本发明涉及农业设备技术领域，特别是涉及一种旋转式立体栽培系统及控制方法。
背景技术：
随着国家农业结构性调整，设施农业被提升到新的高度。同时随着美丽乡村建设、田园综合体打造的快速发展，我国城市化进程不断加快，土地和传统农业人(农民)资源逐渐减少。因此大力发展高效设施农业、工厂化农业将是时代发展的必然趋势。其中，“垂直农业”由于其空间利用率高，容易实现工厂化生产，而且通过环境调控，可以实现周年生产，产出率高，因此在国内外得到广泛推广。
“垂直农业”的主要设施立体栽培系统为使所栽培的植物均匀接收阳光，栽培槽必须在外力驱动下上下循环运动，目前国内外大多采用电动机作为动力驱动栽培槽做上下运动。但是，采用电动机作为动力存在如下缺陷：第一，由于温室环境长期处于高湿度状态，对电动机有一定的锈蚀作用，从而影响电动机的安全性和可靠性；第二，立体栽培系统长期运行过程中可能出现卡链等故障，因为作物在生长过程中其载荷是变化的且难以精确计算，因此采用电动机作为动力时则难以精确计算匹配功率，也难以实现过载保护；第三，采用电动机作为动力时，其工作过程噪音大，影响工作环境。综上所述，采用电动机作为动力存在噪音大，速度不可调，故障率高，有安全隐患等问题，难以适应大规模工厂化生产要求。
技术实现要素：
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种旋转式立体栽培系统及控制方法。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种旋转式立体栽培系统，该系统包括：机架，以及固定于所述机架上的驱动装置、减速装置、主传动轮、从传动轮组，所述驱动装置与所述减速装置通过第一传动机构连接，所述减速装置与所述主传动轮通过第二传动机构连接，所述主传动轮与所述从传动轮组通过主传动机构连接，所述主传动机构上设置有若干栽培槽，所述驱动装置包括驱动箱体和设置于所述驱动箱体内的驱动叶轮，所述驱动箱体上设置有入水口和出水口。
压力水从所述驱动箱体上的入水口进入所述驱动箱体，推动所述驱动叶轮转动，所述驱动叶轮的转动依次通过所述第一传动机构、减速装置、第二转动机构、主传动轮带动所述主传动机构和所述从传动轮组转动，从而带动所述栽培槽上下循环移动。
本发明通过对驱动水流量的柔性调节控制，实现了栽培槽上下运动速度的无级调节，从而根据作物在不同生长阶段对阳光的需求量、光照强度等因素对旋转栽培系统栽培槽的上下运动速度进行自由调节，使得栽培系统中所有作物均匀接收阳光照射，提高作物产量。利用水驱动立体栽培系统的旋转，绿色环保，节约成本，噪音小，转速可随意调节，高效安全。
在本发明的一种优选实施方式中，还包括驱动泵，所述驱动泵的入水端通过管路与驱动水池相连，所述驱动水泵的出水端通过管路与所述驱动箱体的入水口相连。通过驱动泵，可以增大驱动水流量，从而加大对驱动叶轮的驱动力。
在本发明的另一种优选实施方式中，还包括设置于所述入水口和所述驱动泵之间的用于控制所述驱动装置启停以及控制所述驱动装置驱动水流量的控制阀组，所述控制阀组包括电动蝶阀和电磁阀。通过控制电动蝶阀的开度控制驱动叶轮的转速，通过控制电磁阀的启闭控制驱动叶轮的启停。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述控制阀组还包括手动球阀，所述手动球阀、电动蝶阀、电磁阀依次连接。通过手动球阀，便于系统维修时断开驱动水源。
在本发明的再一种优选实施方式中，还包括控制器，所述控制器的控制信号输出端分别与所述驱动泵、电动蝶阀、电磁阀的控制信号输入端相连。通过控制器，控制栽培系统按照需求转速自动旋转。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述减速装置为蜗轮蜗杆减速机。通过蜗轮蜗杆减速机可以获得较大的传动比，且其承载能力强，传动平稳，噪音小，具有自锁性。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述第一传动机构、第二传动机构、主传动机构均为传动链。链传动无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高，传递功率大，过载能力强，对工作环境的适应性强。
在本发明的再一种优选实施方式中，还包括安装在所述机架上的链条导轨，所述主传动机构的传动链设置于所述链条导轨内。通过链条导轨，撑托及导向传动链，防止传动链在输送过程中链条脱落及卡齿。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述从传动轮组包括固定于所述机架上的至少两个从传动轮，所述主传动轮和所述从传动轮的两个轴端均嵌套有滚动轴承，所述滚动轴承内嵌于固定在所述机架上的轴承座内。通过在主传动轮和从传动轮内设置滚动轴承，可以保证系统传动的顺畅和平稳。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种旋转式立体栽培系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
s1、根据影响植物生长的第一综合因素计算栽培槽上下循环移动的速度范围，其中，所述第一综合因素至少包括光照强度、光照时长和植物现阶段对光的需求量；
s2、根据第二综合因素计算出所需驱动水流量，其中，所述第二综合因素至少包括驱动管道的出口直径、栽培系统中主传动机构上现阶段总的负荷量、传动系统总的传动比和总机械效率；
s3、根据第三综合因素计算出所述驱动管道的出口流量，其中，第三综合因素至少包括驱动泵流量参数、驱动泵扬程参数、所述驱动管道的直径、所述驱动管道的水头损失以及所述驱动管道的出口直径；
s4、比较所述所需驱动水流量与所述驱动管道的出口流量，按百分比确定电动蝶阀的开度；
s5、根据所述电动蝶阀的开度大小设计控制器程序，规定所述电动蝶阀的输入电信号大小；
s6、所述控制器发出所述电动蝶阀开启指令，当所述电动蝶阀接收到相应的所述输入电信号时，所述电动蝶阀的碟片开启至设定开度；
s7、当所述电动蝶阀的开度达到所述设定开度时，通过控制驱动装置的转速从而控制栽培槽按照需要的移动速度上下循环移动。
在本发明中，旋转栽培系统的栽培槽上下运动的速度通过驱动水流量调节阀组对水量的柔性调节控制，实现了栽培槽上下运动速度的无级调节，从而根据作物在不同生长阶段对阳光的需求量、光照强度等因素对旋转栽培系统栽培槽的上下运动速度进行自由调节，使得栽培系统中所有作物均匀接收阳光照射，提高作物产量。
综上所述可知，本发明的有益效果主要有以下几点：
1，本发明极大的提高了旋转立体栽培系统中作物不同生长阶段对阳光的需求量以及栽培槽上下移动速度的耦合度，有效促进光合作用，提高作物产量；
2，本发明采用控制器对大规模旋转立体栽培系统的驱动装置进行集中控制，能实现栽培槽上下运动速度的自动无级调节，节约管理成本，实现了智能化规模生产；
3，本发明可实现“卡链无损伤”，即出现卡链等故障时能有效控制机构不被损伤，降低维修成本；
4，本发明可有效降低规模生产的环境噪音，改善生产作业环境；
5，本发明的驱动水可以循环利用，节约资源，降低生产成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一种优选实施方式中旋转式立体栽培系统的系统原理示意图；
图2是本发明一种优选实施方式中旋转式立体栽培系统的结构示意图；
图3是本发明一种优选实施方式中旋转式立体栽培系统的控制方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种旋转式立体栽培系统，如图1、图2所示，该系统包括：机架4，以及固定于机架上的驱动装置、减速装置3、主传动轮12、从传动轮组，驱动装置与减速装置3通过第一传动机构6连接，减速装置3与主传动轮12通过第二传动机构15连接，主传动轮12与从传动轮组通过主传动机构10连接，主传动机构10上设置有若干栽培槽11，驱动装置包括驱动箱体1和设置于驱动箱体1内的驱动叶轮2，驱动箱体1上设置有入水口13和出水口14。
在本实施方式中，压力水从驱动箱体1上的入水口13进入驱动箱体1，推动驱动叶轮2转动，驱动叶轮2的转动依次通过第一传动机构6、减速装置3、第二转动机构5、主传动轮12带动主传动机构10和从传动轮组转动，从而带动栽培槽11上下循环移动。
在本实施方式中，该系统还包括驱动泵15，驱动泵15的入水端通过管路与驱动水池相连，驱动水泵15的出水端通过管路与驱动箱体1的入水口13相连。通过驱动泵，可以增大驱动水流量，从而加大对驱动叶轮的驱动力。
在本实施方式中，该系统还包括设置于入水口13和驱动泵15之间的用于控制驱动装置启停以及控制驱动装置驱动水流量的控制阀组，控制阀组包括电动蝶阀7和电磁阀8。通过控制电动蝶阀7的开度控制驱动叶轮2的转速，通过控制电磁阀8的启闭控制驱动叶轮2的启停。
在本实施方式中，控制阀组还包括手动球阀9，手动球阀9、电动蝶阀7、电磁阀8依次连接。通过手动球阀9，便于系统维修时断开驱动水源。
在本实施方式中，该系统还包括控制器(图中未示出)，控制器的控制信号输出端分别与驱动泵15、电动蝶阀7、电磁阀8的控制信号输入端相连。通过控制器，控制栽培系统中栽培槽按照需求速度上下循环运动。
具体地，在本实施方式中，减速装置3为蜗轮蜗杆减速机。通过蜗轮蜗杆减速机可以获得较大的传动比，且其承载能力强，传动平稳，噪音小，具有自锁性。
具体地，在本实施方式中，第一传动机构6、第二传动机构5、主传动机构10均为传动链。链传动无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高，传递功率大，过载能力强，对工作环境的适应性强。
如图2所示，在本实施方式中，还包括安装在机架4上的链条导轨17，主传动机构10的传动链设置于链条导轨17内。通过链条导轨17，支撑及导向传动链，防止传动链在输送过程中链条脱落及卡齿。
在本实施方式中，从传动轮组包括固定于机架4上的三个从传动轮16，主传动轮12和从传动轮16的两个轴端均嵌套有滚动轴承，滚动轴承内嵌于固定在机架上的轴承座内。通过在主传动轮12和从传动轮16内设置滚动轴承，可以保证系统传动的顺畅和平稳。
本发明通过对驱动水流量的柔性调节控制，实现了栽培槽上下运动速度的无级调节，从而根据作物在不同生长阶段对阳光的需求量、光照强度等因素对旋转栽培系统栽培槽的上下运动速度进行自由调节，使得栽培系统中所有作物均匀接收阳光照射，提高作物产量。利用水驱动立体栽培系统的旋转，绿色环保，节约成本，噪音小，转速可随意调节，高效安全。
本发明提供了一种旋转式立体栽培系统的控制方法，如图3所示，该控制方法包括如下步骤：
s1、根据影响植物生长的第一综合因素计算栽培槽上下循环移动的速度范围；
在本实施方式中，第一综合因素包括光照强度、光照时长和植物现阶段对光的需求量；
具体计算过程如下：
(一)以满足栽培槽光照均匀为参考确定栽培槽的移动速度
光照时长t——h
每个栽培单元栽培槽数量n——个
栽培槽上下移动速度v1——m/h
栽培槽间距b——m
栽培槽上下循环一次需要的时间：t1＝nb/v
在光照时长t时间内太阳光入射角是不断变化的，栽培架阳面植物接受光能的量也会随之变化，为便于分析，将光照时长t时间平均分为12个时间段，并且假设在每个时间段内光能是恒定的。因此，如果要保证栽培架上植物接收的光能均匀一致，则必须保证在每个时间段内栽培架上的栽培槽应上下循环一次。即栽培槽栽培槽上下循环一次需要的时间t1＝t/12
所以
(二)以满足植物光照需求量为参考确定栽培槽的移动速度
光辐射强度i——mol/m2·s
光能需求量qi——mol/m2
阳光有效照射距离l——m
栽培槽上下移动速度v2——m/h
因栽培架相互遮挡，栽培槽能正常接收阳光照射的距离范围为l(m)，设栽培槽经过该段阳光照射的距离所需时间是t0，则在栽培槽经过该段距离时光能累积量即为旋转栽培架每上下循环一次的光能累积量：q0＝it0。
植物的光合作用对光强的响应表现为在一定的光强范围内随着光强的增加光合速率相应提高，当达到一定的光强时(光补偿点)叶片的光合速率等于呼吸速率；在低光强区，光合速率随光强呈直线增加，随着光强的进一步增加，光合速率上升幅度变小，当达到某个光强(光饱和点)时，光合速率不增加；超过光饱和点后，若光强再高光合速率会下降，发生光抑制现象。因此设定每个栽培槽在光照时长t时间内的光能累积量为q1等于其光能需求量qi。由上述(一)可知在光照时长t时间内栽培架上下运动循环12次，则每个栽培槽在t时间内光能总量q1＝12q0＝12×i×t0＝qi。则
当光照时长t、光强i、植物光需求量qi、阳光有效照射距离l以及栽培槽循环一次所经过的距离确定的情况下，既要满足栽培槽的植物接收阳光照射的均匀一致，又要满足每个栽培槽植物的光能需求量，由上述计算得知栽培槽的移动速度应在v1—v2的范围。
s2、根据第二综合因素计算出所需驱动水流量q1；
在本实施方式中，第二综合因素包括驱动管道的出口直径、栽培系统中主传动机构上现阶段总的负荷量、传动系统总的传动比和总机械效率；
具体计算过程如下：
栽培系统负荷量为p(kg)，传动系统总传动比为i，系统总机械效率为η；
驱动管道的出口直径为d(mm)，出口水流速度v1(m/s)，所需驱动水流量q1(kg/s)；
叶轮受到水的连续冲击力为f(kg)，驱动叶轮需要的力为f0(kg)。
驱动管道横截面积a＝πd2/4(mm2)
在δt时间内流过驱动管道出口水的质量：δm＝ρav1δt
根据动量定理：fδt＝δmv1f＝δmv1/δt＝ρav12；
f0＝(p/i)/η即为最小驱动力
当f≥f0时，水车将被驱动旋转，从而通过传动机构带动栽培槽上下移动。
所以当(p/i)/η＝ρav12，则
又q1＝v1a
则所需驱动水流量
s3、根据第三综合因素计算出驱动管道的出口流量；
在本实施方式中，第三综合因素包括驱动泵流量参数、驱动泵扬程参数、驱动管道的直径、驱动管道的水头损失以及驱动管道的出口直径；
具体计算过程如下：
(一)管道水头损失计算，应包括沿程水头损失和局部水头损失：
1、沿程水头损失，按下式计算：
h1＝il
式中：h1——沿程水头损失，m；
l——计算管段的长度，m
i——单位管长水头损失，m/m
upvc、pe等塑料管的单位管长水头损失，按下式计算：
i＝0.000915q1.774/d4.774
式中q——管段流量，m3/s；
d——管道内径，m。
2、输水管和配水管网的局部水头损失，可按其沿程水头损失的5％—10％计算。即h2＝h1×(5—10)％，取最大值即h2＝h1×10％
则管道水头损失
h＝h1+h2＝1.1h1＝1.1×0.000915q1.774/d4.774
＝0.0010065q1.774/d4.774
(二)确定驱动管道出口流量q
驱动泵流量q0、驱动泵扬程h0、驱动管道的直径d,驱动管为pe管，驱动管道长度为l，管道比阻s＝0.001736/d5.3，
驱动管入口与出口的水头差h＝p/(ρg)
其中：p为驱动管道出入口两端的压力差
即p＝h0-h＝h0-0.0010065q1.774/d4.774(m)
ρ为水的密度(吨/m3)
g为重力加速度(m/s2)
则h＝(h0-0.0010065q1.774/d4.774)/(ρg)
驱动管出口流量
s4、比较所需驱动水流量与驱动管道的出口流量，按百分比确定电动蝶阀的开度；
具体计算过程如下：
电动阀的开度是通过电机对碟片旋转一定的角度实现的，其开度用电动阀实际过流截面积占电动阀最大过流截面积的百分比表示。其值按下式计算：
k——电动阀开度(％)；
sd——蝶阀的过流截面积；
α——为碟片旋转角度(0°—90°)。
驱动所需水量等于驱动管道出口流量乘以电动阀的开度，即
q1＝kq
则
碟片旋转角度
s5、根据电动蝶阀的开度大小设计控制器程序，规定电动蝶阀的输入电信号大小；
具体地，在本实施方式中所用电动蝶阀具有碟片开度调节功能，接收自动控制系统的4—20ma电信号来精确控制阀门开度。由调节型电动执行机构和阀杆连接，以电能作为驱动力来驱动蝶阀碟片，作0—90°回转运动。从而达到流量的调节和控制。
s6、控制器发出电动蝶阀开启指令，当电动蝶阀接收到相应的输入电信号时，电动蝶阀的碟片开启至设定开度；
具体地，控制器发出电动蝶阀开启指令，当电动蝶阀接收到相应电信号时，电动蝶阀的蝶阀电机启动，电动蝶阀的碟片开启，其开度达到设定开度时，电动蝶阀的蝶阀电机停止转动。
s7、当电动蝶阀的开度达到设定开度时，通过控制驱动装置的转速从而控制栽培槽按照需要的移动速度上下循环移动。
具体地，当电动蝶阀的开度达到设定开度时，驱动管道的出口水量刚好与所需驱动水流量相等，通过驱动装置、第一传动机构和减速装置传动减速，主传动机构、栽培槽的上下循环移动速度则为需要的移动速度。
在本发明提供的旋转式立体栽培系统的控制方法中，旋转栽培系统的栽培槽上下运动的速度通过驱动水流量调节阀组对水量的柔性调节控制，实现了栽培槽上下运动速度的无级调节，从而根据作物在不同生长阶段对阳光的需求量、光照强度等因素对旋转栽培系统栽培槽的上下运动速度进行自由调节，使得栽培系统中所有作物均匀接收阳光照射，提高作物产量。
需要说明的是，本发明图1-图3中所示的系统结构或方法流程只是本发明的一些优选实施方式，在此示出只是便于理解本发明而不能理解为对本发明的限制，在本发明的思想指导下，根据本发明的技术方案实施得出的结构或方法均在本发明的保护范围之内，在此不作赘述。
另外，虽然本发明以作物栽培为例进行了说明，但是在农业领域或者其他需要阳光均匀照射和光能作用的场合下使用本技术方案仍在本发明的保护范围之内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。