CN101547597A - 用于温室的控制设备 - Google Patents

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CN101547597A CNA2007800452505A CN200780045250A CN101547597A CN 101547597 A CN101547597 A CN 101547597A CN A2007800452505 A CNA2007800452505 A CN A2007800452505A CN 200780045250 A CN200780045250 A CN 200780045250A CN 101547597 A CN101547597 A CN 101547597A
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W·O·巴德
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Abstract

本发明涉及一种用于温室(15)的控制设备(10)，其具有计算机控制元件(20)、照明元件(30)和至少一个检测器元件(40)，其中，照明元件(30)和检测器元件(40)与计算机控制元件(20)连接，其中，照明元件(30)包括至少一个发射光(32)的发光装置(31)，其中，光(32)照射在温室(15)中生长的植物(70)。

Description

用于温室的控制设备
本发明涉及用于温室的控制设备，其具有计算机控制元件、照明元件和至少一个检测器元件，其中，照明元件和检测器元件与计算机控制元件连接，其中，照明元件包括至少一个发射光的发光装置，其中，光照射在温室(greehouse)中生长的植物。
在US2005/0252078 A1中，描述了一种用于以成本效率的方式优化植物生长的系统。系统包括处理器，该处理器与测量温室内不同资源(例如，照明或二氧化碳浓度)的多个资源控制器通信。处理器执行算法，所述算法接收所希望的植物生长率和其他输入(比如，系统和环境的工作条件)，并且按照植物生长目标和资源成本确定要消耗的每一种资源的量。不幸的是，在所述专利申请中描述的系统仅仅关于植物生长成本方面进行优化。
因此，本发明的目的是消除上述缺陷。特别地，本发明的目的是提供一种用于温室的高效控制设备，其使得植物最优生长。
该目的通过如由本发明的权利要求1所教导的用于温室的控制设备实现。该目的还通过由如本发明的权利要求7所教导的用于控制温室中的植物生长的方法实现。在从属权利要求中限定了控制设备和方法的有益实施例。
本发明的目的通过用于温室的控制设备实现，其具有计算机控制元件、照明元件和至少一个检测器元件，其中，照明元件和检测器元件与计算机控制元件连接，其中，照明元件包括至少一个发射光的发光装置，其中，光照射在温室中生长的植物，检测器元件测量温室中的氧分压，并且由发光装置发射的光的量可由计算机控制元件根据所测量的氧分压来控制。
所描述的本发明的上下文中的术语计算机控制元件包括所有种类的计算机控制机器，例如膝上型电脑、工作站、微控制器、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)。这种计算机控制元件已知用于接收程序并存储数据，这些数据由所有种类的检测器元件检测。计算机控制元件还可以是PDA(个人数字助理)，最初设计为个人备忘记事本、但是现在更多用途的手持式设备。PDA用作计算机控制元件将使得园丁能够拥有允许他控制温室的移动系统。在检查温室期间，可以完成环境设置中的任何改变。
在本发明的上下文中，术语检测器元件包括电力或电子驱动的传感器。这种检测器元件可以直接指示或者与指示器配对，使得所感测的值变成人们可读的。检测器元件可以布置在温室内的中央。也可能的是，多个检测器元件在温室中空间分布。而且，检测器元件可以成组地布置，以测量温室内的微气候，使得根据所述方法测量和控制环境参数。
根据本发明的优选实施例，控制设备包括至少一个第二检测器元件，其测量植物的光合活性。第二检测器元件可以例如测量植物的葡萄糖或淀粉水平，因为它们是植物的光合活性的直接指示。而且，第二检测器元件可以测量由植物的叶子吸收的光量。
根据另一个实施例，控制设备包括至少一个第三检测器元件，其测量第三资源。该附加测量结果使得控制设备完全能够对所有资源进行总体控制，从而影响植物或种子的生长。选择所测量的第三资源依赖于生长的植物或种子的类型。该第三资源可以是基底或土壤的温度、空气的温度、基底或土壤的湿度、基底或土壤中肥料的浓度、空气的湿度、二氧化碳分压或外部阳光的通量。而且，第三检测器可以是光谱仪，以测量外部阳光或由发光装置发射的光的光谱。公知的是，叶绿素(在大多数植物中发现的光合色素)帮助植物从光中获取能量。已经测量出，叶绿素A和B吸收蓝色和红色光谱中的光。因此，利用具有处于蓝色或红色波段内的波长的光照耀植物是有益的。为了检测由发光装置发射的光的波长分布，可以使用光谱仪。例如，光谱仪可以包括色散光学元件，该色散光学元件可以是棱镜、衍射光栅、全息光学元件或任何其他合适的元件。进入光谱仪并由色散光学元件色散的光入射到线性检测器阵列上，该阵列可以是CCD阵列。光谱也可以在没有光学元件和/或滤光器的情况下使用辅助的金属氧化物半导体(CMOS)技术来测量。
由于温室与外部世界相互作用，所以第三检测器元件还可以例如测量进入或离开温室的空气的量。在该实施例中，第三检测器元件可以不仅测量进入的或离开的空气的湿度，而且特别地可以测量速度、温度和氧分压。如此测量的信息送入计算机控制元件，从而使得它能够优化由发光装置发射的光的量。
根据另一个实施例，控制设备包括至少一个供给元件，其中，供给元件向植物供给第二资源，其中，给予植物的第二资源的量可以由计算机控制元件控制。第二资源可以例如是水、肥料或植物所需的其他养分。根据本发明，第三检测器元件测量植物正常生长所需的所有必需的资源。由第三检测器元件检测的所有信息在计算机控制元件中收集和分析。如果检测到任何种类的缺陷，计算机控制元件尽力补偿该缺陷。因此，供给元件能够输送植物正常生长所需的所有种类的基底，并且所述供给元件在本发明第二资源的上下文中指定。因此，供给元件可以包括水供给装置或养分供给装置，它们中的每一个都与计算机控制元件连接。计算机控制元件能够控制由于所测量的缺陷而输送给植物的第二资源的量。而且，输送给植物的第二资源的量和光的量由计算机控制元件优化。所以计算机控制元件测量、输送和优化用于确保植物的高质量生长所需的所有必需的资源。
根据优选实施例，发光装置是LED、OLED、气体放电灯、高强度放电灯、白炽灯、荧光灯或高压钠灯。照明元件可以包括多个发光装置，其在温室中空间分布以实现均匀照射。根据优选实施例，照明元件包括至少两个不同类型的指定照明装置的组合。例如，照明元件可以包括高压钠灯和LED的组合、LED和OLED的组合、或高压钠灯和OLED的组合。
LED(发光二极管)具有这样的优点：它们的光谱可以设计成使得其精确地满足植物的要求。所述的优点也适用于OLED(有机发光二极管)，其是在其中发射层可以包括某种有机成分的薄膜的特殊类型发光二极管。OLED的优点在于，它是具有潜在低成本和高效率的均匀大面积光源，并且因此OLED更好地适合于在其中所有者总成本很重要的园艺应用。这些OLED利用流过有机材料薄膜的电流来产生光。所发射的光的颜色和从电流到光的能量转换效率由有机薄膜材料的成分确定。然而，OLED包括作为载体层的基底材料，该基底材料可以由玻璃或有机材料制成或由非透射材料(如金属箔)制成。而且，有机发光二极管由至少一个在覆盖有导电且透光的氧化物的玻璃基底上、具有大约5-500nm层厚的非常薄层的有机物质组成。该导电层通常实现为氧化铟锡(ITO)。
通常，ITO层形成阳极，且铝层形成阴极，而铝层的特征是大约100nm的厚度，且因此类似于ITO层的厚度。这种厚度的铝用作镜子，从而发射仅仅通过透明的ITO阳极和透明的基底。如果阴极材料薄到足以是部分透明的，一部分光也可以通过阴极发射。通过将其他合适的材料用作阴极，OLED可以制成光学透明的。在这种情况下，OLED可以用作一种窗户，在白天该窗户让阳光进入温室。但是在夜间OLED可以用作照明装置，其照射温室。
根据本发明的另一个实施例，照明元件可以由OLED阵列组成，该OLED阵列包括至少两组不同的OLED，其中，第一组OLED输送生长光，以及第二组OLED输送用于植物的控制光。公知的是，植物纯粹的(sheer)生长主要依赖于具有由叶绿素A或B吸收的波长的光的量。为了实现植物的充分生长，发光装置的第一组OLED应当由以不同波长发射的至少两种类型的OLED组成。优选的是，第一类型的OLED在具有在400nm到500nm之间的波长的蓝色光区域中发射。而且，第二类型的OLED将在600nm到700nm之间的红色光区域中发射。在另一个优选实施例中，由第一组OLED发射的生长光可以由大约80％到90％的红色光和10％到20％的蓝色光组成。
除了所描述的生长光之外，控制光应当用来控制植物的生长。植物(无论是巨大的还是小且密集的)的生长可以通过用不同颜色的光照射植物来控制。公知的是，使用大量的蓝色光(400nm到500nm)产生高植物，而使用少量的蓝色光产生小且密集的植物。而且，在绿色光谱中的光提高了植物增殖的可能性。此外，通过使用具有适当波长的光，可以控制植物的开花。因此，通过控制发射到植物上的波长的类型，可以控制植物生长的方法和方式。
在优选实施例中，控制设备包括至少一个遮蔽装置，其中，通过移动遮蔽装置可以控制照到温室内的阳光的水平。遮蔽装置可以用来覆盖温室的屋顶窗，以保护易受损的种子和植物免于在阳光中烧毁。因此，所设置的电机和计算机控制的遮蔽装置可以被安装，并且与本发明中所述的控制设备连接。
在本发明的有益实施例中，控制设备包括与计算机控制元件、检测器元件、第二和第三检测器元件以及所述装置连接的有线或无线网络。通过使用网络，来自检测器元件的所有信息对于计算机控制元件可以容易地是充足的，该计算机控制元件计算由发光装置发射的光的最优量。在需要在控制元件与检测器元件之间可靠连接的那些条件下，有线网络是优选的。然而，附加的硬件(如导线)必须分布在温室中，以使得这种类型的网络工作。缺点通过使用无线网络来避免。特别地，在现存的温室中，自组织网络是优选的，因为它不需要安装任何空间分布的硬件。不同的连接技术可以用于实现无线网络，但是优选的是，使用蓝牙、ZigBee或WiFi连接技术。特别地，最后两个指定的技术具有这样的优点：它们不会干扰由发光装置发射的电磁波。
而且，优选的是，计算机控制元件包括存储检测器元件所测量的值的数据库。通过分析在较长的时间周期上所测量的值，可以提高温室的效率。通过比较植物的连续生长周期，可以保持或提高其质量。
本发明的目的还可以通过用于控制温室中的植物生长的方法来实现，方法包括：
测量温室内的氧分压，所述氧分压与温室中的植物的光合活性相关，
将氧分压的值传输到计算机控制元件，
根据所测量的氧分压来确定植物的最佳生长所需的光的最优量，以及
将由发光元件发射的光的实际量调整为最优量。
在另一个优选实施例中，方法包括在不同的空间位置测量温室的资源(如氧分压)的值，并且计算空间平均值。通过使用该方法，资源的空间变化最终达到平衡。在另一个优选实施例中，方法包括在有限的空间区域中重复测量资源(如氧分压)的值，并且计算时间平均值。时间平均值具有这样的优点：在某一检测器元件处的波动最终达到平衡，从而仅仅检测所测量值的长期变化。所述空间或时间平均值可以存储在上述数据库中。这将使得控制设备的用户能够以每天、每周、每月为基础监视重要资源的漂移(drift)。而且，反馈回路可以集成在控制设备中。反馈回路是一种系统，其中输出反馈到系统中作为输入，这引起了新输出值的自校正和自限制计算。
反馈回路与存储过去值的数据库的组合导致用于植物的最佳生长所需的光量的最优确定。优选的是，所计算的光量由叶绿素吸收曲线影响并且依赖于多个测量结果。所以，不仅仅光量而且其波长分布可以由所描述的控制设备来计算和控制。
本发明的目的还可以通过根据所描述的权利要求的控制设备实现，该控制设备根据所描述的方法之一工作。
用于温室的控制设备、方法、以及要求保护的组件和在所描述的实施例中根据本发明所使用的组件的上述使用不易受到关于作为技术概念的尺寸、形状、材料选择任何特定例外的限定，从而使得选择标准在有关领域是公知的，可以不受限制地适用。在从属权利要求中和各个附图的以下描述中公开了本发明目的的附加细节、特性和优点。附图仅仅是示范性方式并且示出根据本发明的照射设备的优选实施例。
这些图是：
图1示出具有控制设备的温室的示意图，和
图2示出说明本发明方法的流程图。
图1示出根据本发明、具有控制设备10的温室15的示意图。在温室中，示出了两行苗床(bed)71。苗床71含有在其中生长植物70的土壤或基底。正如研究已经证明的，植物70的最优生长依赖于多个资源的利用率。植物70的生长与其光合作用直接相关，光合作用是由光、二氧化碳和水合成糖与作为废物的氧气。所以，对于植物70的生长，主要可依靠的资源是由叶绿素A和B吸收的可用的光量。通过测量氧分压，获得进行光合作用的效率、并且因此获得植物70的状况的极其精确的指示器。为了创建用于植物70生长的最优环境，温室15包括计算机控制元件20、照明元件30和至少一个检测器元件40。照明元件30布置在植物70的苗床71的上方。每一个照明元件30可以包括多个发射光32的发光装置31。根据季节和植物70，照明元件30可以是唯一的光源或自然阳光的补充。最后指定的自然阳光具有这样的优点：它是免费的，而人造光可以容易地调到与叶绿素A和B的吸收带精确匹配。而且，发光元件30可以包括布置成阵列、以照射温室15更大部分的多个发光装置31。在所示的图1中，检测器元件40位于温室15的中间，其测量氧分压。为了达到这个目的，检测器元件40可以使用多种技术，比如氧化锆、质谱测定法、电化学、红外线、超声波和激光。
为了完成对光合作用和植物70的健康的监测，控制设备10包括第二检测器元件45和第三检测器元件46。在所示的实施例中，第二检测器元件45感测植物70的葡萄糖或淀粉水平。第三检测器元件46测量可以根据生长的植物70而变化的第三资源。因此，所测量的第三资源可以是例如基底或土壤的温度、空气的温度、基底或土壤的湿度、肥料和基底或土壤的浓度、空气的湿度、二氧化碳分压或外部阳光的通量。最后所述的资源量还可以由布置在温室15屋顶上的遮蔽装置50控制。遮蔽装置50覆盖未示出的窗户，阳光通过该窗户照入温室15中。通过移动遮蔽装置50，可以控制阳光的水平。由于温室可以包括窗户，所以第三检测器元件46’可以测量进入或离开温室的空气33的量。所测量的值还可以包括进入或离开的空气33的速度、温度和氧分压。如此的测量信息送到计算机控制元件20里，从而使得它能够优化由发光装置31发射的光量。
而且，控制设备10可以包括供给元件，其中，供给元件向植物供给第二资源，其中，给予植物70的第二资源的量由计算机控制元件20控制。在所示的实施例中，供给元件是水供给装置55，其中，水供给装置55灌溉植物70。根据本发明，第三检测器元件46可以测量苗床71中的土壤的湿度。如果测量出任何种类的缺陷，计算机控制元件20通过在水供给装置55的帮助下灌溉植物71来尽力补偿该缺陷。
所示的检测器元件40、45、46、46’都与计算机控制元件20连接。测量氧分压的检测器元件40通过有线网络62与计算机控制元件20连接。其他所指定的检测器元件45、46、46’以及照明元件30、水供给装置55和遮蔽装置50通过无线网络60与计算机控制元件20连接。无线网络60包括多个通信装置61。第一通信装置61附接到计算机控制元件20上。其他通信装置61与第二和第三检测器元件45、46、46’或照明元件30连接。无线网络60可以特别地在现存的温室15中用于实现所描述的控制设备10。特别地，自组织网络是有用的，因为它们不需要基站。替代地，参与者发现在范围内的其他参与者，以形成用于计算机控制元件20的网络。这些自生成的网络容易使用、可靠且便宜，并且因此是用于与计算机控制元件20通信的理想解决方案。在所示实施例中，计算机控制元件20是工作站。如之前已经所述，该计算机控制元件20也可以是实现移动控制系统的PDA。计算机控制元件20可以包括为键盘的用户接口25。计算机接口25使得用户能够将关于植物70的信息输入到计算机控制元件20内。结合所测量的和所存储的信息，计算机控制元件20可以根据所测量的氧分压控制由发光装置31发射的光32的量。
为了说明用于控制温室15中的植物70生长的方法，图2示出了流程图、第一步骤101中，多次测量氧分压。随后，将测量的氧值平均102。如果多个检测器元件40均匀分布在温室15中，通过平均来计算整个温室15的平均值。另一方面，可以平均由单个检测器元件40完成的多个测量结果，以计算时间平均值。而且，可以分析由单个检测器元件40测量的值，以计算温室15内受限的微气候的影响。在下一个步骤110中，将氧分压的测量值与已知的最优值相比较。在所计算的偏差的帮助下，确定植物70的最佳生长所需的光的最优量111。在下面，将由照明元件30发射的光的实际量调整为所计算的最优量121。
启动定时器130，等待所限定的时间周期以分别触发100计算机控制元件20和检测器元件40。在整个过程期间，用户131可以与计算机控制元件20交互。通过输入植物70的种类，控制设备10可以确保：计算由叶绿素吸收曲线影响并依赖于多个测量结果的光的最优量。而且，用于控制植物70生长的方法可以包括影响所测量的值与最优值之间相互比较的反馈回路140。因此，产生基于植物70的长期性态的内部资料，从而使得控制设备10的用户能够优化他的园艺植物产量。
附图标记列表
10   控制设备
15   温室
20   计算机控制元件
25   用户接口
30   照明元件
31   发光装置
32   光
33   空气
40   检测器元件
45   第二检测器元件
46， 46’   第三检测器元件
50   遮蔽元件
55   水供给装置
60   无线网络
61   通信装置
62   有线网络
70   植物
71   苗床
100  触发控制元件
101  测量氧分压
102  平均
110  比较测量的氧分压
111  确定光的最优量
121  发射的最优量
130  用于重复的定时器
131  用户输入
140  反馈回路

Claims (13)

1.一种用于温室(15)的控制设备(10)，其具有计算机控制元件(20)、照明元件(30)和至少一个检测器元件(40)，
其中，照明元件(30)和检测器元件(40)与计算机控制元件(20)连接，
其中，照明元件(30)包括至少一个发射光(32)的发光装置(31)，
其中，光(32)照射在温室(15)中生长的植物(70)，
其特征在于，
检测器元件(40)测量温室(15)中的氧分压，以及
由发光装置(31)发射的光(32)的量可以由计算机控制元件(20)根据所测量的氧分压来控制。
2.根据权利要求1的控制设备(10)，其特征在于，
控制设备(10)包括至少一个第二检测器元件(45)，用于测量植物(70)的光合活性。
3.根据权利要求1或2的控制设备(10)，其特征在于，
控制设备(10)包括至少一个第三检测器元件(46，46’)，其测量第三资源，具体地是基底或土壤的温度、空气(33)的温度、基底或土壤的湿度、基底或土壤中肥料的浓度、空气(33)的湿度、二氧化碳分压、进入或离开温室(15)的空气的量、外部阳光的通量、外部阳光的光谱或光(32)的光谱。
4.根据任意前述权利要求的控制设备(10)，其特征在于，
控制设备(10)包括至少一个供给元件，其中，供给元件向植物(70)供给第二资源，其中，第二资源的量可以由计算机控制元件(20)控制。
5.根据任意前述权利要求的控制设备(10)，其特征在于，
发光装置(31)是LED、OLED、气体放电灯、高强度放电灯、白炽灯、荧光灯或高压钠灯、或所列出的这些灯的组合。
6.根据任意前述权利要求的控制设备(10)，其特征在于，
控制设备(10)包括至少一个遮蔽装置(50)，其中，通过移动遮蔽装置(50)可以控制照到温室内的阳光的水平；和/或水供给装置(55)，其中，水供给装置(55)灌溉植物(70)。
7.根据任意前述权利要求的控制设备(10)，其特征在于，
控制设备(10)包括有线(62)或无线网络(60)，所述有线或无线网络与计算机控制元件(20)、检测器元件(40)、第二(45)和第三检测器元件(46)以及所述装置(50，55)连接。
8.一种用于控制温室(15)中的植物(70)生长的方法，该方法包括：
测量温室(15)内的氧分压(101)，所述氧分压与温室(15)中的植物(70)的光合活性相关，
将氧分压的值传输到计算机控制元件(20)，
根据所测量的氧分压来确定植物(70)的最佳生长所需的光的最优量(111)，以及
将由发光元件(30)发射的光的实际量调整为最优量。
9.根据权利要求8的方法，其进一步包括：在不同的空间位置上测量氧分压(101)并且计算空间平均值，或者在有限的区域内重复测量氧分压(101)并且计算时间平均值，以及将值存储在数据库中。
10.根据权利要求8或9的方法，其进一步包括：将所计算的空间或时间平均值与过去测量的值相比较，以及测量并平均空间的或时间的第二资源和/或第三资源。
11.根据权利要求8到10的方法，其进一步包括：
在反馈回路中重复用于控制植物生长的方法，并且通过经用户接口(25)的输入影响最优量的调整。
12.根据权利要求8到11的方法，
其中，确定(111)光的最优量由叶绿素吸收曲线影响，并依赖于多个测量结果。
13.根据权利要求1到7的控制设备(10)，其依照根据权利要求8到12的方法来工作。
CNA2007800452505A 2006-12-07 2007-12-03 用于温室的控制设备 Pending CN101547597A (zh)

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