CN112005758A - 一种基于立体栽培架的全自动led光照与灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，包括LED光照系统与灌溉系统，LED光照系统包括灯具、灯带板、控制电路和触控屏，灌溉系统包括给水管道、排水管道、潜水泵、液位控制板、控制电路、营养液托盘和营养液桶，控制电路为包括通电线路、信号线路及与LED光源的共用电路板，本发明主要提供了一种可高效促进立体栽培植物生长发育，有效保证栽培数量和质量的LED植物光照系统，并搭配以全自动节能减排的灌溉系统。

Description

一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统

技术领域：

本发明属于植物栽培技术领域，具体为一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统。

背景技术：

随着经济社会的发展进步，人们生活水平迅速提高，对日常消费的农产品的质量要求也随之提高。农产品的生产者也希望自己的产品是符合一定标准的优质农产品，尽可能得到消费者认可，实现优质优价，提高经济效益，增加经济收入，让农业生产由数量型向质量型、健康型转变。然而，只有按照技术标准生产的农产品才能达到质量要求，才能满足不断提高的人民生活水平对农产品质量的需要，立体栽培技术应需而生。

光照管理是农业高效生产和成本降低的关键因素之一。在高精度环境控制的植物工厂、温室大棚中，立体栽培架搭配LED照明作为新一代植物生长光源，它较传统农业领域的光源，具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等特点。在现代化农业的不断发展和节能环保的需求下，LED植物照明将逐步替换目前使用的传统荧光灯，成为植物生产过程中光环境调控的主要工具。

但是，在当前市场中流通的应用于立体栽培架上的LED光源主要存在三大问题。第一、仅提供了光照，忽视了最适于植物生长的光谱配比。为节约成本，采用单色灯珠并排组合的灯具，光质不均匀，配比方式单一，无法真正做到对农业作物基因的改良，无法保证产品的营养价植与口味。第二、LED光源长时间工作容易导致产生大量热能，如果热量没有及时散发出去会导致温度升高，使光衰上升、光照强度减弱、使用寿命缩短，影响植物的生长。而LED植物光照系统产生的热量更会改变植物的生长环境。第三、光源的应用方式比较传统，许多立体室内种植户见识到了分层配备光源的好处，但应用时还是在传统的开关上下功夫，灯具分层安装，统一电源开关人工控制，无法根据植物不同品种、不同生长阶段调整光源的光强、光照时长等因素。

因此，如何做到应用最适合植物生长的光照环境，如何做到光照环境的自动化系统控制，是智慧农业技术中最迫切解决的研究主题。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：包括LED光照系统与灌溉系统；

所述LED光照系统包括灯具、灯带板、控制电路和触控屏，所述灯具为软带条状且卡扣于灯带板上，灯具通过控制电路连接栽培架顶部的电路板，所述电路板与触控屏连接，所述控制电路中设置有信号输出模块、信号接收模块、微处理器和检测模块，所述微处理器分别连接灯具、信号输出模块、信号接收模块和检测模块，所述检测模块内设置有亮度检测单元、温度检测单元和湿度检测单元，所述信号输出模块设置有时间设定单元、亮度调节单元和报警单元；

所述灌溉系统包括给水管道、排水管道、潜水泵、液位控制板、控制电路、营养液托盘和营养液桶，所述营养液托盘上分别设有给水口和排水口，所述给水口连接给水管道，排水口连接排水管道，给水管道和排水管道沿栽培架的侧架排布于架体两边且均连接至栽培架底部的营养液桶内，所述营养液桶内置潜水泵，潜水泵与控制电路相连接，所述营养液托盘与液位控制板完全贴合，所述营养液桶由桶盖、桶壁和万向轮组成；

所述控制电路为包括通电线路、信号线路及与LED光源的共用电路板。

优选的，所述灯具为RGB 6：2：2的柔性LED灯带，具体为采用FPC做组装线路板，用贴片LED灯珠进行组装，形成一种厚度仅为10mm以内的柔性灯带。

优选的，所述LED灯珠为一颗具有红、蓝、绿、紫外四种单光质珠片形成的一株完整的微盒形灯珠。

优选的，所述灯带板选用硬质FR-4环氧树脂板材质，厚度10mm，所述灯带板开设有灯带卡槽，灯带卡槽开口处略小于灯具，灯具卡入卡槽内。

优选的，所述控制电路设置于栽培架的中空立架及顶部挡盖中。

优选的，所述检测模块内设置有光敏传感器，所述温度检测单元内设置有热敏传感器，所述湿度检测单元内设置有湿度传感器。

优选的，所述微处理器还连接有定时电路模块。

优选的，所述控制电路还包括内置的GSM通信模块，所述GSM通信模块与外界互联网无线连接，并与定时电路通过同步电路连接。

优选的，所述给水管道和排水管道采用PVC硬管。

优选的，所述潜水泵选用12V微型潜水泵。

本发明的有益效果：1、本发明分层配置优质配比的全光谱LED补光照明灯，按照种植对象的不同配置灯具数量及光强度，光照均匀，有效解决了室内种植植物种类的条件限制，还可有效保证种植产品的质量；2、有效减少无技术含量劳动力，全自动控制光照及灌溉系统，可在同等平地种植面积上提高3-10倍产量；3、智能化程度高，光源、灌溉等控制系统具有记忆功能，断水断电不断参数，一次设定永久执行，反复多次种植效果更佳；4、节能减排，环保产品，少量用电，营养液配比得当的情况下基本无废水排放；5、可连接至互联网，进行同步运行数据展示，有效避免设备故障时人不在现场没有发现导致损坏种植成果。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明的LED光照系统结构示意图；

图2为本发明的LED灯带示意图；

图3为本发明的LED灯带板结构图；

图4-8为本发明的LED灯带控制系统电路图；

图9为本发明的自动灌溉系统示意图；

图10-12为本发明的自动灌溉系统模块电路图；

图13为本发明的营养液托盘示意图；

图14为本发明的营养液桶结构示意图；

图15为本发明的触摸屏示意图；

图16为本发明的微处理器系统架构图；

图17为本发明的主控制系统电路图；

图18为本发明系统搭载到立体栽培架的整体结构示意图。

图中：1-营养液托盘；2-灯具；3-灯带板；4-液位控制板；5-营养液桶；6-桶盖；7-桶壁；8-万向轮；9-触控屏；10-栽培架。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1-18所示，本发明的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：包括LED光照系统与灌溉系统，应用于室内植物工厂，植物工厂为钢结构与保温维护材料建成，培养间内无任何自然光照，已有节能空调及新风系统；

所述LED光照系统包括灯具2、灯带板3、控制电路和触控屏9，所述灯具2为软带条状且卡扣于灯带板3上，灯具2通过控制电路连接栽培架顶部的电路板，所述电路板与触控屏9连接，光照系统通过触控屏9设置光照时间及光照强度，设置完成后可保持长期全自动运行，所述控制电路中设置有信号输出模块、信号接收模块、微处理器和检测模块，所述微处理器分别连接灯具、信号输出模块、信号接收模块和检测模块，所述检测模块内设置有亮度检测单元、温度检测单元和湿度检测单元，所述信号输出模块设置有时间设定单元、亮度调节单元和报警单元；

所述灌溉系统包括给水管道、排水管道、潜水泵、液位控制板4、控制电路、营养液托盘1和营养液桶5，所述营养液托盘1上分别设有给水口和排水口，所述给水口连接给水管道，排水口连接排水管道，给水管道和排水管道沿栽培架10的侧架排布于架体两边且均连接至栽培架10底部的营养液桶5内，所述营养液桶5内置潜水泵，潜水泵与控制电路相连接，所述营养液托盘1与液位控制板4完全贴合，根据所述液位控制板4设定好的液位高度及时从营养液桶5抽取自动补充营养液，营养液过剩时向营养液桶5排出多余营养液进行重复利用，所述营养液桶5由桶盖6、桶壁7和万向轮8组成，其中挡盖6作用为防尘及设置进水、出水孔，桶壁7底部设置排水口，桶壁7的底板向排水口倾斜设置，便于排净废水及清洁清洗。4个万轮8为3英寸，前方2个万向轮8带有卡刹，便于营养液总盘从正面前方拉出，便于营养液桶5静置时的固定；

所述控制电路为包括通电线路、信号线路及与LED光源的共用电路板，本发明实现了光照与灌溉系统在同一块电路板中实现一体控制。

具体的，FPC柔性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路板，本发明采用压延铜FPC线路板，密切和FPC连为一体的，可以任意弯折而不会出现焊盘脱落现象。所述LED灯珠优选采用一珠多色组合贴片形式，本发明的LED灯珠具体研究了植物生长所需的全部光谱。研究表明，655-665nm波长的红光最利于抑制植物植株的节间伸长、促进分蘗以及增加叶绿素、类胡萝卜素、可溶性糖等物质的积累；440-450nm波长的蓝光有利于明显缩短蔬菜的节间距、促进蔬菜的横向伸展以及缩小叶面积，同时，蓝光还能促进植株次生代谢产物的积累；绿光一直是颇受争议的光质，部分学者认为其会抑制植株的生长，导致植株矮小并使蔬菜减产，然而，据实际研究530-540nm波长的绿光有助于加速蔬菜的生长；UV-c紫外光一般更多地表现为对生物的杀伤作用，可以有效杀菌、驱蚊虫，但过量会减少植物叶面积、抑制下胚轴伸长、降低光合作用和生产力，以及使植株更易受侵染，本发明加入微量的弱紫外成分用于植物生长过程中的杀菌以及促进花色苷以及类黄酮的合成，保证植物营养价植，最终形成RGB 6：2：2的柔性LED灯带。

具体的，LED灯珠为一颗具有红、蓝、绿、紫外四种单光质珠片形成的一株完整的微盒形灯珠。根据实验数据，单灯珠可均匀辐射于15mm的植物表面，本发明采用SMT贴片工艺，焊盘输入端焊点使用金线与灯珠形成意向串联，形成灯珠间距30mm，灯带宽度为22mm，灯带厚度8mm，单卷灯带长度可达10米，平均4米/kg的植物补光通用灯带。柔性LED灯带柔软，能任意卷曲、可以剪切和延接、电灯泡与通路被彻底包覆正在柔性塑胶中、绝缘、防水功能好、运用保险、耐气象性强、不易决裂、运用寿数长，是当前应用于智慧立体农业的不二选择。

具体的，灯带板选用硬质FR-4环氧树脂板材质，厚度10mm，主要材料为进口半固化片，常温150℃下仍有较高的机械强度，干态、湿态下电气性能好、阻燃，适用于电气、电子等行业绝缘结构零部件，是美国电气制造商协会规定的一种标准合格材料，因我国内拥有大量的原料，工艺成熟，成品价格低廉，品质有保证，享有很高的声誉。灯带板3根据灯带宽度，在板材上挖出一条灯带卡槽，卡槽开口处略小于灯带，保证灯带卡入后不会掉出。安装灯带时，仅需将灯带剪至合适长度，直接卡入卡槽或从灯带板3一端插入卡槽即可保证稳定不脱落，卸取出灯带里也同样通过正面抠出或侧面拉出即可，灯带板3可无限反复使用。

具体的，控制电路设置于栽培架10的中空立架及顶部挡盖中。

具体的，检测模块内设置有光敏传感器，温度检测单元内设置有热敏传感器，湿度检测单元内设置有湿度传感器。当传感器数据达到设定数字，报警器自动发生蜂鸣警报。

具体的，微处理器还连接有定时电路模块，用于系统的开关时间设定。

具体的，控制电路还包括内置的GSM通信模块，GSM通信模块与外界互联网无线连接，并与定时电路通过同步电路连接，所述GSM通信模块可先用任一种现有的GSM模块实现。

具体的，给水管道和排水管道采用PVC硬管，抗拉强度优，耐腐蚀程度优，耐磨程序优，经久耐用。

具体的，潜水泵选用12V微型潜水泵，比一般的鱼缸用潜水泵流量约大7-9倍(同等体积下)，流量大：28-38L/Min，出水冲击力较强，体积小(仅听装易拉罐大)、实际扬程较高(1.9-3米)；中大流量，实现了小体积大流量的较好结合。

实施例1：本实施例测试以生菜种植为例，首先在苗床内通过种子与复合营养液育苗3天，长出根茎约15～20mm长幼苗。

将幼苗移入立体栽培架中进行分孔种植，在系统开机模式下，植入水培生菜种芽，幼苗期设置液位深度30mm，光照强度8050Lx(约230umol/m～2s)，光照时长8小时/天，幼苗生长期7天转入成苗生长期；成苗生长期设置液位深度20mm，光照强度8750Lx(约250umol/m～2s)，光照时长8小时/天，根据实验对照250umol/m～2s为生菜叶绿素含量最高的光谱配比；成苗培育期约20天，生菜生长高度约为18cm，鲜重20-30g，即可收割。

幼苗种植完成时起，不再需要人工进行除草、追肥、灌溉、杀菌等各环节。

实施例2：本实施例采用实施例1中完全一致的基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，应用于温室大棚种植经济农作物空心菜。

具体包括以下工序：

1、温室大棚由钢结构与优先塑料建成主体结构。

2、在大棚内平整土地搭建5层立体栽培架，为便于种植及采栽栽培架以总高度≦3米，宽度70cm为最优，层间种植高度设置为50cm。

3、在每层栽培架设置本发明所述的光照系统及灌溉系统，其中光照系统设置于各层上方，灌溉系统设置于栽培层。

4、选取颗粒饱满的空心菜种子进行育苗，每1KG种子喷洒约100ml催芽液，遮光放置，苗根茎生长至20-30mm时进行幼苗移入栽培架。

5、将幼苗移入立体栽培架中进行分孔种植，在系统开机模式下，植入水培空心菜种芽20mm，幼苗期设置液位深度30mm，光照强度8050Lx(约230umol/m～2s)，光照时长8小时/天，幼苗生长期7天转入成苗生长期；成苗生长期设置液位深度20mm，光照强度8750Lx(约250umol/m～2s)，光照时长8小时/天，根据实验对照250umol/m～2s为生菜叶绿素含量最高的光谱配比；成苗培育期约20天，生菜生长高度约为18cm，鲜重20-30g，即可收割。

6、温室大棚受自然环境的温度和气体影响更大，因此，在自然环境基础上，光照及灌溉系统需要更为精细的调节。以夏季25℃-30℃气温为例，上两层感光超多的栽培层可不补光只灌溉，由上往下各层人工补光最增加20％～100％，人工补光以自然光照为基数，达到7000Lx光强即可，日照时间8～10h/天。

7、以本发明的光照及灌溉系统培育的空心菜可有效缩短常规周期(35-45天)至25-30天，品质均一，产量提高30％以上。

本发明的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，最终通过一个液晶触摸屏进行触摸控制，根据种植需求，使用人在触摸屏上可设定光照的时间、营养液的供给量以及光照强度等环境模拟参数，设定确认后，系统全自动运行，可实现1人管理一间植物工厂的日常运营期。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：包括LED光照系统与灌溉系统；

所述LED光照系统包括灯具、灯带板、控制电路和触控屏，所述灯具为软带条状且卡扣于灯带板上，灯具通过控制电路连接栽培架顶部的电路板，所述电路板与触控屏连接，所述控制电路中设置有信号输出模块、信号接收模块、微处理器和检测模块，所述微处理器分别连接灯具、信号输出模块、信号接收模块和检测模块，所述检测模块内设置有亮度检测单元、温度检测单元和湿度检测单元，所述信号输出模块设置有时间设定单元、亮度调节单元和报警单元；

所述灌溉系统包括给水管道、排水管道、潜水泵、液位控制板、控制电路、营养液托盘和营养液桶，所述营养液托盘上分别设有给水口和排水口，所述给水口连接给水管道，排水口连接排水管道，给水管道和排水管道沿栽培架的侧架排布于架体两边且均连接至栽培架底部的营养液桶内，所述营养液桶内置潜水泵，潜水泵与控制电路相连接，所述营养液托盘与液位控制板完全贴合，所述营养液桶由桶盖、桶壁和万向轮组成；

所述控制电路为包括通电线路、信号线路及与LED光源的共用电路板。

2.根据权利要求1所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述灯具为RGB 6：2：2的柔性LED灯带，具体为采用FPC做组装线路板，用贴片LED灯珠进行组装，形成一种厚度仅为10mm以内的柔性灯带。

3.根据权利要求2所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述LED灯珠为一颗具有红、蓝、绿、紫外四种单光质珠片形成的一株完整的微盒形灯珠。

4.根据权利要求1所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述灯带板选用硬质FR-4环氧树脂板材质，厚度10mm，所述灯带板开设有灯带卡槽，灯带卡槽开口处略小于灯具，灯具卡入卡槽内。

5.根据权利要求1所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述控制电路设置于栽培架的中空立架及顶部挡盖中。

6.根据权利要求1所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述检测模块内设置有光敏传感器，所述温度检测单元内设置有热敏传感器，所述湿度检测单元内设置有湿度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述微处理器还连接有定时电路模块。

8.根据权利要求1所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述控制电路还包括内置的GSM通信模块，所述GSM通信模块与外界互联网无线连接，并与定时电路通过同步电路连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述给水管道和排水管道采用PVC硬管。

10.根据权利要求1所述的一种基于立体栽培架的全自动LED光照与灌溉系统，其特征在于：所述潜水泵选用12V微型潜水泵。