自动称重筛选平台系统和方法与流程

技术领域

本发明涉及用于在大规模盆栽植物内提供控制土壤湿度条件的系统和方法，典型地设置在温室中的自动称重筛选系统。

背景技术：

称重方法是已知的技术，通过测量盆的质量变化给予容器或盆中种植植物上的精确干旱状况评估。测量盆的质量提供土壤湿度变化的精确计算，并且根据预定的水不足程序通过计算实际水含量和所希望的水含量之差决定再浇注值。通过适当控制来自土壤的蒸发水损耗，称重方法允许通过实验周期决定植物蒸腾和总的种植用水。

典型地，称重筛选是高劳动强度的过程，其在筛选特定的程序中限定了生产率和生产量。传统的筛选系统运动单个的盆到称重和再浇注站点。在某些情况下，植物的整个模块作为单元运动到另一个位置用于重量测量和再浇注。该运动对于试验程序带来附加的换乱作用，例如，在运动期间的振动，并且降低密度生长条件，例如，其典型地不能在野外环境中。这些已知的称重筛选系统不能最有效地利用温室空间。

技术实现要素：

本发明的自动称重筛选系统和方法提供采用在试验期间保持植物在静止位置的支撑平台和盆设计的高生产率温室筛选系统。该系统包括设置在支撑平台下的下部构台，其具有多个单独的称重传感器模块且探测每行盆的重量和供水。在所示的实施例中，每行盆由称重传感器模块同时升起以获得重量，计算给盆加多少水到所希望的质量，然后根据该计算将水提供到盆。当下部构台沿着支撑平台的长度运动时，其与每行盆对齐。在几分钟的时间内同时示例性地称重且再浇注整行盆，而不移动盆到单独的称重站点。通过从平台的下部称重且再浇注盆，本系统和方法允许高速自动上部构台捕获高清晰度的图像、温度数据或其它传感器数据，从而在实验期间量化植物应力水平或植物冠层特性。

本系统和方法对良好浇注和干旱处理组二者提供低噪声以及更加均匀和精确控制的水分状况环境。改善的控制能使测量生物学参数的比较具有很大的信心，因为水分状况在整个实验中是相等的或均匀的。

平台和构台系统示例性地用于用户化的盆，其设计为与位于支撑平台下的下部构台一起工作，用于称量且再浇注该盆。所示的盆能从土壤表面之下再浇注。每个盆示例性地包括储槽系统，其构造为在其中保持水。储槽系统围绕由盆限定的土壤柱，从正好在土壤的顶表面之下的位置到盆的底部的位置。所示的实施例提供从储槽系统到土壤的流体相通，这通过多个垂直流体通道提供，该垂直流体通道沿着盆的内部圆周延伸。在所示的实施例中，合成纤维网孔覆盖通道以防止根和污泥碎片累积在储槽的通道中。水和/或营养素通过称重传感器模块且通过设置在盆的底部的止回阀示例性地在储槽中输送。在与称重传感器模块的支撑表面接触时，盆上的O型密封圈形成止回阀周围的密封以较少水分损耗。盆输送精确量的水分到土壤柱，并且导致适合生长和发展的健康种植材料。

在本发明的一个示例性实施例中，提供的系统用于控制多个盆栽植物中的土壤湿度以执行水分亏缺实验。该系统包括具有形成在其中的多个开口的固定平台。开口设置在平台上的多个行中。该系统还包括设置在平台中的多个开口中的多个盆。盆由平台支撑。可活动的下部构台设置在平台以下。可活动的下部构台支撑多个称重传感器模块，它们与一行开口中设置的多个盆对齐。每个称重传感器模块包括具有支撑的称重传感器，该支撑从远离盆底部表面的缩回位置到延伸位置是活动的，其中称重传感器的支撑向上升起盆以支撑在其上的盆的重量，从而称重传感器称量该升起的盆。该系统还包括连接到称重传感器的控制器。控制器编程为根据盆的重量和水亏缺实验决定是否盆需要浇注。该系统还包括连接到称重传感器模块的水源。该水源包括由控制器控制的至少一个流量控制阀以通过称重传感器模块选择性地提供水到所述盆。

在所示的实施例中，该系统还包括在平台之上活动的上部构台。上部构台包括设置其上的至少一个传感器以获得与多个盆中的植物相关的数据。示例性地，传感器是相机以摄取多个盆中的植物的图像、温度传感器或其它传感器。

在本发明另一个示例性实施例中，所提供的方法用于控制多个盆栽植物中的土壤湿度以执行水分亏缺实验。该方法包括提供其中具有多个开口的固定平台，并且设置多个盆在平台的开口中。盆由平台支撑。该方法还包括用多个称重传感器模块升起盆，用称重传感器模块称量多个盆的每一个，根据盆的重量和水亏缺实验决定是否盆需要浇注，根据决定步骤，如果需要通过称重传感器模块浇注盆，并且降低多个称重传感器模块，从而多个盆由平台支撑。

在所示的实施例中，平台中的开口设置在多个行中。在平台下移动多个称重传感器模块的步骤对齐称重传感器模块与一行的盆，并且升起盆的步骤同时升起多个称重传感器模块和整行盆。该方法还包括移动称重传感器模块到下一行的盆，并且执行下一行盆的升起、称重、决定、浇注和下降步骤。

在本发明的再一个示例性实施例中，所提供的盆与在多个盆栽植物中控制土壤湿度的系统一起使用以执行水分亏缺实验。该系统包括具有多个开口形成其中的固定平台。该盆包括具有开口顶端和底端的本体部分以及连接到本体部分相邻于顶端的凸缘。凸缘构造为接合平台以保持本体部分在平台的开口内。盆还包括具有设置为相邻于本体部分的底端的底部的流体储槽、朝着本体部分的顶端向上延伸的多个垂直延伸流体通道以及设置在本体部分的底端与流体储槽的底部连通的填充开口。所述盆还包括连接到填充开口的止回阀，以允许流体从本体部分的底端通过填充开口和止回阀提供到流体储槽。

在所示的实施例中，盆包括形成垂直延伸流体通道的内部的网孔。网孔允许流体流动通过网孔到本体部分内的土壤，但是防止土壤碎片和植物根累积在储槽的垂直延伸流体通道中。

附图说明

本系统和方法的前述方面和很多附加特征在考虑与附图结合时参考下面的详细描述将变得更加容易认识且变得更好理解。

图1是根据本发明所示实施例的自动称重筛选平台系统的透视图；

图2是图1的称重筛选平台系统的侧视图，部分省略；

图3是图1和2的称重筛选平台系统的俯视图，部分省略；

图4是示出下构台的透视图，其包括多个称重传感器模块和水输送系统，用于称重和注水称重筛选平台系统的多个盆；

图5是图4的下构台的放大透视图，部分省略；

图6和7是下构台上称重传感器模块之一的透视图；

图8是沿着图6和7的称重传感器模块剖取的截面图，示出了称重传感器的盆支撑表面在缩回位置，缩回位置远离称重筛选平台系统的盆之一的底表面；

图9是类似于图8的截面图，其中称重传感器盆支撑表面运动到向上延伸的位置以升高盆，称量且浇注具有称重传感器模块的盆；

图10和11是与称重筛选平台系统一起使用的盆之一的透视图；

图12是示出流体储槽底端盖的分解透视图，其包括止回阀以允许水从称重传感器模块提供到盆；

图13是图10-12的盆的截面图，部分省略；

图14是示出称重筛选平台系统的一个实施例的附加部件的模块图；以及

图15是示出在称重筛选平台系统和方法的操作期间执行步骤的流程图。

对应的附图标记遍及几幅图表示对应的部分。尽管附图描绘了根据本发明各种特征和部件的实施例，但是附图不必按比例，并且一定的特征可被夸大，以便更好地示出且说明本发明。这里给出的示例图示了本发明的实施例，并且这样的图示不意味着以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

为了促进本发明原理理解的目的，现在参考附图中示出、下面描述的实施例。下面公开的实施例不意味着是详尽的或者限制本发明到下面详细描述中公开的精确形式。相反，选择且描述这些实施例使本领域的技术人员可利用它们的教导。应理解由此旨在没有本发明范围的限制。本发明包括所示装置和所描述方法上的任何替换和进一步修改以及本发明原理对本发明所涉及技术领域的技术人员可能通常发生的进一步应用。

首先参考图1-3，公开了称重筛选平台系统10的所示实施例。系统10包括固定支撑平台12，其上形成有多个开口14。开口14构造为其中容纳多个特定配置的容器或盆16，如这里所讨论用于在可控环境中种植植物。系统10包括成对上轨道18和成对下轨道20，设置在支撑平台12的相对侧，用于支撑上、下活动构台22和24。上构台22最佳地示出在图1-3中，而下构台24最佳地示出在图4和5中。平台12以及轨道18和20由多个可调支撑腿26支撑，多个可调支撑腿26在平台12的外周边分隔开。

在所示的实施例中，上、下驱动机构28和30构造为纵向上相对于平台12在轨道18和20上分别前后运动上、下构台22和24，如双向箭头32所示。在所示的实施例中，链条驱动系统用于分别在轨道18和20上运动上、下构台22和24。驱动机构28和30在平台12相对侧上的驱动链齿轮分别由轴34和36连接。尽管链条驱动机构示例性地用于运动上、下构台22和24，但是应理解其它类型的驱动机构，例如索道驱动或其它机械驱动，也可用在其它实施例中。

在所示的实施例中，平台12的开口14设置在平台12之上的多个行38中。如图3的最佳所示，开口14的每个行38延伸在与平台12的纵向轴13垂直的方向上。在所示的实施例中，平台12包括44行，每个行中具有20个开口14。然而，根据本发明可采用任何所希望数量的行和每行中的任何所希望数量的开口。

如图3所示，开口14的每一个包括对齐凹口40，其从开口14的一侧延伸远离，以在开口14内的适当方向上对齐盆16，用于如下所讨论的浇注。图3示出了某些行38，在某些行38中具有盆16，而在开口14内没有设置盆。

上构台22示例性地包括分隔活动支撑或梭子构件42，其骑设在上轨构件18上，如图3的最佳所示。在所示的实施例中，梭子构件42沿着轨道18前后滑动。梭子构件42可根据需要而包括滚子，以便利于上构台22在双头箭头32的方向上前后运动。上构台22还包括耦合到梭子构件42的分隔垂直支撑44和在分隔垂直支撑44之间延伸在平台12之上的水平支撑46。

通用安装模块48连接到水平支撑46上提供的轨道49。如图3所最佳示出，驱动机构50，例如链条驱动，用于在与支撑平台12的纵向轴13垂直的方向上在双头箭头52的方向上前后运动通用安装模块48。因此，驱动机构50在盆16的行38上前后运动通用安装模块48。

在所示的实施例中，相机54和温度传感器56例如连接到通用安装模块48，如图14所示。相机54在实验期间提供种植在盆16中的植物的静态图像或视频图像。在一个实施例中，相机54是网络相机，其提供图像到通讯网络的遥远位置。在所示的实施例中，温度传感器56是红外线相机，以在实验期间提供盆16内的植物的热成像。在一个所示实施例中，适合于FLIR系统的型号为A320的红外线相机用作温度传感器56。其它的传感器也可安装到通用安装模块48以量化植物应力水平和/或冠层特性。

如下所讨论，系统控制器100用于在实验期间控制上构台22和通用监视模块48的运动。驱动机构28在双头箭头32的方向上前后运动上构台22以对齐上构台22的水平支撑46与所希望的行38的盆16。然后，驱动机构50在特定行38之上以图1和3中的双头箭头52方向上前后运动通用安装模块48以提供视觉成像和热成像，例如，分别利用相机54和温度传感器56。

下构台24的细节最佳地示出在图4和5中。下构台24包括第一和第二运动支撑或梭子构件60，其可滑动地连接到分隔的下轨道20，如图4的最佳所示。在所示的实施例中，梭子构件60在轨道20上前后滑动。梭子构件60可根据需要包括滚子。驱动机构30沿着平台12的纵向轴13在双头箭头32的方向上前后运动下构台24。下构台24包括连接到梭子构件60的成对垂直支撑构件62和延伸在垂直支撑构件62之间的水平支撑64。

一行称重传感器模块66连接到下构台24的水平支撑64。称重传感器模块66的数量等于支撑平台12的每个行38内的开口14的数量。驱动机构30运动下构台24，从而一行称重传感器模块66直接排列在平台12的开口14内盆16的行38下面。如下面所讨论，称重传感器模块66在下构台24的运动期间与盆16的底表面最初是分隔开的。一旦下构台24就位在盆16的特定行38之下，称重传感器模块66的盆支撑表面86向上运动以接合盆16的底表面且升起盆16。称重传感器模块66升起盆16以便单独地称量每个盆16。如下面进一步所讨论，然后，根据需要可通过称重传感器模块66提供水且进入盆16的底部开口，以在实验期间给盆16再浇注。因此，本发明的称重筛选平台系统10和方法在全部实验期间保持盆16在静止位置，而不需要盆16移动到不同的位置进行称重、试验和再浇注。尽管在所示的实施例中升起盆的一行38，但是在其它实施例中可同时升起多行38。

称重传感器模块66的细节示出在图6-9中。下缸体70包括内腔72，如图8和9所最佳示出。活动活塞74包括设置在腔体72内的板76。流体供应线78和80连接到缸体70以选择性地提供流体，例如，压缩空气或液压流体，至缸体70的内腔72。缸体70连接到下构台24的水平支撑64。图8示出了在缩回位置的活塞74，其中当下构台24运动以对齐称重传感器模块66与盆16的行38时，模块66的盆支撑86与盆16的底部82分开。

在图9中，来自空压机214和供应线或多支管215的压缩空气通过进口78提供以在箭头84的方向上向上运动活塞74和板76，从而向上升起称重传感器模块66。一个或多个调整器优选连接到多支管215。因此，盆支撑86也在箭头84的方向上向上运动与盆16的底表面82接合且向上升起盆16，从而盆16被支撑86所支撑。称重传感器模块66包括称重传感器88，其第一端由紧固件92连接到基座90。盆支撑86由连接器94以及紧固件96和98连接到称重传感器88的相对端。

一旦盆16被升起且由支撑86支撑，称重传感器88称量盆16。由连接器89连接到称重传感器88的控制器100比较盆16的实际质量与盆16用于特定实验方案的所希望的质量。控制器100根据特定实验的预定水分不足程序计算每个盆16内的实际水含量和盆16内的所希望水含量之差。

如果控制器100决定需要给盆16加水，则可通过称重传感器模块66直接加水而不移动盆16到另外的位置。如图7和8所示，水供应线102通过管道124、126和128连接到第一和第二流量控制阀120和122。管道130连接在阀120和连接器104之间。管道132连接在阀122和连接器104之间。水供应线102连接到水源212。图8和9最佳所示的连接器104连接到支撑86中的孔口106。

在所示的实施例中，流量控制阀120提供"粗略的"流体流量，而流量控制阀122提供"精细的"流体流量。在一个所示实施例中，通过粗略流量控制阀120的流体流量比通过精细控制阀122的流体流量大十倍，尽管可采用任何所希望的比率。在操作中，控制器100开始打开粗略和精细流量控制阀120和122二者以开始填充或给予剂量到盆16。随着盆的重量接近特定实验所希望的重量，控制器100关闭粗略流量控制阀120，并且采用精细流量控制阀122完成操作，以精确地控制被加到盆16的水量。

在所示的实施例中，支撑86的顶表面覆盖有硅树脂垫108以改善盆16的底表面82和支撑86的顶表面上的垫108之间的密封，从而水可提供到盆16。在所示的实施例中，柱子112从支撑86的顶表面向上延伸以保持硅树脂垫108设置在支撑86的顶表面上。垫108包括孔114，其与支撑86的孔口106对齐，从而水可流过垫108且进入盆16中。尽管在一个实施例中硅树脂用于垫108，但是也可采用其他适当的材料。称重传感器模块66的支撑86还包括凹槽或凹口部分110，其构造为聚集水且从称重传感器模块66的电气部件排出水。

盆16的示范性实施例的细节示出在图10-13中。盆16包括本体部分140，其通常成型为圆柱状。盆16的本体部分140设计为以足够的间隙配合在平台12的开口14内，从而当称重传感器模块66升起盆16时，盆16完全由称重传感器模块66的支撑86支撑，从而允许精确地称量盆16。盆16的顶端142包括开口144以插入土壤和种子或植物在盆16中，并且允许植物(未示出)以传统的方式从盆16向外生长。顶端142包括具有外凸缘148的端盖146，外凸缘148构造为当盆16加载在开口14中时接合支撑平台12的顶表面。凸缘148的相对侧149被弯曲以便利于加载且卸载平台12上的盆16。

对齐标签150还形成在端盖146上。对齐标签150构造为与开口14的凹口40对齐，从而盆16设置在支撑平台12的适当方位上用于称重和再浇注。盆16包括内部水槽152，内部水槽152包括底部153和用于其中容纳水的多个分隔垂直流体通道154。盆16的底端82包括多个肋156和螺纹安装构件158，如图12所示。O型密封圈160设置在围绕盆16的底端82的环形凹槽162内。端盖164由紧固件156连接到底端82，紧固件156延伸通过盖子164中的O型密封圈168和开口169并且配合螺纹安装构件158。

在所示的实施例中，止回阀170连接到底板164中形成的开口172。示例性地，隔膜174和伞形阀176由O型密封圈178连接到开口172。如图8和9的最佳所示，O型密封圈178延伸在盆16的底表面82之下以配合支撑86的顶表面上的硅树脂垫108，从而提供开口72和支撑86的顶表面上的垫108之间的密封。

通过设置盆16的标签150在开口14的凹口40中，盆16的储槽152中的开口172与称重传感器模块66的支撑86中的孔口106自动对齐，如图9的最佳所示。因此，当盆16如图9所示升起时，在支撑86中的孔口106和盆16的底端82上端盖164的开口172之间自动进行流体连接。当控制器100由开口阀门120、122引起水流动时，水通过连接器104、通过支撑86的孔口106、通过隔膜174向上流动，并且通过止回阀176进入盆16的储槽152。流体流动通过图9中的箭头184示意性地示出。再者，如图9所示，箭头188方向上的流体流量从储槽152的下部通过与垂直流体通道154流体相通的开口186向上流动。通道154包括设置在顶端142附近的上部开口155，从而如果溢流条件发生则排出任何水。如图8、9和13所最佳所示，内部流道154包括内部合成纤维网孔190，其形成通道154的内部。网孔190允许水流动通过网孔，但是防止土壤、碎片或植物根累积在储槽152的垂直通道154中。可去除的排泄塞子194和O型密封圈196密封端盖164的排泄开口198。储槽152通过去除排泄塞子194而排泄。

在盆16的另一个示例性实施例中，储槽152与管路或通道(未示出)流体相通，其输送水从储槽152到盆16的顶端142用于盆内植物的顶部浇注。在该实施例中，盆16典型地不包括流体通道154或网孔190。在另一个实施例中，网孔190用不渗水材料置换，从而水在箭头188的方向上从储槽152向上通过通道154到相邻于盆16的顶端142的顶部开口(未示出)流动，从而通过通道154提供盆内植物的顶部浇注。

在操作中，盆16填充有土壤、种子和/或植物，根据特定实验所需，并且加载在支撑平台12的开口14中。盆16的标签150与开口14的凹口40对齐。如图3所最佳示出，加载平台200包括连接到上轨道18的支撑202。支撑202连接到支撑折叠板206的水平支撑204。在一个实施例中，加载平台200由驱动机构在双头箭头32的方向上沿着平台12的纵向轴13前后运动。在另一个示例性实施例中，加载平台200通过连接臂连接到上构台22。因此，上构台22用于在平台12上前后运动加载平台200以便利盆16加载在开口14中。一个实施例便利于在支撑平台12的端部加载且卸载盆16。再者，在示例性实施例中，折叠板206允许更加适宜地加载且卸载盆16，降低高程低于支撑平台12的全部高度。

加载平台200的中心部分208打开以暴露开口14的行38。一旦加载平台200设置在特定的行38之上，则侧板206向下折叠以设在开口14的相邻行38之上。因此，操作者可步行在板206上，以便利于从暴露的行38的开口14加载或卸载盆16。在一行38加载有盆16后，加载平台200运动到下面的行38。在加载平台200运动前，板208示例性地向上折叠。

一旦全部的盆16加载在支撑平台12中，操作者选择特定的实验方案。该实验可采用图形化的使用者输入(GUI)210进行选择和监视。GUI210在图1-3中示出为触摸屏。然而，GUI210可包括任何类型的使用者输入。

现在将结合图14和15描述称重筛选平台系统10的操作和方法。一旦盆16已经加载且特定的试验方案已经采用图形化的使用者界面210进行了选择，则控制器100自动控制上构台22、下构台24和通用安装模块48相对于支撑平台12的运动。控制器100也控制水从水源212的提供以及连接到下构台24的从空压机214到称重传感器模块66的压缩空气。

现在参见图15，实验程序在模块220开始。上、下构台22和24示例性地设置为在程序的开始靠近支撑平台12的一端。构台22和24运动为如模块222所示与后续行38的开口14和盆16对齐。然后，控制器100控制通用安装模块48在上构台22的水平支撑46上的运动。控制器100采用相机54摄取盆16内植物的图像，并且如模块224所示，当通用安装模块48在特定行38内的植物之上前后移动照相机时，采用红外线感应相机56摄取温度读数。在所示的实施例中，相机54和温度传感器56设置在防热围栏内，从而相机54和56不受温室内提供热量的损害。来自相机54、56以及任何其它传感器的数据通过控制器100存储在存储器101中。

一旦下构台24运动进入特定行38下的位置，控制器100控制压缩空气从空气源214到气缸70的提供，以从图8所示的缩回位置到图9的延伸位置升高多个称重传感器模块66的每一个，以如模块226所示在行38中向上升高每个盆16。如上所讨论，盆16在延伸的位置上全部由称重传感器模块66的支撑86支撑。

于是，控制器100如方块228所示对每个盆称重，并且在存储器101中存储每个盆16的重量信息。接下来，控制器100决定是否有必要给盆16的任何一个加水，如模块230所示。如果不需要加水，则控制器100进入到图15的模块234。如果需要在模块230加水，则控制器100控制阀门120、122提供来自水源212的水通过称重传感器模块66且进入盆16，如上面详细描述。加水至盆的重量达到用于特定实验所希望的重量，如模块232所示。在再注入后所获得的新的盆重量被存储在存储器101中。接下来，控制器100控制空气源214以运动称重传感器模块66的活塞74从图9的延伸位置返回到图8的缩回位置，如模块234所示。在该位置，盆16再一次由接合支撑平台12的凸缘148支撑。

然后，控制器100决定特定的行38是否为支撑平台12上的最后一行38，如模块236所示。如果是这样，控制器100运动上、下构台22和24返回到初始位置，如模块238所示。如果该行不是在模块236的最后一行，则控制器100运动上、下构台22、24到模块222处的后续行38，然后对于接下来的行38进行图15的其余步骤。

在再浇注过程中，根据需要营养剂可加到土壤。另外，水可用于通过溢流储槽冲洗盆16外的营养剂且允许水通过溢流开口155逃逸。可引导氮使用效率(NUE)实验。

如图1-3所最佳示出，外部传感器240和242产生光屏蔽以检测接近系统10的运动。如果检测器240和242检测这样的运动，则控制器100关闭系统10的操作。一旦该区域被清空，则控制器100再一次开始处理程序中相同的步骤。

2011年4月15日提交的美国临时专利申请系列No.61/476,055的公开内容通过引用特别地结合于此。

尽管本发明的实施例已经作为示范性设计进行了描述，但是本发明可在本发明的精神和范围内进行进一步的修改。因此，本申请旨在覆盖采用其通常原理的本发明任何变化、应用或改编。此外，本申请旨在覆盖本发明所属领域已知或者习惯实施的本发明的偏离。