一种无土栽培营养液自动监控管理系统

1.本发明涉及农业自动化控制领域，特比涉及一种无土栽培营养液自动监控管理系统及方法。


背景技术：

2.目前城市室内景观植物及农业生产过程中，为了提高植物(或作物)幼苗的成活率，使植物(或作物)幼苗对外界的环境变化能够具备一定的抵抗能力，一般均处以育苗处理以实现壮苗。无土栽培技术由于其占地面积小，以营养液为幼苗输送养分，养分摄取率高等特点得到了广泛应用。但是无论是室内景观植物管理方或者个体农户，均采用直接购买的方式获取营养液以进行无土栽培作业。在幼苗生长发育过程中，极易受外界影响而使得营养液变质使其ph值发生变化或温度变化，从而制约幼苗的生长发育。而针对营养液的定期更换，不仅缺乏科学依据，并且极易造成浪费。不定期安排人员检查、管理又需要大量的人力、物力以及时间的投入，使得室内景观植物无土栽培或作物无土栽培成本过高。
3.室内景观植物及个体农户在进行无土栽培作业过程中，营养液主要通过购买无土栽培肥料与自来水混合后使用，制备过程中依赖手动制备，对于营养液的ph值缺乏管理意识，对其监测依赖于人工。所制备出的营养液ph值极易过高或过低，导致对幼苗根系生长发育的损伤。影响植物(或作物)的质量或产量。并且在冬季节假日，缺乏供暖设备的南方城市地区，楼内无土栽培景观植物营养液受外界温度影响而过低，导致植物根系温度过低，使得植物的根系吸水能力下降，并影响植物光合作用等负面影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无土栽培营养液自动监控管理系统及方法，实现自动的控制营养液的监控管理，从而提高了无土栽培育苗作业的自动化程度。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种无土栽培营养液自动监控管理系统，包括微控制器模块、电源模块、营养液质量调控模块、营养液质量监测模块，所述营养液质量监测模块用于监测当前营养液质量信息，其输出端连接微控制器模块，所述微控制器模块的输出端连接营养液质量调控模块，用于基于监测的当前营养液质量信息来输出控制信号至营养液质量调控模块；所述营养液质量调控模块用于基于微控制器模块的控制信号来调节营养液的质量；所述电源模块为微控制器模块、显示模块、营养液质量监测模块供电。
6.所述营养液质量监测模块包括营养液ph监测模块，其设置在营养液箱内，用于采集箱内的ph值；所述微控制器模块根据监测的ph值来通过营养液质量调控模块来调节营养液箱内的ph值。
7.所述营养液质量监测模块包括营养液温度监控模块，其设置在营养液箱内，用于采集箱内的营养液温度监控；所述微控制器模块根据监控的温度数据来通过营养液质量调
控模块来调节营养液箱内的温度值。
8.所述营养液质量监测模块包括水位监测模块，其设置在营养液箱内，用于采集箱内的营养液的水位。
9.所述微控制器模块的输出端连接显示模块，用于驱动显示模块显示营养液质量监控模块采集的营养液的质量信息。
10.所述营养液质量调节模块包括营养液箱进水阀电路、营养液进料阀电路，其分别用于控制向营养液箱进水和进料。
11.所述营养液箱进水阀电路或营养液进料阀电路均包括三极管q及继电器，微控制器模块的输出端连接三极管的基极，用于驱动三极管的导通和截至，所述三极管的集电极和发射极串接在继电器线圈供电回路中，用于控制继电器的线圈通电与否；所述继电器的常开触点串接在对应的进水阀、进料阀的供电回路中。
12.所述营养液质量调节模块还包括加热棒控制电路，所述加热棒控制电路的输入端连接微控制器模块，所述加热棒控制电路用于根据微控制器模块的控制来驱动加热棒的工作，其中加热棒设置于营养液箱中。
13.所述微控制器模块与独立按键模块连接，所述独立按键模块用于录入用户设置数据或控制信号值微控制器模块中。
14.所述系统还包括营养液制备模块，其包括制备按键、初始营养液容器、进水电路、进料电路和搅拌电路，所述微控制器模块的输入端连接制备按键，所述微控制器模块的输出端分别连接进水电路、进料电路、搅拌电路，其中进水电路、进料电路分别控制向初始营养液容器进水、进料；搅拌电路用于驱动搅拌电机动作，所述搅拌电机带动搅拌曲柄搅拌营养液，所述初始营养液容器通过管路连接至营养液箱，其中管路中设置有受控于微控制器的电磁阀。
15.本发明的优点在于：并对营养液的ph值与温度进行实时监测与调控作业的功能，极大降低了人力在维护无土栽培营养液ph值与温度管理的投入，降低了人工劳动强度，并提高了无土栽培育苗作业的自动化程度。
附图说明
16.下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
17.图1为本发明控制系统原理图；
18.图2为本发明电路原理图；
19.图3为本发明控制逻辑流程图。
具体实施方式
20.下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
21.本发明提供了一种无土栽培营养液自动制备，及其ph值、温度监控管理系统，其能够实现营养液的自动制备，并对营养液的ph值与温度进行实时监测与调控作业的功能，极大降低了人力在维护无土栽培营养液ph值与温度管理的投入，降低了人工劳动强度，并提高了无土栽培育苗作业的自动化程度。本发明的无土栽培营养液自动制备，及其ph值、温度
监控管理系统包括：微控制器模块、电源模块、显示模块、独立键盘模块、营养液制备模块、营养液质量监测模块及营养液质量调控模块等部分组成。用户可将所购买的无土栽培肥料与自来水分别加装至料箱与水箱中，系统微控制器模块通过获取营养液质量监测模块的营养液质量数据，与预先设置的阈值(ph值与温度)范围进行对比，并自动完成配比制备作业。根据农艺要求，大多数植物的根系应处于ph5.5～6.5的弱酸性条件下生长最好，因此无土栽培的营养液ph也应该在这个范围内。若营养液ph值过高(ph》7)，会导致铁、锰、铜和锌等微量元素的沉淀，尤其对铁元素的影响较大，这种现象主要由于城市用自来水多为碱性水质所致，使用蒸馏后的纯净水来制备营养液成本过高。故此微控制器获取信息后，控制营养液质量调控模块开启排水阀门，将稀营养液排出，同时控制营养液质量调控模块开启料箱阀门，增加无土栽培肥料的占比，使营养液ph值下降；若营养液ph值过低(ph《5)，植物对钙的吸收受阻，引起缺钙，同时还会过量吸收某些元素而导致植株中毒。故此，微控制器在获取信息后，关闭料箱阀门，开启水箱阀门，以水稀释营养液，提高营养液ph值；若夏季温度过高，营养液温度上升会伤害植物根系，营养液中水分蒸发也易使营养液浓度上升，即ph值过低，同时水位的下降会使得植物根系部分裸漏与温度较高的空气中，造成根系的进一步缺水损伤，营养液质量监测模块中温度监测模块会将其温度信息采集，营养液质量监测模块中ph值监测模块会将其ph值采集，并送至微控制器中。由微控制器分析比对后，会控制营养液质量调控模块控制水箱阀门开启，进行补水作业，以此实现营养液降温与ph值回升；若冬季营养液温度过低，则通过营养液质量监测模块中温度监测模块将温度信息采集上报，微控制器控制营养液质量调控模块中加热模块启动，实施加热作业。
22.以系统结构简单，成本低、方便布置等为设计原则，微控制器模块、电源模块、显示模块、独立键盘模块、营养液制备模块、营养液质量监测模块及营养液质量调控模块等部分组成。系统总体设计方案如图1所示。营养液可通过营养液制备模块自行制备。通过营养液质量监测模块获取当前营养液质量信息，并将其送至微控制器，微控制器对信息进行比对判断，合理做出正确判断判断是否开启营养液质量调控模块对营养液质量进行调控，以避免无土栽培植物根系因营养液质量问题而受损；同时通过显示模块实现营养液ph值、温度、水位等信息的目视化反馈，以帮助管理人员获取当前无土栽培植物的营养液信息。最大限度保障无土栽培植物生长发育。
23.其中：微控制器模块是系统的核心控制单元，负责接收营养液质量监测模块采集的营养液ph值、温度、水位等信息，并对信息进行数字化处理，结合显示模块实现营养液ph值、温度、水位等信息的实时监测与反馈，同时对营养液ph值、温度、水位等信息进行判断，输出控制参数，控制营养液质量调控模块完成对营养液ph值、温度、水位等的调整与控制；营养液质量监测模块主要负责对营养液ph值、温度、水位等信息进行实时采集，并将其输送至微控制器进行后续处理；营养液质量调控模块主要负责根据微控制器的输出控制参数，对营养液ph值、温度、水位等相关的调控作业；制备模块主要负责制备初始的营养液，在系统启动后，若监测到无土栽培营养液水位为0时，会同时开启料箱与水箱至水位达标。
24.系统整体电路设计如图2所示。
25.1.微控制器模块设计：由于室内景观无土栽培植物管道细小，空间有限，无法实现元器件的复杂布置，要求控制器要尽可能小。而stc系列微控制器具有体积小，性能可靠，成本低等特点，应用较为广泛。因而决定采用stc89c52单片微控制器为系统的控制单元。
26.2.营养液质量监测模块设计：系统需通过营养液质量监测模块获取营养液的相关信息，并将信息转换为数字信号后输出至微控制器。这些信息包括营养液ph值、温度、水位等信息。
27.(1)营养液ph值信息采集子模块设计:营养液ph值信息采集子模块主要采集营养液的ph值,由ph传感器搭配adc8032芯片构成。
28.(2)营养液温度信息采集子模块设计：营养液温度信息采集子模块主要负责采集营养液温度信息，该子模块以ds18b20温度传感器为核心，该传感器具有精度高，工作性能可靠等优点，加装塑料外壳后可准确测取营养液温度信息，并将信息转换为数字信号后输出至微控制器。
29.(3)营养液水位信息采集子模块设计：营养液水位信息采集子模块主要负责采集营养液水位信息，该子模块以水位传感器为核心，搭配adc8032芯片构成。
30.3.显示模块设计：显示模块由lcd1602液晶显示屏构成。营养液质量监测模块将营养液信息采集后，输送至微控制器，微控制器将其进行数字化处理后，输出至lcd1602液晶显示屏实现营养液目前ph值、温度、水位等信息以及预设的营养液ph值、温度、水位等信息目视化反馈，方便管理人员对无土栽培营养液信息的获取与掌握。
31.4.营养液质量调控模块：营养液质量监测模块主要对营养液ph值、温度、水位等进行调控，避免因营养液质量问题影响植物根系的正常生长发育。当营养液ph值、温度、水位等均符合要求时，不对营养液进行调控；若营养液ph值过高(ph》7)，则对营养液执行ph降低作业。即p26管脚输出高电平，导通标号为q3的pnp三极管，实现进料作业，p25管脚输出高电平，导通标号为q2的pnp三极管，实现排水作业。通过加入肥料与排出浓度较低的营养液的方式，提高营养液浓度；若营养液ph值过低(ph《5)，则对营养液执行ph升高作业。即p24管脚输出高电平，导通标号为q1的pnp三极管，实现进水作业，p25管脚输出高电平，导通标号为q2的pnp三极管，实现排水作业。通过加入自来水与排出浓度较高的营养液的方式，降低营养液浓度；若营养液温度过低，则执行升温加热作业。即p27管脚输出高电平，导通标号为q4的pnp三极管，使加热棒开始工作，通过电加热的方式执行加热作业；若营养液温度过高，则执行降温作业。即p24管脚输出高电平，导通标号为q1的pnp三极管，执行进水作业，将温度较低的，位于水箱中的自来水引入营养液中，同时，p25管脚输出高电平，导通标号为q2的pnp三极管，实现排水作业，将温度较高的营养液排出。以此实现营养液降温处理，即使暂时营养液浓度会略微下降(即ph值高于正常范围)，但通过营养液质量监测模块、微控制器以及营养液质量调控模块的共同作用下，会通过加料的方式使营养液浓度回升至正常值(即ph值降低至正常范围)；若营养液水位过高，则执行排水作业，即p25管脚输出高电平，导通标号为q2的pnp三极管，实现排水作业；若营养液水位过低，则执行进水作业，即p24管脚输出高电平，导通标号为q1的pnp三极管，实现补水作业。
32.5.营养液制备模块：营养液制备模块受独立键盘模块中“制备”按键控制，当该按键被按下且系统检测到营养液水位为0时，p31管脚电平被拉低。p23管脚输出低电平20s，截止标号为q6的pnp三极管，使得初始营养液容器阀门关闭20s，同时p24管脚输出高电平，导通标号为q1的pnp三极管100s，实现补水作业，p26管脚输出高电平，导通标号为q3的pnp三极管10s，实现进料作业。同时微控制器控制p30管脚发送高电平，导通标号为q5的pnp三极管，使得直流电机导通得以转动，带动曲柄转动搅拌营养液。待20s后形成一定量与浓度的
初始营养液后，p23管脚输出高电平，导通标号为q6的pnp三极管，使得初始营养液容器阀门开启，营养液释放进入管路。
33.(三)系统软件控制设计
34.系统通过营养液质量监测模块获取营养液信息，判断营养液ph值、温度、水位等信息是否符合预设阈值范围，若符合阈值范围，仅将营养液质量监测模块采集的营养液ph值、温度、水位等信息数字化处理后通过显示模块的lcd液晶显示屏进行目视化反馈；若不符合阈值范围，则在进行目视化反馈的同时，对营养液的ph值、温度、水位等状态加以调控，保障无土栽培植物的根系得以正常生长发育。
35.本发明提供的能够制备无土栽培营养液并对其ph值、温度进行实时监控与管理的系统。在用户将无土栽培肥料加入料箱，自来水补充进水箱后，按下制备按键，若此时营养液水位为0，可制备一定浓度一定量的初始营养液。同时实现营养液ph值、温度、水位等信息的实施监测、反馈以及调控作业等。极大降低了人力在无土栽培营养液质量管理的投入，降低了人工劳动强度，进一步提升了无土栽培营养液质量的自动化管理水平，并使得无土栽培植物的正常生长发育得以保障。
36.显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：包括微控制器模块、电源模块、营养液质量调控模块、营养液质量监测模块，所述营养液质量监测模块用于监测当前营养液质量信息，其输出端连接微控制器模块，所述微控制器模块的输出端连接营养液质量调控模块，用于基于监测的当前营养液质量信息来输出控制信号至营养液质量调控模块；所述营养液质量调控模块用于基于微控制器模块的控制信号来调节营养液的质量；所述电源模块为微控制器模块、显示模块、营养液质量监测模块供电。2.如权利要求1所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述营养液质量监测模块包括营养液ph监测模块，其设置在营养液箱内，用于采集箱内的ph值；所述微控制器模块根据监测的ph值来通过营养液质量调控模块来调节营养液箱内的ph值。3.如权利要求1所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述营养液质量监测模块包括营养液温度监控模块，其设置在营养液箱内，用于采集箱内的营养液温度监控；所述微控制器模块根据监控的温度数据来通过营养液质量调控模块来调节营养液箱内的温度值。4.如权力要1所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述营养液质量监测模块包括水位监测模块，其设置在营养液箱内，用于采集箱内的营养液的水位。5.如权利要求1-4任一所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述微控制器模块的输出端连接显示模块，用于驱动显示模块显示营养液质量监控模块采集的营养液的质量信息。6.如权利要求1-4任一所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述营养液质量调节模块包括营养液箱进水阀电路、营养液进料阀电路，其分别用于控制向营养液箱进水和进料。7.如权利要求6所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述营养液箱进水阀电路或营养液进料阀电路均包括三极管q及继电器，微控制器模块的输出端连接三极管的基极，用于驱动三极管的导通和截至，所述三极管的集电极和发射极串接在继电器线圈供电回路中，用于控制继电器的线圈通电与否；所述继电器的常开触点串接在对应的进水阀、进料阀的供电回路中。8.如权利要求6所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述营养液质量调节模块还包括加热棒控制电路，所述加热棒控制电路的输入端连接微控制器模块，所述加热棒控制电路用于根据微控制器模块的控制来驱动加热棒的工作，其中加热棒设置于营养液箱中。9.如权利要求1-8任一所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述微控制器模块与独立按键模块连接，所述独立按键模块用于录入用户设置数据或控制信号值微控制器模块中。10.如权利要求1-8任一所述的一种无土栽培营养液自动监控管理系统，其特征在于：所述系统还包括营养液制备模块，其包括制备按键、初始营养液容器、进水电路、进料电路和搅拌电路，所述微控制器模块的输入端连接制备按键，所述微控制器模块的输出端分别连接进水电路、进料电路、搅拌电路，其中进水电路、进料电路分别控制向初始营养液容器进水、进料；搅拌电路用于驱动搅拌电机动作，所述搅拌电机带动搅拌曲柄搅拌营养液，所述初始营养液容器通过管路连接至营养液箱，其中管路中设置有受控于微控制器的电磁阀。

技术总结
本发明公开了一种无土栽培营养液自动监控管理系统，包括微控制器模块、电源模块、营养液质量调控模块、营养液质量监测模块，所述营养液质量监测模块用于监测当前营养液质量信息，其输出端连接微控制器模块，所述微控制器模块的输出端连接营养液质量调控模块，用于基于监测的当前营养液质量信息来输出控制信号至营养液质量调控模块；所述营养液质量调控模块用于基于微控制器模块的控制信号来调节营养液的质量；所述电源模块为微控制器模块、显示模块、营养液质量监测模块供电。本发明的优点在于：并对营养液的pH值与温度进行实时监测与调控作业的功能，极大降低了人力在维护无土栽培营养液pH值与温度管理的投入，降低了人工劳动强度，并提高了无土栽培育苗作业的自动化程度。程度。程度。


技术研发人员：张艺越
受保护的技术使用者：安徽信息工程学院
技术研发日：2022.11.04
技术公布日：2023/9/23