一种立体多层植物培养装置的制作方法

本发明涉及一种立体多层植物培养装置，主要应用于地外星球基地(如月球/火星)等载人深空探测密闭环境。属于长期载人航天环境控制与生命保障技术研究领域。

背景技术：

在特定的密闭人工生态环境中培养植物并研究其生长特性，对于将来建立空间受控生态生命保障系统(controlledecologicallifesupportsystem，celss)具有非常积极的意义(rajapakse等，2009)。地外星球基地距离地球遥远，通过飞船或航天飞机运送生保物资极其昂贵。因此，必须在地外星球基地原位利用当地资源来再生航天员所需要的全部生保物资(食物、氧气和水)。

植物是celss系统中的关键生物部件(wheeler等，2001)。在地外星球基地中，通过植物的光合作用、蒸腾作用以及微生物的分解作用，可为航天员提供食物、氧气和水，并循环利用系统产生的废物，从而保证航天员的长期驻留(poughon等，2009)，延长深空探测的时间和距离(hoehn等，1998)。如何高效快速的在地外星球基地培养植物，是制约航天员驻留时间的重要影响因素。为此，国内外开展了较多针对植物培养试验研究(唐永康等，2008，2010；goto等，2002；chamberlain等，2002)，并在包括南北极、沙漠、孤岛等地面极端环境中进行“人-植物-环境”整合试验(郭双生等，2013)。

本发明设计并建立了一种具有多层培养结构的植物培养装置，并针对所培养植物的生长需求特性和物质的循环利用要求，创造了适合多类植物生长的培养装置。该装置为大型试验系统，适合应用于地面或空间密闭环境中的植物长期和立体化培养。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对空间密闭环境条件的特点，发明一种立体、多层，营养液可长期循环利用，led光源(光质、光强和光周期)可根据需要进行调节和控制，适合多类植物培养等特点的植物培养装置。

本发明的技术解决方案是：一种立体多层植物培养装置，包括立体培养架、营养液循环与消毒、营养液培养、基质培养、led光源和测量控制。立体培养架主要用于固定led光源和培养床，为植物生长提供立体空间。营养液循环和消毒主要对营养液和基质两种培养方式中的营养液进行循环利用，并杀菌过滤。营养液培养主要采用液体方式培养不同植物。基质培养主要采取固体基质方式培养植物。led光源主要采用新型led为植物生长提供光照条件并及时散热。测量控制主要用于测量和控制各类植物生长环境参数。

所述的立体培养架为多层结构，用于立体培养植物。基质培养的培养架为四层结构，每一层均包含led光源、培养床、培养基质、光照传感器和水分传感器。用于营养液培养的培养架为三层结构，每一层均包含led光源、培养床和光照传感器。营养液储箱、收集池和循环泵等均位于培养架下部。

所述的营养液循环与消毒用于植物营养液的自动配制和调节、输送、收集、过滤、消毒、监测、调配后的反复循环利用。主要设备包括营养液储箱、母液箱、酸液箱、碱液箱、加注泵、管路、紫外杀菌器、收集池、回液循环泵，以及相应的液位传感器、ph传感器、电导传感器和溶解氧传感器等。营养液储箱可以根据不同植物营养需求，调节营养液养分浓度和比例、ph和溶解氧浓度，为各个培养床提供植物所需的营养液。母液箱用于补充营养液成分，为植物生长提供所需的养分。酸液箱和碱液箱用于调节营养液ph值。紫外杀菌器用于营养液有害微生物灭菌。收集池用于收集回流的营养液，实时汇集到营养液贮箱。传感器用于监测营养液物/化特性，以满足植物生长需要。

所述的营养液培养由培养架、营养液管路、培养床、导流板等部件组成。主要利用系统自动调配好的营养液来自动培养植物，并且营养液在系统中自动循环反复利用。培养的植物通过海绵固定在培养床上，根系浸没在营养液中。植物生长过程中吸收利用的矿质养分由系统自动监测和补充。基质培养由培养架、营养液管路、培养床、滴灌管路、培养基质、滴头等部件组成。基质培养主要采用固体基质固定植物，利用滴管方式将系统自动调配好的营养液输送到植物根系。基质中的水分/养分由水分传感器在线监测并控制滴管系统自动供给营养液。

所述的led光源包括灯板、复合led灯和冷却管路，主要为不同类植物生长提供所需的光照条件。复合led灯由红色、蓝色和白色led芯片按一定比例组合制造而成，粮油类植物所用的复合led灯中的红色、蓝色和白色led芯片比例为1∶1∶1，果蔬类植物所用的复合led灯中的红色、蓝色和白色led芯片比例为2∶1∶1。单色led芯片所发光的光质、光强和光周期均可以根据培养植物需要由计算机自动调节，其中光强的调节比例范围为10％-100％。灯板背部的冷却管路中可以自动循环冷却介质，该冷却介质可以实时将led灯散发的大部分热量带走，以保证led灯最佳的工作温度和发光效率。

所述的测量控制主要由各类传感器和相应的控制部件如泵和阀门组成。各类传感器自动测量装置中的各类参数，并由计算机自动计算和判断，然后计算机根据设置自动发送相关命令给不同控制部件，从而将相关植物生长的环境参数控制在设定范围内。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用立体、多层方式培养植物，并同时具有营养液和基质两种植物培养方式，可以充分有效利用密闭系统中的有限空间，提高单位空间的植物生产效率。

(2)本发明采用营养液成分在线自动测量、控制、搅拌、过滤、消毒和循环，可以满足不同类植物不同生长阶段的矿质养分需要。所用营养液可以长期循环利用。

(3)本发明采用复合led灯，多种单色光芯片集成在一个led灯珠内，光照更均匀一致。单色光的光质、光强和光周期均可以单独控制，可以满足多类植物生长对光源的不同需求。

附图说明

图1为立体多层植物培养装置构成及原理图；

图2为led光照结构原理图；

图3为培养床结构示意图。

图中：1营养液储箱，2酸液储箱，3碱液储箱，4酸液加注泵，5碱液加注泵，6营养液储箱液位传感器，7ph传感器，8电导传感器，9溶解氧传感器，10空气压缩机，11过滤器a，12循环泵a，13紫外杀菌器a，14过滤器b，15循环泵b，16紫外杀菌器b，17母液箱a，18母液箱b，19母液箱c，20计算机，21回液循环泵，22收集池液位传感器，23收集池，24供应阀a，25基质培养架，26光照传感器，27基质培养led灯板，28基质培养床，29水分传感器，30营养液培养架，31供应阀b，32供应阀c，33供应阀d，34供应阀e，35供应阀f，36供液阀g，37回液阀a，38回液阀b，39营养液培养led灯板，40培养基质，41冷却管路a，42基质培养led灯，43营养液入口a，44营养液出口a，45营养液培养led灯，46营养液入口b，47营养液出口b，48冷却管路b，49营养液培养床，50基质培养营养液入口，51营养液滴头，52，营养液导流板，53营养液入口，54营养液出口，55母液加注泵。

具体实施方式

如图1所示，构建立体多层植物培养装置，为密闭环境中立体培养植物提供生长空间、营养液循环利用和光照条件。该装置主要由立体培养架、营养液循环与消毒、营养液培养、基质培养、led光源和测量控制几部分组成。

营养液储箱(1)位于基质培养架(25)下方，内装有营养液储箱液位传感器(6)、ph传感器(7)、电导传感器(8)和溶解氧传感器(9)，主要用于盛装营养液，并调节营养液的ph、电导和溶解氧等参数。酸液储箱(2)和碱液储箱(3)可以分别通过酸液加注泵(4)和碱液加注泵(5)来加注酸液和碱液到营养液储箱(1)中，以调节营养液ph到设定范围内。空气压缩机(10)可以将压缩空气通入营养液储箱(1)，以提高营养液的溶解氧浓度，满足植物根系对氧气的需求。母液箱a(17)、母液箱b(18)和母液箱c(19)可以通过母液加注泵(55)将不同母液添加到营养液储箱(1)中，以补充植物吸收利用的各类矿质养分。

调配好的营养液通过过滤器a(11)、循环泵a(12)和紫外杀菌器a(13)，输送到基质培养床(28)，供基质培养的植物吸收利用。同时也可以通过过滤器b(14)、循环泵b(15)和紫外杀菌器b(16)输送到营养液培养床(49)，供营养液培养的植物吸收利用。输送的营养液被植物吸收利用后，统一收集到收集池(23)中，再由回液循环泵(21)将营养液输送回营养液储箱(1)，进行调节。调节好的营养液再一次输送到基质培养床(28)和营养液培养床(49)被植物吸收利用。如此往复循环利用。

立体培养架主要用于立体培养植物，主要包括基质培养架(25)和营养液培养架(30)两类培养架。其中，基质培养架(25)为四层结构，主要采用基质培养方式来培养植物，所培养植物主要为果蔬类植物，如莴苣和苋菜。营养液培养架(30)为三层结构，主要采用营养液方式来培养植物，所培养植物主要为粮食类，如小麦和马铃薯。

一路营养液通过供应阀a(24)、供应阀b(31)、供应阀c(32)和供应阀d(33)进入基质培养床(28)，然后通过基质培养营养液入口(50)和滴管管路上的营养液滴头(51)进入培养基质(40)中，然后被植物根系吸收利用。培养基质(40)中布置有水分传感器(29)，用于监测水分含量，以保证植物有充足的水分供应。植物培养采用基质培养led灯板(27)，其光照强度可以用光照传感器(26)进行测量。计算机(20)可以控制基质培养led灯板(27)的光质、光强和光周期。

另一路营养液通过供应阀e(34)和供应阀f(35)进入营养液培养架(30)，然后再通过营养液入口(53)进入营养液培养床(49)中。营养液在营养液培养床(49)中通过营养液导流板(52)进行流通，最后通过营养液出口(54)，再通过供应阀g(36)进入下一个培养床循环利用。植物培养采用营养液培养led灯板(39)。计算机(20)可以控制营养液培养led灯板(39)的光质、光强和光周期。

led光源包括两类，基质培养led灯板(27)中的基质培养led灯(42)为复合灯，主要用于培养果蔬类植物，其红色、蓝色和白色led芯片比例为2∶1∶1。冷却介质通过营养液入口a(43)进入基质培养led灯板(27)背部的冷却管路a(41)，盘绕基质培养led灯(42)，最后从营养液出口a(44)，进入下一个灯板，从而将led灯散发的热量带走。营养液培养led灯板(39)中的营养液培养led灯(45)也为复合灯，主要用于培养粮油类作物，其红色、蓝色和白色led芯片比例为1∶1∶1。冷却介质则通过营养液入口b(46)、冷却管路b(48)和营养液出口b(47)将led灯散发的热量带走，从而保证led灯的最佳工作温度和发光效率。

测量控制主要通过计算机(20)采集营养液储箱液位传感器(6)、ph传感器(7)、电导传感器(8)、溶解氧传感器(9)、收集池液位传感器(22)、光照传感器(26)和水分传感器(29)的信号，然后发送指令给酸液加注泵(4)、碱液加注泵(5)、空气压缩机(10)、循环泵a(12)、循环泵b(15)、回液循环泵(21)、供应阀a(24)、供应阀b(31)、供应阀c(32)、供应阀d(33)、供应阀e(34)、供应阀f(35)、供液阀g(36)、回液阀a(37)、回液阀b(38)、母液加注泵(55)、基质培养led灯板(27)和营养液培养led灯板(39)等功能部件，从而实现营养液调节和输送，以及led灯调节。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。