CN104472335B - 一种用于花卉生产的温室型植物工厂系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于花卉生产的温室型植物工厂系统，包括智能环境系统、无土栽培系统、上位控制系统；其中，智能环境系统包括环境控制器、外环境传感器、内环境传感器、执行机构；外环境传感器包括与环境控制器连接的温湿度一体化传感器A、风速传感器、风向传感器、雨量雪量传感器；内环境传感器包括与环境控制器连接的温湿度一体化传感器B、红外温度传感器、水温传感器、CO2浓度传感器、光强传感器；执行机构与环境控制器连接的卷膜装置、遮阳装置、顶窗开闭装置、LED补光装置、CO2补充装置、加热装置；所述的环境控制器与上位控制系统连接。本发明是一种符合我国农业水平实际、回收投资快、技术先进、实用并可推广的温室型植物工厂。

Description

一种用于花卉生产的温室型植物工厂系统
技术领域
本发明属于现代农业技术领域，具体涉及一种用于花卉生产的温室型植物工厂系统结构技术领域。
背景技术
花卉业作为一种高效农业产业，在我国农业及农村经济中的地位越来越重要。随着我国设施农业的迅速发展，全国各花卉产区普遍建设了日光温室和塑料大棚为花卉创造良好的生长环境。但是现有的大多数温室大棚都采用人工管理，存在着设施落后、劳动强度大等弊端，只起到了对花卉的保护和保持的作用，却远远没有达到高效、高产的水平。
植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来，按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统。植物工厂从广义上来说分为温室型半侯的植物工厂和封闭型全天候的植物工厂。封闭型的全天候植物工厂在建设初期的投资很大，而且系统的运行费用很高，不适合中国农村现状。温室型半侯的植物工厂的投资、运行成本相对较低，因为采用了植物工厂高度集约的栽培模式，不管是劳动力还是能源资源上都得以最经济的利用，栽培效率与效益得到大幅度的提高，同时还具有有标准化、流程化生产的优势，极大降低了对普通劳动人员在农业技能上的要求，在我国更容易得到大规模的推广和应用。但是，温室型半侯的植物工厂对阳光的依赖较大，需要根据具体实施地的气象环境，在加温、降温、补光、二氧化碳浓度、施肥等控制因子中，考虑成本与产量的平衡，得到最优的控制策略。
因此，对于如何创建一种能够用于花卉生产，符合我国农业水平实际、回收投资快、技术先进、实用并可推广的温室型植物工厂，目前还没有具体、可行的技术解决方案。
发明内容
基于上述原因，本发明提出一种综合应用无土栽培技术、温室环境控制技术、自动控制技术、计算机技术的植物工厂系统。本发明通过下列技术方案完成：
一种用于花卉生产的温室型植物工厂系统，本发明包括智能环境系统、无土栽培系统、上位控制系统；其中，智能环境系统包括环境控制器、外环境传感器、内环境传感器、执行机构；外环境传感器包括与环境控制器连接的温湿度一体化传感器A、风速传感器、风向传感器、雨量雪量传感器；内环境传感器包括与与环境控制器连接的温湿度一体化传感器B、红外温度传感器、水温传感器、CO2浓度传感器、光强传感器；执行机构与环境控制器连接的卷膜装置、遮阳装置、顶窗开闭装置、LED补光装置、CO2补充装置、加热装置；所述的环境控制器与上位控制系统连接。
本发明所述的无土栽培系统包括设置在温室大棚内的无土栽培槽，铺设在无土栽培槽内的滴管带；滴管带通过灌溉泵与营养液储存罐连接；汇流槽依序通过回收池、回水泵、回水储存罐、混肥及供肥自动控制装置与营养液储存罐连接；混肥及供肥自动控制装置分别还连接有清水储存罐和肥液组罐；设置有加热及储热装置依序通过加热管、加热水泵、加热管后，回连至加热及储热装置内构成回路。
本发明无土栽培槽设置有与水平呈3-7°的夹角。
温室型植物工厂系统由智能环境系统、无土栽培系统、上位控制系统三大系统组成。其中智能环境系统完成温室作物所需光照、CO2、温度、湿度四个主要环境条件的自动控制；无土栽培系统实现整个无土栽培工艺中营养液的自动配制、灌溉和回收；上位控制系统对生产过程进行监控，并把采集的过程数据存于数据库中，结合预先建立的种植模型，通过对温室综合环境因子的分析，得到植物不同生长时段的最佳环境参数、营养液配方、灌溉参数，最终将相关控制参数下传至自动控制器，实现植物工厂的智能管理和自动控制。
智能环境系统包括环境控制器、内外环境传感器，执行机构。其中内环境传感器完成棚内温湿度、叶面温度、加热管进出口温度、CO2浓度、室内照度的检测，外环境传感器完成室外温湿度、风速、风向、照度、雨雪量的检测。智能环境系统通过内外环境传感器采集温室内外环境和室内作物生长发育状况等信息，并发送到上位系统，由上位系统进行分析运算后再下发控制指令和控制参数到智能环境系统，协调控制各执行装置的动作，从而实现对温室内环境智能控制的目的。
无土栽培系统首先根据上位控制系统给定的多种肥液、酸和水的比例配方，通过对营养液EC和PH的检测，自动配制成含农作物所需营养成分的营养液，然后根据接收到的灌溉参数控制电磁阀和水泵实现营养液的供给量及供给时间的自动控制。并且营养液可循环利用，最大限度地节约水资源和肥料，实现与当地土壤环境无关的作物种植。
本发明提供的一种用于花卉生产的温室型植物工厂系统，具有温室环境自动调控、配肥施肥自动控制、营养液自动回收、种植工艺参数自动优化、网络集中监控等功能，同时还具有花卉产量高、质量好，系统节能环保等优点，是一种符合我国农业水平实际、回收投资快、技术先进、实用并可推广的温室型植物工厂。
下面结合说明书附图和具体实施例进一步阐述本发明的内容。
附图说明
图1为本发明实施例的系统示意图；
图2为本发明实施例的智能环境系统原理框图；
图3为本发明实施例的无土栽培系统示意图。
图1中：1、上位控制系统；2、肥液组罐；3、营养液储存罐；4、智能环境系统；5、加热及储热装置；6、加热水泵；7、灌溉泵；8、滴管带；9、加热管；10、温室大棚；11、无土栽培槽；12、汇流槽；13、回收池；14、回水泵；15、回水储存罐；16、清水储存罐；17、混肥及供肥自动控制装置。图1中，除上位控制系统1，加热及储热装置5外，其余设施均布置于温室大棚10内部。
具体实施方式
本发明通过如下技术方案来实现。
如图1，图2，图3， 一种用于花卉生产的温室型植物工厂系统，本发明特征在于，包括智能环境系统、无土栽培系统、上位控制系统；其中，智能环境系统包括环境控制器、外环境传感器、内环境传感器、执行机构；外环境传感器包括与环境控制器连接的温湿度一体化传感器A、风速传感器、风向传感器、雨量雪量传感器；内环境传感器包括与与环境控制器连接的温湿度一体化传感器B、红外温度传感器、水温传感器、CO2浓度传感器、光强传感器；执行机构与环境控制器连接的卷膜装置、遮阳装置、顶窗开闭装置、LED补光装置、CO2补充装置、加热装置；所述的环境控制器与上位控制系统连接。
本发明所述的无土栽培系统包括设置在温室大棚10内的无土栽培槽11，铺设在无土栽培槽11内的滴管带8；滴管带8通过灌溉泵7与营养液储存罐3连接；汇流槽12依序通过回收池13、回水泵14、回水储存罐15、混肥及供肥自动控制装置17与营养液储存罐3连接；混肥及供肥自动控制装置17分别还连接有清水储存罐16和肥液组罐2；设置有加热及储热装置5依序通过加热管9、加热水泵6、加热管9后，回连至加热及储热装置5内构成回路。
本发明无土栽培槽11设置有与水平呈3-7°的夹角。
上位控制系统1采用以太网方式分别连接智能环境系统4，混肥及供肥自动控制装置17，并与上述装置的控制器进行通信，采集与这两个控制器连接的相关传感器信息和执行机构状态并送到数据库进行存储。上位软件从采集到的传感器信息可得到温室综合环境因子和植物的生长状态，再根据事先建立的花卉种植模型进行分析运算，得到植物不同时段的环境、营养液配方、灌溉的控制参数，此外上位软件还能根据能源成本模型和外部环境实际情况，从成本管理的角度，对上述控制参数进行优化，然后下传执行指令和控制参数到智能环境系统和混肥及供肥自动控制装置，从而实现整个种植生产过程的智能管理和自动控制。
温室大棚10内部可放置多个具有倾角的无土栽培槽11，无土栽培槽底座由空心砖搭建，底座上方的槽体用PE材料搭建，槽体外部用U型抱箍紧固，槽体内部最底层垫上一层瓜子石，瓜子石上面再铺设一层混合基质，混合基质可用椰糠和粒状珍珠岩配制，无土栽培槽底部与地面具有3-7度的倾角。在每个无土栽培槽的混合基质上布置滴管带8，当营养液通过滴灌带输送流入混合基质后，植物根部吸收营养和水分，未被吸收的剩余营养液渗入栽培槽下部，由于重力作用通过瓜子石缝隙统一流向汇流槽12，并由汇流槽流到回收池13，当回收池水位达到一定高度时，混肥及供肥自动控制装置17启动回水泵14，将回水池内营养液抽到回水储存罐15，实现营养液的缓存，并供系统循环使用。
混肥及供肥自动控制装置17，可根据上位控制系统1下达的配方，选择采用清水储存罐16或回水储存罐15内的水或回收营养液，按照不同比例从肥液组罐2内混入相应肥液，自动配置营养液并进入营养液储存罐3，实现营养液的缓存。同时，根据上位控制系统1的灌溉指令，混肥及供肥自动控制装置17控制灌溉泵7完成营养液的定时及定量灌溉。
本植物工厂系统采用管道加热的方式，加热及储热装置5将储热介质如水加热至高温储存，并在温室内布置加热管9。当需要加温时，智能环境系统4打开加热水泵6，热水进入加热管9，热量经管道辐射至温室内，提高室内温度，热水流回加热及储热装置5后，温度降低，当低于某值时，加热及储热装置5对其重新加热。当温度较低湿度较大时，利用此方式还可降低温室内的相对湿度，可作为湿度控制的辅助手段。
智能环境系统4由环境控制器，内外环境传感器和执行机构组成，如图2所示。
其中内环境传感器包括温湿度一体化传感器、红外温度传感器、水温传感器、CO2浓度传感器、光强传感器，完成棚内温湿度、叶面温度、加热管进出口温度、CO2浓度、室内光照度的检测；外环境传感器包括温湿度一体化传感器、风速传感器、风向传感器、光强传感器、雨量雨雪传感器，完成室外温湿度、风速、风向、照度、雨雪量的检测。上述内外环境传感器可通过RS485、4-20ma模拟量或者数字量方式连接到控制器相应接口，实现环境信息数据的采集。
环境控制器通过数字量输出接口及相关驱动电路还连接了卷膜装置、遮阳装置、顶窗开闭装置、LED补光装置、CO2补充装置、加热装置等执行机构。其中，卷膜装置结构为，卷膜电机控制温室侧膜的打开和关闭，实现温室内的通风和降温；遮阳装置为，遮阳电机控制温室顶部遮阳网的打开和关闭，实现温室内的光照控制和降温；顶窗开闭装置为，顶窗电机控制温室顶窗的打开和关闭，实现温室内的通风和降温；CO2补充装置为，当温室内CO2 浓度降低时，环境控制器打开CO2补充装置的供气电磁阀，为作物补充CO2气体；当温室内植物需要补光时，环境控制器打开LED补光装置，为作物补充光线；加热装置为，当当温室内植物需要加温时，环境控制器自动打开加热装置中的加热器对温室进行加温。这些执行机构经环境控制器协调动作后，可实现环境温度、湿度、光照、CO2 的综合控制。
工作时，环境控制器通过内外环境传感器采集温室内外环境和室内作物生长发育状况等信息，并上传到上位系统，上位系统分析运算后将控制指令和控制参数下发环境控制器，再由环境控制器控制各执行装置的动作，从而实现对温室内环境智能控制的目的。
如上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以此限定本发明的范围，即依本发明专利申请保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种用于花卉生产的温室型植物工厂系统，其特征在于，包括智能环境系统、无土栽培系统、上位控制系统；其中，智能环境系统包括环境控制器、外环境传感器、内环境传感器、执行机构；外环境传感器包括与环境控制器连接的温湿度一体化传感器A、风速传感器、风向传感器、雨量雪量传感器；内环境传感器包括与与环境控制器连接的温湿度一体化传感器B、红外温度传感器、水温传感器、CO2浓度传感器、光强传感器；执行机构包括与环境控制器连接的卷膜装置、遮阳装置、顶窗开闭装置、LED补光装置、CO2补充装置、加热装置；所述的环境控制器与上位控制系统连接；
所述的无土栽培系统包括设置在温室大棚(10)内的无土栽培槽(11)，铺设在无土栽培槽(11)内的滴管带(8)；
滴管带(8)通过灌溉泵(7)与营养液储存罐(3)连接；汇流槽(12)依序通过回收池(13)、回水泵(14)、回水储存罐(15)、混肥及供肥自动控制装置(17)与营养液储存罐(3)连接；混肥及供肥自动控制装置(17)分别还连接有清水储存罐(16)和肥液组罐(2)；设置有加热及储热装置(5)依序通过加热管(9)、加热水泵(6)、加热管(9)后，回连至加热及储热装置(5)内构成回路；
无土栽培槽(11)设置有与水平呈3-7°的夹角；
上位控制系统(1)采用以太网方式分别连接智能环境系统(4)，混肥及供肥自动控制装置(17)，并与智能环境系统(4)、混肥及供肥自动控制装置(17)的控制器进行通信，采集与这两个控制器连接的相关传感器信息和执行机构状态并送到数据库进行存储；从采集到的传感器信息得到温室综合环境因子和植物的生长状态，再根据事先建立的花卉种植模型进行分析运算，得到植物不同时段的环境、营养液配方、灌溉的控制参数，此外还能根据能源成本模型和外部环境实际情况，从成本管理的角度，对上述控制参数进行优化，然后下传执行指令和控制参数到智能环境系统和混肥及供肥自动控制装置，从而实现整个种植生产过程的智能管理和自动控制；
温室大棚(10)内部放置多个具有倾角的无土栽培槽(11)，无土栽培槽底座由空心砖搭建，底座上方的槽体用PE材料搭建，槽体外部用U型抱箍紧固，槽体内部最底层垫上一层瓜子石，瓜子石上面再铺设一层混合基质，混合基质用椰糠和粒状珍珠岩配制，在每个无土栽培槽的混合基质上布置滴管带(8)，当营养液通过滴灌带输送流入混合基质后，植物根部吸收营养和水分，未被吸收的剩余营养液渗入栽培槽下部，由于重力作用通过瓜子石缝隙统一流向汇流槽(12)，并由汇流槽流到回收池(13)，当回收池水位达到一定高度时，混肥及供肥自动控制装置(17)启动回水泵(14)，将回水池内营养液抽到回水储存罐(15)，实现营养液的缓存，并供系统循环使用；
混肥及供肥自动控制装置(17)，根据上位控制系统(1)下达的配方，选择采用清水储存罐(16)或回水储存罐(15)内的水或回收营养液，按照不同比例从肥液组罐(2)内混入相应肥液，自动配置营养液并进入营养液储存罐(3)，实现营养液的缓存；同时，根据上位控制系统(1)的灌溉指令，混肥及供肥自动控制装置(17)控制灌溉泵(7)完成营养液的定时及定量灌溉；
本植物工厂系统采用管道加热的方式，加热及储热装置(5)将储热介质如水加热至高温储存，并在温室内布置加热管(9)；当需要加温时，智能环境系统(4)打开加热水泵(6)，热水进入加热管(9)，热量经管道辐射至温室内，提高室内温度，热水流回加热及储热装置(5)后，温度降低，当低于某值时，加热及储热装置(5)对其重新加热；当温度较低湿度较大时，利用此方式降低温室内的相对湿度，作为湿度控制的辅助手段；
智能环境系统(4)包括环境控制器，内外环境传感器和执行机构；
其中内环境传感器包括温湿度一体化传感器B、红外温度传感器、水温传感器、CO2浓度传感器、光强传感器，完成棚内温湿度、叶面温度、加热管进出口温度、CO2浓度、室内光照度的检测；外环境传感器包括温湿度一体化传感器A、风速传感器、风向传感器、雨量雨雪传感器，完成室外温湿度、风速、风向、照度、雨雪量的检测；上述内外环境传感器通过RS485、4-20ma模拟量或者数字量方式连接到控制器相应接口，实现环境信息数据的采集；
环境控制器通过数字量输出接口及相关驱动电路还连接了卷膜装置、遮阳装置、顶窗开闭装置、LED补光装置、CO2补充装置、加热装置执行机构；其中，卷膜装置结构为，卷膜电机控制温室侧膜的打开和关闭，实现温室内的通风和降温；遮阳装置为，遮阳电机控制温室顶部遮阳网的打开和关闭，实现温室内的光照控制和降温；顶窗开闭装置为，顶窗电机控制温室顶窗的打开和关闭，实现温室内的通风和降温；CO2补充装置为，当温室内CO2浓度降低时，环境控制器打开CO2补充装置的供气电磁阀，为作物补充CO2气体；当温室内植物需要补光时，环境控制器打开LED补光装置，为作物补充光线；加热装置为，当温室内植物需要加温时，环境控制器自动打开加热装置中的加热器对温室进行加温；这些执行机构经环境控制器协调动作后，实现环境温度、湿度、光照、CO2的综合控制；
工作时，环境控制器通过内外环境传感器采集温室内外环境和室内作物生长发育状况信息，并上传到上位控制系统，上位控制系统分析运算后将控制指令和控制参数下发环境控制器，再由环境控制器控制各执行装置的动作，从而实现对温室内环境智能控制的目的。
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