密閉式完全利用人工光的環境控制型植物工廠的製作方法

2023-08-07 12:00:36

專利名稱：密閉式完全利用人工光的環境控制型植物工廠的製作方法
技術領域：
本發明屬於環境控制領域，具體涉及一種環境控制型植物工廠。
背景技術：
近年來，我國工廠化農業領域如溫室設施類型、栽培模式、農產品品質等方面取得了長足進步，但在環境控制技術和智能化生產管理等方面基本沒有突破我國粗放式和經驗式技術水準，離發達國家如日本、美國、以色列和荷蘭的生產水平還有很大差距。由於農業生產的不確定性、複雜性以及對低成本的需求，微電子技術在農業領域的應用普及推廣遠遠落後於工業、軍事等其它領域，很多從國外引進的高成本、高能耗的環境控制技術也未能在中國得到實際應用。因此，我國需要儘快開發具有自主智慧財產權的適合我國國情的低成本、低能耗的工廠化生產的環境控制與智能化生產管理技術。利用合理的環境調控技術不僅能提高農產品的產量與品質，還能調節商品上市時間，實現規範化、標準化、精細化生產，徹底把傳統的粗放式、經驗式的農業生產改造成精細式、智能式的工廠化生產，大幅度提高農業生產的經濟效益、社會效益和生態效益。
當前世界上植物工廠化生產系統根據光照來源的不同分為自然光利用型和人工光與自然光並用型的兩大類。自然光利用型植物工廠利用自然光，廠房為大型玻璃溫室或連棟塑料溫室，室內設置各種環境因子的監測和調控設備。這類植物工廠多少受到自然條件的影響，種植植物種類也有一定程度限制，其最大難題是如何實現夏季降溫與冬季加溫的低成本和低能耗。自然光和人工光並用型植物工廠在白天直接利用太陽光，當日射不足或日長不夠時啟動補光裝置進行光照調控，室內設置有各種環境因子的監測和調控設備。比自然光型植物工廠相比，自然光和人工光並用型植物工廠內設置了補光裝置，不易受自然條件的影響，但其並沒有解決夏季降溫與冬季加溫的高成本和高能耗問題。近年來，雖然有人不斷提出完全採用人工光源如高壓鈉燈、金屬滷化燈、螢光燈、發光二極體、雷射等進行植物工廠化生產的提案，但是仍然由於高成本化和高能耗的特點限制了其技術發展。因此，如何能實現低成本和低能耗的環境控制技術是促進植物工廠實用化生產的技術瓶頸。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明的目的在於提供一種成本低、能耗低的環境控制型植物工廠。
(二)技術方案為實現上述目的，本發明採用完全隔熱不透光材料建成一個密閉式的完全利用人工光的環境控制型植物工廠，使植物生產完全擺脫了自然環境的影響，自主開發了基於嵌入式網絡技術的環境控制系統，對系統內的溫度、溼度、CO2濃度、光照、風向、風速等環境因子進行監測和控制，將空氣潔淨與環境控制相結合，為植物生產提供清潔的、最適的生長環境。
本發明公開的一種密閉式完全利用人工光的環境控制型植物工廠，包括圍護結構、空氣循環系統、溫度調節系統、溼度調節系統、CO2供給系統、光源供給系統，還包括基於嵌入式網絡技術的控制系統；控制系統監測和控制空氣循環系統、溫度調節系統、溼度調節系統、CO2供給系統、光源供給系統的狀態和運行。
其中，圍護結構是密閉、隔熱、不透光的，它可以由隔熱彩鋼板做成，能夠起到保溫隔熱和密閉環境的效果，將因換氣而產生的系統內外的物質和能量的交換控制在最小限度，並能防止室內外溫差較大時壁板內側結露。因此，系統內空氣的溫度和溼度容易控制，為節能省電提供物理性建築結構。
其中，空氣循環系統採用正壓自循環方式，包括迴風機、送風機、初效過濾器及高效過濾器，採用兩側送風和頂端迴風方式，空氣由迴風機吸入，經初效過濾器和高效過濾器兩級過濾，由送風機送出；室內消耗的空氣由室外補充，室外空氣由風閥控制，經過初效過濾器和高效過濾器兩級過濾，送入空氣循環系統，保證空氣的潔淨和充足。
其中，溫度調節系統包括空調機組、多組壓縮機和壓力控制器，所述空調機組可以是一套冷熱管道式空調機組，空調的加熱和製冷互鎖(即當空調加熱時，其製冷關閉，製冷時加熱關閉)以避免兩者同時開啟狀態發生。同時，該系統通過壓力控制器根據系統內部的熱負荷來決定啟動壓縮機的工作檯數，以保證最小的能耗。
其中，溼度控制系統採用加溼器和純水機，所述加溼器可以是管道式超聲波加溼器，加溼器的供水採用純水機過濾過的純水，以保證超聲波加溼器足夠的使用壽命並減少日常維護次數。
其中，CO2供給系統採用裝有液態CO2鋼瓶為系統提供CO2氣體，通過壓力調節閥、流量計、電磁閥，與送風管道相連，由循環風機將調控好CO2濃度的氣體送入系統內部。CO2體供應電磁閥與光源供給系統聯動控制，只有在光照打開時，CO2供應電磁閥才會打開，從而避免了暗期時施放CO2造成的浪費。
其中，光源供給系統包括發光裝置和控制箱，其中發光裝置可以是螢光燈(YZ36RL，北京松下照明光源有限公司，北京，中國)。利用與植物吸收光譜相近的特定的發光裝置為植物生長提供合理的光照，控制箱包括定時器、斷電保護裝置和多組開關，發光裝置分組與控制箱相連，受控制箱控制，每個培養區域均獨立配置控制箱和發光裝置。並且光照的時間和強度採用定時分檔方式，針對不同培育期提供不同光照強度和光周期的光照環境，既滿足了植物不同生長階段的需要，也能實現低成本化並節約電能。特定螢光燈的30％左右的有效發光基本能被植物所吸收，其他的70％發光轉化成熱源來維持系統內部的溫熱環境。由於整個系統與外界隔絕，系統在明期和暗期均能保持一定的熱平衡。空調系統的成績係數達到5以後，不僅提高了人工光源的光利用效率，也大大提高了電能使用效率。
其中，基於嵌入式網絡技術的控制系統，包含多組嵌入式網絡的控制模塊、分布式繼電器模塊和環境因子監測傳感器以及計算機。環境因子監測傳感器用於監測整個系統內的環境狀況，利用乙太網集線器將多組嵌入式控制模塊連接組成區域網，並與計算機連接，基於嵌入式網絡技術的控制模塊將傳感器檢測的模擬信號轉換成數位訊號，並傳送給計算機，所有檢測信號經由控制軟體分析、比較、預測後，按照能源優化的控制模式與基於植物環境反饋的最適控制原則發出控制指令，經過控制模塊將動作指令傳給繼電器模塊，從而啟動或關閉相應的執行機構，並通過計算機對系統內所有控制參數、實時監測數據和圖像動態地進行WEB發布。其中，環境因子監測傳感器包括風速傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器、CO2濃度傳感器，如果採用水培方式栽培或營養液自動灌溉，則還包括酸鹼度(pH)傳感器和電導度(EC)傳感器。
本發明還設計了自動計電系統，在整個密閉式植物工廠中使用了多塊多功能三相或單相電錶來自動計量所有執行機構的耗電量，這些電錶通過485通訊埠與監控計算機相連，通訊協議支持國際《多功能電能表通信規約》(Multi-function watt-hour meter communicationprotocol)DL/T645-1997標準。該自動計電系統針對系統內各用電設備(如空調、風機、光照、加溼器等)的耗電量分別進行統計核算，明確各用電設備的用電情況，並將統計結果傳送給控制系統，通過對各用電設備的績效考察，進一步優化系統控制方案，為節省電能消耗和提高電能使用效率提供參考依據。
本發明還設計了水回收利用裝置，包括空調冷凝水回收裝置和加溼器溢流水回收裝置，回收的水經過濾後進入營養液灌溉系統進行再生利用。
本發明提供的植物工廠可以採用多層培養架的多層立體栽培方式，採用這種栽培方式時，空氣循環系統的送風散流口與多層培養架一一對應，能夠有效地降低因發光裝置開啟而造成的垂直方向上溫度差異大的問題；同時，將光源供給系統在每個培養架均獨立配置控制箱和發光裝置，使得每個培養架的光照時間和各層的光照強度都能獨立控制。
(三)有益效果本發明提供的一種密閉式完全利用人工光的環境控制型植物工廠具有以下優點(1)採用密閉隔熱不透光的圍護結構，使室內外能量和物質交換維持在最小限度，該植物工廠可以不受季節、氣候和地域的限制。
(2)CO2供給系統與光源供給系統聯動控制，提高了CO2利用效率；(3)採用多層立體栽培提高了空間利用率，在有限的空間內實現大規模生產從而大幅度提高單位面積產量；(4)採用每個區域每個培養架獨立配置控制箱和特定發光裝置如特定螢光燈，能夠針對不同需要提供不同的光照時間和光照強度，提高光能的利用效率，並對應不同植物對光環境的需求；(5)空調冷凝水和加溼器溢流的回收使用提高了水的利用效率；(6)基於嵌入式網絡技術的環境控制系統實現了實時動態的環境監測和控制，系統的自學習功能使系統在積累運行經驗的同時不斷地修正其最適運行模式，管理者和開發者利用WEB動態發布隨時監控系統運行，從而逐步實現了系統的標準化、智能化的環境控制和生產管理；綜上所述，本發明公開的植物工廠能夠實現低成本、低能耗、操作簡便，適用於標準化、規格化的環境控制與生產管理。
本發明可直接應用於無農藥、高品質和高附加值的植物遺傳資源和種苗的低成本化的大量快速繁殖和大規模生產，實現標準化和規格化的栽培管理和計劃生產。主要適用於各種新品種、脫毒苗、轉基因苗等不易種子繁育的花卉、林木、蔬菜、中藥草等種苗或植物的低成本化的大量快速繁殖與規模化生產，及其菌類、苔蘚類、昆蟲的工廠化生產；也可應用於各種環境控制、植物生理抗逆性、組織培養、遺傳育種等領域的科研試驗，也可進行植物信息檢測的技術開發。


圖1是密閉式完全利用人工光的環境控制型植物工廠的系統示意圖；圖2是基於嵌入式網絡技術的控制系統的硬體結構示意圖；圖3是密閉式植物工廠的自動計電系統結構示意圖；圖4是光照控制箱結構示意圖。
圖1中1、圍護結構；2、送風夾道；3、送風口；4、通風管道；5、溫溼度傳感器；6、風速傳感器；7、風量調節閥；8、迴風風機；9、迴風口；10、空調；11、送風風機；12、高效過濾器；13、加溼器；14、電磁閥；15、配電箱；16、系統控制箱；17、初效過濾器；18、CO2供氣管；19、通風管道；20、CO2氣瓶；21、純水機；22、加溼器進水管；23、水箱；24、回水管；25、營養液箱；26、室內CO2傳感器；27、室內溫溼度傳感器；28、控制室外空氣進入的風閥；29、送風處的溫溼度傳感器；30、斷電保護裝置；31、定時器；32、開關；33、電錶；34、計算機；35、485通訊埠。
具體實施例下面結合附圖進一步詳細說明本發明的具體實施方式
，但不用來限制本發明的保護範圍。
如圖1所示，在本實施例中，維護結構1由隔熱彩鋼板做成，為系統提供了密閉、隔熱、不透光的物理性建築結構。所採用空氣循環系統為一正壓自循環系統，利用通風管道4將各設備連接，形成一個密閉的循環通道。室內空氣經迴風口9處的初效過濾器，被迴風風機8抽出，經過空調10的溫度調節處理，再由送風機11送至高效過濾器12進行過濾，然後經過加溼器13和CO2供氣管18調節相對溼度和CO2濃度後，從送風管進入送風夾道2，最後從側牆上的送風口3進入室內。在系統運行過程中，當室內溫/溼度傳感器27和CO2傳感器26檢測到室內溫/溼度和CO2濃度通過專用算法預測在下一時刻將超出設定的控制範圍時，控制系統就會發出指令啟動或停止相應設備。比如溫度異常，就會啟動空調10進行加熱或製冷；溼度異常就會打開加溼器13進行加溼，或者打開新風閥28通入室外新風降低溼度，加溼所用的水由純水機21提供，經過加溼管道22送到加溼器；CO2濃度低於設定值時系統就會打開電磁閥14，CO2氣體從CO2氣瓶20通過氣管18進入風管，隨氣流進入室內，CO2濃度高於設定值時系統就打開風閥28通入室外新風稀釋室內CO2濃度。系統製冷過程中所得的冷凝水和加溼時溢出的水通過回水管24流回水箱23，為營養液箱25中營養液的配製供水，從而實現水的循環利用。室外新鮮空氣經過初效過濾器17進入風管19，再經過高效過濾器的進一步過濾，被風機送入室內。風速傳感器6測量風道內的風速，從而可以確定系統的送風量，送風量的大小根據需要可以通過風量調節閥7進行調節。迴風處溫/溼度傳感器5和送風處溫/溼度傳感器29主要用於檢測迴風處和進風處的空氣溫溼度。系統的控制模塊、繼電器模塊、自動計電模塊全部收納到系統控制箱16裡。
如圖2所示，在實際操作中，所有設備都由控制系統通過監控軟體(嵌入無線網絡式環境控制系統，軟體著作權登記號2005SRBJ1769)進行自動控制。各種傳感器用於監測整個系統內的環境狀況，基於嵌入式網絡技術的控制模塊是由多個嵌入式控制晶片組成，該控制模塊將傳感器檢測的模擬信號轉換成數位訊號，所有檢測信號經由監控軟體分析比較預測後，按照優化的控制模式與最適控制算法發出控制指令，再經過控制模塊將動作指令傳給繼電器模塊，從而啟動或關閉相應的執行機構。
如圖3所示，本發明的自動機電系統包含多塊多功能三相或單相電錶33來自動計量所有執行機構的耗電量，這些電錶33通過485通訊埠35與監控計算機34相連，通訊協議支持國際《多功能電能表通信規約》(Multi-function watt-hour meter communication protocol)DL/T645-1997標準。該自動機電系統針對系統內各用電設備(包括空調、風機、光照、加溼器等)的耗電量分別進行統計核算，明確各用電設備的用電情況，並將統計結果傳送給控制系統，通過對各用電設備的績效考察，進一步優化系統控制方案，為節省電能消耗和提高電能使用效率提供參考依據。
在本實施例中，光源供給系統由螢光燈和配電箱15組成。如圖4所示，配電箱15包括定時器31、斷電保護裝置30和多組開關32。各開關32與各組螢光燈相連，通過設定定時器31來控制各組螢光燈的工作時間。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，尤其是本環境控制技術可以同時控制多套系統，從而建立大規模的分布式的植物工廠系統，以適應大規模不同植物種類生產的需求。通過以上實施例對本發明進行的詳細描述，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種密閉式完全利用人工光的環境控制型植物工廠，包括圍護結構、空氣循環系統、溫度調節系統、溼度調節系統、CO2供給系統、光源供給系統，其特徵在於還包括基於嵌入式網絡技術的控制系統，該控制系統用於監控空氣循環系統、溫度調節系統、溼度調節系統、CO2供給系統和光源供給系統的狀態和運行；所述的圍護結構是密閉隔熱不透光的，所述的光源供給系統的光源是完全人工光源。
2.根據權利要求1所述的植物工廠，其特徵在於還包括自動計電系統，該自動計電系統對各用電設備的耗電量分別進行統計核算，並將統計結果傳送給控制系統，通過對各用電設備的績效考察，進一步優化系統控制方案。
3.根據權利要求1或2所述的植物工廠，其特徵在於所述的空氣循環系統採用正壓循環方式，包括迴風機(8)、送風機(11)、初效過濾器及高效過濾器(12)，採用兩側送風和頂端迴風方式，空氣由迴風機(8)吸入，經迴風口、初效過濾器(9)和高效過濾器(12)兩級過濾，由送風機(11)送出；室內消耗的空氣由室外補充，室外空氣進入通風道(19)後先經過初效過濾器(17)，再由風閥(28)自動控制送入空氣循環系統。
4.根據權利要求1或2所述的植物工廠，其特徵在於所述的溫度調節系統包括空調機組(10)、多臺壓縮機和壓力控制器，所述空調機組的製冷和加熱互鎖，所述壓縮機的工作數量由壓力控制器根據系統內部的熱負荷來決定。
5.根據權利要求1或2所述的植物工廠，其特徵在於所述的溼度調節系統包括加溼器(13)和純水機(21)，加溼器(13)的供水採用經過純水機(13)過濾的純水。
6.根據權利要求1或2所述的植物工廠，其特徵在於所述的CO2供給系統包括裝有液態CO2鋼瓶(20)、壓力調節閥、流量計及電磁閥(14)，CO2通過壓力調節閥、流量計、電磁閥與送風管道相連；CO2氣體供應電磁閥(14)與光源供給系統聯動控制，光源打開時，CO2氣體供應電磁閥(14)才會打開。
7.根據權利要求1或2所述的植物工廠，其特徵在於所述的光源供給系統包括發光裝置和控制箱(15)，所述發光裝置是與植物吸收光譜相近的特定光譜的人工光源，控制箱(15)包括定時器(30)、斷電保護裝置(31)和多組開關(32)，發光裝置分組與控制箱(15)相連，受控制箱控制，每個培養區域均獨立配置控制箱(15)和發光裝置，光照的時間和強度採用定時分檔方式。
8.根據權利要求1或2所述的植物工廠，其特徵在於所述的基於嵌入式網絡技術的控制系統，包括多組嵌入式網絡的控制模塊、分布式繼電器模塊和環境因子監測傳感器以及計算機，環境因子監測傳感器用於監測整個系統內的環境狀況，利用乙太網集線器將多組嵌入式控制模塊連接組成區域網，並與計算機連接，基於嵌入式網絡技術的控制模塊將傳感器檢測的模擬信號轉換成數位訊號，並傳送給計算機，所有檢測信號經由控制軟體分析、比較、預測後，按照能源優化的控制模式與基於植物環境反饋的最適控制原則發出控制指令，經過控制模塊將動作指令傳給繼電器模塊，從而啟動或關閉相應的執行機構，並且通過計算機監控軟體和網際網路對系統內所有控制參數、實時監測數據和圖像動態地進行WEB發布。
9.根據權利要求1或2所述的植物工廠，其特徵在於還包括水回收利用系統，所述水回收利用系統包括空調冷凝水回收裝置和加溼器溢流水回收裝置，回收的水經過濾後進入營養液灌溉系統。
10.根據權利要求1或2所述的植物工廠，其特徵在於所述的植物工廠採用多層培養架式的立體栽培方式，並且每個培養架均獨立配置控制箱(15)和發光裝置，所述的空氣循環系統的送風散流口與多層培養架一一對應。
全文摘要
本發明公開了一種密閉式完全利用人工光的環境控制型植物工廠，包括圍護結構、空氣循環系統、溫度調節系統、溼度調節系統、CO
文檔編號A01G9/20GK101057550SQ20061007620
公開日2007年10月24日 申請日期2006年4月19日 優先權日2006年4月19日
發明者賀冬仙, 李保明, 楊珀, 朱本海 申請人:中國農業大學