一种基于营养元素的温室营养液回液精准配肥装置及方法

1.本发明属于温室营养液精准配肥技术领域，具体涉及一种基于营养元素的温室营养液回液精准配肥装置及方法。


背景技术：

2.我国设施作物栽培面积居世界第一，且大型连栋温室面积比例逐年增加，温室作物栽培种植中，水培和基质栽培等无土栽培占据较大比例，自动化灌溉施肥系统可以精准控制无土栽培作物所需的水分供给及营养搭配，精准化提升温室种植效率及效果，降低配肥所需的人力成本及原料成本。
3.当前国内温室作物种植在灌溉施肥过程中，配制无土栽培营养液的方法以直接采用标准肥料配方为主，此时灌溉施肥系统根据营养液的ec、ph等因子的设定值控制配肥过程。这种温室灌溉配肥方式无法按照蔬菜类别、不同生长阶段和生长需求来自动改变配方配肥，难以实现对作物生长和品质的动态调控与精确灌溉，不能充分挖掘蔬菜产量和品质的潜力，难以实现优质高产。基于营养元素的营养液精确配比技术将解决上述不足，实现对作物营养液中营养元素的精准化、智能化配比，在不提升成本的条件下提升作物的产量及品质，既做到营养液的充分利用又提升温室种植的效益，具有广泛推广运用的价值及意义。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于营养元素的营养液回液精准配肥装置及方法，实现对营养液回收液中所需添加营养离子的定量配比。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种基于营养元素的温室营养液回液精准配肥装置，其特征在于，包括：
7.回液储存单元，包括m个回液储存桶和一个回液暂存桶，每个回液储存桶的出水口与回液暂存桶的入水口连通，且连通管路上设有m个电动闸阀、泵a和回路离子检测装置；每个回液储存桶中设置有液位传感器c，回液暂存桶11中设有液位传感器a；
8.混肥桶，入水口a与回液暂存桶的出水口连通，且连通管路上设有第十四电磁比例阀和泵h；混肥桶内设有液位传感器b；
9.肥料储存单元，包括n个肥料桶，每个肥料桶与混肥桶的入水口b连通，且连通管路上设有n个电磁比例阀和泵g；所述n个肥料桶包含至少一个存放酸的肥料桶、至少一个存放碱的肥料桶，其余的肥料桶存放无机盐；
10.控制器，用于接收液位传感器c、液位传感器a和液位传感器b的信号，并控制电动闸阀、泵a、第十四电磁比例阀、泵h、电磁比例阀和泵g的工作状态。
11.上述技术方案，还包括：
12.储液单元，包括p个储液桶，所述混肥桶的出水口通过主管路与储液桶的入水口连通，且连通管路上依次设有泵b和第二电磁比例阀，每个储液桶的出水口通过泵接入各灌溉分支管路，每个灌溉分支管路中均设有电动闸阀；每个储液桶的入水口还连接一个电动闸
阀，且储液桶中设有液位传感器d，所述液位传感器d将信号传输给控制器，控制器控制泵b、第二电磁比例阀、电动闸阀和灌溉分支管路上泵的工作状态。
13.上述技术方案中，所述回液储存桶的出水口与回液暂存桶的入水口连通管路上还设有回路离子检测装置，所述回路离子检测装置由n、p、k、ga、mg、s、ec和ph传感器组成，用于检测配肥前管路中溶液的营养元素离子含量、ec和ph值。
14.上述技术方案中，所述主管路上还设有主路离子检测装置，所述主路离子检测装置由n、p、k、ga、mg、s、ec和ph传感器组成，用于检测配肥后管路中溶液的营养元素离子含量、ec和ph值。
15.上述技术方案中，所述主管路上还设有压力传感器，用于检测管路中的营养液压力，并传输给控制器，进而控制泵b的工作压力。
16.上述技术方案中，所述混肥桶通过第一电磁比例阀与水源管路连通。
17.上述技术方案中，所述n个肥料桶与清水管路连通。
18.一种基于营养元素的温室营养液回液精准配肥方法，确定二次配方营养元素离子的量，在肥料桶中配置成营养液，并泵入混肥桶中，再将回液暂存桶中的回收液泵入混肥桶进行配肥。
19.进一步地，所述二次配方营养元素离子的量的确定过程为：
20.选定配肥所使用的水溶无机盐为nh4no3、kh2po4、k2so4、kno3、ga(no3)2、gacl2、mgso4，配肥所使用的酸碱为h3po4、h2so4、hno3和naoh，定义每种配肥的求解变量分别为x1、x2、x3、x4、x5、x
11
、x6、x
10
、x7、x8和x9；标准液中n、k、ca、mg、p、s对应的离子含量为分别为a、b、c、d、e、f，回收液中n、k、ca、mg、p、s对应离子的含量分别为a、b、c、d、e、f，二次配方是将标准液中各营养元素离子浓度减去回收液中各营养元素离子浓度；
21.根据离子配方确定x1和x9的值，即nh
4
、naoh的量；
22.基于选定的无机盐和定义的求解变量，若使x
11
＝0，由x5d0＝d-d求解x5，即确定ga
2
的量；若由和x5d0 x
11
d0＝d-d确定ga
2
的量；
23.由x6e0＝e-e求解x6，即确定mg
2
的量；
24.令x3、x4＝0，若根据x2c0 2x3c0 x4c0＝c-c和x2b0 x
10
b0＝b-b求得x2、x
10
，即确定po
43-的量；若令x
10
＝0，由x2b0 x
10
b0＝b-b求得x2，从而确定po
43-的量；
25.根据x2c0 2x3c0 x4c0＝c-c、x6f0 x3f0＝f-f和x1k x4k 2x5k x8k＝a-a，求得x3、x4、x8的值，即确定k

、no
3-的量；
26.由x6f0 x3f0 x7f0≥f-f和x7＝{minx7|x7f
0-x6f
0-x3f0}确定x7，即so
42-的量；
27.其中：a0表示nh
4
的摩尔质量，b0表示po
43-的摩尔质量，c0表示k

的摩尔含量，d0表示ga
2
的摩尔质量，e0表示mg
2
的摩尔质量，f0表示so
42-的摩尔质量，k表示no
3-的摩尔质量，i是与nh
4
的质量比。
28.进一步的方案，还包括：配肥结束后，混肥桶中的肥料泵入储液桶中，通过控制各灌溉分支管路上的泵和电动闸阀，实现灌溉。
29.本发明的有益效果为：在设施农业无土栽培营养液回液回收再利用过程中，本发明能够调配单一营养离子的含量，根据营养元素配方满足蔬菜生产中品质和口感的调控，以元素为基础，对营养液余液回收进行二次配肥，按一定比例补充作物所需元素，并保持应有的ph值和ec值；其次，基于营养元素的配肥装置能够针对作物不同生长阶段需求、不同作物配方要求，灵活实现自动配肥和营养液回液的二次配肥利用，减少营养液废液排放污染，降低营养液使用成本，从而达到更加智能化、精细化的控制要求，为现代大型温室水培智能灌溉系统提供技术参考。
附图说明
30.图1为本发明所述基于营养元素的营养液配肥装置示意图；
31.图中：1-第一电动闸阀，2-回液储存桶a，3-第二电动闸阀，4-回液储存桶b，5-第三电动闸阀，6-回液储存桶c，7-第四电动闸阀，8-回液储存桶d，9-泵a，10-回路离子检测装置，11-回液暂存桶，12-第十四电磁比例阀，13-混肥桶，14-泵b，15-压力传感器，16-主路离子检测装置，17-第八电动闸阀，18-储液桶a，19-泵f，20-第七电动闸阀，21-储液桶b，22-泵e，23-第二电磁比例阀，24-第六电动闸阀，25-储液桶c，26-泵d，27-第五电动闸阀，28-储液桶d，29-泵c，30-泵g，31-第一肥料桶，32-第二肥料桶，33-第三肥料桶，34-第四肥料桶，35-第五肥料桶，36-第六肥料桶，37-第七肥料桶，38-第八肥料桶，39-第九肥料桶，40-第十肥料桶，41-第十一肥料桶，42-第三电磁比例阀，43-第四电磁比例阀，44-第五电磁比例阀，45-第六电磁比例阀，46-第七电磁比例阀，47-第八电磁比例阀，48-第九电磁比例阀，49-第十电磁比例阀，50-第十一电磁比例阀，51-第十二电磁比例阀，52-第十三电磁比例阀，53-第一电磁比例阀，54-泵h。
具体实施方式
32.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
33.本发明一种基于营养元素的温室营养液回液精准配肥装置及方法，主要用于大型温室无土栽培水培系统的营养液回液二次配肥利用，如图1所示，装置具体包括：控制器、元素离子检测装置、回液储存单元、电动闸阀、泵、电磁比例阀、混肥桶13、肥料储存单元、压力传感器以及储液单元。
34.回液储存单元由4个相同的回液储存桶(回液储存桶a2、回液储存桶b4、回液储存桶c6、回液储存桶d8)和一个回液暂存桶11组成，每个回液储存桶中设置有液位传感器，液位传感器的位置根据实际需求进行设置(例如桶高的2/3处)，且液位传感器与控制器进行通信；每个回液储存桶的出水口与回液暂存桶11的入水口连通，且连通管路上设有电动闸阀(依次为第一电动闸阀1、第二电动闸阀3、第三电动闸阀5和第四电动闸阀7)、泵a9和回路离子检测装置10；回液储存单元收集温室水培系统营养液回收液，并存储在回液储存桶中，当回收液达到液位传感器所在位置之后，控制器接收到信号，并控制常闭的电动闸阀打开，泵a9将回液储存桶中的营养液回收液泵入回液暂存桶11中；回液暂存桶11的出水口与混肥桶13的入水口a连通，且连通管路上设有第十四电磁比例阀12和泵h54，回液暂存桶11中设有液位传感器a，用来实时检测回液暂存桶11中的液位，并传输给控制器，当液位达到高液
位设定值时，控制器控制泵a9停止运转、电动闸阀均关闭，控制第十四电磁比例阀12和泵h54工作，将回液暂存桶11中的回收液泵入混肥桶13内进行配肥；当液位达到低液位设定值时，控制泵h54停止运转、第十四电磁比例阀12关闭，泵a9运转、电动闸阀均打开。回液储存桶的个数根据实际需求设定。
35.肥料储存单元由11个相同的肥料桶(第一肥料桶31、第二肥料桶32、第三肥料桶33、第四肥料桶34、第五肥料桶35、第六肥料桶36、第七肥料桶37、第八肥料桶38、第九肥料桶39、第十肥料桶40、第十一肥料桶41)组成，每个肥料桶与混肥桶13的入水口b连通，且连通管路上设有泵g30和电磁比例阀(第三电磁比例阀42、第四电磁比例阀43、第五电磁比例阀44、第六电磁比例阀45、第七电磁比例阀46、第八电磁比例阀47、第九电磁比例阀48、第十电磁比例阀49、第十一电磁比例阀50、第十二电磁比例阀51和第十三电磁比例阀52)；混肥桶13内设有液位传感器b，用于实时获取混肥桶13中营养液的液位，并传输给控制器；当达到配肥液位设定值时，控制器通过所求解变量(营养元素离子的量)控制电磁比例阀的工作状态(由营养元素离子的量控制电磁比例阀的开闭为现有技术，在此不再赘述)以及泵g30工作，从而精准调控注入混肥桶13中水溶无机盐肥料、酸和碱溶液的量；肥料桶的水溶营养元素肥料进入混肥桶13中混肥；肥料加注完成以后，控制泵g30停止运转、电磁比例阀均关闭，控制泵h54运转、第十四电磁比例阀12打开，对混肥桶13中的肥液进行定容至定容液位为止。肥料桶的数量n根据所需营养元素进行确定，包含至少一个存放酸的肥料桶、至少一个存放碱的肥料桶，其余的肥料桶存放无机盐。
36.储液单元由4个相同的储液桶(储液桶a18、储液桶b21、储液桶c25、储液桶d28)组成，每个储液桶的入水口连接一个电动闸阀(依次为第五电动闸阀27、第六电动闸阀24、第七电动闸阀20、第八电动闸阀17)；所述混肥桶13的出水口通过主管路与储液桶的入水口连通，且连通管路上依次设有泵b14、压力传感器15、主路离子检测装置16和第二电磁比例阀23；储液桶内分别设有液位传感器，每个储液桶的出水口分别通过泵c29、泵d26、泵e22、泵f19接入各灌溉分支管路，每个灌溉分支管路中均设有电动闸阀；主路离子检测装置16检测混肥后营养液中元素离子含量、ec和ph值；配肥达标以后，控制器控制泵b14、第二电磁比例阀23工作及电动闸阀的开闭，将混肥桶13中的营养液泵入对应储液桶中保存，混肥桶13中的营养液泵入对应储液桶的过程中，主路离子检测装置16实时检测营养液的离子浓度、ec和ph值，确保灌溉所需营养液符合需求；压力传感器15用来检测管路中的营养液压力，并传输给控制器，控制泵b14工作压力稳定。储液桶中也设有液位传感器，实时检测储液桶中的液位，当液位达到高液位设定值时，控制器控制泵b14停止运转；当液位达到低液位设定值时，控制器控制泵c29、泵d26、泵e22、泵f19停止运转。储液桶的个数根据实际需求设定。
37.元素离子检测装置包括回路离子检测装置10和主路离子检测装置16，回路离子检测装置10和主路离子检测装置16均由n、p、k、ga、mg、s、ec和ph传感器组成，分别用来检测配肥前、后管路中溶液的营养元素离子含量、ec和ph值，营养元素离子的检测对象分别为nh
4
、no
3-、k

、po
43-、ga
2
、mg
2
、so
42-。
38.混肥桶13通过第一电磁比例阀53与水源管路连通，混肥结束后，控制器控制第一电磁比例阀53工作，对混肥桶13进行清洗；每个肥料桶也连通清水管路，按需求配制1mol/l的营养液。
39.通过回路离子检测装置10检测回收液中营养元素离子浓度，确定二次配方营养元
素离子的量，在肥料桶中配置成1mol/l的营养液，并注入混肥桶13中，再将回液暂存桶11中的回收液泵入混肥桶13进行配肥，配肥结束后，混肥桶13中的肥料泵入储液桶中，通过控制各灌溉分支管路上的泵和电动闸阀，实现灌溉；其中：确定营养元素离子的量具体步骤为：
40.s1，确定回收液的二次配方
41.二次配方是在标准液各营养元素离子浓度(根据离子配方确定)的基础上减去回收液的营养元素离子浓度(由回路离子检测装置10采集获取)，离子包含氮(n)、钾(k)、钙(ca)、镁(mg)、磷(p)、硫(s)这6种主要元素对应的离子；
42.s2，肥料桶中水溶无机盐的选定
43.配肥所使用的水溶无机盐有nh4no3、kh2po4、k2so4、kno3、ga(no3)2、gacl2、mgso4，配肥所使用的酸碱有h3po4、h2so4、hno3和naoh；
44.s3，求解变量定义
45.定义每种肥料的求解变量分别为x1、x2、x3、x4、x5、x
11
、x6、x
10
、x7、x8和x9，限定初始条件：x1…
x
11
均为非负；针对氮(n)、钾(k)、钙(ca)、镁(mg)、磷(p)、硫(s)这6种主要元素，标准液中这6种主要元素对应的离子含量为分别为a、b、c、d、e、f；回收液中这6种主要元素对应离子的含量分别为a、b、c、d、e、f；
46.以摩尔数为求解变量的计量单位，摩尔数n＝r/m，其中r为营养液质量(单位：g)，m为摩尔质量(单位：g/mol)；
47.所定义肥料和求解变量见表1：
48.表1定义肥料和求解变量
49.[0050][0051]
其中：a0表示nh
4
的摩尔质量，b0表示po
43-的摩尔质量，c0表示k

的摩尔含量，d0表示ga
2
的摩尔质量，e0表示mg
2
的摩尔质量，f0表示so
42-的摩尔质量，k表示no
3-的摩尔质量；
[0052]
s4，确定nh
4
的量
[0053]
根据离子配方确定n的量(即x1)，并按照需求设定水溶无机盐nh4no3中(质量比)，i取值根据标准液中离子配方确定，一般情况下作物所需no
3-大于nh
4
，且在标准液中已经引入了部分no
3-，所以可以保证no
3-大于nh
4
；
[0054]
s5，确定ga
2
的量
[0055]
基于选定的无机盐和定义的求解变量，若则表明no
3-量不足，由于nh
4
已确定，继续加入ga(no3)2，并使x
11
＝0，由式(1)确定x5，即确定ga
2
的量：
[0056]
x5d0＝d-d
ꢀꢀ
(1)
[0057]
若则表明no
3-量充足，则按式(2)、式(3)确定x5、x
11
的值，即确定ga
2
的量：
[0058][0059]
x5d0 x
11
d0＝d-d
ꢀꢀ
(3)
[0060]
s6，确定mg
2
的量
[0061]
由式(4)确定x6的值，即确定mg
2
的量：
[0062]
x6e0＝e-e
ꢀꢀ
(4)
[0063]
s7，确定x2、x
10
的值，即确定po
43-的量
[0064]
从确定kh2po4(x2)开始，先不考虑k2so4、kno3，因此令x3、x4＝0；若则所需po
43-更多，先满足需求量较小的k

；公式如式(5)、式(6)所示，此时x
10
≠0，求得x2、x
10
；若所需k

更多，则令x
10
＝0，并按式(6)得到x2的值：
[0065]
x2c0 2x3c0 x4c0＝c-c
ꢀꢀ
(5)
[0066]
x2b0 x
10
b0＝b-b
ꢀꢀ
(6)
[0067]
s8，确定x3、x4、x8的值，即确定k

、no
3-的量
[0068]
由于nh
4
、ga
2
、mg
2
和po
43-的量已经确定，需继续补充k

、so
42-和no
3-，变量x1、x2、x5、x6均已在上述求解中得到，由式(7)-(9)求得x3、x4、x8的值：
[0069]
x2c0 2x3c0 x4c0＝c-c
ꢀꢀ
(7)
[0070]
x6f0 x3f0＝f-f
ꢀꢀ
(8)
[0071]
x1k x4k 2x5k x8k＝a-a
ꢀꢀ
(9)
[0072]
s9，确定so
42-的量
[0073]
由于x3、x6的值已知，根据式(13)、式(14)确定so
42-的量：
[0074]
x6f0 x3f0 x7f0≥f-f
ꢀꢀ
(10)
[0075]
x7＝{minx7|x7f
0-x6f
0-x3f0}
ꢀꢀ
(11)
[0076]
由于x9代表naoh，与其余量不存在关联，因此x9的值根据离子配方进行确定。
[0077]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。