CN106231892A - 用于自动垂直园艺和农业的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于植物的连续自动生长的方法和装置，其利用从中心轴线沿径向延伸的竖向阵列的植物支承臂。每个臂具有多个穴托，所述多个穴托接收植物秧苗和液体营养物和水。灌注臂在生长灯和授粉臂的下方旋转。给送频率随着植物生长而增大。还可以提供富含CO2的空气。一旦植物准备收割，则植物被手动更换为新的秧苗并包装。

Description

用于自动垂直园艺和农业的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2014年2月20日提交的名称为“Method andApparatus for Automated Vertical Horticulture and Agriculture(用于自动垂直园艺和农业的方法和装置)”、序列号为61/942,500的美国临时申请的权益，该项申请通过参引并入本文。
技术领域
本发明涉及园艺、水培和农业的领域，并且具体地涉及用于在受控环境中的植物的自动化商业生长和生产的装置和方法。
背景技术
传统上，植物的商业园艺和农业生长在培育室和温室中进行，在该培育室和温室中，植物被水平布置并且植物是静止的。近来又开发了更有效的方法，这些更有效的方法中的一些方法被称为“垂直耕作”。本发明人例如在美国专利7415796、7533494、7559173、7818917和7984586中公开了使用旋转球体的旋转式垂直传送带种植植物的方法，每个旋转式垂直传送带具有中央光源，成排的植物围绕该中央光源旋转，以由此提高给定区域中植物生长的生产率。然而，从这样的系统收割成熟植物可能是复杂的和耗时的。
相关技术的前述示例和与其相关的限制旨在是说明性的而非排他性的。在阅读说明书和研究附图之后，相关技术的其他限制对本领域技术人员而言将变得显而易见。
发明内容
结合系统、工具和方法来描述和说明本发明的以下实施方式和方面，这些系统、工具和方法意在是示例性和说明性的而非限制范围。在各种实施方式中，已经减少或消除了上述问题中的一个或更多个问题，而其他实施方式涉及其他改进。
本发明提供了一种用于植物的连续自动生长的方法和装置。竖向阵列的植物支承臂从中心轴线沿径向延伸。每个臂具有多个穴托，所述多个穴托接收植物秧苗和液体营养物和水。灌注臂在生长灯和授粉臂的下方旋转。给送频率随着植物生长而增大。还可以提供富含CO2的空气。一旦植物准备收割，则植物被手动更换为新的秧苗并包装。
除以上所描述的示例性方面和实施方式之外，通过参照附图并通过研究以下详细描述，另外的方面和实施方式将变得显而易见。
附图说明
在附图的参考图中图示了示例性实施方式。本文中公开的实施方式和附图旨在被认为是说明性的而非限制性的。
图1是用于执行本发明的方法的生长单元的立体图，其中，为便于说明移除了灯泡；
图2是图1中示出的生长单元的立体图，其中，照明灯具摆出操作位置；
图3是图1中示出的生长单元的正视图；
图4是图1中示出的生长单元的侧视图；
图5是图1中示出的生长单元的正视图，其中，照明灯具摆出操作位置；以及
图6是图1中示出的立体图的细节。
具体实施方式
在以下整个描述中，阐述了具体细节以为本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，尚未详细地示出或描述公知的元件以避免不必要地模糊本公开。因此，要在说明性的意义上而非在限制性的意义上来看待说明和附图。
参照图1，用于植物的自动垂直栽培和收割的生长单元总体上用附图标记10表示。生长单元10具有框架12，该框架12包括水平梁14和竖向柱16，该竖向柱16的下端具有固定至生长设施的地板的凸缘或脚部18。
旋转播种机组件20(图3)从梁14悬挂。该旋转播种机组件20包括中央排水管22，多个灌注臂24从该中央排水管22附接并且沿径向延伸。如图3中所示，中央排水管22可以包括紧固在一起的三个管道部段26、28、30。这些部段可以是PVC。在示出的实施方式中，有8个水平层的灌注臂24，其中，每层有9个灌注臂。
灌注臂24各自优选地为直径6英寸、长2英尺或4英尺的PVC管，所述灌注臂24在端部32处封闭并且在相反端部处附接至中央排水管22，使得液体从灌注臂24的内部流入中央排水管22中且通过排水出口(未示出)流出中央排水管22的底部34。每个灌注臂24设置有多个穴托36，如示出的，每个灌注臂具有六个穴托，所述多个穴托36各自定尺寸为接收土壤缸中的秧苗植物。每个穴托被穿孔以允许流体从凹部36流入灌注臂24的内部。灌注臂24支承在支架38上并且通过流体密封的管配件连接至中央排水管22。
图2中示出的水平照明灯具40在铰链42处以铰接的方式连接至竖向柱16，以允许水平照明灯具40摆入图1中示出的操作位置以及如图2中所示摆出操作位置。灯具40各自具有由内弧44、外弧46和径向框架构件48形成的框架。每个灯具可以承载用于10个T5 HO荧光灯的镇流器和电连接装置，其中，电力从竖向柱16穿过连接装置42而提供并且电力由远程控制的电气开关控制。尽管荧光灯是优选的，但是也可以使用其他生长促进灯，比如发光二极管(LED)、高压钠灯、金属卤化物灯或白炽灯泡。电气控制开关可以被设定成为各种植物在每个生长阶段且根据特定植物提供协配的光周期(光照期)。
每个灯具40的中央径向框架构件48上附接有由微纤维股线52的悬挂条形成的机械授粉臂50(参见图6)。灯具40可以通过电动激励器在柱16上单独地升高或降低，并且激励器还可以提供动力以如上所述将每个灯具40摆入和摆出操作位置。优选地，机械授粉器被保持一定高度处，由此股线52的底部2英寸掠过由灌注臂24承载的植物。由于股线52的长度通常为4英寸或5英寸并且植物可以到达多达10英寸的高度，因此在灯具40与灌注臂24之间应当有大约14英寸的间隙。随着植物生长，灯具40在柱16上被升高地更高。还可以设置位于每个灯具42上或连接至每个灯具42的超声振动器，用以增强机械授粉器50的授粉活动。在每个灯具40的框架构件48上还设置有空气排放喷嘴臂(未示出)，该空气排放喷嘴臂将富含CO2的空气排放到灌注臂24上。优选地，压缩空气通过沿竖向柱16向上延伸且通过铰链元件42的空气管线被提供并且该压缩空气将富含CO2的空气排放到灌注臂24中的植物上。
参照图6，水和食物通过连接至给送管线72的滴灌发射器70被提供至位于穴托36中的植物并且水和食物通过给送管线72供应。该滴灌发射器70属于温室应用、水培应用和其他园艺应用中使用的用以提供缓慢的滴灌给送的普通类型。因而，液体给送管线72将液体营养液通过滴灌发射器70供给至每层上的穴托36。液体营养物从给送罐(未示出)被输送至液体给送管线72。
参照图6，驱动系统60具有电动马达62，该电动马达62驱动链轮64，该链轮64驱动链条66，该链条66又驱动附接至中央排水管22的链轮68。因而，驱动系统60在启动时使中央排水管22和所附接的灌注臂24以缓慢的旋转速率旋转。根据生长阶段和植物类型，典型的旋转速率是每小时4转。旋转可以在任一方向上。
作为替代性实施方式(未示出)，中央排放管22可以用从附接至链轮68的圆形驱动板向下悬挂的圆形阵列的链条来取代。灌注臂24被夹持到支架上，支架栓接到链条上，每个链条一个支架。例如，每层可以附接有16个臂，其中，具有13层臂并且每个臂具有4个穴。排水可以通过每根链条上的管以及空气管线和给送管线来执行。
在操作时，接种的发芽圆盘在单独的位置中制备，并且每个植物在被放置在生长单元10中之前经过第一发芽阶段。在足够的发芽周期之后，一旦植物准备转移至生长单元10，便使用带轮子的剪叉式升降机来将植物装载到位于每层灌注臂24上的穴托36中。这在每个剪叉式升降机上手动完成。输送机的一个端部连接至剪叉式升降机，而植物被装载在输送机的另一端部上。剪叉式升降机是机动的，以允许剪叉式升降机服务于多个生长单元10。植物保留在每个生长单元10上，直到植物准备好收割为止。一旦植物足够成熟，就将植物从每层上手动移除到剪叉式升降机上并且将植物装载到输送机上。优选地，新的秧苗在植物被收割的同时取代每个已收割的植物。植物也可以在于剪叉式升降机上收割的同时被包装，然后被放置在输送机中，并且随后以冷藏方式储存。
生长设施可以容纳大量生长单元10并且还可以包括发芽区、包装区、冷存储区、清洁区、播种区和饲料槽储存区。在示出的示例中，每个生长单元10在用于4英尺灌注臂24的大约144平方英尺的地面空间上处理432株植物。
示例-草莓
如下描述将本发明应用到草莓生产的示例。优选的液体营养液混合物是：
i)细菌堆肥茶，通过下述混合：对于每20L的过滤水加入：
1.5磅(700g)细菌堆肥或蚯蚓堆肥
3汤匙-4汤匙(45ml-60ml)液态黑带糖蜜
4茶匙(23g)干的可溶性海带或2汤匙液体海带
3茶匙-4茶匙(15ml-20ml)鱼乳状液
ii)由加拿大不列颠哥伦比亚省(BC)米申市(Mission)的TechnafloraPlantProducts公司生产的PURA VIDATM GROW，其作为肥料/营养液。EDTA铁以20ppm添加至最终溶液。对于每50加仑的给送溶液，添加1加仑的堆肥茶和每个新批次混合物。
在发芽阶段，草莓种子被种植到作为种子起始穴盘的JiffyTM泥炭圆盘(优选地，物品号为#70000591)中。大约一周后，用5.8pH的全强度堆肥茶溶液喷洒植物。第二周，用5.8pH的400ppm肥料溶液对培养基每天浸泡一次。约15天之后，秧苗被移植到填充有75％BotanicareTM 椰壳纤维培养基和25％珍珠岩的模制塑料穴85中。根据标签方向加入Botanicare ZHOTM根接种剂(Root Inoculant)，并且对于在播种过程中使用的相同的堆肥茶混合物中饱和的每加仑培养基，还加入1汤匙白云石石灰。然后，这些穴被放置在生长单元10的每层上的穴托36中。温度保持在华氏62度，湿度保持在68％，光周期保持为18小时开、6小时关。该单元的旋转为每小时4转。在第15天至第30天，用5.8PH的540ppm的肥料溶液激活滴灌发射器每天一次。在约30天之后，培养基在1EC(电导率)下饱和，并且用以上以5.8pH酿造的全强度堆肥茶溶液喷洒植物。从第30天至第45天，每天用5.8pH的640ppm的营养液激活发射器每天两次。在第45天收割植物。
因而，使用本发明，可以获得植物的连续自动化和受控制的生产。不同的照明、温度、湿度和营养可以针对作物的不同生长阶段以及不同的作物进行设定。这可以通过计算机远程完成。生产作物所需的土地面积大大减小了，并且可以通过增加生长单元10的高度而进一步减小。可以使用机器人以在不同阶段转移植物而使整个过程自动化。
尽管本发明的装置和方法非常适合于草莓生产，但是使用本发明的装置和方法也可以有效地生产许多其他类型的植物，比如莴苣、菠菜、草本植物、葡萄秧苗和番茄秧苗。
虽然上面已经讨论了多个示例性方面和实施方式，但是本领域技术人员将认识到其某些修改、置换、添加和子组合。因此，本发明意图被解释为涵盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这些修改、置换、添加和子组合。

Claims (9)

1.一种用于植物的连续自动生长的装置，所述装置包括：
a)框架，所述框架包括由竖向框架元件支承的水平延伸的框架元件；
b)支承器件，所述支承器件从所述水平延伸的框架元件沿竖向以可旋转的方式悬挂并且所述支承器件能够绕轴线旋转；
c)多个竖向间隔开的、水平的、大致共面阵列的中空植物支承臂，所述中空植物支承臂从所述支承器件沿径向延伸，其中，每个植物支承臂设置有多个穴托，所述多个穴托各自定尺寸为接收位于土壤缸中的秧苗植物；
d)多个灯支承元件，所述多个灯支承元件各自由所述框架支承在竖向间隔开的、水平的、大致共面阵列的中空植物支承臂的上方；
e)多个生长促进电灯，所述多个生长促进电灯安装在所述灯具支承元件上；
f)多个液体供给管线，所述多个液体供给管线与每个穴托连通并且由液体给送管线供给以将水和液体营养素提供至每个所述穴托；以及
g)马达，所述马达用于使所述支承器件绕所述轴线旋转，由此使所述植物支承臂在生长灯下方旋转；
其中，所述灌注臂的内部与所述支承器件连通，并且每个所述穴托与相关的所述植物支承臂的内部液体连通，由此液体从每个所述穴托流过相关的所述植物支承臂并流入所述支承器件中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支承器件包括中空管。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括用于输送至一个或更多个所述穴托附近的富含CO2的空气源。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括附接至所述灯支承元件的多个授粉臂。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述授粉臂包括微纤维股线。
6.根据权利要求4所述的装置，还包括连接至用于所述授粉臂的支承件的超声振动器，以增强授粉活动。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述灯支承元件可以由马达单独地升高、降低或枢转。
8.一种用于植物的连续自动生长的方法，所述方法包括：
a)提供从可旋转的支承器件沿径向延伸的多个竖向间隔开的、水平的、大致共面阵列的中空植物支承臂，其中，每个植物支承臂设置有多个穴托，所述多个穴托各自定尺寸为接收位于土壤缸中的秧苗植物并且所述多个穴托均被提供液体营养物和水源；
b)将多个位于土壤缸中的秧苗放置在所述多个穴托中；
c)使所述可旋转的支承件旋转，从而使所述植物支承臂在生长灯和授粉臂的下方旋转；
d)定期向每个所述穴托提供水和液体营养物；
e)向所述穴托提供富含CO2的空气；
f)随着植物随时间生长而增大给送频率；
g)一旦植物准备收割，则移除所述植物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述授粉臂包括微纤维股线并且所述授粉臂的高度被调节成使得所述微纤维的端部掠过位于所述穴托中的植物。
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