基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法
2023-04-28 05:00:51
基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，包括步驟S01：獲取某一植物生長特性和規律的參數；步驟S02：提供一溫室環境控制系統；步驟S03：根據所述參數設置所述溫室環境控制系統的控制程序；步驟S04：所述溫室環境控制系統根據設置的控制程序運行直到所述植物栽培完成；一種植物對應一個控制程序，設置有相應控制程序的溫室環境控制系統就是一條植物生產線。本發明提供一種可擴展式植物生產方式，模擬植物在整個成長過程中的最佳生長環境，能用最少的投入和最低的能耗生成出質量好、數量高、周期短的「產品」，具有經濟效益高，易於大規模、工業化推廣的特點，並且還具有成本低、成效高的優點。
【專利說明】基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種低成本的，基於植物生長規律的「流水線」式植物工廠，能夠根據不同植物的生長規律，更加精確地、高效地、批量地和工業化地培養各種植物。
【背景技術】
[0002]一方面，由於人口快速增長、耕地日益減少、資源短缺、環境汙染、農藥濫用等問題，使得人們必須的傳統的糧食作物和蔬菜等生產在產量與安全上都面臨著巨大的挑戰；另一方面，隨著人們生活水平的提高，對食物在衛生、營養、健康、綠色等方面的要求越來越高。解決上述矛盾的最為有效的方法是建立植物工廠。植物工廠是植物栽培的最高境界，它根據植物的生長規律及特性，利用人工方法智能地控制植物生長的外部環境(如光環境、水分、二氧化碳和營養供應等)，創造出適合植物生長的最佳環境。它完全採用工業化、程序化的生產模式，實現了栽培環境的最優化，所生產出的植物品質好、產量高、周期短、速度快、汙染少、效益高，具有傳統栽培模式無法比擬的優勢，代表著未來農業的發展方向。
[0003]但在當前，現有植物工廠的經濟效益並不高。根據「經濟效益=產品總值/生產成本」的關係，其原因可以從以下兩個方面加以說明:
首先，現有的植物工 廠都存在著結構複雜，投入的硬體成本高的問題。由於系統運行和維護繁瑣，需要專業技術人員進行操作控制，這樣形成的人因成本也很高；因對操作人員素質和技術具有較為苛刻的要求，使得植物工廠的推廣應用受到限制，開發植物工廠前期工作中的費用轉移到每個植物工廠的成本也較高。
[0004]其次，經濟效益還取決於產品總值，取決於單位時間內產品的數量與質量，取決於植物工廠能否產生出品質好、產量高、周期短的「產品」。作物生長的環境對作物的生長有密切的關係，會影響到作物的生理過程，進而影響到作物的數量與質量。植物工廠主要就是要通過控制植物生長的光環境、空氣中二氧化碳濃度、溫度和溼度，土壤中的養分、溫度和溼度等因素來形成植物生長的最佳外部條件。以光環境為例:光照對植物的生長至關重要，但從量上來分析，一般而言，喜陽植物需要充足的陽光，喜陰植物則希望少些光照，但多少最為恰當呢？在這方面目前還無統一的標準，但可以肯定的是不同植物對光照的需求量是不同；同種植物在不同的生長階段對光照的需求量也是不同的。另一方面，從光譜的結構上分析:我們知道太陽光是個連續光譜，已經報導，植物並不是對整個太陽光譜都均勻吸收，植物對藍光和紅光部分有兩個很強的吸收峰值，藍光將增加表皮和柵欄葉肉細胞的厚度，而紅光將減少遠軸面和海綿組織的厚度。同時植物在不同的生長階段所需的光譜成分也不同。因此，為創造出最適合於植物生長的光環境，同時也為了節約能源和所投入的生產成本，植物工廠就必須能根據植物生長的需求，實時地改變光源的強度、光譜結構、光照時間等，這樣才能高效、節能地促進植物的快速健康成長。
[0005]其它的外部環境因素，如溫度、溼度、二氧化碳濃度等也是如此，只有充分考慮到植物的特性和生長的規律，才能創造出最合適這種植物的生長環境。
[0006]然而，由於缺乏對具體的植物生長特性和規律做長期、深入和系統的研究和實驗，現有技術中的植物工廠雖然也有對外部環境加以控制，但基本上都是比較籠統(不同植物間的差異不大)，比較粗糙的(同一植物在不同的生長期基本相同，或變化不大)。也有些專利，如申請號201210191223.1公開了一種基於作物信息融合的多尺度溫室環境控制系統，在溫室環境因子控制系統的基礎上，引入作物生理信息和生長信息，採用信息融合技術對這些溫室參數進行分層次、多級別、多方面的融合。雖然該系統也考慮了一些作物的生長信息，但溫室環境仍很難達到作物最佳的生長環境；且該系統需將多方面的信息進行分析、融合和處理以便對環境進行實時控制。這樣的系統結構複雜，成本較高，無法形成標準化、具體化的工序，因而，難以做到大規模、工業化地推廣。
[0007]因此，對於如何創建一種低成本的，基於植物的成長特性和規律的具體化、精確化、標準化、程序化的「流水線」式植物工廠，目前還沒有人提出過一個具體的、可行的方案。
【發明內容】
[0008]有鑑於此，本發明的目的是提供一種基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，能實現植物栽培像流水線生產模式一樣具體化、標準化、工藝化。
[0009]本發明採用以下方案實 現:一種基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，其特徵在於包括以下步驟:
步驟SOl:獲取某一植物生長特性和規律的參數；
步驟S02:提供一溫室環境控制系統；
步驟S03:根據所述參數設置所述溫室環境控制系統的控制程序；
步驟S04:所述溫室環境控制系統根據設置的控制程序運行直到所述植物栽培完成；一種植物對應一個控制程序，設置有相應控制程序的溫室環境控制系統就是一條植物生產線。
[0010]在本發明一實施例中，所述植物生長特性和規律的參數是在研究植物生長的全過程中，根據環境信息參數隨時間變化的關係進行記錄的。
[0011 ] 在本發明一實施例中，所述的溫室環境控制系統包括一主控單元以及與該主控單元連接的光源控制單元、二氧化碳控制單元、溫度控制單元、溼度控制單元、營養物質控制單元和生產線選擇單元；所述的營養物質控制單元用於根據所述控制程序為所述植物提供營養物質；所述生產線選擇單元供用戶對要栽培的植物進行選擇。
[0012]在本發明一實施例中，還包括構建一生產線資料庫，所述生產線資料庫是用於存儲植物最佳的生長特性和規律的詳細過程和所有參數，以供控制程序使用。
[0013]在本發明一實施例中，所述光源控制單元是由遮光系統和補光系統組成，遮光系統能根據需要對陽光全部或部分遮擋，補光系統能根據需要產生不同光強和不同光譜結構的單色或複色光，其方法是通過控制所需LED或者有色螢光燈的亮度、數量和空間分布的方式來實現。
[0014]在本發明一實施例中，所述光源控制單元還可以由純人工光源組成，該純人工光源能根據需要產生不同光強和不同光譜結構的單色或複色光，其方法是通過控制所需LED或者有色螢光燈的亮度、數量和空間分布的方式來實現，特別適合於在室內的設施農業和立體農業中的應用。
[0015]本發明提出了一種全新的生產理念和生產模式，將流水線的生產方式引入到植物栽培的過程中。在基於植物生長規律的「流水線」式植物工廠的硬體設備上，系統結構並不複雜，成本不高，另外，硬體設備都是通用的，容易大規模推廣，運行成本還會隨著規模性的生產而有所下降。在軟體方面，雖然植物「流水線」式的最佳生長環境需要投入一定的時間和精力去獲得，要耗費大量的人因成本。但找到並做成這種植物「流水線」式生長的標準化程序之後，此程序具有通用性，如果大規模推廣，則分配到每一個「流水線」式植物工廠的軟體成本會相當低。由於該「流水線」式植物工廠能提供一種可擴展式植物生產方式，模擬植物的最佳生長環境，它就能用最少的投入和最低的能耗生成出質量好、數量高、周期短的「產品」。因此，基於本發明所述的植物生長規律的「流水線」式植物工廠具有經濟效益高，易於大規模、工業化推廣的特點，並且還具有成本低、成效高的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明流程示意圖。
[0017]圖2是本發明系統架構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]本發明涉及一種低成本的，基於植物的生長特性和規律的具體化、精細化、標準化、程序化的「流水線」式植物工廠。下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0019]如圖1所示，本實施例提供一種基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，其特徵在於包括以下步驟:
步驟SOl:獲取某一植物生長特性和規律的參數；
步驟S02:提供一溫室環境控制系統；
步驟S03:根據所述參數設置所述溫室環境控制系統的控制程序；
步驟S04:所述溫室環境控制系統根據設置的控制程序運行直到所述植物栽培完成；一種植物對應一個控制程序，設置有相應控制程序的溫室環境控制系統就是一條植物生產線。
[0020]本實施例中，所述植物生長特性和規律的參數是在研究植物生長的全過程中，根據環境信息參數隨時間變化的關係進行記錄的。為了更好的實現流水線，本發明方法還包括構建一生產線資料庫，所述生產線資料庫是用於存儲植物生長特性和規律的詳細過程和所有參數，以供控制程序使用。這樣，用戶想要生產哪種植物，只要調取對應的控制程序，所述溫室環境控制系統就能為該植物提供最佳的生長環境，且其不像現有的溫室系統只是單純的控制環境的參數，而是根據植物生產特性和規律，在植物生長的不同階段，控制程序自動給出所述植物從播種到生長結束全過程的最佳生長環境，有效的提高了生產效率，期間不需要人為的幹涉，極大地降低了生產成本，甚至不懂植物栽培的人都可以批量生產出大量優質的植物。
[0021 ] 請參見圖2，在本發明一實施例中，所述的溫室環境控制系統包括一主控單元以及與該主控單元連接的光源控制單元、二氧化碳控制單元、溫度控制單元、溼度控制單元、營養物質控制單元和生產線選擇單元；所述的營養物質控制單元用於根據所述控制程序為所述植物提供營養物質；所述生產線選擇單元供用戶對要栽培的植物進行選擇。所述光源控制單元是由遮光系統和補光系統組成，遮光系統能根據需要對陽光全部或部分遮擋，補光系統能根據需要產生不同光強和不同光譜結構的單色或複色光，其方法是通過控制所需LED或者有色螢光燈的亮度、數量和空間分布的方式來實現。此外，該光源控制單元還可以由純人工光源組成，該純人工光源能根據需要產生不同光強和不同光譜結構的單色或複色光，其方法是通過控制所需LED或者有色螢光燈的亮度、數量和空間分布的方式來實現，特別適合於在室內的設施農業和立體農業中的應用。
[0022]具體而言，本發明提出的植物工廠主要由兩部分組成:一是用於控制外部環境的硬體設備，二是對應於具體某個植物「流水線」式生產過程中精確化、標準化、工藝化的軟體程序。為了降低成本，本發明把硬體設備做成通用型的。所謂通用型的就是指不管「流水線」式植物工廠生產哪種「產品」，所用的硬體設備都是相同的。這樣如果「流水線」式植物工廠能到大規模的推廣，那麼硬體設備的成本就會顯著降低。硬體設備主要是用於控制「流水線」式植物生長外圍環境的硬體設施，它包括:光源控制單元，二氧化碳控制單元，溫度控制單元，溼度控制單元，營養物質控制單元、生產線選擇單元以及指揮、調動這些硬體設施按具體的植物生成環境程序協調工作的主控單元。以植物賴以生存的光合作用必備的光源為例，首先，不同的植物所需的光強是明顯不同的；其次，每一種植物還有自身特定的光譜特性，即對某種特定光譜的光有不同的需求；最後，即使是同一種植物，在不同的生長階段對光環境的要求也會有所不同。因而本發明涉及的光源控制單元是由遮光系統和補光系統組成，遮光系統可根據需要對陽光全部或部分遮擋，補光系統也可以根據需要產生不同光強和不同光譜結構的單色或複色光，其方法是通過控制所需LED (發光二極體)或者有色螢光燈的亮度、數量和空間分布的方式來實現的。同理，其它的外部環境因素，如二氧化碳濃度，空氣中溫度和溼度等，在不同種植物間或同一種植物在不同的生長期的需求也是不同的，控制這些參數的單元也可以按照軟體程序中要求通過主控單元管理與控制，使之模擬特定植物的最佳生長環境。
[0023]同樣，為了降低成本，本發明所涉及的「流水線」式植物工廠把程序軟體與硬體設備分開，硬體是通用的，但軟體是不同的。只要加入一款特定的軟體，即要栽培植物對應的控制程序，該「流水線」式 植物工廠中便生成一條特定的生產「流水線」，並按該「流水線」生產出不同的「產品」。每一種植物由於生長規律與特性不同，其生成的「流水線」是不同的。如果要高效地生產某種植物，就應該找出最適合其生長的「流水線」，再把這種生產「流水線」寫成標具體化、標準化、工藝化的程序。只要把該程序寫到硬體設備的主控單元中，並在生產線選擇單元中加入相應的模塊，這種「流水線」式的植物工廠就能模擬出此種植物的最佳生長環境，從而大大提高植物工廠的生產效率。
[0024]值得一提的是，尋找植物的最佳生長環境是一項十分困難和艱巨的工作，要長期地、反覆地進行實驗才可能找到。實驗階段可在一個小型的培養箱中實行。通過不斷的改變植物的生長環境參數，來觀察植物的生長狀況，尋找這種植物的生長特性和規律，並通過各種實驗方案的對比，尋找出這種植物的最佳生長的方案。最後再把這個方案的所有環境信息參數隨時間變化的關係詳細地、具體地記錄下來。這就是這種植物的標準生產「流水線」，再把這個生產「流水線」寫成具體化、標準化、工藝化的程序。雖然，在尋找某一具體植物的最佳生長環境時需要耗費大量的時間、人力和物力，會增加較多的人因成本，但一旦找到一個較優的方案，「流水線」式植物工廠的生產效率會有較大的提高；另外，如果把最佳方案的過程做成這種植物生長的標準化程序，那麼該程序就具有通用性，如果大面積的推廣，則轉化到每一個「流水線」式植物工廠的軟體成本就會相當低。因而，本發明涉及的植物工廠具有很好的經濟效益。
[0025]值得一提的是，本發明步驟SOl獲取某一植物生長特性和規律的參數的好壞決定了很大一部分決定了植物的產能，因此，獲取最佳的生長特性和規律的參數能達到最好的「流水線」效果。
[0026]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的 涵蓋範圍。
【權利要求】
1.一種基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，其特徵在於包括以下步驟: 步驟SOl:獲取某一植物生長特性和規律的參數； 步驟S02:提供一溫室環境控制系統； 步驟S03:根據所述參數設置所述溫室環境控制系統的控制程序； 步驟S04:所述溫室環境控制系統根據設置的控制程序運行直到所述植物栽培完成；一種植物對應一個控制程序，設置有相應控制程序的溫室環境控制系統就是一條植物生產線。
2.根據權利要求1所述的基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，其特徵在於:所述植物生長特性和規律的參數是在研究植物生長的全過程中，根據環境信息參數隨時間變化的關係進行記錄的。
3.根據權利要求1所述的基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，其特徵在於:所述的溫室環境控制系統包括一主控單元以及與該主控單元連接的光源控制單元、二氧化碳控制單元、溫度控制單元、溼度控制單元、營養物質控制單元和生產線選擇單元；所述的營養物質控制單元用於根據所述控制程序為所述植物提供營養物質；所述生產線選擇單元供用戶對要栽培的植物進行選擇。
4.根據權利要求3所述的基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，其特徵在於:還包括構建 一生產線資料庫，所述生產線資料庫是用於存儲植物生長特性和規律的過程和所有參數，以供控制程序使用。
5.根據權利要求3所述的基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，其特徵在於:所述光源控制單元是由遮光系統和補光系統組成，遮光系統能根據需要對陽光全部或部分遮擋，補光系統能根據需要產生不同光強和不同光譜結構的單色或複色光，其方法是通過控制所需LED或者有色螢光燈的亮度、數量和空間分布的方式來實現。
6.根據權利要求3所述的基於植物生長特性和規律的流水線式植物工廠的實現方法，其特徵在於:所述光源控制單元還可以由純人工光源組成，該純人工光源能根據需要產生不同光強和不同光譜結構的單色或複色光，其方法是通過控制所需LED或者有色螢光燈的亮度、數量和空間分布的方式來實現。
【文檔編號】A01G1/00GK103444418SQ201310414613
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】徐永, 吳義炳 申請人:福建農林大學