一种圆柱根盒的栽培架及表型采集方法与流程

本发明涉及作物培养设备领域，具体而言涉及一种圆柱根盒的栽培架及表型采集方法。

背景技术：

为了培育优良的作物品种，需要在作物的生长过程中连续跟踪监测其因器官生长而导致的表型特征和生理参数的变化状况。

目前，传统的人工气候室具备了培育作物的功能，而对作物表型的监测测量则需要研究人员依靠人工观察和手工测量进行描述，由此根据作物生长的外部特征，得到基因型、环境因素和作物表型之间的关系。

由于现有技术下，此项工作往往依赖于人工手动检测的方式，因此由于人力有限，往往存在测量样本数量小的局限。小样本植物的个别性状，会导致研究数据量有限，手动测量的方式效率低，难以开展植物多种性状的综合分析，且容易引入人为因素，极易导致测量数据偏差。

随着植物基因组学研究和分子育种的快速发展，目前急需一种高通量、高精度和低成本的表型分析装置来满足获取与植物生长、产量、品质和对生物、非生物胁迫的耐受性等相关表型研究所需数据的需求。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种圆柱根盒的栽培架及表型采集方法，本发明通过在栽培架上顶部集成轨道和吊装在轨道上的表型采集子系统，能够直接精准且实时地检测作物生长过程中的表型数据，实现高通量的作物表型获取与分析。本发明具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种圆柱根盒的栽培架，其包括

栽培架本体，用于固定圆柱根盒；

轨道支撑架，其包括垂直支架，以及水平架设在垂直支架顶端的水平横梁；其中，所述垂直支架包括相互平行的四根，四根垂直支架分别垂直固定连接在所述栽培架本体顶部的四角；所述水平横梁包括相互平行的两根，每一根水平横梁分别在其底侧的中部分别开设有安装孔，各所述垂直支架的顶端分别插接进入各所述安装孔支撑并固定所述水平横梁；

轨道，其设置为封闭结构，所述封闭结构的内侧分别在相对的两边设置有供所述水平横梁的水平两端嵌入的安装部，所述轨道通过安装部连接所述轨道支撑架，由所述轨道支撑架支撑而固定地架设于所述栽培架本体的顶部之上，所述轨道突出于栽培架本体的四周外缘；

表型采集子系统，其上端悬吊在所述轨道的下方，能够被驱动沿所述轨道围绕栽培架本体的四周平移，其中部设置有伸缩装置，所述伸缩装置的底端连接有采集平台，所述采集平台随同所述伸缩装置同步的绕所述栽培架本体的四周外缘平移，并随同伸缩装置向下伸长或向上收缩而采集栽培架本体上所固定的各圆柱根盒内作物的表型数据。

可选的，上述任一所述的圆柱根盒的栽培架，其中，所述轨道为封闭为椭圆状的凹形轨道，所述凹形轨道包括椭圆内圈、椭圆外圈以及连接在椭圆内圈、椭圆外圈顶端的连接部，所述椭圆内圈、椭圆外圈的下底端分别设置有向连接部中心收缩的悬吊部。

可选的，上述任一所述的圆柱根盒的栽培架，其中，所述表型采集子系统，其上端设置有轨道轮，所述轨道轮的中间设置有连杆，轨道轮的下表面抵接在所述轨道内侧下方悬吊部的上端面上，所述连接杆由所述椭圆内圈、椭圆外圈的悬吊部之间的间隙向下伸出连接伸缩装置悬吊所述采集平台。

可选的，上述任一所述的圆柱根盒的栽培架，其中，所述连杆的下端与伸缩装置的顶端之间还设置有电机盒，所述电机盒内设置有驱动电机用于驱动所述轨道轮沿轨道运转；所述电机盒内还设置有伸缩驱动部件，其连接所述伸缩装置的顶端驱动所述伸缩装置向下伸长或向上收缩。

可选的，上述任一所述的圆柱根盒的栽培架，其中，各所述圆柱根盒其分别设置为包括有根盒盖、根盒筒、内筒及根盒底座，其中，所述内筒设置在根盒筒内部，根盒筒与内筒的底部由根盒底座固定连接并封闭，根盒筒与内筒之间形成有用于容纳营养液的根系生长空间，根盒盖可拆卸的设置在根盒筒的上端，根盒盖下方设置离子电极，离子电极从根盒盖向下伸入根盒筒与内筒之间的根系生长空间中；所述根盒底座的下表面还设置有向下凸出的圆柱形凸起，所述圆柱形凸起与栽培架本体插接固定；

所述栽培架本体上还设置有营养液供给设备，所述营养液供给设备包括：

连接管道，其包括分别连通至栽培架本体的各层中所设置的各圆柱根盒的支管，以及串联各支管的主管路，主管路沿栽培架本体的各层排列，所述连接管道连通设置在栽培架本体各层的各个根盒；

营养液发生器，其设置在所述栽培架本体底部的一侧，连接所述连接管道的输入端，向主管路以及各支管输送营养液；

营养液回收箱，其设置在所述栽培架本体底部的另一侧，连接所述连接管道的输出端，接收主管路通过各支管所收集的由各圆柱根盒所排出的废液；

消毒过滤装置，其连接在营养液回收箱的输出端和营养液发生器的输入端之间，用于对营养液回收箱所输出的废液进行消毒和过滤，输出清洁的营养液至营养液发生器，对废液中的营养成分进行回收利用。

可选的，上述任一所述的圆柱根盒的栽培架，其中，所述根盒底座的两侧还分别相对设置有向上延伸的凸台，所述凸台的内侧紧密贴合所述根盒筒的外壁表面，各所述凸台上分别设置有连通孔，各所述连通孔分别与连接管道的不同支管连通，所述根盒通过其中一个连通孔接收连接管道的一个支管所输送的营养液，所述根盒通过其中另一个连通孔向连接管道的另一个支管排出作物吸收养分后营养液的废液。

可选的，上述任一所述的圆柱根盒的栽培架，其中，所述采集平台包括两个，两个采集平台的顶部均分别连接有一个伸缩装置，两个所述伸缩装置的顶端均连接至所述电机盒。

可选的，上述任一所述的圆柱根盒的栽培架，其中，各所述采集平台内分别装载相应的传感设备，所述传感设备包括但不限于可见光传感器、多光谱传感器、高光谱传感器、热成像传感器、激光雷达传感器、深度相机中的任一种或其组合

可选的，上述任一所述的圆柱根盒的栽培架，其中，还包括万向轮，所述万向轮安装在栽培架本体的底端。

同时，本发明还提供一种圆柱根盒的栽培架的表型采集方法，用于如上任一所述的圆柱根盒的栽培架，该圆柱根盒的栽培架中，各圆柱根盒分别插接固定在栽培架本体上的各层中，每一层中的各个根盒至少有一侧直接正对栽培架本体的外缘，所述表型采集方法包括如下步骤：

第一步，根据表型采集需要在采集平台内装载相应的传感设备，包括可见光传感器、多光谱传感器、高光谱传感器、热成像传感器、激光雷达传感器、深度相机中的任一种或其组合；

第二步，驱动表型采集子系统上端所设置的轨道轮运转，使所述轨道轮沿轨道内侧下方悬吊部的上端面转动，带动由所述悬吊部之间的间隙向下伸出的连接杆以及连接杆下端所连接的伸缩装置和采集平台沿轨道平移；

第三步，根据表型采集所对应的圆柱根盒所在位置，驱动伸缩装置向下伸长或向上收缩而带动所述驱动伸缩装置底端所连接的采集平台移动至栽培架本体上的各层，所述采集平台内所装载的传感设备相应的采集栽培架本体上所固定的各圆柱根盒内作物的表型数据。

有益效果

本发明所提供的圆柱根盒的栽培架及表型采集方法，其通过在栽培架本体上方设置轨道支撑架，通过轨道支撑架支撑固定突出于栽培架本体四周外缘的轨道，通过该轨道，在轨道的下方悬吊相应的表型采集子系统，实现对整个栽培架本体上所设置的各个圆柱根盒内所容纳的作物的表型数据的扫描与分析。本发明通过栽培架上集成的高通量表型采集子系统，解决了现有气候室气候培育环境中存在的不能直接开展精确、自动获取分析作物表型的问题。

本发明进一步的，本发明还将采集根盒表型数据的采集平台设置为相互独立的两个，两个平台分别由各自顶端所连接的伸缩装置带动在栽培架本体外部上下独立移动。由此，本发明能够通过不同的传感设备分别独立获取表型相关传感数据进行作物表型的综合分析。

本发明的根盒其设置为圆柱形式，能够360°展现作物根系表型，方便对作物表型进行多角度的扫描。其内部设置为两层，其外部连接有连接管道提供营养液循环。该圆柱根盒能够通过两层结构之间的电极检测根盒内作物的营养供给状况，通过在圆柱根盒内侧套设一层顶部为锥形、下部为圆柱形的结构的内筒，将作物放置在锥形顶端，其还能够使得作物的根系沿圆锥表面分布，方便对作物根系的观测。同时套筒结构可减少圆柱根盒内部空间，降低营养液的使用量。圆筒为根系生长提供空间，圆柱根盒外侧圆环用来放置多种离子选择电极，方便对不同营养液参数的采集。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的圆柱根盒的栽培架的整体结构示意图；

图2是本发明的圆柱根盒的栽培架顶部轨道结构的俯视图；

图3是本发明的圆柱根盒的栽培架上表型采集子系统的示意图；

图4是本发明中所采用的圆柱根盒的示意图；

图5是本发明的圆柱根盒的栽培架上部的侧视图；

图6是本发明栽培架中电机盒内部结构的示意图。

图中，1-营养液供给设备、11-根盒盖、12-内筒、13-根盒底座、14-凸台、2-圆柱根盒、21连接管道、3-轨道、31-椭圆内圈、32-椭圆外圈、33-悬吊部、4-伸缩装置、5-采集平台、6-万向轮、7-轨道轮、71-连杆、8-电机盒、81-固定滑块、82-滑块、83-滑杆、84-伸缩杆连接件、85-连接处、86-电机、9-离子电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于根盒本身而言，由根盒筒的外壁指向根盒内部所容纳的作物根系的方向为内，反之为外；而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本发明中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对圆柱根盒的栽培架时，由脚轮指向根盒中作物的方向即为上，反之向即为下，而非对本发明的装置机构的特定限定。

图1为根据本发明的一种圆柱根盒的栽培架。该圆柱根盒的栽培架，包括：

栽培架本体，其形成本发明中的作物栽培区i，其包括有多层，各层分别固定有若干圆柱根盒2；

轨道支撑架，其包括垂直支架，以及水平架设在垂直支架顶端的水平横梁；其中，所述垂直支架包括相互平行的四根，四根垂直支架分别垂直固定连接在所述栽培架本体顶部的四角；所述水平横梁包括相互平行的两根，每一根水平横梁分别在其底侧的中部分别开设有安装孔，各所述垂直支架的顶端分别插接进入各所述安装孔支撑并固定所述水平横梁；

轨道3，其设置为封闭结构，所述封闭结构的内侧分别在相对的两边设置有供所述水平横梁的水平两端嵌入的安装部，所述轨道通过安装部连接所述轨道支撑架，由所述轨道支撑架支撑而固定地架设于所述栽培架本体的顶部之上，所述轨道3突出于栽培架本体的四周外缘；

表型采集子系统ii，其上端悬吊在所述轨道3的下方，能够被驱动沿所述轨道围绕栽培架本体的四周平移，其中部设置有伸缩装置4，所述伸缩装置4的底端连接有采集平台5，所述采集平台5随同所述伸缩装置4同步的绕所述栽培架本体的四周外缘平移，并随同伸缩装置4向下伸长或向上收缩而采集栽培架本体上所固定的各圆柱根盒2内作物的表型数据。

由此，本发明能够通过在栽培架本体上方设置轨道支撑架，通过轨道支撑架支撑固定突出于栽培架本体四周外缘的轨道，通过该轨道，在轨道的下方悬吊相应的表型采集子系统，实现对整个栽培架本体上所设置的各个圆柱根盒内所容纳的作物的表型数据的扫描与分析。本发明通过栽培架上集成的高通量表型采集子系统，解决了现有气候室气候培育环境中存在的不能直接开展精确、自动获取分析作物表型的问题。

在更为具体的实现方式下，上述的圆柱根盒的栽培架，可进一步地设置其作物栽培区i包括栽培架本体，圆柱根盒，根盒架，根盒支撑架，带泵的营养液箱，喷头，万向车轮。

根盒支撑架通过螺丝钉组装在一起分层安装在栽培架本体上。其中，用于支撑的根盒架可根据作物表型培育获取需求设置为三层。栽培架本体的底部用于放置营养液箱等营养液供给设备1。营养液箱通过泵将营养液输送到每层作物，进而通过喷头或管道将营养液输送到作物生长区域。三层根盒架分别支撑圆柱形根盒；每层根盒架可分别提供不同的作物生长环境，以便能最后根据作物相关性状来确定最有利于作物生长的环境。

圆柱根盒安放在根盒架的凹槽上进行固定。本发明中所用根盒可选择为特殊材料的透明玻璃制成，便于作物表型采集尤其是根系表型的采集。根盒采用套筒式，作物根系生长于外部根盒筒与内层内筒12之间，便于通过作物表型采集子系统对作物根系进行全方位的表型获取与分析；

栽培架底部加宽，保证栽培架的稳定性，其底部设置的车轮采用万向轮，能够前后左右进行移动。该万向轮6安装于栽培架底部的四个角，可以移动栽培架，从而能够使作物在不同外部条件下对作物进行多种表型采集分析。

同时，此实现方式下，上述圆柱根盒的栽培架，可进一步地设置其表型采集子系统ii包括：椭圆形轨道、轨道轮、伸缩装置4、采集平台、传感器以及伺服电机。其从栽培架顶部向下对栽培架上的作物进行数据采集，通过伸缩装置4随意伸缩，控制采集平台移动至相应根盒位置，节省空间。

具体而言，其轨道3可参考图2所示设置为封闭为椭圆状的凹形轨道，使用特殊的钢结构制成。所述凹形轨道包括椭圆内圈31、椭圆外圈32以及连接在椭圆内圈、椭圆外圈顶端的连接部，所述椭圆内圈、椭圆外圈的下底端分别设置有向连接部中心收缩的悬吊部33。轨道内部嵌有两根带有方孔结构的安装孔的钢杆作为水平横梁，通过栽培架上的四根钢架作为垂直支架镶嵌于轨道所连接的钢杆的孔内，将轨道固定于栽培架本体的上部。

轨道上的轨道轮7使用特殊钢材料，放置在轨道上。所述轨道轮7的中间设置有连杆71，轨道轮7的下表面抵接在所述轨道3内侧下方悬吊部33的上端面上。轨道轮上装有伺服电机，为轨道轮提供动力，带动轨道轮行走。轨道轮中间所设置的连接杆71由所述椭圆内圈、椭圆外圈的悬吊部之间的间隙向下伸出连接伸缩装置4悬吊所述采集平台。

而其中的伸缩装置4可设置为如图3所示，由杆体、驱动器、控制系统构成，杆体采用优质不锈钢及铝合金专用型材制作而成，采用平行四边形原理铰接，伸缩灵活行程范围大。

在图3所示的实现方式下，所述连杆71的下端与伸缩装置4的顶端之间还可进一步的设置有电机盒8。所述电机盒8内设置有步进电机作为驱动电机用于驱动所述轨道轮7沿轨道3运转；所述电机盒8内还设置有伸缩驱动部件，其连接所述伸缩装置4的顶端驱动所述伸缩装置4向下伸长或向上收缩。该驱动电器和伸缩驱动部件也可采用特种电机驱动，蜗杆蜗轮减速，配备无线遥控装置，可根据需要控制下端采集平台5移动，对每层作物进行表型采集。伸缩装置4一端连接伺服电机，另一端连接采集平台，可在工作时对其拉伸，闲置时将其收起减小占用空间。

具体参照图6所示，所述的是伸缩驱动部件通过如下方式设置：该机构一侧采用固定滑块81固定连接伸缩装置的一端，设置其另一侧滑块82移动以驱动伸缩装置的另一端，由此控制伸缩装置进行伸缩。为驱动滑块82，该伸缩驱动部件可设置有电机86，其连接设置在伸缩驱动部件中间的连接处85以对滑块进行控制，各滑块之间所连接的伸缩杆由电机驱动带动其上的滑块82远离固定滑块或接近固定滑块，由此驱动伸缩装置各连接件之间相互打开或向内收缩以控制其伸缩长度。其中间的两滑块上还可设置接线处85以实现与电机之间相连接。由此，电机旋转带动该装置驱动伸缩装置向下伸长或向上收缩。

在更为具体的实现方式下，所述的采集平台5可设置为包括两个，两个采集平台5的顶部均分别连接有一个伸缩装置4，两个所述伸缩装置4的顶端均连接至所述电机盒8。各所述采集平台5内分别装载相应的传感设备。所述传感设备包括但不限于可见光传感器、多光谱传感器、高光谱传感器、热成像传感器、激光雷达传感器、深度相机中的任一种或其组合。两个采集平台，用于不同传感器，可以对其结果进行分析。

由此，上述圆柱根盒的栽培架可通过将各圆柱根盒2分别插接固定在栽培架本体上的各层中，保证每一层中的各个根盒至少有一侧直接正对栽培架本体的外缘，以方便按照如下方式进行作物表型包括根系表型的采集。其具体采集步骤如下：

第一步，根据表型采集需要在采集平台5内装载相应的传感设备，包括可见光传感器、多光谱传感器、高光谱传感器、热成像传感器、激光雷达传感器、深度相机中的任一种或其组合；

第二步，驱动表型采集子系统ii上端所设置的轨道轮7运转，使所述轨道轮7沿轨道3内侧下方悬吊部33的上端面转动，带动由所述悬吊部之间的间隙向下伸出的连接杆71以及连接杆下端所连接的伸缩装置4和采集平台5沿轨道3平移；

第三步，根据表型采集所对应的圆柱根盒所在位置，驱动伸缩装置4向下伸长或向上收缩而带动所述驱动伸缩装置4底端所连接的采集平台5移动至栽培架本体上的各层，所述采集平台5内所装载的传感设备相应的采集栽培架本体上所固定的各圆柱根盒2内作物的表型数据。

其中，在仅需检测一组根盒时，上述采集系统可以通过电机驱动绕轨道移动到根盒外侧位置再通过伸缩装置将采集平台移动至该根盒高度，如此通过对采集平台坐标位置进行xyz三个方向的调节实现对作物根系进行采集。伸缩装置4可作为采集系统的z方向，传感器随着轨道转动作为采集系统的xy方向，其可用传感器包括可见光传感器、多光谱传感器、高光谱传感器、热成像传感器、激光雷达传感器以及深度相机。采集过程中可通过xy向轨道上位置微调对根系进行较宽视角范围内的表型获取，表型获取中相应传感器的焦距可调。

在需要同时检测多组根盒时，上述采集系统中，由于轨道突出于栽培架本体，传感器可移动面积大于栽培架总体面积，因此传感器可对栽培架上各层的所有根盒进行表型采集。采集过程中，通过改变z向伸缩装置4，可实现对不同层根盒进行表型采集。这样的扫描后可方便的通过对比多组根系形状进而对作物在不同外部环境下进行分析，更加容易的开展精确、自动获取与分析作物表型，以确定作物的最佳生长环境。

为方便对作物根系进行培育，本发明还可难找图4以及图5所示的方式为栽培架中的作物提供营养液供给。

其中，各所述圆柱根盒其分别可设置为图4所示的包括有根盒盖11、根盒筒、内筒12及根盒底座13的结构。其中，所述内筒12设置在根盒筒内部，根盒筒与内筒12的底部由根盒底座13固定连接并封闭，根盒筒与内筒12之间形成有用于容纳营养液的根系生长空间，根盒盖11可拆卸的设置在根盒筒的上端，根盒盖11下方设置离子电极9，离子电极9从根盒盖向下伸入根盒筒与内筒12之间的根系生长空间中；所述根盒底座13的下表面还设置有向下凸出的圆柱形凸起，所述圆柱形凸起与栽培架本体插接固定。其中根盒内侧套设的内筒可为一个顶部为锥形、下部为圆柱形的结构。将作物放置在锥形顶端，可使得本发明能够容纳作物的根系沿圆锥表面分布，方便采集平台5各类传感设备透过根盒我透明外筒对作物根系进行观测，同时套筒结构可减少根盒内部空间，降低营养液的使用量。圆筒为根系生长提供空间，根盒外侧圆环用来放置多种离子选择电极，方便对不同营养液参数的采集。

所述根盒底座13的两侧还分别相对设置有向上延伸的凸台14，所述凸台14的内侧紧密贴合所述根盒筒的外壁表面，各所述凸台14上分别设置有连通孔，各所述连通孔分别与连接管道21的不同支管连通，所述根盒2通过其中一个连通孔接收连接管道21的一个支管所输送的营养液，所述根盒2通过其中另一个连通孔向连接管道21的另一个支管排出作物吸收养分后营养液的废液。凸台对圆柱根盒起加强作用，避免圆柱根盒在栽培架搬运过程中倾覆。凸台与管道直接相连，能够通过设置密封圈等结构实现对圆柱根盒所连接的连接管道的密封。

而所述的营养液供给设备1可设置在所述栽培架本体的底层，包括：

连接管道21，其包括分别连通至栽培架本体的各层中所设置的各圆柱根盒2的支管，以及串联各支管的主管路，主管路沿栽培架本体的各层排列，所述连接管道21连通设置在栽培架本体各层的各个根盒；

营养液发生器，其设置在所述栽培架本体底部的一侧，连接所述连接管道21的输入端，向主管路以及各支管输送营养液；

营养液回收箱，其设置在所述栽培架本体底部的另一侧，连接所述连接管道21的输出端，接收主管路通过各支管所收集的由各圆柱根盒2所排出的废液；

消毒过滤装置，其连接在营养液回收箱的输出端和营养液发生器的输入端之间，用于对营养液回收箱所输出的废液进行消毒和过滤，输出清洁的营养液至营养液发生器，对废液中的营养成分进行回收利用。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。