CN107426977B - 具有模拟自然光照条件的植物室内栽培系统 - Google Patents

Abstract

一种室内无土植物栽培系统，包括多个固定的光柱，每个固定的光柱适合于按照预定的照明识别标志照射室内设施的预定扇区；多个植物生长塔架，这些塔架可以按照预定的时序顺序围绕基本上垂直的轴线旋转，以便可以暴露于在任何给定时间由一个或多个光柱产生的光，并且这些塔架被布置为至少一个模块，所述模块限定一个模块黑暗内部区域，在该黑暗内部区域内，即时位于其中的植物会接收到夜间的感觉；和用于向在各个所述塔架中栽培的植物供应富营养液的灌溉构件。此外，基于压缩空气喷嘴的人工授粉系统结合在光柱中。

Description

具有模拟自然光照条件的植物室内栽培系统

技术领域

本发明涉及植物栽培系统领域。更加具体地讲，本发明涉及室内无土植物栽培系统，用于在富营养液中栽培植物。

背景技术

在日新月异的经济进步的感召下，许多人被吸引到城市环境下生活。城市以提高生产率的方式将形形色色群体的人员和公司汇集在一起并且造就了网络、族群和机遇交流，这些会促成发现新的创新和创立新的创业企业。生活在城市环境中的其他优点包括大量文化活动唾手可得和上班通勤相对容易。

虽然现在60％的人口居住在城市中并且得到保护免受户外因素的影响，但是供食用的植物还遭受着户外环境的严峻考验。人们企盼风调雨顺的年景，以便确保食物供给容易得到保障。然而，许多时候，由于迅速改变的气候变迁，大量的洪水、长期的干旱、4-5级飓风和严重的季风每年都会造成损失，摧毁了数百万吨的高价值农作物。

到2050年，近80％的地球人口将居住在城市中心。在此期间，按照对当前人口趋势的最保守估计，地球人口将增加约30亿人。如果如今的传统耕作方式一成不变，那么将需要预计1.09千万平方公里的新土地(比巴西领土多大约20％)来生产足以养活这些人的食物。目前，纵观世界，适合耕种的土地中的80％以上已经被开发利用。历史上，约15％的农业适用土地由于管理不善而遭到荒废。甚至，很多土地已经变得贫瘠，导致自然宜居区已经转变为半干旱的沙漠。

在户外或在位于农业区的温室内种植食物生产植物的传统农业实践在以下几个方面存在问题：与天气相关或与虫害相关的作物歉收、将成熟作物运送到食品配送中心的成本、由于来自运输作物和用于进行诸如翻耕土地之类的农业活动的车辆的化石燃料排放而造成的生态破坏、化肥和农药的成本、农业接口上获得的传染病的发生以及农田径流造成的生态破坏。

为了供养地球不断增长的人口，一个合乎需求的途径是学习如何在位于城市中的环境受控的多层设施中安全地生产食物，以便在克服与传统农业实践有关的问题的同时，维持容易获得的食品供应。

在现有技术中，已知有了一些室内水培系统，其中植物生长单元被一个堆叠在另一个之上，水和植物营养素的溶液被引导到植物，并且在各个植物生长单元的顶部，配备有包括人工光源的面板，这些人工光源消除了对自然阳光的需要并且能够实现不同持续时间的光循环。

光周期的有花植物响应于感应到的夜晚长度而开花，并且因此在花发育可以开始之前需要连续黑暗的时段。然而，现有技术中用于模拟这样的光循环的灯板成本高昂，原因在于各层生成单元上都需要灯板并且各个灯板都需要专用的控制系统。此外，灯板是自身发热的，并且操作消除所产生的热量所需的冷却系统成本高昂。

已经发现发光二极管(LED)是用于作物生产的理想光源，原因在于其具有小尺寸、耐久性、长使用寿命、波长特异性、相对较冷的发射表面和随电输入电流变化的线性光子输出。NASA肯尼迪航天中心的工作重点是正常植物生长所需的蓝光比例以及红色的最佳波长和红/远红外比。用于改善植物生长的绿色波长的加入也得到了解决。[《PlantProductivity in Response to LED Lighting》，G.Masa等人，HortScience，2008年12月，第43卷，第7期，第1951-1956页]

不过，这种现有技术的照明系统不能提供基本上相同的光分布，限制了它对于大垂直尺寸的室内植物生长单元的实施。

用于栽培植物的现有系统的另一个缺点是在需要进行害虫防控时难以保证工人的安全，在这种情况下，整个栽培空间都会被喷洒农药。这还意味着会使用很大量的农药。不过，某些农药可能会导致癌症等健康问题，也会导致对环境的损害。

本发明的目的是提供一种用于安全且多样食物供给的可持续作物生产的室内无土栽培系统。

本发明的另一个目的是提供一种具有照明系统的室内无土栽培系统，该照明系统维持基本上相等的光分布，以便促进具有相对较大的垂直尺寸的室内植物生长单元上的光合作用。

本发明的另一个目的是提供一种室内无土栽培系统，通过该室内无土栽培系统，相对于现有技术，用于模拟光周期性开花植物所需的光循环的光源的操作和投资成本得到显著降低。

本发明的再另一个目的是提供一种室内无土栽培系统，通过该系统，用于去除模拟自然阳光的周期性自然状态的光源产生的热量的冷却系统的操作和投资成本相对于现有技术得到显著降低。

本发明的再另一个目的是提供一种能够节省大量需要喷洒的农药的室内无土栽培系统，从而减少工人和环境暴露在有害影响下的风险。

随着说明的继续，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。

发明内容

本发明提供一种室内无土植物栽培系统，包括多个固定的光柱，每个固定的光柱适合于按照预定的照明识别标志照射室内设施的预定扇区；多个植物生长塔架，这些塔架可以按照预定的时序顺序围绕基本上垂直的轴线旋转，以便可以暴露于在任何给定时间由一个或多个光柱产生的光，并且这些塔架被布置为至少一个模块，所述模块限定一个模块黑暗内部区域，在该黑暗内部区域内，即时位于其中的植物会接收到夜间的感觉；和用于向在各个所述塔架中栽培的植物供应富营养液的灌溉构件。

该系统此外还包括驱动单元，用于循环地旋转各个塔架，以便按照由至少一个模块的光柱发射的照明识别标志使各个塔架依次暴露于早晨的光照条件、中午的光照条件、下午的光照条件和夜间条件。该驱动单元可以被配置为使得每24小时完成一次完整的塔架旋转。

各个塔架优选地配备有多个安装元件，相应的植物可以通过各个安装元件安装在不同的塔架外周部分上，并且所述植物被迫从所述外周部分向外生长，所述安装元件的群组被限定在塔架的不同高度层面处。

在一个塔架上生长的所有植物的叶子在给定的模拟时间段内都暴露于从安装在相邻的一个光柱上的发光元件发射的基本上均匀分布的光，尽管这些植物之间存在高度差异。

为了实现光的基本均匀分布，所述发光元件可以足够小，以致它们具有也许高度为50cm的光柱上有不少于40个发光元件的密度，并且被以也许任何给定的高度只安装一个发光元件的方式安装在各个光柱上。发光元件的一个节段具有预定数量和顺序的发光元件，所述发光元件被布置成使得从所述节段的发光元件发出各组分光束在圆锥形的分布角度内混合起来，以便在混合光束照射到的塔架外周部分处提供针对正在生长的给定植物刺激光合作用的光合光子通量密度。因此，在给定的模拟时间段内被照亮的另一个塔架外周部分处的光合光子通量密度是基本相等的。

优选地，预定数量和顺序的发光元件被沿着光柱的高度对所有其他节段重复。

在一个方面，各个发光元件配备有定向透镜，所述定向透镜被构造为产生角边界入射在塔架外周上的发光射角，从而使所发射的光向两个相邻塔架之间的模块内部区域的传播由于它入射到塔架外周上而遭到阻断，从而确保所述内部区域将会变暗到小于对于所栽培的植物而言的预定光合有效辐射水平的辐射水平。

该植物栽培系统提供了至少下列优点：

●易于运输、建设和维护的模块化可扩展系统。

●该系统可以部署在任何几何形状的任何现有建筑物中，无论其原始用途如何。

●对于不同的作物，取决于季节性需求或机会，可以在同一设施内或同一设施的不同楼层上动态分配塔架的数量。

●该设施与室外条件隔离，无论户外天气状况和气候如何，一年当中的每一小时和每一天都能支持植物栽培。

●大幅度缩短各种植物的生长周期，可用于高品质产品的极快速生长。

●给定面积内该系统中能够生长的植物数量是传统的水培生长的7倍。

●系统的运作在光、空气、水的结合使用方面接近最佳水平，而光、空气、水的结合使用是有利于植物生长的最关键因素。

●正在生长的植物不会因极端的气象条件和自然灾害而受到损害。

●作物具有最大的营养价值、优良的口味和新鲜度。

●降低冷藏运输的时间和成本。

●由于栽培系统是无土的，因此作物种植比现有技术系统要少95％的水。

●没有温室气体排放。

●简单和相对便宜的封闭式周边安全和监控系统，防止全球范围内不断攀升的农业盗窃损失。

●不污染土壤。

●解决土地短缺问题。

●植物释放的二氧化碳被运送到白天区域以改善光合作用过程的气流系统。

●人工授粉。

本发明还涉及一种室内植物栽培系统，包括上面可安装有一个或多个植物的植物生长设备；适于按照预定的照明识别标志照亮所述一个或多个植物的固定光柱；和用于向所述一个或多个植物供应富营养液的灌溉构件，其中安装在所述光柱上的一个或多个发光元件节段中的每一个节段都具有预定数量和顺序的发光元件，所述发光元件被布置成使得从所述节段的发光元件发射的组分光束在圆锥形的分布角度内混合起来，以便在混合光束照射到的所述植物生长设备的外围部分处提供针对正在生长的所述一个或多个植物来刺激光合作用的光合光子通量密度。

本发明还涉及一种人工授粉系统，包括上面安装有排气喷嘴的柱；可安装一个或多个带粉植物的植物生长设备；用于检测所述一个或多个植物的即时位置的传感器；用于储存压缩空气的储气罐；从所述储气罐延伸出来并且与所述喷嘴流体连通的导管；与所述导管可操作地连接的控制阀；和与所述传感器和所述控制阀进行数据通信的控制器，其中当由所述传感器发出的信号指示所述植物中的至少一个处于与所述喷嘴接近到可使花粉脱落的位置上时，所述控制器可以进行命令所述控制阀打开预定时间的操作，从而使得脉冲供应的压缩空气以足以促成花粉从其花药中脱离并且足以促使所述脱离的花粉空气传播到同一株植物或相邻植物的心皮上的高压，被引导到与所述喷嘴接近到可以使花粉脱离的程度的所述植物。

附图说明

在附图中：

-图1是按照本发明的一个实施例的植物栽培系统的平面图；

-图2是按照本发明的另一个实施例的植物栽培系统的平面图；

-图3A和3B分别是示出安装在其上的发光元件的相对布局的两个光柱的示意性侧视图；

-图3C是从光柱的发光元件节段发出并照射到外周塔架部分上的光的圆锥形分布角度的示意图；

-图4是用于灌溉水栽培植物的灌溉构件的一个实施例的正视示意图；

-图5是用于灌溉气栽培植物的灌溉构件的一个实施例的正视示意图；

-图6A和6B是用于灌溉气栽培植物的灌溉构件的另一个实施例的正视示意图；

-图7是与图1的灌溉构件结合使用的塔架的外壁的一部分的内部的前视图；

-图8是用于有效利用与植物栽培系统结合使用的灌溉流体的再循环系统的示意图；

-图9是用于控制塔架附近的空气的温度的闭环液体循环系统的温度的侧视示意图；

-图10是与植物栽培系统结合使用的用于促进植物生长增加的空气循环架构的示意图；

-图11是与植物栽培系统结合使用的人工授粉系统的示意图；

-图12是用于与塔架模块结合使用的结构元件的侧面的透视图；

-图13是从图12的结构元件顶部看去的透视图，示出了上方框架和位于中心的吊扇；

-图14是从图13的上方框架的侧面看去的放大透视图，示出了用于使塔架旋转的驱动单元的一个实施例；

-图15是从图13的塔架侧壁的侧面看去的放大透视图，示出了可插拔的植物支座；

-图16是多向喷射柱的透视图；

-图17是塔架的模块的平面图，示出了图16的多向喷射柱的相对位置；和

-图18是与用于调制指向植物的光能的植物栽培系统结合使用的控制系统的示意图。

具体实施方式

本发明是一种能量效率高的室内无土植物栽培系统，它采用多个固定的光柱，每个固定的光柱按照预定的照明识别标志照射室内设施的预定扇区。要栽培的植物被安装在植物生长单元上，该植物生长单元配备有与各个光柱类似的大垂直尺寸的灌溉装置(在下文中称为"塔架")，用于有效利用设施的内部尺寸，所述设施可以是城市环境中的废弃建筑，也可以是专供栽培系统使用的工业园区内的建筑物。该系统与包括预定数量的塔架的模块一起操作，使得模块的各个塔架按照预定的时序顺序在驱动单元的作用下围绕垂直轴旋转，以便可以暴露于由一个或多个光柱在任意给定时刻产生的光。模块的内部区域不会暴露于任何一个与模块相关的光柱产生的光，并且那一刻位于黑暗的内部区域内的植物会感受到夜间的感觉。

室内设施优选地与存在于该设施外部的室外条件(包括光，湿度和温度条件)隔离。植物栽培系统能够模拟与即刻的室外条件不同的最佳室外生长条件，使得处于受控环境中的所有植物的叶子会在给定的仿真时间段内暴露于基本均匀的光分布，尽管这些叶子之间存在着高度差。即使植物与户外隔离，果实和种子作物的生产也可以借助人工授粉系统来实现。

图1示意性地示出了按照本发明的一个实施例的植物栽培系统10的平面图。植物栽培系统10包括多个模块，为了简洁起见，将详细介绍模块5中的一个。

模块5包括以对称的类似于正方形的构造布置的四个圆形塔架2a-d。八个均匀间隔开的光柱6a-h被布置在模块5的假想周界7附近，使得第一排光柱6a-c位于与毗邻服务通道11a相邻的位置上，第三排光柱6f-h位于与处于服务通道11a对面的毗邻服务通道11b相邻的位置上，并且第二排光柱6d-e按照图示的方位分别位于周边7的两侧，同时位于模块5的中间区域处且介于第一排和第三排光柱之间。

用于接近塔架以便实现维修、植物处理和采收的目的的服务通道11a和11b可以具有70cm的宽度。采收可以是借助可沿轨道推进的手动推车进行的。这些推车可以具有水文升高能力，以允许轻松地进入上部塔架区域。为了在极端寒冷的天气条件下使用，轨道可以被构造为一系列相互连通的圆形空心管道，温水可以通过这些管道流动，以支持作为设施的环境控制系统一部分的散热。这些管道可以具有独特的机械轮廓，例如漏斗形，以有助于均匀地散热。

每个光柱可以沿着预定的角度扇区S(例如60度)连续地操作，以按照预定的光柱专用照明识别标志发光。可以借助为安装在光柱上的各个发光元件配备的定向透镜9并且通过发光元件和相应透镜之间的选定间隔来获得预定角度扇区的设置。各个发光元件也具有设计好的照明范围。

在光柱的示例性部署中，光柱6a，6c，6f和6h的照明识别标志模拟了区域N处中午的照明条件。光柱6b，6d，6e和6g的即时照明识别标志针对光强度和/或波长模拟了区域M处的早上的照明条件和区域A处的下午或晚上的照明条件。黑暗的内部区域D位于安装在各个光柱6a-h上的发光元件的有限照明范围之外，并且因此此刻位于黑暗区域D内的植物体会到的是夜间的感觉。对于直径为60cm的塔架而言，在黑暗区域D处的塔架之间的距离可以是80cm。

各个塔架2a-d具有安装构件17，借助该安装构件17，各株对应的植物19得以保持在塔架的外围上，同时暴露于光柱的光线之下。各种植物分层布置，使得在塔架的整个高度和外周上遍布植物19，以最大限度地利用设施内的空间。也可以以倾斜的布局布置植物19，从而植物将被迫从塔架向外生长而不干扰邻近的植物。

本发明的植物栽培系统有助于很多不同类型作物的生长，特别是高品质作物，凭借这些作物生长的最优环境，这些作物不一定是给定设施的周围环境中本地原产的，包括诸如莴苣、菊苣、番茄、黄瓜、辣椒、胡椒和菠菜之类的叶菜，诸如草莓、蔓越莓、蓝莓和覆盆子之类的浆果，以及诸如调味用、食用、医用和化妆品用草药这样的药草，例如医用大麻。

塔架的圆形构造有助于诸如樱桃西红柿和葡萄藤这样的攀爬植物围绕塔架外周交织成网格状，以有利地最小化模块表面积的使用量。如果预期塔架上的负荷过高，则可以将可插拔支架211(图15)插入到塔架外周上的空孔208中，以支撑作物的重量。

定向透镜9可以被配置为产生一个光发射角，在考虑了给定的塔架直径和从光柱到塔架的给定距离的时候，该光发射角的角度边界与塔架的外周相切，或者要不然就入射到塔架的外周上。发射的光到模块5的内部区域的传播由于其入射到塔架外周上而被阻挡，从而确保两个相邻的塔架之间的内部区域将会变暗到比所栽培的植物对应的预定光合有效辐射等级小的辐射等级，例如高达90％或更大的黑暗等级。黑暗等级也得益于植物的叶子或树枝的持续生长，这有助于阻止光线穿入内部区域。

通过每24个小时的时段完成一个围绕着它的垂直轴的完整旋转，各个塔架2a-d借助中心垂直轴和驱动单元的作用实现的旋转使得各株植物19能够周期性地暴露于早上的光线条件、中午的光线条件、午的光线条件和夜间条件，从而模拟每日昼/夜循环。驱动单元可以是电动马达，或者液压或气动驱动的驱动单元。

应当理解，塔架不需要以恒定速率旋转。如果所选择的植物在暴露于某些光照条件时生长茂盛，则该植物在这些最佳照明条件下的相对停留时间可能会被增加。

图2示出了包括三个如上所述的可旋转塔架2a-c的模块25，该模块25提供黑暗的内部区域D，所安装的植物周期性地暴露于该内部区域D。

由前述模块构造界定的黑暗的内部区域，通过在黑暗区域D内部署图16和图17中所示的多向喷射柱231，有益地促进了工人和其他旁观者的安全性。

可以具有直线或曲线构造的多向喷射柱231具有沿不同方向突出的多个喷嘴234。当农药通过导管237输送(例如响应于经由地下管道的受控工作循环)到喷射柱231时，喷雾从各个喷嘴234发出并且被引向各个塔架2a-d。各个喷嘴234的延伸方向和喷洒形状都是精心选择的，以避免由于在塔架之间的区域R中不必要的喷洒而导致的农药浪费。

由于塔架2a-d是连续旋转的，因此所有植物将暴露于喷洒的农药。不过，工人通常位于在外面与模块分离开的服务通道11a-b(图1)中，因此不会暴露于喷洒的农药。这种喷洒方案将增加工人的安全，并通过最大限度地减少有害农药的排放，明显减少或基本上消除对环境的危害。而且，有效控制虫害所需的农药量将大大减少。

即使植物生长在无土的环境中并且因此不易遭受土壤栖息的害虫的损害，尽管如此还是会有在设施外发芽并在被安装在塔架中之前已经被害虫或细菌感染的小植株，因此这些植株需要用农药处理。

图12-15示出了用于植物栽培系统的示例性结构特征。

如图12中所示，模块5的四个塔架2a-d中的每一个的垂直轴从上方可旋转地安装在设置在上方正方形或矩形框架191中的相应的基座或支座中，并且从下方可旋转地安装在设置在底部杆197中的相应的基座或支座中。上方框架191可以嵌入在屋顶或天花板部分189中，或者可以内部开放并定位在屋顶或天花板部分189下方。

八个固定的光柱6a-h被附接到上方框架191上并与下方地面固定接触，光柱6a、6c、6f和6b从上方框架的相应拐角向下延伸，其余的光柱与相应的从上方框架侧边零件的中心区域向外延伸的交叉部件194相连接。因此，各个光柱被定位在与塔架的外周相距相对较短并且定义好的距离处，例如，光柱和塔架外周之间的最小距离为30cm，尽管这一距离通常会由于存在不断生长的叶子而减小。随着塔架旋转，从植物到光柱的实际距离会有所不同。四个底部杆197从位于上方框架191的相应拐角下方的各个光柱的底部向内延伸并连接在一起。

上方框架191的中心开口有助于吊扇162(图13)的定位，其目的将在下文中介绍。吊扇162可以通过附接到上方天花板区域上的吊架悬挂起来，以便被定位在中心开口内，其高度与上方框架191相同、高于上方框架191或者低于上方框架191都是可以的。此外，风扇162的护网164可以连接到上方框架191的两个或更多个侧边零件193上。

各个塔架2a-d可以配备有一个或多个检修舱口199，所述检修舱口199覆盖形成在塔架外周上的相应开口。舱口199使得维护人员能够进入塔架的中空内芯，以便例如清洁或修理塔架外周和灌溉元件，或用于采收的用途。中空内芯还有助于具有大型块茎和球根的植物的生长。

如图13所示，各个塔架可以被构造成具有大致圆形的多边形外周，使得每个垂直延伸和平坦的侧壁192限定多边形的侧壁。在各个侧壁192上形成有多个垂直间隔开的种植孔208，植物通过这些种植孔208安装在塔架上。如果植物的大小与种植孔208的开口不相适应，则可以将图15所示的支架211(例如，构造为由模制橡胶或塑料制成的弯头)可插拔地插入到其中一个种植孔中，以帮助牢固地安装不同尺寸的植物。

例如，将被构造成高度为240cm、直径为57cm的塔架形成为各侧壁192上带有11个种植孔208，此时各个种植孔与同一侧壁上的相邻种植孔之间中心到中心的间距为20cm。

侧壁192可以由不透明或黑色材料制成，以获得最佳的光吸收。侧壁192的内表面可以配备有例如垂直延伸的沟槽形排水通道，通过该排水通道，灌溉流体被引向植物的根部，从而最大化其使用率。

图13和14中示出了驱动单元的一个实施例。锯齿轮196被固定在各个塔架的上表面197上，以便与其同轴。锯齿轮196的纵轴可旋转地安装在上方框架侧边零件193和交叉部件194之间的相应接合部200处，以便于塔架的旋转。

基本上水平布置的往复式活塞杆组件202(可以是液压、气动或电动致动的)的终端201例如可枢转地连接到从侧边零件193向下延伸的肘板207上。活塞杆组件202具有分叉的头部206，其适合于当活塞杆伸长时在其内部容纳从锯齿轮196的外周沿径向延伸的齿198并且向齿198的侧边缘施加力，促使锯齿轮196和与其相连的塔架围绕着其垂直取向的纵轴旋转一个不连续的角度，该角度取决于活塞杆的预定行程。活塞杆然后缩回，以待另外的旋转启动操作。

为了确保由细长的光柱发射的光的基本上均匀分布到垂直间隔开的植物上，这些植物可能会沿着共同的塔架间隔开3米或更大的大高度差，发光元件被密集地安装在各个光柱上，例如在50cm的距离内安装50个发光元件，使得在任何给定的高度仅安装一个发光元件。可以精确确定发光元件的数量和顺序，以便产生优化植物生长的植物专属光照识别标志。

图3A和3B示意性地示出了发光元件的示例性序列，为了清楚起见，这些发光元件是以夸大的尺寸示出的，并且这些发光元件被安装在光柱6a和6b上，用于分别产生模拟中午的照明条件和降低光照强度条件的照明条件的照明识别标志。这些垂直间隔开并垂直对齐的发光元件优选地是LED元件，不过其他发光元件也在本发明的范围内。各个光柱优选是管状的，以使来自连续操作的发光元件的散热最大化。如果需要，可以按照选定的占空比或时间顺序来操作发光元件，以产生期望的波形。

图中示出了用于发射以下五种颜色的发光元件：主要用于中午条件下的波长为440-460nm的蓝色(B)、波长为505-530nm的绿色(G)、主要用于早上/下午条件下的波长为620-650nm的红色(R)、波长为650-680nm的深红色(DR)和5000°K色温或发射可比较色调光的理想黑体辐射物的温度为5000°K下的冷白色(CW)。选择这些颜色，是因为它们构成植物所需的阳光的基本光谱分量，不过其它颜色也在本发明的范围内。

发光元件的顺序是精心选择的，以便在从相邻发光元件发射的光束的相互作用和光柱的整个长度上的垂直波长分布的作用下产生期望的植物专属光照识别标志。由两个相邻的光柱产生的光照识别标志也能够相互作用。

图3C中示出了发光元件33的高度为J的一个节段31。节段31包括预定数量的垂直间隔的发光元件33，例如30个元件。节段31的各个发光元件33发射相应的光束，该光束照射到塔架2的外周部分27上，塔架与光柱6间隔开距离K.在从节段31发出的光的锥形分布角36(在横截面中由两条相等的边L界定，从而限定了一个等腰三角形)内，从各个发光元件33发射的组分光束被混合在一起，以便在外周部分27处提供最佳地刺激正在生长的给定植物的光合作用的光合光子通量密度(PPFD)。类似地，包括在锥形角36内的任何其它周边部分27处或适于吸收发射光的正在栽培的植物的任何叶片上的PPFD是基本相等的。节段31的发光元件序列被沿着光柱6的高度方向在所有其它节段上重复，例如与节段31相邻的节段32。因此，这种发光元件布局促成对在塔架2整个高度上生长的所有植物都基本相等的光分布。

可以例如通过产生与从发光元件节段发射的光的光谱分量相对应的如下百分比的相对光能来模拟早晨和下午的照明条件：(1)波长为约450nm的深蓝色，12％，(2)波长为约660nm的红色，62％，(3)波长为约730nm的红外线，7％，和(4)色温为4000°K的白色，19％。植物通常会在24小时周期的两个四分之一周期内暴露于这些早晨和下午的照明条件。

可以例如通过产生与从发光元件节段发射的光的光谱分量相对应的如下百分比的相对光能来模拟中午的照明条件：(1)波长为约450nm的深蓝色，34％，(2)波长为约660nm的红色，31％，(3)波长为约730nm的红外线，7％，和(4)色温为4000°K的白色，28％。植物通常会在24小时周期的一个四分之一周期内暴露于这些中午的照明条件。

还可以利用光柱的管状构造来实现灌溉流体在它们内部的循环。在光柱密封的内部流动的灌溉流体对连续工作的发光元件进行冷却，并且进而被加热到大约30℃的植物生长诱导温度。被加热的灌溉流体继而被引导到植物，以促进它们生长。因此，一般情况下没有得到开发利用的能源：从光源散发的热量，也得到了利用，用于改善植物的生长。

图4示出了用于浇灌正在水栽培植的植物的灌溉构件30的一个实施例。冷的灌溉流体34a被注入到光柱6的内部37中，并且随着其在光柱内部的上升而逐渐加热。温暖的灌溉流体34b经由喷射器39从光柱内部的顶部排出到位于塔架2顶部的储存器46内，例如以1L/分钟的速率排出。

栽培的各个植物19被保持在篮筐41中，篮筐41允许根部暴露于灌溉流体。篮筐41可转动地安装在相应的例如圆柱形的倾斜空心支座43中，该空心支座45固定到塔架2的垂直外壁45上或与塔架2的垂直外壁45整体形成，允许各个植物19在暴露于从元件9发射的光的同时适当地生长。

相应的导管49例如以倾斜方式从储存器46向下延伸到支座43，或者从第一支座延伸到低于第一支座的第二支座，以将灌溉流体引入各个支座。由于各个支座43相对于垂直壁45是倾斜设置的，因此会在支座的底部收集到所引入的灌溉流体的累积物52，其高度适合于植物19的根部浸入其中，以便供应营养物质给植物，然后以级联方式溢出到下面的支座上。剩余的溢出液最终流入塔架2底部的储存器54。各个导管49可以是半圆形的，以便在暴露于周围空气的同时拟态级联灌溉流体内的氧化。

来自底部储存器54的流出物通过竖管56流到次集水罐58，然后借助重力流入主集水罐59，淡水被经由入口61添加到主集水罐中。混合罐63接收主集水罐59的排出物。添加通常可以在土壤中找到的诸如氮，磷，钾和其他必需营养物质这样的添加剂，并且以最佳浓度和正确的平衡加入。充气泵67将所产生的灌溉流体34输送到光柱内部37的入口。

声发射器51，例如扬声器，可以被安装在光柱6的外壁上，用于产生可能有利于植物生长的声音信号。

图5所示的灌溉构件70可用于浇灌正在进行气栽培育的植物19。灌溉流体被从混合罐63引入到形成在塔架2旋转所围绕的垂直轴74内部中的管道72。灌溉流体的混合与图4中所述的相似。安装在垂直轴74上并与管道72流体连通的多个垂直间隔的喷雾器76喷洒指向植物19的根部81的水雾79，以提供充足的氧气供应。栽培的各个植物19被保持在篮筐41中，篮筐41被安装在形成在塔架2的垂直壁45中的孔中，并且通过相应的斜撑77以倾斜方式安装，从而允许根81暴露于灌溉流体。

图6A和6B中示出了外部塔架侧壁45上形成的开孔89的示例性布局。

同时，轴74根据预定的定时顺序进行的旋转使得植物19暴露于由一个或多个光柱6在任何给定时间产生的光。各个光柱内部的内部由注入的冷水84a冷却，冷水84随着其上升而逐渐被加热。加热的水84b通过塔架2的顶板83排出，并被收集在底部储存器54中。

图7示出了大大增加了水分保持的植物生长塔外壁95的构造。外壁95形成有多个窄槽91，各个窄槽91优选是下凹的，以便接收冲击到外壁上并且在正常情况下会向下流入塔架的底部储存器而不灌溉植物的从喷雾器排出的液体。各个槽91例如从外壁95的上边缘92延伸到开孔89的周边，开孔89中安装植物生长篮筐，从而除了喷雾器排放之外还提供了另一个灌溉来源。槽91不必如图所示那样是直的，而是可以是弯曲的，或者呈现任何其它所需的形状或布置。

图8示意性地示出了用于有效利用灌溉流体的开环再循环系统110。在系统110中，借助由高压给水泵115通过塔架2的中央垂直管道72输送到垂直间隔开的喷雾器76的灌溉流体来产生雾气环境，保持在塔架内部中的植物19的根部81被气栽灌溉。

灌溉流体从第二混合室121供给到给水泵115，第一混合室117和臭氧发生器126二者的排放物都被引入到第二混合室121，臭氧发生器126用于将O2或O3形式的氧化剂注入灌溉流体，用于杀灭水生生物，从而使流体富集。在第一混合室117中，流过阀106(例如，控制阀)的淡水与输送预定量的营养物质(例如所栽培的作物类型所需的氮，磷，钾和酸)的剂量泵124(例如，蠕动剂量泵)的排出物被混合起来。

控制器135与给水泵115、剂量泵124和臭氧发生器126进行数据通信，以便调节灌溉溶液的电导率和pH并且在预定时间将其输送到喷雾器76。通常会命令臭氧发生器126在给水泵115激活之前进行短暂操作，以确保灌溉流体的适当氧合。控制器135还可以与空调系统137和局部除湿器139进行数据通信，以在各个塔架2附近维持包括所需湿度的预定空气质量。

未被植物根部81吸收的剩余灌溉流体会被收集到塔架2底部的储存器101中。在接收到控制器135在预定时间发出的命令时，冷凝泵将所收集的灌溉流体经由导管146输送到流体储存罐142，该流体储存罐142也接收除湿器139经由导管147输送来的冷凝液。与控制器135进行数据通信的再循环泵经由管道148和阀138将再利用的流体输送到第一混合室117，阀138可以是由控制器135控制的控制阀。

除了空调系统137和除湿器139(图8)之外，每个塔架附近的空气温度可以借助图9中所示的闭环流体循环系统155来控制。泵151将冷却液通过光柱6的内部向上输送，以逐渐被加热，与此同时安装在光柱上的连续工作的发光元件就会变冷。从光柱内部的顶部排出的热的灌溉流体被泵153加压，并且由此以足够高的速度流过液体-空气热交换器(例如，散热器)，以使周围空气159变热。然后热量耗尽的液体被引入到泵151。周围空气159温度的升高量可以通过循环流体的流量来控制。

图10示出了促进植物生长增加的空气循环架构。将吊扇162安装成位于模块5的黑暗内部区域D的中心和上方。由于植物19在夜间呼吸期间释放二氧化碳，因此黑暗内部区域D的特征在于，相对于模块的其它区域，二氧化碳浓度增大。在吊扇162的运转期间，植物释放的二氧化碳或被植物释放的二氧化碳饱和的空气受到吊扇162的抽吸，并且由此导致其被输送到模块5的外部中午区域N，或者按照其他可选方案被输送到上午或下午区域。为了进行光合作用，植物19需要大量的二氧化碳。通过能够将通常未被利用的植物释放的二氧化碳源引导到白天区域，植物19有利地能够经历得到加快的生长速率，同时由于吸收了增多的二氧化碳量，在光合作用过程中会产生相应较大量的糖和碳水化合物。当吊扇162被放在此刻正按照白天光照条件进行照明的区域时，可以停用吊扇162。

光合作用过程伴随着由于从气孔或植物叶片中的微小开口中进行的蒸发而造成的水分损失，诸如二氧化碳和氧气之类的气体和水蒸汽是通过这些气孔或开口进入和排出的。将植物释放的二氧化碳运送到白天区域，导致更大程度的光合作用，因此有助于更大的水分蒸发速率，诱导植物做出通过其根部吸收相应增加量的水的响应，以维持最佳水量平衡。也可以通过命令除湿器139(图8)在塔架周围的植物生长空间中保持相对于塔架的核心内部的高湿度水平而言较低的湿度水平，来诱导植物通过其根部吸收增加量的水。

通过植物根部摄入的水是从根部移动矿物质并在整个植物中运输光合作用衍生的糖的主要推动力。植物在温度和湿度受控的最佳无土环境中生长，并且相对于它们的在户外栽培的同类而言消耗非常少量的水。由于根部不需要花费植物的能量来穿透土壤以寻求水和营养物，所以植物的代谢过程可以在其他方面利用未使用的能量。例如，水果往往更甜，而叶菜类蔬菜可以获得酥脆的叶子质感，因为植物利用未使用的能量产生更多的矿物质。

应当理解，植物释放的二氧化碳也可以通过例如连接到上方框架191(图13)的导管传送到白天区域。

所运输的二氧化碳的温度以及新鲜空气(如果需要与所运输的二氧化碳混合的话)，可以由控制器135指示下的空调系统137来控制。

在另一个实施例中，本发明的设备可以与图11所示的人造授粉系统170结合使用。

光柱176承载多个垂直间隔的排气喷嘴173，这些排气喷嘴173从储气罐177并行地接收脉冲的压缩空气供应。用于储存压缩空气的储气罐177进而与压缩机174流体连通，该压缩机174位于低湿度区域并且可能位于设施的地板上。当罐177内的压力小于预定的低值时，压缩机174被启用，并且当罐177内的压力大于预定的高值时，压缩机174被停用。光柱176外部的导管172从罐177延伸出来并且与各个喷嘴173流体连通，并且邻近罐177出口的控制阀179可与导管172可操作地连接。各个喷嘴173可以具有发散出口，以将排出的压缩空气引导为圆锥形图案，以确保压缩空气喷射到植物19(例如草莓植物)的雄蕊上，从而导致花粉182从其花药脱落并且导致花粉182从空中传播到同株植物或相邻植物的心皮。

人工授粉系统170当然只有当带粉植物牢靠地位于以基本相同的高度靠近喷嘴173的位置上时才能导致花粉从其花药中脱落。塔架2围绕其纵向轴线184进行的重复和可靠的旋转位移可以通过步进马达187来实现，该步进马达187适于响应于由驱动器电路接收的命令脉冲以不连续的预定步长增量旋转塔架2。植物与相应喷嘴173的对准可以通过获知各个步长的角位移、塔架的直径和安装在塔架圆周周围的植物的数量来实现。

人工授粉系统170的效率可以通过控制局部湿度的变化来提高。因此，控制器135可以进行执行下列五个阶段的处理的操作：(1)命令除湿器139显著降低塔架2附近的局部湿度，例如对于草莓来说要达到20％的水平，以降低花粉的粘附性，从而支持带粉花药从雄蕊长丝脱落，(2)从电动机187的驱动器电路接收关于什么时候或者进行多少步的信息，直到给定的植物19被定位到接近喷嘴173可释放花粉的位置上，(3)命令控制阀179打开预定时间，使得压缩空气将被引导到给定植物，(4)命令除湿器139随着花药的脱落明显增加塔架2附近的局部湿度，例如对于草莓来说要达到50％的水平，以确保花粉的活力和花粉将要被沉积到上面的柱头的粘附性，以及(5)在授粉周期结束时关闭控制阀179。

控制阀打开的持续时间可以由控制器135响应于储气罐177内的即时空气压力来调节，以确保足够高的空气流速来促成花粉从其花药的脱落。例如，各个喷嘴173可以与塔架外周间隔开30cm，并且当空气从喷嘴排出时的压力为约6巴，而不管喷嘴的数量是多少。

图18示出了本发明的另一个实施例，其中对发射到植物上的光进行调制。

T.C.Singh博士(印度安纳马莱大学植物学系的负责人)以及其他人进行的数项研究证明，音乐影响植物生长。植物感觉到所产生的声波的振动，并将加速细胞中的原生质运动，以刺激制造更多的营养物质，这将会得到更大更好的植物。

[http://hubpages.com/living/the-effect-of-music-on-plant-growth，2015年11月12日更新，10/03/2016]

控制系统240将经过调制的光能引导到植物，以类似于植物对经过调制的声波的反应来刺激代谢过程的改善。经过调制的光能是由配置有适当传递函数的数字信号处理(DSP)模块245产生的，该模块可以被包封在控制器135(图10)或任何其它合适的硬件组件中。响应于由播放器242发送的音频文件241的输入，DSP模块245将音频信号传递给离散频率分量，然后这些频率分量被顺序地传递给调制电压分量和调制光波长分量，以产生相应的光波形。DSP模块245还依据植物目前暴露于的日光区域来控制光波形的光强度，并对光波形进行滤波。输出光波形被传送到安装在光柱上的LED 249的可编程电源247，以产生期望的调制光束251。

在另一个实施例中，在塔架侧壁上形成的所有种植孔被赋予唯一标识符，这些唯一标识符被存储在系统数据库中。与正在生长的各个植物相关的下列信息与标识符相关联，并且也被存储在数据库中：种植时间、生长协议参数、任何给定时间的地理位置以及采收时间。每个植物相对于服务通道的精确实时地理位置有助于使用机器人进行植物采收。

虽然已经通过图解说明的方式介绍了本发明的一些实施例，但是显而易见的是，本发明可以利用许多修改、变化和适应来执行，并且可以利用处于本领域技术人员的范围之内的大量等同物或替代解决方案来执行，而不会超出要求保护的范围。

Claims (20)

1.一种用于模拟室外生长条件的室内无土植物栽培系统，包括提供至少一个植物生长塔架模块的每日昼-夜循环，其特征在于，所述模块包括：

a)多个固定的光柱，各个固定的光柱适合于照射室内设施的预定扇区；

b)安装在每个光柱上的多个发光元件，所述多个发光元件具有设定的照明范围并按照预定的光柱专用照明识别标志连续操作以发光，其中，一个或多个所述光柱的照明识别标志模拟了中午的光照条件并且一个或多个所述光柱的照明识别标志模拟了早晨或下午的光照条件；

c)多个植物生长塔架，暴露于在任何给定时间由一个或多个光柱产生的光，并且这些塔架限定一个位于所述多个固定的光柱的照明范围之外的模块黑暗内部区域；

d)为每个发光元件配备的定向透镜，所述定向透镜被构造为产生角边界入射在所述多个植物生长塔架中的一个或两个塔架外周上的发光射角，从而使所发射的光向两个相邻塔架之间的模块内部区域的传播由于它入射到塔架外周上而遭到阻断，从而确保所述内部区域将会变暗到小于对于所栽培的植物而言的预定光合有效辐射水平的辐射水平并提供夜间条件；

e)一驱动单元，被配置为围绕基本上垂直的轴线循环地以恒定速率旋转各个塔架通过每24小时时段完成一次完整的塔架旋转，以便按照由所述光柱上的发光元件发射的照明识别标志使各个塔架依次暴露于早晨的光照条件、中午的光照条件、下午的光照条件和夜间条件；和

f)用于向在各个所述塔架中栽培的植物供应富营养液的灌溉构件。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个塔架配备有多个安装元件，相应的植物通过各个安装元件安装在不同的塔架外周部分上，并且所述植物被迫从所述外周部分向外生长，所述安装元件的群组被限定在塔架的不同高度层面处。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在一个塔架上生长的所有植物的叶子在给定的模拟时间段内都暴露于从安装在相邻的一个光柱上的所述发光元件发射的基本上均匀分布的光，尽管这些植物之间存在高度差异。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述发光元件足够小，以致它们具有在高度为50cm的光柱上有不少于40个发光元件的密度，并且被以在任何给定的高度只安装一个发光元件的方式安装在各个光柱上。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，发光元件的一个节段具有预定数量和顺序的发光元件，所述发光元件被布置成使得从所述节段的发光元件发出各组分光束在圆锥形的分布角度内混合起来，以便在混合光束照射到的塔架外周部分处提供针对正在生长的给定植物刺激光合作用的光合光子通量密度。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在给定的模拟时间段内被照亮的另一个塔架外周部分处的光合光子通量密度是基本相等的。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，预定数量和顺序的发光元件被沿着光柱的高度对所有其他节段重复。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于递送所栽培的植物类型所需的预定量的营养素的剂量泵，以及与所述剂量泵进行数据通信的控制器，所述控制器可操作地调节可在预定时间递送给灌溉构件的灌溉溶液的电导率和pH。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，室内设施与该设施外部存在的室外条件隔离。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括人工授粉系统，用于在室内设施内促进果实和种子作物的生产。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述人工授粉系统包括由各个光柱承载的多个垂直间隔的排气喷嘴，所述喷嘴从储气罐并行地接收脉冲供应的压缩空气，用于促使即刻位于所述喷嘴附近的植物的花粉从花药上脱落。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述人工授粉系统还包括从空气罐延伸出来并与各个喷嘴流体连通的位于光柱外部的导管，和与所述导管可操作地连接并且与控制器进行数据通信的控制阀，由控制器调节压缩空气的压力。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述人工授粉系统还包括用于控制模块的各个塔架附近的局部空气湿度的单元，控制器进行以下操作：

a)命令所述单元将局部湿度显著降低到确保花粉的粘附性充分减小到足以支持花粉脱落的程度；

b)从与驱动单元相关联的数据源接收关于给定植物将何时被定位到与喷嘴接近到可使花粉脱落的位置上的信息；

c)命令控制阀打开预定的时间，从而使得压缩空气将被引导到所述给定植物；

d)命令所述单元随着花粉的脱落而显著增加局部湿度，以确保花粉的活力；和

e)在授粉周期结束时关闭控制阀。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述单元是空调和除湿器。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括位于模块的黑暗内部区域的中心和上方的吊扇，用以在工作时使植物释放的二氧化碳被输送到具有早上照明条件、中午照明条件或下午照明条件的特性的模块外部区域，以便由于吸收相应增加量的二氧化碳而促使植物生长速率提高。

16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于重新利用没有被植物根部消耗的剩余灌溉流体的开环再循环系统。

17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，安装在各个光柱上的所述发光元件是连续工作的，并且是借助通过光柱内部引入的冷却液体来冷却的。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述冷却液体是灌溉流体。

19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，对安装在各个光柱上的所述发光元件进行调制，以刺激植物代谢过程的改善；

所述系统还包括一配置有传递函数的数字信号处理DSP模块，与DSP模块进行数据通信的一音频播放器，为多个固定的光柱供电的一可编程电源，

其中，所述DSP模块被操作为：

ⅰ.将选定的音频信号从所述音频播放器传输到所述DSP模块到离散频率分量；

ⅱ.将所述频率分量依次传递给调制电压分量和调制光波长分量，以产生相应的光波形；和ⅲ.将所述产生的光波形传输到所述可编程电源，以产生期望的调制光束。

20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在黑暗的内部区域内，还包括由农药输送管道供给的多向农药喷射柱，所述喷射柱具有多个沿不同方向突出并且被引导到一个或多个塔架的喷嘴，且所述喷射柱适合于喷射预定剂量的农药。

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