名称：一种空气制水智能浇灌系统

专利号：202511198584.2

专利权人：次平

技术领域

本申请涉及农业灌溉的技术领域，尤其涉及一种空气制水智能浇灌系统。

背景技术

在农业生产和绿化养护中，灌溉是保障植物生长的关键环节。传统浇灌方式主要依赖地下水、河流或市政供水，在干旱、半干旱地区，水资源短缺问题尤为突出，过度开采地下水还会导致生态环境恶化。同时，传统浇灌多采用粗放式供水，水资源利用率低，且肥料施用依赖人工经验，易造成养分失衡或浪费，不仅影响植物生长，还可能引发土壤板结、水体富营养化等环境问题。

现有空气制水技术虽能将空气中的水分转化为液态水，但其设备多依赖电网供电，能耗较高，且制水效率受环境温度、湿度影响大，难以稳定应用于农业灌溉。此外，现有智能浇灌系统虽配备土壤传感器，但营养调配多为固定比例，无法根据植物实时需求动态调整，且未与空气制水技术深度融合，仍需外部水源支持。

针对上述问题，亟需开发一种无需依赖传统水源、能源自给、可动态调控水肥供给的智能浇灌系统，以解决干旱地区灌溉难题并提高资源利用效率。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的一个目的在于提供一种空气制水智能浇灌系统，该系统采用风能与太阳能复合供能，无需电网，适用于偏远地区且降碳；结合地下温差、相变材料等提升空气冷凝效率与质量；借传感器、计量泵等实现精准营养配比；物联网动态调控降本，部件防腐蚀抗冻，适配复杂环境。

为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种空气制水智能浇灌系统，包括供能组件、空气压缩管道、地下温差凝结组件、地下储水罐、土壤多参数传感器、营养动态调配组件、多级浇水管道和物联网控制终端，其中，所述供能组件设置于地表以上，配置为利用风能与太阳能复合供能，其输出端通过防腐蚀输气管连接至空气压缩管道的进气口；所述空气压缩管道自地表向下倾斜延伸，管内设有位于进气口下游的静电除尘模块，中段外壁贴附涡流制冷片，末端贯通连接至地下温差凝结组件的顶部进气腔；所述地下温差凝结组件埋设于地下冻土层以下，包括盘绕于保温壳体内的多层螺旋冷凝管，管壁覆盖亲水涂层，保温壳体外壁与土壤间填充相变蓄热材料层，底部冷凝室设有坡度≥5°的导流斜面，且通过内置单向止逆阀的导流管垂直连接至地下储水罐的进水口；所述地下储水罐埋设于植物根系深度以下，设有水位监测装置，其出水口通过增压水泵连接至营养动态调配组件的进水端；所述土壤多参数传感器包含至少一组探测探头，探测探头贴附于多级浇水管道的主干管上且嵌入植物根系周边土壤，配置为实时检测土壤湿度及氮、磷、钾离子浓度；所述营养动态调配组件的调控端电性连接土壤多参数传感器，包括分隔为氮源仓、磷源仓、钾源仓的营养液储存仓，以及根据传感器反馈数据控制各仓体注入比例的微计量泵组，混合腔内设有超声波混溶器，其混合出口通过分流阀连接多级浇水管道的主干管；所述多级浇水管道由主干管及若干呈放射状延伸至植物根系核心区的末端毛细支管构成；所述物联网控制终端通过无线收发模块远程连接土壤多参数传感器及营养动态调配组件，内置根据植物种类自动调整湿度及营养阈值的浇灌策略算法。

根据本申请实施例的一种空气制水智能浇灌系统，该系统采用风能与太阳能复合供能，无需电网，适用于偏远地区且降碳；结合地下温差、相变材料等提升空气冷凝效率与质量；借传感器、计量泵等实现精准营养配比；物联网动态调控降本，部件防腐蚀抗冻，适配复杂环境。

另外，根据本申请上述提出的一种空气制水智能浇灌系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本申请的一个实施例中, 所述供能组件包括风力发电机、太阳能光伏板及能源转换控制器，能源转换控制器配置为当光照强度≥30000lux时优先启用太阳能光伏板，否则自动切换至风力发电机驱动。

在本申请的一个实施例中, 所述空气压缩管道的倾斜角度为30°-60°，涡流制冷片的制冷温度范围为5-15℃，且管道内壁喷涂聚四氟乙烯防腐蚀涂层。

在本申请的一个实施例中, 所述相变蓄热材料层采用Na2SO4・10H2O基复合相变材料，相变潜热≥200kJ/kg，多层螺旋冷凝管的管径为15-25mm，相邻管体间距为管径的1.2-1.8倍。

在本申请的一个实施例中, 所述微计量泵组包括三个独立控制的柱塞计量泵，单泵流量调节范围为0.5-10mL/min，超声波混溶器的功率为50-150W，工作频率为25-35kHz。

在本申请的一个实施例中, 所述毛细支管采用食品级PE材料制成，管体开设孔径为0.3-0.8mm的出水孔，孔间距为8-12cm，末端设有不锈钢滤网防堵头。

在本申请的一个实施例中, 所述物联网控制终端还配置为：当地下储水罐的水位低于总容积的20%时，发送补水预警信号；当土壤多参数传感器检测到营养浓度超标时，自动关闭对应微计量泵组的仓体阀门。

本申请与现有的技术相比的优点在于：

（1）采用风能与太阳能复合供能，无需依赖电网，适用于偏远或缺电地区，且降低碳排放。

（2）结合地下温差（冻土层以下稳定低温环境）与相变蓄热材料，配合螺旋冷凝管和亲水涂层，显著提高空气冷凝效率；涡流制冷片预降温与静电除尘模块进一步提升制水质量。

（3）通过土壤多参数传感器实时监测，微计量泵组与超声波混溶器实现营养成分的精准配比与高效融合，避免养分浪费或失衡。

（4）物联网终端根据植物种类和生长状态动态调整浇灌策略，实现自动化管理，降低人工成本。

（5）部件采用防腐蚀、防堵塞设计，地下储水罐和凝结组件抗冻抗干扰，适用于干旱、寒冷等复杂环境。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的整体示意图；

图2为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的能源与冷凝制水系统示意图；

图3为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的水肥调配与灌溉系统示意图；

图4为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的智能控制闭环系统示意图；

图5为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的地下温差冷凝放大图；

图6为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的智能浇灌控制逻辑图；

图7为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的控制连接关系示意图；

图8为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的空气制水及浇灌流程示意图；

图9为根据本申请一个实施例的一种空气制水智能浇灌系统的冷凝水生成原理图。

如图所示：1、供能组件；11、风力发电机；12、太阳能光伏板；13、能源转换控制器；2、空气压缩管道；21、静电除尘模块；22、涡流制冷片；3、地下温差凝结组件；31、顶部进气腔；32、底部冷凝室；33、导流管；34、多层螺旋冷凝管；35、保温壳体；36、相变蓄热材料层；37、导流斜面；4、地下储水罐；41、进水口；42、出水口；43、增压水泵；5、土壤多参数传感器；51、探测探头；6、营养动态调配组件；61、分流阀；62、营养液储存仓；621、氮源仓；622、磷源仓；623、钾源仓；63、微计量泵组；64、超声波混溶器；65、混合腔；7、多级浇水管道；71、主干管；72、末端毛细支管；8、物联网控制终端；81、无线收发模块；82、浇灌策略算法。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面结合附图来描述本申请实施例的一种空气制水智能浇灌系统。

如图1-图9所示，本申请实施例的一种空气制水智能浇灌系统，可实现水资源自给及精准水肥管理，通过干旱半干旱地区的苹果树种植园结合本系统各组成部分的具体参数及工作流程进行详细说明。

实施例一：系统各组件的具体结构与参数

1、供能组件1

供能组件1安装于种植园周边开阔地带（距果树至少5m，避免遮挡光照），具体包括：

风力发电机11：选用200W水平轴风力发电机，叶片直径1.2m，启动风速3m/s，额定风速10m/s，输出电压12V，通过支架固定于2.5m高混凝土基座上；

太阳能光伏板12：采用3块100W单晶硅光伏板，串联组成300W阵列，安装倾角40°（适配当地纬度），表面覆盖防眩光钢化玻璃，边框为铝合金材质，通过可调角度支架固定于地表；

能源转换控制器13：型号为MPPT-30A智能控制器，内置光照传感器，当检测到光照强度≥30000lux时，自动切换至太阳能光伏板12供电；当光照强度＜30000lux（如阴天、傍晚）或夜间，自动切换至风力发电机11供电；控制器还集成100Ah铅酸蓄电池组，用于储存盈余电能，确保连续阴雨天气下系统可稳定运行72小时以上。

供能组件1的输出端通过φ20mm防腐蚀输气管（材质为耐候性EPDM橡胶）连接至空气压缩管道2的进气口，输气管外层包裹保温棉（厚度5mm），防止低温环境下管内结露。

2、空气压缩管道2

空气压缩管道2整体呈“倾斜向下”布置，具体参数如下：

管道主体：采用φ110mmUPVC管，长度8m，倾斜角度45°，管身外壁喷涂灰色防晒涂料，内壁均匀喷涂0.2mm厚聚四氟乙烯涂层（耐腐蚀性等级≥C2）；

静电除尘模块21：位于进气口下游1.5m处，采用蜂窝式电极结构，工作电压3000V，除尘效率≥95%（针对粒径≥10μm的颗粒物），模块两端设有可拆卸法兰，便于定期清理积尘；

涡流制冷片22：在管道中段（距进气口3m处）外壁均匀粘贴4片12V直流涡流制冷片（型号TEC1-12706），每片功率60W，制冷量50W，通过铝制散热片与管道外壁紧密贴合（接触热阻≤0.1℃/W），制冷片工作时可将管道内空气预降温至5-15℃（具体温度由物联网控制终端8根据环境湿度动态调节）。

空气压缩管道2的末端通过φ110mm法兰盘（材质为304不锈钢）贯通连接至地下温差凝结组件3的顶部进气腔31，法兰连接处加装耐油橡胶密封圈（硬度 60 Shore A），确保气密性（泄漏率≤0.1L/min）。

3、地下温差凝结组件3

地下温差凝结组件3埋设于地下1.8m处（当地冻土层深度为1.2m，确保组件位于冻土层以下），具体结构如下：

保温壳体35：为长方体结构（长1.2m×宽0.8m×高0.6m），外壳采用3mm厚不锈钢板，内部填充50mm厚聚氨酯发泡保温层（导热系数≤0.022W/(m・K)），壳体顶部设有检修口（尺寸400mm×300mm），配备密封盖；

多层螺旋冷凝管34：采用3层紫铜管（TP2牌号，壁厚1mm）盘绕而成，单根铜管直径20mm，总长度30m，螺距30mm（为管径的1.5倍），相邻管体间距24mm（为管径的1.2倍）；管壁外侧喷涂0.1mm厚纳米亲水涂层（接触角≤15°），加速冷凝水滑落；

相变蓄热材料层36：填充于保温壳体35外壁与周围土壤之间，厚度100mm，采用Na2SO4・10H2O基复合相变材料（添加3%石墨烯增强导热），相变温度8℃，相变潜热220kJ/kg，凝固点-5℃，可在昼夜温差15℃以上的环境中维持壳体内部温度稳定；

底部冷凝室32：为不锈钢材质（304），容积50L，底部导流斜面37坡度8°，斜面最低处开设φ32mm排水口；

导流管33：为φ32mm食品级PE管，长度1.2m，管内内置硅胶单向止逆阀（开启压力0.05MPa），防止地下储水罐4内的水回流至冷凝室32。

顶部进气腔31与空气压缩管道2连通，压缩空气经螺旋冷凝管34冷却后，水分凝结成液态水，沿亲水涂层滑落至冷凝室32，经导流斜面37汇集后通过导流管33流入地下储水罐4。

4、地下储水罐4

地下储水罐4埋设于地下2.5m处（低于苹果树根系最深深度1.8m），具体参数如下：

罐体：采用500L聚乙烯储罐（食品级，密度0.94g/cm³），抗压强度≥0.6MPa，罐体外壁缠绕玻璃纤维增强层（厚度5mm），防止土壤压力导致变形；

水位监测装置：为投入式液位变送器（量程0-2m，精度±0.5%FS），探头安装于罐体内侧壁距底部20cm处，通过485总线连接至物联网控制终端8；

进水口41：位于罐体顶部，与导流管33通过法兰连接，配备滤网（孔径0.5mm）防止杂质进入；

出水口42：位于罐体侧壁距底部10cm处，连接φ25mmPE管，管路上安装增压水泵43；

增压水泵43：为24V直流离心泵（功率120W，扬程15m，流量20L/min），配备压力开关（当管路压力≥0.2MPa时自动停机）。

5、土壤多参数传感器5

每棵苹果树配置1组土壤多参数传感器5，具体安装与参数如下：

探测探头51：为一体化探针结构（长度20cm，直径3cm），包含：

土壤湿度检测单元（基于频域反射原理，测量范围0-100%，精度±2%）；

氮离子检测电极（测量范围0-1000mg/kg，精度±5%）；

磷离子检测电极（测量范围0-500mg/kg，精度±5%）；

钾离子检测电极（测量范围0-2000mg/kg，精度±5%）；

安装方式：探测探头51通过抱箍固定于多级浇水管道7的主干管71上，探针部分斜插入苹果树根系周边30cm深度的土壤中（与树干距离1.5m，处于根系密集区）；

数据传输：采用LoRa无线传输（传输距离≥500m，功耗≤10mA），每30分钟采集一次数据，发送至物联网控制终端8。

6、营养动态调配组件6

营养动态调配组件6安装于地表控制柜内（IP65防护等级），具体结构如下：

营养液储存仓62：为3个50L聚乙烯桶（分别对应氮源仓621、磷源仓622、钾源仓623），仓体外侧标注液位刻度（精度±100mL），顶部设有透气孔（带活性炭滤网）；

氮源仓621：储存质量分数20%的尿素溶液；

磷源仓622：储存质量分数15%的磷酸二氢钾溶液；

钾源仓623：储存质量分数10%的氯化钾溶液；

微计量泵组63：包括3台柱塞计量泵（型号JZM-10），分别连接3个仓体，单泵流量调节范围0.5-10mL/min（精度±0.3%），工作压力0.1-0.3MPa，通过硅胶管（φ6mm）将营养液注入混合腔65；

混合腔65：为φ100mm不锈钢容器（容积2L），顶部设有进水口（连接地下储水罐4的出水口管路），底部设有出水口；

超声波混溶器64：为28kHz超声波振动棒（功率100W），插入混合腔65内深度10cm处，工作时产生高频振动，使水肥混合液形成纳米级颗粒（粒径1-5μm）；

分流阀61：为电磁换向阀（口径φ25mm，工作电压24V），可根据物联网控制终端8的指令，将混合液分配至不同区域的多级浇水管道7。

7、多级浇水管道7

多级浇水管道7采用地埋式布置（埋深30cm），具体参数如下：

主干管71：为φ50mmPE管（压力等级1.0MPa），沿种植行铺设，每50m设置1个检修井；

末端毛细支管72：从主干管71分支，采用φ16mm食品级PE管（壁厚2mm），每棵苹果树配置4根毛细支管72，呈放射状延伸至树冠投影范围内（距树干0.5-2m）；

出水孔：毛细支管72上开设孔径0.5mm的出水孔，孔间距10cm，孔口朝向斜下方45°，防止土壤堵塞；

防堵设计：毛细支管72末端安装不锈钢滤网（304材质），并配备可拆卸接头，便于定期冲洗。

8、物联网控制终端8

物联网控制终端8安装于种植园管理房内，具体配置如下：

主控模块：采用STM32H743微处理器（主频400MHz），配备16GB存储模块；

无线收发模块81：集成LoRa模块（接收传感器数据）和GPRS模块（发送预警信息），工作频段433MHz/868MHz；

浇灌策略算法82：内置苹果树生长周期数据库，针对不同生长阶段（萌芽期、花期、果期、休眠期）设定动态阈值：

土壤湿度阈值：萌芽期60-70%田间持水量，花期65-75%，果期70-80%，休眠期50-60%；

营养浓度阈值：氮300-500mg/kg，磷100-200mg/kg，钾200-400mg/kg；

人机交互：配备7英寸触摸屏，可手动设置参数、查看历史数据（存储≥1年）。

实施例二：系统工作流程

本系统的工作流程分为空气制水 - 储水和智能浇灌两个阶段，具体如下：

1、空气制水 - 储水阶段

（1）供能驱动：供能组件1通过风力发电机11或太阳能光伏板12发电，经能源转换控制器13稳压后，驱动空气压缩机（集成于供能组件内）工作，将外界空气压缩至0.2MPa；

（2）空气预处理：压缩空气进入空气压缩管道2，先经静电除尘模块21去除粉尘，再通过涡流制冷片22预降温至10℃（环境湿度越高，制冷温度越低）；

（3）地下冷凝：预处理后的空气进入地下温差凝结组件3的顶部进气腔31，沿多层螺旋冷凝管34流动，与冻土层以下的低温土壤（8-12℃）进行热交换，空气中的水分在管壁凝结（亲水涂层加速凝结水汇集）；

（4）储水：凝结水沿螺旋冷凝管34滑落至底部冷凝室32，经导流斜面37汇集后，通过导流管33的单向止逆阀流入地下储水罐4，水位监测装置实时记录水量。

2、智能浇灌阶段

（1）数据采集：土壤多参数传感器5每30分钟检测一次土壤湿度及氮、磷、钾浓度，数据通过无线收发模块81传输至物联网控制终端8；

（2）策略判断：物联网控制终端8的浇灌策略算法82将检测数据与当前生长阶段的阈值对比，若土壤湿度低于下限或某类营养成分不足，则启动浇灌程序；

（3）营养调配：营养动态调配组件6根据传感器反馈数据，控制微计量泵组63按比例抽取氮源仓621、磷源仓622、钾源仓623内的营养液（例如：若土壤氮含量为200mg/kg（低于阈值300mg/kg），则按每升水添加5mL尿素溶液的比例注入），营养液与地下储水罐4输送的水在混合腔65内经超声波混溶器64充分混合；

（4）精准浇灌：混合后的水肥液经分流阀61进入多级浇水管道7的主干管71，再通过末端毛细支管72的出水孔均匀滴灌至苹果树根系核心区；

（5）异常处理：若地下储水罐4水位低于总容积的20%（即100L），物联网控制终端8通过GPRS模块发送补水预警至管理员手机；若土壤某类营养浓度超标（如氮含量＞500mg/kg），则自动关闭对应微计量泵组63的仓体阀门，停止该类营养注入。

实施例三：为确保各组件高效协同工作，系统设置以下联动机制：

1、能源 - 制水联动：当物联网控制终端8检测到地下储水罐4水位≥80%（400L）时，自动降低空气压缩机功率（降至50%），减少能耗；当水位≤30%（150L）时，满功率运行制水；

2、温度 - 冷凝联动：环境湿度＞60%时，涡流制冷片22工作功率调至80%（预降温至8℃）；湿度＜40%时，功率调至100%（预降温至5℃），提升冷凝效率；

3、浇灌 - 天气联动：物联网控制终端8通过GPRS模块获取未来24小时天气预报，若预报有降雨（降雨量≥5mm），则自动延迟浇灌程序24小时。

本实施例通过上述具体结构与工作流程，实现了干旱地区苹果树的 “空气制水 - 智能水肥调配 - 精准浇灌” 一体化管理，显著降低了种植成本，且无需依赖外部电网与水源，具备良好的推广价值。

需要说明的是，本申请的控制方式可通过控制器来自动控制，控制器的控制方式通过本领域的技术人员简单编程即可实现，属于本领域的公知常识，并且本申请主要用来保护机械结构，所以本申请不再详细解释控制方式和电路连接。

综上，本申请实施例的一种空气制水智能浇灌系统，该系统采用风能与太阳能复合供能，无需电网，适用于偏远地区且降碳；结合地下温差、相变材料等提升空气冷凝效率与质量；借传感器、计量泵等实现精准营养配比；物联网动态调控降本，部件防腐蚀抗冻，适配复杂环境。

在本说明书的描述中，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变形。