用于自动化园艺和农业的方法和设备的制作方法
【专利摘要】一种用于连续自动化种植植物的方法和系统利用多条生产线，所述生产线各自包括多个种植区，每个种植区包括多个水平输送层，每个区的每个层具有光和液体营养物的源，以及植物种植托盘，所述植物种植托盘水平移动到每个输送层中、沿着每个输送层移动并且移动离开每个输送层；借此，每个后续种植区具有比先前区大的长度以便接纳比先前区数目大的种植托盘，以使得随着植物生长，每个种植托盘的植物数目减少，但每个种植区的植物数目保持恒定。进而，随着一组植物从发芽到收割行进通过所述种植区，将其分到数目越来越大的托盘，具有同时开始额外作物的种植周期的能力。
【专利说明】用于自动化园艺和农业的方法和设备
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请根据35 U. S. a § 119(e)主张2012年1月30日提交的标题为"Method and Apparatus for Automated Horticulture and Agriculture" 的美国临时申请序列号 61/592, 338的权益，所述临时申请以引用的方式并入本文中。
【技术领域】
[0003] 本发明涉及园艺和农业的领域，并且明确地说，涉及用于在受控环境下自动化商 业种植和生产植物的设备和方法的领域。
[0004] 发明背景
[0005] 传统上，已经在苗圃和温室中实行植物的商业园艺和农业种植，在那里植物是水 平布置的并且是固定的。最近已经开发出较有效的方法，其中一些方法被称为"垂直耕种"。 举例来说，本发明人在美国专利7415796、7533494、7559173、7818917和7984586中公开了 使用旋转球体的旋转垂直圆盘传送带来种植植物的方法，其中每个旋转球体具有中心光 源，多行植物围绕所述中心光源旋转，以便进而增加给定区域中的植物种植的生产率。然 而，从此类系统收割成熟植物可能是复杂且耗时的。
[0006] 相关技术的前述实例及其相关限制意欲为说明性的而非排他性的。本领域的技术 人员在阅读本说明书并研究图式后将容易明白相关技术的其它限制。 发明概要
[0007] 结合系统、工具和方法来描述和图示以下实施方案及其方面，所述系统、工具和方 法打算为示范性和说明性的，而非限制范围。在各种实施方案中，已经减少或消除了一个或 多个上述问题，同时其它实施方案针对于其它改进。
[0008] 本发明提供一种用于连续自动化种植植物的方法和系统。所述方法利用一条或多 条生产线，所述生产线各自包括第一种植区和后续种植区，每个种植区包括多个水平输送 层，每个区的每个层具有光和液体营养物的源，以及多个种植托盘，所述种植托盘适于水平 移动到所述输送层中的每一者中、沿着所述输送层中的每一者移动并且移动离开所述输送 层中的每一者；借此，每个后续种植区具有比先前区大的长度以便进而接纳比先前区数目 大的种植托盘，以使得随着植物在所述种植托盘中生长，每个种植托盘的植物数目减少，但 每个种植区的植物数目保持大体上恒定，所述方法包括：
[0009] i)用种子栽种所述种植托盘的第一组，在每个托盘中栽种的种子数目是根据植物 类型、托盘大小以及所述种植区的相对数目和长度来选择的；
[0010] ii)将所述第一组播种托盘引入到所述第一种植区中；
[0011] iii)在充足的发芽期之后，将所述第一组植物从所述第一组托盘移植到能够被接 纳在下一个后续种植区中的较大数目的托盘中；
[0012] iv)将含有所述第一组植物的所述托盘引入到第一后续种植区中；
[0013] V)将第二组播种托盘引入到所述第一种植区中；
[0014] vi)在所述第一组植物已经在所述第一后续区中生长充足的时间周期之后，将所 述第一组植物再次转移到能够被接纳在下一个后续种植区中的较大数目的托盘中；
[0015] Vii)将含有所述第一组植物的所述托盘引入到下一个后续种植区中；
[0016] viii)将所述第二组植物从所述第二组托盘移植到能够被接纳在下一个后续种植 区中的较大数目的托盘中；
[0017] ix)将含有所述第二组植物的所述托盘引入到下一个后续种植区中；
[0018] X)针对来自所述第一、第二和后续组播种托盘的所述第一、第二和后续组植物，力口 以必要的修改来重复步骤i)到ix);
[0019] Xi) -旦一组托盘中的植物处于最后的后续种植区中并且准备好收割，就将所述 组托盘从所述最后的种植区移走并且收割所述植物。
[0020] 根据本发明的一个方面，每个种植区包括多层种植单元，针对光照周期和施肥与 灌溉周期来独立控制每个种植单元，并且可对每个种植单元进行计算机操作以使得能够针 对具有不同生长周期的不同植物编程所述系统，而不对装置的配置做出任何改变。本发明 进一步提供被构造来实行前述方法的系统以及针对在多层种植单元内的滚子上进行水平 移动专门设计的种植托盘。所述种植托盘具有自动填充和排水周期，其由新颖形式的钟罩 式虹吸管调节。所述钟罩式虹吸管使用位于直立管与钟罩之间的具有直径可变的通道的挡 板，以使得在必要时能够选择真空程度并且选择填充和排水周期的定时。
[0021] 除了上文描述的示范性方面和实施方案之外，通过参看图式和通过研究以下详细 描述将容易明白另外的方面和实施方案。
[0022] 附图简述
[0023] 在附图的参考图式中图示示范性实施方案。希望本文中所公开的实施方案和图式 应视为说明性的而非限制性的。
[0024] 图1是用于实行本发明的方法的装置的透视图；
[0025] 图2是图1所示的装置的单条生产线的透视图；
[0026] 图3是图2所示的装置的生产线的单个单元的前右透视图；
[0027] 图4是图2所示的装置的生产线的单个单元的左后透视图；
[0028] 图5是图4所示的透视图的细节；
[0029] 图6是图3所示的透视图的细节；
[0030] 图7是图4所示的透视图的进一步细节；
[0031] 图8是图1所示的装置的清洗区域的透视图；
[0032] 图9是具有16个种子平板的发芽托盘的俯视图；
[0033] 图10是图9所示的发芽托盘的透视图；
[0034] 图11是具有165个钵的用于第二阶段的托盘的俯视图；
[0035] 图12是图11所示的托盘的透视图；
[0036] 图13是具有54个钵的用于第三阶段的托盘的俯视图；
[0037] 图14是图13所示的托盘的透视图；
[0038] 图15是用以调节从托盘排水的钟罩式虹吸管的透视图，其中出于图示目的用幻 影轮廓表不外壳；
[0039] 图16是图15所示的钟罩式虹吸管的变型的分解透视图，其中出于图示目的用幻 影轮廓表不外壳；
[0040] 图17是图16所示的钟罩式虹吸管的限流器部分的透视图；并且
[0041] 图18是图17所示的限流器的沿着线A-A获取的横截面。
[0042] 描述
[0043] 贯穿以下描述内容，陈述特定细节以便向本领域的技术人员提供较透彻的理解。 然而，可能未示出或详细描述众所周知的元件以免不必要地混淆本公开。因而，描述内容和 图式将被认为是说明性而非限制性意义。
[0044] 参看图1，用于植物的自动化栽培和收割的装置被大体上指定为10,其安装在例 如仓库等大型建筑物12中。装置10包括种植和收割区域14、修剪和包装区域16、冷藏库 18、清洗区域20、播种区域21和罐储区域22。种植区域包括多条生产线24,在图2中示出 其中一条。传送带26将托盘80从生产线24载运穿过修剪和包装区域16到达清洗区域 20 〇
[0045] 参看图2,每条生产线24包括发芽区28、第二阶段种植区30和第三阶段种植区 32。优选地，每条生产线24将具有一个发芽区单元44、五个第二阶段单元44和十五个第三 阶段单元44。分别在发芽区28与第二阶段区30之间以及在第二阶段区30与第三阶段区 32之间提供轮式剪叉式升降机34、36。提供第三轮式剪叉式升降机38以在每条生产线24 的末端处移走成品。剪叉式升降机34、36和38是机动化的，并且在垂直于生产线的方向上 沿着路径40、42、50移动以准许剪叉式升降机服务于每条生产线24。
[0046] 图3到图7示出生产线24的单独单元44。每个单元包括框架46,其形成多个输 送层48。在所示出的实施方案中，具有11个输送层48,但可依据操作的所要大小来提供较 大或较小数目。每个输送层包括多个平行滚子52,其被轴承安装以在横向延伸的滚子支撑 件54中旋转。滚子52支撑植物托盘80。每个输送层也具有排水槽58,其通过连接管62 排放到垂直排水管60中。
[0047] 在每个输送层48的下侧上以及在顶层61的下侧上有突光灯66的阵列64,优选 地，每个阵列64有14个平行8英尺T8高输出荧光灯66。优选地，邻近层上的三个阵列64 由通过导体70连接的单个遥控电子开关68控制。尽管示出荧光灯，但也可使用其它生长 促进灯，例如发光二极管（LED)、高压钠灯、金属卤化物灯或白炽灯泡。电子开关68被编程 来在每个种植阶段并且依据特定植物向植物提供协调的光照周期（光周期）。
[0048] 供液管72通过出口 74向每个层上的托盘供应液体营养液。每个出口由电磁阀76 控制，电磁阀由无线控制器78电控制，电磁阀通过导体77连接到所述无线控制器。液体营 养物分别针对于阶段32、30、28中的每一者从供料罐73、75、77递送到供液管72。液体营养 液分别针对于阶段28、30、32中的每一者在配料罐63、65、67中混合。
[0049] 植物托盘80优选地是4英尺宽乘8英尺长的模制塑料托盘，具有6英寸高的侧壁 82。斜坡83可用来避免在液体流动到托盘底部时发生喷溅。托盘80的上内表面中的沟槽 84、86的图案致使营养液均等地分布在整个托盘上，直到其从在托盘80的末端处的与出口 74相对的排水孔88流出为止。
[0050] 为了将托盘中的液体维持在恰当水平、防止溢出并且周期性地排干托盘80,优选 地，在排水孔88中使用钟罩式虹吸管89,如图15到18中所示。钟罩式虹吸管89包括具有 螺纹端102、104的直立管100、0形环106、圆柱形罩壳108、钟罩110、具有孔113的环形项 圈112以及扣环。0形环106搁置在凹槽107中。直立管100通过螺纹端102旋拧到排水 孔88中，其中0形环106进而被压缩在直立管100与托盘80之间。排水孔88连接到排水 槽58,排水槽58通过连接管62排放到垂直排水管60中。直立管100具有下部中心圆柱形 通道114和上部圆柱形通道116,上部圆柱形通道116的直径大于下区段并且通过具有斜角 Μ的肩状物115接合。项圈112螺旋到直立管100的螺纹端104上并且抵靠着肩状物120， 所述肩状物120形成在钟罩110的下区段122与具有较小直径的上区段124之间。钟罩式 虹吸管89按常规方式进行操作来防止托盘填充到比直立管100的高度高的水平，并且通过 虹吸作用周期性地排干并重新填充托盘。
[0051] 钟罩110的大小被设计成使得来自托盘80的液体能够在钟罩110的下边缘下方 流动到钟罩110与直立管100之间的空间中。随着托盘填充，液体流动穿过孔113并且进 入直立管100中以流动穿过排水孔88。因此，项圈112充当挡板来限制液体流动，并且通过 改变项圈112中的孔113的数目，能够改变用以填充托盘的时间长度以及在虹吸管破裂之 前托盘将排水的时间长度。举例来说，可用具有6个直径与所示8孔版本相同的孔的项圈 来替代以致使较快地填充和排干托盘。
[0052] 图9和图10示出用于放置在第一发芽阶段28中的加载有播种发芽圆盘83的平 板81的托盘80。图11和图12示出在来自第一发芽阶段的播种发芽圆盘的平板81已经被 分成钵85以用于放置在第二种植阶段30中之后的托盘80。图13和图14示出在来自第二 种植阶段30的钵85已经针对第三种植阶段32来被稀疏化之后的托盘80。
[0053] 在操作中，在播种区域21中用种子栽种托盘80。每个托盘中栽种的种子的数目将 取决于植物的类型，目标是在植物已经分到第三种植阶段之后，每个托盘80将充分填充有 成年植物。举例来说，在以下实施例中，为了在第三种植阶段32之后达到每托盘55个生菜 头的成品产量，对于发芽阶段，每个托盘80将含有约1680个播种有生菜种子的发芽圆盘。 一旦托盘80被加载有播种圆盘的平板，就将它们在剪叉式升降机上输送到发芽区28。
[0054] 在充分的发芽周期之后，每个秧苗托盘被分到在那个输送层处填充第二阶段区所 需要的许多托盘，其在所示出的实施方案中是5。分到额外托盘上并且加载到下一个区30 中在剪叉式升降机34上手动完成。一旦整个区30已经被加载，就准许植物生长一段充分 的时间，直到有必要再次将它们分到较大数目的托盘为止，在所示出的实施方案中是15。这 在剪叉式升降机36上手动完成。再次，将植物留在区32中，直到它们准备好收割为止。同 时，区28和30被填充并种植有新作物。一旦区32中的植物充分成熟，就将托盘80从每个 层手动移到剪叉式升降机38上并且加载到传送带26上。接着将托盘放到修剪和包装区16 处，在那里手动移除并包装植物并且将其储存在冷藏库18中。托盘80接着移动到清洗区 20,在那里使用洗涤机90和干燥机92对其进行清洗，并且使其返回到播种区，在那里用种 子对其进行重新填充。
[0055] 实施例一官立牛菜
[0056] 如下描述将本发明应用于生产直立生菜的实施例。优选的液体营养液混合物是：
[0057] i)细菌堆肥茶，对于每20L过滤水，通过添加以下各物来混合
[0058] 1. 5磅（700g)细菌堆肥或蚯蚓粪
[0059] 3到4汤匙（45到60ml)液体黑糖蜜
[0060] 4茶匙（23g)干可溶性海草灰或2汤匙液体海草灰
[0061] 3到4茶匙（15到20ml)鱼乳液
[0062] ii)作为肥料 / 营养液，由 Technaflora Plant Products of Mission BC, Canada 生产的PURA VIDA? GROW。以20 ppm将EDTA铁添加到最终溶液。针对具有每种新配合料 的每50加仑料液添加1加仑堆肥茶。
[0063] 在阶段1 (发芽阶段28)中，将种子栽种到Jiffy?泥炭圆盘83 (优选地，货号 #70000591)中，所述泥炭圆盘是种子起始塞，每个发芽平板81具有105个泥炭圆盘（见图 9)。将播种圆盘托盘81浸透在pH值为5. 8的细菌为主的堆肥茶溶液中。将湿度圆顶（未 图示）放置在每个发芽平板81之上。在每个托盘80中放置16个发芽平板81 (见图9)， 并且接着将托盘加载到发芽区28中的单元44的每个层48上。将温度维持在69 T并且将 湿度维持在72%。对于光照，将光照周期（光周期）设置为18小时/开-6小时/关。在 第1到4天期间，将播种平板保持在湿度罩下方。第5天，移除湿度罩。第7天，用pH值为 5. 8的全强度堆肥茶溶液喷洒植物。第7到15天，每天一次用pH值为5. 8的400ppm肥料 溶液浸泡基质。
[0064] 第15天，将植物移植到填充有75% BotanicareTMC〇COglOK椰壳纤维基质与25% 珍珠岩的模制塑料钵85中。根据标签指示添加 Botanicare ΖΗ0?根接种体，并且也每加仑 基质添加 ltbsp白云石石灰，所述基质浸透在播种过程中所使用的相同堆肥茶中。以165个 钵/种植托盘80来间隔开植物（见图11、图12)，并且将植物放置到第二阶段区30的单元 44的每个层48上。对于第二阶段，将温度维持在62 T，将湿度维持在68 %，并且将光照周 期维持在18小时开、6小时关。第15到30天，每天一次用pH值为5. 8的540ppm的肥料液 浸没种植托盘80。第30天，以1EC (电导率）浸透基质，并且用如上酿造的pH值为5. 8的 全强度堆肥茶溶液喷洒植物。接着将植物移到第三阶段区32并且稀疏化为55棵植物（钵 85)每托盘80。
[0065] 在第三阶段区32中，将温度维持在62 T，将湿度维持在68 %，并且将光照周期维 持在18小时开、6小时关。从第30天到第45天，每天两次用pH值为5. 8的640ppm的营养 液浸没托盘80。第45天，收割植物。
[0066] 如此使用本发明，可获得植物的连续自动化和受控生产。可针对作物的不同种植 阶段并且也可针对不同作物编程不同的光照、温度、湿度和营养。这可由计算机远程完成。 因此，如果对作物的需求和定价正在快速地变化，那么所述装置可快速地从生产一种作物 改变为生产另一种作物。显著地减少了生产作物所需要的土地空间，并且可通过增加种植 单元44的高度来进一步减少土地空间。可使用机器人在不同阶段处转移植物来使整个过 程自动化。
[0067] 尽管上文已经论述了许多示范性方面和实施方案，但本领域的技术人员将认识到 其某些修改、置换、添加和子组合。因此，希望将本发明解释为包括所有此类修改、置换、添 加和子组合，这些属于其真实精神和范围内。
【权利要求】
1. 一种用于利用包括第一种植区和后续种植区的生产线连续自动化种植植物的方法， 每个种植区包括多个水平输送层，每个区的每个层具有光和液体营养物的受控源，以及多 个种植托盘，所述种植托盘适于水平移动到所述输送层中的每一者中、沿着所述输送层中 的每一者移动以及移动离开所述输送层中的每一者；借此，每个后续种植区具有比先前区 大的长度以便进而接纳比先前区数目大的种植托盘，以使得随着植物在所述种植托盘中生 长，每个种植托盘的植物数目减少，但每个种植区的植物数目保持大体上恒定，所述方法包 括： i) 用种子栽种所述种植托盘的第一组，在每个托盘中栽种的种子数目是根据植物类 型、托盘大小以及所述种植区的相对数目和长度来选择的； ii) 将所述第一组播种托盘引入到所述第一种植区中； iii) 在充足的发芽期之后，将所述第一组植物从所述第一组托盘移植到能够被接纳在 下一个后续种植区中的较大数目的托盘中； iv) 将含有所述第一组植物的所述托盘引入到所述第一后续种植区中； v) 将第二组播种托盘引入到所述第一种植区中； vi) 在所述第一组植物已经在所述第一后续区中生长充足的时间周期之后，将所述第 一组植物再次转移到能够被接纳在下一个后续种植区中的较大数目的托盘中； vii) 将含有所述第一组植物的所述托盘引入到下一个后续种植区中； viii) 将所述第二组植物从所述第二组托盘移植到能够被接纳在下一个后续种植区中 的较大数目的托盘中； ix) 将含有所述第二组植物的所述托盘引入到下一个后续种植区中； X)针对来自所述第一、第二和后续组播种托盘的所述第一、第二和后续组植物，加以必 要的修改来重复步骤i)到ix); xi) -旦一组托盘中的植物处于最后的后续种植区中并且准备好收割，就将所述组托 盘从所述最后的种植区移走并且收割所述植物。
2. 如权利要求1所述的方法，其中将种植区数目选择为对应于所讨论的植物的种植过 程中具有相等持续时间的阶段的数目，以使得当一种作物的植物准备好从所述后续区中的 最后一者中收割时，后续作物各自都准备好移动到其下一个种植阶段中。
3. 如权利要求1所述的方法，其中将每个植物从种植区移动到处于所述植物在先前种 植区中占据的同一水平层处的后续种植区。
4. 如权利要求1所述的方法，其中通过将含有所述植物的所述托盘转移到修剪和包装 区来收割所述植物，在所述修剪和包装区处从所述托盘移走所述植物并对其进行包装。
5. 如权利要求4所述的方法，其中接着对所述托盘进行清洗并将其返回到播种区，在 所述播种区处用种子重新填充所述托盘。
6. 如权利要求1所述的方法，其中每条生产线包括发芽区、一个或多个第二阶段种植 区以及最后阶段种植区。
7. 如权利要求1所述的方法，其中每个种植区包括一个或多个多层种植单元，每个单 元的每个层的大小被设计成在每个层上接纳所述种植托盘中的一者。
8. 如权利要求1所述的方法，其中在种植区之间提供升降装置以方便重新栽种。
9. 如权利要求1所述的方法,其中提供升降装置来在不同水平层之间移动以便在每条 生产线的末端处移走成品。
10. 如权利要求7所述的方法，其中针对光照周期和施肥与灌溉周期来独立控制每个 种植单元，借此在不改变所述生产线的配置的情况下种植具有不同生长周期的不同植物。
11. 一种用于连续自动化种植植物的系统，其包括包括生产线，所述生产线包括第一种 植区和后续种植区，每个种植区包括多个水平输送层，每个区的每个层具有光和液体营养 物的源，以及多个种植托盘，所述种植托盘适于水平移动到所述输送层中的每一者中、沿着 所述输送层中的每一者移动以及移动离开所述输送层中的每一者；借此，每个后续种植区 具有比先前区大的长度以便进而接纳比先前区数目大的种植托盘，以使得随着植物在所述 种植托盘中生长，每个种植托盘的植物数目减少，但每个种植区的植物数目保持大体上恒 定。
12. 如权利要求11所述的系统，其中种植区数目被选择为对应于所讨论的植物的种植 过程中具有相等持续时间的阶段的数目，以使得当一种作物的植物准备好从所述后续区中 的最后一者中收割时，后续作物各自都准备好移动到其下一个种植阶段中。
13. 如权利要求11所述的系统，其包括多条生产线。
14. 如权利要求11所述的系统，其中每个种植区包括一个或多个多层种植单元，每个 单元的每个层的大小被设计成在每个层上接纳所述种植托盘中的一者。
15. 如权利要求14所述的系统，其中针对光照周期和施肥与灌溉周期来独立控制每个 种植单元，所述周期由计算机控制，以使得能够针对具有不同生长周期的不同植物来编程 所述系统，而不对所述生产线的配置做出任何改变。
16. 如权利要求11所述的系统，其中所述种植托盘包括针对在每个所述输送层上所提 供的滚子上的水平移动来专门设计的下表面。
17. 如权利要求11所述的系统，其中所述种植托盘具有由钟罩式虹吸管调节的自动填 充和排水周期。
18. 如权利要求17所述的系统，其中所述钟罩式虹吸管包括位于直立管与钟罩之间的 具有直径可变的通道的挡板，以使得能够不定地选择真空程度以及所述填充和排水周期的 定时。
19. 一种用于在自动化园艺生产线中使用的植物种植托盘，其包括侧壁、适于在滚子上 水平移动的底表面和开放顶部和在所述底表面中邻近于其一端的排水孔，其中所述底部的 上表面包括致使液体营养液均等地分布在整个托盘中直到其从所述排水孔流出为止的沟 槽图案。
20. 如权利要求19所述的植物种植托盘，其中所述种植托盘具有由钟罩式虹吸管调节 的自动填充和排水周期。
21. 如权利要求19所述的植物种植托盘，其中所述钟罩式虹吸管包括位于直立管与钟 罩之间的具有直径可变的通道的挡板，以使得能够不定地选择真空程度以及所述填充和排 水周期的定时。
【文档编号】A01G31/06GK104202965SQ201380007321
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年1月30日 优先权日:2012年1月30日
【发明者】尼古拉斯·G·布鲁萨托雷 申请人:垂直设计有限公司