一种设施果菜栽培数字化灌溉系统

1.本发明涉及农业领域，更具体地说，涉及一种设施果菜栽培数字化灌溉系统。


背景技术：

2.我国园艺设施面积已达2840万亩，其中，日光温室约占31％，种植果菜种类主要包含番茄、黄瓜、甜瓜、茄子、辣椒等果菜。设施反季节栽培已成为人们日常果菜供应重要的组成部分。
3.而在温室或大棚中进行种植果菜时，对不同类型的果菜进行浇灌时，水肥的用量各不相同，而且各个果菜的生长时间段也不相同，另外，在浇灌过程中，水肥到处喷洒，果菜吸收的效率较低，造成极大的浪费。
4.为此，我们提出一种设施果菜栽培数字化灌溉系统来解决上述问题。


技术实现要素：

5.1.要解决的技术问题
6.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种设施果菜栽培数字化灌溉系统，可以实现能够根据果菜的种类和生长时间段，自动调节喷洒的面积和浇灌量，从而有效地解决水肥的用量，作出精准灌溉指令，实现不同作物水肥灌溉的智能化。
7.2.技术方案
8.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
9.一种设施果菜栽培数字化灌溉系统，包括安装架，所述安装架上安装有多组均匀分布的湿度传感器，所述安装架的下端侧壁安装有多个浇灌箱，所述浇灌箱中空设置，且浇灌箱的底壁和两平行的侧壁之间均开设有l字形的开口，所述浇灌箱的顶部内壁安装有驱动电机，每个所述驱动电机与一组湿度传感器之间电连接，所述驱动电机连接有角度定位组件，所述浇灌箱的内壁还设置有喷头，所述喷头与角度定位组件连接，且喷头穿过开口延伸至浇灌箱外，所述喷头的一端连接有软管。基于水肥与作物蒸腾智能耦合的灌溉系统，其相关参数数字化采集，通过云平台智能分析，作出精准灌溉指令，实现不同作物水肥灌溉的智能化，并根据实际果菜的种类和生长时间，调节喷头的角度和使用水肥量，从而避免浪费。
10.进一步的，所述角度定位组件包括滚珠丝杠，所述滚珠丝杠的一端与驱动电机的动力轴连接，所述滚珠丝杠的另一端与浇灌箱的底部内壁转动连接，所述滚珠丝杠上设置有与其匹配的活动件，所述活动件的两侧侧壁与浇灌箱的内壁滑动连接，所述活动件的另外两侧侧壁均连接有齿条，所述浇灌箱的内壁转动连接有两个扇形齿轮，两个所述扇形齿轮分别与两个齿条啮合，所述喷头固定安装在扇形齿轮的一侧。利用滚珠丝杠带动活动件移动，进而带动齿条稳定移动，且能够进行限位，保证喷头的稳定，避免在喷洒的过程中晃动导致喷头等部件损坏，而且齿条上下能够带动扇形齿轮正反转，角度调节范围足够大，同时调节可控性强。
11.进一步的，所述浇灌箱的内壁设置有多个距离传感器，每个所述齿条的上端均固定连接有与距离传感器对应的测量件，所述距离传感器分别与湿度传感器和驱动电机之间电性连接。利用距离传感器能够快速得出移动距离，进而根据移动距离快速测量移动的角度，以适应不同种类的果菜，保证角度调节的准确性。
12.进一步的，所述扇形齿轮的侧壁固定连接有转轴，所述转轴的轴线与扇形齿轮的轴线重合，所述转轴上设置有第一传动轮，所述浇灌箱的内壁转动连接有圆杆，所述圆杆上固定套设有第二传动轮，所述第一传动轮和所述第二传动轮之间通过传动带传动连接，所述圆杆的一端还固定连接有凸轮，所述凸轮与软管相抵。利用传动带带动凸轮转动，这样当调节角度使得软管弯曲角度较大时，凸轮能够抵住软管，使其处于较为张紧的状态，从而避免因软管受到挤压而导致的管道受损、破裂等情况，提高在使用时管道的安全性，这解决了本领域技术人员在使用时新出现的技术问题。
13.进一步的，所述凸轮的侧壁开设有凹槽，所述凹槽的投影被设置为半圆形，且凹槽的直径大于软管的外径，所述凸轮为圆柱形，且凸轮以远离圆心的轴线为轴转动。通过在凸轮上设置凹槽，可以保证凸轮在转动时，一直能够卡住软管的位置，避免凸轮与软管脱离，进而使得凸轮能够始终对软管起到限位作用。
14.进一步的，所述第一传动轮和所述第二传动轮的传动比小于1:1.5，且扇形齿轮的转动角度为0-135
°
。通过第一传动轮和第二传动轮的传动比设置，可以有效地控制凸轮转动的角度，使得扇形齿轮转动时稳定地控制住凸轮能够有效抵住变松的软管。
15.进一步的，还包括中控箱，所述中控箱中设置有运算模块，所述运算模块用于计算扇形齿轮转动角度和齿条移动距离的关系，计算公式为：l＝wπr/180，其中，l为齿条移动距离，w为转动角度，r为扇形齿轮的转动半径，所述中控箱分别与驱动电机、湿度传感器、距离传感器电性连接。利用运算模块能够快速准确地根据齿条移动的距离计算出喷头转动的角度，这样能够根据角度的大小匹配对应的果菜的种类和生长时间段，从而准确、有效地对不同的果菜进行浇灌，节约水肥。
16.进一步的，所述中控箱还包括设定模块、识别模块、匹配模块；
17.所述设定模块用于输入果蔬种类、果蔬生长时间段、对应时间段的不同种类果蔬的蒸腾量、预设区域内的果蔬数量；
18.所述识别模块用于识别果蔬种类；
19.所述匹配模块通过湿度传感器测量预设区域内湿度高低，以匹配出对应的果蔬种类生长时间段，并根据果蔬种类和生长时间段调节喷头的角度和喷洒水肥量。对不同的果菜浇灌时根据蒸腾量、果菜种类、生长时间段和果菜数量，来预设喷头角度和喷洒水肥量，并且根据识别模块识别果蔬种类，识别模块可以采用现有技术，比如一种果蔬识别的方法及系统(
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)、一种基于视觉主体检测的果蔬识别预处理方法(
cn107316037b
)，进行果蔬种类识别，从而能够根据果菜的种类、蒸腾量等因素，做出精准灌溉的指令。
20.进一步的，所述距离传感器设置为激光测距仪，所述测量件为反光板。利用激光测距仪不仅测量距离准确，而且能够有效地避免湿度等的影响，使用寿命长。
21.进一步的，所述浇灌箱的内壁固定连接有直线滑轨，且直线滑轨与滚珠丝杠平行设置，所述活动件上固定连接有滑动件，所述滑动件与直线滑轨滑动连接。通过直线滑轨和滑动件能够有效地控制活动件沿着滚珠丝杠直线移动，从而保证了测量齿条移动距离的准
确性。
22.3.有益效果
23.相比于现有技术，本发明的优点在于：
24.(1)本方案针对设施(塑料大棚和日光温室)主要蔬菜番茄、黄瓜、甜瓜、茄子、辣椒等果菜，开发一套基于水肥与作物蒸腾智能耦合的灌溉系统，其相关参数数字化采集，通过云平台智能分析，作出精准灌溉指令，实现不同作物水肥灌溉的智能化，并根据实际果菜的种类和生长时间，调节喷头的角度和使用水肥量，从而避免浪费。
25.(2)利用滚珠丝杠带动活动件移动，进而带动齿条稳定移动，且能够进行限位，保证喷头的稳定，避免在喷洒的过程中晃动导致喷头等部件损坏，而且齿条上下能够带动扇形齿轮正反转，角度调节范围足够大，同时调节可控性强。
26.(3)利用距离传感器能够快速得出移动距离，进而根据移动距离快速测量移动的角度，以适应不同种类的果菜，保证角度调节的准确性。
27.(4)利用传动带带动凸轮转动，这样当调节角度使得软管弯曲角度较大时，凸轮能够抵住软管，使其处于较为张紧的状态，从而避免因软管受到挤压而导致的管道受损、破裂等情况，提高在使用时管道的安全性，这解决了本领域技术人员在使用时新出现的技术问题。
28.(5)通过在凸轮上设置凹槽，可以保证凸轮在转动时，一直能够卡住软管的位置，避免凸轮与软管脱离，进而使得凸轮能够始终对软管起到限位作用。
29.(6)通过第一传动轮和第二传动轮的传动比设置，可以有效地控制凸轮转动的角度，使得扇形齿轮转动时稳定地控制住凸轮能够有效抵住变松的软管。
30.(7)利用运算模块能够快速准确地根据齿条移动的距离计算出喷头转动的角度，这样能够根据角度的大小匹配对应的果菜的种类和生长时间段，从而准确、有效地对不同的果菜进行浇灌，节约水肥。
31.(8)对不同的果菜浇灌时根据蒸腾量、果菜种类、生长时间段和果菜数量，来预设喷头角度和喷洒水肥量，并且根据识别模块识别果蔬种类，识别模块可以采用现有技术，比如一种果蔬识别的方法及系统(
cn103093208b
)、一种基于视觉主体检测的果蔬识别预处理方法(
cn107316037b
)，进行果蔬种类识别，从而能够根据果菜的种类、蒸腾量等因素，做出精准灌溉的指令。
32.(9)利用激光测距仪不仅测量距离准确，而且能够有效地避免湿度等的影响，使用寿命长。
33.(10)通过直线滑轨和滑动件能够有效地控制活动件沿着滚珠丝杠直线移动，从而保证了测量齿条移动距离的准确性。
附图说明
34.图1为本发明的安装架和浇灌箱的连接结构示意图；
35.图2为本发明的安装架的侧面结构示意图；
36.图3为本发明的浇灌箱的内部结构示意图；
37.图4为本发明的凸轮和扇形齿轮的传动结构示意图；
38.图5为本发明的凸轮为圆柱形的结构示意图；
39.图6为本发明的浇灌箱的立体结构示意图；
40.图7为本发明的凸轮和凹槽的结构示意图；
41.图8为本发明的中控箱的结构示意图；
42.图9为本发明的凸轮和扇形齿轮的侧面结构示意图；
43.图10为本发明的安装架和浇灌箱截面视角结构示意图。
44.图中标号说明：
45.1、安装架；2、湿度传感器；3、浇灌箱；4、开口；5、驱动电机；6、角度定位组件；601、滚珠丝杠；602、活动件；603、齿条；604、扇形齿轮；7、喷头；8、软管；9、距离传感器；10、测量件；11、转轴；12、第一传动轮；13、圆杆；14、第二传动轮；15、传动带；16、凸轮；17、凹槽；18、中控箱；19、运算模块；20、设定模块；21、识别模块；22、匹配模块。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
48.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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发明中的具体含义。
49.实施例1：
50.请参阅图1-10，一种设施果菜栽培数字化灌溉系统，包括安装架1，安装架1上安装有多组均匀分布的湿度传感器2，安装架1的下端侧壁安装有多个浇灌箱3，浇灌箱3中空设置，且浇灌箱3的底壁和两平行的侧壁之间均开设有l字形的开口4，浇灌箱3的顶部内壁安装有驱动电机5，每个驱动电机5与一组湿度传感器2之间电连接，驱动电机5连接有角度定位组件6，浇灌箱3的内壁还设置有喷头7，喷头7与角度定位组件6连接，且喷头7穿过开口4延伸至浇灌箱3外，喷头7的一端连接有软管8。基于水肥与作物蒸腾智能耦合的灌溉系统，其相关参数数字化采集，通过云平台智能分析，作出精准灌溉指令，实现不同作物水肥灌溉的智能化，并根据实际果菜的种类和生长时间，调节喷头7的角度和使用水肥量，从而避免浪费。
51.参阅图3，角度定位组件6包括滚珠丝杠601，滚珠丝杠601的一端与驱动电机5的动力轴连接，滚珠丝杠601的另一端与浇灌箱3的底部内壁转动连接，滚珠丝杠601上设置有与其匹配的活动件602，活动件602的两侧侧壁与浇灌箱3的内壁滑动连接，活动件602的另外
两侧侧壁均连接有齿条603，浇灌箱3的内壁转动连接有两个扇形齿轮604，两个扇形齿轮604分别与两个齿条603啮合，喷头7固定安装在扇形齿轮604的一侧。利用滚珠丝杠601带动活动件602移动，进而带动齿条603稳定移动，且能够进行限位，保证喷头7的稳定，避免在喷洒的过程中晃动导致喷头7等部件损坏，而且齿条603上下能够带动扇形齿轮604正反转，角度调节范围足够大，同时调节可控性强。
52.电机带动滚珠丝杠601转动，滚珠丝杠601带动活动件602上下移动，活动件602带动齿条603上下移动，齿条603带动扇形齿轮604正反转动，扇形齿轮604带动喷头7转动，从而调节喷头7的转动角度。
53.参阅图3，浇灌箱3的内壁设置有多个距离传感器9，每个齿条603的上端均固定连接有与距离传感器9对应的测量件10，距离传感器9分别与湿度传感器2和驱动电机5之间电性连接。利用距离传感器9能够快速得出齿条603的移动距离，进而根据移动距离快速测量移动的角度，以适应不同种类的果菜，保证角度调节的准确性。
54.参阅图4、图5和图9，扇形齿轮604的侧壁固定连接有转轴11，转轴11的轴线与扇形齿轮604的轴线重合，转轴11上设置有第一传动轮12，浇灌箱3的内壁转动连接有圆杆13，圆杆13上固定套设有第二传动轮14，第一传动轮12和第二传动轮14之间通过传动带15传动连接，圆杆13的一端还固定连接有凸轮16，凸轮16与软管8相抵。利用传动带15带动凸轮16转动，这样当调节角度使得软管8弯曲角度较大时，凸轮16能够抵住软管8，使其处于较为张紧的状态，从而避免因软管8受到挤压而导致的管道受损、破裂等情况，提高在使用时管道的安全性，这解决了本领域技术人员在使用时新出现的技术问题。
55.在调节喷头7角度的同时，能够对软管8起到一定的保护作用，避免喷头7在移动过程中软管8受到挤压，而使得软管8和水流之间的压力增加，保护软管8，使其具有一定的缓冲效果，避免因水压过大而挤压到软管8。
56.参阅图7，凸轮16的侧壁开设有凹槽17，凹槽17的投影被设置为半圆形，且凹槽17的直径大于软管8的外径，凸轮16为圆柱形，且凸轮16以远离圆心的轴线为轴转动。通过在凸轮16上设置凹槽17，可以保证凸轮16在转动时，一直能够卡住软管8的位置，避免凸轮16与软管8脱离，进而使得凸轮16能够始终对软管8起到限位作用。
57.参阅图4和图5，第一传动轮12和第二传动轮14的传动比小于1:1.5，且扇形齿轮604的转动角度为0-135
°
。通过第一传动轮12和第二传动轮14的传动比设置，可以有效地控制凸轮16转动的角度，使得扇形齿轮604转动时稳定地控制住凸轮16能够有效抵住变松的软管8。
58.参阅图8，还包括中控箱18，中控箱18中设置有运算模块19，运算模块19用于计算扇形齿轮604转动角度和齿条603移动距离的关系，计算公式为：l＝wπr/180，其中，l为齿条603移动距离，w为转动角度，r为扇形齿轮604的转动半径，中控箱18分别与驱动电机5、湿度传感器2、距离传感器9电性连接。利用运算模块19能够快速准确地根据齿条603移动的距离计算出喷头7转动的角度，这样能够根据角度的大小匹配对应的果菜的种类和生长时间段，从而准确、有效地对不同的果菜进行浇灌，节约水肥。
59.中控箱18还包括设定模块20、识别模块21、匹配模块22；
60.设定模块20用于输入果蔬种类、果蔬生长时间段、对应时间段的不同种类果蔬的蒸腾量、预设区域内的果蔬数量；
61.识别模块21用于识别果蔬种类；
62.匹配模块22通过湿度传感器2测量预设区域内湿度高低，以匹配出对应的果蔬种类生长时间段，并根据果蔬种类和生长时间段调节喷头7的角度和喷洒水肥量。对不同的果菜浇灌时根据蒸腾量、果菜种类、生长时间段和果菜数量，来预设喷头7角度和喷洒水肥量，并且根据识别模块21识别果蔬种类，识别模块21可以采用现有技术，比如一种果蔬识别的方法及系统(cn103093208b)、一种基于视觉主体检测的果蔬识别预处理方法(cn107316037b)，进行果蔬种类识别，从而能够根据果菜的种类、蒸腾量等因素，做出精准灌溉的指令。
63.参阅图3，距离传感器9设置为激光测距仪，测量件10为反光板。利用激光测距仪不仅测量距离准确，而且能够有效地避免湿度等的影响，使用寿命长。
64.浇灌箱3的内壁固定连接有直线滑轨，且直线滑轨与滚珠丝杠601平行设置，活动件602上固定连接有滑动件，滑动件与直线滑轨滑动连接。通过直线滑轨和滑动件能够有效地控制活动件602沿着滚珠丝杠601直线移动，从而保证了测量齿条603移动距离的准确性。
65.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。