CN100553443C

CN100553443C - 密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂

Info

Publication number: CN100553443C
Application number: CNB2006100762053A
Authority: CN
Inventors: 贺冬仙; 李保明; 杨珀; 朱本海
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: CN101057550A

Abstract

本发明公开了一种密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂，包括围护结构、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、CO₂供给系统、光源供给系统，还包括基于嵌入式网络技术的控制系统和自动计电系统；本系统是密闭隔热不透光的，并且完全采用人工光源；通过控制系统，对系统内的温度、湿度、CO₂浓度、光照、风向、风速等环境因子进行网络化监测和控制，将空气洁净与环境控制相结合，为植物生产提供清洁的、最适的生长环境。本发明具有低成本、低能耗的优点，可直接应用于无农药、高品质和高附加值的植物遗传资源和低成本化的大量快繁和大规模种苗生产，实现规格化和标准化的栽培管理和计划生产。

Description

密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂

所属技术领域

本发明属于环境控制领域，具体涉及一种环境控制型植物工厂。

背景技术

近年来，我国工厂化农业领域如温室设施类型、栽培模式、农产品品质等方面取得了长足进步，但在环境控制技术和智能化生产管理等方面基本没有突破我国粗放式和经验式技术水准，离发达国家如日本、美国、以色列和荷兰的生产水平还有很大差距。由于农业生产的不确定性、复杂性以及对低成本的需求，微电子技术在农业领域的应用普及推广远远落后于工业、军事等其它领域，很多从国外引进的高成本、高能耗的环境控制技术也未能在中国得到实际应用。因此，我国需要尽快开发具有自主知识产权的适合我国国情的低成本、低能耗的工厂化生产的环境控制与智能化生产管理技术。利用合理的环境调控技术不仅能提高农产品的产量与品质，还能调节商品上市时间，实现规范化、标准化、精细化生产，彻底把传统的粗放式、经验式的农业生产改造成精细式、智能式的工厂化生产。

当前世界上植物工厂化生产系统根据光照来源的不同分为自然光利用型和人工光与自然光并用型的两大类。自然光利用型植物工厂利用自然光，厂房为大型玻璃温室或连栋塑料温室，室内设置各种环境因子的监测和调控设备。这类植物工厂多少受到自然条件的影响，种植植物种类也有一定程度限制，其最大难题是如何实现夏季降温与冬季加温的低成本和低能耗。自然光和人工光并用型植物工厂在白天直接利用太阳光，当日射不足或日长不够时启动补光装置进行光照调控，室内设置有各种环境因子的监测和调控设备。比自然光型植物工厂相比，自然光和人工光并用型植物工厂内设置了补光装置，不易受自然条件的影响，但其并没有解决夏季降温与冬季加温的高成本和高能耗问题。近年来，虽然有人不断提出完全采用人工光源如高压钠灯、金属卤化灯、荧光灯、发光二极管、激光等进行植物工厂化生产的提案，但是仍然由于高成本化和高能耗的特点限制了其技术发展。因此，如何能实现低成本和低能耗的环境控制技术是促进植物工厂实用化生产的技术瓶颈。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种成本低、能耗低的环境控制型植物工厂。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采用完全隔热不透光材料建成一个密闭式的完全利用人工光的环境控制型植物工厂，使植物生产完全摆脱了自然环境的影响，自主开发了基于嵌入式网络技术的环境控制系统，对系统内的温度、湿度、CO₂浓度、光照、风向、风速等环境因子进行监测和控制，将空气洁净与环境控制相结合，为植物生产提供清洁的、最适的生长环境。

本发明公开的一种密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂，包括围护结构、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、CO₂供给系统、光源供给系统，还包括基于嵌入式网络技术的控制系统；控制系统监测和控制空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、CO₂供给系统、光源供给系统的状态和运行。

其中，围护结构是密闭、隔热、不透光的，它可以由隔热彩钢板做成，能够起到保温隔热和密闭环境的效果，将因换气而产生的系统内外的物质和能量的交换控制在最小限度，并能防止室内外温差较大时壁板内侧结露。因此，系统内空气的温度和湿度容易控制，为节能省电提供物理性建筑结构。

其中，空气循环系统采用正压自循环方式，包括回风机、送风机、初效过滤器及高效过滤器，采用两侧送风和顶端回风方式，空气由回风机吸入，经初效过滤器和高效过滤器两级过滤，由送风机送出；室内消耗的空气由室外补充，室外空气由风阀控制，经过初效过滤器和高效过滤器两级过滤，送入空气循环系统，保证空气的洁净和充足。

其中，温度调节系统包括空调机组、多组压缩机和压力控制器，所述空调机组可以是一套冷热管道式空调机组，空调的加热和制冷互锁(即当空调加热时，其制冷关闭，制冷时加热关闭)以避免两者同时开启状态发生。同时，该系统通过压力控制器根据系统内部的热负荷来决定启动压缩机的工作台数，以保证最小的能耗。

其中，湿度控制系统采用加湿器和纯水机，所述加湿器可以是管道式超声波加湿器，加湿器的供水采用纯水机过滤过的纯水，以保证超声波加湿器足够的使用寿命并减少日常维护次数。

其中，CO₂供给系统采用装有液态CO₂钢瓶为系统提供CO₂气体，通过压力调节阀、流量计、电磁阀，与送风管道相连，由循环风机将调控好CO₂浓度的气体送入系统内部。CO₂体供应电磁阀与光源供给系统联动控制，只有在光照打开时，CO₂供应电磁阀才会打开，从而避免了暗期时施放CO₂造成的浪费。

其中，光源供给系统包括发光装置和控制箱，其中发光装置可以是荧光灯(YZ36RL，北京松下照明光源有限公司，北京，中国)。利用与植物吸收光谱相近的特定的发光装置为植物生长提供合理的光照，控制箱包括定时器、断电保护装置和多组开关，发光装置分组与控制箱相连，受控制箱控制，每个培养区域均独立配置控制箱和发光装置。并且光照的时间和强度采用定时分档方式，针对不同培育期提供不同光照强度和光周期的光照环境，既满足了植物不同生长阶段的需要，也能实现低成本化并节约电能。特定荧光灯的30％左右的有效发光基本能被植物所吸收，其他的70％发光转化成热源来维持系统内部的温热环境。由于整个系统与外界隔绝，系统在明期和暗期均能保持一定的热平衡。空调系统的成绩系数达到5以后，不仅提高了人工光源的光利用效率，也大大提高了电能使用效率。

其中，基于嵌入式网络技术的控制系统，包含多组嵌入式网络的控制模块、分布式继电器模块和环境因子监测传感器以及计算机。环境因子监测传感器用于监测整个系统内的环境状况，利用以太网集线器将多组嵌入式控制模块连接组成局域网，并与计算机连接，基于嵌入式网络技术的控制模块将传感器检测的模拟信号转换成数字信号，并传送给计算机，所有检测信号经由控制软件分析、比较、预测后，按照能源优化的控制模式与基于植物环境反馈的最适控制原则发出控制指令，经过控制模块将动作指令传给继电器模块，从而启动或关闭相应的执行机构，并通过计算机对系统内所有控制参数、实时监测数据和图像动态地进行WEB发布。其中，环境因子监测传感器包括：风速传感器、温度传感器、湿度传感器、CO₂浓度传感器，如果采用水培方式栽培或营养液自动灌溉，则还包括酸碱度(pH)传感器和电导度(EC)传感器。

本发明还设计了自动计电系统，在整个密闭式植物工厂中使用了多块多功能三相或单相电表来自动计量所有执行机构的耗电量，这些电表通过485通讯端口与监控计算机相连，通讯协议支持国际《多功能电能表通信规约》(Multi-function watt-hour meter communicationprotocol)DL/T645-1997标准。该自动计电系统针对系统内各用电设备(如空调、风机、光照、加湿器等)的耗电量分别进行统计核算，明确各用电设备的用电情况，并将统计结果传送给控制系统，通过对各用电设备的绩效考察，进一步优化系统控制方案，为节省电能消耗和提高电能使用效率提供参考依据。

本发明还设计了水回收利用装置，包括空调冷凝水回收装置和加湿器溢流水回收装置，回收的水经过滤后进入营养液灌溉系统进行再生利用。

本发明提供的植物工厂可以采用多层培养架的多层立体栽培方式，采用这种栽培方式时，空气循环系统的送风散流口与多层培养架一一对应，能够有效地降低因发光装置开启而造成的垂直方向上温度差异大的问题；同时，将光源供给系统在每个培养架均独立配置控制箱和发光装置，使得每个培养架的光照时间和各层的光照强度都能独立控制。

(三)有益效果

本发明提供的一种密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂具有以下优点：

(1)采用密闭隔热不透光的围护结构，使室内外能量和物质交换维持在最小限度，该植物工厂可以不受季节、气候和地域的限制。

(2)CO₂供给系统与光源供给系统联动控制，提高了CO₂利用效率；

(3)采用多层立体栽培提高了空间利用率，在有限的空间内实现大规模生产从而大幅度提高单位面积产量；

(4)采用每个区域每个培养架独立配置控制箱和特定发光装置如特定荧光灯，能够针对不同需要提供不同的光照时间和光照强度，提高光能的利用效率，并对应不同植物对光环境的需求；

(5)空调冷凝水和加湿器溢流的回收使用提高了水的利用效率；

(6)基于嵌入式网络技术的环境控制系统实现了实时动态的环境监测和控制，系统的自学习功能使系统在积累运行经验的同时不断地修正其最适运行模式，管理者和开发者利用WEB动态发布随时监控系统运行，从而逐步实现了系统的标准化、智能化的环境控制和生产管理；

综上所述，本发明公开的植物工厂能够实现低成本、低能耗、操作简便，适用于标准化、规格化的环境控制与生产管理。

本发明可直接应用于无农药、高品质和高附加值的植物遗传资源和种苗的低成本化的大量快速繁殖和大规模生产，实现标准化和规格化的栽培管理和计划生产。主要适用于各种新品种、脱毒苗、转基因苗等不易种子繁育的花卉、林木、蔬菜、中药草等种苗或植物的低成本化的大量快速繁殖与规模化生产，及其菌类、苔藓类、昆虫的工厂化生产；也可应用于各种环境控制、植物生理抗逆性、组织培养、遗传育种等领域的科研试验，也可进行植物信息检测的技术开发。

附图说明

图1是密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂的系统示意图；

图2是基于嵌入式网络技术的控制系统的硬件结构示意图；

图3是密闭式植物工厂的自动计电系统结构示意图；

图4是光照控制箱结构示意图。

图1中：1、围护结构；2、送风夹道；3、送风口；4、通风管道；5、温湿度传感器；6、风速传感器；7、风量调节阀；8、回风风机；9、回风口；10、空调；11、送风风机；12、高效过滤器；13、加湿器；14、电磁阀；15、配电箱；16、系统控制箱；17、初效过滤器；18、CO₂供气管；19、通风管道；20、CO₂气瓶；21、纯水机；22、加湿器进水管；23、水箱；24、回水管；25、营养液箱；26、室内CO₂传感器；27、室内温湿度传感器；28、控制室外空气进入的风阀；29、送风处的温湿度传感器；30、断电保护装置；31、定时器；32、开关；33、电表；34、计算机；35、485通讯端口。

具体实施例

下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施方式，但不用来限制本发明的保护范围。

如图1所示，在本实施例中，维护结构1由隔热彩钢板做成，为系统提供了密闭、隔热、不透光的物理性建筑结构。所采用空气循环系统为一正压自循环系统，利用通风管道4将各设备连接，形成一个密闭的循环通道。室内空气经回风口9处的初效过滤器，被回风风机8抽出，经过空调10的温度调节处理，再由送风机11送至高效过滤器12进行过滤，然后经过加湿器13和CO₂供气管18调节相对湿度和CO₂浓度后，从送风管进入送风夹道2，最后从侧墙上的送风口3进入室内。在系统运行过程中，当室内温/湿度传感器27和CO₂传感器26检测到室内温/湿度和CO₂浓度通过专用算法预测在下一时刻将超出设定的控制范围时，控制系统就会发出指令启动或停止相应设备。比如温度异常，就会启动空调10进行加热或制冷；湿度异常就会打开加湿器13进行加湿，或者打开新风阀28通入室外新风降低湿度，加湿所用的水由纯水机21提供，经过加湿管道22送到加湿器；CO₂浓度低于设定值时系统就会打开电磁阀14，CO₂气体从CO₂气瓶20通过气管18进入风管，随气流进入室内，CO₂浓度高于设定值时系统就打开风阀28通入室外新风稀释室内CO₂浓度。系统制冷过程中所得的冷凝水和加湿时溢出的水通过回水管24流回水箱23，为营养液箱25中营养液的配制供水，从而实现水的循环利用。室外新鲜空气经过初效过滤器17进入风管19，再经过高效过滤器的进一步过滤，被风机送入室内。风速传感器6测量风道内的风速，从而可以确定系统的送风量，送风量的大小根据需要可以通过风量调节阀7进行调节。回风处温/湿度传感器5和送风处温/湿度传感器29主要用于检测回风处和进风处的空气温湿度。系统的控制模块、继电器模块、自动计电模块全部收纳到系统控制箱16里。

如图2所示，在实际操作中，所有设备都由控制系统通过监控软件(嵌入无线网络式环境控制系统，软件著作权登记号2005SRBJ1769)进行自动控制。各种传感器用于监测整个系统内的环境状况，基于嵌入式网络技术的控制模块是由多个嵌入式控制芯片组成，该控制模块将传感器检测的模拟信号转换成数字信号，所有检测信号经由监控软件分析比较预测后，按照优化的控制模式与最适控制算法发出控制指令，再经过控制模块将动作指令传给继电器模块，从而启动或关闭相应的执行机构。

如图3所示，本发明的自动机电系统包含多块多功能三相或单相电表33来自动计量所有执行机构的耗电量，这些电表33通过485通讯端口35与监控计算机34相连，通讯协议支持国际《多功能电能表通信规约》(Multi-function watt-hour meter communication protocol)DL/T645-1997标准。该自动机电系统针对系统内各用电设备(包括空调、风机、光照、加湿器等)的耗电量分别进行统计核算，明确各用电设备的用电情况，并将统计结果传送给控制系统，通过对各用电设备的绩效考察，进一步优化系统控制方案，为节省电能消耗和提高电能使用效率提供参考依据。

在本实施例中，光源供给系统由荧光灯和配电箱15组成。如图4所示，配电箱15包括定时器31、断电保护装置30和多组开关32。各开关32与各组荧光灯相连，通过设定定时器31来控制各组荧光灯的工作时间。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尤其是本环境控制技术可以同时控制多套系统，从而建立大规模的分布式的植物工厂系统，以适应大规模不同植物种类生产的需求。通过以上实施例对本发明进行的详细描述，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂，包括围护结构、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、CO₂供给系统、光源供给系统，其特征在于：还包括基于嵌入式网络技术的控制系统，该控制系统用于监控空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、CO₂供给系统和光源供给系统的状态和运行；所述的围护结构是密闭隔热不透光的，所述的光源供给系统的光源是完全人工光源，所述的基于嵌入式网络技术的控制系统，包括多组嵌入式网络的控制模块、分布式继电器模块和环境因子监测传感器以及计算机，环境因子监测传感器用于监测整个系统内的环境状况，利用以太网集线器将多组嵌入式控制模块连接组成局域网，并与计算机连接，基于嵌入式网络技术的控制模块将传感器检测的模拟信号转换成数字信号，并传送给计算机，所有检测信号经由控制软件分析、比较、预测后，按照能源优化的控制模式与基于植物环境反馈的最适控制原则发出控制指令，经过控制模块将动作指令传给继电器模块，从而启动或关闭相应的执行机构，并且通过计算机监控软件和因特网对系统内所有控制参数、实时监测数据和图像动态地进行WEB发布。

2、根据权利要求1所述的植物工厂，其特征在于：还包括自动计电系统，该自动计电系统对各用电设备的耗电量分别进行统计核算，并将统计结果传送给控制系统，通过对各用电设备的绩效考察，进一步优化系统控制方案。

3、根据权利要求1或2所述的植物工厂，其特征在于：所述的空气循环系统采用正压循环方式，包括回风机(8)、送风机(11)、初效过滤器及高效过滤器(12)，采用两侧送风和顶端回风方式，空气由回风机(8)吸入，经回风口、初效过滤器(9)和高效过滤器(12)两级过滤，由送风机(11)送出；室内消耗的空气由室外补充，室外空气进入通风道(19)后先经过初效过滤器(17)，再由风阀(28)自动控制送入空气循环系统。

4、根据权利要求1或2所述的植物工厂，其特征在于：所述的温度调节系统包括空调机组(10)、多台压缩机和压力控制器，所述空调机组的制冷和加热互锁，所述压缩机的工作数量由压力控制器根据系统内部的热负荷来决定。

5、根据权利要求1或2所述的植物工厂，其特征在于：所述的湿度调节系统包括加湿器(13)和纯水机(21)，加湿器(13)的供水采用经过纯水机(13)过滤的纯水。

6、根据权利要求1或2所述的植物工厂，其特征在于：所述的CO₂供给系统包括装有液态CO₂钢瓶(20)、压力调节阀、流量计及电磁阀(14)，CO₂通过压力调节阀、流量计、电磁阀与送风管道相连；CO₂气体供应电磁阀(14)与光源供给系统联动控制，光源打开时，CO₂气体供应电磁阀(14)才会打开。

7、根据权利要求1或2所述的植物工厂，其特征在于：所述的光源供给系统包括发光装置和控制箱(15)，所述发光装置是与植物吸收光谱相近的特定光谱的人工光源，控制箱(15)包括定时器(30)、断电保护装置(31)和多组开关(32)，发光装置分组与控制箱(15)相连，受控制箱控制，每个培养区域均独立配置控制箱(15)和发光装置，光照的时间和强度采用定时分档方式。

8、根据权利要求1或2所述的植物工厂，其特征在于：还包括水回收利用系统，所述水回收利用系统包括：空调冷凝水回收装置和加湿器溢流水回收装置，回收的水经过滤后进入营养液灌溉系统。

9、根据权利要求1或2所述的植物工厂，其特征在于：所述的植物工厂采用多层培养架式的立体栽培方式，并且每个培养架均独立配置控制箱(15)和发光装置，所述的空气循环系统的送风散流口与多层培养架一一对应。