一种无土栽培装置的制造方法
【专利摘要】一种无土栽培装置，涉及农作物种植。设有固定板、机架、人机界面、pH检测仪、电导仪、用电检测仪表、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、二氧化碳发生器、灯管、定植板、液位传感器、培养液储存箱、管道、水泵、流利条、溢流口与二分开关快接球阀、培养床、温度传感器、风扇、主机、AD转换模块、温控模块、变频器、管道压力传感器、电磁阀、三通管。通过人机界面设置植物在不同生长周期的环境参数值，结合多种传感器执行器实现对植物生长过程中的光照度、温湿度、CO2和管道压力值智能监控与实时调节，实现不同类型植物在生命周期内高效无土培育，为植物生长提供最适生长条件，充分节约人力与物力，显著提高作物质量与生长效率。
【专利说明】
一种无土栽培装置
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及农作物种植，特别是涉及一种无土栽培装置。
【背景技术】
[0002]随着城镇化进程的不断加剧，中国的人均耕地面积日益减少，因此利用无土栽培节约耕地、防止病虫害。但目前的无土栽培还需要投入较多人力实现栽培和监控，且植物生长周期较长，故开发设计无土栽培装置，实现环境的自动调节，为植物提供最适生长条件，并通过全天光照和温度调节实现农作物不间断生长，显著提高种植效率和农作物质量。
[0003]中国专利200720063611公开一种蔬菜植物观赏培养箱，可以一定程度上实现植物生长环境的调节，但缺少人机界面难以实现手动调节与环境检测功能。
[0004]中国专利90222902公开一种植物组织分化和生长培养箱，通过箱内产生不同强度的电场、磁场和多种光谱促进生物的组织分化和生长，但该专利专门用于生物组织培养，限制广品适用范围。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于为了克服上述现有技术的不足，提供一种无土栽培装置。
[0006]本实用新型设有固定板、机架、人机界面、pH检测仪、电导仪、用电检测仪表、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、二氧化碳发生器、灯管、定植板、液位传感器、培养液储存箱、管道、水栗、流利条、溢流口与二分开关快接球阀、培养床、温度传感器、风扇、主机、AD转换模块、温控模块、变频器、管道压力传感器、电磁阀、三通管；
[0007]所述固定板设于机架顶部，人机界面、pH检测仪、电导仪、用电检测仪表安装在固定板上，湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和温度传感器设于机架内上部，用于对系统环境的实时监测与反馈;二氧化碳发生器、灯管和风扇设于机架内上部，用于实现对系统环境的实时调节;定植板设于培养床上，培养床设于机架内上部，用于植物的无土栽培；流利条设于培养床下部，用于培养床的移动;水栗设于机架底部，设于水栗开关处的电磁阀控制水栗运转使培养液通过管道流入培养床中；培养液储存箱设于机架内底部，液位传感器设于培养液储存箱内，用于对液位的检测;在水栗与培养液储存箱之间设有三通管，在管道中设有管道压力传感器用于检测管道压力值，在培养床侧壁设有溢流口，溢流口通过溢流口与二分开关快接球阀与培养液储存箱连接，用于将多余的培养液回流至培养液储存箱，实现培养液循环;在机架顶部设有主机、AD转换模块、温控模块和变频器，用于对整个系统的控制。
[0008]在机架的底部可设有底轮。
[0009]所述温度传感器可采用PT100温度传感器。
[0010]所述主机可采用台达SS2主机。
[0011]本实用新型的机械结构主要包括制作材料为亚克力板的顶板和铝型材搭建的整个外观结构。在装置中部放置定植板与培养床，用于植物的无土栽培;通过在培养床下部装设流利条，便于培养床的移动;并在装置底部设置培养液储存箱，水栗运转使培养液通过管道流入培养床中，在水栗与培养液储藏箱之间架设三通管，防止管道压力过大导致破损;并在培养床侧壁开溢流口，通过二分开关快接球阀使多余培养液回流至培养液储存箱中，实现整个培养液循环;在装置顶部设置AD转换模块、台达SS2主机、变频器和温控模块实现对整个系统的控制;在顶部亚克力板上部装设人机界面，便于操作人员对装置进行操作;并在人机界面旁设置PH计及电导率仪，实时检测系统环境;通过在系统内装设温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器实现对系统环境的实时监测与反馈;液位传感器装设于培养液储存箱内部，实现对液位的检测;通过在系统内安装风扇、灯管和二氧化碳发生器，可以实现对环境的实时调节。
[0012]电气控制部分主要基于台达SS2主机核心控制，主控制部分包括:台达SS2主机、台达4路输入温控模块、台达M系列变频器、DOP系列控制频和用电检测仪表，各个控制器之间相互连接，相互通讯;传感器主要包括PT100温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器、在线PH检测仪、在线电导仪、液位传感器、管道压力传感器等;执行器包含风扇、灯管和二氧化碳发生器。各类传感器将检测到的模拟信号传输给主机，通过主机的AD转换模块将模拟量转化为数字量，进而通过PLC编程控制各类执行器的启停;管道压力传感器将检测到的压力模拟量信号通过AD转化模块转化为数字量，从而使变频器通过模糊算法和PID闭环控制来控制水栗电机的运转速度，调节管道压力值。
[0013]本实用新型可以通过水栗将培养液储存箱中液体供给培养床，并在培养床侧壁设置溢流口实现培养液循环。各类传感器等将检测到的环境参数反馈至台达SS2主机和变频器中，通过PID闭环控制、模糊控制等理论编程控制风扇等执行机构进行全自动化智能培植。并通过人机界面设置并显示当前环境参数值，实现实时监测。
[0014]本实用新型具有如下有益技术效果:
[0015]温湿度控制单元主要由湿度传感器，四路PT100温度传感器、台达温控器、24V风扇，白炽灯组成。湿度传感器将检测到的湿度通过模拟数据量传给主机，当室内湿度较大时，将自动启动风扇，根据主机内部内置PID参数调节来进行排湿功能;PT100温度传感器将检测到的温度回馈给温控器，温控器同时将检测到的温度模拟量给主机，通过温控器和PLC编程PID参数控制程序来控制白炽灯和风扇的启停:温度过高时风扇运行降温，温度过低时白炽灯发光进行升温。
[0016]光照强度控制单元由光照度传感器、并列的LED灯组成。光照度传感器将采集到的光照度信息传给主机，主机根据所设定的不同时间段植物生长所需的光照强度范围来控制LED亮灭的个数，从而达到预设的光照强度，使得温室的光照度达到植物生长的所需的最佳水平。
[0017]二氧化碳浓度控制单元由二氧化碳传感器、二氧化碳发生器组成。二氧化碳传感器将采集到的二氧化碳浓度信息传给主机，主机根据所设定的不同时间段植物生长所需的二氧化碳强度来控制二氧化碳发生器的启停:当温室内二氧化碳浓度较低时，主机根据内部设定的程序自动打开二氧化碳发生器电磁阀，室内二氧化碳浓度逐渐增高到某一设定范围，以达到植物生长所需的最佳二氧化碳浓度。
[0018]培养液循环控制单元由培养液储存箱、水栗、变频器、培养床和各种管道组成，在水栗出水口安装压力传感器，将压力值反馈给变频器，通过变频器PID闭环调节水栗的转速和流量，使得水管内的压力稳定在某一特定值。同时在培养液储存箱出水口设计旁路回流设计，以保证整个培养液循环系统的安全。液位传感器检测当前液位，并反馈给主机，通过变频器PID调节水栗流量控制液位在合理范围内。
[0019]系统控制单元包括主机(PLC控制器)、人机界面、用电检测仪表。PLC控制器是该无土栽培装置的核心，通过采集各个监控点的数据进行处理之后在人机界面上显示，让用户更加直观地监测整个温室系统的各个环境参数;另一方面，PLC控制器根据植物生长不同时段所需的最佳环境中设定的参数来控制各个执行器，维持植物生长最适环境。用电检测仪表将当前用电量传输至人机界面中，便于用户了解当前用电状况。人机界面主要起监控作用，可以监测到该温室系统内部的环境状况，并智能地根据植物当前生长状况来预估植物生长曲线与健康状态。当系统出现例如培养液液位过高、输出电压输出电流异常、水管压力异常、温室温度过高等异常情况时会有报警提示。
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型实施例的结构组成示意图。
[0021 ]图2为本实用新型实施例的培养液循环机构机械结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]以下实施例将结合附图对本实用新型做进一步说明。
[0023]参见图1和2，本实用新型实施例设有固定板A、机架B、人机界面1、ρΗ检测仪2、电导仪3、用电检测仪表4、湿度传感器51、光照传感器52、二氧化碳传感器53、二氧化碳发生器6、灯管7、定植板8、液位传感器9、培养液储存箱1、管道11、水栗12、流利条14、溢流口与二分开关快接球阀15、培养床16、温度传感器17、风扇18、主机19、AD转换模块20、温控模块21、变频器22、管道压力传感器23、电磁阀24、三通管25和供电电源；
[0024]所述固定板A设于机架B顶部，人机界面1、ρΗ检测仪2、电导仪3、用电检测仪表4安装在固定板A上，湿度传感器51、光照传感器52、二氧化碳传感器53和温度传感器17设于机架B内上部，用于对系统环境的实时监测与反馈;二氧化碳发生器6、灯管7和风扇18设于机架B内上部，用于实现对系统环境的实时调节;定植板8设于培养床16上，培养床16设于机架B内上部，用于植物的无土栽培;流利条14设于培养床16下部，用于培养床16的移动;水栗12设于机架B底部，设于水栗12开关处的电磁阀24控制水栗12运转使培养液通过管道11流入培养床16中；培养液储存箱10设于机架B内底部，液位传感器9设于培养液储存箱10内，用于对液位的检测;在水栗12与培养液储存箱10之间设有三通管25，在管道11中设有管道压力传感器23用于检测管道压力值，在培养床16侧壁设有溢流口，溢流口通过溢流口与二分开关快接球阀15与培养液储存箱1连接，用于将多余的培养液回流至培养液储存箱1，实现培养液循环;在机架B顶部设有主机19、AD转换模块20、温控模块21和变频器22，用于对整个系统的控制。
[0025]在机架B的底部设有底轮13。
[0026]所述温度传感器17采用PT100温度传感器。
[0027]所述主机19采用台达SS2主机。
[0028]本实用新型实施例的机械结构主要包括制作材料为亚克力板的顶板和铝型材搭建的整个外观结构，底部设置底轮13，便于装置的移动。在装置中部放置定植板8与培养床16，用于植物的无土栽培;通过在培养床16下部装设流利条14，便于培养床的移动;并在装置底部设置培养液储存箱10，设置于水栗12开关处的电磁阀24控制水栗12运转从而使培养液通过管道11流入培养床16中，在水栗12与培养液储藏箱10之间架设三通管25，防止管道11压力过大导致破损，同时在管道11中装设管道压力传感器23，可检测当前管道压力值;并在培养床16侧壁开溢流口，通过二分开关快接球阀15使多余培养液回流至培养液储存箱1中，实现整个培养液循环;在装置顶部设置AD转换模块20、主机19、变频器22和温控模块21实现对整个系统的控制;在顶部亚克力板上部装设人机界面I，便于操作人员对装置进行操作;并在人机界面旁设置用电检测仪表4、pH检测仪2及电导仪3，实时检测用电量与系统环境;通过在系统内装设温度传感器17、湿度传感器51、二氧化碳传感器52、光照传感器53实现对系统环境的实时监测与反馈;液位传感器9装设于培养液储存箱10内部，实现对液位的检测;通过在系统内安装风扇18、灯管7和二氧化碳发生器6，可以实现对环境的实时调节。
[0029]电气控制主要基于主机19核心控制，主控制部分包括:主机19、4路输入温控模块21、变频器22、用电检测仪表4，各个控制器之间相互连接，相互通讯；传感器主要包括，PT100温度传感器17、湿度传感器51、光照度传感器52、二氧化碳传感器53、pH检测仪2、电导仪3、液位传感器9、管道压力传感器23等;执行器包含风扇18、灯管7和二氧化碳发生器6。各类传感器将检测到的模拟信号传输给主机19，通过主机的AD转换模块20将模拟量转化为数字量，进而通过PLC编程控制各类执行器(二氧化碳发生器6、灯管7和风扇18)的启停;管道压力传感器23将检测到的压力模拟量信号通过AD转化模块20转化为数字量，从而使变频器22通过模糊算法和PID闭环控制来控制水栗12电机的运转速度，调节管道压力值。
[0030]本实用新型的具体工作原理和工作过程如下:
[0031]操作模式:
[0032]通过人机界面I为系统设置环境最适值范围。此模式下分为常见蔬菜与其他植物，常见蔬菜模式下，系统已根据植物实际生长状况设置好参数，选择此模式开始植物种植;其他植物模式下，需为该种类植物手动设置在不同生长周期的最适环境参数，如温湿度、光照、二氧化碳含量、管道压力。
[0033]为系统设置好参数，启动系统，湿度传感器51检测到当前湿度通过AD转换模块20将模拟量反馈至主机19，当室内湿度较大时，将自动启动风扇18，根据主机内部内置PID参数调节来进行排湿功能；当室内湿度较低时，将通过变频器22通过PID闭环调节水栗12转速和流量，增大室内湿度。四路温度传感器17通过温控器21分别将检测到的温度模拟量给主机19，通过温控器21和PLC编程PID参数控制程序来控制灯管7和风扇18的启停，温度过高时风扇18运行降温，温度过低时灯管7发光进行升温。光照度传感器5将采集到的光照度信息传给主机19，主机根据所设定的不同时间段植物生长所需的光照强度范围来控制灯管7亮灭的个数，使得温室的光照度达到植物生长的所需的最佳水平。二氧化碳传感器5将采集到的二氧化碳浓度信息传给主机19，主机根据所设定的不同时间段植物生长所需的二氧化碳强度来控制二氧化碳发生器6的启停，当温室内二氧化碳浓度较低时，主机根据内部设定的程序自动打开二氧化碳发生器6电磁阀，使室内二氧化碳浓度逐渐增高以达到植物生长所需的最佳二氧化碳浓度;二氧化碳浓度较高时，通过程序控制风扇18打开，使当前环境内二氧化碳含量恢复正常值。培养液循环控制单元通过在水栗12出水口安装压力传感器23，将压力值反馈给变频器22，通过变频器22PID闭环调节电磁阀24的开关程度与水栗12的转速和流量，使得水管11内的压力稳定在某一特定值。从而维持系统内环境的恒定，为植物提供最适生长环境保证其不间断生长，提高作物质量和生长效率。
[0034]正常模式:
[0035]用电检测仪表4可将当前电压、电流和用电量传输至人机界面I中，便于用户了解当前用电状况。
[0036]为人机界面设置监控界面，通过各个传感器将检测到的当前环境值通过主机19传输给人机界面I，便于用户及时查看当前环境指标。同时人机界面I通过历史记录功能，将检测到的环境参数值储存并以曲线图的形式呈现在界面中，用户通过观察曲线变化趋势判断当前植物健康状况并对生长情况进行预估。
[0037]维护模式:
[0038]用户可根据需要，自己备份系统当前状态的数据。当系统还原时，可在人机界面I中选择恢复到用户自定义状态。
[0039]系统故障报警后，若用户无法将系统恢复正常状态，通过选择恢复出厂设置系统即自动复原。一旦恢复出厂设置，系统将自动删除所有用户备份的数据。
[0040]当系统通过各个传感器监测例如培养液液位过高、输出电压输出电流异常、水管压力异常、温室温度过高等异常情况时会有报警提示并在人机界面I中呈现红灯报警，直至自动调节至正常值。在报警模式下，用户可以自行设置报警声音、报警情况及复位按钮的使用习惯。
[0041]本实用新型由PLC集成控制，通过人机界面设置植物在不同生长周期的环境参数值，结合多种传感器执行器实现对植物生长过程中的光照度、温湿度、CO2和管道压力值智能监控与实时调节。真正意义上实现了不同类型植物在生命周期内高效无土培育，为植物生长提供最适生长条件，充分节约人力与物力，显著提高作物质量与生长效率。
【主权项】
1.一种无土栽培装置，其特征在于设有固定板、机架、人机界面、pH检测仪、电导仪、用电检测仪表、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、二氧化碳发生器、灯管、定植板、液位传感器、培养液储存箱、管道、水栗、流利条、溢流口与二分开关快接球阀、培养床、温度传感器、风扇、主机、AD转换模块、温控模块、变频器、管道压力传感器、电磁阀、三通管； 所述固定板设于机架顶部，人机界面、PH检测仪、电导仪、用电检测仪表安装在固定板上，湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和温度传感器设于机架内上部，用于对系统环境的实时监测与反馈;二氧化碳发生器、灯管和风扇设于机架内上部，用于实现对系统环境的实时调节;定植板设于培养床上，培养床设于机架内上部，用于植物的无土栽培;流利条设于培养床下部，用于培养床的移动;水栗设于机架底部，设于水栗开关处的电磁阀控制水栗运转使培养液通过管道流入培养床中；培养液储存箱设于机架内底部，液位传感器设于培养液储存箱内，用于对液位的检测;在水栗与培养液储存箱之间设有三通管，在管道中设有管道压力传感器用于检测管道压力值，在培养床侧壁设有溢流口，溢流口通过溢流口与二分开关快接球阀与培养液储存箱连接，用于将多余的培养液回流至培养液储存箱，实现培养液循环;在机架顶部设有主机、AD转换模块、温控模块和变频器，用于对整个系统的控制。2.如权利要求1所述一种无土栽培装置，其特征在于在机架的底部设有底轮。3.如权利要求1所述一种无土栽培装置，其特征在于所述温度传感器采用PTlOO温度传感器。4.如权利要求1所述一种无土栽培装置，其特征在于所述主机采用台达SS2主机。
【文档编号】A01G31/02GK205623656SQ201620483239
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】许英杰, 马思远, 李文卓, 黄景山, 吉莹, 黄文广, 刘俊良
【申请人】厦门大学