CN112825713A - 一种基于风扇变频调节的植物工厂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风扇变频调节的植物工厂，在作物栽培室与制冷加热设备之间设有混风风室；制冷加热设备出风口与混风风室贯通连接，混风风室与各层作物栽培室之间通过变频风扇贯通连接，作物栽培室内设有物补光灯、加湿器的出雾口、光照传感器、风速传感器、变频风扇均与控制室内的控制模块信号连接，实现作物栽培室内温度均衡。本发明提出在风扇进风口与制冷加热设备之间加入混风通道，待通道内充满冷空气之后再打开变频风扇，保证上层风扇也能够抽入足量的冷空气。此外，通过控制系统对植物工厂内的每层风扇进行变频调节使得内部各层环境温度能够同步调控，减少各栽培层之间的温度差异，保持作物品质的稳定性，为作物提供适宜生长的环境。

Description

一种基于风扇变频调节的植物工厂

技术领域

本发明涉及一种植物工厂，尤其涉及一种基于风扇变频调节的植物工厂。

背景技术

气候异常、水资源短缺以及土地资源的日益减少是加剧世界粮食危机的重要因素。据联合国数据显示2050年全球人口将增加至98亿，其中城镇人口将占66％。为了解决全球粮食短缺问题，一种新的种植方式——“植物工厂”应运而生。植物工厂由隔热且几乎密闭的类似仓库结构的栽培设施组成，包括人工光源、空调、空气循环风扇、二氧化碳，营养液供应装置以及环境调控装置等。微型植物工厂广泛应用于教育机构、餐厅、办公场所及医院等场景，此外由于微型植物工厂的结构尺寸限制，使得生菜、紫苏等叶菜类作物成为其主要的栽培对象。近年来，微型植物工厂在中国、日本、韩国等许多国家逐渐流行起来，为城镇居民的生活提供了一种新的休闲娱乐方式。

在传统的商用型植物工厂中，为了消除光源及其它设备产生的热量，一般采用空调来进行环境温度的控制，同时降低由于植物蒸腾作用导致的环境湿度。此外，还能够加强植物工厂内部的空气循环，达到提高作物光合作用能力以及蒸腾速率的目的，并且实现植物工厂内部环境温度的均匀分布。而微型植物工厂由于其内部的小环境气候特点，在使用小型空调设备来进行环境调控的过程中由于冷空气下沉的特点，容易引起下层温度与上层差异过大，导致能源的损耗。更为严重的情况是，在上层栽培架达到设定值温度时，底层的温度低于作物的最佳生长温度，导致产量的减少甚至冻害的发生。因此对微型植物工厂内各栽培架之间的温度进行统一的精准调控，从而降低微型植物工厂的能耗及增加产量，促进规模化生产应用有十分重要的意义。

发明内容

发明目的：本发明目的是解决植物工厂上层栽培空间内不能及时有效地获取足够多的冷空气，导致各层栽培室内温度难以控制的问题，提供一种适宜作物生长的基于风扇变频调节的植物工厂。

技术方案：一种基于风扇变频调节的植物工厂，包括壳体内设有若干层作物栽培室、壳体上方设有控制室、壳体下方设有制冷加热设备，在作物栽培室与制冷加热设备之间设有混风风室；制冷加热设备出风口与混风风室贯通连接，混风风室与各层作物栽培室之间通过变频风扇贯通连接，作物栽培室内设有的物补光灯、加湿器的出雾口、光照传感器、风速传感器、温湿度传感器、变频风扇均与控制室内的控制模块信号连接，实现作物栽培室内温度均衡。其中，加湿器出雾口与加湿器连接，加湿器与控制系统连接，用于增加作物栽培内的环境湿气。

进一步地，混风风室的内部设有竖条隔板，使得通风宽度比作物栽培室的宽度窄且比变频风扇的直径宽。混风风室设计时，集中内部输送的冷风，提高冷空气在混风室内的混合速度，内部空间为贯通式。

进一步地，风速传感器位于变频风扇的正前方。

进一步地，作物栽培室、混风风室外部由隔热材料包围，减少风室内冷空气与外界进行能量交换。

进一步地，变频风扇与变频器连接，变频器与控制模块信号连接。

进一步地，控制模块实现对各层作物栽培室内变频风扇的转速不同控制。变频风扇与控制室内的变频器连接，变频器与控制系统的模拟量模块连接，用于调节变频风扇的转速，改变进风量，从而调整各作物栽培室内的环境温度。

进一步地，壳体外部设有人机交互的触摸屏，触摸屏与控制模块信号连接。

进一步地，控制室内设有无线通信的远程模块实现用户在移动端对植物工厂进行远程监控。

一种基于风扇变频调节的植物工厂的控制方法，包括如下步骤：

(1)当系统启动后，控制模块启动制冷加热设备工作，各层变频风扇不工作；

(2)当混风室内温度传感器检测温度达到设定值时，控制模块启动最顶层的作物栽培室的变频器，并打开变频风扇，将冷空气引入作物栽培室内；

(3)等温度达到预定值后启动其他层的变频风扇工作，同时调整各个变频风扇的转速，按照顶层最高转速，其余层依次递减的模式调整；

(4)各层作物栽培室内温度达到一致且为预设温度时，保持当前三个变频风扇的转速。

有益效果：本发明具有以下优点：

(1)加入混风风室，提高混风效率：传统植物工厂的作物栽培室内的环境温度由制冷加热设备通过管道出风口直接输送到各栽培室内，由于冷空气下沉等原因，导致上层作物栽培室与下层作物栽培室温度不均匀，影响作物生长发育，经过改进，加入混风风室的植物工厂，将制冷加热设备的出气口与混风风室连接，当打开制冷加热设备后，让冷气先再混风风室内混合均匀，然后由变频风扇将冷气吹入作物栽培室内；

(2)采用变频风扇调节，实现各栽培室内温度均匀：植物工厂加入混风风室后，冷空气还是存在少量下沉现象，导致上层作物栽培室温度要高于底层作物栽培室，影响每层作物生长，加入变频风扇后，可控制每层风扇不同的转速，从而改变进风量，调整各作物栽培室温度，实现温度均衡；

(3)引入作物专家系统，实现对作物全自动化管理：控制系统通过温湿度、光照强度、风速传感器在线检测传感器，实时检测系统参数，反馈给控制器，由控制器分别依据作物专家系统进行控制决策，控制执行机构，完成智能养护；

(4)融入互联网技术，管理便捷：运用互联网技术开发远程管理云平台，用户通过Android端、Web端访问云平台，即可控制植物工厂进行系列动作，如开灯、降温、增湿等动作，方便用户操作；

(5)设备采用模块化结构，操作简单，可靠性高，维修方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图及沿A-A方向的剖面图；

图2为本发明的立体图；

图3为本发明的系统控制示意图；

图4为本发明的云平台控制画面；

图5为本发明降温后混风分室的温度场分布云图；

图6为本发明降温后各栽培层的温度场分布云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明壳体由4040铝合金型材制成，壳体上方为控制室1，包括控制模块3、加湿器7、变频器等，其中加湿器与控制模块的I/O输入输出口接连，变频器与控制模块的模拟量模块通讯。壳体正上方设有7寸触摸屏2，通过MODBUS通讯协议与控制模块交互数据信息，实现单机对系统的环境数据显示和变频风扇等执行机构控制，7寸触摸屏2可以设置为手动和自动模式，自动模式可以根据环境参数，自动控制植物补光灯11、变频风扇12等执行机构达到预期设定的目标值。

壳体内左侧是三层作物栽培室8，作物栽培室内设有植物补光灯11、变频风扇12、光照传感器、环境温湿度传感器10、风速传感4，其中植物补光灯与控制模块的I/O输入输出模块接连，光照传感器、环境温湿度传感器、风速传感与控制模块的模拟量模块连接。其中传感器用于采集三层作物栽培室内的环境参数，用作控制策略中的变量输入。变频风扇与变频器连接，可通过控制模块对变频器的控制从而改变风扇的转速，达到进风量的改变，调整作物栽培室内的环境温度。

壳体中间部分是混风风室5，与三层作物栽培、制冷加热设备6连接，制冷加热设备与控制模块连接，制冷加热设备将冷气从出风口吹入混风风室，然后再混风风室混合均匀后，由变频风扇将冷气吹入到各作物栽培室内，从而调整各栽培室内的环境温度。植物工厂壳体由类似隔热保温棉的保温隔热材料9包裹，用于作物栽培层、混风风室的保温。如图2所示，为本发明的整体立体图。

如图3所示，系统的核心的STM32单片机，配合传感器采集模块、I/O输入输出模块、模拟量模块、远程模块等，组成一套完整的控制系统，可实现对植物工厂内环境参数的采集和智能化控制。系统融入一类作物(生菜)专家系统，将根据作物不同生长周期，如：发芽期、幼苗期、莲座期、结球期等，对应不同的控制策略，自动根据作物栽培室内的环境参数，控制执行机构，从而为作物提供适宜的生长环境。同时系统融入互联网技术，通过控制模块的远程模块实现用户在Android端、Web端远程对植物工厂进行升温、加湿、补光等一系列动作，如图4所示为云平台控制界面，最大程度上为作物提供适宜生长的环境。

新型植物工厂在传统植物工厂的基础上加入了混风通道，解决了上层循环风扇无法抽取到足够多的冷空气，导致无法对上层栽培空间进行有效温度控制这一问题，如图5所示为5min，15min和30min后混风通道的温度场分布云图，可见冷空气在混风风室混合均匀。同时，还对传统的降温模式进行了改进，新型植物工厂加入了风扇变频调节，控制系统通过风速传感器、温湿度传感器、光照强度传感器等采集植物工厂内部有效环境参数，通过对变频风扇、加湿器、制冷加热设备、植物补光灯等执行机构的合理控制，如图6分别为差速调节5min，15min和30min后各栽培层截面温度场分布云图，极大地增强了各栽培层环境温度的精准性。

本发明的控制方法：由于冷空气下沉的原因，当系统启动后，控制器控制制冷加热设备工作，各层变频风扇不工作，当混风室内温度传感器检测温度达到设定值时，首先控制器通过变频器打开最顶层变频风扇，并将转速调整到最高，将冷空气引入作物栽培室内，等温度达到预定值后控制其他两层的变频风扇工作，同时调整三个变频风扇的转速，将三个变频风扇按照顶层最高转速，其余两层依次递减的模式调整，待三层作物栽培层温度达到一致且为预设定温度时，保持当前三个变频风扇的转速。变频器与控制器连接，通过控制变频器改变输出调整风扇的转速，从而改变各作物栽培层的进风量，调整各作物栽培层内温度。以上控制由控制系统完成。

目前技术已非常成熟，并在多个试验基地得到推广应用。本发明具有操作简单，人机界面友好的特点，可以实现手动和自动控制两种操作方式：

手动模式：控制系统将一体式传感器采集的环境参数值通过触摸屏显示出来，用户可以根据实际情况手动控制植物补光灯、加湿器、变频风扇等执行机构；

自动模式：用户可以通过触摸屏、手机终端设置预期参数值，执行机构根据传感器采集的环境参数智能控制执行机构，实现精准控制。

Claims (9)

1.一种基于风扇变频调节的植物工厂，包括壳体内设有若干层作物栽培室(8)，其特征在于，壳体上方设有控制室(1)、壳体右下方设有制冷加热设备(6)，在所述作物栽培室(8)与制冷加热设备(6)之间设有混风风室(5)；所述制冷加热设备(6)出风口与混风风室(5)贯通连接，所述混风风室(5)与各层作物栽培室(8)之间通过变频风扇(12)贯通连接，所述作物栽培室(8)内设有的物补光灯(11)、加湿器(7)的出雾口、光照传感器、风速传感器(4)、温湿度传感器(10)、变频风扇(12)均与所述控制室(1)内的控制模块(3)信号连接，实现作物栽培室(8)内温度均衡。

2.根据权利要求1所述的一种基于风扇变频调节的植物工厂，其特征在于，所述混风风室(5)的内部设有竖条隔板，使得通风宽度比作物栽培室(8)的宽度窄且比变频风扇(12)的直径宽。

3.根据权利要求1所述的一种基于风扇变频调节的植物工厂，其特征在于，所述风速传感器(4)位于变频风扇(12)的正前方。

4.根据权利要求1所述的一种基于风扇变频调节的植物工厂，其特征在于，所述作物栽培室(8)、混风风室(5)外部由隔热材料包围。

5.根据权利要求1所述的一种基于风扇变频调节的植物工厂，其特征在于，所述变频风扇(12)与变频器连接，所述变频器与控制模块信号连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于风扇变频调节的植物工厂，其特征在于，所述控制模块实现对各层作物栽培室(8)内变频风扇(12)的转速不同控制。

7.根据权利要求1所述的一种基于风扇变频调节的植物工厂，其特征在于，所述壳体外部设有人机交互的触摸屏(2)，所述触摸屏(2)与控制模块信号连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于风扇变频调节的植物工厂，其特征在于，所述控制室(1)内设有无线通信的远程模块实现用户在移动端对植物工厂进行远程监控。

9.一种根据权利要求1所述的一种基于风扇变频调节的植物工厂的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：当系统启动后，控制模块(3)启动制冷加热设备(6)工作，各层变频风扇(12)不工作；

步骤2：当混风风室(5)内温度传感器检测温度达到设定值时，控制模块启动最顶层的作物栽培室(8)的变频器和变频风扇(12)，将冷空气引入作物栽培室(8)内；

步骤3：待最顶层的作物栽培室(8)内温度达到预定值后启动其他层的变频风扇(12)工作，同时调整各个变频风扇(12)的转速，按照最顶层最高转速，其余层依次递减的模式调整；

步骤4：各层作物栽培室(8)内温度达到一致且为预设温度时，保持当前变频风扇(12)的转速。

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