一种植物土壤营养液自动补给系统及方法与流程

本发明涉及农业自动控制领域，具体涉及一种植物土壤营养液自动补给系统及方法。

背景技术：

现在社会人口快速增长，农业产品的产量越来越不能满足人们的需求，提高农业产品的产量就显得尤为重要。为此，国家采用了多种方法来提高农产品的数量，如扩大农业耕种的面积、选用优良品种等等。无论何种方法手段，农作物的生长都离不开所需的营养成分，营养成分不足，农作物生长不良，营养成分过剩，伤害作物根系，延缓作物生长，降低作物质量，甚至造成作物死亡，因此检测土壤养分的含量，精确的补充农作物所需的营养显得格外重要。

精细农业是目前国际农业发展的方向和潮流，通过对水、营养成分的精细调控确保农产品的产量和品质，也是提高灌溉管理水平、实现节水农业的一个必然趋势。近年来，我国农业尤其是温室大棚灌溉控制设备日趋增多，但是精准控制的程度不够。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种植物土壤营养液自动补给系统及方法，能检测土壤养分的缺失情况并及时自动的补给，准确度高。

一种植物土壤营养液自动补给系统，包括土壤检测模块、主处理模块、营养液混合模块、雨水过滤模块和设置在土壤上方的若干个喷头；

土壤检测模块包括土壤养分速测仪、取样单元和无线发射单元；取样单元采用以下方法进行取样：在每一个土壤待测点取5个样品，其中在土壤待测点位置取1个样品，并在以该土壤待测点位置为圆心、预设的采样距离为半径的圆上均匀取4个样品，得到该土壤待测点对应的5个样品；土壤养分速测仪检测取样单元中取得的样品中土壤的水分、全氮、有效磷、有效钾的含量，并将检测结果通过无线发射单元发送给主处理模块；

主处理模块包括无线接收单元、数据分析单元和控制单元；无线接收单元用于接收来自土壤检测模块的数据，并将该数据传输给数据分析单元；数据分析单元用于分析来自无线接收单元的数据，得到土壤中各个营养液需补给的体积，并通过控制单元控制营养液混合模块中营养液储蓄箱中阀门的开启或关闭；

营养液混合模块包括混合池、搅拌装置、增压泵和若干个营养液储蓄箱；其中营养液储蓄箱设置在混合池上方，每个营养液储蓄箱上均设有注入管，注入管上均设有阀门，营养液储蓄箱中存储有营养液或水，同一种营养液存储在同一个营养液储蓄箱中，当营养液储蓄箱的阀门开启时，存储的营养液或水流入混合池中；搅拌装置设置在混合池内，用于对混合池中的液体搅拌均匀；增压泵用于将混合池中的液体压入喷头中；

雨水过滤模块包括雨水采集模块和雨水过滤器；雨水采集模块连接至雨水过滤器的入口，雨水过滤器的出口连接至存有水的营养液储蓄箱中；雨水采集模块用于收集雨水，收集的雨水从雨水过滤器的入口流入雨水过滤器中，过滤后的雨水从雨水过滤器出口流进存有水的营养液储蓄箱中。

优选地，所述搅拌装置包括抽水管、混合泵、排水管和喷嘴；喷嘴设置在所述混合池的底部且朝上设置，抽水管一端伸入所述混合池中水位下方，另一端连接至混合泵的进水端，混合泵的出水端连接至排水管的一端，排水管的另一端伸入混合池中与喷嘴连接，混合泵用于将从进水端进入的液体从出水端压出后，从喷嘴喷出。

优选地，所述排水管通过过滤器与喷嘴连接。

优选地，所述喷嘴为扇形喷嘴。

优选地，所述营养液储蓄箱上端部的内壁上设有第一液位计，用于检测营养液储蓄箱中液体水位，并将检测数据传输给控制单元，控制单元用于接收到来自第一液位计的检测数据后，判断该数据是否达到预设的液位安全高度，如果达到，进行报警。

优选地，所述雨水采集模块包括弯曲的输水管道，输水管道的弯折处具有连通外界的排沙孔，排沙孔的孔径为0.4mm，输水管道与所述雨水过滤器入口连接。

优选地，所述混合池的内壁上还设有第二液位计，第二液位计连接至主处理模块的控制单元，第二液位计用于检测混合池中液体水位，并将检测数据传输给控制单元，控制单元用于接收到来自第二液位计的检测数据后，判断该数据是否达到预设的安全高度，如果达到，进行报警。

一种植物土壤营养液自动补给方法，在上述的植物土壤营养液自动补给系统上运行，包括如下步骤：

S1)在土壤上设定若干个待测点，取样单元针对每一个土壤待测点都取5个样品，其中在每个土壤待测点取样时，在该土壤待测点位置取1个样品，并在以该土壤待测点位置为圆心、预设的采样距离为半径的圆上均匀取4个样品，得到该土壤待测点对应的5个样品；

S2)启动土壤养分速测仪，土壤养分速测仪将检测到的数据实时传输给主处理模块中的数据分析单元；

S3)数据分析单元根据接收到数据计算得到土壤中各个营养液需补给的体积，并通过控制单元控制对应的营养液储蓄箱中阀门的开启，使得营养液储蓄箱中的液体加入至混合池中；并在各个液体添加完毕后，关闭营养液储蓄箱中阀门；

S4)在营养液添加的过程中，启动搅拌装置对混合池中的液体进行搅拌，并在搅拌均匀后，关闭搅拌装置，启动增加泵，将混合池中的液体压入喷头中，并从喷头喷出。

优选地，所述步骤S3具体为：

S3a)数据分析单元中预存有各个营养液储蓄箱中营养液浓度值C_i；其中i取值为1～j，j为需要补给的营养液的个数；

S3b)数据分析单元根据接收到的来自土壤检测模块的数据，计算得到该土壤中需要补给的营养液以及补给的原液体积P_i，并根据需要补给的营养液浓度值C_i以及原液体积P_i,计算得到需要补给的营养液的补给体积V_i，其中V_i＝P_i/C_i；

S3c)数据分析单元根据需要补给的营养液的补给体积V_i、对应的营养液储蓄箱中注入管的截面S_i以及流速L_i，计算得到需要补给的营养液储蓄箱阀门开启时间T_i，其中T_i＝V_i/(S_i×L_i)；

S3d)控制单元控制对应的营养液储蓄箱阀门开启，并在检测到开启营养液储蓄箱阀门的时间到达营养液储蓄箱阀门开启时间T_i，关闭对应的营养液储蓄箱阀门。

优选地，所述步骤S3c中，数据分析单元还用于计算得到营养液添加过程中水的补给体积A，根据装有水的营养液储蓄箱中注入管的截面B以及流速D，计算得到该营养液储蓄箱阀门开启时间E，其中E＝A/(B×D)。

由上述方案可知，本发明提供一种植物土壤营养液自动补给系统及方法，具有以下有益的效果：

1、本方法土壤养分速测仪所测数据通过无线网络及时传输给主处理模块，提高了数据输入的及时性、准确性，避免了人工输入的误差和延时；通过数据分析单元计算阀门开启的时间，来控制阀门的打开和关闭，可以准确的补给土壤所缺养分的含量。

2、搅拌装置采用将混合池中液体抽入混合泵后，经混合泵将液体从设置在混合池底部的喷嘴喷入混合池的方式进行搅拌，使得混合池中液体搅拌更加均匀。

3、混合泵可以为微型液体泵，指具备抽水口、排水口各一个，并且在进口处能够持续形成真空或负压，排水口处形成较大输出压力。因此每次使用无需加引导水能够自吸，排水口的液体能形成较大的冲击力，有利于液体的混合。

4、扇形喷嘴由于其独特的结构，扇形喷嘴在高压的作用下，喷射出来的液体具有极大的冲击力。在这种冲击力的作用下，不仅有利于营养液的混合，还能避免池底形成沉积物，还能把混合池的污垢清洗干净。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对所需要使用的附图作简单地介绍。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明实施例所提供的一种植物土壤营养液自动补给系统的结构框图。

图中，1-土壤检测模块；2-无线发射单元；3-无线接收单元；4-数据分析单元；5-控制单元；6-主处理模块；7-装有营养液的营养液储蓄箱；8-装有水的营养液储蓄箱；9-注入管；10-阀门；11-混合池；12-第二液位计；13-水泵控制器；14-混合泵；15-增压泵；16-抽水管；17-排水管；18-喷嘴；19-输水管道；20-喷头；21-雨水过滤模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例：

一种植物土壤营养液自动补给系统，如图1所示，包括土壤检测模块1、主处理模块6、营养液混合模块、雨水过滤模块和设置在土壤上方的若干个喷头20；

土壤检测模块包括土壤养分速测仪、取样单元和无线发射单元2；取样单元采用以下方法进行取样：在每一个土壤待测点取5个样品，其中在土壤待测点位置取1个样品，并在以该土壤待测点位置为圆心、预设的采样距离为半径的圆上均匀取4个样品，得到该土壤待测点对应的5个样品；土壤养分速测仪检测取样单元中取得的样品中土壤的水分、全氮、有效磷、有效钾的含量，并将检测结果通过无线发射单元2发送给主处理模块；

主处理模块包括无线接收单元3、数据分析单元4和控制单元5；无线接收单元3用于接收来自土壤检测模块的数据，并将该数据传输给数据分析单元4；数据分析单元4用于分析来自无线接收单元3的数据，得到土壤中各个营养液需补给的体积，并通过控制单元5控制营养液混合模块中营养液储蓄箱中阀门的开启或关闭；

营养液混合模块包括混合池11、搅拌装置、增压泵15和若干个营养液储蓄箱(其中7为装有营养液的营养液储蓄箱，8为装有水的营养液储蓄箱)；其中营养液储蓄箱设置在混合池11上方，每个营养液储蓄箱上均设有注入管9，注入管9上均设有阀门10，营养液储蓄箱中存储有营养液或水，同一种营养液存储在同一个营养液储蓄箱中，当营养液储蓄箱的阀门开启时，存储的营养液或水流入混合池中；搅拌装置设置在混合池内，用于对混合池中的液体搅拌均匀；增压泵15用于将混合池中的液体压入喷头20中；，其中增压泵15通过输水管道19连接至喷头20上。

雨水过滤模块21包括雨水采集模块和雨水过滤器；雨水采集模块连接至雨水过滤器的入口，雨水过滤器的出口连接至存有水的营养液储蓄箱中；雨水采集模块用于收集雨水，收集的雨水从雨水过滤器的入口流入雨水过滤器中，过滤后的雨水从雨水过滤器出口流进存有水的营养液储蓄箱中。

本实施例中，取5个样品来检测一个检测点的土壤水分、全氮、有效磷、有效钾的含量，其中每组样品中，在检测点上取1个样品，在该检测点附近与检测点距离相等的圆上均匀取4个样品，这样的检测结果不单单只是体现了处于中心检测点位置处的土壤养分缺失的情况，而是体现了中心检测点周边区域的整体养分缺失情况，这样提高了检测结果的普遍性、适用性和真实性。当土壤检测模块检测到该土壤中某养分的含量低于植物正常生长的含量时，为了保证植物正常生长，就需要给土壤补充对应的养分。例如当土壤中全氮含量过低时，就需要让土壤中补充氮肥，便控制装有氮肥的营养液储蓄箱的阀门打开，使得氮肥加入混合池中。其中不同的种类或成长期的植物需要的养分含量不同，数据分析单元中可以预设有不同种类或成长期下植物所需养分的含量，当开启该系统检测土壤养分时，可以输入植物的类别和成长期，这样该数据分析单元便可以根据不同种类或成长期的植物来补充土壤所需的养分，适用性更广。同一种营养液存储在同一个营养液储蓄箱中，这样能更加准确地控制加入混合池中的养分含量。

各种营养液和水加入混合池中进行混合后，在通过增压泵压入喷头中，对土壤进行灌溉，所以混合池的基本要求就是能够将液体搅拌均匀，这样才能保证喷洒的液体富含有各种养分。营养液储蓄箱中的液体通过注入管注入混合池中，注入管中阀门打开时，营养液储蓄箱中的液体便加入至混合池中，注入管中阀门关闭时，停止向混合池中加入营养液。该系统中设有存有水的营养液储蓄箱，一方面用于给土壤补充水分，另一方面用于稀释营养液浓度。

本实施例为了达到更好的节能效果，将收集的雨水过滤后作为水分对土壤进行灌溉，雨水过滤器用于过滤收集的雨水中的颗粒和有害物质，形成可以直接对植物灌溉的水分。本系统土壤养分速测仪所测数据通过无线网络及时传输给电脑，提高了数据输入的及时性、准确性，避免了人工输入的误差和延时，通过电脑数据分析计算阀门开启的时间，来控制阀门的打开和关闭，可以准确的补给土壤所缺养分的含量。

所述搅拌装置包括抽水管16、混合泵14、排水管17和喷嘴18；喷嘴18设置在所述混合池11的底部且朝上设置，抽水管16一端伸入所述混合池11中水位下方，另一端连接至混合泵14的进水端，混合泵14的出水端连接至排水管17的一端，排水管17的另一端伸入混合池中与喷嘴18连接，混合泵用于将从进水端进入的液体从出水端压出后，从喷嘴喷出。还包括水泵控制器13，水泵控制器13用于控制混合泵14和增压泵15的启动或关闭。

现有的搅拌装置基本为设置在混合池内的搅拌叶轮，通过电机控制搅拌叶轮转动进行搅拌，这种搅拌方式对于容量比较大的溶液来说具有以下缺点：1、搅拌不够均匀，该方法只能对搅拌叶轮附近的溶液进行搅拌。2、电机耗电量比较大。为此本实施例中提出了上述搅拌装置，混合泵可以将混合池中的液体抽入混合泵中进行一级混合后，压入排水管，使得一级混合后的液体能够从设置在混合池底部的喷嘴喷出，喷出的液体继续保持向上的运动状态，和喷嘴上方的液体混合搅拌，完成二级混合。搅拌装置通过抽水管抽液、排水管排液，再通过喷嘴将混合液喷出，最后回到混合池，在抽排的循环作用下，达到将混合液混合均匀的目的，搅拌更加均匀。混合泵可以为微型液体泵，微型液体泵具备抽水口、排水口各一个，并且在进水端能够持续形成真空或负压，排水端形成较大输出压力。因此每次使用无需加引导水能够自吸，排水端的液体能形成较大的冲击力，有利于液体的混合。

所述排水管通过过滤器与喷嘴连接。过滤器主要用于过滤从排水管流进喷嘴中液体中存在的颗粒，为了防止大量颗粒流向喷嘴堵塞喷嘴。所述喷嘴为扇形喷嘴。扇形喷嘴由于其独特的结构，扇形喷嘴在高压的作用下，喷射出来的液体具有极大的冲击力。在这种冲击力的作用下，不仅有利于营养液的混合，还能避免池底形成沉积物，还能把混合池的污垢清洗干净。

本实施例的系统还提供营养液储蓄箱水位监测功能。所述营养液储蓄箱上端部的内壁上设有第一液位计，用于检测营养液储蓄箱中液体水位，并将检测数据传输给控制单元，控制单元用于接收到来自第一液位计的检测数据后，判断该数据是否达到预设的液位安全高度，如果达到，进行报警。这样当营养液储蓄箱中水位太高时，进行报警，提示相关工作人员停止向该营养液储蓄箱中加入液体。同理，所述混合池的内壁上还设有第二液位计12，第二液位计12连接至主处理模块的控制单元5，第二液位计用于检测混合池中液体水位，并将检测数据传输给控制单元，控制单元用于接收到来自第二液位计的检测数据后，判断该数据是否达到预设的安全高度，如果达到，进行报警。当混合池中液位过高时，同样进行报警，提示相关工作人员停止向混合池中加入液体。

雨水过滤模块主要用于将雨水过滤后形成可用于灌溉的水分，用于给土壤灌溉。需要过滤的主要成分有颗粒、硫等有害物质。本实施例中的雨水过滤模块采用了两级过滤方法：在雨水采集模块进行第一级过滤，所述雨水采集模块包括弯曲的输水管道，输水管道的弯折处具有连通外界的排沙孔，排沙孔的孔径为0.4mm，输水管道与所述雨水过滤器入口连接，这样，雨水在流向雨水过滤器之前，雨水带有的颗粒就会沉积在输水管道的弯折处，并通过排沙孔排向外界，完成第一级过滤。然后在流向雨水过滤器完成第二级过滤。

一种植物土壤营养液自动补给方法，在上述的植物土壤营养液自动补给系统上运行，包括如下步骤：

S1)在土壤上设定若干个待测点，取样单元针对每一个土壤待测点都取5个样品，其中在每个土壤待测点取样时，在该土壤待测点位置取1个样品，并在以该土壤待测点位置为圆心、预设的采样距离为半径的圆上均匀取4个样品，得到该土壤待测点对应的5个样品；

S2)启动土壤养分速测仪，土壤养分速测仪将检测到的数据实时传输给主处理模块中的数据分析单元；

S3)数据分析单元根据接收到数据计算得到土壤中各个营养液需补给的体积，并通过控制单元控制对应的营养液储蓄箱中阀门的开启，使得营养液储蓄箱中的液体加入至混合池中；并在各个液体添加完毕后，关闭营养液储蓄箱中阀门，不再往混合池中添加营养液；

S4)在营养液添加的过程中，启动搅拌装置对混合池中的液体进行搅拌，并在搅拌均匀后，关闭搅拌装置，启动增加泵，将混合池中的液体压入喷头中，并从喷头喷出，搅拌完毕后再启动增加泵对土壤进行灌溉，使得灌溉的液体富含有各种营养液。

所述步骤S3具体为：

S3a)数据分析单元中预存有各个营养液储蓄箱中营养液浓度值C_i；其中i取值为1～j，j为需要补给的营养液的个数，j小于等于营养液储蓄箱的个数；

S3b)数据分析单元根据接收到的来自土壤检测模块的数据，计算得到该土壤中需要补给的营养液以及补给的原液体积P_i，并根据需要补给的营养液浓度值C_i以及原液体积P_i,计算得到需要补给的营养液的补给体积V_i，其中V_i＝P_i/C_i；

S3c)数据分析单元根据需要补给的营养液的补给体积V_i、对应的营养液储蓄箱中注入管的截面S_i以及流速L_i，计算得到需要补给的营养液储蓄箱阀门开启时间T_i，其中T_i＝V_i/(S_i×L_i)；

S3d)控制单元控制对应的营养液储蓄箱阀门开启，并在检测到开启营养液储蓄箱阀门的时间到达营养液储蓄箱阀门开启时间T_i，关闭对应的营养液储蓄箱阀门。

本实施例提供的营养液添加方法，通过数据分析单元计算阀门开启的时间，来控制阀门的打开和关闭，可以准确的补给土壤所缺养分的含量，操作简单。具体实施时，原液是指养分浓度高的营养液，浓度大于90％，其含有的水分可以忽略不计。营养液的补给体积V_i表示的是需要增加的养分的体积。营养液储蓄箱中注入管的截面S_i可以直接测量得到，流速L_i可以根据具体情况进行设定。具体实施时，控制模块需要设置个数和开启的营养液储蓄箱阀门个数相同的计时器，每个计时器用于检测每个营养液储蓄箱阀门开启的时间，当营养液储蓄箱阀门打开时，对应的计时器进行计时，当计时器计时到达该营养液储蓄箱阀门开启时间T_i，计时器停止计时，并触发控制单元关闭该营养液储蓄箱阀门。

本实施例还提供营养液稀释的功能，所述步骤S3c中，数据分析模块除了需要计算得到营养液需要补给的体积后，还需要计算得到稀释营养液需要的水分。灌溉的液体中营养液的浓度不宜过高或过低，过高会造成营养液不能完全被吸收，造成养分浪费。过低会导致养分补给不足。数据分析单元中还可以预设有适合植物生长的灌溉液体的浓度，数据分析单元根据所加入的营养液原液体积和适合植物生长的灌溉液体的浓度，计算得到需要加入水分的体积(需要加入水分的体积等于加入的营养液原液体积除以适合植物生长的灌溉液体的浓度)，数据分析单元还用于计算得到营养液添加过程中水的补给体积A，根据装有水的营养液储蓄箱中注入管的截面B以及流速D，计算得到该营养液储蓄箱阀门开启时间E，其中E＝A/(B×D)，并通过步骤S4的方法控制水分的加入。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。