統不能執行混肥或灌溉命令。當灌溉量大于混肥桶容量時，重復執行進水-混肥-灌溉命令即可。
[0042]肥水混合采用PID控制方法實現營養液母液和水源的混合。混肥命令執行時，首先打開混肥泵、混肥閥和循環閥，并關閉灌溉閥。隔膜泵吸取營養液母液通過過濾器，將營養液母液吸入混肥桶，通過混肥泵將水源和營養液母液進行充分混合。當緩沖池中檢測的肥水Ec值和pH值達到預期設定值時，自動停止混肥程序。此時關閉混肥閥和循環閥，并打開灌溉閥，將混合好的肥水通過滴灌帶供給各作物根部。灌溉閥與滴灌帶間安裝有流量計，檢測累計灌溉量信息。
[0043]作物栽培基質中滲出的營養液流入營養液回收槽中。回流營養液通過第一過濾器和殺菌消毒器處理后，吸入營養液回收桶中。在營養液回收桶中有Ec值傳感器和pH值傳感器，檢測回收營養液的信息。肥水混合灌溉機控制器同時采集灌溉液信息和回收營養液的信息，根據肥水灌溉模型，決策下一次肥水混肥信息參數，從而實現閉環控制，根據作物對肥料的需求性，設施肥水灌溉。
[0044]液溫傳感器檢測混肥桶中液體的溫度，主要防止冬季水源溫度過低，通過電加熱器為肥水加溫至預設定閥。[0045]液位開關分為上液位開關和下液位開關。上液位開關是實現防止混肥桶中肥水溢出保護功能；下液位開關為實現肥水混合和灌溉的最低液位限制功能。
[0046]請閱圖2，肥水灌溉機控制電路主要包括開關電源、傳感器、下位機PLC控制器、上位機HMI控制器和執行設備。開關電源為220VAC轉換為24VDC和5VDC，為下位機PLC、上位機HMI控制器和傳感器供電。下位機PLC控制器具有多輸入、多輸出接口的優點，本實用新型中PLC控制器通過CAN總線接口連接模數擴展接口模塊。下位機控制器共具有多路模數轉換接口、開關量/脈沖量接口和輸出接口。Ec傳感器、pH傳感器、液位傳感器、液溫傳感器為模擬信號，接入模數接口 ；流量傳感器為脈沖信號，接入開關量接口 ；液位開關為開關量，接入開關量接口。下位機PLC控制器與上位機HMI控制器通過RS232通信接口連接。上位機HMI控制器顯示與存儲各輸入信號的實時數據。可通過HMI控制器設置肥水混合灌溉參數。下位機PLC根據上位機設置的參數執行相應的肥水混合灌溉命令，驅動各電磁閥和泵的通斷。在肥水灌溉機控制柜上設置有手動操作按鈕，實現進水、混肥、灌溉和營養液回收功能。
[0047]請閱圖3，在肥水灌溉機實現智能混合營養液母液和天然水源前，首先需要根據栽培作物選擇營養液配方，其次選定肥料種類，制作營養液母液，并標定營養液母液在不同稀釋倍數下的Ec值和pH值。在肥水混合灌溉前，首先根據選定的水源類型和進水量，執行進水命令。如果不需要混合營養液母液，則直接執行灌溉命令。如果需要混合肥料，則執行混合流程。混合根據設定值、配方值或理論計算值，采用PID控制算法，執行混肥命令。當混合肥水的Ec值和pH值達到設定值時，執行灌溉命令。混合后的肥水通過滴灌帶流入作物根部基質，多余營養液將滴入營養液回收槽內。肥水灌溉后，根據設定時間，執行營養液回收命令，通過第一過濾器和殺菌消毒器處理，將營養液吸入營養液回收桶中，備下次灌溉重復使用，節約水源。在營養液回收桶中安裝有Ec傳感器和pH傳感器，檢測回收營養液信息，為肥水灌溉決策提供依據。
[0048]請閱圖4，HMI觸控系統實現肥水混合灌溉機參數顯示、存儲和參數設置功能。通過在計算機上編輯組態軟件，通過USB接口向HMI控制器下載控制軟件。HMI觸控系統界面上顯示各傳感器的實時數據，包括:混肥桶肥水Ec值和pH值、液位、液溫、累計灌溉量和回收營養液的Ec值和pH值。控制模式:手動模式、配方模式和閉環模式。手動控制按鈕包括:進水、混肥、灌溉和營養液回收。在控制器界面上顯示了肥水混合的實時Ec值曲線圖。參數設置功能包括:進水參數設置、混肥參數設置、灌溉參數設置、液溫參數設置和配方參數設置。進水參數設置包括:進水量和水源選擇；混肥參數設置包括:Ec值和pH值；灌溉參數設置包括:灌溉時間、灌溉頻率；液溫參數設置包括:肥水加熱閥值；配方設置參數:導入作物各生長階段的肥水Ec值和pH值。HMI控制器采用觸控方式實現功能設置功能。HMI控制器將采集的傳感器信息存儲于控制器SD卡中，備后期查詢和分析使用。
[0049]本實用新型主要包括PLC控制器、模數擴展板、HMI觸控屏、Ec傳感器、pH傳感器、液位傳感器、液溫傳感器、流量傳感器、增壓自吸泵、隔膜泵、電加熱器、壓力開關、液位開關、流量計、電磁閥、UPVC管及配件、過濾器、噴射器、營養液母液罐、混肥桶、營養液回收桶、殺菌消毒器、多路繼電器、斷路器、鋁型材臺架等。本方案中各傳感器信號接入PLC控制器和模數擴展板，通過RS232通信接口，連接到HMI觸控屏上，實時顯示各傳感器信息的實際測量值，并將傳感器信息存儲于HMI觸控器的SD卡中。根據灌溉肥水信息和回收肥水信息建立的肥水灌溉模型，決策下一次灌溉肥水的Ec值、pH值和灌溉量，通過肥水灌溉機執行營養液母液和水的自動混合及灌溉流程，實現智能化溫室大棚無土栽培肥水灌溉功能。本實用新型將在實現精確控制營養液母液和水混合比例的基礎上，采集回收營養液的Ec值和PH值，根據回收營養液信息和灌溉肥水信息建立的作物肥水灌溉模型，修正成熟的無土栽培作物灌溉配方，從而實現溫室作物無土栽培肥水灌溉的閉環監控裝置。
【權利要求】
1.智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，包括營養液回收泵、第一過濾器、殺菌消毒器、營養液回收桶、第二過濾器、進水泵、混肥桶、混肥泵、混肥閥、灌溉閥、第一流量計、循環閥、緩沖池、肥料桶、隔膜泵、電磁閥、第二流量計、逆止閥和控制器； 營養液回收液通過第一過濾器輸入到營養液回收泵的輸入口，營養液回收泵的輸出口連接殺菌消毒器的輸入口，殺菌消毒器的輸出口通過管路連接到營養液回收桶中； 營養液回收桶中營養液回收液和天然水源通過第二過濾器過濾后輸入到進水泵； 進水泵的輸出口通過管路連接到混肥桶中； 混肥泵的輸入口通過管路連接到混肥桶中，混肥泵的輸出口通過管路連接混肥閥的輸入口，混肥閥的輸出口通過管路連接循環閥的輸入口，循環閥的輸出口通過管路連接到緩沖池中，緩沖池通過管路連接到混肥桶中； 混肥泵的輸出口通過管路還連接到灌溉閥的輸入口，灌溉閥的輸出口連接的管路上設置有第一流量計； 隔膜泵的輸入口連接到肥料桶中，隔膜泵的輸出口通過第二流量計后連接到逆止閥的輸入口，逆止閥的輸出口通過管路連接到混肥桶中； 混肥閥的輸出口通過管路還連接到止逆閥的輸入口； 還包括第一 pH傳感器、第一 Ec傳感器、第二 pH傳感器、第二 Ec傳感器、上液位開關、下液位開關、液位傳感器、液溫傳感器和電加熱器； 設置于緩沖池內的 第一 PH傳感器和第一 Ec傳感器檢測到的信號輸入到控制器； 設置于營養液回收桶內的第二 PH傳感器和第二 Ec傳感器檢測到的信號輸入到控制器； 設置于混肥桶內的液位傳感器和液溫傳感器檢測到的信號輸入到控制器； 設置于混肥桶上部的上液位開關和設置于混肥桶下部的下液位開關檢測到的信號輸入到控制器； 電加熱器設置于混肥桶內部； 控制器控制營養液回收泵、進水泵、混肥泵和電加熱器的啟停； 所述的隔膜泵的輸出管路上設置有電磁閥，控制器控制所述的電磁閥； 還包括上位機； 所述的控制器與上位機通信。
2.根據權利要求1所述的智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，所述的控制器采用PLC實現。
3.根據權利要求1所述的智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，所述的控制器與所述上位機采用RS232通信。
4.根據權利要求2所述的智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，所述的PLC控制器通過CAN總線接口連接模數擴展模塊，實現采集多路傳感器信號與控制多路輸出執行裝置。
5.根據權利要求1所述的智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，控制器通過繼電器控制營養液回收泵、進水泵、混肥泵和電加熱器的啟停。
6.根據權利要求1所述的智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，所述的控制器控制循環閥的開與關。
7.根據權利要求1所述的智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，所述的隔膜泵的輸出管路上設置有過濾器。
8.根據權利要求1所述的智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，所述的控制器通過繼電器控制殺菌消毒器的啟停。
9.根據權利要求1所述的智能溫室大棚無土栽培肥水灌溉系統，其特征在于，所述的上位機配置有觸摸屏。
【文檔編號】A01C23/04GK203761830SQ201420137436
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】汪小旵, 孫國祥, 狄嬌, 李永博, 陳滿, 張瑜, 施印炎 申請人:南京農業大學