CN109287331A - 物联网管理下的多层种植架的种植大棚设计方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种物联网管理下的多层种植架的种植大棚设计方案，使用本设计方案设计出的植物种植大棚智能化程度高、土地利用率高，可广泛的适用于蔬菜、水果、花卉、中草药等多种经济作物的室内种植以及食用菌的栽培。

Description

物联网管理下的多层种植架的种植大棚设计方案

技术领域

本发明涉及到一种物联网管理下的多层种植架的种植大棚设计方案，使用本设计方案设计出的植物种植大棚智能化程度高、土地利用率高，可广泛的适用于蔬菜、水果、花卉、中草药等多种经济作物的室内种植以及食用菌的栽培。

背景技术

尽管目前植物种植大棚的建设和制造技术在快速的提高，但是仍然存在一些不尽之处，例如基本上所有的植物种植大棚的土地利用率都低于植物种植大棚所占用的土地面积，种植大棚的智能化和信息化技术仍然需要提高，缺少合适配套的分析检测实验室，位于气温较低的时候种植大棚的保温效果较差，在干旱的时候保湿效果较差，等诸多的缺陷。

本发明提出一种使用多层植物种植支架的可以实现物联网管理的、并可以接受监督的种植大棚的设计方案，在该设计方案的指导下，利用机械、数字控制、分析检测、信息管理等相关技术，使用本技术方案可以建设土地利用率较高、保温措施良好、智能化程度高的植物种植大棚，为现代化的农业种植提供良好的技术支持，为实现绿色种植提供物联网管理、监督的技术基础。

发明内容

本发明所述的植物种植大棚的骨架优选钢结构材料、塑钢结构材料、铝合金材料，隔断材料优选玻璃、PC(聚碳酸酯)/PET(涤纶树脂)/PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)/PP(聚丙烯)等高分子材料制作的透明或半透明阳光板、聚氨酯保温板材、岩棉保温板材、无机棉保温板材。

本发明第一要素是本发明所述的植物种植大棚的单层净高度在2000mm-3000mm之间，最佳在2500mm左右。植物种植大棚的侧面可以使用玻璃或阳光板作为侧墙，最高层的顶棚也可使用玻璃或阳光板为顶层棚板，首选使用阳光板，也可安装太阳能光电池作为种植大棚的能源补给。在侧面和顶层的棚板上可以设计可开启关闭的通风窗，通风窗采用数字电路控制，用于作为调节大棚内的通风和温湿度的控制手段之一。

本发明第二要素是种植架的高度以1500mm-2500mm之间，最佳在1800mm左右。支架宽度在400mm-1500mm之间，最佳为600mm左右。过宽过高不利于种植操作。支架分多层支架，可以根据种植植物的生长高度选择所需要的层高，本发明不作具体的确定。种植支架可以使用塑钢、铝合金、钢材料，如果使用金属材料应该进行良好的防锈处理。

在每一层种植大棚内有序成排摆放植物种植架，每排种植架之间的宽度以1000mm-2000mm之间，以可以过去有单人推车通过的通道宽度即可。

本发明第三要素是在种植架的每一层的顶部安装植物所需要的人造光源，人造光源的光谱在可见光区，发光材料首选LED或氙灯类以及由此材料制作的植物光照灯具，以及相配套的光强度检测系统。为了充分的利用人造光源，支架层的层高以满足植物生长的高度为前提尽可能低，这样就能够提高人工光源的利用率，从另一个方面讲也可以有效的降低人造光源的功率，达到节能的目的。人造光源的电路控制应采用数字化控制，并在数字化控制的基础上增加智能化控制以达到可以模拟自然光的变化，或以便于可以根据所种植的植物生长的需要对人造光源的照射强度和照射时间的功能进行调节。如果选择使用氙灯光源，要安装排热装置，以防备氙灯发热产生的高温对植物灼伤。人造光源的配套技术就是太阳能电池板或风能发电的利用，与太阳能和风能发电配套的是锂电池组的应用。当前我国锂电池的制造水平发展很快，也是国家当前能源领域的重点发展方向，在这个背景下伴随的是锂电池性能的提高、寿命的延长、价格的下降。本发明之所以采用多层置物架和人造光源的设计理念，其重要的背景是锂电池的供给从性能上和价格上已经可以供给种植大棚这样相对产能不是很高的产业应用。太阳能和风能发电以及锂电池组(也包含其他类型的电池组)的应用技术是专业领域内的技术，是本发明的配套应用技术，在此就不需要赘述了。

本发明第四要素是在种植架的两个侧面应使用保温板材，保温板材可以选择上述所有的保温板材，但优选阳光板。种植架的两个正面分别设计有薄膜卷帘机构，在种植大棚内的温度过低时，薄膜卷帘机构可以将卷帘上的薄膜放开将支架的两侧用薄膜封闭起来用于支架内部的保温、保湿。采取卷帘对种植架两侧进行封闭的原因是在中国北方比较干旱的地区，采用这种局部封闭方式可以有效的确保植物生长空间的湿度调节，这对植物的生长起到关键的作用。保温薄膜首选用可降解的农用地膜，也可以选择其他的物美价廉、对植物没有污染的薄膜。使用地膜帘封闭种植支架的另外一个优点是防止植物病虫害的快速传播和有利于局部喷洒植物病虫害防治药液和避免药液对周边环境的污染。

本发明第五要素是为每个种植架设计一个小型增压水泵，在支架的每一层安装有置于合适空间的雾化水喷头和与种植土壤或人工土壤连接的滴灌喷头。连接雾化器和滴灌喷头通过电磁阀进行选择控制。将供水管与增压水泵连接，当增压水泵工作时，水在增压水泵的压力下从雾化水喷头喷出形成水雾或从滴灌喷嘴喷出细微的水滴，解决植物生长中所需要的水分。也可以在需要时将水泵的供水端与植物营养剂和植物病虫害药剂的药罐连接，根据需要为植物提供所需要的营养液和病虫害杀灭药液。增压水泵的电路控制也必须是数字化电路，以便与信息化管理衔接配套。

本发明第六要素是每个或几个种植架需要设计配套一个小型的包含有环境温湿度检测功能的空调段，空调段由温湿度检测系统、涡流风机或轴流风机与加热器、水交换器组成。水交换器的供水首选地下水井的地热供水，也可使用来自太阳能热水器的供水。加热器可以选择电加热器，电加热器如碳纤维加热器、PTC陶瓷加热器等多种新型材料的电加热器都可供选择。空调段的作用是在气温较低时向种植空间提供暖风，暖风首选地下水和太阳能热水器的温热水作为热源，不足时可以增加电加热器辅助加热。空调段所涉及到的风机、电磁阀、循环水泵需要使用一套数字控制电路，并且与信息管理系统链接。由于种植对温湿度检测精度的要求不是很高，所以每个种植架需要设计配套一个温湿度检测系统，并根据具体情况将温湿度监测系统的传感器设置在种植架的合适位置，推荐放在种植架的中部为首选。对种植大棚的加温还有一个简单的设计，就是在种植架的两个侧面，交替在每层设计安装一个由微型轴流风扇组合PTC陶瓷加热体的加热器，供电后PTC产生热量，小型轴流风扇将热量送入种植架，由于是每层交替安装一套，所以可以将热量均匀的送入每个种植层面。通过控制电压/电流控制PTC的产热量，达到热量可调整的目的。由于小型轴流风扇和PTC加热器批量订购的价格很低，所以并不会给种植架的制造成本提升太多。

本发明第七要素是在每一个种植大棚内设计一个植物营养液配制系统，配制系统由电子天平或电子秤、带有搅拌桨的配液罐、计量泵、增压泵和自来水级别的洁净水源组成。天平或电子秤、计量泵、配液罐的通讯接口应该与种植大棚的信息管理系统链接，种植大棚的信息管理系统应具备可以实时将营养液的配制情况进行记录的功能。营养液通过计量泵和管道与种植大棚内的浇灌系统连接，通过浇灌系统将植物需要的营养液输送给所需要的地方。

本发明第八要素是在每一个种植大棚内设计一个植物病虫害防治药液配制系统，配制系统由电子天平或电子秤、带有搅拌桨的配液罐、计量泵、增压泵和自来水级别的洁净水源组成。天平或电子秤、计量泵、配液罐的通讯接口应该与种植大棚的信息管理系统链接，种植大棚的信息管理系统应具备可以实时将植物病虫害防治药液的配制情况进行记录的功能。植物病虫害防治药液通过计量泵和管道与种植大棚内的浇灌系统连接，通过浇灌系统将植物需要的植物病虫害防治药液输送给所需要的地方。

种植大棚也可以不需要植物种植支架，直接在种植大棚的地面铺设土壤或人造土壤种植植物。为了有效的利用人造光源，人造光源可以采用升降支架的安装方式，可以根据植物的高度改变人造光源距离植物的距离，尽可能将人造光源置于距离植物较近的高处使植物很好的获得人造光源的光能量，也有利于节能。

本发明第九要素是种植大棚应该配套无菌实验室(或称洁净室)，用于植物细胞培养和繁育以及植物的克隆和快速繁育技术，为植物种植大棚的植物种植提供植物快速繁育技术条件。无菌实验室的配备数量根据种植的无菌实验室和需要设置。发明人曾提出的“分析检测基础装备实验室建筑模块及其成套性设计方法”和“高集成度成套性分析检测基础装备实验室建筑模块”，其中“高集成度成套性分析检测基础装备实验室建筑模块”专利已经授权，所以本发明人推荐无菌实验室直接使用“高集成度成套性分析检测基础装备实验室建筑模块”中的卫生学建筑模块，这是一个空间尺寸为W3000mmL6000mmH3000mm的钢结构建筑模块，内部配置有超净工作台、培养箱、振荡培养箱、高压消毒设备、小型反渗透超净水制备设备、灭菌间、试验台、以及与无菌试验室配套的附属实验室(例如缓冲间、非洁净理化实验室、试剂柜、等)，可以纵向串联或横向并联组建成面积大小不同的洁净实验室。无菌实验室的面积和规模可以根据种植大棚的面积规模酌情配套，可以每一个种植大棚都配套无菌实验室，也可以几个种植大棚共同配备一套无菌实验室。无菌室在必要时应该具备对植物病虫害分析的能力，尤其是对植物病毒分析鉴定的能力。

本发明第十要素是种植大棚应该配套理化分析检测实验室，用于提高对种植土壤、人造土壤、营养液、病虫害防治药液以及植物的无机和有机有害物质分析检测的能力。理化实验室也可以选择本发明人已经获得实用新型授权的“高集成度成套性分析检测基础装备实验室建筑模块”中的理化实验室建筑模块。该建筑模块的空间尺寸与前述的卫生学实验室建筑模块相同，并可自身或与卫生学实验室建筑模块进行纵向串联或横向并联连接成面积大小不同的分析检测实验室。理化分析检测实验室的装备和建设面积根据种植大棚的规模以及种植品种综合考虑。

与种植大棚配套的无菌室和理化分析室应该配套相应的信息管理系统，并具有原始数据朔源的能力。

种植大棚的电能应该重点考虑利用太阳能发电。应该在种植大棚的顶部没有安装太阳能热水器的地方以及大棚与大棚之间的过道以及大棚向阳的侧壁上尽可能多的安装太阳能电池板。利用太阳能发电作为大棚内的种植架的每个种植层的人造光源的主要电源供给，这是本发明所述使用植物种植支架的多层的植物种植大棚设计方案的重点，没有太阳能的充分利用，就会大幅度增加种植大棚内人造光源的耗电成本，也就是相当于增加了种植成本，当种植成本高于种植收益或收益过低时，种植大棚就失去了规模化普及的意义。而本发明旨在本所表述的设计方案下，建设价格低廉、智能化信息化程度高、土地利用率高的现代农业种植大棚，并由其提高我国农村种植领域的经济收益。

以上所述的本发明设计方案中的硬件设计部分的基本理念是将种植大棚的高度降低有利于降低环境温度调节所消耗的能量；采用多层的种植大棚设计方案和采用以可以进行封闭的多层种植架作为种植场地，是将需要调节的环境空间进一步缩小，从而进一步降低环境温度调节所需要的能耗。通过这两种缩小环境温度调节空间的做法其最终的目标是在尽可能低耗能的情况下最大限度的保障植物生长所需要的环境温度；多层种植大棚和种植大棚内设计多层种植支架设计理念的基本初衷就是尽可能大的提高土地使用效率，而这样设计的基础条件就是利用人造光源为植物提供光合作用所需要的光源。光源的耗电成本与太阳能发电所产生的电能以及太阳能系统的自然损耗之间的经济效益平衡是本发明重要的经济指标，因此应该从选择技术先进的太阳能利用组件和技术方案产生更高的发电量，同时在种植过程中采用最大限度的技术措施低能量的消耗是本发明技术方案的关键所在。

本发明第十一要素是在每一个种植大棚内设置一个种植大棚栽培控制系统(Cultivation Control System，CCS)。CCS由数字采集/设备管理系统、种植栽培信息数据库、大棚种植操作管理系统、设备控制终端B、大棚种植管理操作终端C。种植大棚栽培控制系统CCS的物理架构如图1所示。CCS通过系统内的数字采集/设备管理系统与种植大棚中的有源设备(包括各种风机、水泵、继电器、电磁阀等、以及各种传感器组件，例如温度传感器、CO₂传感器、光照度传感器、湿度传感器等)的通讯接口采用总线或无线模式进行信息互交。大棚种植管理人员可以通过CCS的设备控制终端B、大棚种植管理操作终端C对种植大棚的有源设备进行直接控制。管理人员在终端C对大棚的管理进行详细的记录，并存储在 CCS的种植栽培信息数据库中。CCS从控制的特征来说是具有一级DCS(集散控制系统Distributed Control System)的特征，每一个居于大棚中使用的有源电气设备都在自己的数字控制系统的控制下进行工作，每个有源电器设备自己的数字控制系统可以与CCS进行信息交互，CCS如同一个小范围内的大脑，对自己管辖区域内的有源装备进行控制，因此CCS被称之为“种植大棚栽培控制系统”。

本发明强调所有的有源设备(消耗电能的设备，例如温度、湿度、光照度检测系统、人造光源、风机、水泵、计量泵、增压泵、天平或电子秤、电磁阀、电机以及用于植物快速繁殖和对植物需要的营养液、病虫害药剂分析检测所需要的实验设备，等)的控制应该采用数字控制电路和有通讯接口。通讯接口可以采用总线通讯，也可以采用无线通讯，例如ZigBee、蓝牙、红外线、WiFi、UWB、RFID、NFC等。在本发明中首推荐无线通讯数据传输模式和无线有线混搭数据传输模式，无线模式首选ZigBee、WiFi。

操作人员可以在CCS的C终端使用设备调节参数表的操作模式对大棚内的有源装备进行参数调节从而达到对种植大棚内的有源设备控制的目的，具体的做法有以下技术措施。

第一步应该对种植大棚的有源装备赋予装备的唯一性代码，该代码应该包含了装备的重要信息，同时也是该装备的一个唯一性的身份信息，有了装备的唯一性代码信息，就有利于信息管理系统的有效管理，避免信息管理混乱。表1列举了一种有源装备唯一性编码的举例。

表1 种植大棚有源装备的唯一性编码，采用的编码方法为组合码

字节	代码位数	字节的意义和数位
			A	0000	装备序列码/4位表示(装备录入信息系统时的序列编码)
B	0000000000	装备名称代码//10位表示(按照五类，每类两位数的分类编码法则编码)
			C	0000	装备辅助信息存储地址代码//4位表示
D	000	装备所在种植大棚的代码/3位
			E	000	装备所在种植大棚内具体位置代码/3位
F	0	装备忙闲标识/1位，0＝闲，1＝忙
			G	0	装备维修状态标识/1位，0＝正常，1＝维修
H	0	装备计量标识/1位，0＝计量正常，1＝计量异常

对表1种植大棚的有源装备唯一性代码的说明：(A)项：装备录入信息管理系统的序列号，该序列号按照顺序输入；(B)项：有源装备的设备分类编码。目前没有对种植大棚所需要的有源装备进行权威性的分类，因此本发明人推荐采用类、亚类、次类、种、亚种五级分类，每级使用二位数表示。至于哪种设备如何分类，客户可以根据自己认可的行业领域内对装备的分类习惯进行分类即可。五类每类二位数的分类规则如表2所示。不仅装备可以使用表2的分类规则，所使用的化肥、农药以及与种植相关的原材料都可以采用表2的分类编码规则。(C)项：装备的辅助信息存储地址代码，任何装备都包含有需要记录的装备信息，例如装备的生产企业、企业的联系信息、采购的联系信息、型号规格、价格、附件等等，这些信息集中起来作为装备的辅助信息文件，这个文件需要绑定一个唯一性标识代码，并保存在信息管理系统的数据库中，以便于查询。(D)项：装备所在的种植大棚的代码；(E)装备所在种植大棚内具体位置代码；由数据项(A、B、D、E)合并就绑定了任何一个装备的唯一性代码标识，利用这个唯一性代码标识，信息管理系统就可以对该设备进行有效的信息管理。数据项(F、G、H)的信息表1中已经非常清晰，此处就不再赘述。

在信息管理中会遇到各种物料(产品品种、生产所需要的各种物质、消耗性材料、装备、工具等等)的分类问题，只有建立良好的物料的分类规则，才有利于信息管理的清晰，防止管理混乱。本发明的第十二技术要素是在种植大棚的信息管理体系内执行物料按照五级分类，每类下再进行二位数(十进制，也可以使用数值等量的其他进制，例如二进制、八进制、十六进制等)细分类的分类规则。五类每类二进制的分类表示意图如图2所示。

表2 五类每类二位数的品种分类编码规则表

第二步为装备设计一个建立在装备通讯协议基础上的装备参数调节表，设计的装备参数调节表如下表3所示。

表3 装备参数调节表

以LED人造光源的照射参数调整为例说明装备调节参数的设计方法。LED人造光源是当前植物大棚栽培近距离人造光源的首选光源。对LED光源的控制主要是通过对LED光源电流(或电压)的控制来控制光照的强度、LED光源开启时间、光源再调节时间(或关闭时间)这三个主要参数。其中光源的照射强度可以有三种表示方式(1)光通量，单位是Lm (流明)、(2)光照度，单位是Lx(勒克斯)，Lm与Lx之间的关系是Lm＝Lx/平方米。(3) 光照强度的百分比(相对强度)，是将人造光源的单位时间最大照射强度(即最大控制电流或最高控制电压下的照射强度为单位时间最大照射强度)设定为100％，用0％-100％表示该光源的光强度调节量。这三种表示光强度的单位如果是从学术交流的角度，使用Lx和Lm更便于准确的进行学术交流，但是对于控制系统存在需要对光照度的传感器进行计量校准和传感器的检测应具有良好的灵敏度以及线性，也就是说控制技术难度要求较高。而如果使用相对强度作为照射强度的单位，则LED人造光源的控制系统就可以采用对控制电流和控制电压的百分比控制方法，相对比较简单，用光照度进行外标法校准以后，不需要复杂的反馈控制和定时的传感器计量校正，且对光照传感器的灵敏度和线性要求不高。因此应该根据种植大棚对光照强度要求的高低，选择采用精细度高的控制模式还是采用精确度较低的相对强度控制模式后再确定所选择的人造光源的控制参数。本发明认为一般植物的栽培对光照强度的控制要求精度不需要很高，为了降低大棚建设成本，应首选控制比较简单的相对照射强度的光强度照射控制模式，因此下表的光照强度单位选择以百分比作为光照强度的照射单位进行举例。

表4 LED人造光源参数设定表(模拟夏季白昼光照强度的变化光源参数控制表)

上表的含义是第001号表格表示了在CCS的设备录入排序为190号的位于第10号种植大棚内位于第62号位置的设备代码为0190-0101010101-0000-010-062-1-1-0的LED人造光源(状态为工作正常，不需要计量或在计量检定周期内)的一个模拟夏季日光照射强度变化的工作程序。这个工作程序的定义是该LED人造光源从早上6点到下午19点之间光照强度的变化参数。代码为0190-0101010101-0000-010-062-1-1-0的LED人造光源与CCS有通讯接口和按照规定的通讯协议在信息管理系统的装备管理系统中有相应的编译程序，CCS中的该编译程序会按照上述表3的控制参数将其转化成该LED人造光源的数字化控制电路的控制所需要的串行数字代码，则该LED人造光源的数字控制系统就可以按照表3规定的运行参数忠实的执行对光照强度的控制。

基于上述举例可见，在种植大棚内的CCS装备参数设定环节采取表格化装备参数设定数据的模式进行装备参数的设定所必须具备的条件是“每一种装备参数设定表格对应一种数字装备的通讯协议”，或者说“装备参数设定表格的设计是建立在装备是数字化控制并且具有通讯接口和向CCS提供通讯协议的基础上”，也就是说“装备参数设定表格对应着一种通讯接口和通讯协议的相同的数字化控制装备”，只有这样，所设计的装备参数表格中的参数数据才能在接口通讯协议的基础上使用编译和反编译程序将在CCS管理系统下编辑的装备参数设定表与装备的运行实现该装备与CCS的指令交互，装备参数设定表中的参数就可以指导装备运行，且装备运行的电气参数也可以在CCS中用文档的模式展示作为该装备的运行的文字记录，并可以被拷贝、保存，这对种植大棚的现代化信息管理具有质的飞跃。由此可见本发明所表述的使用“装备参数设定表”是具有非常强的针对性，其针对性是依赖于装备的接口开放和提供通讯协议，且只有通讯协议相同的装备才能共享一个装备参数设定表。在CCS中装备参数设定表随着种植大棚所使用的装备的积累会逐步积累出更多的设备装备表，随着装备参数设定表积累的越多，种植大棚的CCS管理系统对装备的控制能力也就越强，CCS也就会变得越来越聪明。

第三步是在装备参数表设计好后，需要在种植大棚的CCS管理系统进行装备参数表的“认知”或称之为“装备参数设定表的信息注册”。信息注册就是CCS管理系统与设备可以建立通信链接和信息交互的重要环节。注册的内容有两个部分，一个是新使用的装备的装备参数设置表在CCS中注册，称之为“装备参数设定表注册”，另一个“苏醒告知”注册，就是挂在CCS下的已经完成了“装备参数设定表注册”的有源装备在通电启动后立即向CCS 发出“苏醒告知”信息，并由此开始装备与CCS的信息交互。一个种植大棚所需要的装备在使用过程中会放置在不同的试验场所，因此如果在一个种植大棚内属于首次使用某一种装备，就需要首先在这个大棚的CCS中进行该装备的注册，以便于该种植大棚的CCS认知这种装备。对于在种植大棚中首次使用某一种装备，需要程序专业人员针对这种装备的通讯协议和装备参数特点设计出针对这种装备的装备参数设定表格，并在CCS和CCMS的数据库中注册保存，这样就可以在今后的使用中避免注册的麻烦。在装备运行过程中，当种植大棚的管理人员可以从CCS或CCMS的数据库中调出预先设计好的“有源装备电气参数设定”表格，填写装备所需要的该种装备的运行参数，设备管理系统将相关控制信息发送至该装备，该装备接受指令后，就可以按照新的参数运行。设备注册(认知)两种注册内容是实现种植大棚管理人员可以通过CCS的B终端的人机界面或/和C(操作)终端对所需要的有源试验装备进行控制的重要环节。

表4所展现的是有源(电器)装备电气控制参数设定表的一个举例，这里仅仅是举例说明在本发明所述的设备参数设定表在设备的运行过程中，可以在C终端通过特定的装备参数设定表设定的可行性。在实践中还可以有多种表格的模式，要坚持采用表格的模式来完成有源装备的电气控制参数设定的技术操作，就可以为人机交互提供便利，降低管理人员操作的难度，便于智能化信息化技术的普及。因此表4仅仅是举例，绝非限制。

种植大棚的营养液配制、病虫害防治药液的配制都需要有良好的配制记录，并且要保留这些配制记录是绿色植物栽培的重要生产证明性文件。本发明人提出使用表格记录的模式完成营养液配制和病虫害防治药液的记录。配制记录表格分称量记录表格和配制记录表的设计如下表5、6所示。

表5 称量的记录表设计的举例

表6 溶液配制记录表设计的举例

上述两个记录表也同样需要在CCS中进行注册，这样CCS就可以进行必要的分析运算，或将含有数据的记录表上传到CCMS(种植大棚栽培综合信息管理系统)中进行统计分析运算，为科学施肥、洒药提供科学的分析依据。

装备参数设计表、称量记录表、溶液配制记录表推荐采用一事一表格的表格化记录方式，每个表格的首位是人为规定大棚管理的工作阶段中的顺序编号(也可以采用其他的标识)，但是该标识在人为规定大棚管理的工作阶段中应该是唯一的，这样就有利于为种植大棚的由间管理的综合分析和生产记录报告的编辑提供信息数据便捷的优势。

由上所述可见，本发明第十三要素是对种植大棚中所有有源装备设定如表1所示的信息数据结构并赋予唯一性代码表示。

由上所述可见，本发明第十四要素是采用表格的方式对种植活动中的营养液、疾病防治的药液的配制、喷洒工作、各种有源装备的参数设定进行表格式的工作记录设计，所设计的记录表格有三个，分别是装备参数设定表、称量的记录表和溶液配制记录表，并在种植大棚栽培控制系统(Cultivation Control System，CCS)中完成种植工作的原始记录，由此构成了种植大棚具体管理操作的原始记录。特别强调使用装备参数设定表、称量的记录表和溶液配制记录表时推荐一事一表的记录模式，这是为了便于CCS自动编辑操作的原始报告。

在种植大棚的运行期间，CCS实时忠实的将其所管辖的有源装备的运行参数进行实时记录，所记录的有源装备的运行参数作为管理操作原始记录的配套附属文件构成了种植大棚管理操作的原始记录体系，我们将记录有源装备的记录称之为由上述三个表格进行的原始记录的“影子记录”。有影子记录作为种植大棚管理操作的原始记录是管理数据溯源的终点性文件，是证明无公害种植管理的最根本的佐证。

本发明第十五要素是在一个含有多个种植大棚的种植区域内可以设计一个种植大棚栽培综合信息管理系统(Cultivation Control Manage System，CCMS)CCMS由农业种植监督管理机构信息处理中心数据库、农产品销售信息管理系统、综合信息管理系统、农产品卫星定位信息管理系统、客户终端A组成。CCMS种植控制管理系统的物理框架如图2所示，大棚种植的综合管理人员可以通过客户终端A以及网络访问CCS的数据库，实现对CCS的信息采集与栽培综合管理，还可以在CCS上对本种植区域内生产的农副产品的销售进行信息管理。本种植区域对外销售的农副产品可以附载卫星定位信息接受/发射装置，并接受CCMS中的农产品卫星定位信息管理系统监督管理，种植大棚区域的管理人员可以通过CCMS的终端A对本种植区域的农作物销售产品的流通环节实时卫星定位跟踪管理。从工作特征上看CCMS的本质是一个OA(办公自动化OfficeAutomation)架构系统，他的工作本质是对多个CCS进行文件类的信息交互以及通过网络与外部的文件类的信息进行交互，因此CCMS的工作实质是对文件类的信息进行综合管理，因此它的架构本质是OA的特征。

在CCMS的架构中，与普通OA不同的是植入了农产品卫星定位信息管理系统， CCMS可以接受系缚在流通中的农副产品(包装)上的卫星定位与接受/发射装置的信息，在 CCMS的农产品卫星定位信息管理系统的管理下，实现对流通中的农副产品的运行轨迹和实时温度进行显示。这可以有效地了解农副产品在流通环节的具体情况，防止劣质和有害农副产品冒充无公害绿色农副产品进入流通环节，是食品安全有效的一道保护屏障。

CCMS+CCS构建的种植控制管理系统的框架如图3所示。这是一个二级DCS管理系统。一个CCMS管理多个CCS系统，将管理分层化、模块化，使管理的条理更清晰，更有利于物联网下的现代农业种植的信息交互和管理以及构建物联网下的销售体系。

本发明第十六要素是在不同级别的农业种植区域监督管理部门可以构建农业监督管理机构栽培综合信息管理系统(Agricultural Cultivation Control ManageSystem，ACCMS)。 ACCMS由农业种植监督管理机构机构信息处理中心数据库、农业种植监督信息管理系统、种植产品卫星定位信息管理系统、农业监督人员轨迹卫星定位信息管理系统、客户终端A组成。在现代网路信息技术的支持下，农业种植监督管理部门的监督管理人员可以通过ACCMS 的终端A对本监管领域的农业种植大棚实时有效的监督管理，了解种植大棚的实际运行状况、施肥和农药使用状况，并且可以跟踪所派出的本监督管理机构的监察人员的工作运动轨迹，实施有效的监督管理调度。ACCMS的框架如图4所示，由ACCMS和CCMS构建的农业种植信息监督管理体系的架构如图5所示。

由ACCMS的架构看，ACCMS实质上是CCMS的翻版，所不同的是在ACCMS的架构中有农业监督信息管理系统，但其本质与CCMS是一样的，都属于OACCMS本质特性，属于文件类信息交互与管理。然而当不同区域的ACCMS通过网络与CCMS形成架构后，在 ACCMS的A终端(可以是农业种植领域的监督管理人员在A终端)在访问许可的条件下侵入CCMS的数据库，继而通过CCMS的数据库侵入CCS的数据库，就可以不仅实现对CCMS 管辖区域内的种植大棚进行监督管理，还可以对CCMS管辖下的具体种植大棚进行实时监控，这个实时监控不仅仅是图像类的文件，而是可以获得种植大棚的操作原始数据记录文件和与原始操作记录文件配套的记录有源装备运行参数的影子记录文件，将对农业种植的监督落实到实处。这将非常有利于政府监督机构对绿色种植的政策的落实。

一个重要的问题是在CCS、CCMS、ACCMS的控制和信息管理体系中，信息数据结构的标准化和数据库数据列表的全面化是需要重点注意的问题。

本发明第十七要素是在上述CCS、CCMS、ACCMS的控制和信息管理体系中对于农药的分类建议采用按照GB/T19378-2003《农药剂型名称及代码》并按照农药剂型名称及代码表的分类模式进行分类的5级每级2位数的农药品种唯一性编码，或/和参照 GB/T19378-2003《农药剂型名称及代码》并按照农药剂型名称汉语拼音检索的分类模式进行分类的5级每级2位数的农药品种唯一性编码。

本发明第十八要素是在上述CCS、CCMS、ACCMS的控制和信息管理体系中参照农业部化肥注册登记的分类编码模板进行分类的5级每级2位数的化肥品种唯一性编码。

本发明第十九要素是在上述CCS、CCMS、ACCMS的控制和信息管理体系中参照 1981年中国化学试剂学会提供按试剂用途和学科分类为模板进行分类的5级每级2位数的化学试剂品种唯一性编码，或/和1981年中国化学试剂学会提供按试剂用途和学科分类为模板进行分类的5级每级2位数的化学试剂品种唯一性编码。

本发明第二十要素是在上述CCS、CCMS、ACCMS的数据库的数据表结构中包含了下表所列举的主要数据信息。所述主要数据信息是指与本发明所述的技术特征相关的数据库的数据信息。一些常规的数据库的数据信息例如常规的人力资源管理、库房管理、物料管理、标准文书模板等由于属于数据库常见的共性数据信息，也同样是本发明所表述的信息管理架构的数据库的必备信息，对于这类数据库的数据信息就不列举在下面的主要信息表中了。

表7大棚种植的CCMS、CCS、ACCMS的信息管理系统的数据库的数据表信息应

该包括下面的主要数据信息。

表7

上面简述了物联网管理下的多层种植架的种植大棚设计方案，使用本发明技术方案所建设的植物种植大棚不仅土地使用率高，而且完全置于物联网的管理、监督之下，可以产生诸多的优点：(1)这种种植大棚可以有效解决冬季绿叶植物的生长问题，例如叶菜类、草莓类水果等的种植，在冬季价格可以提高许多，弥补种植大棚智能化设计的制造成本回收。 (2)由于是在物联网的管理下，可以将种植架租赁给客户，由客户在种植大棚管理人员的简单配合下通过智能手机自己管理自己的种植架，例如施肥、浇灌、病虫害防治等，通过自己物联网的劳动获得自己种植的蔬菜和水果，获得美食之外的喜悦。这个特点应该特别受到在互联网下成长一代年轻人的欢迎。前不久有款网络游戏“偷菜”风靡一时，如果有本设计的种植大棚配套，就可以将虚拟的网络游戏走向现实，更能够刺激玩客的兴趣。(3)本系统有农产品卫星定位管理系统，可以有效地监控种植大棚产品在流通环节的监控，会进一步获得客户的信任。(4)本系统与农业监督管理部门联网后接受监督管理，并具有管理环节的原始数据溯源，有效的防止种植环节的有害物质的侵入，其种植的食物确实可以是绿色有机食物。等，上述优越性不正是当前各级政府倡导，广大群众观影的热点问题么？其所产生的社会和经济效益是巨大的，也是智慧化农业种植的前凑起点性设计。

附图说明

图1：种植大棚栽培控制系统CCS的架构图

图2：种植控制管理系统CCMS的框架图

图3：CCMS+CCS构建的种植控制管理系统的框架图

图4：农业监督管理机构栽培综合信息管理系统ACCMS的框架图

图5：ACCMS和CCMS构建的农业种植信息监督管理体系的架构图

图6：种植大棚的正面正视图

图7：种植大棚的侧面正视图

图8：是种植大棚的俯视图

图9：是种植大棚的三维俯视图

图10：是从种植大棚正面的剖视图进一步说明设计细节图

图11：是显示种植大棚轴流风机安装位置的俯视图

图12：是从种植大棚的侧面正视图的角度显示种植大棚轴流风机和窗户位置的图

图13：是所设计的种植架的正视图

图14：是种植架的侧视图

图15：是种植架的俯视图

图16：是种植架的三维图

图17：是将图13-16放在一起，并对局部设计细节放大展示的图

图18：是显示种植架保温保湿帘的局部细节展示图

图19：是从种植架的角度展示种植大棚在种植架部位的浇灌系统和CO₂的补充系统图

图20：是部分种植架和配套的浇灌系统和CO₂气体以及种植架和大棚支柱、二层横梁的三维效果图

图21：是种植大棚的浇灌和营养液、病虫害防治药液的供给系统总图

图22：是种植大棚顶部的太阳能板安装状况展示图

具体实施方式

现在结合实施例或实施方案进一步详述本发明，显然，实施例仅供说明绝非限制。

实施例：根据上述对种植大棚的技术表述，本实施例用设计图进一步说明本发明的技术细节。

图6是所设计的种植大棚的正面正视图，图7是种植大棚的侧面正视图，图8是种植大棚的俯视图，图9是种植大棚的三维俯视图。种植大棚的宽度设计为1Sm，不易过宽，因为过宽将导致大棚要承受更多的冰雪载荷，但是可以窄一些，过窄导致土地使用率降低。长度不限，可以根据土地面积和需求适当缩短，但是不建议过长，过长不便于大棚的管理，推荐的长度在40m左右，本设计的长度为36m。种植大棚的总高度设计为2.5m，过高虽然有利于通风，但是也会浪费能源。因为种植大棚最实用的区域在亚热带和寒带，在冬季为种植大棚供热需要消耗很大的能量，过高的大棚设计增加供暖能量的消耗。因此建议在我国的淮河以北地区本设计方案的高度控制在2.5m为佳，在淮河以南地区种植大棚的高度可以适当提高至3m，但是不建议更高，推荐采用锯齿状屋脊顶棚，利用屋脊的背阴面开窗通风。由这几个图可见，本发明所表述的种植大棚有别于目前常见的种植大棚的差异在于本发明种植大棚的高度明显低于常见的种植大棚的高度，且棚顶是平面的，也区别于常见种植大棚的顶部是有屋脊的形状。平面棚顶的优势在于有利于在棚顶部架设太阳能电池，缺点在于要承担冬季大雪更多的载荷，因为平顶的设计更有利于积雪。常规的观点是为了便于排除积水和排除积雪，建议采取屋脊造型的设计，尤其是积雪后的熔化期，有利于雪水的排泄，避免在棚顶结冰后积累更多的冰雪，导致棚顶的载荷加重。解决的办法本发明的设计中是增加大棚的立柱数量，如图8-1所示，要精心计算钢结构的载荷，否则会导致钢材料使用过多而导致造价攀升。平顶设计的有利是可以有效地在大棚的顶部安装太阳能电池，为种植大棚的人工光源提供足够的电能。有利有弊可根据具体情况进行分析。如上面已经表述过的那样，本设计方案并非排除屋脊型设计，首推平顶设计的理由在于种植大棚主要的使用区域是我国淮河以北的地区，平顶设计有利于冬季取暖节能，因此种植大棚的屋脊型棚顶设计也属于本发明涉足的技术方案。

图10是从种植大棚正面的剖视图进一步说明设计细节，图10-1是大棚内部的通道，通道的宽度建议为1.5m-2.0m之间，本设计为2.0m。图10-2是种植大棚顶部的排风扇，排风扇建议采用DC电源，这样就可以直接利用太阳能电池的供电，但是需要配套AC220V的变压器，在没有太阳能供电时(例如阴天等)可以切换到市电供电，图10-3是种植架，由图可见在本设计的大棚中，每排的种植架为6个，有三个过道提供操作时的人流物流通道。

图11是显示种植大棚轴流风机安装位置的俯视图，图11-1是轴流风机，图11-2是安装轴流风机的支撑梁，图11-3是种植大棚的上边框梁。图12是从种植大棚的侧面正视图的角度显示种植大棚轴流风机和窗户位置的图。图12-1是风机，图12-2是窗户，图12-3是种植架。由图可见，在平顶种植大棚的顶部由轴流风机与窗户构成了一个空气流通的状态，在轴流风机的作用下，可以对聚集在种植大棚的热空气与室外空气进行交流，其作用是在夏季里将聚集在种植大棚顶部的热空气排出种植大棚。

图13是所设计的种植架的正视图，图14是种植架的侧视图，图15是种植架的俯视图，图16是种植架的三维图。本设计的种植架的宽度为0.6m，长度为2m，高度为2m。由图13-16可见，本设计的种植架有5层，每层的高度为0.4m。由此推算每个种植架的种植面积为6m²。图13-1和图14-1是放置在种植架的种植盆(槽型盒)。图13-2是种植架的托层。由上面的表述并结合图13可见，种植大棚最上面一层种植层的高度在1.6m左右，宽度确定为0.6m左右，因此种植大棚的总高度确定为2m左右，在不需要梯子和垫脚台的情况下便于两侧取放种植盆，管理种植架上的植物，这种设计是适宜的。图13-3是种植架的人造光源。由图可见，种植架的每层可以并排放置10个种植盆(槽型盒)。在每个种植层安装有微型摄像头和光强度传感器。人造光源采用LED为光源，可以根据植物声场的需要设计安装发射不同波长的LED光源，在选择LED光源时，要注意紫光LED(中心波长在420nm左右)与红光LED(600nm以上)的合适搭配，并尽可能多的搭配红光LED，其作用是在冬季可以使用红光LED的发光为种植架提供热量。本实施例设计举例种植大棚占地总面积为 36m×18m＝648m²，可以放置多层种植架144个，每个种植架的种植面积为6m²，大棚内所有种植架的总种植面积为6m²×144＝864m²，土地使用率为864m²/648m²＝1.333，大于种植大棚所占用的土地面积，因此是一种高效利用土地面积的种植大棚。

图17是将图13-16放在一起，并对局部设计细节放大展示的图。在图17中图17-1是种植盆，图17-2是种植架的立柱，图17-3是光照射强度检测传感器，图17-4是调节种植架层高的调节孔，这个调节孔与种植架的插销配合可以调节每层种植架的层高，也可以调节人造光源板的层高，图17-5是LED光源的一个LED灯珠，图17-6是微型摄像头，微型摄像头安装在夹角的位置，基本上可以观测每层的种植情况，图17-7是温湿度传感器，图17-8 是二氧化碳浓度传感器。

本发明的一个重点技术是在每个种植支架的两侧设计保温保湿帘。保温保湿帘可以采用农用地膜，在气温比较低或空气比较干燥的情况下，将种植架两侧的保温保湿帘放下，这样对种植架来说虽然不是密闭系统，但是对于局部保温保湿具有积极地作用。设计的要点是保温保湿帘可以手动放下或收起，也应该可以电动放下或收起。图18是显示种植架保温保湿帘的局部细节展示图。在图18中，图18-1是LED人造光源板的上部，18-2是电动卷帘机构(也可以是手动卷帘机构，由于采用了卷帘电机，所以其剖面图是一致的)，18-3是保温保湿薄帘(推荐使用农用地膜)，18-4是种植托板，18-5是薄膜配重。这样在薄膜卷帘机构的动作下，在配重的配合下，保温保湿卷帘就可以收起自如。保温保湿卷帘起到在种植架局部的保温保湿作用，种植大棚在冬季的采暖可以根据情况选择燃烧物料(干柴、煤炭、燃气、燃油)产生水蒸气或供电采暖，但是在当前环保节能的大背景下，采用地热为主，电加热为辅是首选的供热方式，因此推荐在允许的情况下尽可能利用地热资源。当然接近工业废热(电厂、化肥厂等)的区域充分利用工业废热也是政府提倡的。另外一个重要的能源是沼气利用，种植大棚会产生一定的植物废料，并结合农村养殖业产生沼气，利用沼气冬季采暖也是本发明方案中首选的配套技术。

图19是从种植架的角度展示种植大棚在种植架部位的浇灌系统和CO₂的补充系统。在图19中，图19-1是增压泵，增压泵选择小型隔膜增压泵。在每个支架的末端加装增压泵的目的是有足够的压力产生雾化。图19-2是三通阀，图19-3是水路入口，水可以是灌溉水，或营养液，或病虫害防治药物的液体。图19-4是气路入口，气是指CO₂气体。图19-5是电磁阀，电磁阀的作用是为整个流路提供管控手段，在CCS的控制下管控着每个种植架的液体和气体供给。图19-6是滴灌针头，图19-7是雾化喷嘴。电磁阀、隔膜增压泵的首选推荐使用DC供电。图20是部分种植架和配套的浇灌系统和CO₂气体以及种植架和大棚支柱、二层横梁的三维效果图。

图21是种植大棚的浇灌和营养液、病虫害防治药液的供给系统总图。灌溉水由图21-1进入，经过图21-2的增压泵的增压，经过图21-3的计量泵的控制，经由图21-4的出口送入灌溉系统，再由图20表述的末端灌溉系统进行计量管控下的滴灌或雾化浇灌。图21-5 是营养液，营养液在图21-6计量泵的控制下获得一定浓度的营养液，在图21-7的控制下以一定的比例注入浇灌水中，随着浇灌水向各个种植架提供所需要的营养液。由于管路较长，在使用CCS进行管控时，要注意根据管路积液的情况合理的在CCS中设定目标种植架的末端电磁阀的开关时间，确保营养液全部输送到目标植物种植盆中。图21-8病虫害防治药液配罐，在图21-9计量泵的控制下获得合适浓度的药液，在图21-10的管控下以一定的比例注入浇灌水中，随着浇灌水向各个种植架提供所需要的药液。由于管路较长，在使用CCS进行管控时，要注意根据管路积液的情况合理的在CCS中设定目标种植架的末端电磁阀的开关时间，确保药液全部输送到目标植物种植架层上。在雾化喷洒浇灌水和含营养液的浇灌水或含病虫害防治药液的浇灌水时，推荐将保温保湿帘放下，起到局部隔离管控的效果。尤其是喷洒病虫害防治药液，要防止药液对不需要的种植架的污染。

图22是种植大棚顶部的太阳能板安装状况展示图。在图22中，图22-1是太阳能电池板，图22-2是太阳能电池板支架，图22-3是流水槽，图22-4是与种植大棚配套的分析检测基础装备建筑模块中的卫生学(洁净室)分析检测建筑模块，理化室建筑模块、仪器室建筑模块，为种植大棚配备了一套可以开展基本分析检测试验和微生物培养以及开展植物脱毒与快速繁育技术操作所需要的洁净和分析空间。由于分析检测基础装备建筑模块是本发明人申报的专利201610438244.7、201620585833.3、201620585835.2、201620600747.5表述的技术，为节省篇幅就不再赘述了，这里仅仅是展示本发明所表述的种植大棚的设计方案中与具有洁净功能的分析检测基础装备建筑模块的技术配套这个技术特点的可行性和成熟性。

由图22可见，在对种植大棚的设计时，可以按照太阳能电池板和支架的造型将种植大棚的平顶造型改变成多屋脊锯齿状屋顶结构。这种设计需要更多的钢材作为支架，成本会有所提升，但是有利于下雪后雪水的排泄，对减轻雪水结冰有利。同时屋脊的迎光面可以安装太阳能电池板，背光斜面可以开排气窗，推荐排气窗使用电拉杆在CCS下控制，实现智能通风。锯齿状屋脊设计是目前种植大棚普遍采用的结构，因此将本发明所表述的平顶改变成锯齿状多屋脊结构属于专业领域内的技术，具体的表述就不需要赘述了。

种植大棚和种植架的制造应采取标准化的模块化制造，在工厂中实现工业化生产，在现场除了支柱的地基基础外，应该实现螺栓连接，尽可能不用或少用电气焊，这样不仅是降低施工难度，还具有可拆卸搬迁性，有利于降低由于场地变换用途给种植户造成的拆迁损失。

Claims (8)

1.物联网管理下的多层种植架的种植大棚设计方案，其特征是种植大棚的单层净高度在2000mm-3000mm之间，最佳在2500mm左右，内部种植架的高度以1500mm-2500mm之间，最佳在1800mm左右。支架宽度在400mm-1500mm之间，最佳为600mm左右，种植架的每一层的顶部按照植物所需要的人造光源，人造光源的光谱在可见光区，发光材料首选LED或氙灯类以及由此材料制作的植物光照灯具，以及相配套的光强度检测系统，种植架的两个侧面应使用保温板材，优选阳光板，种植架的两个正面分别设计有薄膜卷帘机构，薄膜卷帘机构可以将卷帘上的薄膜放开将支架的两侧用薄膜封闭起来，薄膜首选农用地膜，每个种植架设计一个小型增压水泵，在支架的每一层安装有置于合适空间的雾化水喷头和与种植土壤或人工土壤连接的滴灌喷头。连接雾化器和滴灌喷头通过电磁阀进行选择控制，每个或几个种植架需要设计配套一个小型的包含有环境温湿度检测功能的空调段，空调段由温湿度检测系统、涡流风机或轴流风机与加热器、水交换器组成，水交换器的供水首选地下水井的地热供水，也可使用来自太阳能热水器的供水，每个种植架需要设计配套一个温湿度检测系统，种植大棚内设计一个植物营养液配制系统，配制系统由电子天平或电子秤、带有搅拌桨的配液罐、计量泵、增压泵和自来水级别的洁净水源组成，种植大棚内设计一个植物病虫害防治药液配制系统，配制系统由电子天平或电子秤、带有搅拌桨的配液罐、计量泵、增压泵和自来水级别的洁净水源组成，种植大棚设计配套无菌实验室或称洁净实验室、理化分析室，推荐使用分析检测基础装备建筑模块作为与种植大棚配套的洁净实验室和理化分析室，种植大棚的管理采用物联网的管理技术进行管理。

2.根据权利要求1物联网管理下的多层种植架的种植大棚设计方案，其特征是种植大棚的物联网管理系统由种植大棚栽培控制系统CCS、种植大棚栽培综合信息管理系统CCMS组成，并置于农业监督管理机构栽培综合信息管理系统ACCMS的监督之下。

3.根据权利要求2种植大棚栽培控制系统CCS，其特征是种植大棚栽培控制系统CCS的物理架构包括数字采集/设备管理系统、种植栽培信息数据库、大棚种植操作管理系统、设备控制终端B、大棚种植管理操作终端C，并具有以及集散控制CCS特征。

4.根据权利要求2种植大棚栽培综合信息管理系统CCMS，其特征是种植大棚栽培综合信息管理系统CCMS的物理架构包括农业种植监督管理机构信息处理中心数据库、农产品销售息管理系统、综合信息管理系统、农产品卫星定位信息管理系统、客户终端A组成。

5.根据权利要求2栽培综合信息管理系统ACCMS，其特征是栽培综合信息管理系统ACCMS的物理架构包括农业种植监督管理机构机构信息处理中心数据库、农业种植监督信息管理系统、种植产品卫星定位信息管理系统、农业监督人员轨迹卫星定位信息管理系统、客户终端A组成。

6.根据权利要求3、4、5由多个种植大棚栽培控制系统CCS与一个种植大棚栽培综合信息管理系统CCMS共同组合成具有二级集散控制CCS特征的种植大棚物联网管理系统的物理架构，并与不同区域管理权限的栽培综合信息管理系统ACCMS形成物联网监控下的种植大棚物联网管理系统。

7.根据权利要求3种植大棚栽培控制系统CCS，其特征是在种植大棚栽培控制系统CCS的C终端通过装备参数设定表、称量的记录表、溶液配制记录表完成相关的种植大棚的操作记录，并采取一事一表的记录模式，这三个记录表的形式为：

装备参数设定表

称量的记录表

溶液配制记录

8.根据权利要求3种植大棚栽培控制系统CCS，其特征是种植大棚栽培控制系统CCS实时将其所管辖的有源装备的运行参数进行实时记录，所记录的有源装备的运行参数作为管理操作原始记录的配套附属文件构成了种植大棚管理操作的原始记录体系。