基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，包括步骤S01：获取某一植物生长特性和规律的参数；步骤S02：提供一温室环境控制系统；步骤S03：根据所述参数设置所述温室环境控制系统的控制程序；步骤S04：所述温室环境控制系统根据设置的控制程序运行直到所述植物栽培完成；一种植物对应一个控制程序，设置有相应控制程序的温室环境控制系统就是一条植物生产线。本发明提供一种可扩展式植物生产方式，模拟植物在整个成长过程中的最佳生长环境，能用最少的投入和最低的能耗生成出质量好、数量高、周期短的“产品”，具有经济效益高，易于大规模、工业化推广的特点，并且还具有成本低、成效高的优点。
【专利说明】基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低成本的，基于植物生长规律的“流水线”式植物工厂，能够根据不同植物的生长规律，更加精确地、高效地、批量地和工业化地培养各种植物。
【背景技术】
[0002]一方面，由于人口快速增长、耕地日益减少、资源短缺、环境污染、农药滥用等问题，使得人们必须的传统的粮食作物和蔬菜等生产在产量与安全上都面临着巨大的挑战；另一方面，随着人们生活水平的提高，对食物在卫生、营养、健康、绿色等方面的要求越来越高。解决上述矛盾的最为有效的方法是建立植物工厂。植物工厂是植物栽培的最高境界，它根据植物的生长规律及特性，利用人工方法智能地控制植物生长的外部环境(如光环境、水分、二氧化碳和营养供应等)，创造出适合植物生长的最佳环境。它完全采用工业化、程序化的生产模式，实现了栽培环境的最优化，所生产出的植物品质好、产量高、周期短、速度快、污染少、效益高，具有传统栽培模式无法比拟的优势，代表着未来农业的发展方向。
[0003]但在当前，现有植物工厂的经济效益并不高。根据“经济效益=产品总值/生产成本”的关系，其原因可以从以下两个方面加以说明:
首先，现有的植物工 厂都存在着结构复杂，投入的硬件成本高的问题。由于系统运行和维护繁琐，需要专业技术人员进行操作控制，这样形成的人因成本也很高；因对操作人员素质和技术具有较为苛刻的要求，使得植物工厂的推广应用受到限制，开发植物工厂前期工作中的费用转移到每个植物工厂的成本也较高。
[0004]其次，经济效益还取决于产品总值，取决于单位时间内产品的数量与质量，取决于植物工厂能否产生出品质好、产量高、周期短的“产品”。作物生长的环境对作物的生长有密切的关系，会影响到作物的生理过程，进而影响到作物的数量与质量。植物工厂主要就是要通过控制植物生长的光环境、空气中二氧化碳浓度、温度和湿度，土壤中的养分、温度和湿度等因素来形成植物生长的最佳外部条件。以光环境为例:光照对植物的生长至关重要，但从量上来分析，一般而言，喜阳植物需要充足的阳光，喜阴植物则希望少些光照，但多少最为恰当呢？在这方面目前还无统一的标准，但可以肯定的是不同植物对光照的需求量是不同；同种植物在不同的生长阶段对光照的需求量也是不同的。另一方面，从光谱的结构上分析:我们知道太阳光是个连续光谱，已经报道，植物并不是对整个太阳光谱都均匀吸收，植物对蓝光和红光部分有两个很强的吸收峰值，蓝光将增加表皮和栅栏叶肉细胞的厚度，而红光将减少远轴面和海绵组织的厚度。同时植物在不同的生长阶段所需的光谱成分也不同。因此，为创造出最适合于植物生长的光环境，同时也为了节约能源和所投入的生产成本，植物工厂就必须能根据植物生长的需求，实时地改变光源的强度、光谱结构、光照时间等，这样才能高效、节能地促进植物的快速健康成长。
[0005]其它的外部环境因素，如温度、湿度、二氧化碳浓度等也是如此，只有充分考虑到植物的特性和生长的规律，才能创造出最合适这种植物的生长环境。
[0006]然而，由于缺乏对具体的植物生长特性和规律做长期、深入和系统的研究和实验，现有技术中的植物工厂虽然也有对外部环境加以控制，但基本上都是比较笼统(不同植物间的差异不大)，比较粗糙的(同一植物在不同的生长期基本相同，或变化不大)。也有些专利，如申请号201210191223.1公开了一种基于作物信息融合的多尺度温室环境控制系统，在温室环境因子控制系统的基础上，引入作物生理信息和生长信息，采用信息融合技术对这些温室参数进行分层次、多级别、多方面的融合。虽然该系统也考虑了一些作物的生长信息，但温室环境仍很难达到作物最佳的生长环境；且该系统需将多方面的信息进行分析、融合和处理以便对环境进行实时控制。这样的系统结构复杂，成本较高，无法形成标准化、具体化的工序，因而，难以做到大规模、工业化地推广。
[0007]因此，对于如何创建一种低成本的，基于植物的成长特性和规律的具体化、精确化、标准化、程序化的“流水线”式植物工厂，目前还没有人提出过一个具体的、可行的方案。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，能实现植物栽培像流水线生产模式一样具体化、标准化、工艺化。
[0009]本发明采用以下方案实 现:一种基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤SOl:获取某一植物生长特性和规律的参数；
步骤S02:提供一温室环境控制系统；
步骤S03:根据所述参数设置所述温室环境控制系统的控制程序；
步骤S04:所述温室环境控制系统根据设置的控制程序运行直到所述植物栽培完成；一种植物对应一个控制程序，设置有相应控制程序的温室环境控制系统就是一条植物生产线。
[0010]在本发明一实施例中，所述植物生长特性和规律的参数是在研究植物生长的全过程中，根据环境信息参数随时间变化的关系进行记录的。
[0011 ] 在本发明一实施例中，所述的温室环境控制系统包括一主控单元以及与该主控单元连接的光源控制单元、二氧化碳控制单元、温度控制单元、湿度控制单元、营养物质控制单元和生产线选择单元；所述的营养物质控制单元用于根据所述控制程序为所述植物提供营养物质；所述生产线选择单元供用户对要栽培的植物进行选择。
[0012]在本发明一实施例中，还包括构建一生产线数据库，所述生产线数据库是用于存储植物最佳的生长特性和规律的详细过程和所有参数，以供控制程序使用。
[0013]在本发明一实施例中，所述光源控制单元是由遮光系统和补光系统组成，遮光系统能根据需要对阳光全部或部分遮挡，补光系统能根据需要产生不同光强和不同光谱结构的单色或复色光，其方法是通过控制所需LED或者有色荧光灯的亮度、数量和空间分布的方式来实现。
[0014]在本发明一实施例中，所述光源控制单元还可以由纯人工光源组成，该纯人工光源能根据需要产生不同光强和不同光谱结构的单色或复色光，其方法是通过控制所需LED或者有色荧光灯的亮度、数量和空间分布的方式来实现，特别适合于在室内的设施农业和立体农业中的应用。
[0015]本发明提出了一种全新的生产理念和生产模式，将流水线的生产方式引入到植物栽培的过程中。在基于植物生长规律的“流水线”式植物工厂的硬件设备上，系统结构并不复杂，成本不高，另外，硬件设备都是通用的，容易大规模推广，运行成本还会随着规模性的生产而有所下降。在软件方面，虽然植物“流水线”式的最佳生长环境需要投入一定的时间和精力去获得，要耗费大量的人因成本。但找到并做成这种植物“流水线”式生长的标准化程序之后，此程序具有通用性，如果大规模推广，则分配到每一个“流水线”式植物工厂的软件成本会相当低。由于该“流水线”式植物工厂能提供一种可扩展式植物生产方式，模拟植物的最佳生长环境，它就能用最少的投入和最低的能耗生成出质量好、数量高、周期短的“产品”。因此，基于本发明所述的植物生长规律的“流水线”式植物工厂具有经济效益高，易于大规模、工业化推广的特点，并且还具有成本低、成效高的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明流程示意图。
[0017]图2是本发明系统架构示意图。
【具体实施方式】
[0018]本发明涉及一种低成本的，基于植物的生长特性和规律的具体化、精细化、标准化、程序化的“流水线”式植物工厂。下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0019]如图1所示，本实施例提供一种基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤SOl:获取某一植物生长特性和规律的参数；
步骤S02:提供一温室环境控制系统；
步骤S03:根据所述参数设置所述温室环境控制系统的控制程序；
步骤S04:所述温室环境控制系统根据设置的控制程序运行直到所述植物栽培完成；一种植物对应一个控制程序，设置有相应控制程序的温室环境控制系统就是一条植物生产线。
[0020]本实施例中，所述植物生长特性和规律的参数是在研究植物生长的全过程中，根据环境信息参数随时间变化的关系进行记录的。为了更好的实现流水线，本发明方法还包括构建一生产线数据库，所述生产线数据库是用于存储植物生长特性和规律的详细过程和所有参数，以供控制程序使用。这样，用户想要生产哪种植物，只要调取对应的控制程序，所述温室环境控制系统就能为该植物提供最佳的生长环境，且其不像现有的温室系统只是单纯的控制环境的参数，而是根据植物生产特性和规律，在植物生长的不同阶段，控制程序自动给出所述植物从播种到生长结束全过程的最佳生长环境，有效的提高了生产效率，期间不需要人为的干涉，极大地降低了生产成本，甚至不懂植物栽培的人都可以批量生产出大量优质的植物。
[0021 ] 请参见图2，在本发明一实施例中，所述的温室环境控制系统包括一主控单元以及与该主控单元连接的光源控制单元、二氧化碳控制单元、温度控制单元、湿度控制单元、营养物质控制单元和生产线选择单元；所述的营养物质控制单元用于根据所述控制程序为所述植物提供营养物质；所述生产线选择单元供用户对要栽培的植物进行选择。所述光源控制单元是由遮光系统和补光系统组成，遮光系统能根据需要对阳光全部或部分遮挡，补光系统能根据需要产生不同光强和不同光谱结构的单色或复色光，其方法是通过控制所需LED或者有色荧光灯的亮度、数量和空间分布的方式来实现。此外，该光源控制单元还可以由纯人工光源组成，该纯人工光源能根据需要产生不同光强和不同光谱结构的单色或复色光，其方法是通过控制所需LED或者有色荧光灯的亮度、数量和空间分布的方式来实现，特别适合于在室内的设施农业和立体农业中的应用。
[0022]具体而言，本发明提出的植物工厂主要由两部分组成:一是用于控制外部环境的硬件设备，二是对应于具体某个植物“流水线”式生产过程中精确化、标准化、工艺化的软件程序。为了降低成本，本发明把硬件设备做成通用型的。所谓通用型的就是指不管“流水线”式植物工厂生产哪种“产品”，所用的硬件设备都是相同的。这样如果“流水线”式植物工厂能到大规模的推广，那么硬件设备的成本就会显著降低。硬件设备主要是用于控制“流水线”式植物生长外围环境的硬件设施，它包括:光源控制单元，二氧化碳控制单元，温度控制单元，湿度控制单元，营养物质控制单元、生产线选择单元以及指挥、调动这些硬件设施按具体的植物生成环境程序协调工作的主控单元。以植物赖以生存的光合作用必备的光源为例，首先，不同的植物所需的光强是明显不同的；其次，每一种植物还有自身特定的光谱特性，即对某种特定光谱的光有不同的需求；最后，即使是同一种植物，在不同的生长阶段对光环境的要求也会有所不同。因而本发明涉及的光源控制单元是由遮光系统和补光系统组成，遮光系统可根据需要对阳光全部或部分遮挡，补光系统也可以根据需要产生不同光强和不同光谱结构的单色或复色光，其方法是通过控制所需LED (发光二极管)或者有色荧光灯的亮度、数量和空间分布的方式来实现的。同理，其它的外部环境因素，如二氧化碳浓度，空气中温度和湿度等，在不同种植物间或同一种植物在不同的生长期的需求也是不同的，控制这些参数的单元也可以按照软件程序中要求通过主控单元管理与控制，使之模拟特定植物的最佳生长环境。
[0023]同样，为了降低成本，本发明所涉及的“流水线”式植物工厂把程序软件与硬件设备分开，硬件是通用的，但软件是不同的。只要加入一款特定的软件，即要栽培植物对应的控制程序，该“流水线”式 植物工厂中便生成一条特定的生产“流水线”，并按该“流水线”生产出不同的“产品”。每一种植物由于生长规律与特性不同，其生成的“流水线”是不同的。如果要高效地生产某种植物，就应该找出最适合其生长的“流水线”，再把这种生产“流水线”写成标具体化、标准化、工艺化的程序。只要把该程序写到硬件设备的主控单元中，并在生产线选择单元中加入相应的模块，这种“流水线”式的植物工厂就能模拟出此种植物的最佳生长环境，从而大大提高植物工厂的生产效率。
[0024]值得一提的是，寻找植物的最佳生长环境是一项十分困难和艰巨的工作，要长期地、反复地进行实验才可能找到。实验阶段可在一个小型的培养箱中实行。通过不断的改变植物的生长环境参数，来观察植物的生长状况，寻找这种植物的生长特性和规律，并通过各种实验方案的对比，寻找出这种植物的最佳生长的方案。最后再把这个方案的所有环境信息参数随时间变化的关系详细地、具体地记录下来。这就是这种植物的标准生产“流水线”，再把这个生产“流水线”写成具体化、标准化、工艺化的程序。虽然，在寻找某一具体植物的最佳生长环境时需要耗费大量的时间、人力和物力，会增加较多的人因成本，但一旦找到一个较优的方案，“流水线”式植物工厂的生产效率会有较大的提高；另外，如果把最佳方案的过程做成这种植物生长的标准化程序，那么该程序就具有通用性，如果大面积的推广，则转化到每一个“流水线”式植物工厂的软件成本就会相当低。因而，本发明涉及的植物工厂具有很好的经济效益。
[0025]值得一提的是，本发明步骤SOl获取某一植物生长特性和规律的参数的好坏决定了很大一部分决定了植物的产能，因此，获取最佳的生长特性和规律的参数能达到最好的“流水线”效果。
[0026]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的 涵盖范围。
【权利要求】
1.一种基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤SOl:获取某一植物生长特性和规律的参数； 步骤S02:提供一温室环境控制系统； 步骤S03:根据所述参数设置所述温室环境控制系统的控制程序； 步骤S04:所述温室环境控制系统根据设置的控制程序运行直到所述植物栽培完成；一种植物对应一个控制程序，设置有相应控制程序的温室环境控制系统就是一条植物生产线。
2.根据权利要求1所述的基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，其特征在于:所述植物生长特性和规律的参数是在研究植物生长的全过程中，根据环境信息参数随时间变化的关系进行记录的。
3.根据权利要求1所述的基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，其特征在于:所述的温室环境控制系统包括一主控单元以及与该主控单元连接的光源控制单元、二氧化碳控制单元、温度控制单元、湿度控制单元、营养物质控制单元和生产线选择单元；所述的营养物质控制单元用于根据所述控制程序为所述植物提供营养物质；所述生产线选择单元供用户对要栽培的植物进行选择。
4.根据权利要求3所述的基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，其特征在于:还包括构建 一生产线数据库，所述生产线数据库是用于存储植物生长特性和规律的过程和所有参数，以供控制程序使用。
5.根据权利要求3所述的基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，其特征在于:所述光源控制单元是由遮光系统和补光系统组成，遮光系统能根据需要对阳光全部或部分遮挡，补光系统能根据需要产生不同光强和不同光谱结构的单色或复色光，其方法是通过控制所需LED或者有色荧光灯的亮度、数量和空间分布的方式来实现。
6.根据权利要求3所述的基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法，其特征在于:所述光源控制单元还可以由纯人工光源组成，该纯人工光源能根据需要产生不同光强和不同光谱结构的单色或复色光，其方法是通过控制所需LED或者有色荧光灯的亮度、数量和空间分布的方式来实现。
【文档编号】A01G1/00GK103444418SQ201310414613
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】徐永, 吴义炳 申请人:福建农林大学