一种声波助长水培装置、控制系统及方法

1.本发明属于声波助长技术领域，尤其涉及一种声波助长水培装置、控制系统及方法。


背景技术：

2.目前，随着社会的发展，土地资源越来越稀缺，这与人们日益增长的物质需求矛盾日益突显，向沙漠、地面空间，甚至外太空寻求植物种植资源已得到各国的高度重视。应用新栽培技术，保障在有限土地资源的条件下，提供更多的生活物质将是未来现代化农业的主要内容。水培技术的应用大大补充了农业种植对土壤的需求，也是一种与现代资源环境有效适应的先进栽培技术，已广泛应用于欧、美、日等发达国家的蔬菜、水果、花卉生产中。
3.水培法是一种将作物的根直接置于营养液中的技术。通过水培技术栽培的农作物与传统的土壤种植相比，具有有效节约土地、肥料、用水等资源，明显缩短植物生长周期，栽培方法灵活，不易感染病虫害，可种植出无污染、无公害作物等优点。但是，目前水培法提高植物的生长速度与产量的手段还停留在寻找更好的营养液配方上，还未见应用其它物理手段有效提高水培法植物生长速度及产量的报导。
4.近年来，声波助长技术已被证实可以平均实现植物10～20％，少数植物甚至达到60％以上的生长速度增长或增产，并已逐渐成展成为现代物理农业的新技术手段。声波助长的基本原理是：通过试验测试得到适宜植物生长的声波频段；利用声波发生器产生该频段的声波，使其作用于植物植株上；对于植物根系，声波可以促进可溶性糖、可溶性蛋白等物质的大量分泌，从而大幅提升植物生长所需的能量与物质水平，增加植物根系活力，使植物根系对营养物质的吸收、合成与转化等能力得到明显提升，进而起到促进植物生长的作用；在植物生长过程中，其体内细胞分裂和生长的速度直接影响到整个植物的生长水平，声波会在植物体内产生应力场，大大降低细胞分裂和生成受到的细胞壁约束作用，使细胞的生长与分裂速度大大加快，进而使植物体中的吲哚乙酸含量大大提高，抑制植物生长的脱落酸则被降低，在吲哚乙酸的促进下，植物体会加快乙烯的分泌，进而使植物生长变得更加快速。
5.目前的声波助长设备主要脱胎于音响系统，其形态与传统音响系统相比只是播放的声波内容有所区别，还无法有效地应用于水培植物的助长增产中。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的水培技术依然依赖于营养液配方优化促进植物的生长，而声波助长设备则由于没有脱离传统音响的形态，未能在水培技术中得到有效应用。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种声波助长水培装置、控制系统及方法。
8.利用声波在水中传播衰减慢、在管道中传播能量非常集中等特性，在水培装置中
加入水声换能器以产生高强度助长声波，强烈作用于水培植株根系，进而传导到植株枝干，以此解决声波助长技术在水培装置的很好接入问题，创新发展出一种声波助长水培装置、控制系统及方法。本发明是这样实现的，一种声波助长水培装置包括：
9.蓄液池，为一管状或槽状结构，用于装盛营养液，蓄液池上方开有若干用于固定水培植株的植株固定孔，固定孔一般为圆形通孔，也可采用方形或正多边形通孔形式；
10.进水封头，防水密封连接在蓄液池进水端，用于通过其端面上的进水口将营养液输入蓄液池；
11.出水封头，防水密封连接在蓄液池进水端，用于通过其端面上的出水口将营养液输出蓄液池；
12.水声换能器，安装于进水封头内，浸入营养液下，用于产生助长声波，利用蓄液池构成的通道作为声波传播通道，对植物根系进行声波助长；
13.换能器电缆，下部连接水声换能器，上部通过进水封头上方的电缆孔连接控制器，用于为换能器供电及传输模拟电信号；
14.控制器，用于对采集信号进行处理，并对整体装置进行智能控制，控制器除机壳外，为安装于机壳内的声波助长水培装置控制系统。
15.进一步，所述控制器上表面固定安装有oled显示屏，oled显示屏通过i2c接口与控制器中的信号处理器连接，用于显示当前控制器的系统运行状态及参数。
16.进一步，所述进水封头包括进水封头管体和进水口，进水口开设在进水封头端面上部。
17.进一步，所述水声换能器安装在进水封头管体内靠近进水封头端面位置，水声换能器通过换能器电缆穿过进水封头上部的电缆孔与控制器连接。
18.进一步，所述出水封头包括出水封头管体和出水口，出水口开设在出水封头端面下部。
19.进一步，所述蓄液池左右两端分别与进水封头、出水封头采用螺纹或密封圈密封方式联接，采用螺纹联接时通过生胶带缠绕螺纹的方式实现防水联接，采用密封圈密封联接时通过密封结构与水密密封圈的配合使用实现联接。
20.进一步，蓄液池、进水封头、出水封头均采用pvc等材质制作。
21.进一步，两个声波助长水培装置通过第一个声波助长水培装置的出水口依次连接弯管、直管，直管连接第二个声波助长水培装置进水口处的弯管，实现两个声波助长水培装置的串联。
22.本发明的另一目的在于提供一种声波助长水培装置的控制系统，所述声波助长水培装置的控制系统包括：
23.信号处理模块，用于利用信号处理器实现任务的控制管理；
24.da转换器，用于将信号处理器发来的声样本数字信号转换为模拟信号；
25.功率放大模块，用于对da转换器输出的模拟信号进行放大，并通过换能器电缆驱动水声换能器产生助长声波，在蓄液池形成的管道中传播以实现对水培植物的声波助长；
26.无线传输模块，用于与移动设备相连，并通过移动设备改变控制系统的工作模式及参数，并将移动设备传输的声样本文件存储到非易失存储器中；
27.存储器，包括内存和非易失性存储器，内存用于存放正在运行的程序和数据，非易
失性存储器用于存储控制系统的主程序、助长声样本文件等；
28.电源模块，用于控制系统的供电，外部与控制器电源线相连，并通过控制器电源线与市电、蓄电池或太阳能电池连接；
29.基本接口电路，由基本电路构成，用于提升保证控制系统正常运行的基本功能。
30.本发明的另一目的在于提供一种声波助长水培装置的控制方法，所述声波助长水培装置的控制方法包括：
31.步骤一，通过无线传输模块将助长声波样本文件传输到控制系统中的非易失性存储器中存储：用户首先通过手机、计算机等移动设备通过蓝牙、wifi等无线传输模块与声波助长水培装置的控制系统实现无线联接，然后在移动设备与控制系统都准备好的情况下，向控制系统请求进行系统运行模式、参数修改，以及发送助长声波样本文件等操作，控制系统同意并完成接收用户修改及文件传递后，将以用户的修改内容重新设置控制系统的工作模式与参数，并将用户发来的助长声波样本文件等存储至控制系统中的非易失性存储器中；
32.步骤二，通过水泵等设备向蓄液池中加入营养液，营养液的加入量及加入速度以当前水培方式的技术要求进行控制，但一般要使水声换能器浸入营养液中；
33.步骤三，控制系统根据当前声波助长工作任务需要，从非易失性存储器中读出助长声波样本文件，并将其转换为数字信号；
34.步骤四，控制系统通过da转换器将数字信号转换为模拟信号，并由功率放大器进行放大，通过换能器电缆输送到水声换能器；
35.步骤五，由水声换能器将放大后的模拟电信号转换为助长声波信号，助长声波在蓄液池管状通道中的营养液内传播，其传播衰减慢，在管道中传播能量非常集中，将产生高强度助长声波，强烈作用于水培植株根系，进而传导到植株枝干，起到对水培植物高效、强烈的助长作用。
36.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
37.第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
38.本发明克服了传统声波助长设备目前大多保持音响系统形态，导致很难应用于水培装置中的问题，创造性地通过将水声换能器浸没于营养液中的方式改变了声波助长设备的实现形态，使得其能很好地应用于水培装置中。在此基础上，利用声波在液体中传播衰减小的特性，并通过水培装置典型的蓄液池管状结构使得声波能量被聚集于该管道内，克服了传统声波助长装置声波传播扩散衰减导致声波能量快速变小的固有缺陷，使得作用于水培植株上的助长声波能量强烈，大幅提升了声波助长的效率，进而降低了声波助长系统的能耗；与此同时，由于植物根系与营养液的声阻抗差异远小于植物根系与空气的声阻抗，使得助长声波的大部分能量能够通过植物根系传导到植物枝干上，与传统声波助长设备依赖于空气实现助长声波传播相比，本发明具有明显的声波助长优势。
39.第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
40.本发明中的助长声波可以近距离强烈、高效作用于水培植株的根系，并通过根系传播到植株的枝干；强烈作用于植物根系的助长声波可以大大促进可溶性糖、可溶性蛋白等物质的大量分泌，从而大幅提升植物生长所需的能量与物质水平，增加植物根系活力，使植物根系对营养物质的吸收、合成与转化等能力得到明显提升，进而起到促进植物生长的作用；这种强烈的助长声波也会通过植株根系传导到植株枝干上，并在植株体内产生应力场，大大降低细胞分裂和生成受到的细胞壁约束作用，使细胞的生长与分裂速度大大加快，进而使植株体中的吲哚乙酸含量大大提高，抑制植株生长的脱落酸则降低，在吲哚乙酸的促进下，植株体会加快乙烯的分泌，进而使植物生长变得更加快速。
41.第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
42.(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：
43.水培技术前期的投入是比较大的，这也是该技术目前只在高端植物养殖领域得到有效应用的原因所在；采用本发明的声波助长水培装置，将改变水培植物促长、增产目前只能依靠优化营养液配方的局面，开发出一种助长效率高、无副作用、绿色环保的水培植物声波助长增产技术，助推水培技术这一朝阳产业的深度发展；有资料表明，即使是传统的声波助长设备，也可以平均提升植物10～20％的增长速度与产量，部分植物甚至能达到60％以上，本发明克服了传统声波助长设备助长效率低、在空气中传播声波衰减快、使用不便、大规模应用困难，难以应用于水培设备中等固有缺陷，提供了一种与水培装置契合度非常高的声波助长技术方案，实现了声波助长技术与水培技术的良好结合，这对水培植物的助长增产具有很好的实用价值，并由此推动声波助长技术、水培技术的融合发展，产生巨大的商业价值。
44.(2)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
45.长期以来，水培技术只能依靠优化配方实现植物的促长增产，人们渴求利用声波助长技术实现水培植物的助长与增产，缩短生产周期、提升产量，以降低成本，然而由于传统声波助长设备没有脱离音响系统的形态，难以有效应用于水培设备中，导致该技术难题一直未能得到有效解决。本发明声波助长水培装置成功解决了声波助长技术在水培技术中的实际应用难题，为水培植物的助长增产提供了一个有效新手段。
附图说明
46.图1是本发明实施例提供的声波助长水培装置的结构示意图；
47.图2是本发明实施例提供的蓄液池的结构示意图；
48.图3是本发明实施例提供的多个声波助长水培装置的连接结构示意图；
49.图4是本发明实施例提供的声波助长水培装置的控制系统框图；
50.图中：1、蓄液池；101、植株固定孔；102、进水管；103、水管弯头；104、直管；105、出水管；2、进水封头；201、进水封头管体；202、进水口；3、出水封头；301、出水封头管体；302、出水口；4、水声换能器；5、换能器电缆；6、控制器；7、oled显示屏；8、电源线；9、营养液。
具体实施方式
51.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
52.一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
53.如图1和图2所示，本发明实施例提供的声波助长水培装置由蓄液池1、进水封头2、出水封头3、水声换能器4、换能器电缆5、控制器6、oled显示屏7、电源线8、营养液9组成。
54.蓄液池1左右两端分别与进水封头2、出水封头3采用螺纹联接，通过生胶带等缠绕螺纹的方式实现防水联接；三者均采用pvc材质制作；联接时，通过控制螺纹联接器件的相对旋转位置，使得进水封头2的进水口202处于其端面的上部，出水封头3的出水口302位于其端面的下部，以保证进水口202与出水口302间的高度差，实现营养液9的正常流动。
55.进水封头2的进水封头管体201内靠近进水封头2端面位置安放水声换能器4；水声换能器4通过换能器电缆5穿过进水封头2上部的电缆孔与控制器6连接；控制器6上表面通过螺钉、螺栓等固定方式安装有oled显示屏7，用于显示当前控制器6中的控制系统运行状态及参数；控制器6与电源线8通过控制器内的电源模块相连，用以获取市电、蓄电池、太阳能电池等电源传来的电能。
56.本发明实施例提供的声波助长水培装置的工作流程是：首先将植株通过植株固定孔101固定在蓄液池管道上，使其部分根系进入营养液9中；然后由输气管插入植株固定孔定时向植株根部供氧；通过进水口102将营养液9注入蓄液池中，并掩没过水声换能器4；此时，控制器6中的控制系统将调用提前存储在控制器6中的助长声波文件，并将其转化为模拟信号，放大后通过换能器电缆5输入到水声换能器4中，由水声换能器4将其转换为声波，然后在营养液9中高效传播，以作用于植株根系上，并通过植株根系传导到植株枝干上；作用于植株根系的助长声波可以促进植株可溶性糖、可溶性蛋白等物质的大量分泌，从而大幅提升植株生长所需的能量与物质水平，增加植株根系活力，使植株根系对营养物质的吸收、合成与转化等能力得到明显提升，进而起到促进水培植物生长的作用；助长声波也会通过植株根系传导到植株枝干上，并在植株体内产生应力场，大大降低细胞分裂和生成受到的细胞壁约束作用，使细胞的生长与分裂速度大大加快，进而使植株体中的吲哚乙酸含量大大提高，抑制植株生长的脱落酸则降低，在吲哚乙酸的促进下，植株体会加快乙烯的分泌，进而使植物生长变得更加快速。
57.图3示出了声波助长水培装置实际应用例。两个声波助长水培装置可以通过第一个装置的出口302依次连接弯管103、直管104，并由直管104连接第二个装置的进水口102处的弯管103，实现两个声波助长水培装置的串联；采用同样的方法可以实现多个声波助长水培装置的串联使用。
58.图4示出了声波助长水培装置的控制系统框图。控制器6中的控制系统由信号处理模块、da转换器、功率放大模块、无线传输模块、电源模块、存储器及基本接口电路组成；信号处理模块的信号处理器由单片机、数字信号处理器(dsp)、嵌入式系统(arm)中的一种构成，主要实现任务的控制管理；da转换器用于将信号处理器发来的声样本数字信号转换为模拟信号，然后由功率放大模块进行放大，并通过换能器电缆驱动水声换能器产生助长声波，让其在蓄液池形成的管道中聚能式传播以实现对水培植物的高效声波助长；无线传输模块主要用于与手机、计算机等移动设备相连，并通过手机、计算机改变主控器的控制系统
的工作模式及参数，并将移动设备传输来的声样本文件存储到非易失存储器中；存储器包括内存和非易失性存储器，内存主要存放正在运行的程序和数据，非易失性存在器主要用于存储控制系统的主程序、助长声样本文件等；电源模块主要用于控制器的供电，其外部与控制器电源线相连，并通过控制器电源线与市电、蓄电池或太阳能电池等电源连接；基本接口电路主要由看门狗、复位电路等基本电路构成，以保证控制器正常运行的基本功能；oled显示器，通过i2c接口与控制器中的信号处理器连接，主要用于显示当前的系统运行状态及参数。
59.本发明实施例提供的声波助长水培装置的控制方法的具体步骤是：首先通过无线传输模块将助长声波样本文件传输到控制系统中的非易失性存储器中存储：用户首先通过手机、计算机等移动设备通过蓝牙、wifi等无线传输模块与声波助长水培装置的控制系统实现无线联接，然后在移动设备与控制系统都准备好的情况下，向控制系统请求进行系统运行模式、参数修改，以及发送助长声波样本文件等操作，控制系统同意并完成接收用户修改及文件传递后，将以用户的修改内容重新设置控制系统的工作模式与参数，并将用户发来的助长声波样本文件等存储至控制系统中的非易失性存储器中；接下来，通过水泵等设备向蓄液池中加入营养液，营养液的加入量及加入速度以当前水培方式的技术要求进行控制，但一般要使水声换能器浸入营养液中；下一步，控制系统根据当前声波助长工作任务需要，从非易失性存储器中读出助长声波样本文件，并将其转换为数字信号；下一步，控制系统通过da转换器将数字信号转换为模拟信号，并由功率放大器进行放大，通过换能器电缆输送到水声换能器；最后，由水声换能器将放大后的模拟电信号转换为助长声波信号，助长声波在蓄液池管状通道中的营养液内传播，其传播衰减慢，在管道中传播能量非常集中，将产生高强度助长声波，强烈作用于水培植株根系，进而传导到植株枝干，起到对水培植物高效、强烈的助长作用。
60.二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
61.本发明实施例主要应用于深液流水培、浮板毛管水培等典型水培技术的植物物理声波助长增产领域，也可应用于营养液膜水培技术的水培植物声波助长增产中(在该技术中水声换能器可不用浸没于营养液中)。本发明与水培技术的完美结合，将大幅提升我国龟背竹、绿巨人、广东万年青系列、丛生春羽、绿宝石、绿罗、黛粉叶、金皇后、银皇后、星点万年青、迷你龟背竹、黑美人、绿地黄、红宝石、琴叶喜林芋、银包芋、和裹芋、海芋、火鹤红掌、马蹄莲、紫叶鸭趾草、紫背万年青、吊竹梅、甜瓜、草莓、巴西木、绿萝、绿巨人、君子兰等植物的生产效率与产量。
62.随着水培技术的发展，我国已在广东、上海、山东、福建、湖北、广西、四川和海南等省得到了有效推广。多年的生产实践表明，与本发明高度契合的深液流水培技术较为适宜我国的经济和技术水平，特别是适宜南方热带亚热带地区的气候条件，而且种植效果良好、管理较为简便，将是本发明产生巨大经济价值的主要应用领域，并且随着我国水培技术的快速、深度发展，本发明带来的效益将日益突显，并成为水培技术中具有自主知识产权的关键技术之一。
63.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
64.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
65.三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
66.本发明与传统水培技术、传统声波助长设备等现有技术相比，成功克服了传统声波助长设备多呈音响系统形态而无法实现在水培技术中良好应用的固有缺陷，成功实现了声波助长技术与水培技术很好的技术结合，发展出了一种具有声波助长能力的新型水培装置与方法，三者的具体比较如表1所示。
67.表1本发明与现有技术的对比
[0068][0069][0070]
如表1所示，与现有技术相比，本发明具有明显优势，主要体现在：
[0071]
本发明采用声波助长技术实现了水培植物的助长增产，可实现传统水培技术基础上水培植物的绿色、环保型声波助长增产，并成为水培技术中的一项关键技术。
[0072]
与传统声波助长设备相比，传统声波助长设备由于没有能够脱离音响系统的形态，其使用时须安放于一处，接近该设备的植物接收到的助长声波能量大，而随着距离的增长，声波能量将以近似于球面的形式扩散而快速衰减，这意味着远离该设备的植物接收到的声波能量将远小于挨近该设备的植物，声波助长效果无法实现均匀作用于每株植物上，同时，由于传统声波助长设备的声波在空气中传播，其衰减量远大于液体中的衰减量，加之空气声阻抗与植物声阻抗差异大，导致传统声波助长设备产生的在空气中传播的助长声波能量，只能有很小一部分进入植物中，进一步导致了作用于植物的助长声波能量变得很小，
而本发明通过蓄水池的管道将助长声波能量汇聚在管道内，且几十米管道内的声波在液体中的吸收衰减量基本可以忽略，这使得本发明的助长声波能在营养液中高度汇聚传播，加之营养液声阻抗与植物声阻抗很接近，使得绝大部分声波能量能够通过营养液、植物根系传播到植物枝干，从而实现了远比传统声波助长设备好得多的助长效果。
[0073]
更为重要的是，本发明的这种助长声波传播特性使得水培装置内的所有植物都能接收到大致相等的助长声波能量，能够非常均匀地实现每株水培植物的声波助长，至少比传统声波助长设备最大助长声压级spl0大28db左右，在60m处甚至可以大42db左右，这使得本发明的声波助长效果远比传统声波助长设备强烈，且能够大幅节省电能，其使用基本无需人工干预更可以节省大量人力成本；传统声波助长设备即使是不能均匀实现每株植物的声波助长，也能实现平均助长增长10～20％，部分植物更高达60％以上，本发明能够实现助长声波高效、均匀地作用于每株植物上，其助长预期效果将远好于传统声波助长设备。
[0074]
由于本发明只需对传统水培装置进行小的改动，因此可以非常好地与传统水培装置实现契合，同时解决了传统声波助长设备的由于助长声波衰减大、难以均匀实现水培植物助长，难以应用于水培技术中的固有难题，从而发展出了一种助长效率高、使用方便、可大规模应用的声波助长水培装置，对于提升水培植物的促长增产具有重要意义与巨大商业价值。
[0075]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。