一种通过盛水容器向植物的种植盆内自动浇水的装置及方法与流程

本发明涉及植物种植领域，尤其涉及一种通过盛水容器向植物的种植盆内自动浇水的装置及方法。

背景技术：

随着生活质量的提高，大多数家庭会比较喜欢在室内种植花草。但是，有时候出差在外，未能及时照料花卉，花卉可能会因缺水而死亡，给种植者带来精神上的打击和财产上的损失。

目前市面上虽然有一些自动浇花装置，但是这类装置通常不够智能，对浇水量的管控不太理想，不是浇水太多就是浇水太少。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过盛水容器向植物的种植盆内自动浇水的装置及方法，以使浇水量适宜，时刻使植物生长的水量保持在较优范围内。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种通过盛水容器向植物的种植盆内自动浇水的装置，包括：

种植盆，其内盛有土壤，植物种植于该土壤中，设定在该土壤条件下种植盆中的水分满足该植物处于最佳生长状态时，土壤内的渗流阻力大小为p2；

自动浇水组件，包括压力控制组件和盛水容器；所述的压力控制组件安装于所述盛水容器的上方，且压力控制组件下方的盛水容器内腔保持密封不漏气；所述盛水容器的下部通过供水管与所述种植盆内的土壤连通；

所述的压力控制组件包括测距部件、微型计算机、单片机、气压大小调节部件以及气压检测部件；所述的测距部件用于实时监测盛水容器内液面与测距部件之间的高度差，设定所监测的高度差为h1；所述的气压检测部件用于实时监测所述盛水容器内液面上方的气压大小，设定所监测的气压大小为p1′；所述的气压大小调节部件用于向所述盛水容器内液面上方通入气体或者用于将所述盛水容器内液面上方的气体排出；

设定所述供水管出口处管心与所述测距部件之间的高度差为h；设定当所述供水管出口处的压强为p2时，盛水容器内液面上方的气压大小为p1，则p2＝p1+ρg(h-h1)，即p1＝p2-ρg(h-h1)，其中，ρ取1.0g/cm³，g取9.8n/kg；

所述的气压检测部件以及所述的测距部件将各自所监测的气压大小p1′、高度差h1同时反馈给所述的微型计算机，微型计算机依据该高度差h1计算出此时的p1值，再将该p1值与此时的p1′值做比较；当p1′＜p1时，微型计算机将该信息传递给所述的单片机，单片机控制所述的气压大小调节部件向所述盛水容器内液面上方通入气体，直至p1′等于p1；当p1′＞p1时，微型计算机将该信息传递给所述的单片机，单片机控制所述的气压大小调节部件将所述盛水容器内液面上方的气体排出，直至p1′等于p1；当p1′＝p1时，微型计算机不向所述的单片机传递信息，气压大小调节部件不工作。

在本发明中：

可预先根据土壤的特性以及所栽种的植物在该土壤中生长时土壤湿度(含水率)的最优值，确定出此时土壤中的渗流阻力p2(其量纲同压强相同)，之后使供水管出口处的压强能够实施恒定在p2(通过调整盛水容器内液面上方的气压来保持其恒定在p2)。

假定初始状态下土壤内的渗透阻力即为p2，此时供水管出口处的压强与土壤内的渗透阻力保持平衡，供水管不会向土壤内供水；当植物生长吸收水分以及水分部分蒸发后，由于土壤湿度降低，土壤的渗透性会增大，导致土壤的渗透阻力减小，而由于供水管出口处的压强仍然恒定在p2，所以两者会失去平衡，供水管会自动向土壤内供水，使得土壤增湿，在增湿过程中，一方面土壤内的孔隙会被水流填充，另一方面土壤中的土颗粒遇水膨胀，使得孔隙通道变窄，因此，土壤的渗透性会降低(可参考文献：崔颖,缪林昌.非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究[j].岩土力学,2011,32(07):2007-2012；李永乐,刘臣,张红芬.黄河大堤饱和-非饱和土渗透特性研究[j].人民黄河,2009,31(04):19-20+22；刘奉银,张昭.增湿路径对非饱和土水气渗透系数的影响研究[j].水利学报,2008(08):934-939)，土壤的渗流阻力会逐渐变大，当土壤内的渗流阻力回到p2时，供水管出口处的压强又会与土壤内的渗流阻力达到平衡，进而供水管会停止供水；之后，一旦出现土壤湿度降低，本装置便会按照上述原理向土壤内自动供水。

本发明具有如下有益效果：通过确定出固有的、能满足植物较优生长环境的p2值，然后通过使供水侧的出水压强(即供水管出口处的压强)与需水侧的渗流阻力时刻保持平衡来维持土壤的湿度满足植物较优的生长环境，一旦需水侧失衡，供水侧便会自动向需水侧注水，使其回到平衡状态；可见，本发明对浇水量的管控较为合理，不会出现浇水过多或者浇水过少的问题，能时刻使土壤的湿度满足植物最佳生长环境，非常适用于长期无人照料的情况下使用。

进一步的，所述的压力控制组件还包括用于密封所述盛水容器的顶盖；该顶盖可分离式安装于所述盛水容器的上方；

所述的微型计算机和单片机均内置于所述的顶盖内，所述的测距部件、气压大小调节部件以及气压检测部件均安装于所述顶盖的底部。

进一步的，所述的测距部件为测距传感器，所述的气压大小调节部件为微型气泵，所述的气压检测部件为气压传感器。

本发明还提供了一种通过盛水容器向植物的种植盆内自动浇水的方法，该方法包括如下步骤：

根据所述种植盆内土壤的特性以及所述土壤中栽种的植物的特性，确定在该土壤条件下种植盆中的水分满足所栽种的植物处于最佳生长状态时土壤内的渗流阻力大小，并定义为p2；

对所述盛水容器内液面上方的气压大小实时监测并调整，以使盛水容器与种植盆内土壤相连通的出水口处的压强实时保持为p2；

其中，所述的盛水容器为密闭的容器。

该方法的有益效果与上述装置的有益效果基本一致，同样是通过使供水侧的出水压强与需水侧植物达到最佳生长环境下的压力(即渗流阻力)时刻保持平衡，来维持土壤的湿度以满足植物较优的生长环境。

进一步的，设定所述盛水容器与种植盆内土壤相连通的出水口处的压强为出水压强，该出水压强由盛水器液面与出水口之间的高度差所形成的液压以及盛水容器内液面上方的气压构成。

附图说明

图1是本发明提供的通过盛水容器向植物的种植盆内自动浇水的装置的一种实施例的示意图；

图2是图1中自动浇水组件的拆分图；

图3是图1的具体结构示意图；

图4是微型计算机控制气压大小调节部件工作时的逻辑图；

图中标记为：1-种植盆，2-供水管，3-自动浇水组件，21-供水管出口处管心，31-压力控制组件，32-盛水容器，311-测距部件，312-微型计算机，313-单片机，314-气压大小调节部件，315-气压检测部件，316-顶盖。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。

本发明提供了一种通过盛水容器向植物的种植盆内自动浇水的方法，该方法包括如下步骤：

根据所述种植盆内土壤的特性以及所述土壤中栽种的植物的特性，确定在该土壤条件下种植盆中的水分满足所栽种的植物处于最佳生长状态时土壤内的渗流阻力大小，并定义为p2；

对所述盛水容器内液面上方的气压大小实时监测并调整，以使盛水容器与种植盆内土壤相连通的出水口处的压强实时保持为p2；

其中，所述的盛水容器为密闭的容器。

设定所述盛水容器与种植盆内土壤相连通的出水口处的压强为出水压强。由于所述的盛水容器为密闭容器，该出水压强则由盛水器液面与出水口之间的高度差所形成的液压以及盛水容器内液面上方的气压构成。

盛水容器内液面上方的气压可能为负压，也可能为正压，这主要与土壤的渗透性有关。

图1-图3示出了依据上述方法而设计的一种通过盛水容器向植物的种植盆内自动浇水的装置，其包括：种植盆1、供水管2以及自动浇水组件3。

所述的种植盆1，其内盛有土壤，植物种植于该土壤中，设定在该土壤条件下种植盆1中的水分满足该植物处于最佳生长状态时，土壤内的渗流阻力大小为p2，即在该土壤条件下，含水率达到最优时。

所述的自动浇水组件3包括压力控制组件31和盛水容器32；所述的压力控制组件31安装于所述盛水容器32的上方，且压力控制组件31下方的盛水容器32内腔保持密封不漏气；所述盛水容器32的下部通过所述供水管2与所述种植盆1内的土壤连通。

具体的，所述的压力控制组件31包括测距部件311、微型计算机312、单片机313、气压大小调节部件314以及气压检测部件315；所述的测距部件311用于实时监测盛水容器32内液面与测距部件311之间的高度差，设定所监测的高度差为h1；所述的气压检测部件315用于实时监测所述盛水容器32内液面上方的气压大小，设定所监测的气压大小为p1′；所述的气压大小调节部件314用于向所述盛水容器32内液面上方通入气体或者用于将所述盛水容器32内液面上方的气体排出；

设定所述供水管2出口处管心21与所述测距部件311之间的高度差为h；设定当所述供水管2出口处的压强为p2时，盛水容器32内液面上方的气压大小为p1；由于供水管2出口处的压强是由供水管2及盛水容器32内的液压以及盛水容器32内液面上方的气压所共同形成的，所以p2＝p1+ρg(h-h1)，即p1＝p2-ρg(h-h1)，其中，ρ取1.0g/cm3，g取9.8n/kg。

所述的气压检测部件315以及所述的测距部件311将各自所监测的气压大小p1′、高度差h1同时反馈给所述的微型计算机312，微型计算机312依据该高度差h1计算出此时的p1值，再将该p1值与此时的p1′值做比较；当p1′＜p1时，微型计算机312将该信息传递给所述的单片机313，单片机313控制所述的气压大小调节部件314向所述盛水容器32内液面上方通入气体，直至p1′等于p1；当p1′＞p1时，微型计算机312将该信息传递给所述的单片机313，单片机313控制所述的气压大小调节部件314将所述盛水容器32内液面上方的气体排出，直至p1′等于p1；当p1′＝p1时，微型计算机312不向所述的单片机313传递信息，气压大小调节部件314不工作。

为使本装置的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本装置作进一步的详细阐述。

在一种优选的实施方式中，所述的压力控制组件31还包括用于密封所述盛水容器32的顶盖316；该顶盖316可分离式安装于所述盛水容器32的上方，优选地，所述顶盖316通过螺纹连接安装于盛水容器32上方；所述的微型计算机312和单片机313均内置于所述的顶盖316内，所述的测距部件311、气压大小调节部件314以及气压检测部件315均安装于所述顶盖316的底部，以便于测距、向此区域充气或放气以及监测此区域的气压。

将上述各部件集成于顶盖316上，能提高使用的方便性，使用时旋紧顶盖316即可密封盛水容器32，非常方便。

盛水容器内液面上方的气压可能为负压，也可能为正压，这主要与土壤的渗透性有关。

图中以种植盆1的高低低于自动浇水组件3为例，这也是常用的一种设置方式，种植盆1放置于地面，自动浇水组件3放置于高于种植盆1的架子上，便于使用者向盛水容器32内加水。

在一种优选的实施方式中，所述的测距部件311选用测距传感器，测距传感器的端头由所述顶盖316的底面露出并垂直指向盛水容器内的液面；所述的气压大小调节部件314选用微型气泵，微型气泵的一端与盛水容器32内腔连通，另一端与盛水容器32外界连通；所述的气压检测部件315选用气压传感器，气压传感器的检测头由所述顶盖316的底面露出，用于实时监测盛水容器内液面上方的气压大小。

所述压力控制组件31的电源可以由外接电源供电或者可以由内置蓄电池供电。

以下对本发明的原理作出进一步阐述：

土壤的渗透性是决定发生渗流作用的关键因素(可参考文献：金盼,陈波,胡云世.孔径分布对软黏土渗透特性的影响分析[j].水文地质工程地质,2018,45(04):86-93；邹维列,贺扬,张凤德,王东星,汪帅,王远明.改性淤泥固化土非饱和渗透特性试验研究[j].浙江大学学报(工学版),2017,51(11):2182-2188)，土壤中的渗流作用是土体中水份增加的重要途径；对于一定的土壤条件下，其渗透性的大小与土壤中孔隙体积有关，当土壤中所含水分增加时，一方面土壤中的孔隙会被水分占据，另一方面土壤中的土颗粒遇水膨胀，同样也会使得土壤中的孔隙变小，从而影响土壤的渗透性(可参考文献：刘勇,赵燕容.砂土渗透系数影响因素试验研究[j].江苏建筑,2017(05):88-90+106)；所以当土壤条件一定时，土壤的含水率便成为影响土壤渗透性大小的主要因素，而渗透性越小，土壤所产生的渗流阻力就会越大，土壤就越难发生渗流作用，而土壤的含水率又是决定植物生长环境是否良好的主要因素，因此，基本上可以认为植物生长的水环境与土壤内的渗透性，即渗流阻力是直接相关的。所以当土壤条件一定时，我们可依据所栽种的植物生长时所需的理论最佳需水量来确定土壤的湿度(即土壤含水率)，然后依据该含水率确定出此时土壤内的渗流阻力，并将其定为p2，其大小可通过文献(吴林高.渗流力学[m].上海科学技术文献出版社,1996)进行确定。需说明，该p2可以为一范围值，即含水率在一定范围内均能满足植物生长的最佳状态。

本装置的工作过程及原理：

首先，确定以下几个值的定义

p2′-种植盆1中渗流阻力的实际值；

p2-种植盆1中渗流阻力控制值；

p1′-气压检测部件315实时监测到的盛水容器32内液面上方气压大小的实际值；

p1-盛水容器32内液面上方气压大小的控制值；

h-供水管2出口处管心21与测距部件311之间的高度差；

h1-盛水容器32内液面与测距部件311之间的高度差；

其中，p1+ρg(h-h1)＝p2，ρ取1.0g/cm3，g取9.8n/kg；

(1)假定初始状态时，在需水侧，种植盆1中土壤内的渗流阻力实际值等于控制值，即p2′＝p2，土壤含水率满足植物最佳生长状态；同时，在供水侧，供水管2出口处的压强为p2，即供水管2及盛水容器32内的液压以及盛水容器32内液面上方的气压之和为p2；此时，供水侧与需水侧达到平衡状态；盛水容器32内液面上方气压大小的实际值等于控制值，即p1′＝p2-ρg(h-h1)＝p1；

(2)当植物吸收水分以及水分蒸发后，种植盆1中土壤湿度会降低，湿度降低后土壤内渗流阻力的实际值会随即减小，即p2′＜p2；

(3)由于土壤内的渗流阻力实际值p2′变小，而供水管2出口处的压强仍然保持为p2，所以供水侧与需水侧会失去原有的平衡，供水管2内的水会流入到种植盆1的土壤中；

(4)一方面，当水流入土壤中后，土壤湿度会逐渐提高，湿度逐渐提高时土壤内的渗流阻力实际值p2′也会逐渐增大，当p2′增大至p2时，供水侧与需水侧又会再次达到平衡状态；

同时，另一方面，当供水管2内的水流入到种植盆1内后，盛水容器32内的液面会下降，即h1会增大，由p1＝p2-ρg(h-h1)可知，h1增大后，控制值p1也会增大，而液面下降后实际值p1′是会减小的，所以，此时微型计算机312会依据该当下的高度差h1计算出此时的控制值p1，然后再将该控制值p1与此时实际值p1′做比较，确定p1′＜p1后，微型计算机312会将该信息反馈给所述的单片机313，单片机313控制气压大小调节部件314向盛水容器32内液面上方通入气体，直至实际值p1′等于控制值p1为止，此过程的调节逻辑如图4所示；

(5)之后，当植物又吸收水分以及水分继续蒸发后，种植盆1中土壤内的渗流阻力实际值又会再次变小，即p2′又会小于p2；

(6)由于土壤内的渗流阻力实际值p2′再次变小，而供水管2出口处的压强还是保持为p2，所以之前恢复的平衡状态又会再次被打破，供水管2内的水又会流入到种植盆1的土壤中；

(7)之后，继续由上述步骤(4)开始重复；

本装置巧妙的利用了供水侧与需水侧的压力平衡关系来实现自动浇水的目的，能有效把控浇水量，一旦土壤水分缺失，低于最佳值时，供水管2便会自动供水，以使土壤的含水率时刻满足植物的最佳生长环境，不会出现浇水过多或者浇水过少的问题，非常适用于长期无人照料的情况下使用。

为了便于用户使用，本装置出厂时可以同时配置一份对照表，方便用户获知某一植物栽种在某一类土壤中时的p2，如下表：

表1-不同植物栽种于某一特定土壤中时渗流阻力最佳值(p2)对照表

上表中，土壤类型包括几种常用到的种植植物的土壤，植物种类包括多种家庭中经常会栽种的植物，表中的p2可以为一范围值。

使用时，用户可以参照上表，根据土壤类型和所要栽种的植物来选出对应的p2值，然后在本装置上输入该p2值，微型计算机312便可由公式p1＝p2-ρg(h-h1)计算出盛水容器32内液面上方气压大小的控制值p1。工作时，微型计算机312通过气压大小调节部件314的进气或排气来控制盛水容器32内液面上方的气压大小实际值p1′实时调整并保持在控制值p1范围内，即可使供水管2出口处的压强实时保持为p2，从而实现时刻保持种植盆1中土壤内的渗流阻力维持在控制值p2范围内，达到土壤湿度时刻满足植物最佳生长环境的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。