CN112351676A - 用于受控农业环境中的照明和分布式感测的方法、设备和系统 - Google Patents

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Abstract

一种分布式传感器网格可以用于监测农业环境中植物的生长条件。在一个实例中，一种分布式传感器网格可以包含被布置成由垂直轴线和第一水平轴线限定的网格的传感器。所述传感器可以各自联接到提供操作电力和/或网络通信接入的电缆和/或端口。在一些实施方案中，设置在所述农业环境中的多个照明器材可以被配置成向一个或多个传感器提供所述电力和网络通信接入，从而减轻了用于连接的多余电缆的使用并简化了安装。所述传感器可以相对应地设置在相应照明器材的附近，以监测所述农业环境的一部分的生长条件。所使用的传感器也可以被封装成集成传感器组合件，从而进一步简化安装和部署。

Description

用于受控农业环境中的照明和分布式感测的方法、设备和 系统
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2018年5月4日提交的题为“用于受控农业环境中的分布式感测的方法、设备和系统(METHODS,APPARATUS,AND SYSTEMS FOR DISTRIBUTED SENSING INCONTROLLED AGRICULTURAL ENVIRONMENTS)”的美国临时申请第62/667,217号和于2018年6月3日提交的题为“用于受控农业环境中的分布式感测的方法、设备和系统(METHODS,APPARATUS,AND SYSTEMS FOR DISTRIBUTED SENSING IN CONTROLLED AGRICULTURALENVIRONMENTS)”的美国临时申请第62/684,641号的优先权。上述申请中的每一个通过引用整体并入本文。
背景技术
受控环境农业(CEA)是在受控环境中种植植物的过程，其中对各个环境参数进行监测和调整以提高所种植植物的质量和产量。与常规植物栽培方法相比，CEA可以实现植物的全年生产，对变化的天气条件不敏感，减少病虫害并且减少每个植物消耗的资源量。受控农业环境通常至少部分地被建筑结构(例如，温室、种植屋或一部分被覆盖的田地)封闭，以便提供对环境条件的某种程度的控制。可以部署另外的控制系统来调整各个环境参数，包含照明、温度、湿度、营养水平和二氧化碳(CO2)浓度。例如，在这种受控农业环境中通常使用一个或多个人造照明系统来补充和/或代替可能由建筑结构阻挡或在一年中的某些时期(例如，冬季)不足的自然阳光。
发明内容
在常规的CEA中，经常部署并利用多个传感器来监测种植区域中的生长条件。传感器在各种农业环境中的集成通常基于两种通用设计方法：(1)无线传感器网络(WSN)系统和(2)物联网(IoT)系统。对于WSN系统和IoT系统而言，部署在环境中的每个传感器通常都进行无线通信，并依靠电池供电。
在一些情况下，WSN和IoT传感器系统可以提供简化安装和灵活部署，特别是在较大的种植环境中。然而，发明人已经认识并意识到，用于农业应用的无线传感器系统可能会显著地受到以下方面的限制：(1)对便携式电源(例如，电池)的依赖，所述便携式电源需要定期补充或更换，以及(2)由于环境中植物的遮蔽效应而引起的可靠性问题(例如，足够的叶片密度可能会阻挡无线通信，并且在一些情况下会阻断无线通信)。
鉴于前述内容，发明人已经考虑了CEA的传感器配置，以提供传感器的更具鲁棒性和可靠性的操作。例如，一方面，向农业环境中的传感器提供有线(而不是无线)电力和网络通信资源可以说会提高其鲁棒性和可靠性；同时，提供足够的电缆来为环境中的每个传感器供电和/或与其通信可能会给农业环境中的安装人员或操作人员带来某些负担。
然而，发明人已经认识并意识到，CEA中采用的照明系统可以用作用于为在受控农业环境中部署和利用的多个其它装置分配有线电力并提供有线网络通信基础设施的平台。通过利用照明系统来支持各个传感器和其它装置的操作，可以轻松地定位这些传感器和装置，以覆盖与植物生长相关的环境区域(例如，由于照明器材部署在植物所位于的区域)。
更具体地，CEA的照明系统通常以基本规则布置(例如，植物架子上方的多行和多列照明器材)部署在种植区域中，以确保环境中的光基本均匀分布(光合有效辐射或PAR)。发明人已经认识并意识到，可以使用给定种植区域中的照明器材的布置来将种植区域的空间划分为多维节点网格，因此，照明系统可以在网格的相应节点中提供操作电力和网络通信接入中的一种或两种。
例如，给定种植区域的空间可以由三个正交轴线限定(例如，沿空间的宽度的x轴线、沿空间的长度的y轴线和沿空间的高度的z轴线)。照明系统的相应照明器材可以定位在空间中的某一高度(zlights)以及沿空间的宽度和长度的相对应位置(xi,yi)处。照明器材的相应位置可以继而用于限定空间中的多维节点网格，因此，照明系统可以向位于一个或多个节点处或其附近的一个或多个装置(例如，传感器或执行器)提供操作电力和网络通信连接(例如，以太网发送/接收接入)中的一种或两种。在这种示例性框架中，在沿空间的宽度和长度的给定照明器材位置(xi,yi)处，可以沿z轴线在不同高度处部署多个传感器(例如，农业环境的不同垂直层，例如土壤层、植物层、光顶篷层和周围环境层)。
因此，发明人已经认识并意识到用作种植区域中的电力和网络通信“主干”的CEA的工业园艺照明系统的实际优势，以在可用于CEA的其它设备(例如，传感器和执行器)的部署中提供显著的灵活性、可靠性和鲁棒性。发明人已经进一步认识到并意识到设计这种照明系统的相应组件的实际优势，以显著促进照明系统在给定种植区域中的安全、有效和相对便宜的组装和安装。
为此，本文描述了工业园艺照明系统，其中所述系统的相应照明器材包含工业型AC电力连接器，并且所述系统的相应电缆是工业型电缆(例如，根据保险商实验室
Figure BDA0002870353470000031
产品类别PVVA并符合
Figure BDA0002870353470000032
标准2237的用于工业机械的多点互连电力电缆组合件)。使用工业型连接器和电缆向系统的相应照明器材提供操作电力显著促进了种植区域中的基本“无需工具”的照明系统组装和安装过程(例如，其中无需导管即可运行电线)。在一个示例性实施方案中，可以经由工业电力电缆(例如，其最终直接连接到受控农业环境中的断路器面板)以菊花链的方式将多个照明器材链接在一起。
另一方面，工业园艺照明系统的相应照明器材配备有一个或多个网络通信端口(例如，用于以太网或以太网供电的RJ45端口)，并且使用防水网络通信电缆(例如，Cat-5或其它类别的以太网电缆)来互连相应照明器材的网络通信端口。以这种方式，一旦将照明系统部署在受控农业环境中，就可以不时地冲洗照明系统。又一方面，包括多个传感器的集成传感器组合件可以经由各种电缆和有线连接组合件(鹅颈式柔性导体、成角度的连接器、长度可变电缆)轻松地联接到给定照明器材的一个或多个电力和通信端口(例如，照明器材上的PoE端口或USB端口)，以在种植区域中提供多维分布式感测网络。又一方面，照明系统的相应照明器材可以是流体冷却的器材，并且载运流体冷却剂通过相应照明器材的管可以使用各种推动连接管道配件容易地联接在一起，从而进一步促进了系统组装和安装。
根据本公开的分布式感测技术可以用于系统地监测跨农业环境的植物的生长条件。根据多种模式，例如经由复杂的人机界面(HMI)，可以分析和显示由部署在受控农业环境中的多个传感器收集的数据。受控农业环境中的分布式传感器还可以在反馈环路中联接到一个或多个控制系统，在所述反馈环路中，由一个或多个分布式传感器获取的数据可以用于调整一个或多个控制系统(例如，以改善或保持农业环境中的生长条件)。
在一个示例性实施方案中，多个传感器作为分布式传感器网格部署在受控农业环境中。分布式传感器网格包含一个或多个节点阵列，其中每个节点阵列将受控农业环境的至少一部分划分为节点，例如在环境中具有已知位置(例如，绝对或相对)的空间中的离散点。在各个方面中，分布式传感器网格的给定节点阵列可以是一维、二维或三维的(例如，至少部分地基于受控农业环境中的种植区域和/或农作物的分布)。例如，在一些实施方案中，给定节点阵列可以包含沿一行植物间隔的以基本线性或曲线方式布置的多个节点，以提供一维节点阵列。另一种类型的节点阵列可以包含在受控农业环境中布置在基本平行于地板或天花板的水平平面中的多个节点，以提供二维节点阵列。又一种类型的节点阵列可以包含在受控农业环境中布置在基本平行于地板或天花板的多个水平平面中的多个节点，其中节点的相应水平平面构成与受控种植环境中的不同目标区域(例如，土壤、植物、照明顶篷和周围环境)相对应的多个垂直层。
在这种节点阵列的另一方面，在给定节点处部署一个或多个传感器以监测节点附近的各种环境条件。可以包含在节点阵列的给定节点处的分布式传感器网格中的传感器的实例包含但不限于可见光传感器、UV光传感器、空气温度传感器、相对湿度传感器、空气流动传感器、CO2传感器、IR温度传感器、化学传感器、pH传感器以及被配置成以各种光谱质量捕捉农业环境的静态图像或视频的相机。因此，可以采用在受控农业环境中包含一个或多个节点阵列的分布式传感器网格来根据农业环境中的位置来系统地监测与植物生长有关的多种环境条件。另一方面，也可以采用公共电力和网络连接来促进分布式传感器网格中的各个节点之间的连接。
在一些实施方案中，如本文所述，受控农业环境包含多个流体冷却的基于LED的照明器材。在这些实施方案中，分布式传感器网格可以至少部分地与基于LED的照明器材集成，使得器材为设置在分布式传感器网格的一个或多个节点处的传感器的分布提供平台。例如，基于LED的照明器材可以包含网络、电力和管道连接，以促进受控农业环境中的多个照明器材的组装，并且所述照明器材继而向设置在传感器网格的相应节点处的一个或多个传感器或在其之间提供联网和电气连接。在一些实施方案中，每个照明器材包含集成传感器组合件可以联接到的一个或多个端口(例如，以太网供电、USB)，其中集成传感器组合件包含多个传感器以监测生长条件。因此，这种照明器材在受控农业环境中的放置可以部分地限定可以部署一个或多个集成传感器组合件的分布式传感器网格的不同节点。通过利用由照明器材提供的电力和网络连接，集成传感器组合件可以彼此连接，从而形成分布式传感器网格。
在一些实施方案中，分布式传感器网格可以联接到处理器(例如，计算机或服务器)，所述处理器存储和处理由分布式传感器网格中的相应传感器获得的各种数据。处理器(例如，计算机或服务器)还可以提供图形用户界面(在本文中被称为“人机界面”(HMI))，以允许受控农业环境的负责人/经营人(“用户”)监测和控制农业环境的各个方面(例如，访问由传感器获得的各种数据，查看和显示与由相应传感器获得的数据的分析有关的各种结果，控制受控农业环境中的照明、温度、湿度、空气流动和空气质量中的一种或多种)。一方面，HMI可以使用户能够在逐节点的基础上或在特定群组的节点的基础上显示与分布式传感器网格的一个或多个节点有关的数据和分析结果。可以实时查看传感器数据，并且可以以多种方式根据时间查看历史数据。另外，HMI提供了一个界面，以允许用户基于由分布式传感器网格的一个或多个传感器获得的数据来至少部分地使农业环境中的各种可控条件自动化。
通过举例，分布式传感器网格可以并入集成传感器组合件和流体冷却的基于LED的照明器材，所述流体冷却的基于LED的照明器材在于2018年4月20日提交题为“用于水冷的基于LED的受控环境农业(CEA)照明的集成传感器组合件(Integrated sensor assemblyfor water-cooled LED-based controlled environment agricultural(CEA)lighting)”的美国专利申请号US 62/660,720中描述，其公开内容通过引用整体并入本文。应当理解，前述概念和下面更详细讨论的另外的概念的所有组合(假设此些概念并不相互矛盾)被认为是本文公开的发明主题的一部分。
总之，一个实施方案涉及一种用于受控环境农业(CEA)的工业园艺照明系统，所述照明系统包括：A)第一照明器材，其包括：第一外壳；至少一个第一光源，其由所述第一外壳机械地支撑；至少一个第一管，其热联接到所述第一外壳以载运流体冷却剂，其中在所述第一照明器材的操作期间，流动通过所述至少一个第一管的所述流体冷却剂提取由所述第一照明器材生成的热量；和第一AC电力端口，其包括第一工业型连接器；B)第二照明器材，其包括：第二外壳；至少一个第二光源，其由所述第二外壳机械地支撑；至少一个第二管，其热联接到所述第二外壳以载运所述流体冷却剂，其中在所述第二照明器材的操作期间，流动通过所述至少一个第二管的所述流体冷却剂提取由所述第二照明器材生成的热量；和第二AC电力端口，其包括第二工业型连接器；C)第一工业电力电缆，其联接到构成所述第一照明器材的所述第一AC电力端口的所述第一工业型连接器，所述第一电力电缆具有第一连接器(P1)和第二连接器(P2)；D)工业引入三通电缆，其联接到所述第一电力电缆和构成所述第二照明器材的所述第二AC电力端口的所述第二工业型连接器，所述引入三通电缆具有第一连接器(P1)、第二连接器(P2)和第三连接器(P3)；和E)第二工业电力电缆，其联接到所述引入三通电缆，所述第二电力电缆具有第一连接器(P1)和第二连接器(P2)。
另一个示例性实施方案涉及一种照明系统套件，其包括：A)X个照明器材，其中X是值为至少二的整数，所述X个照明器材中的每个照明器材包括：外壳；至少一个光源，其由所述外壳机械地支撑；至少一个管，其热联接到所述外壳以载运流体冷却剂，其中在所述照明器材的操作期间，流动通过所述至少一个管的所述流体冷却剂提取由所述照明器材生成的热量；和AC电力端口，其包括工业型连接器；B)X个工业电力电缆，每个工业电力电缆具有第一连接器和第二连接器；和C)Y个工业引入三通电缆，其中Y是值小于X的整数，每个引入三通电缆具有第一连接器、第二连接器和第三连接器。
另一个示例性实施方案涉及一种安装照明系统的方法，所述照明系统包括至少两个照明器材，所述至少两个照明器材中的每个照明器材包括外壳；至少一个光源，其由所述外壳机械地支撑；至少一个管，其热联接到所述外壳以载运流体冷却剂；一个AC电力端口和至少一个网络通信端口，所述方法包括：A)将所述至少两个照明器材中的相应照明器材的AC电力端口与多个工业电力电缆联接在一起，而无需针对所述多个工业电力电缆使用一个或多个导管；和B)将所述至少两个照明器材中的相应照明器材的至少一个网络通信端口与多个防水网络通信电缆联接在一起。
另一个示例性实施方案涉及一种分布式传感器系统，其包括：第一多个集成传感器组合件，其沿(1)第一水平轴线以大致或基本规则的间隔分布，所述间隔由第一间距限定，并且沿(2)垂直轴线以与农业环境的第一组垂直层相对应的间隔分布，其中：所述第一水平轴线与所述垂直轴线基本正交；并且沿所述第一水平轴线的所述第一多个集成传感器组合件的所述第一间距基本对应于基本沿所述第一水平轴线设置在所述农业环境中的第一多个照明器材的相应位置。
另一个示例性实施方案涉及一种分布式传感器系统，其包括：第一多个集成传感器组合件，其沿(1)第一水平轴线以大致或基本规则的间隔分布，所述间隔由第一间距限定，并且沿(2)垂直轴线以与农业环境的第一组层相对应的间隔分布，其中：所述第一水平轴线与所述垂直轴线基本正交；并且所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件机械地联接到电缆或端口中的一个，所述电缆或端口向所述集成传感器组合件供应电力或网络通信接入中的至少一种。
另一个示例性实施方案涉及一种用于由三个正交轴线限定的种植区域空间中的受控环境农业(CEA)的分布式照明和感测系统，所述三个正交轴线包含沿所述种植区域空间的宽度的第一轴线(x)、沿所述种植区域空间的长度的第二轴线(y)和沿所述种植区域空间的高度的第三轴线(z)，所述系统包括：照明系统，其包括：在由所述种植区域空间的所述第一轴线和所述第二轴线限定的平面中的第一位置(x1,y1)处并且在沿所述种植区域空间的所述第三轴线的第一高度(zlight)处的第一照明器材；和在由所述种植区域空间的所述第一轴线和所述第二轴线限定的所述平面中的第二位置(x2,y2)处并且在沿所述种植区域空间的所述第三轴线的所述第一高度(zlight)处的第二照明器材，其中所述第一照明器材在所述第一高度(zlight)处的所述第一位置(x1,y1)和所述第二照明器材在所述第一高度(zlight)处的所述第二位置(x2,y2)限定了所述种植区域空间中的多维节点网格，所述照明系统在所述多维节点网格处向所述多维节点网格的相应节点提供操作电力或网络通信接入中的至少一种；和感测系统，其包括：位于所述多维节点网格的第一节点(x1,y1,z1)处或其附近的第一传感器，所述第一传感器联接到所述第一照明器材，以从所述第一照明器材接收操作电力或网络通信接入中的至少一种；和位于所述多维节点网格的第二节点(x2,y2,z2)处或其附近的第二传感器，所述第二传感器联接到所述第二照明器材，以从所述第二照明器材接收操作电力或网络通信接入中的至少一种，其中z1和z2不同。一方面，x1＝x2或y1＝y2，使得所述多维节点网格是二维节点阵列。另一方面，x1和x2不同，并且y1和y2不同，使得所述多维节点网格是的三维节点阵列。
应当理解，前述概念和下面更详细讨论的另外的概念的所有组合(假设此些概念并不相互矛盾)被认为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的所要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的发明主题的一部分。还应理解，本文明确采用的术语也可能出现在通过引用并入的任何公开中，其应被赋予与本文公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
本领域技术人员将理解，附图主要出于说明性目的，并非旨在限制本文描述的发明主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可以在附图中被夸大或放大示出，以促进对不同特征的理解。在附图中，类似的附图标记通常是指类似的特征(例如，功能上相似和/或结构上相似的元件)。
图1是使用一个或多个HPS灯的常规受控农业环境的图示。
图2是使用一个或多个常规的基于LED的照明器材的常规受控农业环境的图示。
图3是根据本公开的一些实施方案的受控农业环境的图示，其中一个或多个流体冷却的基于LED的照明器材被改造到预先存在的环境中。
图4是根据本公开的一些实施方案的受控农业环境的图示，其中一个或多个流体冷却的基于LED的照明器材联接到流体循环系统。
图5是根据本公开的一些实施方案的照明器材的框图。
图6A是根据本公开的一些实施方案的详细示出了照明器材的示例性LED模块的前半部分的电路图。
图6B是详细示出了图6B的示例性LED模块的后半部分的电路图。
图7A示出了根据本公开的一些实施方案的照明器材的底部前透视图。
图7B示出了图7A的照明器材的前视图、底视图、左侧视图和右侧视图。
图7C示出了沿平面A-A的图7B的照明器材的截面视图。
图8A示出了根据本公开的一些实施方案的联接到第二照明器材和支撑结构的第一照明器材的顶部透视图。
图8B示出了根据本公开的一些实施方案的受控农业环境的透视图，其示出了联接在一起形成连续的电和冷却剂回路的多行流体冷却的基于LED的照明器材。
图8C示出了电力电缆和引入三通电缆的示例性组合件。
图8D示出了图8C的引入三通电缆的透视图。
图8E示出了图8C的引入三通电缆的前视图。
图8F示出了图8C的引入三通电缆的底视图。
图8G示出了图8C的引入三通电缆的左侧视图。
图8H示出了图8C的引入三通电缆的接线图。
图8I示出了图8C的电力电缆的透视图。
图8J示出了图8C的电力电缆的顶视图。
图8K示出了图8C的电力电缆的右侧视图。
图8L示出了图8C的电力电缆的左侧视图。
图8M示出了图8C的电力电缆的接线图。
图8N示出了示例性防水以太网电缆的透视图。
图8O示出了图8N的防水以太网电缆的顶视图。
图8P示出了图8N的防水以太网电缆的一部分的放大前视图。
图8Q示出了电力电缆和引入三通电缆的几种示例性设计。
图8R示出了联接到图7A-7C的照明器材的防水以太网电缆和电力电缆的示例性组合件。
图9A示出了根据本公开的一些实施方案的示例性流体循环系统，其包含流体储存罐和多个管道子系统(例如，照明环路、加热环路和冷却环路)。
图9B示出了根据本公开的一些实施方案的示例性流体循环系统的一部分，其联接到照明器材和种植区域。
图9C示出了根据本公开的一些实施方案的受控农业环境，其中一个或多个流体冷却的基于LED的照明器材设置在垂直堆叠的多层种植区域中并且联接到流体循环系统。
图10A示出了根据本公开的一些实施方案的受控农业环境的侧视图，其具有多个流体冷却的基于LED的照明器材和多个传感器以促进环境条件的监测。
图10B示出了具有单个照明器材的示例性照明系统的侧视图。
图10C示出了图10B的照明系统的顶视图。
图10D示出了具有两个联接的照明器材的示例性照明系统的侧视图。
图10E示出了图10D的照明系统的顶视图。
图10F示出了具有三个联接的照明器材的示例性照明系统的侧视图。
图10G示出了图10F的照明系统的顶视图。
图11A是根据本公开的一些实施方案的详细示出了处理器的各个电子组件(包含控制板、网络板和单板计算机)的框图。
图11B是提供图11A的控制板的另外的细节的框图。
图11C是提供图11A的网络板的另外的细节的框图。
图12A是根据本公开的一些实施方案的详细示出了网络板的各个电子组件的电路图。
图12B是图12A的以太网交换机的放大视图。
图12C是图12A的PoE端口的放大视图。
图12D是图12A的PoE控制器的电路图。
图13是根据本公开的一些实施方案的单板计算机的电路图。
图14A是根据本公开的一些实施方案的详细示出了控制板的各个电气组件的电路图。
图14B是详细示出了图14A的控制板的偏置和控制电源的电路图。
图14C是详细示出了图14A的控制板的DC-DC转换器的电路图。
图14D是详细示出了图14A的控制板的AC线路传感器的电路图。
图14E是详细示出了图14A的控制板的DSP的电路图。
图14F是详细示出了图14A的控制板的温度传感器电路系统的电路图。
图14G是详细示出了图14A的控制板的升压电路的电路图。
图14H是进一步详细示出了图14G的升压电路的电路图。
图15A是根据本公开的一些实施方案的合同执行方法的流程图。
图15B是根据本公开的一些实施方案的更新租赁照明系统中的许可证的方法的流程图。
图16A是根据本公开的一些实施方案的集成传感器组合件的顶部透视图。
图16B是根据本公开的一些实施方案的图16A中示出的集成传感器组合件的底部透视图。
图16C是根据本公开的一些实施方案的图16A中示出的集成传感器组合件的分解侧视图。
图16D是根据本公开的一些实施方案的图16A中示出的集成传感器组合件的分解顶部透视图。
图16E是根据本公开的一些实施方案的图16A中示出的集成传感器组合件的顶视图。
图16F是根据本公开的一些实施方案的图16A中示出的集成传感器组合件的侧视图，其详细示出了各个传感器的视场。
图17A示出了根据本发明的一些实施例的并入集成传感器组合件中的各个传感器的电路图。
图17B示出了根据本公开的一些实施方案的支持并入集成传感器组合件中的各个传感器的操作的电气组件和电路系统的电路图。
图18示出了根据本公开的一些实施方案的集成传感器组合件，其经由一个或多个USB联接器/扩展器联接到图7A和7B中示出的照明器材的向下或底部USB端口。
图19示出了根据本公开的一些实施方案的集成传感器组合件，其经由一个或多个USB联接器/扩展器联接到图7A和7B中示出的照明器材的侧面或端部USB端口。
图20A示出了根据本公开的一些实施方案的示例性分布式传感器系统。
图20B示出了根据本公开的一些实施方案的具有两个植物架子的分布式传感器系统中的示例性节点阵列的几个视图。
图20C示出了示例性分布式传感器系统的侧视图，所述分布式传感器系统沿垂直轴线细分为与农业环境相对应的层。
图20D示出了根据本公开的一些实施方案的具有一个架子的分布式传感器系统中的另一个示例性节点阵列的几个视图。
图20E示出了根据本公开的一些实施方案的具有多个植物架子的分布式传感器系统中的另一个示例性节点阵列的几个视图。
图21A示出了根据本公开的一些实施方案的显示在计算机的监视器上的示例性人机界面(HMI)。
图21B示出了如图21A的HMI中显示的植物架子的顶视图。
图21C示出了如在HMI中显示的图21B的植物架子的侧视图。
图21D示出了如在图21A的HMI中显示的两个示例性植物架子的顶视图。
图21E示出了如图21A的HMI中显示的图21D的植物架子的侧视图。
图21F示出了如图21A的HMI中显示的另一个示例性植物架子的顶视图。
图21G示出了图21F的植物架子的侧视图，其中节点被细分为与农业环境的不同区域相对应的层。
图21H示出了如图21A的HMI中显示的由集成传感器组合件随时间记录的各种感觉数据的图表。
图21I示出了如图21A的HMI中显示的随时间变化的各种感觉数据的另一个图表和时序图表。
图21J示出了如图21A的HMI中显示的随时间变化的各种感觉数据的另一个图表，时序图表以及感觉数据的3D图。
图21K示出了如图21A的HMI中显示的农业环境的示例性图像或视频帧。
图22A示出了根据本公开的一些实施方案的农业环境中的模拟空气流动分布的顶视图。
图22B示出了图22A的空气流动分布的侧视图。
图22C示出了图22A的空气流动分布的透视图。
具体实施方式
以下是与用于受控农业环境中的照明和分布式感测的方法、设备和系统有关的各种概念以及其实施方案的更详细描述。应当理解，可以以多种方式来实施上面介绍和下面将更详细讨论的各种概念。主要出于说明性目的提供具体实施方案和应用的实例，从而使本领域技术人员能够实践对本领域技术人员显而易见的实施方案和替代方案。
以下描述的附图和示例性实施方案并不旨在将本发明实施方案的范围限制为单个实施例。通过互换所描述或示出的一些或全部元件，其它实施方案也是可能的。此外，当可以使用已知组件来部分或完全实施所公开的示例性实施方案的某些元件时，在一些情况下，仅描述了对于理解本发明实施方案必要的此些已知组件的那些部分，并且省略了对此些已知组件的其它部分的详细描述，以免混淆本发明实施方案。
受控环境农业(CEA)是在受控环境中种植植物的过程，其中对各个环境参数(例如，照明、温度、湿度、营养水平和二氧化碳(CO2)浓度)进行监测并调整以提高植物的质量和产量。与常规植物栽培方法相比，CEA可以实现植物的全年生产，对变化的天气条件不敏感，减少病虫害并且减少每个植物消耗的资源量。另外，CEA可以支持各种类型的种植系统，包含但不限于基于土壤的系统和水培系统。
对于利用CEA的环境，传感器应当优选地在整个环境中部署以监测与环境内含有的不同植物物种的生长有关的各个环境参数。可以部署各种类型的传感器来监测各个环境参数，包含但不限于空气温度、叶片温度、空气流动、相对湿度、照明条件(例如，光谱强度、辐射强度，例如光合通量密度)、CO2浓度、土壤中的pH水平和空气污染。这些环境参数还可以根据环境内的位置而有所不同。例如，照明器材上方的空气流动速率可以与植物正上方的空气流动速率大不相同。
由传感器记录的数据可以用于提供有关植物发育的各个方面的见解，包含但不限于植物健康、产率和预计收获日期。数据还可以用于向环境中部署的各个控制系统提供反馈，以便调整上述环境参数。这些控制系统可以包含但不限于照明系统、加热/冷却系统(例如，流体循环、空气调节)、空气流动系统和湿度调节系统。
然而，CEA系统中的常规传感器通常被与设置在环境中的其它传感器以及它们可能联接到的控制系统无关地设计和部署。例如，即使传感器监测环境的同一区域，也可能必须分别安装不同类型的传感器。在一些情况下，可以安装单独的平台或支撑结构(例如，框架、椽子)，以使传感器能够监测环境的以其它方式不可及的区域(例如，植物正上方)。在另一个实例中，可以使用专有的连接机构(例如，不同类型的电缆)将部署在环境中的每种类型的传感器连接到电源和/或控制系统(例如，计算机)。在可能部署大量传感器的环境中，与将每个传感器分别连接到电源/控制系统有关的实际限制可能会阻碍传感器集成到CEA系统中。在又一个实例中，每个传感器可以使用单独的系统(例如，计算机上的不同接口、不同的通信信道)通信地联接到控制系统，这进一步增加了利用多个传感器来监测和控制环境的难度。
为了克服这些挑战，常规的CEA系统和其它农业应用已经依赖于在无线传感器网络(WSN)系统或物联网(IoT)系统中使用的无线传感器。WSN和IoT系统已经实现了传感器在大型农业空间的部署。然而，传感器通常由电池供电，而电池应在现场定期更换或充电。对于包括成百上千个传感器的CEA系统，并不希望增加电池成本和劳动时间。另外，环境中的障碍物可能会阻碍无线通信。例如，被部署用于监测土壤条件的传感器可能会被植物叶片遮挡。
因此，本公开涉及受控农业环境的分布式传感器网格、这种分布式传感器网格的相应组件以及组装和使用分布式传感器网格的方法的各个实施方案。一方面，部署在分布式感测系统中的传感器可以是有线的(与无线相反)，以便提供持久的电力源。为了克服将每个传感器连接到公共电源和/或网络节点以进行通信的挑战，可以将设置在环境中的多个照明器材配置成向每个传感器供应电力和/或通信。因此，可以彼此电联接和通信地联接的一个或多个照明器材可以用作支撑分布式感测系统中的传感器的平台。每个传感器可以联接到照明器材，而不必必须路由至公共电源或通信节点，从而简化了安装和集成。
通过利用照明器材来支持各个传感器的操作，分布式感测系统自然地覆盖了与植物生长有关的环境区域(即，照明器材被部署在植物所位于的区域)。另一方面，在分布式感测系统中使用的传感器因此可以被部署在照明器材所位于的环境中的位置处。
分布式传感器网格可以包含一个或多个节点阵列，所述节点阵列将农业环境划分为节点，例如具有环境中的已知位置的空间中的离散点。每个节点可以包含一个或多个传感器，以监测所述节点附近的环境条件。可以根据与植物系统的各个部分相对应的层进一步区分节点。节点阵列中的节点还可以共享电力和网络连接，以简化分布式传感器网格中的各个传感器模态的集成，并提高存储、访问和处理来自所述传感器模态的数据时的易用性。处理器也可以联接到分布式传感器网格，以促进经由人机界面的用户交互。
分布式传感器网格的示例性实施方案部分地基于与流体冷却的基于LED的照明器材和在受控农业环境中部署的集成传感器组合件有关的概念。因此，以下在第一实例中描述了流体冷却的基于LED的照明器材和集成传感器组合件的示例性实施方案，以为本公开中描述的分布式传感器网格的发明实施方案提供说明性上下文。
CEA的示例性照明器材和照明系统
受控农业环境通常至少部分地被建筑结构(例如，温室、种植屋或一部分被覆盖的田地)封闭，以便提供对环境条件的某种程度的控制。在这种受控农业环境中通常使用一个或多个人造照明系统来补充和/或代替可能由建筑结构阻挡或在一年中的某些时期(例如，冬季)不足的自然阳光。人造照明系统的使用还可以提供又一个控制措施，其中可以定制照明系统的强度和光谱特性以提高植物的光合速率。可以使用各种类型的人造照明系统，包含但不限于高强度放电灯、发光二极管(LED)和荧光灯。
然而，人工照明系统会生成热量，当热量散发到环境中时，这可能会显著增加受控农业环境的冷却负荷。为了适应较高的冷却负荷并因此将受控农业环境保持在期望的温度范围内，可能需要增加冷却系统的冷却容量，从而导致更大的能量消耗。对于可变能量预算下的受控农业环境，更大的能量消耗可能导致更高的能量成本。可替代地，对于固定能量预算下的受控环境，冷却系统可能会消耗大部分能量预算，从而降低了可用于支持更大的农作物尺寸和产量的能量和容量。
为了说明由人工照明系统生成的多余热量可能对能量消耗的影响，图1示出了常规受控农业环境，其具有辐照多个植物900的一个或多个高压钠(HPS)灯10(一种特定类型的高强度放电灯)。图1中示出的示例性受控农业环境进一步包含用于管理环境的相对湿度的除湿器65和空调85，所述空调85可以包含风机盘管、压缩机和冷凝器。空调85的能量消耗通常取决于(1)环境的总冷却负荷和(2)空调85的能量效率比(EER)。空调的EER被定义为在给定操作点处的冷却容量(以瓦为单位)与输入功率(以瓦为单位)之比。EER在外部温度为35℃(95℉)、内部(回风)温度为26.7℃(80℉)以及相对湿度为50％下计算。越高的EER指示空调85越有效。
如图1中所示，HPS灯10可以通过以下方式来增加环境的冷却负荷：(1)将热量对流地和/或辐射地直接散发到环境中；和(2)增加环境的相对湿度，并且从而增加功率输入和由除湿器65生成的结果热量。在本示例性受控农业环境中的冷却负荷为约1315W。对于EER为3到7的情况，空调的输入功率因此分别在450到190W的范围内。基于1009W的HPS灯10的输入功率和265W的除湿器65的输入功率，空调85因此消耗了总能量预算的约13％和26％，分别对应于7和3的EER。
所生成的热量可能会取决于所使用的照明系统的类型而有所不同。然而，受控农业环境的人造照明系统通常具有大功率输入(例如，大于1000W)，以便维持足够水平的光合有效辐射(PAR)。因此，由各种类型的照明系统生成的热量仍可能构成环境内产生的大部分热量。在另一个实例中，图2示出了常规受控农业环境，其中一个或多个常规的基于LED的照明器材12A和12B辐照多个植物900。在本示例性受控农业环境中，基于LED的照明器材12A和12B主要经由对流散发了热量，这可能会减少功率输入和由除湿器65生成的热量。在本实例中，总冷却负荷为约1210W。对于EER比为3到7的情况，空调85的输入功率在405W到175W的范围内。与第一实例相比，基于LED的照明器材12A和12B的使用降低了受控农业环境的总能量预算。然而，对于EER比为7和3的情况，空调85使用的能量比例仍然与第一实例相似，分别为约13％和25％。如两个示例性受控农业环境中所示，人造照明系统可能会生成大量的热量，这可能导致空气调节系统在受控农业环境中消耗总能量预算的很大一部分。
流体冷却的基于LED的照明器材可能会为受控农业环境提供诸多益处。作为一个实例，图3示出了受控农业环境2000A的一个示例性实施方案，其中照明器材1000被改造到包含除湿器65和空调85的预先存在的环境中。尽管未在图3中明确示出，但是环境可以至少部分地由用于容纳多个植物900、一个或多个照明器材1000和其它设备的建筑结构构成。照明器材1000由通过冷却剂回路570循环的流体冷却剂800冷却。由流体冷却剂800载运的热量由位于受控农业环境2000A外部的冷却塔557去除。冷却剂回路570可以包含一个或多个泵、调节器和/或阀555，以控制冷却剂回路570中的流体冷却剂800的流动。
如图3中所示，一个或多个泵、调节器和/或阀555可以产生流体冷却剂800的流，其在进入照明器材1000时表现出相对较冷的温度TC并且在离开照明器材1000时表现出相对较热的温度TH。流体冷却剂800的温度升高部分是由于流体通过照明器材1000时由于从照明器材1000内的一个或多个LED模块生成的热量导致的流体对流加热所致。因此，流体冷却剂800可以用于捕捉和输送由照明器材1000生成的热量，这可以显著减少环境的冷却负荷以及空调85和/或除湿器65的功率输入。如图3中所示，示例性受控农业环境2000A的冷却负荷为约635W，大约为图1和2中示出的示例性受控农业环境中的冷却负荷的50％。对于EER在3到7的范围内的情况，空调的输入功率因此分别在210W到90W的范围内。基于1009W的照明器材1000的输入功率和160W的除湿器65的输入功率，空调85因此消耗了总能量预算的约7％和15％，分别对应于7和3的EER。
尽管在图3中示出了冷却塔557以促进对离开照明器材1000的所加热的流体冷却剂的蒸发冷却，但是应当理解，可以在冷却剂回路570中采用各种类型的排热装置以从流体冷却剂800去除热量。排热装置的一些实例包含但不限于各种类型的蒸发冷却器、“自然”冷却器、深冷器、干式冷却器、空气源冷却器、地源热交换器、水源热交换器或任何前述的组合。
在另一个实例中，图4示出了示例性受控农业环境2000B，其中照明器材1000联接到冷却剂回路570，所述冷却剂回路570将流体冷却剂800引导到具有多个管道子系统700A和700B的流体循环系统501，所述多个管道子系统700A和700B通过利用由照明器材1000生成的废热作为热源来调节和/或保持受控农业环境2000B的各个部分的温度和/或受控农业环境2000B附近的空间(例如，热水池、种植区域)的温度。冷却剂回路570可以从照明器材1000和其它环境源(例如，除湿器65、周围空气)接收热量，使得可以显著去除在环境中生成的多余热量，从而进一步提高了能量节省，以操作受控农业环境2000B。在一些实施方案中，可以充分减少冷却负荷，从而消除对任何空气调节系统的需要(即，没有空调风机盘管、压缩机或冷凝器)。
如图4中所示，受控农业环境2000B可以包含除湿器65以调节环境的相对湿度。冷却剂回路570可以将由照明器材1000加热的流体冷却剂800引导到除湿器65中，以与从照明器材1000去除热量相似的对流方式进一步去除由除湿器65生成的热量。然后，冷却剂回路570可以将流体冷却剂800引导到流体循环系统700A和700B，所述流体循环系统700A和700B可以分别用于加热多个植物900和热水池。冷却剂回路570可以在通过冷却塔557散发剩余热量之前，通过一个或多个阀502以受控方式分配和引导所加热的流体冷却剂800。
在一些实施方案中，流体循环系统501还可以用于调节周围环境本身的温度。例如，当流体冷却剂800流动通过流体循环系统501时，流体循环系统501可以用于对流地和/或辐射地加热受控农业环境2000B。此外，尽管图4示出了通过除湿器65的冷却剂回路570，但是应当理解，在其它实施方案中，冷却剂回路570不需要包含除湿器65，例如冷却剂不必流动通过加湿器65。
在图5中示出了流体冷却的基于LED的照明器材1000的一个示例性实施方案。照明器材1000可以包含框架1004，以机械地支撑并容纳照明器材1000的各个组件。轻脊1002可以并入框架1004的一个或多个侧面上，其具有将照明器材1000机械地联接并固定到设置在受控农业环境内的支撑结构的特征。一个或多个冷却剂管1006可以联接到框架1004，其中每个冷却剂管1006可以用于使流体冷却剂800流动以冷却照明器材1000。一个或多个LED模块400可以设置在框架1004上以向多个植物发射PAR。处理器90可以联接到框架1004以促进照明器材1000的操作，包含但不限于功率转换、网络连接和数据处理。一个或多个电力端口1010可以设置在框架1004上，以向照明器材1000的各个组件提供电力，包含但不限于LED模块400、处理器90和可以联接到照明器材1000的其它传感器。一个或多个通信端口1009可以设置在框架1004上，以促进电通信和数据传输。
框架1004可以是形成基本封闭的外壳的机械刚性中空结构。框架1004的内部腔的尺寸可以被设置成容纳照明器材1000中的多个组件，例如处理器90中的各个电子器件。框架1004可以在内部腔内包含一个或多个安装特征，以将多个组件牢固地联接到框架1004。例如，框架1004可以包含一个或多个狭槽，所述狭槽设置在框架1004的内部腔内并且被布置成机械地支撑印刷电路板的至少两个相对边缘。其它安装特征可以包含但不限于安装柱和安装桩。
框架1004中可以包含一个或多个可移动面板，以提供进入内部空间的通道。可以使用各种类型的联接机构来将一个或多个可移动面板联接到框架1004的一部分，所述联接机构包含但不限于螺钉紧固件、螺栓紧固件、夹子和夹具。在一些实施方案中，框架1004可形成足够气密的围罩或腔以保护可能对受控农业环境的环境条件敏感的组件(例如，电子器件)。例如，受控农业环境可能在可以导致水分冷凝在照明器材1000的各个表面上的相对湿度下操作，从而导致对组件(包含所暴露的电子器件)的损坏。在框架1004是气密围罩的情况下，可以基本限制水分渗入框架1004的内部空间，以降低冷凝水形成在设置在框架1004内的组件上的可能性。
框架1004还可以包含沿框架1004的至少一个侧面(例如，底侧)设置的凹入部分，所述凹入部分具有至少部分地围绕一个或多个LED模块400的侧壁。凹入部分可以用于沿优选方向和角度分布引导由一个或多个LED模块400发射的光。例如，凹入部分可以用于显著照亮含有位于框架1004下方的一个或多个植物的种植区域。在一些实施方案中，形成凹入部分的侧壁的内表面的表面质量和定向可以形成集成反射器以反射由一个或多个LED模块400发射的光。例如，侧壁的内表面可以被抛光以以基本镜面的方式反射光并且被定向成使得光朝着优选方向(例如，种植区域)反射。
框架1004还可以包含沿框架1004的一个或多个侧面形成的一个或多个通道，其中每个通道可以用于将相对应的冷却剂管1006固定到框架1004。通道的截面形状可以与冷却剂管1006的截面形状基本相似，以促进将冷却剂管1006插入通道中。可以使用几种方法来将冷却剂管1006固定到框架1004的通道。例如，通道的截面尺寸可以等于或小于冷却剂管1006的截面尺寸，以促进冷却剂管1006经由摩擦固定到通道的压配合。在其它实例中，可以使用一个或多个夹具来将冷却剂管1006夹紧到框架1004，所述夹具可以包含但不限于束线带和具有蜗杆传动紧固件的夹具。夹具可以是可移动的，以允许更换冷却剂管1006。一个或多个通道的表面也可以被抛光以改善与冷却剂管1006的热接触，从而使更多的热量散发到流体冷却剂800中。在其它实例中，冷却剂管1006可以使用各种方法(包含但不限于粘合剂结合、焊接和钎焊)粘附或结合到框架1004。热界面材料也可以设置在通道和冷却剂管之间以改善热接触。
框架1004还可以至少部分地导热以将热量从一个或多个LED模块400传递到冷却剂管1006。特别地，设置在LED模块400和冷却剂管1006之间的框架1004的第一部分可以由导热材料形成，其尺寸可(1)减小LED模块400和冷却剂管1006之间的距离，并且(2)增加LED模块400和冷却剂管1006之间的侧向截面积。以这种方式，可以减小LED模块400和冷却剂管1006之间的热阻。在一些实施方案中，框架1004可以完全由导热材料形成，以简化制造和组装。在一些实施方案中，框架1004的第一部分可以由导热材料形成，而框架1004的其余部分由另一种材料(例如，聚合物)形成，以便降低材料成本。
框架1004可以由各种金属、陶瓷、聚合物或复合材料(包含但不限于铜、铝、不锈钢、碳钢、聚乙烯、丙烯酸和瓷)形成。取决于用于形成框架1004的材料，可以利用各种制造方法，包含但不限于挤压、砂铸、铣削、注射成型和手动成型。对于框架1004由多个部分组装的情况，各种联接机构可以用于组装，包含但不限于卡扣配合、螺钉紧固件、螺栓紧固件、粘合剂、钎焊和焊接。
轻脊1002可以用于在受控农业环境中将照明器材1000固定到支撑结构。支撑结构可以是各种类型的结构，包含但不限于栏杆、悬挂平台、天花板和墙壁。轻脊1002可以是形成到框架1004上的突出鳍片，其包含一个或多个不同尺寸的孔，以容纳用于将照明器材1000固定到支撑结构的不同尺寸和类型的联接机构。联接机构可以包含但不限于螺栓紧固件、螺钉紧固件、钩和钩环。轻脊1002的尺寸可以被设置成跨过框架1004的长度，从而沿框架1004提供多个位置，以将照明器材1000以稳定的方式联接到支撑结构。例如，轻脊1002可以以跨过框架1004的长度的长度设置在框架1004的顶侧上。轻脊1002可以包含多个孔，其中每个孔的中心轴线平行于框架1004的顶侧。多个螺栓紧固件可以安装在轻脊1002的每个端部和中心，以将照明器材1000固定到支撑结构的侧壁。多个轻脊1002也可以沿框架1004的长度或在框架1004的多个侧面上分布，以允许照明器材1000联接到不同的支撑结构。
如上所述，冷却剂管1006可以用于使流体冷却剂800流动以捕捉由LED模块400生成的热量。冷却剂管1006的尺寸可以被设置成具有比框架1004更长的长度，使得冷却剂管1006的一部分可以延伸超过框架1004的侧面，以促进将冷却剂管1006从冷却剂回路、流体循环系统或另一个照明器材1000联接到管。各种类型的联接机构可以用于将冷却剂管1006联接到另一个管，包含但不限于螺纹配件，其中冷却剂管1006的端部具有相对应的螺纹；和螺栓紧固件，其中冷却剂管1006的端部具有与另一个管上的相对应法兰配合的法兰。在一个优选实施方案中，推动连接管道配件可以用作联接机构，其中冷却剂管1006的端部裸露。以这种方式，不需要使用内部密封件和O形环。
多个冷却剂管1006可以并入框架1004中，其中每个冷却剂管1006可以用于使流体冷却剂800沿相同或相反方向流动。例如，照明器材1000可以包含设置在框架1004的相对侧面上的两个冷却剂管1006。对于支撑多个LED模块400的照明器材1000，相反的流配置(例如，流体冷却剂800在两个冷却剂管1006之间以相反方向流动)可以更均匀地从多个LED模块400去除热量。相比之下，相同的流配置将导致从最靠近流体冷却剂800输入的LED模块400去除更多的热量，而从最远离流体冷却剂800输入的LED模块400去除更少的热量。另外，相反的流配置可以更容易地促进闭合冷却剂回路的实施。例如，两个冷却剂管1006可以通过管道配件在一端连接，使得进入照明器材1000的流体冷却剂800先流动通过第一冷却剂管1006，然后顺序地通过第二冷却剂管1006，再在相同的侧面上离开照明器材1000。
冷却剂管1006可以由各种材料(包含铜、铝和不锈钢)形成。在一个优选实施方案中，冷却剂管1006可以由铜形成，以减少藻类生长、结垢和腐蚀。因此，通过使用上述推动连接管道配件来联接铜冷却剂管1006，流体冷却剂800可以通过仅由铜构成的冷却剂回路，而不会接触照明器材中的其它材料(例如，铝框架1004)。
冷却剂管1006的截面尺寸可以取决于多种因素而有所不同，所述因素包含但不限于期望的流动速率、流体冷却剂特性(例如，动态粘度、密度)和期望的流动类型。例如，可能期望流体冷却剂处于湍流状态，这产生更高的热传递系数，从而从照明器材1000散发更多的热量。在一些实施方案中，可以选择冷却剂管1006的截面尺寸，使得对于给定的泵功率和冷却剂回路几何形状，特定的雷诺数Re大于所需阈值(例如，对于湍流而言，Re>4000)。冷却剂管1006的内表面也可以被粗糙化以增加表面积和对流热传递系数。可以选择内表面粗糙度的有效深度和间距，从而基本不增加泵送要求(例如，由于较大的压降)，并保持内表面对流体冷却剂800的润湿性(例如，保持亲水性、亲油性)。
可以基于几种因素来选择用于捕捉和载运来自照明器材1000的热量的流体冷却剂800。第一，优选的是，流体冷却剂800表现出高导热率和高比热，以便增加从LED模块400到流体冷却剂800的热量散发。第二，流体冷却剂800在受控农业环境的操作温度和压力范围内应保持液相。例如，流体冷却剂800在通过照明器材1000、冷却剂回路、流体循环系统或冷却塔时不应冻结或沸腾。第三，还应选择流体冷却剂800，以使其基本不腐蚀冷却剂管1006。对于受控农业环境，流体冷却剂800可以是各种流体，包含但不限于水、矿物油、乙二醇和混合物。
照明器材1000还可以包含一个或多个通信和/或辅助电力端口，例如以向联接到一个或多个端口的一个或多个辅助装置提供辅助DC电力，和/或促进照明器材和一个或多个辅助装置之间的通信。这种端口的实例包含但不限于一个或多个以太网供电(PoE)端口和/或一个或多个通用串行总线(USB)端口。
例如，照明器材1000可以包含至少一个电力端口1010，以向照明器材1000中的各个组件(例如，LED模块400)和/或电联接到照明器材1000的各个组件(例如，其它照明器材1000或辅助传感器)供应电力。电力端口1010可以接收交流(AC)电力(例如，来自建筑电力供应系统)作为输入，其可以经由处理器90转换为直流(DC)电力。处理器90可以包含电子器件以促进DC和AC电力之间的转换，如下面将更详细地讨论。
一个或多个通信端口1009也可以在照明器材1000中使用，以促进到和来自照明器材1000的数据传输。例如，通信端口1009可以用于远程地控制照明器材1000的各个方面，包含但不限于对电力的调整(例如，高电压和低电压模式)，对发光的光谱含量的调整(例如，将更多电力引导到蓝色或红色LED元件)和操作辅助传感器装置的命令(例如，数据记录的频率)。在另一个实例中，通信端口1009可以用于向远程用户发送各种状态和监测数据，包含但不限于电力消耗、温度和由辅助传感器装置测量的数据。由通信端口1009接收和传输的数据可以部分地由处理器90管理，如将在下面更详细地讨论。
通信端口1009可以容纳各种类型的电缆，包含但不限于通用串行总线(USB)电缆和以太网供电(PoE)电缆。在一些实施方案中，可以使用多个通信端口1009(包含USB和PoE端口)来实现更大的灵活性和与更多类型的电缆和辅助装置的兼容性。一个或多个通信端口1009可以设置在框架1004的一个或多个侧面上。例如，一组通信端口1009可以设置在框架1004的相对侧面上(例如，左侧和右侧，或前侧和后侧)，以促进菊花链配置中的多个照明器材1000之间的连接。通信端口1009也可以设置在可能部署了辅助传感器的框架1004上。例如，通信端口1009可以设置在框架1004的底侧上，以提供到辅助传感器的电连接，所述辅助传感器用于监测位于照明器材1000下方的植物附近的周围条件。在一些实施方案中，通信端口1009还可以供应DC电力。例如，照明器材1000可以包含USB端口，其可以为辅助传感器装置供电并通过相同的通信端口1009接收由辅助传感器装置测量的数据。
LED模块400可以包含被布置成阵列的一个或多个LED元件。LED模块400的一个或多个LED元件可以各自发射特定波长的光，使得LED模块400组合地用多个波长的光辐照植物，所述多个波长被定制以改善与植物生长和受控农业环境的操作有关的各个方面，包含但不限于提高植物的光合速率、生长改良和紫外线(UV)灭菌。可以将一个或多个LED元件组装到印刷电路板的前侧。在图6A和6B中示出了根据一个发明实施方案的LED模块400的示例性电路布局，其示出了LED模块400A的相应半部400A1和400A2。如图所示，LED模块400A可以包含跨印刷电路板分布的多个LED元件。
印刷电路板可以是金属芯印刷电路板(MCPCB)，以促进由一个或多个LED元件生成的热量散发。LED模块400可以联接到框架1004，使得印刷电路板的后侧与如上所述的位于凹入部分中的框架1004的底侧接触。LED模块400可以使用各种联接机构(包含但不限于螺钉紧固件、螺栓紧固件、夹子和夹具)联接到框架1004。可以调整联接机构，使得将夹紧力施加到LED模块400，从而改善LED模块400和框架1004之间的热接触。另外，热界面材料也可以放置在LED模块400和框架1004之间以改善热接触。
在一些实施方案中，照明器材1000还可以包含位于框架1004的凹入部分上的光学器件，其覆盖LED模块400。光学器件可以用于修改由LED模块400发射的光的方向和角度分布。例如，光学器件的一部分可以具有凸面，以将从LED模块400发射的光聚焦到位于照明器材1000正下方的植物上。光学器件可以使用各种联接机构(包含但不限于螺钉紧固件、螺栓紧固件、夹子和夹具)联接到框架1004。在一些实施方案中，光学器件可以在LED模块400周围形成基本气密的围罩，从而在受控农业环境中将LED模块400与周围环境基本隔离。与可以由框架1004形成的气密围罩类似，光学器件可以减少水分渗入，从而降低损坏LED模块400的冷凝风险。
在图7A-7C中示出了根据一个发明实施方案的示例性照明器材1000。图7A示出了照明器材1000的底部透视图，并且图7B示出了照明器材1000的前视图、底视图、左侧视图和右侧视图。如图所示，照明器材1000包含尺寸被设置成支撑三个LED模块400A、400B和400C的框架1004，所述三个LED模块400A、400B和400C被定位成一行并且设置在框架1004的底侧上。可以在框架1004的顶部上形成基本跨过框架1004的整个长度的轻脊1002。轻脊1002可以包含多个不同尺寸的孔，以促进在受控农业环境中将照明器材1000联接到支撑结构。框架1004的左侧和右侧面板可以通过多个螺钉紧固件固定，并且因此可以被去除以允许进入框架1004的内部腔。框架1004的左侧面板可以包含两个通信端口1009，例如USB端口1012A和PoE端口1008C。框架1004的右侧面板还可以包含两个通信端口1009，例如两个PoE端口1008A和1008B，以及电力端口1010。两个通信端口，例如USB端口1012B和PoE端口1008D，可以设置在框架1004的底侧上，以促进与辅助传感器装置的连接，所述辅助传感器装置可以用于监测植物附近的环境条件。照明器材1000还包含沿框架1004的前侧和后侧设置的两个冷却剂管1006A和1006B。框架1004可以由铝挤压件形成以包含相对应的一对通道。可以由铜形成的冷却剂管1006A和1006B可以被压配合或挤配合到相对应的通道中。以这种方式，显著降低了流动通过冷却剂管1006A和1006B的流体冷却剂接触框架1004的可能性。
图7C示出了照明器材1000的截面视图，其中冷却剂管1006A和1006B被示出为被压配合到框架1004的通道中。热界面材料1007可以设置在通道和冷却剂管1006A和1006B之间以改善热接触。LED模块400A-400C基本设置在框架1004的底侧的凹入部分中并且紧邻冷却剂管1006A和1006B以促进热量散发。如图所示，由导热材料形成的框架1004的一小部分存在于冷却剂管1006A和1006B和LED模块400A-400C之间。图7C还示出了用于支撑各个控制电路系统板100、200和300(其在下文中被统称为处理器90)的安装特征1014。安装特征1014是沿框架1004的前侧和后侧设置的一对突出狭槽，其尺寸被设置成支撑处理器90的相对边缘。处理器90位于冷却剂管1006A和1006B和LED模块400A-400C的上方，以便减少由于由LED模块400A-400C生成的热量引起的热效应。还包含光学器件1020，其可以经由多个螺钉紧固件联接到框架1004。光学器件1020可以是具有凸面的透明透镜，其用于沿期望的方向和角度分布重新引导由LED模块400A-400C发射的光。光学器件1020还可以基本将LED模块400A-400C封闭并且使其与周围环境隔离。
如上所述，照明器材1000可以以菊花链配置联接到其它照明器材1000，其中电和管道连接被共享以促进连续电路和冷却剂回路的组装。对于冷却剂回路，菊花链配置可以是串联的，其中从一个照明器材1000离开的流体冷却剂800流动进入菊花链内的随后的照明器材1000。流体冷却剂800的温度可能由于从随后的照明器材1000的LED模块400生成的热量而进一步升高。应当理解，只要冷却剂流体800的温度小于照明器材1000中的LED模块400的温度，流体冷却剂800仍可以从照明器材1000捕捉热量。此外，在一些实施方案中，排热装置可以沿冷却剂回路散布以在流体冷却剂800通过多个照明器材1000时降低流体冷却剂800的温度并保持足够的热量散发。在图8A中示出了详细说明两个照明器材1000和1000-B可以以菊花链配置联接的方式的一个示例性实施方案。在一些实施方案中，如图8A中所示，可以使用通过轻脊1002中的孔放置并固定到支撑结构999的侧面的螺栓紧固件1027来将照明器材1000联接到支撑结构999。
照明器材1000的冷却剂管1006A和1006B可以使用一个或多个中间管从另一个照明器材1000-B联接到相对应的一组冷却剂管1006A-B和1006B-B。如图8A中所示，一对冷却剂管1006B和1006B-B(1006A和1006A-B)可以经由单个中间管1040B(1040A)连接。每个中间管1040B(1040A)可以具有设置在两端上的推动连接配件1025A(1025B)，以促进与冷却剂管1006B和1006B-B(1006A和1006A-B)的连接。中间管的形状可以取决于照明器材1000和1000-B之间的期望距离和定向而有所不同。例如，中间管的长度可以更长，以便将照明器材1000和照明器材1000-B进一步间隔开，以提供更大的面积覆盖或横贯分隔两个分开的种植区域的间隙。在另一个实例中，中间管可以弯曲，使得照明器材1000和1000-B相对于彼此以一定角度(例如，90度)定向，以适应可变形状的种植区域。在又一个实例中，中间管可以是基本U形的，以联接平行的两行照明器材1000，其中照明器材1000和1000-B是每个相应行中的最后的照明器材1000。以这种方式，对于多行照明器材1000，冷却剂回路可以是连续的。
可以通过单个电力电缆将电力供应给多个照明器材1000。在图8A中示出了联接到照明器材1000的示例性电力电缆1030。在一些实施方案中，电力电缆1030可以被规定成支持特定电力和电流输入。例如，电力电缆1030可以被规定成供应至少1000W的电功率和高达15A的电流。取决于照明器材1000的功率和电流要求，电力电缆1030可以用于为多个照明器材1000供电，从而减少了需要安装在受控农业环境中的电缆的量和电终端(例如，电插座)的数量。
照明器材1000也可以通信地联接到另一个照明器材1000，以促进向多个照明器材1000传输数据和控制信号。如图8A中所示，以太网电缆1060可以用于将照明器材1000的PoE端口1008A联接到照明器材1000-B的PoE端口1008C-B。照明器材1000和1000-B中的每一个可以包含处理器，以管理数据和/或控制信号的流。在一些实施方案中，照明器材1000可以用作背负式(piggyback)，以促进将数据和/或控制信号传递到沿菊花链较远定位的另一个照明器材1000。以这种方式，跨过大面积的多个照明器材1000可以通信地联接到较少数量的网络节点(例如，集线器、交换机、路由器)，并且无需使用过量的网络电缆。
在图8B中示出了受控农业环境2000中的照明器材1000的示例性布置。多个照明器材1000可以沿跨过由架子902A的尺寸限定的种植区域的行布置。所述行中的每个照明器材1000可以联接到设置在架子902A上方的支撑结构999A。如上所述，所述行中的照明器材1000可以以菊花链配置联接在一起。中间管道可以用于联接相邻的照明器材1000，使得流体冷却剂800可以以连续的方式从所述行的单个入口和出口循环通过多个照明器材1000。一个或多个电力电缆可以用于向照明器材1000供应电力。以太网电缆可以用于以串行方式将照明器材1000通信地联接并联接到公共网络节点。如图8B中所示，受控农业环境2000可以包含由布置在相对应行的架子902A-902E上方的支撑结构999A-999E支撑的多行照明器材1000。受控农业环境2000可以进一步包含风机75、除湿器65A和65B以及一个或多个空调的空气调节管道85A和85B。
如先前分别在图3和4中的示例性受控农业环境2000A和2000B中所示，照明器材1000可以并入到冷却剂回路570中以促进流体冷却剂800的流动，使得热量可以连续地从照明器材1000去除。在一些实施方案中，冷却剂回路570可被设计成基本仅从照明器材1000去除热量，并且不旨在与受控农业环境2000A的其它组件或区域热相互作用，如改造应用的图3中的冷却剂回路570中所示。然而，在一些实施方案中，冷却剂回路570可以包含另外的管道子系统，其被设计成将热量重新分配到受控农业环境附近或内部的空间(例如，流体循环应用的图4中示出的冷却剂回路570)和/或储存由照明器材1000捕捉的热量以供以后使用。
管道子系统可以从冷却剂回路570分支，使得流体冷却剂800的流动可以被可控地调整(例如，通过阀和单独的泵)，而不影响流体冷却剂800通过冷却剂回路570的流动，并且因此不影响从照明器材1000去除热量。然而，在一些情况下，管道子系统可以与冷却剂回路570串联放置，其中管道子系统也连续使用。与冷却剂回路570串联使用的管道子系统的一些示例性实例包含但不限于住宅空间中的热水系统的加热系统，将来自流体冷却剂800的热量储存在热能储存系统中，和通过将来自流体冷却剂800的热量转换为电(例如，使用热电装置)来对电池充电。
在一些示例性实施方案(特别是与电力电缆代码合规性有关)中，照明器材1000可以被视为工业园艺灯和“工业机器”的组件(而不是一般的照明器材)。为了本公开的目的，“工业机器”是在工作时不能用手携载的电力驱动的机器，其用于通过切割；成形；压力；电、热或光学技术；层压；或这些工艺的组合来加工材料。包含一个或多个逻辑控制器和相关联的软件或逻辑以及机器执行器和传感器的相关联的电气设备被视为工业机器的一部分(前述定义与美国国家消防协会(NFPA)79工业机械电气标准的第3章中第3.3.54节提供的定义一致)。因此，照明器材1000可以配备工业型连接器和工业电缆系统并与其一起使用。
例如，工业电力电缆和连接器可以用于包括多个照明器材1000的照明系统中，其中工业电缆和连接器是根据保险商实验室
Figure BDA0002870353470000321
产品类别PVVA并符合
Figure BDA0002870353470000322
标准2237的用于工业机械的多点互连电力电缆组合件。根据
Figure BDA0002870353470000323
PVVA，多点互连电力电缆组合件旨在用于工业环境中，以向工业机械的分支电路(包含电机分支电路)分配电力。所述组合件可以由与根据ANSI/NFPA79工业机械电气标准的工业机械一起使用的电力电缆组合件、公和母电力电缆配件、面板安装电力电缆/导体配件和馈线抽头电力电缆配件组成。
PVVA UL产品规范UL 2237声明，除非另有说明，否则本标准下覆盖的装置仅旨在用于室内使用。本标准下覆盖的装置被规定成1,000V或更低。每个装置被规定成以伏特和安培为单位。电气规定值标示在每个装置上或粘贴到每个单独的电力电缆组合件上的旗唛上。电缆组合件配件旨在用于在柔性线上组装或成型。电力电缆组合件和配套配件不旨在用作建筑或结构的固定接线的替代物。电力电缆组合件和配套配件可以使用馈线抽头或公/母电缆配件连接到建筑或结构的固定接线。本标准下覆盖的电力电缆组合件和配件不旨在在负载条件下产生或中断电流。已经对这些电力电缆组合件和配件的标示短路电流规定值进行了研究。电力电缆组合件和配件可以指定最大安培规定值、过电流保护装置的类型或两者。除非另有标示，否则电力电缆组合件和配件旨在由过电流保护装置供应，所述过电流保护装置的最大安培规定值由国家消防协会工业机械电气标准NFPA 79，表7.2.10.4，电力电路的短路保护装置的导体尺寸和最大规定值或设置值之间的关系表提供，所述表转载如下：
表7.2.10.4电力电路的短路保护装置的导体尺寸和最大规定值或设置值之间的关系
Figure BDA0002870353470000331
在UL 2237和NFPA 79下可接受的是，为混合10AWG和14AWG组合件中的连续30A负载指定40A断路器。对于仅含有14AWG的组合件，可以将20A断路器用于连续15A负载。
图8C示出了用于为多个照明器材供电的电缆的一个示例性组合件。如图所示，组合件可以包含联接到两个电力电缆1120(图8C中的1120A和1120B)的引入三通电缆1110。电力电缆1120可以部分地用作延伸电缆，以将电缆延伸到位于距电源更大距离处的照明器材1000。引入三通电缆1110可以用于在电缆中生成分支，以将电力分配给多个照明器材1000。例如，图8C中示出的示例性电缆组合件可以经由端口1122A处的电力电缆1120A连接到电源系统，电力电缆1120B可以经由端口1124B连接到一个照明器材1000，而引入三通电缆110可以经由端口1112上连接到另一个照明器材1000。应当理解，图8C中的电缆组合件是一个实例，并且可以将多个引入三通电缆1110和电力电缆1120联接在一起，以向多个照明器材1000提供电力。在一些实施方案中，所述组合件可能部分地受每个电缆的功率规定值和/或应供应给每个照明器材1000的电力量的限制。
图8D-8G示出了引入三通电缆1110的几个视图。如图所示，引入三通电缆1110可以包含两个母端口1112和1114以及一个公端口1116。每个端口可以根据标准尺寸和/或连接器类型设计。例如，图8D-8G中示出的端口对应于7/8英寸的螺纹连接器(公和母)。螺纹连接器可以进一步是国家统一16螺距(16UN)螺纹连接器。所使用的端口的大小和类型可以部分地取决于照明器材1000上的电力端口1110(例如，7/8英寸的AC或DC电力端口)。端口1112的相应电缆的长度也可以基于相邻照明器材1000之间的典型距离而有所不同。引入三通电缆1110也可以被规定成支持高达15A的电流。引入三通电缆1110也可以被设计成根据保险商实验室
Figure BDA0002870353470000341
产品类别PVVA并符合
Figure BDA0002870353470000342
标准2237的用于工业机械的多点互连电力电缆。引入三通电缆1110可以包含三个电气引脚(例如，正极端子、负极端子和/或接地)。例如，图8H示出了引入三通电缆1110中的每个端口处的引脚如何彼此电联接的示例性接线图。
图8I-8L示出了电力电缆1120的几个视图。如图所示，电力电缆1120可以包含公端口1124和母端口1122。类似于引入三通电缆1110，电力电缆1120的端口也可以符合标准尺寸和连接器类型，例如7/8英寸螺纹连接器(公和母)，其中螺纹连接器是国家统一16螺距(16UN)螺纹连接器。电力电缆1120野可以被规定成支持高达15A的电流。电力电缆1120也可以被设计成根据保险商实验室
Figure BDA0002870353470000351
产品类别PVVA并符合
Figure BDA0002870353470000352
标准2237的用于工业机械的多点互连电力电缆。电力电缆1120也可以包含三个电气引脚(例如，正极端子、负极端子和/或接地)。图8M示出了描述端口1122和1124的引脚如何连接的示例性接线图。
图8N-8P示出了用于经由照明器材1000上的PoE端口1008A和/或1008B将多个照明器材1000彼此通信地联接的网络电缆1130的几个视图。照明器材1000也可以用作平台，以在多个照明器材1000和可以联接到每个照明器材1000的传感器之间提供通信(例如，数据传递、控制)，从而简化了多个照明器材1000和传感器通信地联接的方式。在一些实施方案中，网络电缆1130可以是以太网电缆，如图8N-8P中所描绘，但是应当理解，可以在其它实施方案中使用其它连接器类型。在一些实施方案中，网络电缆1130可以是防水的(例如，防水以太网电缆)以提供更长的使用寿命，特别是在具有潜在高周围水分含量的农业环境中。以太网电缆的一个实例是Cat-5电缆以及其它类别的以太网电缆(例如，Cat-5e、Cat-6、Cat-7)。
图8Q示出了引入三通电缆1110和电力电缆1120的另外的设计。另外，图8Q还示出了支持与引入三通电缆1110和/或电力电缆1120的连接的插座1140。插座1140可以集成到电源中以促进连接。图8R示出了示例性照明器材1000，其中电力电缆1120连接到电力端口1010，并且网络电缆1130连接到PoE端口1008B。
图9A示出了可以与冷却剂回路570结合以及在使用一个或多个照明器材1000的受控农业环境的其它实施方案中使用的示例性流体循环系统501。如图所示，流体循环系统501可以包含用于储存流体冷却剂800的流体储存罐500，其可以设置在受控农业环境的内部或外部。在一些实施方案中，流体储存罐500可以包含相对较冷的流体冷却剂800和相对较热的流体冷却剂800的分开的隔室，具有足够的热绝缘以使隔室彼此之间并且与周围环境基本热隔离。流体储存罐500的尺寸也可以被设置成具有足够大的储存容量，使得流体储存罐500的热时间常数在操作期间满足期望的温度变化率。例如，可能期望的是，储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800的温度保持为全天基本不变(例如，每小时1℃)，以减少供应给各个管道子系统的热量的波动。然而，如果期望对流体冷却剂800的温度进行调整，则由于较长的热时间常数，进行调整所需的时间量可能是禁止性的。在这种情况下，可以代替地使用多个流体储存罐500，每个流体储存罐具有较小的容量并且因此具有较短的热时间常数。
三个潜水泵560A、560B和560C可以设置在流体储存罐500内，以通过三个相对应的管道子系统(即，照明环路510、加热环路512和冷却环路514)泵送流体冷却剂800。与泵560A相关联的照明环路510负责将相对较冷的流体冷却剂从流体储存罐500提供给一个或多个照明器材1000，并且将相对较热的流体冷却剂800从一个或多个照明器材1000返回到流体储存罐500。以这种方式，照明环路510可以用作热源以加热储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800，随后热量被分配给其它管道子系统。在一些实施方案中，照明环路510可以用于经由自然对流或热辐射来加热受控农业环境2000的至少一部分，以在期望的温度范围内调节和保持所述部分的温度。
在一些实施方案中，次级加热环路可以并入到照明环路510中以更直接且可控地加热受控农业环境2000的可能不靠近照明环路510的一部分(例如，种植区域)。例如，次级加热环路可以包含泵、风机和风机盘管。泵可以生成通过风机盘管的相对较热的流体冷却剂800的流，从而加热风机盘管。然后，风机可以生成热空气的流，从而经由强制对流加热受控农业环境2000的所述部分。在另一个实例中，可以使次级加热环路路由通过种植区域的根部区域，以经由对流和传导的组合将土壤或营养液加热到期望温度。次级加热环路可以包含流控制装置(例如，阀)，以控制加入到受控农业环境的所述部分的热量。例如，次级加热环路可以联接到根据白天/夜晚循环调整加入的热量的恒温器。
与泵560B相关联的加热环路512还可以用于加热受控农业环境2000的一部分或与受控农业环境2000分开地定位的另一个空间。例如，加热环路512可以联接到建筑中的加热、通风和空气调节(HVAC)系统以调节建筑的内部气候，联接到制造工厂中的加热系统以抵消气体或电消耗，或联接到热电厂以产生电和高级热量。在一些实施方案中，加热环路512也可以联接到储热器530，所述储热器530可以提供另外的容量来储存热量以供受控农业环境2000或另一个空间将来使用。
与泵560C相关联的冷却环路514可以用于冷却储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800。以这种方式，可以调节和保持进入照明环路510的相对较冷的流体冷却剂800的温度，这可以减小随时间变化的热漂移的影响(其中相对较冷的流体冷却剂800的温度增加，从而减少了从一个或多个照明器材1000去除的热量)。在一些实施方案中，冷却环路514可以是沿冷却环路514的长度经由自然对流和辐射将热量捕捉到外部环境的管道子系统。在一些实施方案中，排热装置可以并入到冷却环路514中以促进流体冷却剂800的冷却。可以使用各种类型的排热装置，包含但不限于冷却塔、蒸发冷却器、“自然”冷却器、深冷器、干式冷却器、空气源冷却器、地源热交换器、水源热交换器或任何前述的组合。在一些实施方案中，冷却环路514也可以联接到储冷器520，所述储冷器520可以提供另外的容量来储存相对较冷的流体冷却剂800以供受控农业环境2000或另一个空间将来使用。
在本文描述的各个实施方案中，储存在流体储存罐500中并流动通过照明环路510、加热环路512、冷却环路514以及联接到照明环路510、加热环路512、冷却环路514中的任何一个的一个或多个次级环路的流体冷却剂800的温度可以在适当的温度范围内变化。在一些实施方案中，流体冷却剂800的温度可以在约20℃到约50℃的范围内。流体冷却剂800通过照明环路510的流动速率可以在每分钟约1加仑到每分钟约3加仑的范围内。加热环路512和冷却环路514可以使用相似或显著不同(例如，更高)的流动速率。此外，冷却剂回路和各个管道子系统(例如，照明环路510、加热环路512和冷却剂环路514)可以经由泵、调节器和/或阀中的至少一个来控制。泵、调节器和/或阀中的至少一个可以在各种时间周期(例如，每天、每周、每月、每个季节、其它周期性或其任意组合)上操作以调节和保持期望的热条件，这在受控农业环境2000B中可以是随时间动态变化的。
另外，尽管在图9A中示出了三个管道子系统，但是应当理解，可以将任何数量和组合的管道子系统与冷却剂回路570一起使用。例如，加热环路512和冷却环路514中的一个或两个可以结合照明环路510来使用。还应当理解，尽管在图9A中示出了三个潜水泵560A-560C，但是任何数量的泵可以用于特定的管道子系统，并且泵560A-560C也可以设置在流体储存罐500的外部。泵可以是各种类型的泵，包含但不限于活塞泵、端吸泵、隔膜泵、齿轮泵、凸轮泵、柔性叶片泵、章动泵、蠕动泵、离心泵、扩散泵、旋桨泵和周边泵。
在图9B中示出了在受控农业环境2000中联接到照明器材1000和冷却剂回路570的流体循环系统501的一个示例性实施方案。流体循环系统501可以包含其中含有潜水泵560的流体储存罐500。潜水泵560用于将相对较冷的流体冷却剂800泵送到照明环路510中，其中流体冷却剂800然后在通过照明器材1000时被加热。随后，相对较热的流体冷却剂800离开照明环路510并进入流体储存罐500以进行储存。应当理解，只要储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800的温度小于从照明环路510进入流体储存罐500的流体冷却剂800的温度，由照明器材1000生成的热量就可以被去除。随着时间的流逝，如果流体冷却剂800的温度升高，则可以去除的热量可能由于较小的温度差而减少。因此，可能需要将排热装置并入到流体循环系统501中以调节储存在流体储存罐500中的流体冷却剂800的温度。
图9B中示出的流体循环系统501还可以包含联接到由照明器材1000加热的相对较热的流体冷却剂800所流动通过的照明环路510的一部分的次级加热环路512。如图所示，次级加热环路512可以包含泵704和具有风机盘管702的电动风机。泵704生成通过风机盘管的相对较热的流体冷却剂800的流，从而加热风机盘管。然后，电动风机702可以将所加热的空气吹向位于照明器材1000下方的多个植物900，以根据需要增加种植区域的温度。可以使用一个或多个可控阀来控制第二加热环路512，以切换次级加热环路512并调整由电动风机702吹送的空气的温度。
在图9C中示出了设置在受控农业环境200D中的流体循环系统501的另一个示例性实施方案。如图所示，受控农业环境200D可以具有垂直堆叠的多层种植区域。种植区域的每一层可以包含一个或多个联接到照明环路510的照明器材1000。照明环路510可以联接到流体储存罐500，所述流体储存罐500可以也在其中含有潜水泵。类似于图9B的受控农业环境2000，流体循环系统501可以包含次级加热环路，以分别加热每一层中的每个种植区域。可以使用具有多个入口和出口的管道配件将照明环路510的对应于每一层的部分联接。另外，一旦流体冷却剂800流动进入种植区域的每个相应层，则照明环路510的联接到流体储存罐500的部分可以支持较高的流动速率以解决流动速率降低的问题。
在一些实施方案中，照明器材1000还可以用作传感器平台，所述传感器平台支撑用于监测受控农业环境中的环境条件的一个或多个传感器。照明器材1000中的处理器90可以通过通信端口1009(例如，USB端口和PoE端口)向传感器供应和调节电力。处理器90还可以包含用于将AC电力转换为DC电力的电子器件，如下所述，从而无需在受控农业环境中部署的每个传感器中设置单独的AC-DC转换器。处理器90还可以用于管理数据通信，包含将控制信号发送到传感器并接收由传感器测量的感觉数据，以进行处理和/或传输到远程装置(例如，远程计算机或服务器)。以这种方式，照明器材1000可以提供一个或多个各种类型的传感器的集成，从而补充了对单独的电力和数据通信系统的需求。此外，由一个或多个传感器测量的数据可以用于调整和控制受控农业环境中的一个或多个照明器材1000(例如，调整从照明器材1000输出的PAR)、一个或多个冷却剂回路(例如，调整通过冷却剂回路(包含图9A中示出的照明环路、流体循环环路和冷却环路)的流体流动)、一个或多个风机、一个或多个除湿器或一个或多个空调的操作。在一些实施方案中，测量和控制各种环境条件以提供环境中的目标蒸气压差。
在图10A中示出了受控农业环境2000的一个示例性实施方案，其详细示出了经由多个照明器材1000的各个传感器的集成。类似于图8B，多个照明器材1000可以安装到设置在架子902上布置的多个植物900上方的支撑结构999。受控农业环境2000可以包含一个或多个除湿器65、一个或多个空调85和一个或多个风机75。照明器材1000可以支撑各种传感器，包含但不限于空气温度传感器80A、近红外(NIR)叶片水分传感器80B、相对湿度传感器80C、高光谱相机80D、二氧化碳传感器80E、红外(IR)叶片温度传感器80F、气流传感器80G和根部区域温度传感器80H。高光谱相机80D是一种测量多个能带(例如，数百个)内的光的相机，其中每个能带比常规成像系统窄(例如，10nm)。有限光谱相机(也被称为多光谱相机)也可以在受控农业环境2000中使用，以使用较少数量的能带(例如，3到10个)测量光，其中每个能带都较宽(例如，大于20nm)。在受控农业环境2000中利用的相机可以测量跨电磁光谱的各个部分的光，包含但不限于紫外、可见、近红外、中红外和远红外波长。照明器材1000还可以用于支撑其它辅助装置，包含但不限于一个或多个风机、安全相机、智能电话和多光谱相机(例如，用于分析土壤水分和营养成分)。以这种方式，由于通信端口1009在相应照明器材1000上的灵活放置，各个辅助装置可以分布在受控农业环境中。
图10B-10G示出了多个示例性照明系统，其并入了在电力传递、联网和管道方面连结在一起的变化数量的照明器材1000。具体地，图10B和10C示出了具有单个照明器材1000的照明系统。如图所示，每个冷却剂管1006的单个电力电缆1120、网络电缆1130和中间管道1040可以用于联接照明器材1000以进行操作。图10D和10E示出了使用两个照明器材1000的另一个照明系统。如图所示，电力电缆的组合件(例如，图8C中的两个电力电缆1120和引入三通电缆1110)可以用于向两个照明器材1000供应电力。另外，网络电缆1130可以将一个照明器材1000联接到另一个照明器材1000，以将照明器材1000通信地联接到公共节点。另外，中间管1140可以用于经由管道配件1025A和1025B来连结两个照明器材1000。图10F和10G示出了使用三个照明器材1000的另一个照明系统。如图所示，与图10D和10E相比，电力电缆可以包含另外的引入三通电缆1110和电力电缆1120。另外的网络电缆1130和中间管1040可以用于连接另外的照明器材1000。
应当理解，这种组装多个照明器材1000的方法可以用于构建包含甚至更多个照明器材1000(例如，数十个照明器材1000、数百个照明器材1000)的照明系统。照明器材1000以这种方式联接的数量程度可以取决于外部因素，例如用于驱动冷却剂通过冷却剂管1006的泵(例如，较长的冷却剂回路表现出较大的压降，并且因此表现出较高的泵送规格，以使冷却剂充分流动通过冷却剂回路)和/或应供应给每个照明器材1000的电力(例如，高达15A的电缆规定值可能会限制同时为多少个照明器材1000供电)。
关于流动通过相应照明器材1000的管的流体冷却剂，如上所述，流体冷却剂防止了由照明器材生成的热量进入受控农业环境，并将照明器材保持在合理的操作温度下。在一些实施方案中，流动通过照明器材的流体冷却剂的温度在受控农业环境内高于露点(例如，以防止在照明器材上冷凝)，并且在流体冷却剂在流体冷却剂回路中所流动通过的最后的器材处低于120℉(或48℃)。一方面，每个照明器材的LED光源通常以比流动通过所述器材的流体冷却剂的温度高约15℉(或7℃)操作。在一些实施方案中，流体冷却剂的推荐温度为大约100-110℉。
关于给定照明器材的管1006A和1006B，流体冷却剂可以沿任一方向流动通过每个管，并且平行和U形端部返回配置都是可接受的。当多个照明装置的相应管串联连接以形成冷却剂回路时，在一些实施方案中，每个灯的流体流动速率在0.33加仑/分钟(GPM)到0.5GPM之间是可以接受的；一方面，每个管至少0.5GPM确保了足够的湍流。一方面，较高的流动速率允许使用较小的干式冷却器和冷却塔。
每个管的最大流动速率由管磨损极限设定。铜业发展协会的铜管手册(CopperTube Handbook)建议“热”和“冷”水的最大水速分别为每秒5和8英尺。对于管1006A和1006B是1/2英寸铜管的照明器材1000，流动速度是每GPM 1.37ft/s。因此，建议的最大流动速率范围为每管3.6至5.8GPM。
可以根据每个照明器材产生的热量(例如，600W)、流动速率和灯的数量N来估算流体冷却剂回路中的温度升高：
Figure BDA0002870353470000421
或
Figure BDA0002870353470000422
一方面，随着照明器材的温度变化，在流体冷却剂回路中捕捉的热量实际上没有变化。照明器材的内部温度与冷却环路温度成比例地升高和降低。
当为照明系统的多个照明器材的管1006A和1006B在U形返回配置和平行流设计之间进行选择时，在一些实施方案中，需要需要流设置超过大约4GPM，因为更高的流动速率会导致管退化，因为所有流都限制在一个管内。
在一个示例性照明系统安装中，液体冷却剂由泵从小型储液罐泵送到连接多个照明器材1000的管的一组管道，使得水通过所有管道1006A和1006B流动到放置在受控农业环境外部的散热器，并且最后流动回到小型储液罐。此系统可以用于重复利用由水吸收的热量是不期望的、不切实际等的应用中。在这种情况下，系统设计涉及选择干式冷却器，然后选择合适的泵以实现所需的水流。
对于具有六个照明器材并且流动速率为3GPM(即，每个灯0.5GPM)的系统，跨所述系列灯的温度升高为大约8度。U形返回配置可以用于流体冷却剂回路(因为3GPM低于磨损极限，而磨损极限以4GPM起步)。然后，最小的干式冷却器必须能够在最大预期外部温度，最大建议进水温度(例如，120℉)和3GPM的条件下具有3600W的排热容量。一旦选择了合适的干式冷却器，即可使用其已知的水流特性以及管道的水流特性来适当调整泵的尺寸，以实现3GPM。
与任何流体循环系统一样，还需要另外的组件，例如空气分离器、膨胀箱以及用于填充和排空系统的设施。干冷器入口上的恒温器可以操作风扇。将其设置为大约100℉到120℉通常会实现良好的热调节。可以将多个干式冷却器以各种配置放置以扩大容量，这很常见。如上所述，重要的是，不将水温降低到室内露点以下，以防止冷凝。在非常寒冷的气候中，可能需要安装一个温度控制旁通阀来完全绕开散热器，以实现本目的。也可能需要乙二醇。
现在回到照明器材1000的功能，处理器90可以用于促进与照明器材1000的操作有关的多种功能，包含但不限于照明器材1000的操作中的功率转换、网络连接和数据处理。在一些实施方案中，处理器90可以包含电联接在一起的离散电子组合件，其中每个电子组合件提供一个或多个不同的功能。例如，图11A示出了根据一个发明实施方案的框图，其详细示出了处理器90中的满足这些功能的各个电子组件和电路系统。处理器90可以包含控制板100、网络板200和单板计算机300。
控制板100可以用于调节电力并将其分配到照明器材1000的其它组件。如图11A中所示，控制板100可以通过电力端口1010接收AC电力并将AC电力转换为DC电力。然后，控制板100可以将DC电力和其它控制信号供应给照明器材400中的其它电子器件。例如，控制板100可以分别经由控制板100上的端口/连接器104A、104B和104C直接联接到多个LED模块400A、400B和400C。控制板100还可以联接到网络板200，从而向网络板200提供电力和控制信号。控制板100还可以包含板载存储器，其中存储有数字信号处理(DSP)固件152以促进控制信号的生成，如下所述。
在图11B中示出了图11A中的控制板100的更详细的框图。控制板100可以包含熔断器/电磁干扰(EMI)滤波器153，以提供安全性并减少输入到照明器材1000的噪声。整流器154可以用于将AC电力转换为DC电力。AC线路传感器155可以用于监测DC电力输入的电压和电流。然后，DC电力可以直接传递到偏置和控制电源156，所述偏置和控制电源156可以用于将DC电力分配到照明器材1000的其它组件，包含网络板200和数字信号处理器(DSP)150。还可以包含DC-DC转换器158以向网络板200供应不同的电压输入。例如，偏置和控制电源156可以供应48V和5V以为网络板200和单板计算机300上的不同电路系统供电。5V输入可以经由DC-DC转换器158从48V线路向下转换。DSP 150可以通过执行上述固件152来经由一个或多个通信隔离器160向各个组件(包含网络板200)提供控制信号。DSP 150还可以向一个或多个升压转换器162A、162B和162C提供控制信号，其可以用于调节经由端口104A-104C供应给相对应的LED模块400A-400C的电。一旦经由整流器154从AC电力转换，升压转换器162A-162C就可以直接接收DC电力。DSP 150可以接收来自偏置和控制电源156的电力、来自AC线路传感器155的电压和电流测量以及经由热传感器端口154的热传感器输入(其可以用于监测LED模块400A-400C的温度)。
网络板200可以用于管理照明器材1000和联接到照明器材1000的各个装置(包含但不限于联接到照明器材1000的其它照明器材1000和一个或多个辅助传感器)之间的数据通信。如图11A中所示，在一些实施方案中，网络板200可以控制照明器材1000的一个或多个PoE端口1008A、1008B、1008C和1008D。网络板200可以经由控制板端口102从控制板100接收电力和控制信号。网络板200还可以经由单板计算机端口202向单板计算机300供应电力和控制信号。网络板200还可以支持网络板200和单板计算机300之间的通过以太网端口213的专用以太网电缆连接212，以管理通过PoE端口1008A-1008D的数据传递。
在图11C中示出了图11A中的网络板200的更详细的框图。控制板端口102可以用于以不同的电压(例如，48V和5V)向PoE控制器206、电源208、风机控制器和端口210供应电力。控制板端口102也可以经由单板计算机端口202直接将控制信号从控制板100中继到单板计算机300。在一些实施方案中，控制板端口102可以作为背负板布置到网络板200。PoE控制器206可以用于调节电力并将其供应给PoE端口1008A-1008D。电源208可以通过单板计算机端口202向单板计算机300供应电力，并向以太网交换机204供应电力。以太网交换机204经由支持专用以太网电缆连接212的以太网端口213通信地联接到PoE端口1008A-1008D和单板计算机300。以太网交换机204可以用于促进数据和/或控制信号到和从PoE端口1008A-1008D的接收和传输。
单板计算机300可以向处理器90提供几种功能，包含但不限于管理控制板100和网络板200的操作以及数据处理。如图11A中所示，单板计算机300也可以用于支持照明器材1000上的USB端口1012A和1012B的功能。单板计算机300可以包含存储卡350，所述存储卡350含有(其上存储有)各种数据和计算机可执行代码352，包含但不限于会话边界控制器(SBC)软件、操作系统、web服务器软件和其它web服务器资源。
处理器90可以用于管理供应给照明器材1000的各个组件(例如，电力电缆、LED模块400A-400C)的电压和电流，以便降低在不同操作条件下损坏的可能性。例如，照明器材1000可以在低电压条件下操作，其中可以向LED模块400A-400C供应1200W，并向辅助传感器供应65W。用于从外部源(例如，建筑供电系统)向照明器材1000供电的电力电缆可以被规定成维持高达15A的电流。处理器90可以用于将通过照明器材1000的电流限制为5A，使得三个照明器材400A-400C可以由单个电力电缆1030供电。如果照明器材1000的电流消耗接近5A，则处理器90可以减少照明器材的电力消耗。以这种方式，三个照明器材400A-400C可以共同避免的总电流消耗超过15A，从而降低损坏电力电缆的可能性。
在一些实施方案中，处理器90可以使用有源反馈控制环路来实施电流消耗限制。例如，控制板100的DSP 150可以用于主动地测量经由AC线路传感器155供应给照明器材1000的电压和电流。然后，取决于所测量的电压和电流的变化幅度和/或速率，DSP 150可以调整供应给每个LED模块400A-400C的电压和电流，使得由照明器材1000消耗的电流保持在电流消耗限制以下。本过程可以以迭代的方式进行，其中以预设的时间标度反复进行对供应给照明器材1000的电压和电流的测量以及对供应给LED模块400A-400C的电压和电流的后续调整。时间尺度可能从约1ms到约60s不等。电压和电流在每个增量期间的变化量也可以根据供应给照明器材1000的电压和电流的变化速率而有所不同。在一些实施方案中，可以通过将比例积分微分(PID)控制器并入到处理器90中来控制有源反馈控制环路的稳定性。
图12A-12D、13、14A-14H示出了根据一个实施方案的处理器90的各个电气组件的电路图。图12A示出了来自网络板200的以太网交换机204以及到用于与单板计算机300通信的PoE端口1008A-1008D和以太网端口213的电连接的电路图。图12A还示出了来自网络板200的电源208的电路图。为了清楚起见，图12B和12C分别示出了来自图12A的以太网交换机204和PoE端口1008D的放大视图。图12D示出了来自网络板200的PoE控制器206的电路图。图13示出了单板计算机300的电路图，其详细示出了各个输入和输出连接。图14A示出了来自控制板100的电力端口1010、熔断器/EMI滤波器153、整流器154以及偏置和控制电源156的第一部分的电路图。图14B示出了图14A中示出的偏置和控制电源156的第二部分。图14C-14F示出了来自控制板100的DC-DC转换器158、AC线路传感器155、DSP 150和热传感器端口154。图14G和14H示出了来自控制板100的示例性升压电路162A的电路图。
本文公开的照明器材1000也可以用在租赁照明系统中，其中客户支付重复性费用以租用和操作照明器材1000(例如，使用照明器材1000来提供照明)。在本系统中，可以显著降低通常与购买照明器材1000硬件和安装相关联的成本，从而为客户节省了很多钱。提供照明器材1000的操作的制造商可以通过客户的持续支付而随时间获得利润。在一些实施方案中，租赁照明系统可以基于在预设时间段内操作照明器材1000的费用的支付。照明器材1000可以经由处理器90通信地联接到服务器。服务器可以远程地调节照明器材的操作，只要客户提供必要的费用来保持租赁，照明器材1000就能够提供照明。
在图15A中示出了合同执行方法的一个示例性实施方案，其中照明器材1000通信地联接到许可证服务器600。如图所示，许可证服务器600可以包含含有信息的数据库602，所述信息包含但不限于由客户安装的一个或多个照明器材1000的序列号以及租赁一个或多个照明器材1000的客户的客户状态(例如，支付状态)。数据库还可以包含预共享密钥604，其还可以在运送给客户之前由制造商与计时器一起安装在每个照明器材1000上，例如安装在照明器材1000的DSP 150的受保护内部存储中。根据客户的初始支付，制造商可以在数据库1000中设置初始计时器更新，以提供某一时间段的初始照明，此后需要另外的租赁费用。一旦照明器材1000部署到客户，计时器的到期可以触发许可证更新过程。一旦进行了另外的租赁支付，经营许可证服务器600的制造商就可以用新的计时器值来更新数据库602，所述计时器值被通信到照明器材1000。通信可以经由专有通信协议进行。
在图15B中示出了更新具有一个或多个照明器材1000的租赁照明模型的许可证的过程的一个示例性实施方案。在本示例性过程中，处理器90的DSP 150和单板计算机300可以经由互联网联接到许可证服务器600和数据库602，以促进制造商对一个或多个照明器材1000或租赁代理进行操作。如上所述，预共享密钥604和许可证计时器可以由制造商与照明器材1000的序列号一起存储在DSP 150的受保护内部存储中。单板计算机300可以定期地检查许可证计时器的状态。一旦许可证计时器接近到期，单板计算机300可以用DSP 150发起许可证更新请求。本请求可以包含由DSP 150生成的“挑战包”，其由单板计算机300转发到许可证服务器600。挑战包可以包含至少部分地基于照明器材1000的序列号的加密信息和使用噪声累加器生成的临时随机密钥。然后，可以由许可证服务器600对挑战包进行解密。如果发现挑战包有效并且对另外的照明进行了支付，则许可证服务器600可以确定新的允许计时器值。然后，可以对新的允许计时器值进行加密并将其发送回单板计算机300，所述单板计算机300将加密的计时器值传递给DSP150。然后，DSP 150可以基于预共享密钥604来对新的计时器值进行解密。如果发现新的计时器值有效，则DSP 150可以更新存储在DSP150的受保护内部存储中的许可证计时器。
示例性集成传感器组合件
基于以上描述并在附图中示出的各种概念，现在将描述CEA系统的集成传感器组合件的各个发明实施方案。如前所述，可以将传感器部署在受控农业环境中，以监测环境条件并向照明、加热和/或冷却(例如，经由流体循环和/或其它技术)、空气流动和湿度调节系统提供反馈，以促进对植物生长条件的控制。在一些实施方案中，传感器可以被封装成利用单个端口来接收电力并通信数据的单个集成组合件。以这种方式，可以将多种传感模式加入到CEA系统中，以增强对环境条件的监测，从而改善植物的生长条件，同时简化安装并减少维护。此外，可以部署多个集成传感器组合件以覆盖农业环境的更大区域，从而还监测跨农业环境的生长条件的变化。
在图16A和16B中示出了集成传感器组合件3100的一个示例性实施方案。组合件3100包含多个传感器以监测与植物的生长有关的各个参数，例如可见光传感器3110、温度和相对湿度组合传感器3120、空气流动传感器3130、CO2传感器3140和IR温度传感器3150。传感器可以安装在电路板3160上，所述电路板3160也可以包含USB端口3170，以在集成传感器组合件3100和外部电力和控制系统(例如，如上所述的照明器材1000)之间提供电力和通信。外壳3180可以用于保护设置在电路板3160上的传感器和电路系统。如图16C中所示，电路板3160可以位于由使用多个联接构件3190组装的外壳顶部3181和外壳底部3182限定的腔内。在一些实施方案中，外壳顶部3181可以包含开口小孔3183，如图16D中所示，其可以被透镜3184覆盖，以允许光透射通过外壳以由可见光传感器3110进行检测，同时保护容纳在外壳内的传感器和电路系统。
可见光传感器3110可以用于监测由自然或人造光源(例如，日光或LED照明)发射的入射在农业环境中的植物上的光。特别地，可见光传感器3110可以被配置成测量光合光子通量密度(PPFD)，其是在波长谱上积分的每单位面积的光子通量的量度。可见光传感器3110可以是各种合适类型的光检测器，包含但不限于光电二极管、热电堆和热电检测器。在一些实施方案中，可见光传感器3110可以被配置成使用滤波器、涂层或不同的检测材料对可见光谱和紫外辐射(例如，UVA和UVB范围)中的PAR光光谱敏感。在其它实施方案中，可见光传感器3110可以被配置成是光谱仪，以表征光源的光谱分量。如图16E中所示，可见光传感器3110可以位于集成传感器组合件3100的顶部附近并且定向成面向光源以进行检测。可见光传感器3110还可以被配置成检测跨某一视角范围(例如，从0度的法向入射到高达80度的斜入射)的光，如图16F中所示，其中光源可以以不同的入射角照亮植物(例如，白天的阳光变化)。光传感器3110的两个实例由威视(Vishay)VEML6075和VEML7700给出。
温度和相对湿度组合传感器3120可以用于监测种植环境中的温度和水蒸气浓度。温度和相对湿度组合传感器3120中的温度感测元件可以是各种合适类型的温度传感器，包含但不限于热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器(RTD)。相对湿度感测元件可以是各种合适类型的湿度传感器，包含但不限于电容式、电阻式或热传感器。温度和相对湿度组合传感器3120的实例由德州仪器(Texas Instruments)HDC1010YPAR和森斯瑞(Sensiron)SHT31提供。如图16D中所示，温度和相对湿度组合传感器3120可以位于电路板3160的突出构件上，使得感测元件暴露于围绕集成传感器组合件3100的空气。在一些实施方案中，靠近温度和相对湿度组合传感器3120以及集成传感器组合件3100中的其它感测元件的外壳可以被配置成使得温度和相对湿度的测量不受集成传感器组合件3100的显著影响。例如，外壳可以包含多个促进空气流动的开口，并且温度和相对湿度组合传感器3120可以被定位成远离集成传感器组合件3100附近的热源(例如，由照明器材散发的热量)。
空气流动传感器3130可以监测空气循环，这可以提供对空气流动的方向性、温度的均匀性、泄漏的检测以及在农业环境中部署的空气流动和通风系统的性能的见解。空气流动传感器3130可以是各种合适类型的空气流动传感器，包含但不限于空气流动计、热线风速计和声波风速计。空气流动传感器3130的一个实例由伴有电阻器、电容器和运算放大器的TDK热敏电阻470NTC 0402提供。如图16D中所示，空气流动传感器3130可以位于电路板3160的突出构件上，使得传感器暴露于围绕集成传感器组合件3100的空气。在一些实施方案中，靠近空气流动传感器3130以及集成传感器组合件3100中的其它感测元件的外壳可以被配置成减少空气流动传感器3130附近的空气流动的中断，以实现空气流动的更准确的测量。例如，外壳可以包含多个开口，以允许空气自由地流过空气流动传感器3130。
在农业环境中，由于植物在光合作用期间吸收CO2，因此CO2的浓度是控制植物生长的重要参数。此外，植物的光合活性可能会全天有所不同；因此，所吸收的CO2量也可以相应地变化。因此，CO2传感器3140可以用于监测农业环境中植物附近的CO2浓度。CO2传感器3140可以是各种合适类型的CO2传感器，包含但不限于非分散红外(NDIR)传感器和化学CO2传感器。CO2传感器3140的一个实例由炜盛(Winsensor)MH-Z19给出。在一些实施方案中，CO2传感器3140可以是电联接到电路板3160以进行操作的封闭装置，如图16C中所示。此外，CO2传感器3140可以位于集成传感器组合件3100的底部上，使得CO2传感器3140的感测元件朝着植物定向。这种配置可以是优选的，以增加跨CO2传感器3140的空气流动，因为植物附近的对流可以将空气向上驱动朝向集成传感器组合件3100的底部。在一些实施方案中，CO2传感器3140可以进一步通过外壳底部3182突出，以减少对空气流动的阻挡，并且因此提供更准确的CO2浓度测量。
如上所述，温度和相对湿度组合传感器3120可以监测植物附近的空气温度，这是控制植物生长的重要参数。另外，监测植物的表面温度也是有益的，因为由于光的辐照和从植物到周围空气的对流热传递，植物的表面温度可能不同。因此，IR温度传感器3150可以用于通过测量从植物发射的IR辐射来远程地监测集成传感器组合件3100附近的植物的温度。在一些实施方案中，IR温度传感器3150可以是测量特定视场内的平均温度的单个像素传感器。在其它实施方案中，IR温度传感器3150可以是能够记录IR图像以辨别单个植物内或相邻植物之间的温度梯度的多像素相机。IR温度传感器3150可以是各种合适类型的IR传感器，包含但不限于热电探测器和辐射热计。此外，IR温度传感器3150可以被配置成对长波长红外(LWIR)辐射、中红外(MIR)辐射或近红外(NIR)辐射光谱敏感。在一些实施方案中，IR温度传感器3150可以被配置成是光谱仪(例如，傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪)，以表征由植物发射的辐射的光谱分量。IR温度传感器3150可以被配置成具有较宽的视场以覆盖更大区域的植物。对于IR温度传感器3150是多像素相机的实施方案，IR温度传感器3150还可以被配置成以足够的空间分辨率来记录图像，以辨别植物上的各个叶片的温度。IR温度传感器3150的一个实例由迈来芯(Melexis)MLX90614给出。
电路板3160可以包含一个或多个印刷电路板，所述印刷电路板支撑在以上讨论的相应传感器组件的操作中使用的电路系统和电气组件。在图17A和17B中示出了由电路板3160支撑的电路系统的一个发明实施方案。在一些实施方案中，电路板3160可以包含分别位于集成传感器组合件3100的顶部和底部上的传感器的多个单面电路板。在其它实施方案中，电路板3160可以是双面电路板。在一些实施方案中，如图17A和17B中所示，电路板3160还可以包含另外的传感器的开放端口。另外的传感器的一些实例可以包含被配置成检测空气中的污染物的气体传感器、监测土壤质量的pH传感器和高光谱相机。
如上所述，外壳3180可以用于保护设置在电路板3160上的传感器和电路系统，所述电路板3160容纳在由外壳3180限定的腔内。在一些实施方案中，外壳3180可以是两件式构造，其外壳顶部3181和外壳底部3182形成了电路板3160可以定位的内部腔。外壳顶部3181和外壳底部3182可以与联接构件3190配合在一起，如图16C和16D中所示。联接构件3190可以是各种合适类型的联接组件，包含但不限于螺钉紧固件、夹子、销、卡扣配合和栓钉以及外壳3180中的相对应的孔。外壳3180可以包含一个或多个开口和小孔，以允许各个传感器无明显障碍地检测周围环境条件。例如，外壳顶部3181可以具有相对较大的开口3183，以允许光以相对较大的倾斜入射角通过，以供可见光传感器3110检测。为了确保保护可见光传感器3110和电路板3160，如图16C中所示，透明透镜3184可以联接到外壳顶部3181的顶部。透镜可以由对PAR光或UV辐射透明的材料(例如，聚四氟乙烯(PTFE)、二氧化硅、氟化镁或氟化钙)制成。
外壳3180还可以在外壳顶部3181和外壳底部3182两者中包含一个或多个突出部分，以在集成传感器组合件3100中支撑和/或容纳各个连接器和传感器。作为一个实例，图16C和16D示出了外壳顶部3181可以包含第一顶部突出部分3187A，并且外壳底部3182可以包含第一底部突出部分3187B，二者彼此联接以形成部分地围绕USB端口3170的第一突出部分。外壳顶部3181还可以包含第二顶部突出部分3185A，并且外壳底部3182可以类似地包含第二底部突出部分3185B，以在外壳3180的与第一突出部分(具有其中含有空气流动传感器3130的腔)相反的一侧上形成第二突出部分。外壳顶部3181还可以包含第三顶部突出部分3186A，并且外壳底部3182还可以包含第三底部突出部分3186B，以形成与第二突出部分(具有其中含有温度和相对湿度组合传感器3120的腔)相邻的第三突出部分。
在一些实施方案中，外壳3180还可以被配置成是水密或气密的，以减少由电子组件或电路系统中的水分累积引起的潜在故障。为了确保外壳3180的腔被紧密密封，可以使用垫圈来密封外壳3180中的每个开口或小孔，特别是传感器通过其从外壳3180突出以使传感器暴露于围绕集成组合件3100的空气的开口。外壳3180可以由金属、聚合物、金属合金、陶瓷和/或其它材料形成。取决于用于形成外壳3180的材料，可以使用各种制造方法来制造外壳3180，包含注射成型、吹塑成型、铸造或铣削。在一些实施方案中，外壳可以涂覆有减少水分渗透的材料(例如，疏水涂层)，以增加集成传感器组合件3100的操作寿命。
在一些实施方案中，集成传感器组合件3100还可以包含USB端口3170，以促进连接到外部系统，例如如上所述的基于LED的照明器材1000。USB端口3170既可以向集成传感器组合件3100供应电力，又可以促进集成传感器组合件3100和可操作地联接到外部系统(例如，照明器材1000)的控制系统之间的数据通信。在一些实施方案中，集成传感器组合件3100可以被配置成是“即插即用”装置，以便于安装。例如，集成传感器组合件3100可以插入基于LED的照明器材中，其中集成传感器组合件3100由基于LED的照明器材的控制系统自动识别。一旦标识出集成传感器组合件3100，控制系统就可以开始接收由集成传感器组合件3100记录的数据，然后可以对其进行处理并在反馈环路中使用以调整农业环境中的照明、加热和/或冷却(例如，经由流体循环和/或其它技术)、空气流动和湿度调节系统中的一个或多个。
图18示出了根据本公开的一些实施方案的集成传感器组合件，其经由一个或多个USB联接器/扩展器联接到图7A和7B中示出的照明器材1000的向下或底部USB端口1012B。在一个实施方案中，传感器组合件3100的USB端口3170可以直接插入照明器材USB端口1012B中。在其它实施方案中，可能需要将传感器组合件3100基本定位在照明器材1000的同一层上或其向下面附近，但通常不在由照明器材1000提供的照明路径上。为此，可以采用一个或多个“鹅颈型”柔性USB扩展器3202和/或一个或多个角度可调USB扩展器3204，以将传感器组合件3100通信地联接和可调节地定位到照明器材1000。尽管在图18中示出了鹅颈型和角度可调型USB扩展器，但是应当理解，可以单独使用各种其它类型的USB扩展器(包含电缆)，或者将其与其它类型的USB扩展器一起使用以将传感器组合件联接到照明器材1000。
为此，图19示出了根据本公开的一些实施方案的集成传感器组合件3100，其经由一个或多个电缆型USB联接器/扩展器联接到图7A和7B中示出的照明器材1000的侧面或端部USB端口1012A。在图19中，传感器组合件可以联接到USB电缆扩展器3206的一端，并且电缆扩展器3206的另一端可以联接到照明器材的USB端口1012A。各种长度的电缆扩展器可以用于扩展器3206，以将传感器组合件3100定位在照明器材1000下方的不同距离处。电缆扩展器3206可以单独使用，或者与一个或多个其它电缆扩展器、一个或多个鹅颈型扩展器3202、一个或多个角度可调型扩展器3204、一个或多个其它类型的扩展器或前述的组合一起使用。如以上结合图18所述，不同长度的电缆延伸器3206也可以用于将传感器组合件3100联接到向下或底部USB端口1012B；同样，鹅颈型扩展器3202、角度可调型扩展器3204中的一种或两种，或又一种USB扩展器(没有电缆型扩展器3206)都可以用于将传感器组合件3100联接到照明器材1000的侧面或断面USB端口1012A。
在一些实施方案中，一旦集成传感器组合件3100与外部系统对接，则外部系统可以控制集成传感器组合件3100中的每个传感器进行测量的频率。可以同时或以不同的时间间隔来记录传感器测量。例如，集成传感器组合件3100可以被配置成每秒测量空气流动，每分钟测量PPFD以及每小时测量CO2浓度。
在一些实施方案中，多个集成传感器组合件3100可以作为阵列安装，以监测受控农业环境的较大区域。例如，受控农业环境可以包含多个基于LED的照明器材，其中每个照明器材支持多个集成传感器组合件3100。阵列中的每个集成传感器组合件3100可以用于局部地监测单组或一小组植物的生长条件，如以上结合图10A所述。另外，来自多个集成传感器组合件3100的传感器数据的分析可以用于确定跨整个农业环境的生长条件(例如，温度、空气流动或照明)的变化。基于本综合数据，可以对照明、加热和/或冷却(例如，经由流体循环和/或其它技术)、空气流动和湿度调节系统中的一个或多个进行调整，以促进农业环境中的较大区域的生长条件改善。在一些实施方案中，每个集成传感器组合件3100可以包含标识号，例如供应商标识(VID)或产品标识(PID)，其可以用于确定阵列中的每个传感器组合件的位置。
分布式传感器网格
基于以上描述并在附图中示出的各种概念，现在将描述受控农业环境的分布式传感器网格的各个发明实施方案。受控农业环境可以包含一个或多个控制系统，包含但不限于照明、加热、空气流动、流体循环和湿度调节系统，其被配置成与一个或多个传感器协同工作，例如温度、相对湿度、空气流动、土壤质量、上述集成组合件3100。传感器可以测量农业环境中的各种环境条件，然后可以将来自传感器的数据用于调整一个或多个控制系统，以改善或维持植物的生长条件。
发明人已经认识并意识到，常规受控农业环境可能具有多种植物或农作物的相当大的种植区域，所述种植区域上的种植条件可能随空间和/或时间而有所不同。特别地，给定环境中的种植条件(对于相似的相对较大或较小的种植区域)可能在一个或多个方面在不同时间在给定种植区域的不同部分(例如，在不同行或群的植物之间以及环境中的不同高度处)显著不同。跨种植区域的不一致的种植条件继而可能导致植物生长的不可预测和不希望的变化，类似地，这些变化在植物最初生长时可能难以辨别，但在生长后期阶段当难以或无法实施补救措施时，这一点就变得明显。
通常，常规受控农业环境中的种植区域的不同部分上的不同的空间依赖性和/或时间依赖性种植条件仍然基本不可检测。如果环境的负责人在种植区域的不同部分观察到植物生长的不同，则负责人可以尝试基于“经验”来补偿这种不同，例如使用源于经验的手动技术调整环境中的一种或多种条件(基于在多个种植周期中用给定环境中的给定农作物工作)，以改善缓慢或不良农作物的生长条件。在一些情况下，在环境中采用一个或多个传感器来测量与植物生长有关的各种条件；然而，在那些可能部署一个或多个传感器的常规受控农业环境中，这种传感器通常无法为种植区域中的所有植物提供足够的覆盖，也无法以足够的空间分辨率来部署它们以充分地观察整个给定种植区域的生长条件。此外，通常彼此独立地部署和/或操作不同类型的传感器(用于测量不同类型的环境条件)，从而使得全面监测与植物生长相关的环境中的多种条件具有挑战性。
鉴于用于受控农业环境的常规方法的前述挑战，本公开涉及分布式感测技术，其中在环境中布置多个传感器以在给定的种植区域上提供足够的覆盖。一方面，传感器以适当的空间分辨率设置在种植区域中，以有效地监测种植区域中的植物的生长条件(在一些情况下，基于逐个植物或相对小组的植物)。另一方面，布置在种植区域中的多个传感器可以被配置成利用公共电力和网络连接，从而简化了环境中各个传感器的集成以及数据从传感器的收集。
在一个示例性实施方案中，多个传感器作为分布式传感器网格部署在受控农业环境中。分布式传感器网格包含一个或多个节点阵列，其中每个节点阵列将受控农业环境的至少一部分划分为节点，例如在环境中具有已知位置(例如，绝对或相对)的空间中的离散点。在各个方面中，分布式传感器网格的给定节点阵列可以是一维、二维或三维的(例如，至少部分地基于受控农业环境中的种植区域和/或农作物的分布)。例如，在一些实施方案中，给定节点阵列可以包含沿一行植物间隔的以基本线性或曲线方式布置的多个节点，以提供一维节点阵列。另一种类型的节点阵列可以包含在受控农业环境中布置在基本平行于地板或天花板的水平平面中的多个节点，以提供二维节点阵列。又一种类型的节点阵列可以包含在受控农业环境中布置在基本平行于地板或天花板的多个水平平面中的多个节点，其中节点的相应水平平面构成与受控种植环境中的不同目标区域(例如，土壤、植物、照明顶篷和周围环境)相对应的多个垂直层。
在图20A中示出了受控农业环境的分布式传感器网格4000的一个示例性实施方案。分布式传感器网格4000包含一个或多个节点阵列4100，并且每个节点阵列含有分别位于受控农业环境中的相对应坐标位置(例如，X、Y和Z坐标)的多个节点4200。在给定节点4200处，分布式传感器网格进一步包含一个或多个传感器4220，所述传感器4220部署在所述节点处以监测所述节点附近的生长条件。在图20A中示出的实例中，分布式传感器网格被布置为三维节点阵列，其中照明器材1000的布置构成了由节点阵列的X轴线和Y轴线限定的节点水平平面(参见“顶视图”)，并且节点阵列还包含沿Z轴线的多个垂直层4300(例如，分别对应于土壤层、植物层和光顶篷层；参见“侧视图”)。一个或多个传感器4220可以被放置在节点阵列的多个节点或每个节点处，以全面地监测环境中的生长条件。在一个实例中，部署在节点处的传感器4220可以是以上结合图16A-19讨论的集成传感器3100。
节点阵列
每个节点阵列4100覆盖农业环境的至少一部分。在一些受控农业环境中，在种植区域中存在特定数量和布置的植物的情况下，一个节点阵列可能就已足够，而在其它环境中，可以使用多个节点阵列来灵活配置分布式传感器网格(在一些情况下，覆盖具有不同布局和/或不同农作物的环境中的多个种植区域)。例如，在垂直耕作中(其中不同的种植区域以垂直布置彼此堆叠)，一个或多个节点阵列4100可以用于环境中的每个垂直堆叠的种植区域。在另一个实例中，农业环境可以被划分为单独的气候控制室，每个气候控制室具有一个或多个节点阵列4100。每个节点阵列4100将农业环境的覆盖部分划分为节点网格4200，其中每个节点4200是节点阵列4100内具有已知坐标位置的离散点。如上所述，相应节点4200可以包含一个或多个传感器4220，以监测靠近给定节点的生长条件(例如，在所述节点周围的一定空间中，这可能部分地取决于部署在所述节点处的一个或多个传感器的一种或多种类型)。在一些实施方案中，节点阵列4100中的节点4200的数量可以取决于施加于农业环境或由农业环境施加的约束。
每个节点4200的坐标位置可以包含一个或多个坐标分量，以描述节点4200在农业环境中的位置。在一些实施方案中，节点4200的坐标位置可以对应于参照空间原点的农业环境中的物理位置。例如，可以将种植区域的角落设置为坐标系的原点，并且可以沿一个或多个轴线(例如，相应的X、Y和Z轴线)在距原点的已知和/或限定距离处限定节点4200。在一些实施方案中，坐标位置可以对应于与农业环境的物理布置的一个或多个方面(例如，一个或多个种植区域的尺寸和/或形状、给定种植区域中的植物的布置、给定种植区域中的控制系统的布置)有关的索引位置。
例如，图20B示出了农业环境，其包含在种植区域中以一定的间隔彼此相邻地设置的两个细长的架子902A和902B。三行植物在每个架子上沿架子的较长的长度彼此相邻定位。在每个架子上方，通常位于三行植物的中间行上方的是四个照明器材1000。在本实例中，选择节点阵列的Y轴线平行于架子902A和902B的较长的长度(并且因此，X轴线平行于架子的较短的宽度)。架子本身沿长度(例如，跨架子的宽度的一半)的中心线沿X轴线限定索引位置1和2，并且分别设置在每个架子902A和902B上方的四个照明器材1000沿Y轴线限定索引位置A、B、C和D(例如，照明器材的中心可以与索引位置A至D相对应)。沿环境的垂直高度取得节点阵列的Z轴线，并且在图20B的实例中将其划分为四个索引位置或“层”4300(分别标记为L1、L2、L3和L4)。因此，在图20B的实例中，在分布式传感器网格的节点阵列4100中总共有32个节点4200。
如下面更详细地讨论，应当理解，主要出于说明的目的，提供了基于两个植物架子、每个架子四个照明器材以及四个垂直层的图20B的示例性节点阵列，并且根据本公开考虑了其它节点阵列配置。
例如，在照明器材1000用作分布式传感器网格的连接平台的一些实施方案中，节点阵列4100中支持的节点4200的数量至少部分地基于可用于与部署在相应节点处的传感器4220连接的电力和网络端口的数量。例如，在图20B的配置中，每个照明器材1000包含USB端口1012A和1012B，其可以用于将一个或多个集成传感器组合件3100联接到每个器材(其中组合件3100用作部署在相应节点处的传感器4220；而且，照明器材1000可以配备一个或多个用于本目的的另外的USB端口)。每个照明器材还包含PoE端口1008A-D，可以使用其中的任何一个或多个端口将一个或多个传感器联接到每个器材。
在一些实施方案中，节点4200的数量可以由农业环境中的用户定义的密度和/或覆盖区域来确定。例如，如上所述，集成传感器组合件3100中的IR温度传感器3150可以具有有限的视场。因此，集成传感器组合件3100的阵列(每个集成传感器组合件3100对应于节点4200)可以被安装和间隔开，使得IR温度传感器3150的相应视场充分重叠以有效地为环境中的植物提供感测覆盖。
节点阵列4100中的节点4200的分布也可以在空间和数量上有所不同。在一些实施方案中，节点4200可以均匀地分布。例如，如上所述，照明器材1000的均匀阵列可以被部署成集成传感器组合件3100连接到每个照明器材1000上的USB端口1012A和1012B。在一些实施方案中，分布在节点阵列4100中的节点4200可以是不均匀的。例如，节点4200的数量可以根据植物系统的每个层4300而有所不同，其中例如由于每种传感器的覆盖的不同，相较于周围环境条件，可以使用更多的节点4200来监测土壤质量。在另一个实例中，农业环境可以包含尺寸不同的不同植物物种。对于较小尺寸的植物，节点4200可以更紧密地间隔，而对于较大尺寸的植物，节点4200可以更稀疏。另外，节点4200可以不包含传感器4220。这种空节点4200可以用于限定传感器4220的不均匀分布以及节点4200的均匀分布。例如，土壤质量传感器可以占用底层4300处的每个节点4200，并且周围环境传感器可以占用顶层4300处的每个其它节点4200，而空节点4200介于其间。
如上所述，节点阵列4100可以包含对应于受控种植环境中的各个目标区域的多个层4300(例如，沿Z轴线)。在图20C中示出了一组示例性层4300。如图所示，每个层对应于植物系统中的目标区域，包含土壤层4310、植物层4320、光顶篷层4330和周围环境层4340。土壤层4310可以提供关于土壤条件的数据，例如pH值和化学成分。植物层4320可以提供关于叶片温度或植物附近的CO2浓度的数据。光顶篷层4330可以提供关于照明源的数据，例如PPFD、空气温度、相对湿度或照明器材1000的散热或电功率。周围环境层4340可以提供关于空气循环或农业环境的墙壁或天花板的温度的数据。
图20D示出了单个细长植物架子902A的分布式传感器网格4000的另一个示例性实施方案。与图20B中示出的实例类似，X轴线平行于索引位置为1的架子902A的较短的宽度，并且Y轴线平行于索引位置为A、B和C的架子902A的较长的长度。节点阵列沿Z轴线被划分为三个节点4200，对应于具有索引L1、L2和L3的三个层4300。如图20D中所示，节点4200的位置可以至少部分地由农业环境中的照明器材1000的相应位置来限定。图20E示出了农业环境中的多个植物架子的分布式传感器网格4000的另一个示例性实施方案。X轴线根据具有索引位置0至15的植物架子进行索引。Y轴线根据具有索引位置A至J的每个照明器材1000进行索引。包含索引AA，其对应于植物架子的边缘。Z轴线沿索引位置为L1、L2和L3的环境的垂直高度限定。如图所示，可以限定X轴线索引位置，使得节点4200覆盖一个或多个植物架子。还可以将节点4200限定为覆盖不村你在植物的区域，例如X轴线索引7和8，这可以提供跨环境的均匀的覆盖，例如节点4200的均匀网格可以测量空气流动，这可能受种植区域之间障碍物的影响。
传感器
可以在特定节点4200处部署一个或多个传感器4220，以监测与生长条件有关的参数。如上所述，传感器4220可以包含但不限于可见光传感器、UV光传感器、空气温度传感器、相对湿度传感器、空气流动传感器、CO2传感器、IR温度传感器、化学传感器、pH传感器以及被配置成以各种光谱质量捕捉农业环境的静态图像或视频的相机。在一些实施方案中，如上所述，可以将多个传感器4220封装到集成传感器组合件3100中，以简化接线并易于安装。节点阵列4100中的每个节点4200还可以包含与节点4200所位于的环境区域有关的传感器4220的不同组合。例如，可以根据在环境中使用的层4300来部署不同类型的传感器4220。
节点阵列4100中的节点4200还可以被配置成共享电力和网络连接，以简化分布式传感器网格4000中的多个传感器4220的集成。如上所述，在一些实施方案中，多个照明器材1000可以用作分布式传感器网格4000的连接平台。传感器4220可以联接到PoE端口1008A-D或USB端口1012A和1012B，以使用电缆或软件狗供电和联网，其示例性实例在图18和19中示出。在一些实施方案中，位于各个层4300处的多个传感器4220可以连接到单个照明器材1000。例如，土壤传感器可以经由从USB端口1012B悬挂的长USB扩展电缆连接(例如，示例性图像在图33S中示出)，并且照明传感器可以直接连接到PoE端口。通过将多个照明器材1000连接在一起，还可以连接传感器4220，从而形成分布式传感器阵列。
控制系统
农业环境中的分布式传感器也可以联接到一个或多个控制系统，使得由一个或多个分布式传感器获取的数据可以用于调整一个或多个控制系统的操作参数。控制系统可以包含但不限于照明、加热、空气流动、流体循环和湿度调节系统。对于多种农业环境，控制系统可以被配置成从环境中的单个或几个位置影响种植条件。例如，影响空气流动的HVAC系统可以在环境中沿墙壁或天花板间歇地分散，从而在改变操作参数时影响多个节点4200。在另一个实例中，照明器材1000可以影响位于照明器材1000正下方和其附近的节点4200处的种植条件。因此，由一个或多个传感器4220获取的数据可以用于调节控制系统，使得改善或保持了跨多个节点4200的种植条件。
人机界面
在一些实施方案中，如图20A中所示，分布式传感器网格4000可以连接到处理器5000。处理器5000可以是计算机或服务器，其在分布式传感器网格4000中处理和存储来自传感器4220的各种数据。处理器5000还可以包含HMI 5100，其示例性实施方案在图21A中的计算机上示出，其允许用户监测和控制农业环境的各个方面。例如，用户可以访问由传感器4220获得的各种数据，查看和显示各种数据，并且控制一个或多个控制系统(例如，照明、加热、空气流动、流体循环和湿度调节系统)。
在一些实施方案中，HMI 5100可以使用户能够从分布式传感器网格4000中的阵列4100选择一个或多个节点4200，并显示由这些节点4200收集的数据。为了促进节点4200的选择，HMI 5100可以包含农业环境的表示。例如，图21B-21G示出了植物的不同布置(例如，水平/垂直耕作，一个或多个植物架子，每个架子一行或多行植物)的各种顶视图和侧视图。如图所示，农业环境的表示可以用由设置在分布式传感器网格4000中的各个传感器记录的数据覆盖。例如，图21C和21E示出了每个照明器材1000的感觉数据。图21G示出了不同层(例如，土壤层4310、植物层4320、光顶篷层4330和周围环境层4340)处的感觉数据。所示出的数据可以包含但不限于各个控制系统的操作参数(例如，照明器材1000的电力消耗、流体循环系统中的泵功率)和环境参数(例如，空气温度、叶片温度、空气流动速率、相对湿度、PPFD、pH水平)。HMI 5100还可以允许用户选择不同的节点阵列4100(例如，环境中的单独的种植区域或种植屋)、环境的视图(例如，顶视图、侧视图、透视图)以及联接到传感器4220的控制系统(例如，各个照明器材1000)。数据也可以实时更新，从记录时间列表中选择或被显示为一段时间内的平均值。
HMI 5100可以允许用户根据时间显示历史数据，如图21H-J中所示。例如，图21H示出了环境温度、相对湿度、电力、照明器材1000的温度、二氧化碳浓度、进入水温(EWT)、出水温度(LWT)和几天时间内的片上系统(SoC)温度。可以实时连续地或以设置的时间增量(例如，每30分钟、60分钟和3小时)递增地记录数据。HMI 5100还可以允许用户控制和显示如图21I和21J中示出的时间表作为甘特图。时间表可以用于组织待对环境进行的任务(例如，在为期一周的操作期间，流体循环或HVAC系统应开启的日间，环境中各种系统的维护时间表)。如图21J中所示，还可以使用三维线图来根据多个参数来显示数据。
HMI 5100还可以允许用户调整控制系统(例如，调整照明器材1000的输出以模拟日出和日落)。在一些实施方案中，处理器5000可以基于来自一个或多个传感器4420的数据和用户定义的标准(例如，设置温度、相对湿度、CO2浓度)至少部分地使各种可控制条件自动化。
如上所述，如图21K中所示，可以将一个或多个相机联接到分布式传感器网格4000以记录农业环境的一部分的静止图像或视频，以允许用户远程地检查环境。在一些实施方案中，相机的选择可以基于相机相对于由用户选择的节点4200或控制系统(例如，照明器材1000)的接近度和视场。图像或视频可以根据用户的命令获取，也可以按预设时间表记录。
HMI 5100还可以被配置成显示在各个面板中分开的环境的多个视图、数据以及图像或视频。例如，图21A以象限格式示出了HMI 5100的一个示例性实施方案，其包含示出了环境的表示的不同视图、各种数据的时间历史以及由相机记录的图像。
在一些实施方案中，处理器5000还可以对由分布式传感器网格4000中的传感器4420收集的数据进行另外的分析。在图22A-C示出了这种分析的示例性图示，其示出了在不同时间捕捉的环境中的三维空气流动分布的各种视图。
根部区域层监测
基于上述和附图中示出的各种概念，现在将描述涉及感测系统的各个发明实施方案，所述感测系统被配置成监测与分布式感测技术兼容的植物系统的根部区域层。
再次参考图20C，特别是节点阵列4100的土壤层4310，在一些类型的受控农业环境中，在土壤中种植植物或农作物，而在其它环境中，不在土壤中种植植物或农作物；相反，相应植物的根系可以暴露于多种其它营养源和/或各种技术以向根系提供营养。鉴于前述内容，在本文讨论的发明概念的其它实施方案中，以上结合节点阵列讨论的土壤层可以更一般地被视为“根部区域层”(无论根在土壤中还是暴露于一个或多个其它营养源)。如上所述，一个或多个传感器可以位于根部区域层中，以测量和监测与一个或多个根系的健康和营养密切相关的各种条件和参数。
通常，植物的根系可以提供对植物的生长和健康重要的各种功能。例如，根系可以从周围环境吸收水和营养，从而为植物提供营养。根系还可以储存营养，以备将来消耗。根系可以提供这种功能的程度可能会受根系周围的环境条件的影响。例如，低于标准的环境条件可以减少植物对水或营养的摄取。通过部署传感器以监测特定于植物根系的环境条件(例如，节点阵列的根部区域层中)，来自传感器的数据可以用于调整农业环境中的各个控制系统，以改善或保持根系的功能。
作为土壤(例如，泥土)的替代，“水培”是指在不使用土壤而是使用营养液(例如，水溶剂中的矿物质)种植植物的方法。植物可以仅在其根部暴露于矿物质溶液的情况下进行种植，或者根部可以由惰性介质(例如，碎石或珍珠岩)支持。不使用固体介质的水培方法的实例包含营养膜技术(NFT)、深水培养(DWC)、灯芯水培、潮汐灌溉系统、滴灌水培和气培法(在空气或水雾环境中种植植物的技术，例如雾培、水雾培，其中植物的悬垂根和下茎用雾化的营养丰富溶液喷洒)。在水培法中可以使用多种营养(有时也被称为“灌溉施肥”)；这种营养的实例包含但不限于天然或合成肥料、鱼废物的副产品和鸭粪。
可能影响根系功能的环境条件可能取决于所使用的农业环境的类型而有所不同。例如，在先前讨论的基于土壤的环境中，根系的功能可以取决于各个参数，包含但不限于：(1)土壤温度；(2)土壤的电导率，其是土壤盐度、土壤质地和水分含量的指标；(3)pH值；(4)水张力，其与根系从土壤中提取水所应克服的力有关；(5)透气性；(6)土壤压实度，其可以是水和土壤质量的指标；和(7)土壤的水含量。对于水培环境，根系的功能可以取决于各个参数，包含但不限于(1)溶液温度；(2)pH值；(3)电导率，其是溶液盐度的指标；和(4)氧化还原电位，其提供水氧合和生物活性。
根据本文公开的概念，可以在节点阵列的根部区域层中采用各种类型的传感器以监测上述各个参数。可以在根部区域层采用的传感器的实例包含但不限于温度传感器(例如，热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器)、用于电导率的电磁传感器、溶解氧传感器、氮传感器、二氧化碳传感器、光学传感器(例如，被配置成用于可见、近红外(NIR)、中红外(MIR)和偏振光的光电探测器)、用于土壤压实度的机械传感器、电化学传感器(例如，pH传感器)，用于土壤透气性的空气流动传感器和水含量传感器(例如，同轴阻抗介电反射计、频域反射计、时域透射计、石膏块、中子探针)。
结论
本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明教导的一个或多个具体应用。应当理解，前述实施例主要是通过举例给出的，并且在所附权利要求及其等同的范围内，可以以不同于所具体描述和要求的方式实践发明实施例。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。
另外，如果这种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾，则两个或两个以上这种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合都包含在本公开的发明范围内。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施方案的相应元件的设计、操作条件和布置中进行其它替换、修改、改变和省略。数值范围的使用并不排除落在以相同方式实现相同功能以产生相同结果的范围之外的等同。
可以以多种方式来实施上述实施例。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实施实施例。当在软件中实施时，软件代码可以在合适的处理器或处理器集合上执行(无论是在单个计算机中提供还是在多个计算机之间分布)。
此外，应当理解，计算机可以以多种形式中的任何一种来体现，例如机架安装式计算机、台式计算机、膝上型计算机或平板计算机。另外，计算机可以被嵌入通常不被认为是计算机但是具有合适的处理能力的装置中，所述装置包含个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其它合适的便携式或固定电子装置。
而且，计算机可以具有一个或多个输入和输出装置。这些装置尤其可以用于呈现用户界面。可以用来提供用户界面的输出装置的实例包含用于视觉呈现输出的打印机或显示屏，以及用于听觉呈现输出的扬声器或其它声音生成装置。可以用于用户界面的输入装置的实例包含键盘和指示装置，例如鼠标、触摸板和数字面板。作为另一个实例，计算机可以通过语音识别或以其它可听格式接收输入信息。
这种计算机可以通过一个或多个网络以合适的形式互连，包含局域网或广域网，例如企业网络、智能网络(IN)或因特网。这种网络可以基于合适的技术，可以根据适当的协议进行操作，并且可以包含无线网络、有线网络或光纤网络。
本文概述的各种方法或过程可以被编码为可在采用多种操作系统或平台中的任何一种的一个或多个处理器上执行的软件。另外，可以使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任何一种来编写这种软件，并且还可以将其编译为可执行机器语言代码或在框架或虚拟机上执行的中间代码。一些实施方案可以具体地采用特定操作系统或平台以及特定编程语言和/或脚本工具中的一个或多个来促进执行。
而且，各种发明概念可以体现为一种或多种方法，已经提供了所述方法的至少一个实例。在一些情况下，作为方法一部分进行的动作可以以不同的方式进行排序。因此，在一些发明实施方案中，给定方法的相应动作可以以与具体示出的顺序不同的顺序进行，这可以包含同时进行一些动作(即使这种动作在说明性实施例中被示出为顺序动作)。
本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献通过引用整体并入。
如本文定义和使用的所有定义应被理解为优先于字典定义、通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非明确相反指示，否则本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一个/一种(a/an)”应被理解为表示“至少一个”。
本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应被理解为表示如此结合的元素(即，在一些情况下，结合地存的元素；并且在其它情况下，分离地存在的元素)中的“一个或两个”。用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式解释，即如此结合的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”从句具体标识的元素之外，还可以任选地存在其它元素，无论与那些具体标识的元素相关还是无关。因此，作为一个非限制性实例，在与开放式语言(例如“包括”)结合使用时，对“A和/或B”的提及在一个实施例中可以仅指A(任选地包含除B之外的元素)；在另一个实施例中可以仅指B(任选地包含除A之外的元素)；在又一个实施例中可以指A和B(任选地包含其它元素)；等等。
如本文在说明书和权利要求书中所使用，“或”应被理解为具有与如上文所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分开将列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包含多个元素或元素列表中的至少一个，但也包含不止一个，并且任选地包含另外的未列出的项目。仅明确相反指示的术语，例如“……中的仅一个”或“……中的恰好一个”，或当在权利要求书中使用时，“由……组成”将是指包含多个元素或元素列表中的恰好一个元素。一般而言，当在排他性术语(例如，“任一个”、“……中的一个”、“……中的仅一个”或“……中的恰好一个”)之后时，本文使用的术语“或”仅应被解释为指示排他性选择连词(即，“一个或另一个，但并非两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本由……组成”应具有专利法领域中所使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用，在提及一个或多个元素的列表时，短语“至少一个”应被理解为是指从元素列表中的任何一个或多个元素选择的至少一个元素，但不一定包含元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中的元素的任何组合。本定义还允许，除了短语“至少一个”所指代的元素列表中具体标识的元素之外，还可以任选地存在其它元素，无论与具体标识的那些元素相关还是无关。因此，作为一个非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可以是指至少一个，任选地包含不止一个A，且不存在B(并且任选地包含除B之外的元素)；在另一个实施例中可以是指至少一个B(任选地包含不止一个B)，且不存在A(并且任选地包含除A之外的元素)；在又一个实施例中可以是指至少一个A(任选地包含不止一个A)以及至少一个B(任选地包含不止一个B)(并且任选地包含其它元素)；等等。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语，例如“包括”、“包含”、“载运”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由……构成”等，应被理解为开放式的，即是指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，仅过渡短语“由……组成”和“基本由……组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡短语。

Claims (50)

1.一种分布式传感器系统，其包括：
第一多个集成传感器组合件，其沿(1)第一水平轴线以大致或基本规则的间隔分布，所述间隔由第一间距限定，并且沿(2)垂直轴线以与农业环境的第一组垂直层相对应的间隔分布，
其中：
所述第一水平轴线与所述垂直轴线基本正交；并且
沿所述第一水平轴线的所述第一多个集成传感器组合件的所述第一间距基本对应于基本沿所述第一水平轴线设置在所述农业环境中的第一多个照明器材的相应位置。
2.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其进一步包括：
所述第一多个照明器材，所述第一多个照明器材中的每个照明器材包含至少一个端口，所述至少一个端口联接到所述第一多个集成传感器组合件中的至少一个集成传感器组合件。
3.根据权利要求2所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个照明器材中的每个照明器材包括：
铝外壳；
至少一个光源，其由所述铝外壳机械地支撑；
至少一个铜管，其热联接到所述铝外壳以载运流体冷却剂，其中在所述照明器材的操作期间，流过所述至少一个铜管的所述流体冷却剂提取由所述照明器材生成的热量；
至少一个以太网供电(PoE)端口；和
至少一个通用串行总线(USB)端口。
4.根据权利要求3所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件联接到所述第一多个照明器材中的一个照明器材的所述至少一个PoE端口或所述至少一个USB端口。
5.根据权利要求4所述的分布式传感器系统，其中所述至少一个集成传感器组合件经由至少一个扩展器联接到所述一个照明器材的所述至少一个PoE端口或所述至少一个USB端口。
6.根据权利要求5所述的分布式传感器系统，其中所述至少一个扩展器包含至少一个电缆、至少一个鹅颈柔性扩展器和/或至少一个角度可调扩展器。
7.根据权利要求3所述的分布式传感器系统，其中所述一个照明器材的所述至少一个PoE端口或所述至少一个USB端口向所述至少一个集成传感器组合件供应操作电力或网络通信接入中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个照明器材中的每个照明器材经由至少一个防水网络通信电缆联接到所述第一多个照明器材中的另一个照明器材，使得所述第一多个集成传感器组合件中的相应集成传感器组合件通过所述第一多个照明器材彼此通信地联接。
9.根据权利要求2所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个照明器材中的每个照明器材经由至少一个电力电缆联接到所述第一多个照明器材中的另一个照明器材，使得所述第一多个集成传感器组合件从所述第一多个照明器材接收电力。
10.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件联接到向所述集成传感器组合件供应电力或网络通信接入中的至少一种的电缆。
11.根据权利要求10所述的分布式传感器系统，其中所述电缆联接到所述第一多个照明器材中的一个照明器材。
12.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件不从电池接收电力。
13.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件不进行无线通信。
14.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件包括多个传感器，所述多个传感器包含：
空气温度传感器；
可见光传感器；
近红外(NIR)传感器；
相对湿度传感器；
相机；
二氧化碳(CO2)传感器；和/或
红外(IR)传感器。
15.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其中所述农业环境的所述第一组层包括根部区域层、植物层、光顶篷层或周围环境层中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其中：
位于所述第一组层中的第一层处的所述第一多个集成传感器组合件中的第一集成传感器组合件包括第一多个传感器；
位于所述第一组层中的第二层处的所述第一多个集成传感器组合件中的第二集成传感器组合件包括第二多个传感器；
所述第一层和所述第二层对应于所述农业环境的不同层；
所述第一多个传感器和所述第二多个传感器不同。
17.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其进一步包括：
第二多个集成传感器组合件，其沿第二水平轴线与所述第一多个集成传感器偏移第二间距，所述第二水平轴线与所述第一水平轴线和所述垂直轴线基本正交。
18.根据权利要求17所述的分布式传感器系统，其中所述第二间距基本对应于沿所述第二水平轴线在第二多个照明器材和所述第一多个照明器材之间的距离，其中所述第二多个照明器材布置在所述农业环境中，基本平行于所述第一水平轴线。
19.根据权利要求1所述的分布式传感器系统，其进一步包括：
第二多个集成传感器组合件，其沿所述垂直轴线设置在所述第一多个集成传感器组合件上方，
所述第二多个集成传感器组合件沿(1)所述第一水平轴线以所述规则的间隔分布，所述间隔由所述第一间距限定，并且沿(2)所述垂直轴线以与所述农业环境的第二组层相对应的间隔分布。
20.根据权利要求19所述的分布式传感器系统，其中所述农业环境的所述第一组层包括第一根部区域层、第一植物层、第一光顶篷层或第一周围环境层中的至少一个。
21.根据权利要求21所述的分布式传感器系统，其中所述农业环境的所述第二组层包括第二根部区域层、第二植物层、第二光顶篷层或第二周围环境层中的至少一个。
22.一种分布式传感器系统，其包括：
第一多个集成传感器组合件，其沿(1)第一水平轴线以大致或基本规则的间隔分布，所述间隔由第一间距限定，并且沿(2)垂直轴线以与农业环境的第一组层相对应的间隔分布，
其中：
所述第一水平轴线与所述垂直轴线基本正交；并且
所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件机械地联接到电缆或端口中的一个，所述电缆或端口向所述集成传感器组合件供应电力或网络通信接入中的至少一种。
23.根据权利要求22所述的分布式传感器系统，其进一步包括：
第一多个照明器材，所述第一多个照明器材中的每个照明器材经由相对应的电缆或相对应的端口联接到所述第一多个集成传感器组合件中的至少一个集成传感器组合件。
24.根据权利要求23所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个照明器材中的每个照明器材包括：
铝外壳；
至少一个光源，其由所述铝外壳机械地支撑；
至少一个铜管，其热联接到所述铝外壳以载运流体冷却剂，其中在所述照明器材的操作期间，流过所述至少一个铜管的所述流体冷却剂提取由所述照明器材生成的热量；
至少一个以太网供电(PoE)端口；和
至少一个通用串行总线(USB)端口。
25.根据权利要求24所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件联接到所述第一多个照明器材中的一个照明器材的所述至少一个PoE端口或所述至少一个USB端口。
26.根据权利要求25所述的分布式传感器系统，其中所述至少一个集成传感器组合件经由至少一个扩展器联接到所述一个照明器材的所述至少一个PoE端口或所述至少一个USB端口。
27.根据权利要求26所述的分布式传感器系统，其中所述至少一个扩展器包含至少一个电缆、鹅颈柔性扩展器和/或角度可调扩展器。
28.根据权利要求24所述的分布式传感器系统，其中所述一个照明器材的所述至少一个PoE端口或所述至少一个USB端口向所述至少一个集成传感器组合件供应所述电力或所述网络通信接入中的至少一种。
29.根据权利要求23所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个照明器材中的每个照明器材经由至少一个防水网络通信电缆联接到所述第一多个照明器材中的另一个照明器材，使得所述第一多个集成传感器组合件通过所述第一多个照明器材彼此通信地联接。
30.根据权利要求23所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个照明器材中的每个照明器材经由至少一个电力电缆联接到所述第一多个照明器材中的另一个照明器材，使得所述第一多个集成传感器组合件从所述第一多个照明器材接收电力。
31.根据权利要求22所述的分布式传感器系统，其中所述电缆或所述端口中的所述一个联接到至少一个照明器材。
32.根据权利要求22所述的分布式传感器系统，其中所述第一多个集成传感器组合件中的每个集成传感器组合件包括多个传感器，所述多个传感器包含：
空气温度传感器；
可见光传感器；
近红外(NIR)传感器；
相对湿度传感器；
相机；
二氧化碳(CO2)传感器；和/或
红外(IR)传感器。
33.根据权利要求22所述的分布式传感器系统，其中所述农业环境的所述第一组层包括根部区域层、植物层、光顶篷层或周围环境层中的至少一个。
34.根据权利要求22所述的分布式传感器系统，其中：
位于所述第一组层中的第一层处的所述第一多个集成传感器组合件中的第一集成传感器组合件包括第一多个传感器；
位于所述第一组层中的第二层处的所述第一多个集成传感器组合件中的第二集成传感器组合件包括第二多个传感器；
所述第一层和所述第二层对应于所述农业环境的不同层；
所述第一多个传感器和所述第二多个传感器不同。
35.根据权利要求22所述的分布式传感器系统，其进一步包括：
第二多个集成传感器组合件，其沿第二水平轴线与所述第一多个集成传感器偏移第二间距，所述第二水平轴线与所述第一水平轴线和所述垂直轴线基本正交。
36.根据权利要求22所述的分布式传感器系统，其进一步包括：
第二多个集成传感器组合件，其沿所述垂直轴线设置在所述第一多个集成传感器组合件上方，
所述第二多个集成传感器组合件沿(1)所述第一水平轴线以规则的间隔分布，所述间隔由所述第一间距限定，并且沿(2)所述垂直轴线以与所述农业环境的第二组层相对应的间隔分布。
37.根据权利要求36所述的分布式传感器系统，其中所述农业环境的所述第一组层包括第一根部区域层、第一植物层、第一光顶篷层或第一周围环境层中的至少一个。
38.根据权利要求37所述的分布式传感器系统，其中所述农业环境的所述第二组层包括第二根部区域层、第二植物层、第二光顶篷层或第二周围环境层中的至少一个。
39.一种用于由三个正交轴线限定的种植区域空间中的受控环境农业(CEA)的分布式照明和感测系统，所述三个正交轴线包含沿所述种植区域空间的宽度的第一轴线(x)、沿所述种植区域空间的长度的第二轴线(y)和沿所述种植区域空间的高度的第三轴线(z)，所述系统包括：
照明系统，其包括：
在由所述种植区域空间的所述第一轴线和所述第二轴线限定的平面中的第一位置(x1,y1)处并且在沿所述种植区域空间的所述第三轴线的第一高度(zlight)处的第一照明器材；和
在由所述种植区域空间的所述第一轴线和所述第二轴线限定的所述平面中的第二位置(x2,y2)处并且在沿所述种植区域空间的所述第三轴线的所述第一高度(zlight)处的第二照明器材，
其中所述第一照明器材在所述第一高度(zlight)处的所述第一位置(x1,y1)和所述第二照明器材在所述第一高度(zlight)处的所述第二位置(x2,y2)限定了所述种植区域空间中的多维节点网格，所述照明系统在所述多维节点网格处向所述多维节点网格的相应节点提供操作电力或网络通信接入中的至少一种；和
感测系统，其包括：
位于所述多维节点网格的第一节点(x1,y1,z1)处或其附近的第一传感器，所述第一传感器联接到所述第一照明器材，以从所述第一照明器材接收操作电力或网络通信接入中的至少一种；和
位于所述多维节点网格的第二节点(x2,y2,z2)处或其附近的第二传感器，所述第二传感器联接到所述第二照明器材，以从所述第二照明器材接收操作电力或网络通信接入中的至少一种，
其中z1和z2不同。
40.根据权利要求39所述的系统，其中x1＝x2或y1＝y2，使得所述多维节点网格是二维节点阵列。
41.根据权利要求39所述的系统，其中x1和x2不同，并且y1和y2不同，使得所述多维节点网格是的三维节点阵列。
42.根据权利要求39所述的系统，其中：
所述种植区域空间包含沿所述种植区域空间的所述第三轴线的多个垂直层；
所述第一节点在所述多个垂直层中的一个处；并且
所述第二节点在所述多个垂直层中的另一个处。
43.根据权利要求42所述的系统，其中所述多个垂直层包含根部区域层(zroot)、植物层(zplant)，光顶篷层(zlight)和周围环境层(zambient)。
44.根据权利要求42所述的系统，其中所述照明系统向所述第一传感器和所述第二传感器提供所述操作电力和所述网络通信接入。
45.根据权利要求44所述的系统，其中：
所述第一照明器材包含第一以太网供电(PoE)端口或第一USB端口中的至少一个；
所述第二照明器材包含第二以太网供电(PoE)端口或第二USB端口中的至少一个；
所述第一传感器联接到所述第一PoE端口或所述第一USB端口中的所述至少一个；并且
所述第二传感器联接到所述第二PoE端口或所述第二USB端口中的所述至少一个。
46.根据权利要求45所述的系统，其中至少所述第一传感器是包括多个传感器的第一集成传感器组合件，所述多个传感器包含：
空气温度传感器；
可见光传感器；
近红外(NIR)传感器；
相对湿度传感器；
相机；
二氧化碳(CO2)传感器；和/或
红外(IR)传感器。
47.根据权利要求45所述的系统，其中至少所述第一传感器经由至少一个扩展器联接到所述第一照明器材的所述第一PoE端口或所述第一USB端口中的所述至少一个。
48.根据权利要求47所述的系统，其中所述至少一个扩展器包含至少一个电缆、至少一个鹅颈柔性扩展器或至少一个角度可调扩展器中的至少一个。
49.根据权利要求47所述的系统，其中至少所述第一传感器是包括多个传感器的第一集成传感器组合件，所述多个传感器包含：
空气温度传感器；
可见光传感器；
近红外(NIR)传感器；
相对湿度传感器；
相机；
二氧化碳(CO2)传感器；和/或
红外(IR)传感器。
50.根据权利要求39所述的系统，其中所述感测系统进一步包括：
位于所述多维节点网格的第三节点(x3,y3,z3)处或其附近的第三传感器，所述第三传感器联接到所述第一照明器材和所述第二照明器材中的一个，以从所述第一照明器材和所述第二照明器材中的所述一个接收所述操作电力或所述网络通信接入中的所述至少一种，其中如果x3＝x1且y3＝y1，则z3与z1不同；并且如果x3＝x2且y3＝y2，则z3与z2不同。
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