一种集装箱植物工厂立体栽培装置及其光环境调控方法与流程

本发明属于植物立体栽培技术领域，特别涉及一种集装箱植物工厂立体栽培装置及其光环境调控方法。

背景技术：

为了高效利用植物工厂空间，提高植物产量，植物工厂中多采用立体栽培模式，单位面积产值可提高2-3倍。立体栽培种植模式多适用于矮秧类作物，以叶用莴苣为例，生长周期可分为，发芽期、幼苗期、发棵期及产品器官形成期。从各个时期所需要的光照强度来说，苗期光照强度略低，在60-200μmol/(m²·s)，随后逐渐增大，最高可至100-200μmol/(m²·s)。

因此，光环境是影响立体栽培产量和品质的重要环境因子，光照不足或者过量，都会导致作物减产甚至死亡。在立体栽培中，植物光照受到栽培架的限制，在传统补光模式下，不同层的栽培架的光照分布不均，严重制约了作物的品质及产量。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种集装箱植物工厂立体栽培装置，其设有可升降的植物栽培板，并且在每层植物栽培板的上方对应设有多组可调节角度的补光灯；能够通过调节补光灯的角度，以及调节植物栽培板的高度来改变植物受到的光照强度。

本发明的目的之二是提供一种集装箱植物工厂立体栽培装置的光环境调控方法，在根据垄数将补光灯安装杆和补光灯分别调节至合适角度后，再通过调节每层植物栽培板的高度，改变植物和补光灯之间的距离，使植物受到的光照强度达到其生长所需的光照强度，并且保证光照均匀。

本发明还通过对植物栽培板升降速度进行控制，使植物栽培板升降过程更加平稳，避免光强度调节过程中对植物生长不良产生影响。

本发明提供的技术方案为：

一种集装箱植物工厂立体栽培装置，包括：

多个栽培架，其平行设置在集装箱内；

其中，所述栽培架包括多个立柱、多个植物栽培板和多个升降机构；

多个立柱，其竖直固定设置在集装箱内；

多个植物栽培板，其水平设置，并沿竖直方向分层设置在所述多个立柱之间；

升降机构，其连接在所述立柱和所述植物栽培板之间，用于驱动所述植物栽培板在竖直方向移动；

多组补光灯，其沿所述植物栽培板的长度方向阵列式设置在所述植物栽培板的上方；

其中，每组所述补光灯包括两个沿所述植物栽培板的宽度方向对称设置补光灯，并且所述补光灯能够沿所述植物栽培板的宽度方向转动。

优选的是，所述升降机构包括：

两组链轮链条传动机构，其分别对称设置在所述植物栽培板的两侧；

其中，所述链轮链条传动机构包括：

第一传动链轮，其固定安装在靠近所述植物栽培板一端的立柱上；

第二传动链轮，其固定安装在靠近所述植物栽培板另一端的立柱上；

其中，所述第二传动链轮与所述第一传动链轮的安装高度相同；

第三传动链轮，其与所述第二传动链轮安装在同一立柱上，并且安装在所述第二传动链轮上方；

链条，其与所述第一传动链轮、所述第二传动链轮及所述第三传动链轮啮合传动，并且两端分别连接在所述植物栽培板的两端；

液压举升缸，其竖直设置，所述液压举升缸的一端通过支架固定连接在安装第一传动链轮的立柱上，另一端与所述植物栽培板固定连接；

其中，所述液压举升缸伸长或缩短时，与两组链轮链条传动机构配合带动所述植物板上升或下降。

优选的是，每个植物栽培架上设有两层植物栽培板；并且在所述立柱的顶部固定安装有补光灯安装板；

其中，上层植物栽培板对应的补光灯通过安装杆安装在补光灯安装板上；下层植物栽培板对应的补光灯通过安装杆安装在上层植物栽培板的下表面上；并且所述安装杆能够沿所述植物栽培板的宽度方向转动，所述补光灯能够相对于所述安装杆沿所述植物栽培板的宽度方向转动。

优选的是，集装箱植物工厂立体栽培装置还包括：

多个第一光强传感器，其通过支架安装在上层植物栽培板上，用于测量照射到上层植物栽培架上的植物的光照强度；

多个第二光强传感器，其通过支架安装在下层植物栽培架上，用于测量照射到下层植物栽培架上的植物的光照强度；

微控制器，其接收所述第一光强传感器和所述第二光照传感器采集的光照强度信息，并控制上层植物栽培板的升降机构及下层植物栽培板的升降机构。

优选的是，所述集装箱植物工厂立体栽培装置还包括第一节流阀，其安装在液压举升缸的进油管路上，用于调节进油管路的流量；以及

第二节流阀，其安装在液压举升缸的泄油管路上，用于调节泄油管路的流量。

一种集装箱植物工厂立体栽培装置的光环境调控方法，使用所述的集装箱植物工厂立体栽培装置，包括如下步骤：

步骤一、根据每层植物栽培板上的植物垄数，调节其对应的补光灯的安装杆的角度及补光灯的角度；

步骤二、根据上层植物栽培板上的植物需要的光照强度、上层植物栽培板上的植物受到的光照强度、下层植物栽培板上的植物需要的光照强度以及下层植物栽培板上的植物受到的光照强度，调节上层植物栽培板的高度及下层植物栽培板的高度；使植物受到的光照强度达到其生长所需的光照强度。

优选的是，在所述步骤一中，

当植物栽培板上的植物为单垄时，调节所述安装杆与水平面之间呈45度夹角；调节所述补光灯的角度，使其轴线处于竖直方向；

当植物栽培板上的植物为双垄时，调节所述安装杆与水平面之间呈60度夹角，调节所述补光灯的角度，使补光灯与其安装杆呈同轴；

当植物栽培板上的植物为三垄时，调节所述安装杆与水平面之间呈30度夹角；调节所述补光灯的角度，使补光灯的轴线与其安装杆垂直；并且保证所述补光灯的光照方向均朝向植物栽培板的内侧。

优选的是，在所述步骤二中，采用bp神经网络对所述上层植物栽培板的高度及下层植物栽培板的高度进行调解，包括如下步骤：

步骤1、按照采样周期，获取上层植物栽培板上的植物需要的光照强度i1、上层植物栽培板上的植物受到的光照强度i1′，下层植物栽培板上的植物需要的光照强度i2、下层植物栽培板上的植物受到的光照强度i2′；

步骤2、依次将获取的参数进行规格化，确定三层bp神经网络的输入层向量x＝{x1,x2,x3,x4}；其中，x1为上层植物栽培板上的植物需要的光照强度系数、x2为上层植物栽培板上的植物受到的光照强度系数、x3为下层植物栽培板上的植物需要的光照强度系数、x4为下层植物栽培板上的植物受到的光照强度系数；

步骤3、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y1,y2,…,ym}；m为中间层节点个数；

步骤4、得到输出层向量o＝{o1,o2}；o1为上层植物栽培板的高度调节系数、o2为下层植物栽培板的高度调节系数；

步骤5、控制上层植物栽培板的高度和下层植物栽培板的高度，使：

其中，和分别为第i次采样周期输出层向量参数，hf_max和hs_max分别为设定的上层植物栽培板的最大高度和下层植物栽培板的最大高度。

优选的是，在所述植物栽培板移动过程中，对其移动速度进行控制，使其移动速度为：

其中，v0为设定的经验速度，l为植物栽培板的长度，l0设定的植物栽培板的标准长度，n为植物栽培板上的植物垄数，w为植物栽培板的宽度，w0设定的植物栽培板的标准宽度，e为自然对数的底数。

优选的是，所述补光灯采用红蓝光led灯。

本发明的有益效果是：

本发明提供的集装箱植物工厂立体栽培装置，设有可升降的植物栽培板，并且在每层植物栽培板的上方对应设有多组可调节角度的补光灯；能够通过调节补光灯的角度，以及调节植物栽培板的高度来改变植物受到的光照强度。

本发明提供的集装箱植物工厂立体栽培装置的光环境调控方法，在根据垄数将补光灯安装杆和补光灯分别调节至合适角度后，再通过调节每层植物栽培板的高度，改变植物和补光灯之间的距离，使植物受到的光照强度达到其生长所需的光照强度，并且保证光照均匀。

本发明还通过对植物栽培板升降速度进行控制，使植物栽培板升降过程更加平稳，避免光强度调节过程中对植物生长不良产生影响。

附图说明

图1为本发明所述的集装箱植物工厂立体栽培装置总体结构示意图。

图2为本发明所述的集装箱植物工厂立体栽培装置的主视图。

图3为本发明所述的升降机构示意图。

图4为本发明所述的单垄补光模式示意图。

图5为本发明所述的双垄补光模式示意图。

图6为本发明所述的三垄补光模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供了一种集装箱植物工厂立体栽培装置，其包括全封闭无日光的集装箱100、多个栽培架110及多个全局补光灯120。每个栽培架110沿集装箱100的长度方向安装，多个栽培架110沿集装箱的宽度方向平行布置在集装箱内；多个全局补光灯120安装在集装箱100的顶部，全局补光灯120可根据集装箱100的大小调节至合适角度，使全局补光灯120的灯光能够覆盖到集装箱100内的所有区域。

栽培架110包括多个立柱111、多层植物栽培板112及多个升降机构。其中，立柱111沿竖直方向固定安装在集装箱100内，每层植物栽培板112水平设置，多层植物栽培112板沿竖直方向设置在所述多个立柱之间；每层植物栽培板112与立柱之间均设有一个升降机构，用于驱动植物栽培板112在竖直方向上升或下降。在每层植物栽培板112的上方、分别沿植物栽培板112的长度方向阵列式设置多组补光灯140。

每组所述补光灯140包括两个沿所述植物栽培板的宽度方向对称设置补光灯141a和141b，补光灯141a和141b分别通过安装杆142a和142b安装在所述植物栽培板112的上方；其中，安装杆142a和142b能够沿所述植物栽培板112的宽度方向转动，补光灯141a和141b能够分别相对安装杆142a和142b沿所述植物栽培板的宽度方向转动。通过使用安装杆和补光灯配合转动，能够使补光灯调节范围更大，并且调节更加灵活。安装杆和栽培板之间以及安装杆和补光灯之间通过常见的转动结构连接即可，调节过程可以采用手动调节。

如图2所示，在本实施例中，每个栽培架110分别包括四个立柱111及两层植物栽培板112，四个立柱111按矩形分别固定在集装箱。并且在立柱111的顶部固定安装有补光灯安装板150；其中，上层植物栽培板对应的补光灯安装在补光灯安装板150的下表面上；下层植物栽培板对应的补光灯安装在上层植物栽培板的下表面上。

如图3所示，升降机构包括两组链轮链条传动机构，其分别对称设置在所述植物栽培板112的左右两侧。其中，所述链轮链条传动机构包括：第一传动链轮131，其固定安装在靠近植物栽培板112一端的立柱上；第二传动链轮132，其固定安装在靠近植物栽培板112另一端的立柱上；其中，第二传动链轮132与所述第一传动链轮131的安装高度相同；第三传动链轮133，其与所述第二传动链轮132安装在同一立柱上，并且安装在第二传动链轮132的上方。链条134，其与第一传动链轮131、第二传动链轮132及第三传动链轮133啮合传动，并且两端分别连接在所述植物栽培板112的两端。液压举升缸135，其竖直设置，液压举升缸135的一端通过支架136固定连接在安装第一传动链轮131的立柱111上，另一端与所述植物栽培板112固定连接。

其中，液压举升缸132由液压泵系统(图中未示出)驱动，液压泵通过伺服电机的驱动对液压举升缸132进行举升或排油动作，进而实现植物栽培板112的上升或下降。具体过程为，液压举升缸132缸伸长时，推动植物栽培板112的一端上升，从而拉动链条134向第一传动链轮131方向移动，第二传动链轮132及第三传动链轮133一侧的链条缩短，从而拉动植物栽培板112的另一端上升。通过三个传动链轮改变传动方向，进而实现链条拉动植物栽培板上升，完成栽培架平稳举升动作。当需要植物栽培板降低时，液压举升缸132液压油通过泄油管路依靠植物栽培板自身重量输送回储油罐，链条反向移动。

集装箱植物工厂立体栽培装置还包括：多个第一光强传感器(图中未示出)，其通过支架分散式安装在上层的植物栽培板112上，用于测量照射到上层植物栽培架上的植物的光照强度；多个第二光强传感器(图中未示出)，其通过支架分散式安装在下层植物栽培架上，用于测量照射到下层植物栽培架上的植物的光照强度。微控制器，其接收多个第一光强传感器和多个第二光照传感器采集的光照强度信息，并控制上层植物栽培板的升降机构及下层植物栽培板的升降机构上升或下降，使每层植物受到的光照强度达到设定值(植物该阶段生长所需光强)。

集装箱植物工厂立体栽培装置还包括第一节流阀(图中未示出)，其安装在液压举升缸的进油管路上，用于调节进油管路的流量；以及第二节流阀(图中未示出)，其安装在液压举升缸的泄油管路上，用于调节泄油管路的流量，用于调节液压举升缸伸长或缩短的速度。

本发明还提供了一种集装箱植物工厂立体栽培装置的光环境调控方法，使用所述的集装箱植物工厂立体栽培装置，包括如下步骤：

步骤一、根据每层植物栽培板上的植物垄数，调节其对应的补光灯的安装杆的角度及补光灯的角度。

根据实际栽培经验，每层植物栽培板上的植物垄数为：单垄、双垄或三垄。如图4-6所示，具体调节过程为：如图4所示，当植物栽培板上的植物为单垄时，调节所述安装杆与水平面之间呈45度夹角；调节所述补光灯的角度，使其轴线处于竖直方向；如图5所示，当植物栽培板上的植物为双垄时，调节所述安装杆与水平面之间呈60度夹角，调节所述补光灯的角度，使补光灯与其安装杆呈同轴；如图6所示，当植物栽培板上的植物为三垄时，调节所述安装杆与水平面之间呈30度夹角；调节所述补光灯的角度，使补光灯的轴线与其安装杆垂直；并且保证所述补光灯的光照方向均朝向植物栽培板的内侧。

步骤二、根据上层植物栽培板上的植物需要的光照强度、上层植物栽培板上的植物受到的光照强度、下层植物栽培板上的植物需要的光照强度以及下层植物栽培板上的植物受到的光照强度，调节上层植物栽培板的高度及下层植物栽培板的高度；使每层植物受到的光照强度达到其生长所需的光照强度。

作为优选，在所述步骤二中，控制器将所有的第一光强传感器采集到的光强取平均值作为上层植物栽培板上的植物受到的光照强度i1′，将所有的第二光强传感器采集到的光强取平均值作为下层植物栽培板上的植物受到的光照强度i2′。按照采样周期，获取上层植物栽培板上的植物需要的光照强度i1、上层植物栽培板上的植物受到的光照强度i1′，下层植物栽培板上的植物需要的光照强度i2、下层植物栽培板上的植物受到的光照强度i2′(其中，i1和i2为根据植物生长阶段，预先输入到控制器中)；并且采用bp神经网络对所述上层植物栽培板的高度及下层植物栽培板的高度进行调解，使调节效率更高，调节的高度更为准确。具体包括如下步骤：

步骤1、建立bp神经网络模型。

本发明采用的bp网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个信号，这些信号参数由数据预处理模块给出。第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x1,x2,...,xn)^t

中间层向量：y＝(y1,y2,...,ym)^t

输出向量：o＝(o1,o2,...,op)^t

本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为p＝2。隐藏层节点数m由下式估算得出：

按照采样周期，bp神经网络输入的4个参数为：x1为上层植物栽培板上的植物需要的光照强度系数、x2为上层植物栽培板上的植物受到的光照强度系数、x3为下层植物栽培板上的植物需要的光照强度系数、x4为下层植物栽培板上的植物受到的光照强度系数；

在数据输入人工神经网络之前，需要将获取的数据规格化为0-1之间的数。

具体而言，对于上层植物栽培板上的植物需要的光照强度i1，进行规格化后，得到上层植物栽培板上的植物需要的光照强度系数x1，

其中，i1_min和i1_max分别为上层植物栽培板上的植物需要的最小光强和最大光强。

对于上层植物栽培板上的植物受到的光照强度i1′，进行规格化后，得到上层植物栽培板上的植物受到的光照强度系数x2；

其中，i′1_min和i′1_max分别为上层植物栽培板上的植物受到的最小光强和最大光强。

对于下层植物栽培板上的植物需要的光照强度i2，进行规格化后，得到下层植物栽培板上的植物需要的光照强度系数x3；

其中，i2_min和i2_max分别为下层植物栽培板上的植物需要的最小光强和最大光强。

对于下层植物栽培板上的植物受到的光照强度i2′，进行规格化后，得到下层植物栽培板上的植物受到的光照强度系数x4；

其中，i′2_min和i′2_max分别为下层植物栽培板上的植物受到的最小光强和最大光强。

输出信号的2个参数分别表示为：o1为上层植物栽培板的高度调节系数、o2为下层植物栽培板的高度调节系数；

上层植物栽培板的高度调节系数o1表示下一个采样周期中上层植物栽培板的高度与设定的上层植物栽培板的最大高度之比。即在第i个采样周期中，采集到上层植物栽培板的高度为hfi，通过bp神经网络输出第i个采样周期的上层植物栽培板的高度调节系数后，控制第i+1个采样周期中上层植物栽培板的高度为hf(i+1)，使其满足：

下层植物栽培板的高度调节系数o2表示下一个采样周期中下层植物栽培板的高度与设定的下层植物栽培板的最大高度之比。即在第i个采样周期中，采集到的下层植物栽培板的高度为hsi，通过bp神经网络输出第i个采样周期的下层植物栽培板的高度调节系数后，控制第i+1个采样周期中下层植物栽培板的高度hs(i+1)，使其满足：

步骤2、进行bp神经网络的训练。

建立好bp神经网络节点模型后，即可进行bp神经网络的训练。根据产品的历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值wij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值wjk，隐层节点j的阈值θj，输出层节点k的阈值θk、wij、wjk、θj、θk均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正wij和wjk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤3、采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数。

训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，控制上层植物栽培板的初始高度为hf0＝0.67hf_max，下层植物栽培板的初始高度为hs0＝0.8hs_max。

同时，通过传感器获取初始获取上层植物栽培板上的植物需要的光照强度i1、上层植物栽培板上的植物受到的光照强度i1′，下层植物栽培板上的植物需要的光照强度i2、下层植物栽培板上的植物受到的光照强度i2′，通过将上述参数规格化，得到bp神经网络的初始输入向量通过bp神经网络的运算得到初始输出向量

步骤4、得到初始输出向量后，即可调节上层植物栽培板和下层植物栽培板的高度分别为：

传感器获取第i个采样周期中的上层植物栽培板上的植物需要的光照强度i1、上层植物栽培板上的植物受到的光照强度i1′，下层植物栽培板上的植物需要的光照强度i2、下层植物栽培板上的植物受到的光照强度i2′，通过进行规格化得到第i个采样周期的输入向量xⁱ＝(x1ⁱ,x2ⁱ,x3ⁱ,x4ⁱ)，通过bp神经网络的运算得到第i个采样周期的输出向量然后控制上层植物栽培板和下层植物栽培板的高度分别为：

通过上述设置，在调节上层植物栽培板和下层植物栽培板的高度，使上层植物栽培板上的植物和下层植物栽培板上的植物均达到最佳光照状态，从而提高植物的产量。

在另一实施例中，还包括在所述植物栽培板移动过程中，通过调节第一节流阀和第二节流阀对液压举升缸的举升或下降速度进行控制，从而实现对植物栽培板的移动速度进行控制，使其移动速度为：

其中，v0为设定的经验速度，v0＝5～6m/min；l为植物栽培板的长度，l0设定的植物栽培板的标准长度，n为植物栽培板上的植物垄数，w为植物栽培板的宽度，w0设定的植物栽培板的标准宽度，e为自然对数的底数。

通过对植物栽培板升降速度进行控制，使植物栽培板升降过程更加平稳，从而避免光强度调节过程中移动速度过快对植物生长不良产生影响。

在另一是实施例中，还包括补光灯采用红蓝光led灯；led灯光质纯净，能耗低，寿命长，能够有效促进植物生长。并且根据植物生长周期需要的光照时间，控制补光灯的开启或关闭。

本发明通过对立体植物栽培装置中的光环境进行控制，能够改善传统补光模式补光不均匀的问题，改善作物生长环境，促进作物生长，提高作物产量。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。