CN109168788A - 一种智慧工厂化育苗基地 - Google Patents
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Abstract
本发明公开本发明提供一种智慧工厂化育苗基地，包括智慧温室、全光温室、驯化荫棚；所述智慧温室用于承担园区所有种子和种苗从预处理到育苗容器装填的工作，及承担部分于育苗的前期培育；本发明采用智慧化控制系统控制温室各项参数，精确调节温室环境，满足不同作物生长需求，有效缩短种苗繁育周期，提升繁育基地种苗产量；降低人员需求，采用机械化设施提高种苗均匀性及种苗成活率等。控制系统设计应简单、易用，并需具备必要的智能控制能力，降低系统对设备操作人员的技能需求，同时整套系统具备升级换代的潜力，为后续实现无人化的操作管理奠定基础。
Description
技术领域
本发明属农业自动化设备技术领域，具体涉及一种智慧工厂化育苗基地。
背景技术
我国温室经历了塑料大棚、日光温室到现代化工厂化育苗温室的发展历程，通过在温室的装配技术、结构性能优化、光照人工气候控制、栽培设施及配套技术、工厂化育苗设施及配套技术方面的研究设计，形成了具有可适应不同自然环境及不同作物生长需求的不同类型的温室产品。
目前我国温室的骨架多采用热镀锌管（板），覆盖材料多为玻璃、双层充气膜、PC板等；还自行研制设计了各种环境调控系统和微机监控系统等；对于无土栽培、优良品种选育的研究已达到国际领先水平，但是成果的应用还很有限；在温室内机械耕种方面，只有少量的育苗、移植等设备，大部分是靠引进设备或手工作业；在应用方面，缺乏有效的管理体制和机制，还未将生产、加工、销售有机地结合起来。
为提高基地的育苗效率，提升苗木繁育的成活率，建设工厂化育苗区域对种苗进行初期培育的需求越来越迫切。
另外目前我国引进温室的控制系统大多运行费用过高，大部分通用的控制系统缺乏相应的优化软件，大多仍使用单因子开关量进行环境因子的调节，而实际上温室内的日射量、气温、地温、湿度及CO2浓度等环境要素是在相互间彼此关联着的环境中对作物的生长产生影响的，环境要素的时间变化和空间变化都很复杂。
发明内容
本发明提供一种智慧工厂化育苗基地。根据植物的生长规律，采用现代化工程和机械技术，提高种苗均匀性及种苗成活率；
本发明的技术方案如下：
一种智慧工厂化育苗基地，包括智慧温室、全光温室、驯化荫棚；
所述智慧温室用于承担园区所有种子和种苗从预处理到育苗容器装填的工作，及承担部分于育苗的前期培育；
所述全光温室主要承担各规格的幼苗的长周期温室培育工作；
所述驯化荫棚主要承担幼苗向大田区转移过程的驯化工作；
所述智慧温室内部划分为育苗作业区与苗木培育区两部分；智慧温室苗木培育区设置有苗床系统，灌溉系统，环境监控系统；在智慧温室内设有环境控制项目子系统，所述智慧温室的环境控制项目子系统包括天窗、侧窗、内遮阳、外遮阳、顶保温幕、侧保温幕、内循环风机、供暖风机、循环水泵、照明设施、辅助供热；
所述全光温室内设置有苗床系统，灌溉系统，环境监控系统；在全光温室内设有环境控制项目子系统，所述全光温室的环境控制项目子系统包括天窗、侧窗、内遮阳、外遮阳、顶保温幕、侧保温幕、内循环风机、供暖水泵、照明设施、辅助供热；
所述驯化荫棚内设有固定式喷灌系统、环境监控系统；在驯化荫棚内设有环境控制项目子系统，所述驯化荫棚的环境控制项目子系统包括外遮阳；
所述智慧温室、全光温室、驯化荫棚内分别设有温室智能控制子系统，通过物联网及总线控制系统分别与对应的环境监控系统连接，并分别对各自的环境控制项目子系统进行控制，调整控制温室内的氛围；
所述智慧温室、全光温室、驯化荫棚内的温室智能控制子系统通过总线控制方式连接到智慧工厂化育苗基地智慧温室控制系统的服务器上，由该服务器对数据进行分析处理，根据植物生长特性及生产实际需求，由控制中心发出调整指令，实现对温室内各工作区域远程自动化、智慧化管控；
进一步的，本发明的所述智慧温室包括密室骨架、密室保温层、增温系统、增湿系统、内循环系统；所述密室骨架以网格状形成一封闭空间，所述密室保温层覆盖在密室骨架上，形成一密闭空间；在密闭空间的一侧设有门窗；所述密室骨架为钢结构构件，采用热镀锌矩形钢管焊接；所述密室保温层采用彩钢夹芯板，由上下两层金属面板和中层岩棉隔热内芯压制而成；
所述增温系统设置在密闭空间内底部；所述增温系统采用PTC电加热工业暖风机；所述增湿系统设置在密闭空间内一侧，包括箱体及设置在箱体内的超声雾化器；通过水管与外部水源联接；
所述内循环系统包括上下均布设置的增温增湿管道及循环风机；所述增温系统和增湿系统的出口分别与增温增湿管道联接；在增温增湿管道上布设多种不同口径的出风口，确保每个出风口的气流均匀一致；所述循环风机设有多个，用于对室内气氛进行循环扰动，促进暗室内温度和湿度的均衡；底部增温增湿管道上覆盖高强度格栅板；
本发明的工作原理如下：根据工厂化育苗技术流程，工厂化育苗区内温室所需完成的育苗工艺过程主要有：营养土配制、营养土装盆、种子催芽、种苗播撒、扦插苗培育、种苗扦插、组培苗移植、温室培育、驯化炼苗等几个主要步骤，从不同品种植物对生长环境的多元化需求及工厂化育苗操作的便捷性考虑，将整个工厂化育苗园区内的温室按照不同的功能与用途划分为三个温室区域，即三种类型的种苗繁育温室，分别为：智慧温室、全光温室、驯化荫棚。
智慧工厂化育苗基地的控制方案如下：
智能温室控制系统是用工业计算机和工业控制器及工业组态软件上开发的具有监测和控制功能的系统，针对温室各个参数进行控制的智能化控制系统，具有高稳定性、开发周期短、通用性好的优势也使得它在大型温室控制和农业科研、其它自动化工业方面应用广泛。
温室控制系统主要由工控电脑、数据中心服务器、控制器、人机界面、变频器、伺服驱动器、各种传感器、视频、继电器等线路构成，组成温室智能控制子系统、供暖系统、苗盘输送子系统、灌溉子系统、视频子系统，整个控制系统采用有线三层网络，充分利用计算机技术、现场控制总线技术、模糊控制技术、伺服控制技术，形成该项目独特的苗床温室智能控制系统。
整个控制系统的网络架构，分为上、中、下三层，上层为监控与管理层，主要安装在监控中心，以太网传输信号，主要元件有工控机、数据中心服务器、交换机、CCTV信号处理器、显示屏或显示墙等，具有监控与管理功能；中层为设备控制单元层，为各个控制系统 之间的通信、主控制系统与工控机的通信；以先进的工业总线传输信号；下层为控制系统 与各个传感器、仪表之间的通信，以串口总线传输信号。
温室智能控制子系统可以准确地采集温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、营养溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速以及作物生长状况等参数，将室内温、光、水、肥、气等诸多因素综合。根据作物不同生长阶段对环境因子的不同要求，通过执行机构协调到最佳状态,使植物达到优良培育的效果。
按不同温室规模，在每个温室内配备不同数量的智慧温室综合控制终端子系统（TFCS），该终端子系统涵盖温室环境监测控制系统、视频及图像监测控制系统、能源分配控制系统等多种功能，该子系统对其所负责的独立生产区域内的作物生长环境、能源配置等进行全自动监控调整。该子系统硬件包含各类监测传感器、终端设备执行器、信息显示设备、数据传输设备及信息处理现场控制柜等，控制柜配备大尺寸触控显示屏，可实现对区域设备的现场调控设置
每个温室生产管理工作区则设置一套智慧温室控制系统，在物联网应用系统的统一组织下，温室内各智慧终端子系统（TFCS）所收集的监控数据保存至智慧温室控制系统的服务器上，由该服务器对数据进行分析处理，根据植物生长特性及生产实际需求，由控制中心发出调整指令，实现对温室内各工作区域远程自动化、智慧化管控。
本发明的有益效果如下：
1、采用智慧化控制系统控制温室各项参数，精确调节温室环境，满足不同作物生长需求，有效缩短种苗繁育周期，提升繁育基地种苗产量；降低人员需求，采用机械化设施提高种苗均匀性及种苗成活率等。
2、采用现代化工程和机械技术，为植物生长繁殖提供相对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥和气氛等环境条件，使林业种苗繁育在一定程度上摆脱对自然环境的依赖而进行更有效的生产研究。
3、控制系统设计应简单、易用，并需具备必要的智能控制能力，降低系统对设备操作人员的技能需求，同时整套系统具备升级换代的潜力，为后续实现无人化的操作管理奠定基础。
4、从不同品种植物对生长环境的多元化需求及工厂化育苗操作的便捷性考虑，将整个工厂化育苗园区内的温室按照不同的功能与用途划分。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的控制原理图；
图3为本发明的智慧温室结构示意图
附图标号说明：1、密室骨架；2、密室保温层；3、门窗；4、增温系统；5、增湿系统；6、内循环系统；7、微环境控制系统 。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明，如图所示，根据工厂化育苗技术流程，工厂化育苗区内温室所需完成的育苗工艺过程主要有：营养土配制、营养土装盆、种子催芽、种苗播撒、扦插苗培育、种苗扦插、组培苗移植、温室培育、驯化炼苗等几个主要步骤，从不同品种植物对生长环境的多元化需求及工厂化育苗操作的便捷性考虑，将整个工厂化育苗园区内的温室按照不同的功能与用途划分为三个温室区域，即三种类型的种苗繁育温室，分别为：智慧温室、全光温室、驯化荫棚。
根据项目苗木生产需求，将各区域（温室）功能规划如下：
智慧温室主要承担园区所有种子和种苗从预处理到育苗容器装填的工作，及承担部分于育苗的前期培育；
智慧温室内部划分为育苗作业区与苗木培育区两部分。
智慧温室苗木培育区设置有苗床系统，灌溉系统，环境监控系统等。
全光温室主要承担各规格的幼苗的长周期温室培育工作；
驯化荫棚主要承担幼苗向大田区转移过程的驯化工作。
区别于常规的人工培养模式的随意性，工厂育苗系统在种子播种、基质填充覆土、苗盘搬运、苗盘放置、苗床移动、苗木移栽、灌溉施肥等过程中实现全面的标准化；各工艺流程经过系统调整与优化后，各分解动作被固化，其执行速度、姿态、持续时间等参数保持高度一致，从而实现对育苗培育过程长期的稳定控制。
根据相关法规技术要求，从设计的前瞻性、先进性、实际生产需求、初期投资、日常运营费用、人员配置、管理难度、运用效率等方面综合考虑，各温室设计配置如下表所述：
智慧工厂化育苗基地的控制方案：
智慧工厂化育苗基地对现场数据的实时处理速度要求不高，但对系统运行、维护的稳定性和便捷性要求较高，从先进性、适用性、可靠性、兼容性、可扩展性、组建便捷性等方面考虑，整个工厂化育苗区温室的智慧化系统均采用现场总线控制系统（Fieldbus ControlSystem）进行构建，系统采用高可靠性的工业以太网技术，具有分散控制、分级管理、集中操作、组建灵活以及扩展方便的特点，具体实施方案如下：
智能温室控制系统是用工业计算机和工业控制器及工业组态软件上开发的具有监测和控制功能的系统，针对温室各个参数进行控制的智能化控制系统，具有高稳定性、开发周期短、通用性好的优势也使得它在大型温室控制和农业科研、其它自动化工业方面应用广泛。
温室控制系统主要由工控电脑、数据中心服务器、控制器、人机界面、变频器、伺服驱动器、各种传感器、视频、继电器等线路构成，组成温室智能控制子系统、供暖系统、苗盘输送子系统、灌溉子系统、视频子系统，整个控制系统采用有线三层网络，充分利用计算机技术、现场控制总线技术、模糊控制技术、伺服控制技术，形成该项目独特的苗床温室智能控制系统。
整个控制系统的网络架构，分为上、中、下三层，上层为监控与管理层，主要安装在监控中心，以太网传输信号，主要元件有工控机、数据中心服务器、交换机、CCTV信号处理器、显示屏或显示墙等，具有监控与管理功能；中层为设备控制单元层，为各个控制系统 之间的通信、主控制系统与工控机的通信；以先进的工业总线传输信号；下层为控制系统 与各个传感器、仪表之间的通信，以串口总线传输信号。
温室智能控制子系统可以准确地采集温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、营养溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速以及作物生长状况等参数，将室内温、光、水、肥、气等诸多因素综合。根据作物不同生长阶段对环境因子的不同要求，通过执行机构协调到最佳状态,使植物达到优良培育的效果。
按不同温室规模，在每个温室内配备不同数量的智慧温室综合控制终端子系统（TFCS），该终端子系统涵盖温室环境监测控制系统、视频及图像监测控制系统、能源分配控制系统等多种功能，该子系统对其所负责的独立生产区域内的作物生长环境、能源配置等进行全自动监控调整。该子系统硬件包含各类监测传感器、终端设备执行器、信息显示设备、数据传输设备及信息处理现场控制柜等，控制柜配备大尺寸触控显示屏，可实现对区域设备的现场调控设置。
每个温室生产管理工作区则设置一套智慧温室控制系统，在物联网应用系统的统一组织下，温室内各智慧终端子系统（TFCS）所收集的监控数据保存至智慧温室控制系统的服务器上，由该服务器对数据进行分析处理，根据植物生长特性及生产实际需求，由控制中心发出调整指令，实现对温室内各工作区域远程自动化、智慧化管控。
采用现场总线控制系统（Fieldbus Control System）的模式时，在单个系统建成后，无需总控中心的指挥即可投入正常的生产使用，实现该单元基本的自动化、智能化控制，待整个系统全部组建完成后便可实现整个工厂化育苗区的智慧化、网络化的目标。运用现场总线控制系统（Fieldbus Control System）避免了大环路集中控制系统存在系统调试难度大、抗风险能力弱、控制复杂、建设周期长的弱点，便于快速化、标准化、模块化的搭建工厂化育苗系统。
采用智慧化控制系统控制温室各项参数，精确调节温室环境，满足不同作物生长需求，有效缩短种苗繁育周期，提升繁育基地种苗产量；降低人员需求，采用机械化设施提高种苗均匀性及种苗成活率等。
环境控制系统实现无人值守，通过智慧化的管理系统，为育苗繁育提供相对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、气氛等环境条件，并收集和保存各类种苗繁育的基础数据，为农林业科技的研究发展进步提供基础数据支持。
进一步的，如图3所示，本发明的智慧温室，包括密室骨架1、密室保温层2、增温系统4、增湿系统5、内循环系统6；所述密室骨架1以网格状形成一封闭空间，所述密室保温层2覆盖在密室骨架1上，形成一密闭空间；在密闭空间的一侧设有门窗3；所述密室骨架1为钢结构构件，采用热镀锌矩形钢管焊接；所述密室保温层2采用彩钢夹芯板，由上下两层金属面板和中层岩棉隔热内芯压制而成；所述增温系统4设置在密闭空间内底部；所述增温系统4采用PTC电加热工业暖风机；所述增湿系统5设置在密闭空间内一侧，包括箱体及设置在箱体内的超声雾化器；通过水管与外部水源联接；所述内循环系统6包括上下均布设置的增温增湿管道及循环风机；所述增温系统4和增湿系统5的出口分别与增温增湿管道联接；在增温增湿管道上布设多种不同口径的出风口，确保每个出风口的气流均匀一致；所述循环风机设有多个，用于对室内气氛进行循环扰动，促进暗室内温度和湿度的均衡；底部增温增湿管道上覆盖高强度格栅板；还包括微环境控制系统7，所述微环境控制系统7包括温度传感器、湿度传感器、CO2传感器及PLC控制模块；所述微环境控制系统7分别与增温系统4、增湿系统5及内循环系统6的循环风机电连接。
以上是对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种智慧工厂化育苗基地，其特征在于，包括智慧温室、全光温室、驯化荫棚；
所述智慧温室内部划分为育苗作业区与苗木培育区两部分；智慧温室苗木培育区设置有苗床系统，灌溉系统，环境监控系统；在智慧温室内设有环境控制项目子系统，所述智慧温室的环境控制项目子系统包括天窗、侧窗、内遮阳、外遮阳、顶保温幕、侧保温幕、内循环风机、供暖风机、循环水泵、照明设施、辅助供热；
所述全光温室内设置有苗床系统，灌溉系统，环境监控系统；在全光温室内设有环境控制项目子系统，所述全光温室的环境控制项目子系统包括天窗、侧窗、内遮阳、外遮阳、顶保温幕、侧保温幕、内循环风机、供暖水泵、照明设施、辅助供热；
所述驯化荫棚内设有固定式喷灌系统、环境监控系统；在驯化荫棚内设有环境控制项目子系统，所述驯化荫棚的环境控制项目子系统包括外遮阳。
2.根据权利要求1所述的一种智慧工厂化育苗基地，其特征在于，所述智慧温室、全光温室、驯化荫棚内分别设有温室智能控制子系统，通过物联网及总线控制系统分别与对应的环境监控系统连接，并分别对各自的环境控制项目子系统进行控制，调整控制温室内的氛围；
所述智慧温室、全光温室、驯化荫棚内的温室智能控制子系统通过总线控制方式连接到智慧工厂化育苗基地智慧温室控制系统的服务器上，由该服务器对数据进行分析处理，根据植物生长特性及生产实际需求，由控制中心发出调整指令，实现对温室内各工作区域远程自动化、智慧化管控。
3.根据权利要求1所述的一种智慧工厂化育苗基地，其特征在于，所述智慧温室包括密室骨架、密室保温层、增温系统、增湿系统、内循环系统；所述密室骨架以网格状形成一封闭空间，所述密室保温层覆盖在密室骨架上，形成一密闭空间；在密闭空间的一侧设有门窗；所述密室骨架为钢结构构件，采用热镀锌矩形钢管焊接；所述密室保温层采用彩钢夹芯板，由上下两层金属面板和中层岩棉隔热内芯压制而成；
所述增温系统设置在密闭空间内底部；所述增温系统采用PTC电加热工业暖风机；所述增湿系统设置在密闭空间内一侧，包括箱体及设置在箱体内的超声雾化器；通过水管与外部水源联接；
所述内循环系统包括上下均布设置的增温增湿管道及循环风机；所述增温系统和增湿系统的出口分别与增温增湿管道联接；在增温增湿管道上布设多种不同口径的出风口，确保每个出风口的气流均匀一致；所述循环风机设有多个，用于对室内气氛进行循环扰动，促进暗室内温度和湿度的均衡；底部增温增湿管道上覆盖高强度格栅板。
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- 2018-11-20 CN CN201811382373.4A patent/CN109168788A/zh active Pending
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