CN111669967A - 竖直安装的种植和灌溉系统 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，本公开涉及竖直定向的植物生长系统(2)，其包括多个塔式阵列(100，200，300，400)，每个塔式阵列具有多个塔(1000，1100，1200，1300，1400)。每个塔竖直安装，并包括其上的用于生长农作物的多个毂盘结构(1010‑1080,1110‑1180,1210‑1280,1310‑1380,1410‑1480)。各个毂盘结构包括附接的瓶子(1012A‑F,1022A‑F,1032A‑F,1042A‑F,1052A‑F,1062A‑F,1072A‑F,1082A‑F)，瓶子的尺寸设计成支撑足以用于植物生长并防止水逸出的土壤。通过将加压水供给至塔式阵列中的每个塔上方的流量控制装置，每个瓶中的土壤利用以受控流率接收的水来灌溉，以使用最小空间且不依赖于具体的土壤条件来使农作物生长。

Description

竖直安装的种植和灌溉系统

相关申请的交叉引用

本申请要求受益于2017年11月6日提交的美国临时专利申请No.62/582,078的申请日的权益，在此通过引用将其公开内容合并于本文中。

背景技术

在未来几十年里，随着世界人口预期连续地显著增加，在现有土地上进行农作物耕种的压力将持续增加。这种趋势在加剧，因为发展中国家收入在增加，对富含蛋白质的食品的需求也在增加，并且这些食品的生产需要的资源远超过用于其他类型食品的所需的资源。鉴于这些发展，对可持续耕种方法的需求仅仅被设置成增加来满足需求，实际上该需求无法由现有的可耕地来满足。

此外，除了土地之外，对于农作物耕种效率和收获农作物的质量的顾虑持续增加。现有的方法可以使农作物暴露于土壤中的污染物、过量的杀虫剂，或者，可以提供太多或太少的水使得不能实现最佳的生长。

已经采用一种方法以试图解决这些顾虑中的至少一些，诸如能量和水的改善使用等，该方法使用雾培法，涉及将喷雾器应用到植物根部的耕种形式。采用雾培法，在耕种过程中消除了土壤。并且，没有土壤时，实现更大的种植密度。然而，由于土壤的缺少，用雾培法生长的植物缺少有益的促生细菌和蘑菇，否则它们将钻入植物的根中且提供高生物可利用分子的缓慢滴液来供给植物。因此，该植物不能达到肥沃土壤能够提供的风味和营养质量。此外，没有土壤，这种技术不能提供活的生物群落，例如土壤中活的生物体，该活的生物群落更完全地表达植物表型，其从遗传学角度对植物编程以抵抗更大的环境压力(即干旱、高热、捕食)。

与当前做法的可持续性有关的另一困难在于，在世界的许多地区不能回收利用某些材料，而导致过量的废物。确实地，全世界许多国家缺少收集和回收利用塑料汽水瓶的工业能力。因此，每年数十亿的这种瓶子堆积在这种国家的环境中。用于处理瓶子的方法(如果这种情形存在)加重了由缺乏回收利用能力而导致的问题。在没有塑料回收利用设施的情况下，塑料瓶处理的方法包括不可持续的技术，诸如露天火场的使用、倾倒在垃圾填埋场和倾倒入水路和海洋中等。

与回收利用塑料瓶设施的缺乏有关的普遍困难被良好地记录。确实地，许多地区缺少回收利用的能力。在标题为The New Plastics Economy:Rethinking the FutureofPlastics，Ellen MacArthur Foundation，2016(“新塑料经济：重新考虑塑料的未来”，艾伦·麦克阿瑟基金会，2016年)的报告中，发展中国家中围绕塑料处理的困难情形被标识为持续中的环境顾虑。该报告概述了在发展中国家的具体处理问题，包括在没有适当控制下燃烧塑料瓶，以及每年将大约1200万吨塑料废物丢弃到海洋中的更广泛的问题。

缺少收集和回收利用塑料汽水瓶的工业能力的国家经常也缺少足够的食品安全，并且依赖于来自外国的食品进口和食品捐赠来喂养他们的居民。联合国最不发达国家登记处列出了食品不安全的四十一个国家，在这些国家中它们依赖于自给农业，经历着喂养他们的居民的困难，并且必须进口大量食品以喂养他们的居民。通过同样的措施，这些国家的许多国家，尤其是热带地区的那些国家，由于他们的居民尝试创造额外的农田而正在经历着森林砍伐。这些尝试通常是由于有效利用现有农田的知识和资源的缺少。因此，这些国家没有被适当地装备以确保耕作以可持续的方式执行。

自给农业、土壤退化与砍伐和烧毁森林之间的因果关系被良好地记录。例如，这种因果关系描述在Kissinger等人的Drivers ofDeforestation and Forest Degradation:ASynthesis Report for REDD+Policymakers,Lexeme Consulting,Vancouver Canada,August 2012(“森林砍伐和森林退化的驱动因素：用于REDD+决策者的综合报告”，词素咨询，加拿大温哥华，2012年8月)中。该报告指出，在自给农业普遍的地方，随着邻近地块上对管理差的土壤的弃用，现有的完整的未被破坏的原始森林(通常是珍稀的或濒危的物种的栖息地)被削减或焚烧以获得新的土壤。另外，森林砍伐的驱动因素报告预估，在全世界范围内，农耕是对百分之八十的森林砍伐的主要驱动因素。

依赖于自给农业的国家面临的另一个挑战是，农民必须行进很远的距离以到达市场和水源。在一些国家，家庭行进许多公里来为农作物和家庭活动搬运水的需求是安全顾虑的主要贡献因素。因此，某些国家没有收集和回收利用塑料的能力及其对物质农业的依赖性提出了与环境和个人安全两者相关的挑战。

因此，存在对可持续耕作技术的需求，该技术能有效执行并产生高质量的产品。另外，存在对耕作技术的需要，该技术可以利用易于获得的材料和最少的资源来执行，以使得这种技术甚至可以在最具挑战性的环境中使用。

发明内容

本公开大体上涉及模块化的、竖直安装的、基于塑料瓶或基于其它塑料容器的系统，该系统适于在生长植物和/或农作物中使用，并且为这种植物和/或农作物提供灌溉和施肥。这些系统也称为植物生长系统。

本文描述的系统及其使用方法相对于园艺和农业的现有方法提供了许多优点。例如，鉴于生长和收获这些农作物所需的空间较小，本公开的系统最小化管理农作物的具体体积所需的劳动时间。而且，因为植物竖直定位于本公开的系统中，所以与农作物管理相关联的任何手工劳动不太可能导致由于反复弯曲而造成的伤害。该系统也是通用的，在于：它可以在室内或室外使用，并且对于室外应用，它不取决于可用土地的可耕性。因此，通过预期系统的使用，与传统的耕作方法相比，可以投入生产使用的土地显著增加。

此外，在植物生长系统的塔上生长的植物是模块化的并且易于运输至消费者。因为操作预期系统所需的土地远小于传统耕作技术所需的土地，所以植物生长系统可以更靠近城市地区来定位或在城市地区内，从而由于减少将收获物从系统的地点运输到零售店所需的时间和距离，因此降低与运输相关的成本并且更易于将新鲜产品带到市场。

植物生长系统的另一个优点是它的节水效率。预期系统具有微少的水浪费，通过各种创新使得结果成为可能。例如，在系统中，将水以受控的流率分配至系统中的植物中，流率是可调节的以匹配下游植物的蒸腾速率，使得没有过量水提供给植物。如在具体实施例中描述的，数据收集装置可以结合到系统中以密切监控每个植物中的水位，使得如果需要，为了平衡的维持可以进行调整。在预期的基于重力的系统中，水在循环回路中被再循环和处理以最小化浪费。由微少废水导致的相关优点是，灌溉系统的植物需要的总水量较少。确实地，预期的系统可以在比依赖于基于土壤的植物和/或农作物的传统农业中使用的水少高达99％的情况下操作。

预期系统的另一个优点是它们适于与施肥装置一起使用，使得营养物可以伴随水分配至植物以进行营养和其它处理。这一特征提高土壤质量和营养周期的控制。进一步地，因为系统在地面上方并且不暴露于地面土壤，所以相较于传统的基于地面土壤的农作物，显著降低农作物的病害或损害的风险。另外，与传统作物相比，通过地上施肥而供给营养物减少了植物所需的总营养物。

在一个实施例中，一种耕种和灌溉系统包括一个或更多个塔，每个塔具有以竖直定向的方式设置在其上的多个毂盘结构。毂盘结构通过绳索从上方悬挂，并且以这种方式，若干毂盘结构形成通过相同绳索悬挂于一起的列。根据该实施例的系统可以具有两列或更多列的毂盘结构。通过连接到位于框架附近的泵的管道向每个毂盘结构供应水，泵从水源接收并泵送水。

在每个毂盘结构内是底部开口的装满土壤的塑料瓶。从泵中泵出的水在喷射器处进入毂盘结构，该喷射器控制直达毂盘结构并进入底部开口塑料瓶的水的流率。可以包括尼龙芯或能够毛细作用以运送水的其它装置，使得水可以从入口行进到毂盘结构达土壤。

系统以若干重要的方式降低农作物风险。首先，将农作物悬挂在框架中减少土壤传播病原体的携带。换句话说，阴性指示的病原体通常通过土壤中植物的根部到达植物。然而，对于悬挂在本文描述的系统框架中的植物的土壤，提供了土壤管理装置，其中进入土壤的输入被控制并在地面上，从而减轻植物对疾病的敏感性。因此，可以仔细管理用于农作物生产的土壤以降低本文的预期系统中的农作物风险。类似地，农作物的悬挂使得能够容易进行保护网的应用，以防止害虫爬到或飞到农作物上。

系统在几个方面是环境友好的。例如，使用容易获得的材料(否则将需要被处理的)以减少废物，同时提高农业产量并降低由基于地面的土壤植物病原体的携带和捕食所带来的农作物风险。类似地，这种材料允许系统的装配和放置，而在放置地点不需要重型装置。竖直结构占据地面上最小的表面积，因此，与在相似面积上使用传统耕作或基本自给耕作技术可能生长和灌溉的农作物相比，可以生长和灌溉更多的农作物。另外，使单个个体建立、操作和维护系统成为可能。

在一个实施例中，本公开涉及一种竖直定向的植物生长系统，其包括两个塔、液体源、流量控制装置和管道。两个塔中的每一个适于安装到地面上并且包括中心管子和多个毂盘结构。中心管子定向成垂直于地面并由地上框架或穿过地面的且用作地基的延伸部支撑。多个毂盘结构附接于中心管子并沿中心管子间隔开一定间隔，每个毂盘结构包括附接于其上的至少一个容器，容器的尺寸设计成用于布置足以生长植物的土壤。回到系统部件，液体源适于保持液体并包括泵。具有输出管道的流量控制装置延伸至多个毂盘结构中的每一个上的输入阀。管道连接到源和流量控制装置。泵被配置成使得当其被驱动时，将液体从源经过管道向下游分配并经过流量控制装置，使得液体以预定流率到达设置在每个容器中的土壤。

在其它实施例中，塔式阵列的每个塔还包括数据收集装置，该数据收集装置定位于塔上所有毂盘结构上方的中心管子上。数据收集装置适于收集与相邻塔的一侧上的每个容器中土壤和植物的状况相关联的数据。在又一实施例中，数据收集装置还包括传感器，该传感器适于检测相邻塔上的附加数据收集装置，以便建立每个数据收集装置的相对位置。

在另一实施例中，本公开涉及一种竖直定向的植物生长系统，其包括具有两个塔的第一塔式阵列和具有两个塔的第二塔式阵列。塔式阵列定向成使得穿过第二塔式阵列的两个塔的单个轴线平行于穿过第一塔式阵列的两个塔的单个轴线。第一和第二塔式阵列的每个塔包括从地面向上延伸的中心支承结构。进一步地，每个塔还包括附接有一个或更多个瓶子或合适的种植器的多个毂盘结构，每个毂盘结构附接于中心支承结构并与相邻的中心支承结构间隔开。最后，每个塔还包括数据收集装置，该数据收集装置在距离地面预定距离处定位于多个毂盘结构上方。数据收集装置可以操作来通过每个数据收集装置上的传感器之间的通信来收集关于每个塔的位置数据。此外，数据收集装置可以操作来通过图像数据来收集与每个塔上的瓶子或种植器中内容物有关的数据，所述图像数据从由所述数据收集装置内的电子装置捕获的图像来收集。

在另一实施例中，本公开涉及一种竖直定向的植物生长系统，其包括塔、流量控制装置和封闭通道。该塔适于安装在地面上，并包括中心支承结构和多个毂盘结构。中心支承结构定向成大体上垂直于地面，中心支承结构由地上框架或穿过地面的且用作地基的延伸部来支撑。多个毂盘结构附接于中心支承结构并沿着中心支承结构以一定间隔隔开。每个毂盘结构包括附接到其上的至少一个容器，该容器的尺寸设计成用于布置足以生长植物的土壤。该流量控制装置包括延伸至多个毂盘结构中的每一个上的输入阀的输出管道。封闭通道与压力下的液体源和流量控制装置流体连通。当液体通过封闭通道从源向下游被分配，然后进入并经过流量控制装置时，液体以预定流率分送至置于每个容器内的土壤中。

在一些实施例中，流量控制装置安装在多个毂盘结构上方。在其它实施例中，封闭通道直接连接到中心支承结构，使得在所述封闭通道中接收的加压液体向下游行进经过所述中心支承结构并进入所述流量控制装置。在另外的实施例中，封闭通道直接连接到流量控制装置。在上述实施例的一些示例中，中心支承结构能够围绕其轴线旋转，并且中心支承结构的旋转不将力传递到封闭通道。在进一步的示例中，该系统还包括旋转接头，该旋转接头与中心支承结构相对置地附接于流量控制装置，使得流量控制装置将旋转接头和中心支承结构分离。在这种布置中，流量控制装置和中心支承结构适于共同旋转。

在一些实施例中，该系统还包括适于安装在地面上的第二塔。第二塔包括第二中心支承结构，该第二中心支承结构定向成大体上垂直于地面，并且由地上框架或穿过地面的且用作地基的延伸部来支撑。第二塔还包括多个第二毂盘结构，多个第二毂盘结构附接于第二中心支承结构并沿着第二中心支承结构以一定间隔隔开。每个毂盘结构包括附接于其上的至少一个容器，该容器的尺寸设计成用于布置足以生长植物的土壤。

在上述实施例的一些示例中，系统还包括位于两个塔中的每一个的封闭通道上游的阀。在这种布置中的阀能够独立地驱动以控制加压液体流入两个塔中的一个或两个。在其它示例中，该系统还包括第二流量控制装置，该第二流量控制装置定位于两个塔中的一个的所有毂盘结构上方，同时所述第一流量控制装置定位于两个所述塔中的另一个的每个毂盘结构上方。在更进一步的实施例中，所述第一流量控制装置被配置成将液体输出调节至第一流率，且所述第二流量控制装置被配置成将液体输出调节至第二流率。在其它示例中，每个塔还包括数据收集装置，该数据收集装置定位于相应流量控制装置上方的所述中心管子上，该数据收集装置适于收集与设置在相邻塔上的每个容器中的土壤和植物的状况相关联的数据。在更进一步的示例中，数据收集装置还包括红外线传感器，使得每个数据收集装置适于与另一个数据收集装置通信以建立每个数据收集装置的位置。在又一些示例中，数据收集装置还包括照相机，该照相机适于捕获相邻塔上的每个容器的图像数据。

在另一实施例中，本公开涉及系统，该系统包括具有三个塔的第一塔式阵列和具有三个塔的第二塔式阵列。第一塔式阵列和第二塔式阵列内的每个塔包括中心支承结构、多个毂盘结构和流量控制装置。每个毂盘结构在中心支承结构上居中并且彼此间隔开，流量控制装置位于多个毂盘结构的上方，流量控制装置包括八个输出端，每个输出端具有附接于其上的的分配管道。多个毂盘结构中的每一个包括连接到八个分配管道中的一个的输入阀。进一步地，流量控制装置被配置成接收液体并将液体分配至附接于在塔上的毂盘结构的每个种植器。塔的对齐如下：第一塔式阵列中的三个塔彼此对齐，使得第一轴线穿过每个塔的中心支承结构，同时第二塔式阵列中的三个塔彼此对齐，使得第二轴线穿过每个塔的中心支承结构，第二轴线平行于第一轴线。塔之间的关系是这样的，第三轴线垂直于第一轴线并穿过第一塔式阵列的三个塔中之一，第三轴线也穿过第二塔式阵列的三个塔中之一。

在一些实施例中，每个塔进一步地包括数据收集装置，数据收集装置定位于流量控制装置上方的中心管子上，每个数据收集装置定位于相同高度处，使得任一个数据收集装置上的红外线传感器与另一个数据收集装置上的红外线传感器通信。在其它实施例中，数据收集装置适于运行自校准协议，使得建立每个塔相对于参考塔的位置。在进一步的实施例中，每个数据收集装置进一步地包括六个照相机，每个照相机定位成面向不同的方向，使得在定位于每个塔的种植器上的图像数据是能够检索的，图像数据与每个容器中的土壤和植物的状况相关联。在上述实施例的一些示例中，图像数据与照相机面向的方向和容纳照相机的塔相关联。

在另一实施例中，竖直定向的植物生长系统包括第一塔式阵列和第二塔式阵列，第一塔式阵列包括两个塔，第二塔式阵列包括两个塔。阵列被布置成使得穿过第二塔式阵列的两个塔的单个轴线平行于穿过第一塔式阵列的两个塔的单个轴线。第一阵列和第二阵列中的每个塔包括从地面向上延伸的中心支承结构、多个毂盘结构和数据收集装置。多个毂盘结构包括一个或更多个附接的种植器，并且每个毂盘结构附接于中心支承结构并与相邻的中心支承结构间隔开。数据收集装置在距离地面预定距离处定位于多个毂盘结构上方。回到整个系统，数据收集装置能够操作来通过每个数据收集装置上的传感器之间的通信来收集关于每个塔的位置数据。此外，数据收集装置能够操作来通过图像数据来收集与每个塔上的种植器中的内容物有关的数据，图像数据从由数据收集装置内的电子装置捕获的图像来收集。

在又一实施方案中，竖直定向的植物生长系统包括塔、主体和泵。塔包括中心支承结构、多个毂盘结构、流量控制装置、多个分配管道和多个收集管道。每个毂盘结构在中心支承结构上居中并且彼此间隔开，并且包括附接于其上的多个种植器。种植器中的至少一个具有设置在其中的土壤或溶液培养生长介质。每个分配管道在一端处连接到流量控制装置的多个输出端中的一个，并在相对端处连接到多个毂盘结构中的一个的阀。每个收集管道在一端处连接到种植器中的一个的开口，并在相对端处连接到中心阀。主体适于接收中心阀下游的液体并过滤该液体。泵适于接收由主体处理的液体并将加压液体分配至中心支承结构。当加压液体从泵向下游流动时，液体通过中心支承结构被泵送进入流量控制装置中，然后该液体被分别分配至各个毂盘结构和附接于毂盘结构的种植器中，使得种植器中的土壤未吸收的任何液体通过重力向下游流入收集管道，并且当中心阀打开时返回到本体。

在另一方面，本公开涉及一种灌溉植物的方法。根据一个实施例的方法包括将加压液体提供至塔，该塔具有包括中心支承结构、多个毂盘结构和流量控制装置的结构。每个毂盘结构在中心支承结构上居中并且彼此间隔开。进一步地，每个毂盘结构包括附接于其上的多个种植器，种植器中的至少一个具有设置在其中的土壤或溶液培养生长介质。连接到中心支承结构的流量控制装置定位于多个毂盘结构上方，并且该流量控制装置包括多个输出端，每个输出端具有附接于其上的分配管道。在供给步骤期间，液体行进经过中心支承结构至流量控制装置；流量控制装置以预定流率将接收的液体输出至各个毂盘结构；并且接收在毂盘结构中的液体行进到附接于毂盘结构的每个种植器内的土壤中。

在一些实施例中，该方法还包括通过阀的控制来向第一塔、第二塔或两者提供液体，阀定位于至少一个塔的中心支承结构上游的液体流动路径上。在其它实施例中，该方法还包括在第一塔和第二塔之间通信，以通过定位于每个塔上的相应的流量控制装置上方的数据收集装置来确定每个塔的相对位置。

附图说明

通过参考以下详细的描述，可以实现对目前公开的主题及其各种优点的更完整的理解，在以下详细的描述中参考了附图，其中：

图1是根据本公开的实施例的包括多个塔式阵列的植物生长系统的透视图。

图2是图1的植物生长系统的俯视图。

图3A是图1的植物生长系统的某些特征的侧视图。

图3B是根据本公开的实施例的植物生长系统的某些特征的侧视图。

图4-6是图1的植物生长系统的毂盘结构的各种特征的各种视图。

图7A是作为图1的植物生长系统的一部分而包含在内的地基的侧视图。

图7B是作为图3B的植物生长系统的一部分而包含在内的地基的侧视图。

图8是根据本公开的实施例的植物生长系统的单个塔的侧视图。

图9是图8的植物生长系统的毂盘结构的透视图。

图10是根据本公开的实施例的植物生长系统的侧视图。

图11是图10的植物生长系统的毂盘结构的透视图。

图12是根据本公开的实施例的植物生长系统的透视图。

图13-14是根据本公开的实施例的植物生长系统的数据收集装置的透视图和侧视图。

图15是图13-14的植物生长系统的俯视图。

图16是图13-14的植物生长系统的局部侧视图。

图17是根据本公开的实施例的操作植物生长系统的方法的流程图。

图18是根据本公开的另一实施例的操作植物生长系统的操作方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及到使用最少资源竖直地生长和灌溉农作物的装置、系统和方法，同时通过实施本技术留下最小的环境影响。

在一个方面，植物生长系统包括通过受控的营养物供应(例如通过施肥灌溉以及通过受控的灌溉)来种植、生长和收获植物和农作物的结构。如本文所引用的，“植物生长系统”是指生长和收获植物和/或农作物的总体系统，连同用于补充和改善这些功能的所有附带的零件、部件或无形的技术。

更具体地，第一方面的植物生长系统包括一个或更多个塔式阵列，每个塔式阵列包括一个或更多个塔。每个塔包括沿塔的高度间隔开的多个毂盘结构。当塔式阵列包括至少两个塔时，毂盘结构的整体限定了多行，每行跨过一系列的塔，并且基于每个单独的塔限定了多列。通过本说明书显然的是，以有序的行和列布置的毂盘结构是系统的有利特征。每个毂盘结构可以竖直调节，并且包括安装至其上的多个容器，该容器用于储存土壤、溶液培养介质或者能够向农作物和植物提供养分的其它材料。包括在系统中的容器可以是种植器、瓶子或其它容器。应当意识到的是，包括在本文描述的系统和方法的具体实施例中的瓶子可以用其它容器(例如种植器)代替。以这种方式，在这个公开的实施例中提到的任何类型的容器可以用另一类型的容器代替。所用的容器的优点在于：它们是刚性的并且具有可以在这些植物的整个预期生命周期内支撑置于其中的植物的结构特性。每个塔定位于地面上方并且在竖直方向向上延伸。如在这个公开中所用的术语“竖直”是指朝向或远离地面延伸的轴线。这种轴线不需要与地面成直角。

植物生长系统被配置成通过提供通常为水的形式的液体来对容器(例如，种植器或瓶子)的内容物进行灌溉和/或施肥。在本公开中，术语液体是指单独的水、与肥料组合的水、与其它营养物组合的水、或具有或不具有对植物和农作物进行灌溉和促进生长的补充物的其它液体。在下文中，对“液体”的任何提及包含前述的每一种。

具有加压液体流的室外系统

图1和2示出了植物生长系统2的一个实施例，其包括多个塔式阵列100、200、300、400，其中每个塔式阵列包括五个塔。例如，塔式阵列100包括塔1000、1100、1200、1300和1400。当然，每个塔式阵列内的塔的确切数量可以改变来适应于具体的园艺应用或可用空间。

现在将详细描述塔式阵列100。下面将分别地描述包含在植物生长系统中的与将液体输送到瓶子或种植器内有关的其它元件，该瓶子或种植器安装于塔式阵列上。塔式阵列100包括八行和五列的毂盘结构。图2中最佳地示出了行，而图1中最佳地示出了竖直定向的列，即塔。塔式阵列的每行或每列包括一系列的毂盘结构。例如，由塔1000限定的圆柱包括八个毂盘结构1010-1080。

因为植物生长系统被竖直布置，所以它在下方的地面上占据最小量的表面积，当然远小于在每个植物位于地平面上所需的表面积。以这种方式，该系统提供的优点在于，它促进了森林保护，因为清除森林或使用可用土地的需求相对于其它种植和灌溉方法被最小化。进一步的，当系统位于人口中心附近时，减少了耕种农作物(诸如营养和经济农作物等)所需的总工时。另外，地面上塔式阵列100(和其它塔式阵列)的布置不仅最小化给定的农作物体积所需的空间，而且改善下面的土壤质量，因为地面上塔式阵列部件的布置预防土壤污染并促进土壤中的再生过程。系统的竖直布置的又一优点是，相对于传统园艺或农业技术具有改善的抗洪性。

转向塔1000和其上的毂盘结构1010，应当注意的是，塔1000和毂盘结构1010是有代表性的，并且塔式阵列100中的其它塔和毂盘结构与塔式阵列200、300、400中的塔和毂盘结构具有类似的特征。

塔1000包括八个毂盘结构1010-1080，它们定位于中心支承结构的高度上的一定间隔处。在系统2中，中心支承结构是形成用于塔的主要结构支撑的中心管子1002。在一些示例中，中心管子是中空的、由镀锌钢制成，并且其直径为1/2英寸。镀锌钢的中空管道是有利的，至少因为它提供举起塔同时抵抗腐蚀的足够刚度。抵抗腐蚀尤其有益，因为塔1000可能经常用于潮湿环境和/或暴露于自然环境的户外。中心管子的尺寸可以根据其承受载荷的大小以及其是否用作任何其它目的而显著变化。在其它示例中，中心管子的直径可以为5/8、3/4或1和1/2英寸。在进一步的示例中，可以使用其它金属。在另外的示例中，中心支承结构可以是竹子、金属杆，或者可以由木材或其它天然材料或材料的任何组合形成。在这些示例中，毂盘结构的毂盘基部可以被改进以容纳中心支承结构。当支承结构是金属杆时，其可以来源于使用过的或回收的材料，例如通常用于混凝土增强的钢筋等。金属杆通常因其强度和全世界范围内相对充足的可用性而作为首选。在一些示例中，杆是有螺纹的。应当意识到的是，一些中心支承结构材料可能需要与图7A中示出的为塔1000提供的结构性地基不同的结构性地基，并且这种地基具有与其承受的载荷和预期的剪切力或弯曲相当的设计。

如图7A所示，中心管子1002固定在牢固地定位于塔下方的地面中的套筒1004内。而套管1004利用环氧泡沫1006固定于地面中，并且当泡沫固化时设置在适当位置。在一个示例中，泡沫是聚氨酯泡沫且套筒布置在三十英寸的深度处。地面以下的套筒的深度足够为塔提供支撑，以抵抗使用期间塔上的预期载荷。关于管子和地基的设计的控制载荷通常是风载荷，但是应当考虑植物生长系统的布置地点的具体条件来确定是否其它因素支配设计载荷。塔1100、1200、1300和1400连同塔式阵列200、300和400中的塔都利用中心管子且具有类似的地基。这种支撑配置主要适用于系统的户外应用，并且对于这种目的是有利的，因为它为系统提供结构支撑，而不需要附加的支承元件来支撑塔。当然，在变体中，附加的管子或其它结构可以桥接在塔之间，或以一定角度从地面延伸以附接于一个或更多个塔，从而在需要时提供附加的支承。

转向塔1000的毂盘结构，毂盘结构1010是毂盘结构1020-1080的代表，并且实际上代表图1中描绘的塔式阵列100中的四十个毂盘结构，然而，如解释，每个毂盘结构可以变化以适应条件或种植在容器中的具体植物(一种或更多种)和/或农作物(一种或更多种)。实际上，根据操作便利性、材料可用性或构造塔式阵列的个体或多个个体的需要，任何一个毂盘结构的具体配置可以与其他毂盘结构不同。进一步的，每个毂盘结构可沿着中心管子的高度调节或者通过使毂盘结构围绕中心管子的纵向轴线旋转来调节，这将在下面更详细地描述。

图4-6示出了关于毂盘结构1010的更多细节。毂盘结构1010包括毂盘基部1011和六个瓶子1012A-F，每个瓶子适于在其中保存土壤1014A-F。在变体中，根据设计选择，毂盘结构可以包括多于或少于六个的瓶子或合适的种植器。如图4所示，毂盘基部1011通过狭槽1017内的接合特征(未示出)附接于中心管子1002。通过接合特征，毂盘基部1011被配置成用于与中心管子1002脱离和再次接合，以允许容易地调节毂盘基部的位置。毂盘基部1011包括六个侧面，每个侧面具有从其延伸的两个接合特征1016A-F。如图所示，这些接合特征是螺纹端口的形式。每个接合特征与其它接合特征大致等距地间隔开，并且向上成角度为四十五度角。当然，该角度可以根据设计选择来定制。通过每个瓶子上的螺纹盖将相应的瓶子1012A-F附接于每个接合特征1016A-F。每个瓶子相对于毂盘基部成倾斜至与接合特征相同的程度。在一个示例中，如图4所示，瓶子的体积为32盎司，并且以一定角度朝向底端切开。毂盘基部1011还包括适于附接管道的阀1018。关于阀1018如何与进入植物生长系统2内的液体进料进行流体连通的进一步细节将在下面更详细地描述。毂盘基部1011的内部是闭合的通路1019，使得进入阀1018的任何进料(例如液体)被引导至附接于毂盘基部的瓶子1012A-F中的每一个。以这种方式，引导至阀1018的任何液体被分配至每个瓶子1012A-F内的植物。

每个毂盘结构适于在其所附接的塔上可旋转和/或可竖直调节。狭槽1017包括适于使得毂盘基部1011能够围绕中心管子1002旋转的接合特征。狭槽中的特征可以提供锁定机构以被驱动来脱离，或者可以允许在使用期间的旋转自由度。植物生长系统2被配置成使得毂盘基部1011从中心管子1002拆卸并且根据需求可再次附接于在其高度上的相同位置或另一位置处。以这种方式，毂盘结构1011可相对于相应的中心管子来旋转并且竖直调节。这种可调节性允许系统定制成适于现场的具体条件，其中各个毂盘结构或多个毂盘结构一起可以被定位和定向成适合现场的独特条件。因此，在另一示例中，塔上的且附接于中心管子的一系列毂盘结构可以通过中心管子的单次旋转而一起旋转。

转到植物生长系统的结构，该结构提供来将液体输送到容器中的土壤，并且如图1和2所示，植物生长系统2包括中空管道3，该中空管被构造成在第一端连接到液体源(未示出)且在第二端连接到泵4。泵可以是容易获得的任何泵。通常，泵将使用需要最小的外部输入的能量。例如，泵可以以太阳能或自行车为动力的。此外，可以预期，可以使用其它正液压源来代替泵。泵4的下游是管道5，它与至少塔式阵列100流体连通，并且如图所示，与系统2的塔式阵列100、200、300、400中的每个流体连通。管道3、5可以是被认为适合于经过系统2安全地输送液体(例如水)的任何形状或材料成分。例如，管道可以是PVC管子。那些普通技术人员已知的其它中空结构也被考虑用作PVC管子的替代品。

如图1所示，阀106、206、306、406控制液体从管道5流入每个塔式阵列100、200、300、400。这允许控制植物生长系统2中的液体流动，从而可以将液体提供给某些塔式阵列而非其它塔式阵列。相似地，泵4和一个或更多个塔式阵列之间的管道5的流动路径可以是不间断的、其间没有任何阀。以这种方式，可以通过在系统2中包括最小数量的阀位置来简化液体流动。阀可以为通常用来控制液体流动的任何类型。在一个示例中，阀是电磁阀。阀可以在它们的放置位置处或远程地进行控制，如以下更详细地描述。

每个阀106、206、306、406的下游是另一个管道。对于塔式阵列100，这是管道105。管道105从阀106延伸至支撑塔式阵列100中的相应塔1000、1100、1200、1300、1400的一系列中心管子。管道105被布置成使得加压液体可以进入每个塔的中心管子并且行进至每个毂盘结构上方、塔的顶部处的流量控制装置。以这种方式，每个塔在其上端具有流量控制装置，例如图1和2所示的用塔式阵列100的流量控制装置111、112、113、114、115等。如图3A所示，代表每个流量控制装置的流量控制装置111包括附接有管道120-127的八个输出端口，使得当这些管附接于在毂盘结构1010、1020、1030、1040、1050、1060、1070、1080上的相应阀时，流量控制装置适于将其接收的任何加压液体经由管道分配至多达八个毂盘结构。在变体中，任何其它数量的输出端口可以与流动控制装置一起被包括。在一个示例中，附接于流量控制装置的管道的直径为四分之一英寸。因此，对于如图1所示的流量控制装置的位置，在塔式阵列上每个流量控制装置达到八个毂盘结构。通过这种布置，一个流量控制装置可以将液体分配至多达四十八个植物，即，八个毂盘结构且每个毂盘结构里具有六个植物。每个流量控制装置包括压力控制机构以调节其接收的液体压力，并且还包括流动控制机构以在液体输出经过输出端口时控制液体流率。具有这些特征的流量控制装置是可获得的，并且不需要售后修改以如本文所预期的那样使用。应当意识到的是，尽管在图1中仅示出塔100的每个流量控制装置的下游管道，但是这种结构也以相似的方式包括在塔200、300和400的每个塔中，并且为了清楚仅从图1中省略。

尽管在图1中以具体的方式定位，但是每个流量控制装置的位置是设计选择的问题。因此，在另一个示例中，两个或更多个流量控制装置可以定位于每个塔的中心管子上，使得单个流量控制装置将流体分配经过多于一个的塔。也可以构思任何数量的其它布置。此外，尽管流量控制装置被描述成附接于中心管子上或中心管子上方，例如图3A所示的中心管子1002上的流量控制装置111，但是这种附接不是必需的且可以在认为必要时采用其它布置。关于植物生长系统的操作的进一步细节以方法实施例的方式来概述。

在一些实施例中，植物生长系统可以变化成包括从流量控制装置的上方而不是其下方输入的液体。另外，该结构与针对系统2所描述的且图1-3A所示的结构相同，然而，在操作期间没有液体穿过中心管子。替代地，液体将由流量控制装置从上方来接收，然后在此处液体将经由管道分配至每个毂盘结构。

在另一实施例中，植物生长系统包括塔8000，如图3B所示。输入管道805输送由流量控制装置811从上方接收的液体。再次，一旦液体被接收在流量控制装置811中，控制其至预定的流率，然后经由管道820-827以预定流率分配至相应的毂盘结构8010-8080。然而，塔8000中的额外的特征在于，旋转接头831被附接作为输入管道805和流量控制装置811之间的接口。旋转接头831附接于流量控制装置811，使得塔8000能够相对于管道805旋转而不会扭转或以其它方式向管道805施加力。通过包括如图7B所示的地基结构，进一步地促进这种功能。对于图7B所示的地基，类似的附图标记表示图7A中所示的类似元件。中心管子8002位于关于图7A所描述的套管8004内，但是此外，推力轴承8009位于套管8004的基部处以使中心管子8002能够绕其轴线旋转832。以这种方式，通过推力轴承，中心管可旋转，同时在实现此旋转时不对输入管道805造成损坏或重复加载，因为旋转接头将塔8000从输入管道805分离。在其它示例中，可以预期，也可以使用具有与推力轴承相似的功能的装置。

在另一实施例中，如关于植物生长系统2描述的，对于一个或更多个塔式阵列，植物生长系统包括相同的结构，但是被配置成以不同的方式为毂盘结构上的瓶子中的植物或农作物带来液体。这种植物生长系统12在图8示出。现在以植物生长系统12的塔5000上的代表性毂盘结构5010为背景来描述这个实施例的特征。除非另有说明，类似的附图标记表示如图1-2和某些其它附图(包括3A、4-6和7A)中所示的实施例中提供的类似元件。

在这种布置中，与植物生长系统2相似，植物生长系统12包括液体入口13、与液体入口流体连通的泵14、以及适于从泵14输送加压液体的输出管道15。进入每个塔的管道15的延伸部穿过阀，诸如阀16，从而塔5000或塔式阵列中的附加塔中的液体接收是可控的。阀16的下游是沿着塔5000的长度向上延伸的管道505。在塔5000的每个水平高度处是将管道505与毂盘结构连接的连接管道。因此，关于图8中所示的塔，存在八个连接管道5015、5025、5035、5045、5055、5065、5075、5085，其对应于八个毂盘结构5010、5020、5030、5040、5050、5060、5070、5080。

为了具体地在毂盘结构5010中接收液体，图9示出了连接管道5015接收从管道505流入的液体，并且输送这种液体至毂盘结构5010中。因此，通过这种配置，塔5000的每个水平高度通过管道505并结合连接管道来连接到其它水平高度。在一些示例中，如果植物生长系统包括附加的塔以形成塔式阵列(图8中未示出)，则每个附加塔(即列)的毂盘结构通过竖直管道并结合连接管道来相似地相互连接。

转到图9中示出的代表性毂盘结构5010的详细结构，毂盘结构5010包括毂盘基部5011、瓶子5012A-F以及与连接管道5015直接流体连通的压力补偿发射器5018。

毂盘基部5011在形状上大致为圆形，并且包括围绕其圆周的、螺纹端口5016A-F形式的接合特征阵列，如图9中所示。径向狭槽5017从毂盘基部5011的中心延伸至其边缘。狭槽5017限定为U形且包括足以在其中容纳管子、杆或绳索的排列的宽度，诸如图9中所示的中心管子5002。狭槽5017内或螺纹端口5016A-F的螺纹颈部之间是毂基部5011的表面上的连接特征(未示出)。连接特征的示例包括夹板和紧固孔。连接特征被成形和定位成使得中心管子5002可附接于毂基部5011。在一种替代布置中，这些连接特征中的一些也被成形和定位成允许将悬挂绳索(图9中未示出)附接于毂盘基部5011。在中心支承结构是螺纹杆的其它布置中，毂盘基部5011的狭槽5017可以包括相应的螺纹或部分带螺纹的锁定机构来作为两者之间的附接方式。

在毂盘基部5011的边缘上是具有压力补偿发射器5018的接口。发射器5018被配置成接收经由管道15、竖直管道505和连接管道5015从泵14泵送的液体，并且提供对发射器5018下游的流率的控制。这提供一个重要的功能，因为液体到达放置于毂盘结构的瓶子中的土壤的流率应该在一定范围内以获得最佳性能，例如考虑到蒸腾，同时从泵14输出的液体的流率和压力必须足够高以沿着塔向上推动液体，并且还要足够低以使得液体保持在土壤中并且不被过量供应。此外，对于进入每个毂盘结构的液体具有一致的流率也是有用的，因为不受控制的水流将推动大量的水进入植物生长系统的下部毂盘结构中，并且很少的(如果有的话)水进入远离地面的上部毂盘结构中。

作为一个示例，从泵14输出的液体的压力可以向上至50psi，并且当液体到达毂盘结构时，发射器将流率降低至在每秒几滴液体的范围内的受控的最小量。在另一示例中，从发射器5018进入毂盘结构5010中的液体的最大输出的流率可以是0.5加仑每小时。这种液体流率足以促进土壤中植物和其它农作物的生长。用在本文预期的实施例中的塑料瓶，例如新的和消费后的可商购塑料瓶，通常具有足够的尺寸使得放置于其中的土壤可以支持谷物、水果、草本植物、蔬菜和其它人用植物的生长。应当注意的是，也可以使用溶液培养介质代替土壤。这种溶液培养介质尝试用于植物的生长和稳定。示例包括岩棉、轻质膨胀粘土骨料、椰子纤维、椰子碎片、珍珠岩和蛭石。另外，也可以使用土壤和溶液培养介质的组合，使得溶液培养介质防止土壤和基质填充毂盘结构。

将瓶子5012A-F的螺纹颈部拧到毂盘结构5010的相应螺纹端口5016A-F上，如图9所示。使用这些颈部作为接口是有利的，因为它们符合工业标准且因此可彼此互换。从底部切割瓶子5012A-F以留下边缘，使得切割的瓶子包括敞开的空腔，该空腔允许在其中用于放置泥土或其它材料。在所描述的实施例中，每个瓶子至少部分地填充有土壤。瓶子可以是空的汽水瓶，诸如由聚碳酸酯制成的瓶子等，否则其将适于回收利用。使用这种材料的优点是它们在具有有限资源的地区容易可获得，使所述植物生长系统的装配成为用于生长和灌溉农作物的现实和实用的选择。而且，通过将用过的瓶子结合到系统中(否则在不可能回收利用的地方将浪费这些瓶子)，在这些瓶子的处理上花费的能量更少，并且产生更少的废物和污染。进一步地，每个汽水瓶根据需要可以容易地在毂盘上更换，从而允许简化植物生长系统12的修理和维护。

在毂盘基部5011的主体内是一股或更多股灯芯材料，诸如尼龙芯等，例如参见附图标记5019A-F，或能够受毛细作用的其它材料。用于产生所需毛细作用的其它方法包括将根或土壤基质定位于毂盘基部中。芯子从压力补偿发射器5018延伸至靠近相应瓶子5012A-F中土壤的表面的位置，每个瓶子固定至毂盘结构5010的螺纹端口5016A-F。因此，对于毂盘结构，从毂盘延伸入到毂盘结构的瓶子内的芯股的数量通常与固定于毂盘结构5010的瓶子的数量相匹配，或者简单地环绕经过毂盘，如一个环绕进入和离开每个瓶子的单线。对于图9所示的毂盘结构5010，存在六根芯股。芯子(例如芯子5019A)的结构和布置使得当液体被泵送经过发射器5018时，这种液体将与芯子接触，然后由植物蒸腾和毛细作用引起的蒸发的组合将导致液体从发射器行进到芯子中位于土壤的相对干燥区域中的端部。例如，这可以从图9中看到，其中芯子5019A的行进路径上从发射器5018至其在瓶5012A的土壤中的端部。

以相似于系统2的毂盘结构的方式，塔5000的每个毂盘结构适于在塔的中心管子5002上可旋转和/或可竖直调节，并且相似的原理适用于包括于系统12中的任何附加的塔。

在植物生长系统12的替代布置中，阀6的位置可以在塔式阵列中的一个或更多个塔的上游(例如，一个或更多个竖直管道的上游，诸如管道505等的上游)，而不是在每个塔式阵列的入口处，以更精确地控制液体流动。

上述室外植物生长系统(包括系统2和12)可以以多种方式变化。例如，系统可以悬挂在绳索上，其中绳索固定于系统外部的固定结构(诸如树)，以提供承载功能。为了使每个塔式阵列(诸如塔式阵列100、200、300、400等)保持在悬挂位置，可以包括附加的支承结构以将每个塔的中心支承结构连接到另一个和/或连接到附加的外部固定支承结构。例如，绳索可以用来将塔和/或相邻塔的毂盘结构连接在一起，和/或用来将毂盘结构连接到塔上方的固定位置。为了连接元件，绳索可以从塔式阵列上方向下悬挂到塔上。绳索可以继续向下经过塔的毂盘结构以穿过并连接到每个毂盘结构。这可以对塔式阵列中的其它塔重复。在一个示例中，绳索可以是尼龙实用绳索。连接于绳索的毂盘结构的载荷由在塔式阵列上方、绳索的上端处的固定结构负担。在使用预期的植物生长系统的典型环境中，提供固定位置的结构可以是树枝、系至两棵树上并跨越在两棵树之间的第二绳索、水平定位杆等。为了增加稳定性，单独的绳索可以从两个或更多个塔上悬挂。或者，保持塔式阵列的塔的绳索可以在固定位置处悬挂点下方的中间点处相互连接，使得仅单个绳索附接于固定位置。这种布置可以用来简化固定。更进一步地，绳索或多个绳索可以用来替代其它中心支承结构，使得塔的每个毂盘仅由绳索支撑在适当位置。例如，绳索可以代替中心管子1002，使得毂盘结构1010-1080沿着绳索的长度附接并由悬挂绳索的固定结构从上方支撑。

在另一个示例中，植物生长系统利用与支撑塔的中心管子分离的管道以带来液体形式，然后分配至毂盘结构上方的流量控制装置，以便经由附接于流量控制装置的管道进行分配。

用上述提到的植物生长系统和本公开中预期的其它系统执行的园艺和农业操作显著地减少生长植物和/或农作物所需的土地。例如，在一个示例中，当一英亩土地用来在地面土壤中生长草莓时，可以培育多达大约29，500株植物。利用竖直定向的植物生长系统，可以使用相同的土地面积来培育高达124，800株草莓植物，转化成大约4.3倍的产量。从另一种方式来看，植物生长系统利用75％的较小土地面积来生产相同的产量。

利用管子、杆、绳索或其它这种结构作为中心支承结构的能力为植物生长系统提供增加的多功能性，使得可以在不需要生产已经不容易获得的材料的情况下进行装配。

具有重力受控排水装置的室外系统

在另一实施例中，提供植物生长系统，其通过利用养耕共生和重力排水来灌溉农作物，如图10-11所示。除非另有说明，类似的附图标记表示关于图1-2的实施例的类似元件，另外，在一定程度上未描述植物生长系统的部件，这些部件可以如本文中针对其他实施例所描述的。系统22包括泵24、塔6000和鱼缸28。每个部件通过一系列管道(例如附图标记25和26)进行流体连通，这些管道形成用于系统的闭合回路。

如图10所示，管道25位于泵24的下游，管道25与中心管子6002以如下方式流体连通：使得加压液体被输入在塔6000的底部处的中心管子6002内。如同本文描述的某些其它实施例，如图1所示，中心管子6002被配置成将加压液体运送到最上部毂盘结构的上方、塔6000顶部处的流量控制装置611。中心管子6002操作为塔的结构支撑以及用于将液体分配至流量控制装置的路径。分配管道620和627从流量控制装置61延伸至相应毂盘结构上的阀。毂盘结构上的每个瓶适于接收通过阀进入的液体。进一步地，在每个瓶子的基部处是收集管道，该收集管道接收任何未被吸收或保留在瓶子中的土壤内的液体。因此，对于图11所示的毂盘结构6010，存在六个收集管道6013A-F适于接收来自相应瓶子6012A-F的基部的液体。收集管道6013A-F中的每一个从瓶子延伸至阀27，如图10所示。为毂盘结构6020，6030，6040，6050，6060，6070和6080提供相似的流动路径。以相同的方式，用于这些相应的毂盘结构6023A-F、6033A-F、6043A-F、6053A-F、6063A-F、6073A-F、6083A-F中的每一个的收集管道都与瓶子下游的阀27接口，每个收集管道附接到该阀27。在一些示例中，收集管道的直径为八分之三英寸。这种配置的一个优点是，在收集管道中的任何积压不会影响其它的收集管道，随着它们在阀27的上游分别收集，并且在上游方向，这些管道仅与从它们延伸的瓶子直接流体连通。因此，最小化在任何给定瓶子中溢流的风险。如同本公开的其它实施例，系统22可以包括附接于毂盘结构的种植器或其它容器。

在塔6000的下游端，如图11所示，从塔的每个瓶子延伸的收集管道(例如，示出的塔中为四十八个(八个水平级的毂盘结构，每个具有六个瓶子))与进入阀27的输入接口，该阀进而输出至回流管道26。图10示出植物生长系统22是怎样的闭合回路，其中回流管道26在阀27相对的端部处连接到鱼缸28。因此，系统被配置成使得在回路中再回收利用液体，并且以这种方式，鱼缸28被配置成从管道26接收液体，然后进一步地将在鱼缸28中处理的液体返回至泵24。

鱼缸28在图10中被描述为缸，然而它也可以是水族箱、池塘或其它支持水生生物的控制体积。大量的鱼分散在鱼缸28中，并且是植物生长系统22的重要部件。鱼缸28的一个目的是处理经过系统的毂盘结构分配的液体，使得返回至泵24的液体的输出包括氨和硝酸盐。通过鱼的存在而自然地实现这个目的，因为鱼产生的排泄物产生氨和硝酸盐。因此，随着氨和硝酸盐聚集在缸内的液体中，这种氨和硝酸盐随后与液体一起从缸中输出。这是有利的，因为以下至少两个理由：它限制鱼暴露于氨、硝酸盐和其它废弃化合物，它们在高水平时可能是有毒的，并且它为系统的农作物和植物提供养分。

在一些布置中，阀27可以被配置成可手动操作来控制收集管道内任何液体的释放，或来允许经过植物生长系统回路的连续流动。在其它布置中，它可以被配置成根据系统内的流动功能而自动打开或关闭。例如，当检测到液体经过管道25的流动时，阀可以被设置成打开，来发出液体将流过或当前流过阀27上游的收集管道25的信号。为了提供期望的功能，阀还可以包括用于额外控制的电动执行机构。在一些示例中，阀的打开和关闭可以被编程为以预设间隔发生。这在正生长的植物在一定时间间隔后需要水来冲洗的情况下可能是有利的。

在基于重力的植物生长系统的其它布置中，在收集管道中接收的作为排水的液体可以在循环返回至鱼缸之前进行处理。处理的一个示例包括用于中和作用的蒸发池。如果排水是酸性的，则可以实施引入碱性物质的机构。如果液体中有盐，则与盐结合的产品可以被加入作为处理剂，等等。

在一些实施例中，两个或更多个塔可以被包括以作为基于重力的植物生长系统的一部分。在这些配置中，泵下游的一个或更多个管道可以包括一个或更多个阀以控制哪些塔接收液体输入。因此，例如，在具有三个塔的系统中，阀可定位于每个塔的上游。这些阀可以被配置成经由无线通信进行远程操作。以这种方式，可以驱动阀来允许液体流入三个塔中的任何一个、三个塔中的两个塔的任何组合或所有三个塔。此外，这种接收液体的塔的控制还允许基于被耕种的植物类型将独特的营养物分配至具体的塔中。相似地，供给的液体量可随塔的不同而变化，并且通过控制阀以分离具体的塔，可以定制提供给具体的塔的水量。在此，针对图10和11中所示的系统来描述这些原理，但是还预期到这种定制可以在本披露的其他植物生长系统中采用，诸如图1中所示。

室内系统

在一些实施例中，本文中描述的任何实施例的植物生长系统可以被装配以用于室内使用并且可以利用光增强进行补充。在一些示例中，这样的室内使用可以在仓库或另一建筑物类型内，而不暴露于来自太阳的自然光或者至多是最小暴露。在这些应用中，系统依赖于光增强来替代自然光。图12中示出了用于这种室内放置的系统配置的一个示例。除非另有说明，类似的附图标记表示图1-2中所示的类似元件。

图12所示的植物生长系统32包括塔状阵列700和具有流量控制装置711、712、713的液体分配结构，并且与植物生长系统2相似。然而，替代使中心管子7002、7102、7202延伸进入地面中以限定支撑每个塔的地基，竖立一系列框架结构740、750、760以围绕每个塔并将中心管子7002、7102、7202的每个端部保持在适当位置。每个框架以至少四个圆柱为界，并且在其下界限和上界限处采用横梁。当然，支承构件的确切位置和数量可以变化且由提供结构上可靠的框架的构件来引导。每个塔的中心管子在顶部和底部处附接于交叉点，使得其在框架内居中。在包括两个或更多个框架的情况下，诸如图12所示的三个，两个圆柱可以在相邻框架之间共用。一种室内布置将一个或更多个框架放置在混凝土地板上。

另外，框架740、750、760起到为每个塔提供外壳的作用。这是有利的，因为当框架具有围绕每个塔的壁时，诸如LED单元731A-C等照明装置可以定位于壁上并且指向毂盘结构内的植物。在每个塔被壁封闭的情况下，从照明单元发射的光可以根据需要定向于植物以获得最佳生长。在确定每个LED单元的位置时的一个因素是可用塔内的植物的叶面积指数。因此，例如，LED定位于框架外壳的侧壁上，使得光从侧面定向于植物并到达植物上最大的叶子表面区域。一个或更多个门(未示出)可以包括在框架的至少一侧上，以提供到达塔和其中的植物的通道。在替代的布置中，框架可以缺少一个或更多个壁，并且照明装置可以从封闭建筑内的其它位置定向进入框架中。在一些示例中，植物的顶部和枝条可以利用桩来整形或以其它方式固定至中心管子或毂盘基部，从而对分支结构的孔口定向，使得接收来自LED(或更多个LED)或其它光源的光的叶面积的孔口最大化。以这种方式，叶子吸收源自光源的最大量的光。

在室内应用的其它示例中，植物生长系统可以放置在温室中。由于以上概述的相同原因，以上概述的特征对于在温室内需要一定程度的光增强这类应用中是有利的。另外，由于相同原因，即在封闭建筑物内优化的占地面积是重要的，相似的挑战出现在温室内的空间利用中。

在一些布置中，中心管子可附接于相应框架的基部，使得中心管子围绕其纵向轴线自由旋转。在这种配置中，加压液体源从定位于相应流量控制装置上方的管道被泵送进入每个塔中。在一个示例中，输入管道的长度定位成从地平面、沿着第一框架的壁向上，然后附接于框架的顶板或在框架上方以延伸跨过框架并越过每个塔。另外，类似于图3B所示的实施例，旋转接头定位于流量控制装置中的每一个的上方，使得管道附接于旋转接头的一侧，而流量控制装置附接于另一侧。由于推力轴承直接固定在每个塔的中心管子的下方，中心管子围绕其轴线自由旋转，同时输入管道保持静止。通过每个塔的受控旋转，用于每个塔上的各个植物或具体植物组的照明装置是可定制的。进一步地，旋转的程度和频率可以被编程为以有效地为每个塔创建旋转周期。例如，塔可以每小时旋转九十度。因此，这种示例中的旋转周期将是四个小时，在该时间期间具有四个四分之一圈。虽然特别适合于室内应用，但是可以预期的是，旋转每个塔所需的结构还可以被结合到室外植物生长系统中。

在一些布置中，框架还包括脚轮(未示出)，即，安装于框架的基部上方或下方的轮子。这些通过提供使一个框架相对于另一个框架移动以在其间创造行走空间的方式，来允许更多的框架适配于封闭建筑物中。因此，例如，如果图12所示的植物生长系统中的三个框架适配于建筑物中，通过使系统相对彼此移动以接近它们，三个相邻的框架之间的小到一个过道的空间足以容纳所有三个系统。在这种配置中，所有的框架可以彼此邻接，并且可以通过滚动适当的一个或更多个框架根据需要在任何两个框架之间形成通道空间。

在另一实施例中，类似于图12所示的室内系统可以包括一系列高度反光的白板，该白板具有用于在其中放置LED的切口，其中，该白板的尺寸设计成对应于室内系统中的每个框架的相应壁。当在框架(更多框架)内设置到合适位置时，每个壁从框架的壁偏移预定量以围绕每个框架的周边创造窄走廊或通道，其中框架本身在外侧且白板在内侧。当以这种方式定位时，通道相对于容纳植物的内部空间密封隔离。LED定位于白板中，其具有面向内的照亮侧面和面向外的发热后部。当打开LED时，产生的大部分热量分散到与植物分离的通道区域中，该通道区域暴露于LED的后部。以这种方式，植物的温度控制需求被大大降低，因为由LED另外产生的热对植物周围的温度没有显著影响。因此，利用这种配置可以优先控制生长区域中的通风和气体混合。

具有数据收集的系统

在另一方面，植物生长系统包括一系列数据收集装置以来补充用于生产农作物和植物的基础系统(例如，系统2)。包含这些数据收集装置为植物生长系统的操作者提供对每个塔中的状况的网络控制以及监控这些状况的能力。如下面更详细地描述的，网络被配置成对农作物健康指标执行实时分析和解释以及对其进行报告。

具有数据收集功能的植物生长系统的一个实施例在图13-16中示出，其中系统42包括如图1-2中所示的、通过附接其上的数据收集特征补充的系统2。一个数据收集装置定位于系统的每个塔上方以限定装置网格，如图15所示。具体地，例如，数据收集装置定位于每个塔中的流量控制装置上方，如图16所示。当中心管子可旋转时，旋转接头定位于数据收集装置的下方、直接在流量控制装置的上方。以这种方式，中心管子可旋转，而数据收集装置保持静止。在这种布置中，输入塔的中心管子中的液体可以穿过数据收集装置中的中心开口。另外，每个数据收集装置定位于塔上的顶部毂盘结构上方的相同预定距离处，如图16所示。如下面将更详细描述的，使每个数据收集装置处于地面上方的相同高度处来优化经由附接的传感器的在装置之间的通信，并且还确保从数据收集装置获得的任何图像捕获所有预期的农作物或植物。

转到每个数据收集装置的细节，图13中示出了一个代表性数据收集装置。应当意识到的是，诸如图15所示的那些其他的数据收集装置包括相同或相似的特征。如图所示，单个数据收集装置1090放置在塔1000上中心管子1002的顶端附近。为了附加的支撑和对齐，销钉1003定位成以偏离中心管子1002的方式经过数据收集装置。销钉1003连接到毂盘结构和下方的其它支承元件，并且用于保持数据收集装置和同一塔上毂盘结构之间对齐。以这种方式，基于数据收集装置的方向，塔上毂盘结构的方向是已知的，并且不期望数据收集装置旋转。

数据收集装置1090具有由六边多边形限定的外表面。当然，如果系统的阵列由不同的图案来限定，则边数和形状可以变化。装置的每边上是红外线传感器1091A-F和入口1094A-F，使得结构内部的照相机对于装置外部的空间没有阻碍。红外线传感器在一边的上部并附接成面向另一个数据收集装置，如图15和16所示。例如，这可以是数据收集装置2090、2190或1190中的一个。紧接在每个入口1094A-F内的是从入口指出的照相机1095A-F，如图14所示。照相机以近似四十五度的角度指向下方。

每个传感器1091A-F包括LED发射器和光电二极管接收器。这允许关于数据收集装置的细节的数据被传送到植物生长系统中的其他数据收集装置。具体地，当LED发射器发射红外光时，其被另一数据收集装置上的光电二极管接收器接收。LED传感器的具体结构可以变化，只要使用的结构能够发射和接收红外光。LED传感器被配置成经由装置内至蓝牙单元1097的连接件将数据传送到中央计算机，例如，利用图14所示的用于LED传感器1091A的连接件1092A。通信数据包括数据收集装置相对于系统中的其他数据收集装置的位置。当然，也可以传送关于数据收集装置的其他信息。这种功能还可以被并入用于系统的全部数据收集装置的自配置协议中。在系统的使用方法中描述了如何传送和使用该数据的更多内容。

进一步地，每个数据收集装置应该以相同的方式定向。这最好通过以对于每个数据收集装置均相同的方式将销钉相对于中心管子定位来实现。因此，销钉可以直接定位于用于参考数据收集装置的中心管子的北侧，并且其他数据收集装置中的每一个应该以相同的方式来定位。应当意识到的是，单个数据收集装置将运行作为系统整体的参考点，以便有效地识别每个数据收集装置的位置。例如，参考数据收集装置(诸如装置1090)可以被配置成被校准为具有x＝0和y＝0的坐标，使得其他数据收集装置可以通过相对于参考位置的位置来识别。或者，装置1090可以利用GPS来定位，然后其它数据收集装置可以相对于装置1090来定位。一旦确认每个数据收集装置以正确的方式对齐，红外线传感器便适于与系统的其他数据收集装置通信以确立系统中每个塔的位置。这方面的进一步的细节概述在方法中。

每个照相机1095A-F包括尺寸设计成捕获至少一系列八个瓶子的图像(诸如照片)的镜头，该瓶子定位于照相机镜头面对的塔上的竖直线上。例如，这在图16中示出。基于图像内的位置和/或通过包括在图像中捕获的每个瓶子上的唯一标识号(UID)标签(诸如QR码)，图像中的数据可以与具体植物相关联。进一步地，可以利用与图像相关联的方向(例如N、NE、E、SE、S、SW、W、NW)和容纳照相机的具体数据收集装置的标识来对照相机拍摄的图像标记。最后，这些图像允许检索关于具体植物的各种数据以及信息以识别植物生长系统内的具体植物的位置。照相机适于编程为以规律的间隔进行图像捕获，或者可以定制成以变化的间隔或手动地获得图像。使用数据收集装置的方法的细节和这种方法的优点在本申请的其它地方进行描述。DVI或其他类似的连接件1093A适于传递其自己的数据并中继来自照相机的其他收集装置的数据，使得数据可以被传送到外部中央计算机并在外部中央计算机处被处理，该DVI或其他相似的连接件1093A在数据收集装置内的照相机1095A和蓝牙单元1097或其他无线通信单元之间。通过电池1096或其它紧凑型电源单元向红外线传感器1091A-F、照相机1094A-F和蓝牙单元供电，该紧凑型电源单元可以包括小型太阳能电池板以在现场汲取电力。

植物生长系统还包括被配置成无线接收从植物生长系统的每个塔收集的数据的蓝牙主单元47或多个主单元。另外，还包括与蓝牙主单元47通信的计算机48，以处理和存储来自系统的塔的数据。在方法的描述中提供了关于分析和解释由计算机接收的数据的更多细节。

在另一实施例中，利用安装于无人机上的单个数据收集装置来监控具有多个塔的系统。在这种配置中，无人机用于到达具体塔的任何水平，使得可以捕获系统中的每个植物或农作物的图像。

植物生长系统的其它实施例

植物生长系统可以以许多方式变化。在一些实施例中，可以通过与植物生长系统关联的软件应用程序来提供对泵、阀、流量控制装置、压力补偿发射器、数据收集装置和其它操作功能的控制。例如，移动电话应用可以被配置成提供具有一系列选择的接口，该一系列选择允许通过蜂窝网络、直接通过Wi-Fi或蓝牙、或其他串行或无线电连接的手段来控制系统的各种特征。

在一些实施例中，植物生长系统可以包括附加的传感器以提高系统的效率和监控功能。在一些示例中，这些传感器可以包括水流传感器、水质传感器和土壤水分传感器(soil moisture sensor)中的一个或更多个。其它传感器包括测量每个瓶中土壤的湿度和温度的湿度传感器。这种数据在确定植物的蒸腾速率以确定是否应当对液体输入的流率进行任何改变方面可能是有价值的。上述传感器可以以任何数量放置于系统的塔式阵列内的各种位置处。然而，可能仅需要少量的传感器来从它们的操作中获得益处。因此，水质传感器可以定位于泵的正下游。单个土壤水分传感器和/或单个湿度传感器可以足以监测单个塔。

在其它实施例中，塔上的毂盘结构包括卡扣到毂盘基部上的端口上的适当位置的瓶子，即“卡扣式”瓶子。以这种方式，可以轻易地移除和更换瓶子。这种替换允许使用具有不同尺寸和形状的瓶子。而且，就植物或土壤需要被接近以进行处理或其它调整而言，暂时移除瓶子使这种过程更简单且更有效。可以预期的是，瓶子的卡扣特征可以结合到本文描述的植物生长系统的任何实施例中。进一步地，如同本文描述的系统的其它实施例，瓶子可以利用其它容器(诸如种植器)来代替。

在其它实施例中，塔式阵列内的两个或更多个塔可以具有不同的高度或具有不同数量的毂盘结构。虽然描绘为以平行的行来定位，但是还可以预期一个塔式阵列相对于另一个塔式阵列的任何定向。例如，第一塔式阵列的排可以横向于相邻塔式阵列的排。与这些另外的实施例一致，可以预期的是，植物生长系统可以包括在系统的任何一个塔式阵列上的任何数量的塔式阵列和任何数量的毂盘结构、行和/或塔(即列)。至少以这种方式，系统决不受所描述的实施例的限制。相似地，中心支承结构与毂盘结构之间或管道与毂盘结构之间的确切位置和连接机构可以不同于图4或图9中所示的那些，以适合在给定的一组环境下可获得的材料。在其它实施例中，系统可以包括使框架保持为悬挂状态的竖直中心管子、杆或绳索中的仅一个。如本公开中其它地方所述，在任何一个预期的实施例中，可以在室外环境中采用系统，使得农作物和植物暴露于自然光照或者可以在室内布置中设立和操作，其中人工光源用于代替自然光照。

本文描述的许多植物生长系统的一个优点是，如果需要，即使在建筑材料的可获得性非常有限的情况下(例如在发展中国家)也可以获得系统的每个部件。例如，镀锌钢管子、PVC管子、塑料瓶子、其它塑料部件、金属棒、绳索、尼龙绳(用于灯芯)和简单的机械装置(诸如泵和阀等)可以区域性获得，甚至在不发达地区。因此，系统可以利用基本的输入材料且以原材料不是实施该系统的障碍的方式来产生有价值的输出。

在更进一步的实施例中，系统可以附有遮蔽件，该遮蔽件覆盖所有农作物以减少或消除对利用除草剂或杀虫剂进行处理的需要。因为系统是竖直定向的，由于生产所需的面积相对较小，所以遮蔽件是系统的实用选项，而对于基于土壤的植物或农作物，遮蔽件通常不是实用选项。

成套元件

在另一个方面，上述植物生长系统的部件可以作为成套元件一起被包括。在一个实施例中，成套元件是管道、管子、杆、绳索、毂盘基部、瓶子、流量控制装置、压力补偿发射器、阀、泵和数据收集装置中的任何组合的一个或更多个的集合。可以将这些元件包装在机箱中或一系列机箱中，或另一种形式的容纳结构中。在这种成套元件的示例中，可以包括任何数量的上述元件中的每一个作为成套元件的一部分。在另一实施例中，成套元件仅包括系统的一些元件。例如，成套元件可以包括几十个瓶字和毂盘基部。可以预期的是，用于形成系统的元件的任何组合可以组合来形成套件。

在一些配置中，成套元件还可以包括计算机应用程序，该计算机应用程序可以使用在蜂窝电话上以将电话连接到植物生长系统，例如植物生长系统2。因此，除了手动控制系统之外，还可以使用计算机系统和程序。通过电话和计算机应用，可以打开和关闭系统2，可以灌溉或不灌溉某些塔(通过阀(多个阀)，例如电磁阀)，可以调整灌溉周期的时间，等等。还可以在这种系统上安排系统中能够自动化的任何和所有功能。此外，来自位于系统上的传感器的反馈可以将关于系统当前或先前的状态的信息发送回至应用。这种传感器可以记录系统内土壤水分、水pH值、泵活性等其他状态。

用加压液体系统灌溉的方法

在又一方面，目前本公开涉及使用本文预期的各种实施例的植物生长系统灌溉植物和/或农作物的方法。

在一个实施例中，其通过图17所示的流程图的步骤来描述，其元件也在图1中示出，首先在步骤S1中，在泵处接收来自外部源的液体。当将液体泵送进入系统中时，可以为了各种目的向系统供给肥料和/或其它营养物。例如，当需要在植物中进行叶子生长时，提供营养物以供给更多的氮。随着泵开启，将液体泵送进入朝向植物生长系统的一个或更多个塔的下游管道，每个塔具有多个毂盘结构。在步骤S2，液体到达第一塔式阵列的控制阀，该控制阀可以是打开的或关闭的。在包括两个或更多个塔式阵列的情况下，在某些情况下可能需要关闭阀，以便液体只流至第二塔式阵列或其它塔式阵列。在替代方法中，每个塔式阵列可以包括一系列阀以控制塔式阵列内有多少个塔来接收液体。如果阀保持打开，液体继续流向一个或更多个流量控制装置，该流量控制装置安装来将液体分配至整个塔式阵列中。

在步骤S3，在一个或更多个流量控制装置中接收液体，在该流量控制装置中，液体在从八个输出管道中的一个离开之前穿过压力补偿发射器。以这种方式，流量控制装置可以在宽范围的压力下接收液体，诸如在10和90psi之间的任何值，或者对于一些配置，在这些量之间的其它范围，并且以控制的流率将这种液体输出至八个输出管道中的每一个。为了本文描述的植物生长系统的目的，从每个流量控制装置输出液体的流率通常为每小时0.25加仑，但是也可以考虑将流量控制装置配置成用于其它的流率，例如每小时0.50加仑。进一步地，一些植物的流率可以大于其它植物的，甚至在相同系统内。这可以通过在整个系统中使用不同类型的流量控制装置来实现。通过流率的控制，可以将液体以适于灌溉的适当速率接收在每个瓶子中，即使上游具有宽范围的液体压力。这使系统更适于变化的条件，以使可预测的农作物生长是可以预期的。

在步骤S4，液体从八个管道中的每一个输出，该八个管道从流量控制装置延伸并且流动至毂盘结构上的入口，然后在该处液体被分配至这种毂盘结构上的植物和/或农作物。应当意识到的是，可以基于系统内植物和/或农作物的蒸腾速率来确定流速。因此，通过基于所生长的植物选择适当的流率，应该预期到在灌溉每个植物后存在最少液体或没有残留液体，从而使水利用最大化和浪费最小化，同时还消除了对单独的排水系统的需要。在相应瓶子的土壤中接收水，并且灌溉其中的植物和其它农作物以促进生长。因此，对于每个流量控制装置，从流量控制装置伸出的八个管道中的一个向八个向毂盘结构及其上的所有植物供给液体。以这种方式，如果具有三个塔的塔式阵列包括每个塔的八行毂盘结构，并且每个毂盘结构具有其中有植物的六个瓶子，则有二十四个毂盘结构和具有植物的144个瓶子。因为流量控制装置可以向多达八个毂盘结构供给用于灌溉的液体，所以通过包含三个流量控制装置向这种植物生长系统供给足够的水。在替代方法中，系统的某些流量控制装置可以通过程序或手动关闭，以选择性地处理植物生长系统内的植物的子集。

在方法的另一实施例中，可以以策略性的方式将营养物混合入土壤中。在又一个实施例中，可以将营养物以缓慢释放的方式引入到液体源中。在又一实施例中，该方法中的流动液体穿过毂盘基部内的管道，该管道自阀延伸、进入瓶子中并延伸至瓶子内土壤的顶部。以这种方式，液体从土壤的上表面进入土壤，通过营养物，然后继续通过土壤和植物或农作物的根部。通过在这种配置中该方法的执行，植物的根部被清洗，这在根部积累太多营养物、盐或其他植物废物时是有利的。

在该方法的另一实施例中，步骤S3由以下过程代替：在压力下液体沿各塔的管道向上流动并从该管道流至塔上的每个毂盘结构。液体到达塔的每个水平高度处的毂盘结构的输入位置处的各个压力补偿发射器。压力补偿发射器控制输出到可调节毂盘中的液体的流量以达大约每小时0.5加仑的最大流率。通过毛细管作用，液体然后沿着一个或更多个芯子流动，每个芯子延伸进入附接于可调节毂盘的瓶子内的土壤中。在步骤S4中，在相应瓶子的土壤中接收水，并且灌溉其中的植物和其它农农作物以促进生长。在步骤S2中，对于塔式阵列中的每个塔，从打开的阀的下游执行相似的过程。

利用重力受控排水的灌溉方法

在另一实施例中，采用图18的植物生长系统进行灌溉植物和/或农作物的方法。在步骤GS1，将含有氨、硝酸盐、生长促进微生物群和微量营养物的液体从泵泵送进入连接到塔的中心管子的管道中。一旦进入中心管子，液体向上流入位于塔的毂结构上方位置处的流量控制装置内。在步骤GS2，流量控制装置内的液体被调节达所控制的流率，然后被分配至相应的毂盘结构，如图10所示，并从那里到达各个植物支持瓶的土壤或溶液培养生长介质。在到达植物时，水中的氨转化为硝酸盐，植物将该硝酸盐用作食物。如图10和11所示，相应瓶子的土壤中的未吸收的任何液体通过重力从每个瓶子内独立地流过收集管道到达塔基部的阀。

在步骤GS3，对已经经历灌溉的来自每个瓶子的过量液体进行表征的每个收集管道，例如图11中的6013A-F，在阀结构的上游进行收集。当泵打开时，将阀控制在打开位置以确保收集管道中没有液体积压。通过打开的阀，使用过的液体返回至鱼缸。在步骤GS4，鱼缸中接收的液体通过在缸中鱼排泄物的收集而积累了氨和硝酸盐。然后将这种含氨和硝酸盐的液体输出到泵。这标志着循环的完成，并且重复该过程。

利用传感器的系统操作方法

在另一方面，如图13-16所示，植物生长系统42可以通过并入数据收集装置而结合数据收集功能来进行操作。如图15所示，在校准位于每个塔上方的数据收集装置之前，对每个装置进行简单评估以确保塔上方的正确定向、装置在系统中的适当高度处的正确位置、以及将装置固定在适当位置。对于系统42，对数据收集装置1090-1490、2090-2490、3090-3490、4090-4490进行该操作。为了验证每个装置正确定向，可以观察穿过装置且偏离中心管而定位的销钉。在一种方法中，从中心管子穿过销钉的线路可以定向成指向北方。在任何情况下，一旦基于中心管子与销钉之间的距离建立线路，其它数据收集装置可以以相同的方式来定向。每个装置的高度的验证确保所有装置都在相同的高度处。这将风险最小化，该风险是每个装置上的传感器之间的任何通信不足或无效。

为了验证每个植物的位置，校准数据收集装置。这也可以称为自配置协议。校准开始于参考数据收集装置，其被识别为位于x＝0和y＝0坐标处。或者，参考数据收集装置可以通过GPS坐标来识别。对于图15的植物生长系统，装置1090是参考装置。一旦每个装置被开启，红外线传感器(例如装置1090上的传感器1091A-F)激活并通过红外脉冲发射红外光。这将源装置的标识和位置数据发送至接收装置。由于每个数据收集装置的独特六边结构，当在接收装置的光电二极管接收器接收红外光时，每个装置将经由该红外传输与至少一个其他装置通信。例如，在图15中，装置1090经由其红外线传感器与装置2090和2190通信。在另一示例中，装置3290与装置2190、2290、2390、4190、4290、4390通信。如图15中最佳示出的，由于系统的图案化的几何形状，装置之间这种通信效率被增强。一旦每个装置与其它装置通信，装置便计算它们相对于参考装置1090的位置。然后，这数据被保存并与在具体装置处收集到的任何其它数据一起中继至计算机48，如下所述。因此，通过上述过程，诸如图15中所示的那些数据收集装置中的每一个可以通过基于红外线传感器的通信来定位。具有每个装置的位置并由此具有每个塔的位置的一个目的是，帮助监控系统中的各个或成组的农作物或植物的发育。

为了在一段时间内收集每个植物上的数据，每个数据收集装置被编程为以预定时间间隔利用内置的照相机拍摄图像，诸如利用图14所示的照相机1095A、1095D。当然，拍摄图像的命令可以设置为变化的时间间隔，可以手动设置，或者可以在植物生长系统内从塔到塔间变化。在一个示例中，每个数据收集装置被编程为以三十分钟的间隔拍摄图像。然后分析通过这些图像获得的数据以监控整个系统中植物和/或农作物的进展和生长。为了为每个数据收集装置建立程序以捕获图像，输入被录入至计算机48中并被传送至植物生长系统42。计算机48和系统42的数据收集装置之间的通信是无线的。在描述的系统中，使用蓝牙以便于无线通信。还预期无线蓝牙技术可以用于测量人与系统的接近度，并且以这种方式，作为信标来操作。还预期使用其它低能量无线通信系统。在其它变体中，可以实施有线通信。

为了从所拍摄的图像中获取数据，并将这些图像与植物生长系统中的具体植物关联起来，数据收集装置1090被描述并代表系统中的每个数据收集装置。在装置1090基于所编程的数据收集间隔来收集数据的时刻，照相机1095A捕获图像。如图16所示，来自照相机1095A的图像将捕获在塔2000的一侧生长的所有植物和/或农作物。这包括瓶子2012D、2022D、2032D、2042D、2052D、2062D、2072D和2082D内的植物。另外，每个瓶子包括在同一图像中捕获的UID(唯一标识号)标签2013D-2083D。当通过图像的捕获而创建图像数据时，还利用容纳有照相机的数据收集装置的标识和照相机捕获图像的方向(例如NE、E、SE等)来标记图像数据。在该步骤之前，通过使用LED传感器校准系统可以分别地收集关于数据收集装置的标识的信息。另外，可以通过捕获图像中的UID信息以及来自图像文件本身的图像数据来确定关于植物的位置和基本信息，该图像文件还包括与携带有问题的植物的塔的位置有关的数据。因此，当图像数据经由蓝牙单元1097被传送到计算机48并被分析时，计算机能够利用各种信息来将具体图像与系统中的位置和具体植物关联起来。

在系统被编程为以设定的时间间隔拍摄图像的上述布置下，该过程也同时发生在每一个其他数据收集装置中并且同时也发生每个数据收集装置中的多个照相机。这包括同一装置1095B-F中的其它照相机，或其它数据收集装置(未示出)中的照相机。以这种方式，可以通过在单个时间点拍摄的图像来及时收集关于整个系统中每个植物的数据。

转到可以由计算机对图像数据的分析而确定的植物和土壤信息，图像数据可以用于评估或追踪关于瓶子中的土壤或植物本身的信息，诸如土壤中的水分、植物的发育(例如，是否应该收获植物)、植物的健康等等，并且还可以用于预测植物的未来变化。以这种方式，在对预期产量的任何不良影响之前，数据操作为用于农作物的任何潜在问题的早期预警系统，该潜在问题诸如干旱、疾病和害虫等等。图像数据还可以用于检测与植物相关联的处理活动。例如，数据可以显示在具体植物上使用过喷雾。还可以从分析的数据中提取关于各个植物的最佳收获日期，连同生产追踪、强化遗传育种计划以及其他有用的信息。从装置接收数据的计算机结合统计和预测算法以辅助该过程。对于一些分析的数据，可以利用区块链技术来将收集的数据简单化，以识别与系统42外部收集的数据的任何差异。

在以规则间隔拍摄图像的程序中，附加的数据持续地被输入计算机中，从而建立关于植物生长系统的植物的更大的数据集合。随着时间推移收集附加数据，可以执行更复杂的分析和趋势以改进对植物的评估，并改进关于生长操作的变化的决策制定。例如，在拍摄图像一天之后，单个植物的特征的变化可以表明问题，从而指示必须关注该植物。

在系统的操作寿命期间，可以根据需要修改对植物生长系统的编程，以便以或更多或更少的频率间隔捕获图像，或者以其它方式定制操作方案。在进一步的示例中，用于图像捕获的时间间隔可以是十五分钟、四十五分钟或一小时。并且，这些频率可以针对系统的不同部分(诸如生产不同农作物的那些部分)而定制。在其他示例中，图像捕获之间的间隔可以由塔或甚至由照相机来定制。

在其它实施例中，作为监控植物生长系统的方法的一部分，数据收集装置内的一个或更多个照相机可以适于拍摄视频片段并且被编程为如此做。

在又一实施例中，生长植物的方法利用植物生长系统，该植物生长系统没有任何内置的数据收集装置，但包括安装于无人机上的单独的数据收集装置。在一个示例中，其中系统包括排列成网格状的一系列塔式阵列，诸如图1中所示的系统2，无人机通过将其自身定位于四个塔之间的中心处来操作，并且在这样的中心中竖直地向上和向下移动以捕获面向内部的任何数量的植物的图像。在塔之间的每个空间中以及在外周重复该过程，直到系统中的所有植物都被覆盖。该方法可以在室内和室外环境中实施。

方法的变体

上述方法可以以多种方式变化。例如，方法可以用于具有两个或更多个塔式阵列的植物生长系统中。在其它变体中，控制进入塔式阵列的液体的控制阀可以省去，使得泵送入连接到阀下游处的塔的管道中的任何水将进入那些塔中的管道中。在其它变体中，可以在灌溉之前、期间或之后调节各个毂盘结构。例如，使用中心管1002，毂盘结构1010-1080(见图1)可以相对于塔式阵列中其它塔(例如塔1100)的毂盘结构旋转，来促进植物和农作物整体暴露于阳光。相似地，一个或更多个毂盘结构的竖直位置可以就相似的原因而调节。当然，还可以为了其它目的进行调节，诸如避免附近自然障碍物的侵入等。

通过并入如上所述的易于获得的材料，可以采用使用植物生长系统灌溉农作物的方法，而不需要将重型装置带到放置地点。进一步地，通过使用非危险材料来实施方法，系统避免了将任何潜的危险化学品引入至现场的需要。方法的优点还在于，其实现需要非常少的人。例如，可能在至少一些情况下，单个个体可以装配和操作整个植物生长系统。

通常，本文所述的植物生长系统被称为溶液培养系统。在一些实施例中，系统是水产养殖和溶液培养的组合，通常称为养耕共生。

尽管已经参考具体实施例描述了本公开，但是应当理解的是，这些实施例仅仅是本公开的原理和应用的说明。因此，应当理解的是，在不背离由所附权利要求限定的本公开的实质和范围的情况下，可以对说明性实施例进行许多修改，并且可以设计出其它布置。

Claims (23)

1.一种竖直定向的植物生长系统，包括：

适于安装在地面上方的塔，包括：

中心支承结构，所述中心支承结构定向成大体上垂直于地面，所述中心支承结构由地上框架或穿过所述地面的且用作地基的延伸部来支撑；

多个毂盘结构，所述多个毂盘结构附接于所述中心支承结构并沿着所述中心支承结构以一定间隔隔开，每个毂盘结构包括附接于其上的至少一个容器，所述容器的尺寸设计成用于布置足以生长植物的土壤；

流量控制装置，所述流量控制装置具有延伸至所述多个毂盘结构中的每一个上的输入阀的输出管道；

封闭通道，所述封闭通道与压力下的液体源和所述流量控制装置流体连通，

其中当液体通过所述封闭通道从源向下游被分配，然后进入并经过流量控制装置时，所述液体以预定流率分送至置于每个容器内的土壤中。

2.权利要求1所述的系统，其中，所述流量控制装置安装在所述多个毂盘结构上方。

3.权利要求1所述的系统，其中，所述封闭通道直接连接到所述中心支承结构，使得在所述封闭通道中接收的加压液体向下游行进经过所述中心支承结构并进入所述流量控制装置。

4.权利要求1所述的系统，其中，所述封闭通道直接连接到所述流量控制装置。

5.权利要求4所述的系统，其中，所述中心支承结构能够围绕其轴线旋转，并且所述中心支承结构的旋转不会将力传递到所述封闭通道。

6.权利要求5所述的系统，进一步地包括旋转接头，所述旋转接头与所述中心支承结构相对置地附接于所述流量控制装置，使得所述流量控制装置将所述旋转接头与所述中心支承结构分离，所述流量控制装置和所述中心支承结构适于共同旋转。

7.权利要求1所述的系统，进一步地包括适于安装在地面上方的第二塔，所述第二塔包括：

第二中心支承结构，所述第二中心支承结构定向成大体上垂直于地面，所述第二中心支承结构由地上框架或穿过地面的且用作地基的延伸部来支撑；

多个第二毂盘结构，所述多个第二毂盘结构附接于所述第二中心支承结构并沿着所述第二中心支承结构以一定间隔隔开，每个毂盘结构包括附接于所述毂盘结构的至少一个容器，所述容器的尺寸设计成用于布置足以生长植物的土壤。

8.权利要求7所述的系统，进一步地包括在两个所述塔中每一个的上游位于所述封闭通道上的阀，所述阀能够独立地被驱动以对加压液体流入两个所述塔中的任一个或两个进行控制。

9.权利要求7所述的系统，进一步地包括第二流量控制装置，所述第二流量控制装置定位于两个所述塔中的一个的每个毂盘结构上方，同时所述第一流量控制装置定位于两个所述塔中的另一个的每个毂盘结构上方。

10.权利要求9所述的系统，其中，所述第一流量控制装置被配置成将液体输出调节至第一流率，且所述第二流量控制装置被配置成将液体输出调节至第二流率。

11.权利要求9所述的系统，其中，每个塔进一步地包括数据收集装置，所述数据收集装置定位于相应流量控制装置上方的中心管子上，所述数据收集装置适于收集与设置在相邻塔上的每个容器中的土壤和植物的状况相关联的数据。

12.权利要求11所述的系统，其中，所述数据收集装置进一步地包括红外线传感器，使得每个数据收集装置适于与其他数据收集装置通信以建立每个数据收集装置的位置。

13.权利要求11所述的系统，其中，所述数据收集装置进一步地包括照相机，所述照相机适于捕获相邻塔上每个容器的图像数据。

14.一种系统，包括：

第一塔式阵列，所述第一塔式阵列包括三个塔；

第二塔式阵列，所述第二塔式阵列包括三个塔；

其中，每个塔式阵列中的每个塔包括：

中心支承结构；

多个毂盘结构，每个毂盘结构在所述中心支承结构上居中并且彼此间隔开；

流量控制装置，所述流量控制装置定位于所述多个毂盘结构上方，所述流量控制装置包括八个输出端，每个输出端具有附接于其上的分配管；

其中，所述多个毂盘结构中的每一个包括连接到八个所述分配管中的一个的输入阀，以及

其中，所述流量控制装置被配置成接收液体并将所述液体分配至附接于所述塔上的毂盘结构的每个种植器，

其中，所述第一塔式阵列中的三个所述塔彼此对齐，使得第一轴线穿过每个塔的所述中心支承结构；

其中，所述第二塔式阵列中的三个所述塔彼此对齐，使得第二轴线穿过每个塔的所述中心支承结构，所述第二轴线平行于所述第一轴线；

其中，第三轴线垂直于所述第一轴线并穿过所述第一塔式阵列的三个塔中之一，所述第三轴线也穿过所述第二塔式阵列的三个塔中之一。

15.权利要求14所述的系统，其中，每个塔进一步地包括数据收集装置，所述数据收集装置定位于所述流量控制装置上方的中心管子上，每个数据收集装置定位于相同高度处，使得任一个数据收集装置上的红外线传感器与另一个数据收集装置上的红外线传感器通信。

16.权利要求15所述的系统，其中，所述数据收集装置适于运行自校准协议，以便建立每个塔相对于参考塔的位置。

17.权利要求14所述的系统，其中，每个数据收集装置进一步地包括六个照相机，每个照相机定位成面向于不同的方向，使得与定位于每个塔上的种植器有关的图像数据是能够检索的，所述图像数据与每个容器中的土壤和植物的状况相关联。

18.权利要求17所述的系统，其中，所述图像数据与所述照相机面向的方向和容纳所述照相机的塔相关联。

19.一种竖直定向的植物生长系统，包括：

第一塔式阵列，所述第一塔式阵列包括两个塔；以及

第二塔式阵列，所述第二塔式阵列包括两个塔，穿过所述第二塔式阵列的两个塔的单个轴线平行于穿过所述第一塔式阵列的两个塔的单个轴线，

其中，所述第一塔式阵列和所述第二塔式阵列中的每个塔包括：

从地面向上延伸的中心支承结构；

多个毂盘结构，所述多个毂盘结构附接有一个或更多个种植器，每个毂盘结构附接于所述中心支承结构并与相邻的中心支承结构间隔开；以及

数据收集装置，所述数据收集装置在距离地面预定距离处定位于所述多个毂盘结构上方，

其中，所述数据收集装置能够操作来通过每个数据收集装置上的传感器之间的通信来收集关于每个塔的位置数据，以及

其中，所述数据收集装置能够操作来通过图像数据来收集关于每个塔上的种植器中内容物的数据，所述图像数据从由所述数据收集装置内的电子装置捕获的图像来收集。

20.一种竖直定向的植物生长系统，包括：

塔，所述塔包括：

中心支承结构；

多个毂盘结构，每个毂盘结构在所述中心支承结构上居中并且彼此间隔开，所述多个毂盘结构中的每个包括附接于其上的多个种植器，所述种植器中的至少一个种植器具有设置在其中的土壤或溶液培养生长介质；

流量控制装置，所述流量控制装置定位于所述多个毂盘结构上方并连接到所述中心支承结构，所述流量控制装置包括多个输出端，每个输出端具有附接于其上的分配管；

多个分配管，每个分配管在一端处连接到所述流量控制装置的多个输出端中的一个，并在相对端处连接到所述多个毂盘结构中的一个的阀；以及

多个收集管道，每个收集管道在一端处连接到所述种植器中的一个的开口，并在相对端处连接到中心阀，

用于过滤液体的主体，所述主体适于在所述中心阀下游接收液体，

泵，所述泵适于接收由所述主体处理的液体并将加压液体分配至所述中心支承结构；以及

其中，当加压液体从所述泵流向下游时，液体通过所述中心支承结构被泵送进入所述流量控制装置中，然后所述液体被分别分配至各个毂盘结构和附接于所述毂盘结构的种植器中，使得所述种植器中的土壤未吸收的任何液体通过重力向下游流入收集管道，并且当所述中心阀打开时返回到所述本体。

21.一种灌溉植物的方法，包括：

将加压液体提供至塔，所述塔包括：

中心支承结构；

多个毂盘结构，每个毂盘结构在所述中心支承结构上居中并彼此间隔开，所述多个毂盘结构中的每个包括附接于其上的多个种植器，所述种植器中的至少一个具有设置在其中的土壤或溶液培养生长介质；以及

流量控制装置，所述流量控制装置定位于所述多个毂盘结构上方并连接到所述中心支承结构，所述流量控制装置包括多个输出端，每个输出端具有附接至其上的分配管；

其中，所述液体行进经过中心支承结构到达流量控制装置，

其中，所述流量控制装置以预定流率将接收的液体输出至各个毂盘结构，以及

其中，接收在所述毂盘结构中的液体行进到附接于所述毂盘结构的每个种植器内的土壤中。

22.权利要求21所述的方法，进一步地包括通过阀的控制来向所述第一塔、第二塔或两者提供液体，所述阀定位于至少一个塔的所述中心支承结构上游的液体流动路径上。

23.根据权利要求22所述的方法，进一步地包括在所述第一塔和所述第二塔之间通信，以通过定位于每个塔上的相应流量控制装置上方的数据收集装置来确定每个塔的相对位置。

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