一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统

技术领域

本发明涉及幼苗培育技术领域，更具体的说是涉及一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统。

背景技术

潮汐育苗是一种新型的节水灌溉育苗方式，潮汐灌溉是模拟自然界的潮水的运动状态，当幼苗收到水分胁迫时，水肥营养液就进行涨潮式灌溉，灌溉完成后营养液就回退，保持苗床底部干燥，避免因潮湿而导致的呕根，发生病害等问题。而且由于是底部根系灌溉，幼苗叶子保持干净干燥，从而提高叶子光合效率。同时也提高水肥利用率，减少肥料污染。

现有的潮汐育苗设备主要运用在花卉，果蔬的培育方面，没有特别针对于林木苗的培育。由于林木苗的根系大、长的特点，就要求营养液灌溉需求量大，灌溉的速度和回退的速度更快。但是，只选择大功率水泵，来达到快速供液回液的效果，会大幅度增加系统的成本，也容易对水泵造成损害，而且在灌溉量大的前提下，也不能达到快速排水要求。

因此，设计一种成本低、技术部署简单、且能够满足林木苗培育的潮汐灌溉系统是本发明亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统，具有成本低、技术部署简单，且能够实现营养液的快速供应和回流，进而实现潮汐灌溉作业。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统，包括：营养液供应子系统、控制子系统、生长监测子系统以及至少一个滑动升降式苗床子系统；所述控制子系统分别与所述营养液供应子系统、所述生长监测子系统和各个所述滑动升降式苗床子系统电性连接；

所述营养液供应子系统用于配制营养液，并将配制好的营养液输送至所述滑动升降式苗床子系统，或将所述滑动升降式苗床子系统内的剩余营养液进行回流；

每个所述滑动升降式苗床子系统分别包括镂空式苗床、营养液池和滑动升降子系统；所述滑动升降子系统与所述控制子系统电性连接，其用于按照预设条件驱动所述营养液池上下移动，使所述镂空式苗床内的基质浸入或离开所述营养液池内部的营养液；

所述生长监测子系统用于实时监测各个所述镂空式苗床中各个位置处的生长环境参数；

所述控制子系统根据实时生长环境参数控制所述营养液供应子系统输送所需浓度的营养液至相应的所述营养液池内，并控制所述滑动升降子系统驱动所述营养液池上升，在营养液在所述镂空式苗床中停留预设时间后，驱动所述营养液池下降，控制所述营养液供应子系统对剩余营养液进行回流。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述控制子系统包括电性连接的STM32F401控制板和显示控制终端；

所述显示控制终端用于显示幼苗生长状态参数和设定灌溉模式；所述灌溉模式包括手动模式、定时模式和自动模式；所述手动模式用于手动控制灌溉作业的启停；所述定时模式用于根据预设的灌溉起止时间和营养液停留时间，确定灌溉作业的启停；所述自动模式用于根据相关程序自动计算灌溉的启停条件，并根据所述启停条件和所述生长监测子系统的监测数据，确定是否启动灌溉作业；

所述STM32F401控制板按照预设的灌溉模式控制所述营养液供应子系统和/或所述滑动升降式苗床子系统的运行状态。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述显示控制终端还用于存储育苗过程中的相关参数；所述参数包括环境参数、灌溉参数、设定参数和控制参数。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述生长环境参数包括：基质水分、基质温度、营养液EC值以及幼苗所受的光照辐射值。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述营养液供应子系统包括供水设备、原液池、水肥一体机、营养液供应池、回收池、电磁阀、水泵和多段管道；

所述供水设备和所述原液池分别通过所述管道与所述水肥一体机连通；所述水肥一体机、所述营养液供应池和所述回收池通过所述管道依次连通；所述营养液供应池和所述回收池分别通过所述管道与各个所述苗床连通；所述水泵安装在所述营养液供应池与所述苗床之间的所述管道上；每段所述管道上均安装有所述电磁阀；

所述水肥一体机、所述电磁阀和所述水泵分别与所述STM32F401控制板电性连接。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述营养液供应子系统还包括消毒设备；所述消毒设备与所述STM32F401控制板电性连接，其用于对供液前和回液后的营养液进行杀菌消毒。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述营养液供应子系统还包括蓄液池；所述营养液池的底座上开设有多组过滤口，每组所述过滤口分别通过所述管道与所述营养液供应池和所述蓄液池对应连通；所述蓄液池通过管道与所述回收池连通。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述营养液池内还安装有限位管；营养液池内的的营养液液面高于限位管时，可通过限位管直接回流至蓄液池中。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述滑动升降子系统包括：固定框架、至少一个电动滑台和至少一个升降台；所述电动滑台、所述升降台和所述镂空式苗床均位于所述固定框架内部；所述电动滑台水平安装在所述固定框架的底端；所述升降台的一端与所述电动滑台的滑动端固定连接，另一端与所述营养液池的底部固定连接；所述镂空式苗床顶部相对称的两端分别具有安装台，所述安装台与所述固定框架的顶端固定连接；

所述电动滑台的控制端和所述升降台的控制端分别与所述STM32F401控制板电性连接。

优选的，在上述一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统中，所述生长监测子系统包括水分传感器节点、营养液EC传感器节点、光照传感器节点、LoRa网关、云服务器和LTE网关；

所述水分传感器节点和所述光照传感器节点分别布设在各个所述镂空式苗床内基质的不同位置，将采集的各项数据汇聚至所述LoRa网关；

所述营养液EC传感器节点布设在所述营养液供应池内，将采集的营养液浓度数据汇聚至所述LoRa网关；

所述LoRa网关通过MQTT协议与所述云服务器通讯；

所述云服务器将接收到的数据进行格式转换后发送到所述LET网关；

所述LET网关通过WiFi将格式转换后的数据传输至所述STM32F401控制板。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统，生长监测子系统实时监测苗床基质水分与环境参数，STM32F401控制板根据各个镂空式苗床中基质的水分，手动或自动控制相应滑动升降子系统的运行状态，在基质水分低于预设值时，控制相应营养液供应子系统进行水肥配置，并控制相应电磁阀开启，将配置好的营养液输送至相应的营养液池中，直至达到目标供液量；并控制滑动升降子系统驱动营养液池上升，使镂空式苗床中的基质浸入营养液中，在营养液中停留预设时间后，再控制滑动升降子系统驱动营养液池下降，即完成单轮潮汐灌溉，营养液池移动至初始位置后，STM32F401控制板控制营养液池与蓄液池之间管道上的电磁阀打开，将营养液池内剩余的营养液回流至蓄液池，当蓄液池中回流的营养液积累至一定量后，开启回收池与蓄液池之间管道上的电磁阀，将剩余营养液回流至回收池，再进行消毒。整个过程操作简单，且能够针对不同苗床的实际参数，科学合理地进行灌溉，通过对营养液池的可升降设计，能够实现快速供液和回液，适用于根系长、大且粗的林木幼苗的培育。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统的结构示意图；

图2附图为本发明提供的滑动升降式苗床子系统的结构示意图；

图3附图为本发明提供的升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统在自动模式下作业的流程图。

具体实施方式

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。

潮汐灌溉主要是依据幼苗从底部的根系通过毛细作用原理，吸收基质中的营养液。让营养液经由管道从育苗床的底部预留孔流入，并使营养液位持续上升到合适高度，这个过程称为涨潮。在涨潮后，需要让土壤或基质充分浸润在营养液中，以保证幼苗根系充分吸收营养液。待种苗根系充分吸收营养液之后，打开育苗床的出液口，此时，营养液的液面开始下降，这个过程称为落潮。在“涨潮”的时候，将养分充分送到作物的根部，“退潮”的时候能及时褪去营养液，保持根部干燥，氧气充足。但要注意的是，需要前期根据不同的作物和相应的水肥需求特性选择合适的基质和穴盘。

目前，潮汐灌溉主要应用于果蔬，花卉这类种苗根系较小的培育中。并没有针对于林木幼苗这类根系长，大，粗的潮汐灌溉育苗。林木幼苗的根系就对潮汐灌溉的要求更高，要求灌溉量更大，灌溉供液回液的速度更快，否则，供液和回液的速度太慢，苗床潮湿，导致呕根和发生病害。因此，本发明实施例采用升降式灌溉方式，可有效解决上述问题。

如图1所示，本发明实施例公开了一种升降式柑橘潮汐育苗灌溉系统，包括：营养液供应子系统、控制子系统、生长监测子系统以及至少一个滑动升降式苗床子系统；控制子系统分别与营养液供应子系统、生长监测子系统和各个滑动升降式苗床子系统电性连接；

营养液供应子系统用于配制营养液，并将配制好的营养液输送至滑动升降式苗床子系统，或将滑动升降式苗床子系统内的剩余营养液进行回流；

每个滑动升降式苗床子系统分别包括镂空式苗床、营养液池和滑动升降子系统；滑动升降子系统与控制子系统电性连接，其用于按照预设条件驱动营养液池上下移动，使镂空式苗床内的基质浸入或离开营养液池内部的营养液；

生长监测子系统用于实时监测各个镂空式苗床中各个位置处的基质水分、基质温度、营养液EC值以及幼苗所受的光照辐射值等生长环境参数；

控制子系统根据实时生长环境参数和改进后的彭曼公式(适用于温室)计算作物的蒸散量以及所需营养液的EC值，控制营养液供应子系统输送所需浓度的营养液至相应的营养液池内，当达到目标供液量后，控制滑动升降子系统驱动营养液池上升，在营养液在镂空式苗床中停留预设时间后，控制滑动升降子系统驱动营养液池下降，并控制营养液供应子系统对剩余营养液进行回流。

具体的，控制子系统包括电性连接的STM32F401控制板和显示控制终端；

显示控制终端用于显示幼苗生长状态参数和设定灌溉模式；灌溉模式包括手动模式、定时模式和自动模式；手动模式用于手动控制灌溉作业的启停；定时模式用于根据预设的灌溉起止时间和营养液停留时间，确定灌溉作业的启停；自动模式用于根据相关程序自动计算灌溉的启停条件，并根据启停条件和生长监测子系统的监测数据，确定是否启动灌溉作业；

显示控制终端可以是触控屏、云平台网站或手机控制端程序三种形式。

STM32F401控制板按照预设的灌溉模式控制营养液供应子系统和/或滑动升降式苗床子系统的运行状态。

具体的，营养液供应子系统包括供水设备、原液池、水肥一体机、营养液供应池、回收池、电磁阀、水泵和多段管道；营养液供应池与营养液池之间的管道为供液管道；回收池与蓄液池之间的管道为回液管道。供液管道和回液管道上分别安装有流量计，流量计用于统计单次灌溉作业过程中各个营养液池的供液量和回液量。

供水设备和原液池分别通过管道与水肥一体机连通；水肥一体机、营养液供应池和回收池通过管道依次连通；营养液供应池和回收池分别通过管道与各个苗床连通；水泵安装在营养液供应池与苗床之间的管道上；每段管道上均安装有电磁阀；

水肥一体机、电磁阀和水泵分别与STM32F401控制板电性连接。

在另一个实施例中，营养液供应子系统还包括蓄液池，蓄液池位于营养液池的正下方，蓄液池通过管道与回收池连通。

设置蓄液池目的在于避免每次灌溉都需要进行回收营养液消毒的繁琐操作，可以在蓄液池中的营养液积累到一定量以后，再开启回液管道管道上的电磁阀，流入回收池，进行统一消毒处理。

更有利的，营养液供应子系统还包括消毒设备；消毒设备与STM32F401控制板电性连接，其用于对供液前和回液后的营养液进行杀菌消毒。消毒设备采用管道流动消毒以及集中消毒两种模式，节省消毒时间，确保药液安全无害性。可以采用过滤、臭氧和紫外线的消毒方式，通过对供液前和回液后的营养液进行消毒，有效避免营养液污染。

营养液池的底座上开设有多组过滤口，每组过滤口通过管道分别与营养液供应池和蓄液池对应连通；蓄液池通过管道与回收池连通。本实施例中，过滤口设置有四个，分别设置在营养液池底座的四角位置处，其中，位于对角的两个为一组，一组连通供液管道，一组连通蓄液池。

镂空式苗床位于在营养液池的正上方，其用于盛放育苗容器，并受滑动升降子系统的控制，在滑动升降子系统的控制下使镂空式苗床相对于营养液池412的底座上下移动。

在一个实施例中，营养液池的四周安装有可拆卸式栏杆，以防止因营养液池内部营养液过多，水压过大导致破裂的情况发生。

在其他实施例中，营养液池上还安装有限位管(图中未示出)；限位管一端位于营养液池内部，另一端端口直接朝向蓄液池。

当灌溉的营养液达到最大高度时，营养液将会从限位管回流至蓄液池，从而限定营养液池内的液位高度。

当营养液池内的剩余营养液需要回流时，STM32F401控制板控制回液管道上的电磁阀开启，营养液回流，完成一轮的潮汐灌溉作业。

在另一个实施例中，如图2所示，滑动升降子系统包括：固定框架1、至少一个电动滑台2和至少一个升降台3；电动滑台2、升降台3和镂空式苗床4均位于固定框架1内部；电动滑台2水平安装在固定框架1的底端；升降台3的一端与电动滑台2的滑动端固定连接，另一端与营养液池5的底部固定连接；镂空式苗床4顶部相对称的两端分别具有安装台，安装台与固定框架1的顶端固定连接；

其中，电动滑台2包括丝杆、滑块和驱动电机；滑块安装在丝杆上，升降平台固定在滑块上，驱动电机的驱动端与滑块固定连接。驱动电机的控制端和升降台的控制端分别与STM32F401控制板电性连接。

本实施例中，蓄液池6安装在固定框架1的最低端。电动滑台2和升降台3分别设置有两个，电动滑台2均位于营养液池5的正下方，升降台3对称安装在营养液池5下底面的两端。

本发明的灌溉模式包括手动模式、定时模式和自动模式，当系统处于自动模式下时，STM32F401控制板根据生长监测子系统提供灌溉条件参数以及设定的阈值，确定本次要灌溉的种苗所需的营养液量以及EC值等参数。由于种苗不同湿度以及不同生长期所需的水分和营养液EC值不同，所以STM32F401控制板可以启动水肥一体机来调节营养液EC值。待配比营养液完成，供液时刻达到时，开启管道上的水泵，相应的，供液管道对应的电磁阀同步开启，以供灌溉营养液通过管道输送到营养液池。此时，供液管道上的流量计会一直记录营养液的实时供液量，同时将统计的供液量实时上传到STM32F401控制板中，当实时供液量达到灌溉条件中的目标供液量时，STM32F401控制板发出关闭信号，水泵和营养液池对应的供液管道供液电磁阀将会关闭，此时，STM32F401控制板控制电动滑台驱动营养液池水平滑动至镂空式苗床的正下方，并控制升降台驱动营养液池上升，使镂空式苗床中的基质浸入营养液池中的营养液中，并开始对营养液停留在营养液池的时间进行计时，当营养液的停留时间达到灌溉条件中的目标供液停留时间后，滑动升降子系统中的升降台驱动营养液池下降，此时，营养液会迅速从基质中渗出，达到快速回液的效果，使得容器中的基质在灌溉后能快速保持干燥。

营养液池下降后，静置等待，回收大部分营养液，回收完毕后，电动滑台驱动滑块移动到初始位置或进行下一次灌溉。

当蓄液池内的液位到达液位计的预警高度时，STM32F401控制板发出开启信号，开启回液管道上对应的回液电磁阀，使蓄液池中剩余营养液通过回液管道输送到回收池中进行储备，当读取回液管道上的流量计的数据为预设值后，关闭对应的管道系统中回液管道对应的回液电磁阀，并开启消毒设备，以用于下一次的灌溉。

在其他实施例中，控制子系统2还包括继电器23，继电器23分别与STM32F401控制板21、营养液供应子系统1和滑动升降式苗床子系统4电性连接。

在另一个实施例中，显示控制终端22还用于下载、存储育苗过程中的相关参数；参数包括环境参数、灌溉参数、设定参数和控制参数。有利于管理者更进一步分析作物需水规律和出苗率影响因素，为发掘更优质高效的控制策略提供有效数据。

生长监测子系统包括水分传感器节点、营养液EC传感器节点、光照传感器节点、LoRa网关、云服务器和LTE网关；

水分传感器节点和光照传感器节点分别布设在各个镂空式苗床内基质的不同位置，将采集的各项数据汇聚至LoRa网关；

营养液EC传感器节点布设在营养液供应池内，将采集的营养液浓度数据汇聚至LoRa网关；

LoRa网关通过MQTT协议与云服务器通讯；

云服务器将接收到的数据进行格式转换后发送到LET网关；

LET网关通过WiFi将格式转换后的数据传输至STM32F401控制板。

如图3所示，本发明实施例处于自动模式时，灌溉作业流程如下：

步骤1，采集种苗的生长环境参数实际数据；

步骤2，读取水分传感器节点采集的基质水分数据，根据生长环境参数实际数据、基质水分数据与设定目标阈值，判断作物是否收到水分胁迫，是否需要供液，若是，则执行步骤3，否则，则返回步骤1；

步骤3，读取营养液传感器节点采集的营养液数据，判断营养液各项参数是否达到预设值，若不是，启动水肥一体机，并根据预设值调节营养液；

步骤4，开始启动消毒设备，对营养液供应池进行消毒；

步骤5，消毒完毕，打开水泵，启动供液管道上的电磁阀，供营养液进入到营养液池；

步骤6，实时监测灌溉流量；

步骤7，判断是否达到供液量，若达到，则执行步骤8，若未达到，则返回步骤6；

步骤8，关闭供液管道上的电磁阀，启动滑动升降子系统，带动营养液池上升至指定位置后静置；

步骤9，开始对营养液停留在营养液池中的时间计时，判断营养液在营养液池中的实际停留时间是否达到供液停留时间，若达到，则执行步骤10，若未达到，则返回步骤8；

步骤10，启动滑动升降子系统，带动营养液池下降，营养液池下降至指定位置，并静置一定时间；

步骤11，回收营养液池中的剩余营养液至蓄液池；

步骤12，结束一次灌溉。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。