一种植物培养人工自动化设施系统及其柱体制造方法与流程

本发明涉及一种植物培养人工自动化设施系统，特别是涉及一种可高密度种植且节能的植物培养人工自动化设施系统。

本发明还涉及了上述系统中柱体的制备方法。

背景技术：

当今主流的植物培养人工自动化设施系统主要是以植物工厂为代表的，并且还有在此基础上形成的鱼菜共生的生产方式，一定程度上提高了水的利用率。但是现有技术仍存在以下缺陷和不足：

1.现有的植物工厂虽然提高了作物生产的机械化程度，但是场地和设备等固定资产投资以及营养液、能源等持续成本过高。

2.现有的鱼菜共生装备及技术虽然提高了水的利用率，但是是以较高能源需求为代价的。

3.以家庭种植为代表的现有的小规模种养殖技术和设备尚未能实现高水平的机械自动化和信息化，生物技术也应用不足。

植物工厂通过高密度、高自动化和密集地生物技术利用，实现了作物的高产量。但是这种高产的经济性依赖于场地规模，如果小规模实施，成本收益比极高。其原因主要是持续的营养液投资、能源消耗以及装备等固定成本较高。因而人们试图通过鱼菜共生的方式循环利用水资源，持续回收鱼粪及其他废弃物生产植物所需营养。

鱼菜共生装备通过水泵循环水，来实现节水和鱼粪废弃物的回收利用。但其仍然需要汽喷或者滴灌等方式为植物提供持续供水。需要持续供水或保持较高频率的供水。甚至在某些应用场合下比植物工厂的施水频率更高。因此人们试图通过延长喷水间隔，或者利用供水管路的压差形成持续滴灌来降低水泵的能耗。但这仍然没有显著降低对于能源的需求。

当前无论是植物工厂，还是鱼菜共生系统，由于较高的种养殖密度，都在某些条件下需要大风机调温和改善二氧化碳浓度。如果小规模分散实施，又因为成本高得不到经济效益。因而目前的以家庭观赏兼食用的小规模种养殖设备依然远不如植物工厂或鱼菜共生工厂的自动化和信息化程度。因而包括增产技术在内的生物技术难以大范围应用。

因此发明人认为，研究一种可以降低能源需求且能够实现自动化植物培养的植物培养人工自动化设施系统是十分必要的，如果能附带提高产量和经济效益，并能同时实现大规模和小规模自由组合使用则会使其更加具有市场推广潜力。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种植物培养人工自动化设施系统，其耗能低、具有较高的产量且安装实施和使用比较方便。

本发明还提供了上述系统中柱体的制备方法：

为实现上述目的，本发明提供了一种植物培养人工自动化设施系统，包括水箱，所述的水箱内装有水泵，所述的水泵与导流管接，所述的导流管穿过柱体、缓流水培室的保护管、支撑管；

所述的柱体底部固定在水箱上，且所述的柱体上开有种植植物和让植物长出的种植孔；所述的柱体内安装有保水层和硝化过滤层，所述的保水层和硝化过滤层间隔安装在柱体中；所述的保水层和硝化过滤层上设有让导流管穿过的保水层孔和硝化过滤层孔；

所述的柱体顶部装入缓流水培室下部的安装孔中，所述的缓流水培室内设有保护管和储水腔，所述的保护管内部设有让导流管穿过的保护管孔；所述的缓流水培室顶部设有安装环，所述的安装环内壁与轴承外圈固定，所述的轴承内圈与支撑管底部外壁连接固定；

所述的储水腔中设有水引导线，所述的水引导线由吸水性较强的材料制成；所述的水引导线一端在储水腔中，另一端通过保护管孔与与其靠近的保水层接触，或者悬置在保水层上方。通过内置的水引导线将储水腔中的水吸至保水层，而不采用水管，这种方式可以一方面防止使用水管时由于储水腔中存在杂质而堵塞水管，造成使用不便的情况，另一方面可以有效减少水分通过时的蒸发(因为内置)。

进一步地，所述的导流管穿过安装部件内部与雾化器连接。

进一步地，所述的导流管在缓流水培室内、保护管上方设有三通接头，所述的三相接头一端通向缓流水培室内部、其他两端分别和导流管连接。

进一步地，所述的保水层由较轻的吸水材料制成且采用片状材料卷裹而成，其依靠由卷裹后的张力与柱体内壁产生的摩擦力、硝化过滤层吸水膨胀的挤压力或隔板固定在柱体内。

进一步地，所述的保水层采用含有缓释肥料的材料制作。

进一步地，所述的硝化过滤层固定在柱体内部且采用较轻、透水性较低的 材料制成。

进一步地，所述的硝化过滤层的吸水性高于保水层。

进一步地，所述的硝化过滤层上种植有硝化菌，所述的硝化菌能够产生无机盐并由通过硝化过滤层的水流带入保水层或水箱中。

优选地，所述的安装部件与安装平面接触部分上还可设置压力传感器，可通过压力传感器来测量整个系统中生物量的变化情况。

优选地，所述的压力传感器安装在轴承与安装环接触面上。

进一步地，所述的柱体上的种植孔还可以换成漏斗状的种植槽。

进一步地，所述的柱体采用PVC、陶瓷、金属、有机玻璃、不锈钢、塑料其中的一种或其任意组合制作。当柱体采用透明或半透明的有机玻璃制作时，还可以通过柱体外很直观地观察根系及其附着物的生长情况。

进一步地，所述的植物培养人工自动化设施系统上还设置有控制器，所述的控制器与补光光纤连接，所述的补光光纤螺旋缠绕在柱体上。

一种制造权上述植物培养人工自动化设施系统的柱体的方法，当柱体采用有机材料挤出成型时，在挤出过程中趁挤出未冷却成型时用模具往柱体上直接穿孔或开槽，然后用熨烫设备对上述孔或槽进行熨烫修型或扩宽。

优选地，所述的有机材料为PVC、有机玻璃、塑料中的一种或其任意组合。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，使用方便，不仅能够起到很好的节水作用，还能实时监控植物生长量，而且由于设有轴承，可通过轴承转动来使整个系统每个面的植物收到均匀的光照，同时也使植物的采收更加方便，较现有的技术具有很大的进步。

本发明中柱体的制备方法较现有技术具有制造工序少，成本低的优点，通 过此方法能够大大地降低柱体的制造成本。

附图说明

图1是本发明一种植物培养人工自动化设施系统具体实施方式的结构示意图。

图2是本发明一种植物培养人工自动化设施系统具体实施方式的结构示意图。

图3是本发明一种植物培养人工自动化设施系统具体实施方式的结构示意图。

图4是本发明一种植物培养人工自动化设施系统具体实施方式的缓流水培室部分的结构示意图。

图5是本发明一种植物培养人工自动化设施系统具体实施方式的零件爆炸图。

图6是本发明一种植物培养人工自动化设施系统具体实施方式的保水层和硝化过滤层结构示意图。

图7是本发明一种植物培养人工自动化设施系统具体实施方式的落地安装时压力传感器的安装结构图。

图8是本发明一种植物培养人工自动化设施系统具体实施方式的柱体另一种结构前视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1至图6，一种植物培养人工自动化设施系统，包括水箱1，所述的水箱1内装有水泵16，所述的水泵16水输出端与导流管8底端连接，所述的导 流管8穿过柱体2、缓流水培室5的保护管54、支撑管6以及安装部件7内部与雾化器9连接，使用时可通过水泵16向雾化器供水，让雾化器9产生水雾，这种水雾一方面可以增加整个设备的美观程度，另一方面可以通过水雾对植物进行叶面浇水，当然可以在雾化器16中截断导流管8的水流使导流管8中的水全部流入缓流水培室5的储水腔53中；

所述的导流管8在缓流水培室5内、保护管54上方设有三相接头81，所述的三相接头一端通向缓流水培室8内部、其他两端分别和导流管8连接；使用时，水泵16向导流管8供水，水经过三相接头81时，水会通过三项接头81流入缓流水培室5；

所述的柱体2底部固定在水箱1上，且所述的柱体2上开有种植植物和让植物长出的种植孔21；

所述的柱体2内安装有保水层14和硝化过滤层15，所述的保水层14和硝化过滤层15间隔安装在柱体2中；

所述的保水层14和硝化过滤层15上设有让导流管8穿过的保水层孔141和硝化过滤层孔151；

所述的保水层14由较轻的吸水材料制成，所述的吸水材料优选为海绵；所述的保水层14采用片状材料卷裹而成，其依靠由于卷裹后的张力与柱体2内壁产生的摩擦力固定在柱体2内；

在制造保水层14时，可以往保水层14的网格或孔中填充缓释肥料，这样就能解决植物施肥的问题；

所述的硝化过滤层15固定在柱体2内部且采用较轻、透水性较低的材料制成，优选为花泥；硝化过滤层15的透水性一定要低于保水层14，在使用时，保 水层14中的水会在重力和保水层14张力的作用下通过柱体2内壁下流，当水流通过柱体2内壁流到消化过滤层15上时，所述的硝化过滤层15会将水向中心吸引，由于消化过滤层15的透水性较低，水会在消化过滤层15上聚集然后由与其接触的保水层14吸走。这种方式能够有效地防止水在重力作用下快速下掉，浪费水泵16抽水的能量；

所述的硝化过滤层15上种植有硝化菌，所述的硝化菌能够产生无机盐并由通过硝化过滤层15的水流带入保水层14中；

所述的柱体2顶部装入缓流水培室5下部的安装孔52中，所述的缓流水培室5内设有保护管54和储水腔53，所述的保护管54内部设有让导流管8穿过的保护管孔541；

所述的保护管54的高度最好要大于储水腔53的高度，这样导流管8往储水腔53中装水时能够一次装满整个储水腔53；

所述的缓流水培室5顶部设有安装环51，所述的安装环51内壁与轴承13外圈固定，所述的轴承13内圈与支撑管6底部外壁连接固定，所述的支撑管6顶部与安装部件7连接将整个植物培养人工自动化设施系统安装在安装平面10上。使用时，可通过轴承13直接转动轴承13下部的部分，这样一方面可以方便采收植物，另一方面可以通过转动柱体2，使柱体2上的植物都受到均匀的光照。当然，可以在植物培养人工自动化设施系统的轴承13下部设置驱动装置和控制装置，通过控制装置的程序控制轴承13下部转动的角度和周期，这样能使得整个系统更加的智能；

当然，所述的轴承13与安装环51和支撑管6的安装关系也可以对调，也就是轴承13的内圈与安装环51外侧壁固定，轴承13的外圈与支撑管6的内侧 壁固定；

所述的储水腔53中设有水引导线12，所述的水引导线12由吸水性较强的材料制成，如棉线；所述的水引导线12一端在储水腔53中，另一端通过保护管孔541与与其靠近的保水层14接触，或者悬置在保水层14上方，当水引导线12将储水腔12中的水引出到悬置与保水层14上方时，其会慢慢将水滴滴入在保水层14上；当然，可以通过调整水引导线12的粗细来调整进入主题2内部的水流大小；所述的水引导线12能够缓慢地供水，防止由于管道直接供水带来流速过快而产生过量灌溉而浪费水的情况，能够有限地节约水泵消耗的能源；

所述的安装部件7与安装平面10接触部分上还可设置压力传感器11，可通过压力传感器11来测量整个系统中植物的生长速度(在先重量减去在后重量就是植物的生长量，注意，测试生长速度是时，应保证其他因素一致，如水箱中的水重量)；

所述的植物培养人工自动化设施系统上还可以设置控制器4，所述的控制器4与补光光纤3连接，所述的补光光纤3螺旋缠绕在柱体2上，使用时，可通过控制器4让补光光纤3导电发光，以增加整个系统的美观性。

当然，上述的植物培养人工自动化设施系统是采用悬吊式安装在安装平面10上，其还可以直接放置在地面上，此时，轴承13以下部分不转动，轴承13以上部分转动。而压力传感器11可安装到轴承13与安装环51接触部分上，参见图7。

所述的植物培养人工自动化设施系统种植藤蔓植物时，可以直接将藤蔓植物的跟放置在储水腔53内，茎穿过支撑管6和安装部件7伸出植物培养人工自动化设施系统外即可；

所述的柱体2上的种植孔21还可以做成槽状的种植槽22(参见图8)。所述的种植22的适应性要高于种植孔，能够种植更多的植物；

所述的植物培养人工自动化设施系统还可以设置传感器，所述的传感器包括但不限于温湿度传感器、人近红外传感器、光线传感器。

本发明还公开了上述柱体2的制造方式，所述的柱体2采用塑料等材料挤出成型时，在挤出过程中可趁其未冷却成型时用模具往柱体2上直接穿孔或开槽等，然后用熨烫设备对上述孔或槽进行熨烫扩宽，这种方法能够有效地避免传统方法中用管再进行切割打孔的工序，不仅能够节省工序提高生产效率，还能降低制造成本。

本发明通过组合实施缓流水培室、内置式水引导线、保水层和硝化过滤层，能够显著延缓水泵单频次供水后水分和营养在植物根系的作用时间，进而降低水泵单日的工作时间和延长其使用寿命，显著地降低了供水能耗和设施成本，扩大了生态循环自动化系统的应用范围。

本发明的缓流水培室不但能够为植物(特别是攀援类植物)提供固定种植位，因而可以广泛适用于食根、食叶、挂果、攀援、茎生等多种作物与观赏生物的生长；还能存储一定量的水和营养，在水泵关闭的时间间隔，通过内置式水引导线作用于硝化过滤层和保水层，进一步延长保水时间。

本发明的内置式水引导线即可引导过量的水流下行，又可可靠地保证水滴能够在水泵关闭的时间间隔持续下滴，通过选择其直径和材料，可以控制为上储水容器或缓流水培室单次蓄水的时间，从而调节水泵单频次开启的时间间隔。相比于管路和喷头系统，引导线可以避免堵塞的隐患。引导线采用内置式，可以有效减少水分通过引导线的蒸发和耗散。

本发明的保水层可以在水泵关闭的时间间隔，有效保持植物根系适量的供水和营养。同时给予根系充分的空气以进行呼吸。保水层还能因植物生长需要，为参杂其他保水介质、营养成分或微生物着生提供着床基质。同时因为保水层的重量轻，成本低，安装容易，可以显著减轻整体重量，扩大了其安装使用范围。

本发明的硝化过滤层既可以单独在柱体上部实施，必要时也可以隔一定长度在柱体多级实施。硝化过滤层可以在水泵开启时截留一部分水分，在水泵关闭期间持续供应给保水层。同时因为水滴会因自身重量下滴，分段的实施有利于水分重量的分散和迟滞下落。硝化过滤层同时留有过水孔，方便导流管穿过和在上游来水过量时，过量水流的下行。硝化过滤层还能提供硝化细菌等微生物处理水中有机物的着生基质，增加过水中的营养液成分。

本发明的转动轴承可以为柱体转动提供方便，便于安装其他转动驱动电机和机构，从而为其他补光和采收活动提供便利。

本发明的柱体，可以是PVC、陶瓷、金属、有机玻璃及其他符合材料。可以为不透明和半透光材料。当需要对柱体内植物根系发育、根系附着物等情况观察和研究时，需要采用半透明材料。柱体生产加工方法包括但不限于切割和热塑。

本发明的导流管为柱体式内置安装方式，可以有效阻隔外部热量，延缓管路老化，减少维护成本。同时缩短了导流管的使用长度，节省硬件成本。

本发明的泵体和汽雾装置可以根据使用条件、设备型号，安装于柱体上部或下部，随转动柱体安装或固定安装于柱体的固定部分。对于某些通过叶片吸收营养的作物或者需要灯雾观赏效果的场景，可以附加汽雾化装置。汽雾化装 置可以连入控制电路部分受控。

本发明的补光光纤可以通过LED补光灯附属连接在控制电路上，从而根据需要开启和关闭。对于某些光照不足或特殊应用场合提供光照。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。