CN108781918A - 用于植物研究的生长箱及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于植物研究的生长箱，主要包括生长箱内的体内胆、信息采集组件、环境控制组件、本地信息处理中心、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、包括人机交互系统的本地显示终端、远程客户端软件。信息采集组件测量放置于内胆中的植物不同部位的各项指标，同置于内胆内部的环境控制组件和本地信息处理中心协同完成内胆环境的测量与控制，测量结果可以显示在本地终端、保存在本地存储模块、并可以经嵌于本地信息处理中心的网络通信模块传至远程数据处理与存储中心。用户可以在远程客户端通过上传环境因素控制曲线数据实现任意控制生长箱内的环境变化，刺激植物做出反应，实时采集用于植物研究的科学数据。

Description

用于植物研究的生长箱及其操作方法

技术领域

本发明涉及植物研究，特别是涉及用于植物研究的生长箱。

背景技术

植物生长控制箱在市场上已有销售，但是一般用于家庭植物工厂或培种育苗(如专利CN107450640A，CN207232800U)，无法实现任意控制箱体内环境的远程端的任意控制和访问，缺少精细化控制和测量，且测量控制指标单一(如专利CN206609852U，CN205082405U)，无法满足环境指标多样复杂的植物生长感知与控制要求。传统生长箱缺乏获取大量实验数据的能力，且应用场景单一，实验人员无法实时灵活地获取实验信息。因此，设计一种适合于科学研究的植物生长控制箱系统有着重要的意义。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种用于植物研究的生长箱，用于科学研究的植物生长控制箱系统，有效地实现了植物生长过程中环境参数的监测和控制。

一种用于植物研究的生长箱，包括：生长箱内胆、信息采集组件、环境控制组件、本地信息处理中心、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、包括人机交互系统的本地显示终端和远程客户端；

所述本地信息处理中心分别与信息采集组件、环境控制组件、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、本地显示终端相连接，远程客户端与远程数据处理与存储中心相连；

所述生长箱内胆用于放置需要检测的植物；

所述信息采集组件用于采集生长箱内的环境参数，所述环境参数包括温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度；

所述环境控制组件用于实时改变生长箱内影响植物生长的所述环境参数；

所述本地信息处理中心用于连接信息采集组件、环境控制组件、远程数据处理和存储中心、本地显示终端相连接，起到信息交通枢纽的作用；

所述本地数据存储模块用于存储所述信息采集组件采集的环境参数的实时值以及所述远程客户端设定的环境参数的目标值；

所述远程数据处理与存储中心用于与所述远程客户端通信，传输实时的环境参数与所述远程客户端设定的环境参数的目标值；

所述本地显示终端用于显示箱体的环境参数，设定并显示需要更改的各个环境参数；

所述远程客户端用于查看生长箱内的环境参数的实时值，上传环境因素控制曲线数据实现任意控制生长箱内的环境变化。

在另外的一个实施例中，所述生长箱内胆的表面为钢化玻璃。

在另外的一个实施例中，所述信息采集组件包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光照传感器。

在另外的一个实施例中，所述环境控制组件包括二氧化碳控制器、温度控制器、湿度控制器和光照控制器；环境控制组件根据所述本地信息处理中心的需求和命令改变生长箱体内的各个环境参数。

在另外的一个实施例中，所述包括人机交互系统的本地显示终端包括工业触摸屏终端和支架；所述工业触摸屏终端显示实时的以及预设的各个环境参数值，以及，对当前的环境参数值进行更改，实现对植物生长环境的控制。

在另外的一个实施例中，所述远程客户端是可以联网的智能手机、平板或者个人PC。

在另外的一个实施例中，所述光照控制器包括数个可调节亮度的LED灯以及单片机；通过所述单片机的控制，调节各个LED灯的亮度以达到所述本地信息处理中心所要求达到的程度。

在另外的一个实施例中，所述环境因素控制曲线数据的各个环境参数需要在规定范围内进行设定，且变化过程可实时做出调整，为箱体内的环境参数设置提供高度自由的控制模式。

一种上述用于植物研究的生长箱的操作方法，包括：

操作人员将被研究的植物放置并种植在植物生长箱体的生长箱内胆中，在种植完毕后通过钢化玻璃观察植物的生长状态；

所述信息采集组件每隔第一预定时间采集植物生长箱体中的所述环境参数，信息采集组件将采集的各个环境参数值经由所述本地信息处理中心发送到所述远程数据处理与存储中心并实时显示在所述本地显示终端的显示屏上；

操作人员根据实验需求在所述远程客户端上传环境因素控制曲线数据，上传的数据通过网络经由远程数据处理和存储中心，传输到本地信息处理中心，所述本地信息处理中心将各个环境参数预设值与当前值相比较，根据比较结果，对所述环境控制组件下达不同的指令；

所述环境控制组件在接收到所述本地信息处理中心下达的指令后，每个不同环境参数的控制器独立工作，在所述环境控制组件工作的过程中，所述信息采集组件所述第二预定时间采集一次环境参数并上传至所述本地信息处理中心对实时的环境参数值进行更新；

所述环境控制组件与所述信息采集组件协同工作使植物生长箱体的各个环境参数达到实验的预设值。

在另外的一个实施例中，所述第一预定时间是半分钟；所述第二预定时间是10秒。

上述用于植物研究的生长箱，可以实现任意控制箱体内环境的远程端的任意控制和访问，增加了环境参数的精细化测量和控制，增加了多项控制指标，可以应用在多种不同的应用场景中，极大地方便了实验人员对植物生长环境的不同参数进行实时检测和控制。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种用于植物研究的生长箱的整体结构示意图。

图2为本申请实施例提供的一种用于植物研究的生长箱环境参数设置和维持软件流程图。

图3为本申请实施例提供的一种用于植物研究的生长箱体的内胆结构示意图。

图4是本申请实施例提供的生长箱的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种用于植物研究的生长箱，包括：生长箱内胆、信息采集组件、环境控制组件、本地信息处理中心、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、包括人机交互系统的本地显示终端和远程客户端；

所述本地信息处理中心分别与信息采集组件、环境控制组件、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、本地显示终端相连接，远程客户端与远程数据处理与存储中心相连；

所述生长箱内胆用于放置需要检测的植物；

所述信息采集组件用于采集生长箱内的环境参数，所述环境参数包括温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度；

所述环境控制组件用于实时改变生长箱内影响植物生长的所述环境参数；

所述本地信息处理中心用于连接信息采集组件、环境控制组件、远程数据处理和存储中心、本地显示终端相连接，起到信息交通枢纽的作用；

所述本地数据存储模块用于存储所述信息采集组件采集的环境参数的实时值以及所述远程客户端设定的环境参数的目标值；

所述远程数据处理与存储中心用于与所述远程客户端通信，传输实时的环境参数与所述远程客户端设定的环境参数的目标值；

所述本地显示终端用于显示箱体的环境参数，设定并显示需要更改的各个环境参数；

所述远程客户端用于查看生长箱内的环境参数的实时值，上传环境因素控制曲线数据实现任意控制生长箱内的环境变化。

在另外的一个实施例中，所述生长箱内胆的表面为钢化玻璃。这样的话，方便观察植物生长情况。

在另外的一个实施例中，所述信息采集组件包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光照传感器。

可以理解，还可以包括其他功能的传感器。

可以理解，所述信息采集组件还可以采集植物的图像。

在另外的一个实施例中，所述环境控制组件包括二氧化碳控制器、温度控制器、湿度控制器和光照控制器；环境控制组件根据所述本地信息处理中心的需求和命令改变生长箱体内的各个环境参数。

可以理解，还可以包括其他功能的环境参数控制器。

在另外的一个实施例中，所述包括人机交互系统的本地显示终端包括工业触摸屏终端和支架；所述工业触摸屏终端显示实时的以及预设的各个环境参数值，以及，对当前的环境参数值进行更改，实现对植物生长环境的控制。

在另外的一个实施例中，所述远程客户端是可以联网的智能手机、平板或者个人PC。

通过该软件实现查看各个实时环境参数值，并能够上传环境因素控制曲线数据，实现任意控制生长箱内的环境变化，刺激植物做出反应，实时采集用于植物研究的科学数据。

在另外的一个实施例中，所述光照控制器包括数个可调节亮度的LED灯以及单片机；通过所述单片机的控制，调节各个LED灯的亮度以达到所述本地信息处理中心所要求达到的程度。

在另外的一个实施例中，所述环境因素控制曲线数据的各个环境参数需要在规定范围内进行设定，且变化过程可实时做出调整，为箱体内的环境参数设置提供高度自由的控制模式。

一种上述用于植物研究的生长箱的操作方法，包括：

操作人员将被研究的植物放置并种植在植物生长箱体的生长箱内胆中，在种植完毕后通过钢化玻璃观察植物的生长状态；

所述信息采集组件每隔第一预定时间采集植物生长箱体中的所述环境参数，信息采集组件将采集的各个环境参数值经由所述本地信息处理中心发送到所述远程数据处理与存储中心并实时显示在所述本地显示终端的显示屏上；

操作人员根据实验需求在所述远程客户端上传环境因素控制曲线数据，上传的数据通过网络经由远程数据处理和存储中心，传输到本地信息处理中心，所述本地信息处理中心将各个环境参数预设值与当前值相比较，根据比较结果，对所述环境控制组件下达不同的指令；

所述环境控制组件在接收到所述本地信息处理中心下达的指令后，每个不同环境参数的控制器独立工作，在所述环境控制组件工作的过程中，所述信息采集组件所述第二预定时间采集一次环境参数并上传至所述本地信息处理中心对实时的环境参数值进行更新；

所述环境控制组件与所述信息采集组件协同工作使植物生长箱体的各个环境参数达到实验的预设值。

在另外的一个实施例中，所述第一预定时间是半分钟；所述第二预定时间是10秒。

上述用于植物研究的生长箱，可以实现任意控制箱体内环境的远程端的任意控制和访问，增加了环境参数的精细化测量和控制，增加了多项控制指标，可以应用在多种不同的应用场景中，极大地方便了实验人员对植物生长环境的不同参数进行实时检测和控制。

下面介绍一个本发明的具体应用场景：

在一个实施例中，如图1所示，一种用于科学研究的植物生长控制箱包括三个独立的内胆、触控显示屏、输入输出接口区域和信息处理中心，箱体外型尺寸为1550mm×900mm×2400mm(长×宽×高)，每个箱体内胆尺寸为1050mm×700mm×700mm(长×宽×高)。每个箱体内胆前方设有透明钢化玻璃，可在外观察植物生长情况。右侧区域为包括人机交互系统的本地显示终端的触控显示屏，可实时显示每个内胆的环境参数，实验操作人员可通过触摸显示屏更改植物生长箱内的各个环境参数。集成在信息处理中心上的输入输出拓展接口，用来扩展信息采集组件和环境控制组件，根据实验需求，增加传感器和环境因素控制器。信息处理中心由具有存储和通信能力的微型计算机以及相关的接口构成，为各部分组件提供通信支持并可执行相关程序。环境参数的设置如图2所示，可通过远程客户端或者人机交互系统调整各项环境参数以达到实验要求的环境。

具体地，拟研究不同温度对小麦幼苗生长的影响，将18株带有营养基座的小麦幼苗分成三组，分别置入三个不同温度且其他环境指标相同的生长箱内胆，密闭在箱内一段时间。使用图像采集设备每隔一定时间采集小麦的生长图像，判断小麦的生长状态。利用二氧化碳控制阀计算植物生长箱体内在某段时间内的消耗量，由此计算出小麦在该时间段内的光合作用速率。每个生长箱内胆的光照系统由数个可调节光强和频率的LED灯以及控制这些LED灯的单片机构成，为每个植物提供均匀的模拟自然光照环境。本地信息处理中心与光照系统的单片机相通信，改变LED的亮度、方向以及频率等参数，制造符合实验要求的光照环境。在保证箱体密封的前提下，本地信息处理中心通过温度控制系统中的单片机控制制热和制冷组件来调节植物生长箱内的温度。在温度调节设备工作的同时，信息采集设备再以高于平常的频率采集箱体内的温度，并不断更新本地信息处理中心和本地存储数据存储模块中的实时温度值，保证箱体内的温度迅速稳定在设定的温度范围。湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境因素的调节方法与温度调节方法一致，都是信息处理中心与各个相关单片机通信，间接控制各个设备的启动与停止。信息采集组件采集箱体内的各个环境参数值，本地信息处理中心比对各环境参数的设定值和实时值，环境控制组件根据本地信息处理中心的指令做出相应动作。三者的协同工作为植物生长箱的环境参数控制提供了一种解决方案。

在一个实施例中，如图3所示，生长箱内胆放置350mm x 350mmx 500mm(长×宽×高)的植物6株，四周和上方区域为LED覆盖区域，LED的波长范围覆盖400-520nm(蓝光)和610-720nm(红光)，照度(0-80000lux)覆盖植物生长环境，LED光强和照度为植株提供不同的光照环境，包括模拟四季的光照和阴天晴天的光照等，光照系统受信息处理中心的控制，可实现模拟自然环境下24小时内在整个生长周期中植株的光照情况。在箱内的合适位置安装同一类型的传感器多个，实现多点采集以减少数据偏差，箱内安装可移动图像采集仪，每隔一定时间采集植物多方位图像，通过后期建模，获得植物的三维立体图像。

具体地，研究不同光照周期(还包括波长和光照强度等)对植物的影响。在进行实验之前，测量相同LED光照射的情况下，不同位置的光照强度，得到光照强度与距离的关系。根据自然条件下植物的照度水平和研究目标确定LED的工作模式，即在正常照度水平下设置不同的光照周期，研究光照周期对植物生长的影响模式，确定在正常照度下的最优光照周期。同样地，决定植物叶片光吸收效率的波长对植物生长模式也有一定影响，采用不同波长的光对植物进行照射，并利用图像采集仪和二氧化碳气阀分别记录植物形态和光合速率的变化。

在一个实施例中，如图4所示，一种用于科学研究的植物生长控制箱系统，包括生长箱内胆、信息采集组件、环境控制组件、本地信息处理中心、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、包括人机交互系统的本地显示终端、远程客户端。信息采集组件与本地信息处理中心通过串口相连接进行单向通信，信息采集组件采集植物生长箱体内部环境信息的相关参数值，并将这些参数值传送给本地信息处理中心。信息控制组件与本地信息处理中心通过串口相连进行单向通信，本地信息处理中心将相关设备的控制指令传送给信息控制组件，控制设备的运行与停止从而实现对植物生长箱体内部环境进行控制的目的。本地信息处理中心通过串口与本地数据存储模块进行双向通信，将相关参数存储到本地数据存储模块中或从该模块中取出实时环境参数。同样地，本地信息处理中心通过串口与包括人机交互系统的本地显示终端相连，在显示屏上实时显示当前植物生长箱体中的各个环境参数值，同时可以在该触摸屏上对各个参数值进行设定，传输给本地信息处理中心。此外，本地信息处理中心通过网线与远程数据处理和存储中心连接，进行双向通信，传输实时环境参数值以及实验人员设定的环境参数值。远程数据处理和存储中心通过网络与远程客户端连接进行双向通信。远程客户端可以向远程数据处理和存储中心请求查看实时环境参数值以及预设环境参数值。同时远程客户端可以向远程数据处理和存储中心上传环境因素控制曲线数据。

实验操作人员将被研究的植物放置并种植在植物生长箱体的内胆中，栽种完毕后通过钢化玻璃观察植物生长状态。

信息采集组件定时半分钟采集植物生长箱体中的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等环境参数，信息采集组件将采集的各个参数值经由本地信息处理中心发送到远程数据处理中心并实时显示在包括人机交互系统的本地显示终端的显示屏上。

操作人员根据实验需求在远程客户端软件上上传环境因素控制曲线数据，上传的数据通过网络经由远程数据处理和存储中心，传输到本地信息处理中心，本地信息处理中心将各个环境参数设定值与当前值相比较，根据比较结果，对环境控制组件下达不同的指令。环境控制组件在接收到本地信息处理中心下达的指令后，每个不同环境参数的控制器独立工作，在环境控制组件工作过程中，信息采集组件每十秒采集一次环境信息参数并上传至本地信息处理中心对实时环境参数值进行更新。环境控制组件与信息采集组件协同工作使植物生长箱体的各个环境参数达到实验人员的预设值。

本发明涉及一种用于科学研究的植物生长控制箱系统，主要包括生长箱内的体内胆、信息采集组件、环境控制组件、本地信息处理中心、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、包括人机交互系统的本地显示终端、远程客户端软件。信息采集组件测量放置于内胆中的植物不同部位的各项指标，同置于内胆内部的环境控制组件(调整二氧化碳浓度、温度、湿度、光照等环境因素)和本地信息处理中心协同完成内胆环境的测量与控制，测量结果可以显示在本地终端、保存在本地存储模块、并可以经嵌于本地信息处理中心的网络通信模块传至远程数据处理与存储中心。本地信息处理中心分别与信息采集组件、环境控制组件、本地数据存储模块、远程数据处理和存储中心、包括人机交互系统的本地显示终端相连接，起到信息交通枢纽的作用，本地信息处理中心通过网线同远程数据处理与存储模块双向通信，用户通过远程客户端软件经远程数据处理与存储模块和本地信息处理中心访问植物生长信息或控制内胆植物生长环境。用户可以在远程客户端通过上传环境因素控制曲线数据实现任意控制生长箱内的环境变化，刺激植物做出反应，实时采集用于植物研究的科学数据。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于植物研究的生长箱，其特征在于，包括：所述生长箱内胆、信息采集组件、环境控制组件、本地信息处理中心、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、包括人机交互系统的本地显示终端和远程客户端；

所述本地信息处理中心分别与信息采集组件、环境控制组件、本地数据存储模块、远程数据处理与存储中心、本地显示终端相连接，远程客户端与远程数据处理与存储中心相连；

所述生长箱内胆用于放置需要检测的植物；

所述信息采集组件用于采集生长箱内的环境参数，所述环境参数包括温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度；

所述环境控制组件用于实时改变生长箱内影响植物生长的所述环境参数；

所述本地信息处理中心用于连接信息采集组件、环境控制组件、远程数据处理和存储中心、本地显示终端相连接，起到信息交通枢纽的作用；

所述本地数据存储模块用于存储所述信息采集组件采集的环境参数的实时值以及所述远程客户端设定的环境参数的目标值；

所述远程数据处理与存储中心用于与所述远程客户端通信，传输实时的环境参数与所述远程客户端设定的环境参数的目标值；

所述本地显示终端用于显示箱体的环境参数，设定并显示需要更改的各个环境参数；

所述远程客户端用于查看生长箱内的环境参数的实时值，上传环境因素控制曲线数据实现任意控制生长箱内的环境变化。

2.根据权利要求1所述的用于植物研究的生长箱，其特征在于，所述生长箱内胆的表面为钢化玻璃。

3.根据权利要求1所述的用于植物研究的生长箱，其特征在于，所述信息采集组件包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光照传感器。

4.根据权利要求1所述的用于植物研究的生长箱，其特征在于，所述环境控制组件包括二氧化碳控制器、温度控制器、湿度控制器和光照控制器；环境控制组件根据所述本地信息处理中心的需求和命令改变生长箱体内的各个环境参数。

5.根据权利要求1所述的用于植物研究的生长箱，其特征在于，所述包括人机交互系统的本地显示终端包括工业触摸屏终端和支架；所述工业触摸屏终端显示实时的以及预设的各个环境参数值，以及，对当前的环境参数值进行更改，实现对植物生长环境的控制。

6.根据权利要求1所述的用于植物研究的生长箱，其特征在于，所述远程客户端是可以联网的智能手机、平板或者个人PC。

7.根据权利要求4所述的用于植物研究的生长箱，其特征在于，所述光照控制器包括数个可调节亮度的LED灯以及单片机；通过所述单片机的控制，调节各个LED灯的亮度以达到所述本地信息处理中心所要求达到的程度。

8.根据权利要求1所述的用于植物研究的生长箱，其特征在于，所述环境因素控制曲线数据的各个环境参数需要在规定范围内进行设定，且变化过程可实时做出调整，为箱体内的环境参数设置提供高度自由的控制模式。

9.一种权利要求1到8所述用于植物研究的生长箱的操作方法，其特征在于，包括：

操作人员将被研究的植物放置并种植在植物生长箱体的生长箱内胆中，在种植完毕后通过钢化玻璃观察植物的生长状态；

所述信息采集组件每隔第一预定时间采集植物生长箱体中的所述环境参数，信息采集组件将采集的各个环境参数值经由所述本地信息处理中心发送到所述远程数据处理与存储中心并实时显示在所述本地显示终端的显示屏上；

操作人员根据实验需求在所述远程客户端上传环境因素控制曲线数据，上传的数据通过网络经由远程数据处理和存储中心，传输到本地信息处理中心，所述本地信息处理中心将各个环境参数预设值与当前值相比较，根据比较结果，对所述环境控制组件下达不同的指令；

所述环境控制组件在接收到所述本地信息处理中心下达的指令后，每个不同环境参数的控制器独立工作，在所述环境控制组件工作的过程中，所述信息采集组件所述第二预定时间采集一次环境参数并上传至所述本地信息处理中心对实时的环境参数值进行更新；

所述环境控制组件与所述信息采集组件协同工作使植物生长箱体的各个环境参数达到实验的预设值。

10.根据权利要求9所述的用于植物研究的生长箱的操作方法，所述第一预定时间是半分钟；所述第二预定时间是10秒。