一种步入式全日光植物生长箱及其控制系统的制作方法

本发明涉及植物生长箱、植物生长箱、全光谱植物光源、领域，特别涉及一种步入式全日光智能植物生长箱及其控制系统。

技术背景

人工气候箱，作业一种小型的植物生长箱，主要运用在植物的育种和苗期阶段，因其空间和光强的限制，根本无法满足植物的生长期、开花期和结实期的环境需求。

植物生长箱是针对植物生长需要定制的实验室，目前国内植物生长箱的现状是：部分用户误把冷库、种子库、洁净室、小型气候箱、培养箱等设备等同于植物生长箱。一些宣传误导用户，以用于普通小冷库、种子库等其他设备的较低配置和价格方式设计气候室，造成实际指标达不到承诺指标，无法正常使用。

植物生长箱并不能简单的认为只要温度、湿度、光照这等参数各自能达到指标要求就可以了，会导致温湿度、光照等参数在实际使用中根本达不到实验要求，失去了建造气候室的意义。

而一些精度较高的植物生长箱虽然在温湿度的控制方面已取得了较大的进步，但作为植物生长过程中最重要的光源，是没有任何一种模拟能真正完全代替阳光的作用，满足植物生长从育种到结实全过程的需求。

即便考虑到温度、湿度、光照的耦合问题，但具体实施时没有真正解决全部问题。多种气象条件的同时实现并非就简单地将各类相关设备叠加，要考虑到各类气象参数之间的互相影响和互相制约的因素。例如：采用恒温恒湿机组设计气候室，虽然在一定程度上解决了温度湿度的恒定问题，但如果增加光照、气体等要求，只是简单的设备叠加，没有综合考虑，便会导致实际达不到所需的控制精度。且在多参数调控需求下，调控设备的设计排布如果没有综合设计优化，只是简单组合，会造成占用空间大，设备布置零乱，达不到高水准实验室的要求和标准。

其次，实践经验的缺乏导致设计、施工时未能将所有情况和解决方案考虑完善，在安全问题和实际实验使用中均存在隐患。或者只为实现要求，不考虑日常运行费用，以致造成日常运行费用太高，建的起，用不起。控制系统采用传统的模拟电路与小规模数字电路，以通、断的方式进行控制，影响整个系统功能的发挥。

针对上述情况，结合国内应用特点及多年设计建造经验和用户的实践检验，自主设计研发了步入式全日光植物生长箱。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种步入式全日光植物生长箱及其控制系统，该生长箱在提供高精度温湿度植物生长环境的基础上，充分利用自然光作为植物生长的主光源，将实验所需要的环境优化到最理想最接近真实自然的程度，并辅以人工模拟led无级可调植物光源作为补充，满足实验过程中延长植物生长光周期的需求；可以运用智能网络型环境控制系统对温度、湿度、光照等进行精确控制，模拟各种气候条件。

本发明的技术方案如下：一种步入式全日光植物生长箱，包括植物研究生长区和设备控制室，植物研究生长区和设备控制室均设置在四方钢结构骨架内，植物研究生长区为钢骨架和钢化玻璃组成的透明阳光房，透明阳光房的基部设有50mm厚聚氨酯彩钢板围护，植物研究生长区的顶部一边高一边低，房檐处呈圆弧形，其一侧面还设置有玻璃门，所述植物研究生长区内设置有高光照led植物生长补光灯、气流送风口、气流回风口、加湿器出口、温湿度传感器以及不锈钢底板，底板上还设有地漏与喷淋循环用水布置，所述设备控制室包括控温控湿设备间、智能控制箱以及触膜屏，控温室外机设置在设备控制室外面，温控湿设备间内设有加湿设备，加湿设备出口与植物研究生长区的加湿器出口连通，所述温湿度传感器、控温室外机、加湿设备、补光灯与智能控制箱信号关联。

进一步地，所述植物研究生长区的钢化玻璃和玻璃门均采用双层中空隔热玻璃，双层中空隔热玻璃里面充满氩气或者氮气等惰性气体，最大程度的减少了外界环境对箱体内部温湿度的影响；充分利用透明阳光箱体四面自然光源作为植物生长的主光源，最大程度上还原阳光对植物生长的影响。

进一步地，所述植物研究生长区的补光灯为高光照led植物生长灯，所述高光照led植物生长灯内仅有一个led光源模块，光的照射角度为135°。

进一步地，所述植物研究生长区和设备控制室顶部的钢结构骨架上还设置有外遮阳网，外遮阳网通过钢丝和固定在钢结构骨架上的滑轮与收卷轴连接，收卷轴通过电机驱动实现外遮阳网的拉伸和收缩；外遮阳系统可达75％以上的遮阳效果，在室外强光过高时能够根据箱内植物生长阶段所需的光饱合指数自动开启遮阳网，在满足植物生长所需光照的同时，保护植物不因为光饱合发生光抑制而降低光合功能，同时也降低了因多余光强而带来了降温能耗。

进一步地，所述设备控制室顶部的钢结构骨架上设置有太阳能发电系统，所述太阳能发电系统朝向植物研究生长区倾斜放置，太阳能板通过支撑架固定在钢结构骨架上；整个箱体的放置一般以正南或偏南为主，因此在太阳能电板的安装与放置上必须一方面不影响箱体内植物的采光，另一方面要最大的程度上提高太阳能的光电转化率。

进一步地，所述太阳能板的倾斜低端位于植物研究生长区的顶部，倾斜高端垂直距离超出控温室外机的外边沿，太阳能板用作控温室外机雨棚。

进一步地，所述植物研究生长区的顶部还设置有喷淋系统，喷淋系统与植物生长箱设备控制室的控温控湿设备间里的水循环系统的储水槽里的水泵连接，喷淋系统与智能控制箱信号关联；当箱体温度较高时，系统自动开启喷淋系统利用储水循环给箱体降温，以降低箱体在炎热时期的能耗。

进一步地，所述储水槽与外接进水管相连，外接进水管向储水槽内补充水量。

进一步地，所述气流送风口设置在植物研究生长区内侧壁的下部，所述气流回风口设置在植物研究生长区内侧壁的上部，且位于侧壁墙面的两侧。采用底送侧回的风循环系统，步入式全日光植物生长箱的热源基本集中在顶部及温室效应。采用传统的室内型植物生长箱或植物生长室的风循环系统不合适，而且步入式全日光植物生长箱受外界自然因素影响较多，采用从底部送风，即可保证送回风的均匀度，也可减少室内的波动度，而回风采用侧回，这样即可直接带走一部分顶部的热量，也可以形成完整的风循环系统，大大节约了能耗和使用成本。

进一步地，所述控温室外机设置有两台，且两台控温室外机的功率相同；两台同功率的谷轮压缩机或者水空调，在日常控温中，如单台控温系统能满足实验需求，则一主一备，在单台控温系统不能满足实验需求时，同时开启两台控温系统，既一主一辅，如此不但保证室内温度稳定的同时，降低室内空气各项参数调控的波动性，保证调控精度与稳定，外形美观大方。

进一步地，所述植物研究生长区内还设置有辅助用电插座，辅助用电插座设置有2套，辅助用电插座为防水插座，基于气候室内的环境，植物生长箱内的电源开关也采用防水开关。

进一步地，所述植物研究生长区的双层中空隔热钢化玻璃以及双层中空玻璃保温门的玻璃上，其内外表面均贴附透光隔热膜，透光隔热膜的透光率达90％。在双层隔热玻璃内外表面贴附透光隔热膜，在达到透光要求的同时，能有效提高植物研究生长区的隔热降温以及节能的性能。

进一步地，所述钢结构骨架的底部设有可调节底座或者可移动滚轮，可移动滚轮上设有刹车装置；钢结构骨架的底部的结构设置方便植物生长箱放置时的高度平衡调节以及移动方便和固定停放。

一种步入式全日光智能植物生长箱的控制系统，包括智能控制主系统、温度控制系统、无线远程报警系统、风循环系统和补光系统，所述温度控制系统、无线远程报警系统、风循环系统和补光系统与智能控制主系统之间均通过无线网络双向互联。

进一步地，所述智能控制主系统主要由中文液晶触摸屏系统、西门子plc系统、传感器系统、报警控制系统及相应的通讯、设备驱动电路组成；所述中文液晶触摸屏主要是由一套以嵌入式低功耗cpu为核心，主频400mhz的高性能嵌入式一体化工控机组成，设计采用10寸高亮度液晶显示屏，分辨率为800×480，四线电阻式触摸屏为分辨率4096×4096，同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统wince.net和mcgs嵌入式组态软件，在液晶触摸屏上实时显示植物生长箱内的温度、湿度、光照等实时数值、历史数据、设定数据及系统运行情况。

进一步地，所述西门子plc系统采用目前先进的智能网络型环境控制系统，气候室都有独立的计算机控制单元。

进一步地，所述温度控制系统采用双机组控温技术，在日常控温中，如单台控温系统能满足实验需求，一主一备，在单台控温系统不能满足实验需求时，同时开启两台控温系统，既一主一辅。

进一步地，所述无线远程报警系统内部包括手机视频监控和手机app监控模块，手机视频监控和手机app监控模块与智能控制主系统101中的西门子plc系统模块连接，利用gsm、wcdma网络，能够用手机以下载指定app的方式在手机app上查询气候室的各项实时参数，并且当气候室的某一项参数超过了设定的上下限时，能够自动报警，同时用户可以使用手机对系统进行鉴权、查询系统状态、查询实时环境参数，实时报警，动态修改配置。

进一步地，所述风循环系统104采用地面送风的模式。

进一步地，所述补光系统105采用自然光加人工补光的形式，人工补光采用的是高光照150w的led植物生长灯，照射角度为135°，光型可在最有效控制的同时均匀度更高。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

该设计的植物生长箱，在本身具有透光隔热功能的基础上，配有单独的外遮阳系统、太阳能发电系统、喷淋降温系统、水循环系统，能够满足各种实验过程中的光照及湿度温度的控制要求，在可控的环境内采用自然光，是其他室内型的气候室无法比拟的，在光照不充裕的情况下再通过人工补光，以满足实验需求。整个植物生长箱体积小，功能全，并且移动方便，步入式也方便入内操作，也便于观察和管理，大大的节约了能耗与使用成本，外形美观大方。

该结构的植物生长箱，运用上自主研发的植物生长箱测控系统控制的情况下，能够实现精确的恒温、恒湿功能，在计算机模糊控制算法的控制下，采用先进的智能传感和变频控制技术，对温度、湿度、光照等进行精确控制和过程记录；模拟自然环境温度、湿度、光照的变化，按设定程序对温度和光照进行有规律的控制，24小时循环，周循环，甚至是月循环。

采用双机组控温技术，此技术配合我司自主研发的控制系统，在日常控温中，如单台控温系统能满足实验需求，一主一备，在单台控温系统不能满足实验需求时，同时开启两台控温系统，既一主一辅；采用此技术不但保证室内温度稳定的同时，降低室内空气各项参数调控的波动性，保证调控精度与稳定，外形美观大方。

无线远程报警系统内部包括手机视频监控和手机app监控模块，利用gsm、wcdma网络，能够用手机以下载指定app的方式在手机app上查询气候室的各项实时参数，并且当气候室的某一项参数超过了设定的上下限时，能够自动报警，同时用户可以使用手机对系统进行鉴权、查询系统状态、查询实时环境参数，实时报警，动态修改配置。

传统的室内型植物生长箱或植物生长室的风循环系统肯定是不合适的，而且步入式植物生长箱受外界自然因素影响较多，采用地面送风，即可保证送回风的均匀度，也可减少室内的波动度，而且回风采用侧回，这样即可直接带走一部分顶部的热量，也可以形成完整的风循环系统，大大节约了能耗和使用成本。

为了充分考虑植物生长、植物光合作用所需的光谱与能量平衡，尽可能地使照度均匀同时，我司设计采用已经取得软著的无级调光软件系统，可按设定的程序无级调节光强，控制的最小间隔为1分钟，24小时循环。步入式全日光植物生长箱最大的优势就是在可控的环境内采用自然光，是其他室内型的气候室无法比拟的，在光照不充裕的情况下再通过人工补光，以满足实验需求。传统的植物生长箱都有通用的缺点，既能耗过大，使用成本太高，为了降低使用能耗，本次设计配有单独的外遮阳系统与喷淋降温系统。大大的节约了能耗与使用成本，外形美观大方。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明植物生长箱的侧面结构示意图；

图2为本发明植物生长箱的内部系统图。

其中，1、植物研究生长区；2、设备控制室；3、钢结构骨架；4、钢骨架；5、隔热玻璃；6、钢化玻璃保温门；7、彩钢板围护；8、补光灯；9、气流送风口；10、气流回风口；11、温湿度传感器；12、控温控湿设备间；13、智能控制箱；14、触膜屏；15、控温室外机；16、外遮阳网；17、收卷轴；18、太阳能发电系统；19、太阳能板；20、支撑架；21、喷淋系统；22、可调节底座；23、加湿器出口；101、智能控制主系统；102、温度控制系统；103、无线远程报警系统；104、风循环系统；105、补光系统。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。

如图1所示，一种步入式全日光植物生长箱，包括植物研究生长区1和设备控制室2，植物研究生长区1和设备控制室2均设置在四方钢结构骨架3内，植物研究生长区1为钢骨架4和双层中空隔热钢化玻璃5组成的透明阳光房，双层中空隔热玻璃5里面充满惰性气体，植物研究生长区1的顶部一边高一边低，房檐处呈圆弧形，其一侧面还设置有断桥铝钢化玻璃保温门6，双层中空隔热玻璃里面充满惰性气体氩气，植物研究生长区1的基部设有50mm厚聚氨酯彩钢板围护7，植物研究生长区1内设置有仅一个led光源模块同时光的照射角度为135°的高光照led植物生长补光灯8、气流送风口9、气流回风口10，加湿器出口23、温湿度传感器11以及不锈钢底板，底板上还设有地漏与喷淋循环用水布置，设备控制室2包括控温控湿设备间12、智能控制箱13以及触膜屏14，控温室外机15设置在设备控制室2外面，温控湿设备间12内设有加湿设备，加湿设备出口与植物研究生长区的加湿器出口23连通，温湿度传感器11、控温室外机15、加湿设备、高光照led植物生长补光灯8与智能控制箱13信号关联。

植物研究生长区1和设备控制室2顶部的钢结构骨架3上还设置有外遮阳网16，外遮阳网16通过钢丝和固定在钢结构骨架上的滑轮与收卷轴17连接，收卷轴17通过电机驱动实现外遮阳网16的拉伸和收缩，电机驱动收卷轴正转实现外遮阳网的拉伸打开，电机驱动收卷轴反转实现外遮阳网的折叠收缩。

设备控制室2顶部的钢结构骨架3上设置有太阳能发电系统18，所述太阳能发电系统18朝向植物研究生长区1倾斜放置，太阳能板19通过支撑架20固定在钢结构骨架3上；太阳能板19的倾斜低端位于植物研究生长区1的顶部，倾斜高端垂直距离超出控温室外机15的外边沿，太阳能板19用作控温室外机雨棚。

植物研究生长区1的顶部还设置有喷淋系统21，喷淋系统21与设备控制室2的控温控湿设备间里的水循环系统的储水槽里的水泵连接，喷淋系统21与智能控制箱13信号关联；储水槽与外接进水管相连，外接进水管向储水槽内补充水量。

气流送风口9设置在植物研究生长区1内侧壁的下部，所述气流回风口10设置在植物研究生长区1内侧壁的上部，且位于侧壁墙面的两侧。采用底送侧回的风循环系统，步入式全日光植物生长箱的热源基本集中在顶部及温室效应，采用传统的室内型植物生长箱或植物生长室的风循环系统不合适，而且步入式全日光植物生长箱受外界自然因素影响较多，采用底部送风的方式，即可保证送回风的均匀度，也可减少室内的波动度，而回风采用侧回，这样即可直接带走一部分顶部的热量，也可以形成完整的风循环系统，大大节约了能耗和使用成本。

控温室外机15可以采用谷轮压缩机或者水空调，所述控温室外机设置有两台，且两台谷轮压缩机或者水空调的功率相同；两台同功率的谷轮压缩机或者水空调，在日常控温中，如单台控温系统能满足实验需求，则一主一备，在单台控温系统不能满足实验需求时，同时开启两台控温系统，既一主一辅。如此不但保证室内温度稳定的同时，降低室内空气各项参数调控的波动性，保证调控精度与稳定，外形美观大方。

植物研究生长区内还设置有辅助用电插座，辅助用电插座设置有2套，辅助用电插座为防水插座，基于气候室内的环境，植物生长箱内的电源开关也采用防水开关。

植物研究生长区的双层中空隔热钢化玻璃以及钢化玻璃保温门的玻璃上，其内外表面均贴附透光隔热膜，透光隔热膜的透光率达90％。在双层隔热玻璃内外表面贴附透光隔热膜，在达到透光要求的同时，能有效提高植物研究生长区的隔热降温以及节能的性能。

钢结构骨架的底部设有可调节底座22或者可移动滚轮，可移动滚轮上设有刹车装置。钢结构骨架的底部的结构设置方便植物生长箱放置时的高度平衡调节以及移动方便和固定停放。

步入式全日光植物生长箱的植物研究生长区位于南面，净高2.5米，主体结构由钢结构组成，北侧的墙体采用δ＝50mm厚聚氨脂彩钢板，其他三侧采用5+9+5双层中空玻璃，地面采用静压通风地板，防腐蚀性强，易清洗，底板上设有地漏，方便气候室内的水流排出，设备控制室在北侧，强电系统与弱点系统分开，配有通风防水系统，且非常方便日常维护维修。

如图2所示，一种步入式全日光智能植物生长箱的控制系统，包括智能控制主系统101、温度控制系统102、无线远程报警系统103、风循环系统104和补光系统105，所述温度控制系统102、无线远程报警系统103、风循环系统104和补光系统105与智能控制主系统101之间均通过无线网络双向互联；

智能控制主系统101主要由中文液晶触摸屏系统、西门子plc系统、传感器系统、报警控制系统及相应的通讯、设备驱动电路组成；

所述中文液晶触摸屏主要是由一套以嵌入式低功耗cpu为核心(主频400mhz)的高性能嵌入式一体化工控机组成，该产品设计采用了10寸高亮度液晶显示屏(分辨率800×480)，四线电阻式触摸屏(分辨率4096×4096)，同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统wince.net(中文版)和mcgs嵌入式组态软件(运行版)，在液晶触摸屏上实时显示植物生长箱内的温度、湿度、光照等实时数值、历史数据、设定数据及系统运行情况，所有的操作均在液晶触摸屏上按菜单提示进行，操作使用极其方便，未经授权无法操作系统。系统不设外漏的按键开关，适应植物生长箱高湿环境要求。

所述西门子plc系统采用目前先进的智能网络型环境控制系统，气候室都有独立的计算机控制单元。即在下载了我司自主开发的控制软件之后，plc将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备；控制软件的编制采用软件工程管理，开放性与可扩充性极强。由于采用硬件功能软件化的系统设计思想及系统硬件模块化、通讯网络化设计，系统可根据需要升级软件功能与扩展硬件种类。实时显示、记录各气候室的运行数据，打印运行报告，按图形曲线显示各气候室的实时与历史数据，在计算机模糊控制算法的控制下，采用先进的智能传感和联合智能控制技术，保证了精确的参数控制功能，并模拟自然环境温度、湿度、光照、co2各类参数的变化，按设定程序对温度和光照进行有规律的控制，进行24小时循环，周循环，甚至是月循环。

所述温度控制系统102采用双机组控温技术，此技术配合我司自主研发的控制系统，在日常控温中，如单台控温系统能满足实验需求，一主一备，在单台控温系统不能满足实验需求时，同时开启两台控温系统，既一主一辅；采用此技术不但保证室内温度稳定的同时，降低室内空气各项参数调控的波动性，保证调控精度与稳定，外形美观大方。

所述无线远程报警系统103内部包括手机视频监控和手机app监控模块，手机视频监控和手机app监控模块与智能控制主系统101中的西门子plc系统模块连接，利用gsm、wcdma网络，能够用手机以下载指定app的方式在手机app上查询气候室的各项实时参数，并且当气候室的某一项参数超过了设定的上下限时，能够自动报警，同时用户可以使用手机对系统进行鉴权、查询系统状态、查询实时环境参数，实时报警，动态修改配置。

所述风循环系统104采用地面送风的模式，传统的室内型植物生长箱或植物生长室的风循环系统肯定是不合适的，而且步入式植物生长箱受外界自然因素影响较多，采用地面送风，即可保证送回风的均匀度，也可减少室内的波动度，而且回风采用侧回，这样即可直接带走一部分顶部的热量，也可以形成完整的风循环系统，大大节约了能耗和使用成本。

所述补光系统105采用自然光加人工补光的形式，人工补光采用的是高光照150w的led植物生长灯，照射角度为135°，光型可在最有效控制的同时均匀度更高。为了充分考虑植物生长、植物光合作用所需的光谱与能量平衡，尽可能地使照度均匀同时，我司设计采用已经取得软著的无级调光软件系统，可按设定的程序无级调节光强，控制的最小间隔为1分钟，24小时循环。步入式全日光植物生长箱最大的优势就是在可控的环境内采用自然光，是其他室内型的气候室无法比拟的，在光照不充裕的情况下再通过人工补光，以满足实验需求。传统的植物生长箱都有通用的缺点，既能耗过大，使用成本太高，为了降低使用能耗，本次设计配有单独的外遮阳系统与喷淋降温系统。大大的节约了能耗与使用成本，外形美观大方。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。