智能植物生长实验装置及其温度调控方法与流程

本发明属于智能农业装备和节能管理领域，特别涉及一种智能植物生长实验装置及其温度调控方法。

背景技术：

培育新品种是人类改良现有品种，适应环境变化，提升物种抗性的重要手段，合适的人工实验装置进行植物生长实验可以加快生育进程。探索适宜于植物生长的人工环境需要开展大量的科学试验，势必需要有精确调控光照和温度等环境因子的人工设施，所以，智能的植物生长装置有很大的需求市场和潜在的需求空间。随着航空航天技术的发展，地球人对于外太空的探索越来越频繁，宇航员的外太空食物供应系统也需要这样的栽植装置。同样，家庭种植需求也是智能植物生长实验装置的潜在市场。

光照和温度是植物生命过程中两个最主要的环境因子，两者具有耦合关系，互激、互补或相抑地影响着植物的生长发育。同时，光照和温度也是人工光照实验装置主要能量消耗的因素，合理地利用光源的热管理可有效地减少植物生长实验装置的电能耗。相较其他传统光源，基于led低能耗的优点，其已成为植物生长实验装置的主流光源，但很多植物生长实验装置仍存在光谱、光量达不到植物的需求，存在光调控柔性不足的问题。传统的植物生长实验装置一般只有一个栽培室，存在设备利用率低、温度平稳性差等缺点，影响环境因子的调控精度，且影响试验的精确性、设备利用率，节能型的植物生长实验装置有待推出。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中的上述缺陷，本申请提供了一种基于光温耦合管理，配备光、温、水、气、肥调控系统，且设备利用效率高、节约电能耗的智能植物生长实验装置，同时还提供了上述智能植物生长实验装置的温度调控方法。

技术方案：本申请所述的智能植物生长实验装置，包括：

托架，起到安装支撑作用；

箱体，置于托架前部，所述箱体内设有第一栽培室和第二栽培室，所述第一栽培室和第二栽培室配置完全一样，内部放置栽培架，栽培架上设有种植植物的栽培槽、栽培槽上方设有水冷式led面光源；

控制系统，置于箱体顶部；

盖板，置于箱体上方；

公共气调间，包括所述第一栽培室和第二栽培室之间、所述栽培室和箱体之间形成的送风室，所述盖板和箱体之间形成的回风室，进风口和出风口，其中，所述回风室和送风室中间设有换能器，所述送风室设有ptc加热器和与水冷式led光源散热水路相连的散热器，所述进风口和出风口设有风机；

设置在托架后部的co2施肥装置、压缩机、肥料桶以及水箱；所述co2施肥装置、压缩机、肥料桶以及水箱直接通过管道与两个栽培室相连接，并且通过控制系统直接调控；

所述led面光源的水冷系统通过管道与水箱相连接，所述led面光源的水冷系统与水箱之间的管道还并列连接有散热器的分支管道。

将ptc加热器及散热器等热源安装于公共气调间的送风室，进行多热源的综合管理，可使栽培室的温度分布更加均匀。进一步优选的，所述ptc加热器和散热器设置在所述第一栽培室和第二栽培室之间形成的送风室内，使得热源处于气流循环起始部位，达到高效综合利用。

作为另一种优选，为了使得第一栽培室和第二栽培室的温度得以独立管理，在所述第一栽培室和第二栽培室之间设置隔板，在所述隔板左右两边分别设置进风口。

所述盖板可拆卸的置于箱体上方，实现与外界环境隔离，起隔尘防护作用。

所述风机为轴流风机，采用脉宽调制(pwm)模式控制风机风速。所述风机采用pwm调控模式，根据实时温度和设定温度的控温差值大小来调控风机和ptc加热器的工作状态，当接近控温水平时，调低ptc加热器的输入电压或风机的转速。这样的调控方式可避免控温波动大，影响设备的使用寿命等问题，可降低植物对温度的应急反应。

所述水冷式led面光源为多色高功率led，有红、蓝、黄、绿、白五种光谱组成，其中led采用阵列单元排布，光源可根据栽培室的栽培面积配置合适的led阵列数，可实现光谱、光能量及光照时间柔性可调，且led芯片所产生的热量可按需回收利用。

所述托架底面设有滚轮，可以方便整个装置的移动。

所述的智能植物生长实验装置还包括人机对话面板，用户可通过此面板设置参数或者获取实时和历史数据。

工作原理：所述的智能植物生长实验装置为顶送侧回循环送风模式，具体见图3所示，换能器将新风送入公共气调间的送风室，经送风室内多热源的综合管理后，根据需求开启或关闭对应栽培室的风机，将空气泵入对应的栽培室，经过循环之后回到回风室；水冷式led面光源中led芯片产生的热量被水冷系统的水置换，然后根据温度管理需求分别配置，当需要加热公共气调间的空气时，开启连接散热器的管道，将置换热量之后的热水由管道引至公共气调间的散热器，然后引入水箱；否则，直接引至水箱，减少公共气调间控温能耗。

上述智能植物生长实验装置的温度调控方法，包括以下步骤：

步骤一，设定控制偏差α、β、θ；其中，其中，α和β分别是第一栽培室和第二栽培室设定温度的控制偏差，θ是公共气调间与栽培室实时温度调控偏差，用户可根据需求自行设定；

步骤二，采集室外实时温度to、第一栽培室实时温度t1i、第二栽培室实时温度t2i以及公共气调间实时温度tgi，设置第一栽培室设定温度t1s以及第二栽培室的设定温度t2s；

步骤三，比较两栽培室设定温度，当t1s≥t2s时，比较tgi与两个栽培室设定温度：

当t2s≤tgi≤t1s时，优先调控温差绝对值小的栽培室的温度，然后再调控另一个栽培室温度，当需要加热时采用ptc制热并利用led光源所产生的热量，当需要制冷时采用压缩机制冷；

当tgi<t2s<t1s时，优先采用ptc加热器并利用led光源所产生的热量制热调控第二栽培室温度，当第二栽培室温度达到设定温度时，继续制热，调控第一栽培室温度直至达到设定温度；

当t2s<t1s<tgi时，优先采用压缩机制冷调控第一栽培室温度，然后继续制冷，再调控第二栽培室的温度；

或者，当t1s<t2s时，控制策略同以上步骤，仅仅是调控第一栽培室和第二栽培室温度的先后次序发生了变化，故省略相关调控步骤。

具体流程见图4，其中栽培室1即是第一栽培室，栽培室2即是第二栽培室。

本发明根据公共气调间和2个栽培室设定温度的差值确定控温方式，以能耗最小为原则，选择首先调控设定温度与公共气调间温差较小的栽培室的温度，然后再调控另一栽培室的温度，实现节能控制的目的。此外，采用了公共气调间，降低了控温能耗。当两个栽培室的设定温度都低于或都高于室外的温度时，调温能耗小于实现同样控制要求的两个一室的智能植物生长实验装置的能耗。如果两个栽培室的设定温度分别为t1s和t2s，栽培室1的植物生长实验装置调控到设定温度t1s时能耗为δe1，调控到设定温度t2s时能耗为δe2，两室的调温能耗收仅为δe2。当室外的温度处在两个栽培室的设定温度之间时，理论上本实验装置的调温能耗要略大些，应等于δe1+δe2+δe，增量为δe，其为设定温度与公共气调间温度差较少的载培室的温度调至设定温度时产生的热量。但是，相较一室的植物生长实验装置，本发明的控制温差小，因为传统的一室的植物生长实验装置控温差为室外温度和栽培室设定温度的差，而本发明调控温差数值为公共气调间和栽培室的温差。另外，由于有公共气调间的缓冲作用，大大降低了装置整体的散热量，提高了栽培室的保温性，加温或降温的次数较少，所以总运行能耗实质是降低的。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

有益效果：相比较于现有技术，本申请所述的智能植物生长实验装置包括以下优势：(1)通过设计公共气调间，将热源安装于送风室，实现了多热源的综合管理，通过管理气调间的温度和风机的转速实现栽培室温度的独立管理，可精量地控制进入每个栽培室的空气流量和流速，实现节能型温控方式；(2)采用水冷式led面光源，并回收利用其热能，均匀混合冷热气流，使得进入栽培室内的气流温、湿度更均匀，减少植物的温度应急反应；(3)设置了两个栽培室，共用大部分设备，提高了设备综合利用效率。本申请所述的智能植物生长实验装置的温度调控方法是基于节能目标设计，不仅有效的实现了装置的温度调控，且降低了控温能耗。综合而言，本装置基于光温耦合管理，配备光、温、水、气、肥调控系统，具有节省设备、能耗低、温度稳定性好等诸多优点，该实验装置可用于环境变化对植物生长发育影响的研究或育种的栽植，也可以成为宇航员的外太空食物供应系统的植物培育，也可以用于家庭种植。

附图说明

图1是智能植物生长实验装置结构示意图(其中，a是主视图，b是侧视图)；

图2是水冷式led面光源的led灯布置图；

图3是智能植物生长实验装置气流循环示意图；

图4是栽培室温度调控方法部分示例流程图。

其中，托架1、箱体2、第一栽培室3、第二栽培室4、栽培架5、栽培槽6、水冷式led面光源7、控制系统8、盖板9、送风室10、回风室11、进风口12、出风口13、换能器14、ptc加热器15、散热器16、co2施肥装置17、压缩机18、肥料桶19、水箱20、隔板21、滚轮22、人机对话面板23。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作出详细说明。

实施例1

如图1所示的智能植物生长实验装置，包括起到安装支撑作用的托架1，置于托架1前部的箱体2，箱体2内设有第一栽培室3和第二栽培室4，其中第一栽培室3和第二栽培室4配置完全一样，内部放置栽培架5，栽培架5上设有种植植物的栽培槽6、栽培槽6上方设有水冷式led面光源7；箱体2顶部设有控制系统8；箱体2上方设有盖板9；还包括公共气调间，包括第一栽培室3和第二栽培室4之间、栽培室和箱体2之间形成的送风室10，以及盖板9和箱体2之间形成的回风室11，进风口12和出风口13，第一栽培室3和第二栽培室4之间设有隔板21，在所述隔板21左右两边分别设置进风口12，其中，回风室11和送风室10中间设有换能器14，第一栽培室3和第二栽培室4之间形成的送风室10内设有ptc加热器15和与水冷式led面光源散热水路相连的散热器16，进风口12和出风口13均设有轴流风机，并采用脉宽调制模式控制风机风速；托架1后部还安置有co2施肥装置17、压缩机18、肥料桶19以及水箱20；其中，水冷式led面光源7的水冷系统通过管道与水箱20相连接，所述水冷式led面光源7的水冷系统与水箱20之间的管道还并列连接有散热器16的分支管道。托架1底面还设有滚轮22，还包括人机对话面板23。

所述水冷式led面光源7为多色高功率led，有红、蓝、黄、绿、白五种光谱组成，其中led采用阵列单元排布，其led灯布置如图2所示，光源可根据栽培室的栽培面积配置合适的led阵列数。

上述智能植物生长实验装置为顶送侧回循环送风模式，具体见图3的气流循环示意图，换能器将新风送入公共气调间的送风室，经送风室内多热源的综合管理后，根据需求开启或关闭对应栽培室的风机，将空气泵入对应的栽培室，经过循环之后回到回风室；水冷式led面光源中led芯片产生的热量被水冷系统的水置换，然后根据温度管理需求分别配置，当需要加热公共气调间的空气时，开启连接散热器的管道，将置换热量之后的热水由管道引至公共气调间的散热器，然后引入水箱；否则，直接引至水箱，减少公共气调间控温能耗。

实施例2

实施例1所述智能植物生长实验装置的温度调控方法，包括以下步骤：

步骤一，设定控制偏差α、β、θ；其中，α和β分别是第一栽培室和第二栽培室设定温度的控制偏差，θ是公共气调间与栽培室实时温度调控偏差，用户可根据需求自行设定；

步骤二，采集室外实时温度to、第一栽培室实时温度t1i、第二栽培室实时温度t2i以及公共气调间实时温度tgi，设置第一栽培室设定温度t1s以及第二栽培室的设定温度t2s；

步骤三，比较两栽培室设定温度，当t1s≥t2s时，比较tgi与两个栽培室设定温度：

当t2s≤tgi≤t1s时，优先调控温差绝对值小的栽培室的温度，然后再调控另一个栽培室温度，当需要加热时采用ptc制热并利用led光源所产生的热量，当需要制冷时采用压缩机制冷；

当tgi<t2s<t1s时，优先采用ptc加热器并利用led光源所产生的热量制热调控第二栽培室温度，当第二栽培室温度达到设定温度时，继续制热，调控第一栽培室温度直至达到设定温度；

当t2s<t1s<tgi时，优先采用压缩机制冷调控第一栽培室温度，然后继续制冷，再调控第二栽培室的温度；

或者，当t1s<t2s时，控制策略同以上步骤，仅仅是调控第一栽培室和第二栽培室温度的先后次序发生了变化，故省略相关调控步骤。

图4示意了栽培室温度调控方法的部分流程图，即当t1s≥t2s情况下的部分调节方法，其中栽培室1即是第一栽培室，栽培室2即是第二栽培室。根据图4可见，上述智能植物生长实验装置的温度调控方法，包括以下步骤：首先，设定输入控制偏差α、β、θ，其中，α和β分别是第一栽培室和第二栽培室设定温度的控制偏差，θ是公共气调间与栽培室实时温度调控偏差，用户可根据需求自行设定；然后，采集室外实时温度to、第一栽培室实时温度t1i、第二栽培室实时温度t2i以及公共气调间实时温度tgi，设置第一栽培室设定温度t1s以及第二栽培室的设定温度t2s；其次，比较两栽培室设定温度，图示中只表示了t1s≥t2s的情况，比较tgi与两个栽培室设定温度，接下来列举了t2s≤tgi≤t1s以及tgi<t2s两种情况：当t2s≤tgi≤t1s时，将tgi与t2s和t1s分别比较，然后优先调控温差绝对值小的栽培室的温度，如图所示，当|tgi-t1s|≥|tgi-t2s|时，优先调控第二栽培室的温度，而当|tgi-t1s|＜|tgi-t2s|时，则优先调控第一栽培室的温度，调控过程中需要加热时采用ptc制热并利用led光源所产生的热量，当需要制冷时采用压缩机制冷；当tgi<t2s时，优先采用ptc加热器并利用led光源所产生的热量制热调控第二栽培室温度，当第二栽培室温度达到设定温度时，继续制热，调控第一栽培室温度直至达到设定温度，否则，优先采用压缩机制冷调控第一栽培室温度，然后继续制冷，再调控第二栽培室的温度。