CN113940267A - 一种用于植物工厂的照护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于植物工厂的植物照护装置及方法，其至少包括能够绕种植空间内的栽培架进行运动的穿梭小车和设置在所述穿梭小车上能够对栽培架上种植的植株进行图像采集的照护采集单元，所述照护采集单元能够跟随穿梭小车沿预设路径绕所述栽培架运动的同时完成对所述栽培架上安置植株的图像采集；处理模块能够通过将所述照护采集单元采集到若干植株图像进行相互对比的方式对生长状态存在异常的植株进行标记，使得所述穿梭小车能够根据标记结果进行二次定点巡检操作，并通过安装在所述穿梭小车上的照护采集单元和监测模块进行标记植株二次验证的双重异类验证数据的采集。

Description

一种用于植物工厂的照护装置及方法

技术领域

本发明涉及室内照护装置技术领域，尤其涉及一种用于植物工厂的植物照护装置及方法。

背景技术

在现代化农业生产种植产业中，工厂化农业是一种集自动化控制、人工智能的高度专业化、现代化的设施农业。目前工厂化农业主要是通过无土栽培技术、营养控制技术、CO₂施肥技术、环境监测控制技术、节水灌溉技术等并辅以智能控制系统的方式实现高效、现代化植物生产。在利用工业化农业手段进行植物培养生产过程中，通过计算机设备进行智能控制，并依靠预先建立的相关营养控制模型和已有的工业化栽培技术和经验进行培育是一种有效且利于生产的工厂化植物生产方式。

植物工厂是继温室栽培之后发展的一种高度专业化、现代化的设施农业。它与温室生产不同点在于完全摆脱大田生产条件下自然条件和气候的制约，应用近代先进设备，完全由人工控制环境条件，全年均衡供应农产品。目前，高效益的植物工厂在发达国家发展迅速，初步实现了工厂化生产蔬菜、食用菌和名贵花木等。美国正在研究利用“植物工厂”种植小麦、水稻以及进行植物组织培养和快繁、脱毒。由于植物工厂内的作物生产环境不受外界气候等条件的影响，如生菜种苗移栽2周后，即可收获，全年收获产品20茬以上，蔬菜年产量是露地栽培的数十倍，是温室栽培的10倍以上。此外，植物工厂可实现无土栽培，不用农药，能生产无污染的蔬菜等。目前，世界上只有数十个规模化成型的植物工厂，由于设备投资大，耗电多(占生产成本一半以上)，使得高成本的投入成为全球进行植物工厂建设过程中最大的限制之一。

中国专利CN102147127A公开了一种密闭式人工光植物工厂的空调系统，包括：人工光源及人工光源散热回收器、定时控制器、热回收型空调机组；所述定时控制器控制所述人工光源的开启与关闭，白天关闭人工光源作为植物生长的暗期，夜晚开启人工光源作为植物生长的光期；所述人工光源散热回收器吸收所述人工光源的热量并经所述热回收型空调机组吸收后由空气处理机组散发向植物工厂内供热；所述热回收型空调机组及所述空气处理机组由控制器联合控制。通过定时控制器控制人工光源反昼夜开启与关闭，减少昼间冷负荷，增加夜间冷负荷，提高了空调机组的利用率，减少了装机容量，降低了初投资。该专利仅能够对植物工厂内光照和温度的一种低耗费循环系统，不存在对植株的具体照护，无法自动完成植株是否存在生长异常的观测。

中国专利CN100553443公开了一种密闭式完全利用人工光的环境控制型植物工厂，包括围护结构、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、CO₂供给系统、光源供给系统，还包括基于嵌入式网络技术的控制系统和自动计电系统；本系统是密闭隔热不透光的，并且完全采用人工光源；通过控制系统，对系统内的温度、湿度、CO₂浓度、光照、风向、风速等环境因子进行网络化监测和控制，将空气洁净与环境控制相结合，为植物生产提供清洁的、最适的生长环境。本发明具有低成本、低能耗的优点，可直接应用于无农药、高品质和高附加值的植物遗传资源和低成本化的大量快繁和大规模种苗生产，实现规格化和标准化的栽培管理和计划生产。但是该专利仅能够对整个种植空间内的环境因子进行监测和控制，无法针对植株具体位置进行微环境的监测和控制，也无法主动地完成植株的巡检和生长状况是否存在异常的判断。

此外，现有植物工厂内部设施不存在完善的照护设备，无法在人员较少的情况下，准确地监控整个培育区域内所有植物的生产差异，无法及时准确地对存在生长异常的植株早期调整，避免由于在培育后期发现异常情况过晚而无法对挽救或调节对应植株的生长状态。因此需要一种能够对植株生长进行定期监测且能够对异常植株进行筛选和异常症状分析的照护装置。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明的技术方案提供的是一种用于植物工厂的植物照护装置，其至少包括能够绕种植空间内的栽培架进行运动的穿梭小车和设置在所述穿梭小车上能够对栽培架上种植的植株进行图像采集的照护采集单元，所述照护采集单元能够跟随穿梭小车沿预设路径绕所述栽培架运动的同时完成对所述栽培架上安置植株的图像采集；处理模块能够通过将所述照护采集单元采集到若干植株图像进行相互对比的方式对生长状态存在异常的植株进行标记，使得所述穿梭小车能够根据标记结果进行二次定点巡检操作，并通过安装在所述穿梭小车上的照护采集单元和监测模块进行标记植株二次验证的双重异类验证数据的采集。其优势在于，在识别出生长状态可疑植株的情况下，本申请通过引入二次数据采集的验证操作，使得照护装置自动且准确地完成可疑植株的异常状态确认以及病症的初步分析。此外，二次验证操作能够对可疑植株进行多角度清晰图像获取便于后期病症分析的同时引入了能够对植株叶片微环境参数进行测量的监测模块，从而能够对可疑植株叶片的微环境进行数据分析，从而一定程度上识别植株的生长异常是否是植株在栽培架所处环境的差异导致的叶片光合作用异常，从而能够核实栽培架内营养液以及栽培架高度不同的层级位置对植株造成不良影响，同时也能够根据微环境参数判断栽培架上的灯光模块等元件是否存在损坏等。

根据一种优选的实施方式，所述照护采集单元的二次验证数据是按照其能够在位移组件的带动下绕标记植株进行多观察角度的工作位置变换的方式完成植株图像采集；所述监测模块能够以模拟植株叶片工作状态的方式改变其工作位置，使得所述监测模块获取到能够表征叶片生长环境的微环境参数。其优势在于，通过对植株进行多角度清晰图像的获取，能够更好地采集到植株存在病变的叶片或/和茎秆，从而方便后期根据样本库数据对病症进行有效地识别。此外能够模拟叶片状态的监测模块能够采集到准确的叶片所处微环境的参数数据，从而有效地判断出植株的异常是否是环境因子的异常造成的，进而能够根据数据量异常的环境因子，找出其对应的植物工厂模块，方便针对性地对植物工厂模块进行工作状态展开检测。

根据一种优选的实施方式，所述照护采集单元和监测模块分别采集的标记植株图像数据以及叶片微环境参数能够同时段传输至数据分析单元，所述数据分析单元通过其预先存储的表征植株生长周期内生长状态的样本数据库数据与采集到的标记植株图像进行对比分析的方式判断植株是否存在萎蔫、倒伏、退绿或黄化。其优势在于，通过预先存储的样本数据直接进行对比分析，大大减小了数据分析单元的运算量，降低了其对运行参数的需求，从而通过低成本的处理器即可完成对应的处理操作。

根据一种优选的实施方式，所述数据分析单元内还存储有影响叶片是否能够进行充足光合作用的微环境参数在植株生长周期多个时间段内的参数值样本库，从而所述数据分析单元通过将所述监测模块采集的植株叶片实际微环境参数与同一生长时期所需标准参数值进行对比的方式输出分析结果。

根据一种优选的实施方式，所述位移组件至少包括能够带动所述照护采集单元进行工作位置变换的第一机械臂和能够按照模拟叶柄对叶片进行定位支撑的方式将所述监测模块置于标记植株叶片区域的第二机械臂。其优势在于，通过设置能够在设定空间内到达任意工作位置的机械臂，从而根据需求采集到不同且准确的二次验证数据信息。

根据一种优选的实施方式，所述穿梭小车上还设置有能够驱动所述位移组件进行运动的控制单元，所述控制单元能够根据所述处理单元的植株的标记结果以及该植株对应的坐标信息而控制所述穿梭小车在沿预设路径进行二次巡检时的定点停车。

根据一种优选的实施方式，所述处理单元是在完成可疑植株图像标记的同时能够将植株图像与所述穿梭小车行进路径进行匹配，使得同一时间段采集的若干植株图像能够被反向计算出不同植株在栽培架上的安置位置，从而能够获取到标记出的可疑植株在所述栽培架上的坐标位置。

根据一种优选的实施方式，在所述数据分析单元根据二次验证数据输出的分析结果中存在其无法直接判定的植株病症的情况下，所述数据分析单元能够将对应植株的图像数据传输至植物工厂的控制中枢进行病症研判和病症样本数据的存储。

本申请还提供一种用于植物工厂的植物照护方法，至少包括以下步骤：巡检小车带动照护采集单元进行第一次巡检操作，所述照护采集单元采集种植空间内所有植株的图像；处理单元接收所述照护采集单元同一时间段内采集到的同类同期植株的图像并对若干植株图像进行对比，并将疑似存在萎蔫、倒伏、退绿或黄化异常症状的植株进行标记；所述穿梭小车根据所述处理单元的处理结果进行二次巡检，所述控制单元控制所述采集单元和监测模块在二次巡检过程中完成标记植株的图像数据以及叶片微环境参数的采集，并将采集的数据发送到数据分析单元；所述数据分析单元利用其存储的样本数据与采集图像数据以及叶片微环境参数进行对比，从而判断植株生长异常是受病菌侵害或影响叶片光合作用的微环境参数异常而导致的。其优势在于，在识别出生长状态可疑植株的情况下，本申请通过引入二次数据采集的验证操作，使得照护装置自动且准确地完成可疑植株的异常状态确认以及病症的初步分析。此外，二次验证操作能够对可疑植株进行多角度清晰图像获取便于后期病症分析的同时引入了能够对植株叶片微环境参数进行测量的监测模块，从而能够对可疑植株叶片的微环境进行数据分析，从而一定程度上识别植株的生长异常是否是植株在栽培架所处环境的差异导致的叶片光合作用异常，从而能够核实栽培架内营养液以及栽培架高度不同的层级位置对植株造成不良影响，同时也能够根据微环境参数判断栽培架上的灯光模块等元件是否存在损坏等。

根据一种优选的实施方式，所述穿梭小车上还设置有能够带动所述采集单元和监测模块进行工作位置变换的位移组件。

附图说明

图1是本发明的一种用于植物工厂的植物照护装置及方法的优选实施例的工作流程示意图；

图2是本发明的一种用于植物工厂的植物照护装置及方法的种植空间的平面示意图。

附图标记列表

1：穿梭小车；2：照护采集单元；3：处理模块；4：监测模块；5：数据分析单元；6：控制单元；7：位移组件；71：第一机械臂；72：第二机械臂；8：栽培架。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

在实际环境条件下，通过相应设备获取植株生理状况信息，按照营养控制模型和植株的需求，向植株提供营养，从而使植株达到最佳生长状态。为了能够帮助工厂化农业种植的植株进行高质量的培育，植物工厂通常是需要依据能够对种植培育空间的温度、湿度、光照、CO₂浓度等因素进行监控与调节的环境监测控制技术为植株创造适宜的生长发育条件。数据采集是整个监测控制过程的重要环节，要对环境条件进行监测和调节，首先必须要获取诸多环境因素的数据信息，这个采集数据的任务就由数据采集系统来完成，传感器是数据采集系统的重要组成部分。由于各种环境因素类型和性质均不同，数据采集系统就需要采用温度传感器、湿度传感器、光照传感器、生物传感器等不同功能的传感器。数据采集系统采集的数据经计算机统计分析和智能化处理后显示出来，计算机智能系统根据显示的数据和植株生长所需的最佳条件发出指令，控制相关系统和设备运作，调整各环境因素至最佳状态，确保植株生产科学、有序、规范地进行。

目前，工厂化农业采用的环境控制方法通常假定设施环境内空气温度、湿度等大气因素的状况在环境空间内具有一致性，事实上这些因素的状况在空间内并不一致，而是呈现出一种空间分布状态，因此要更加精确地为植株创造最佳生长条件，就需要控制此因素在设施环境空间内的分布状态。实际监测过程中发现，工厂化种植区域环境中的空气湿度分布与该室内环境的空气流温度、速度、方向以及植物与进风口之间相对位置等存在关联。在实际植物工厂的种植空间中，植株所处的位置的空气温湿度环境的分布情况主要是取决于该种植空间中的空气流温度、速度和方向。优选地，通过利用神经网络模型对温湿度分布与该区域气流特性之间的关系进行模拟和验证，从而获取方便对种植空间内植株生长环境进行可控调节的温湿度分布与气流特性之间的关联关系，通过改变设施环境内空气流温度、速度和方向，就可控制空间内温度分布，从而获得适合植株生长的最佳空气、温度等环境因子的分布。

实施例1

本申请提供一种能够对植物工厂种植空间内的植株生长状况进行监测和生长环境进行微控制调节的用于植物工厂的植物照护装置及方法。该用于植物工厂的植物照护装置及方法包括穿梭小车1和设置于穿梭小车1上的照护采集单元2、处理模块3、监测模块4、数据分析单元5、控制单元6和位移组件7。

根据图1和2示出的一种具体的实施方式，在种植空间安置的栽培架8中行走的穿梭小车1能够将用于培育植株的栽培板运送至栽培架8的指定放置位置上。穿梭小车1上还安装有能够对栽培架8上的植株生长状态进行识别的照护采集单元2。照护采集单元2能够被穿梭小车1支撑在栽培架8的不同位置，使得照护采集单元2能够获取安置在栽培架8上不同空间位置处植株的生长状态，并将其采集得有关于植株生长状态的数据信息传输至处理模块3进行对比处理，从而对栽培架8上生长状况存在问题的植株进行区分和标记。监测模块4能够根据处理模块3的标记结果对存在生长异常的植株的叶片所处生长微环境的环境参数进行采集和监测。监测模块4能够将其获取到的环境参数数据发送至数据分析单元5。数据分析单元5能够对监测模块4获取环境参数数据进行分析，并根据叶片微环境的分析结果对该生长异常植株的微环境进行调节或改变该生长异常植株在栽培架8上的安置位置，使得植株叶片重新处于一个良好的生长微环境中。

优选地，位移组件7的移动端安装有能够获取植株图像的照护采集单元2。如图2所示，照护采集单元2能够跟随穿梭小车1绕栽培架8进行固定轨迹的移动，从而获取整个栽培架8上所有植株的图像。优选地，位移组件7还能够调整照护采集单元2与穿梭小车1之间的相对位置，使得在穿梭小车停止前行时，位移组件7能够改变照护采集单元2与待拍摄植株之间的位置，从而利用照护采集单元2获取植株不同角度的图像数据。优选地，照护采集单元2在第一次跟随穿梭小车1进行运行时是始终保持与穿梭小车1之间相对固定的工作位置。当处理模块3接收到照护采集单元2在一定时间内拍摄到的整个栽培架8上所有同期同种类培育的植株图像数据后，对所有植株图像进行对比，并将存在叶片可能存在萎蔫、倒伏、退绿或黄化等异常状况的植株图像进行标记。

优选地，穿梭小车1带动照护采集单元2绕相同活动轨迹进行第二次运行。当穿梭小车1移动至标记图像对应的植株位置时，穿梭小车1暂停运动，位移组件7带动照护采集单元2进行工作位置的变换，使得照护采集单元2能够对被标记的疑似异常植株进行多角度图像获取，方便对该植株存在的异常情况进行二次确认。

优选地，在所述穿梭小车进行第二次运行时，位移组件7还能够改变监测模块4的工作位置，使得照护采集单元2进行植株多角度图像获取的同时，监测模块4能够移动至该植株的叶片区域，从而对植株叶片的微环境参数数据进行获取。优选地，用于进行可疑植株的二次验证的双重异类验证数据是照护采集单元和监测模块分别采集的标记植株图像数据以及叶片微环境参数。优选地，照护采集单元2进行二次采集获取的关于可疑植株的高清晰度、多角度的图像能够与监测模块4获取叶片微环境参数数据发送至数据分析单元5。优选地，数据分析单元5能够通过图像灰度处理、叶片轮廓形状对比等方式分析照护采集单元2采集的植株图像中叶片是否存在萎蔫、倒伏、退绿或黄化等异常。优选地，数据分析单元5还能够根据监测模块4获取的植株叶片微环境参数与种植空间预设的环境参数之间的差异，从而向植物工厂控制中枢发送分析结果，使得控制中枢能够控制栽培架8上的灯光模块、加湿模块和吹风模块改变异常植株的叶片区域微环境的光照强度以及微环境湿度、风力大小和风向，使得该植株的微环境得以调节，更利于植株叶片进行生长和光合作用。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

优选地，照护采集单元2通过位移组件7安装在穿梭小车1上。位移组件7能够在控制单元6的控制下改变照护采集单元2的工作位置。在处理模块3完成对可疑植株图像的初次标记时，处理模块3能够将该植株在种植架上的位置坐标和对应的驱动指令发送至穿梭小车1和控制单元6。穿梭小车1接收处理模块3发送的植株位置坐标后能够携带照护采集单元2进行二次同路径运动，使得照护采集单元2能够对非标记植株进行新一轮的常规图像采集并发送至处理模块3进行对比。当穿梭小车1移动至可疑植株对应的坐标位置时暂停移动，控制单元6根据预设的驱动指令控制位移组件7绕固定的轨迹进行活动，使得位移组件7上安装的照护采集单元2能够对生长状态可疑的植株进行多角度图像采集，同时位移组件7还能够带动监测模块4进行位置变动，使得监测模块4能够模拟叶片所处的生长形态对叶片微环境的环境参数数据进行获取。

优选地，监测模块4能够在受控制单元6控制的位移组件7驱动而移动至栽培架8上的不同位置，使得监测模块4能够模拟植株叶片的真实生长位置对异常生长植株的同区域的微环境进行环境参数采集。控制单元6可以根据处理模块3标记出的存在生长异常情况植株的位置控制位移组件7带动模拟叶片形状的监测模块4移动至该植株中段的叶片区域内，使得检测模块4能够以模仿叶片形态的方式对该叶片区域微环境中的环境参数进行采集。优选地，所述检测模块4能够在位移组件7的带动下相对于穿梭小车进行多角度的转动和平移，使得检测模块4能够绕植株进行位置调节。

优选地，处理单元3识别与区分包括对图像中植株叶片是否存在明显的萎蔫、倒伏以及所有图像之间的植株尺寸大小、颜色等进行相互之间的对比。优选地，处理单元3对照护采集单元2第一次采集的植株图像进行对比处理过程中能够按照穿梭小车1预先规划的行进路线对植株图像进行排序，从而能够在对可疑植株进行标记的同时还能够对该植株图像进行坐标补充，使得控制单元6能够获取到可疑植株在栽培架8上的坐标位置，并控制穿梭小车1沿预设路径进行移动时能够在控制单元6的控制下停靠在行进轨道与可疑植株对应的位置处。

优选地，数据分析单元5能够以预先输入的方式设置关于表征植株生长状态的多种参数的标准样本数据库。例如：植株不同时期的平均高度以及对应每一个生长周期内植株高度的阈值范围、单棵植株俯视投影时叶片形成外轮廓的投影面积大小、植株杆径在不同时期的标准尺寸及其阈值范围、植株中段叶片的颜色及大小以及植株叶片是否存在明显的萎蔫、倒伏等。优选地，数据分析单元5还预先存储有适宜于植株在各阶段保持最佳生长状态的叶片微环境参数的样本数据库。优选地，该样本数据库至少包括影响叶片光合作用的温度、湿度、光照、水分及CO₂等环境参数以及能够促使上述环境参数发生非均匀分布的能够在植株流动的风向和风力。

优选地，控制单元6能够根据植物工厂控制中枢定时发出的巡逻指令或人为主动发出的驱动指令而控制穿梭小车1在栽培架8之间进行对种植物巡检和观察。在不存在异常植株时，控制单元6能够按照设定的时间周期不断地驱动穿梭小车1完成栽培架8种植物的巡检操作。当控制单元6控制穿梭小车1第一次发现疑似异常植株时，控制单元6能够立即驱动穿梭小车1进行第二次的巡检。优选地，控制单元6在第二次巡检过程中还能够控制穿梭小车1在特定轨道位置停止，并驱动位移组件7带动照护采集单元2和监测模块4进行不同的工作位置变动，从而获取到能够对初期结果进行双重验证的植株图像与微环境参数。

优选地，当数据分析单元5对二次采集的植株图像与其存储同一生长时期的标准数据存在明显差异而确诊该植株存在生长异常时，数据分析单元5能够根据监测模块4采集到的叶片微环境参数与标准参量之间的差异来判断是否为叶片所处环境异常导致的退绿、黄化、萎蔫以及倒伏等。在数据分析单元5对二次采集的植株图像进行图像处理发现植株叶片存在白灰沉积、叶片发霉、白点等明显发病异常时，数据分析单元5还能够将该植株图片上传至植物工厂的控制中枢所在的后端处理平台，使得工作人员能够对病症进行人工分析判定或处理平台根据现有的网络资料或植株病例记录档案对植株图像中展示出的病症进行识别，从而根据对应病症的现有处理方案驱动穿梭小车1或栽培架8上的灯光模块、加湿模块和吹风模块对植株进行转移或叶片环境处理。

优选地，位移组件7包括能够带动照护采集单元2一定区域内进行多工作位置变换的第一机械臂71和能够根据植株中段茎秆上叶片实际的工作位置以及展开方向等而将呈叶片状的监测模块4也支撑在同一叶片区域内进行微环境参数采集的第二机械臂72。优选地，第一机械臂71和第二机械臂72还能够收缩容纳于穿梭小车1上的容纳腔中，从而在穿梭小车1进行常规巡检时，监测模块4保持关闭状态。优选地，第一机械臂71能够将照护采集单元2支撑在穿梭小车上，使得穿梭小车沿预设轨道进行运动时，照护采集单元2能够不断地采集位于轨道旁栽培架8上的植株图像。优选地，位移组件7能够根据实际的监测需求进行收纳，能够有效地提高机械臂元件的使用寿命和耐磨损度，避免尝试暴露时元件的氧化以及受外界高湿度环境的侵蚀以及植株异常生长时病菌的侵蚀。

实施例3

优选地，处理模块3和数据分析单元5对植株图像的处理分析还可以通过对照片中植株茎秆的上中下段叶片颜色进行色度识别和植株外轮廓的尺寸大小对比。当存在某一株或少量植株的外轮廓明显小于其余图像中的植株时，可以对该部分植株的分布情况进行归纳、整理，从而判断是否是同一栽培板未有效完成栽培预清洗，而导致栽培板本身存在病害真菌；也可能是栽培架8为该区域植株进行供养的营养液存在配比错误和某种营养缺失造成生长缓慢；还可能是某一供电支路存在电压异常或光照异常，导致灯光模块未能给异常生长区域的植株提供有效地光照。优选地，光照异常可以是照明灯损坏、照明灯发光颜色不是最佳生长光、光线亮度过高或过低等。优选地，植株的生长差异还可能是栽培架8与通风口、出风口位置以及栽培板在栽培架8上的层级高度等导致的。

适合的环境是生物生存与发展的基础。如植物的光合作用，需要适宜的温度、湿度、光照、水分及CO₂等环境，离开了这些环境因子，生存与生长就不可能成立。此外，叶片微环境也称微域环境，叶片微域环境(即叶片周围)的最优化控制技术，也就是将植物叶片表面指定区域的微小环境控制在最适范围即可，无需控制种植空间和栽培架8的整个空间的温湿度环境，由于外界的温湿度不管如何变化，真正对植物发育有影响的只是叶片表面的温度及叶片表面0.5cm内的空气湿度。据实验研究表明，微域环境的温湿度与苗床空间或空气的温湿度相差很大，在高温季节，当0.5cm的空气湿度达90％以上时，距离叶片表面1.6cm的空气湿度只有40％，而要使0.5cm内的空气湿度保持在90％以上就极易实现，并且少量的弥雾定点提供就可达到，无需消耗大量的电与水。

优选地，监测模块4构造的模拟叶片是模拟植物的气孔结构及在离体情况下对水分代谢光合作用温度条件等要求，采用高度密集电路、特殊材料及传感技术开发而成的人造叶片，它能感知植物叶片微域环境的各项因子：温度、水分蒸发系数、叶片的水膜分布、基质水分、空气湿度、基质湿度、矿质营养的离子浓度((EC值)、环境光照等环境参数。数据分析单元5通过模拟叶片反馈的微环境参数进行分析处理，并将关于生长异常植株的分析结果上传至控制中枢，控制中枢根据分析结果再控制执行机构进行调节植株生长环境的外围设备的启停，以调控外部环境。

控制单元6对监测模块4和第二机械臂72的控制采用二级控制结构：第一级为直接控制级即单片机智能分控器，由AT89C51单片机组成，负责模拟叶片结构的监测模块4完成对温度、湿度、光照和C0₂等环境因子进行监测。优选地，控制单元6还能够设定为能够根据监测模块4的监测结果实时地对温室设备进行临界控制。临界控制是指对植株生长环境内的某一微环境参数监测值在给定微环境参数上下临界值之间不进行任何控制，反之监测值超出微环境参数上下临界值时将启动对应控制设备。这种方式有利于节省能源。临界控制是一种低投入、高产出的控制方式。执行机构采用水泵、地热丝、红光植物生长灯等设备。优选地，第二级为过程管理级，即用植物生长控制器来实现，植物生长控制器有W78E58B单片机组成。主要完成对环境参数的管理与对控制参数设置的修改工作，并且可以随时进行系统的调整和扩展。同时植物生长控制器预留A/D转换电路，用来处理来自传感器的数据：可以作为独立控制系统用于控制单一区域生长任务。

优选地，监测模块4按照能够模拟植物生长在过程中叶片表面实际接触环境的方式模拟叶片形状进行设置。优选地，监测模块4能够对温度、湿度、光照、营养、CO₂、和溶氧等环境参数进行采集的传感器均集成于呈叶片状的监测模块4中。优选地，设置为叶片状的监测模块4能够模拟植物的气孔结构及水分代谢、光合作用以及温度条件等要求，采用高度密集电路、特殊材料及传感技术相结合而制成的传感叶片，它能感知植物叶片微域环境的各项因子：温度、水分蒸发系数、叶片的水膜分布、基质水分、空气湿度、基质湿度、矿质营养的离子浓度(EC值)、环境光照等环境参数。植物工厂的控制中枢通过模拟叶片反馈的感应参数并结合快繁系统进行参数运算，再指令自动控制执行机构进行外围设备的启停，以调控外部环境。监测模块4作为能够监测植物生产过程中所处环境的环境因子(微环境参数)变化的感应器官，其能够准确地获取影响叶片与环境交互各种参量进行系统的采集从而准确地完成对叶片环境的模拟。尤其是在穿梭小车1上安装的照护采集单元2所获取的植物生长情况图像中发现同区域或同株植物出现差异明显生长异常时，监测模块4能够定位悬置于不同的叶片位置，从而模拟叶片所处环境的方式获取不同生长情况叶片环境的参量信息，从而方便数据分析单元5能够对异常结果的影响参量进行分析。

优选地，监测模块4还包括能够对植株进行呼吸作用时产生的CO₂气体进行测定以获取植物光合速率的红外线CO₂气体分析单元。优选地，红外线CO₂气体分析单元能够在穿梭小车1进行夜晚巡检操作时，现有的照护采集单元2无法获取光线较暗情况下的清晰图像，而监测模块4能够通过监测一定植株区域内的CO₂含量的变化来判断植株呼吸效果是否处于正常生长，从而能够对浓度异常区域的植株进行进一步的检测和参数采样分析。优选地，利用红外线进行CO₂气体浓度的有效分析，能够充分的把控植株在夜间生长过程中的情况，消除了照护采集单元2无法在夜间获取清晰图片进行准确分析的缺陷。

优选地，呈叶片状且能够悬置于植物叶片对应位置的监测模块4还能够及时有效地获取叶片环境的改变，例如在进行植物的微喷降温时，只需要检测到需要降温的植物种植空间中最靠近植物叶片表面的区域温度发生下降即可认定为完成植物生长环境参数的调节，相对于现有技术，不需要对影响该株植物或该片区植物生长的整个植物工厂种植区进行降温处理，从而大大缩减了植物工厂内植物生长环境调节的效率和能耗，使得植物工厂的控制中枢或控制单元6能够根据监测模块4反馈的参量数据以环境微控调节的方式改变与监测模块4采集参量对应的植物的生长环境。

优选地，穿梭小车1还能够在栽培架8中进行定向移动，从而能够将其装载的栽培板运输至栽培架8的设定栽培位置。优选地，穿梭小车1框架可以设置为龙门形结构，使得其可以跨越营养液槽行走，且穿梭小车1的龙门框架两侧还设置有能够将夹取栽培板的顶升结构，从而能够将栽培板放入到指定营养液槽中。优选地，穿梭小车1还能够根据叶片获取到的环境参数和图像分析结果，控制能够与顶升结构协同工作的机械手完成种植有异常生长植株的栽培板的转移或位置调节。

本申请涉及的一种植物工厂环境测控的植株照护方法具有如下功能：

①参数检测：温室环境测控的基础功能即为环境参数的检测，如温度、湿度、光照度以及CO₂浓度等。基于技术复杂度、成本等因素的考虑，至少对温度、湿度和光照度等基本的环境因素进行研究。

②汇总传输：具有无线传输功能，通过建立ZigBee无线传感网络对各检测点(种植空间不同的穿梭小车)的环境信息进行汇总，实现各节点的信息传递，将环境参数测量值实时反馈给控制中枢，控制中枢也可通过该无线网络实现对所有节点环境信息的查询和汇总。

③实时显示：将检测得到的环境参数进行单点和多点显示，这就需要在各个检测点安装显示屏以显示该点的环境信息，同时需要将多点的环境信息能够汇总后传送到某一处集中显示，以便更好地了解温室整体的环境情况。

④温度评价：针对温室内植株生长发育最重要的因素－温度，建立一个温室温度环境模糊评价系统，对当前温度环境是否适宜植株的生长作出评价，以便进行自动调节或者人工干预来使温度环境达到最适宜植株的生长环境。

⑤远程遥控：通过上位机或手机短信实现环境信息的查询以及远程调控相应的电气设备来自动调节环境因子，对当前环境温度、湿度及光照进行实时控制，创造植物生长最适宜的环境。

⑥节能与安全防范：实现温室环境下通过事先设置的操作策略(通过远程设置)来关闭相关电气设备，以达到节能减排效果。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

Claims (10)

1.一种用于植物工厂的植物照护装置，其至少包括能够绕种植空间内的栽培架(8)进行运动的穿梭小车(1)和设置在所述穿梭小车(1)上能够对栽培架(8)上种植的植株进行图像采集的照护采集单元(2)，其特征在于，所述照护采集单元(2)能够跟随穿梭小车(1)沿预设路径绕所述栽培架(8)运动的同时完成对所述栽培架(8)上安置植株的图像采集；

处理模块(3)能够通过将所述照护采集单元(2)采集到若干植株图像进行相互对比的方式对生长状态存在异常的植株进行标记，使得所述穿梭小车(1)能够根据标记结果进行二次定点巡检操作，并通过安装在所述穿梭小车(1)上的照护采集单元(2)和监测模块(4)进行标记植株二次验证的双重异类验证数据的采集。

2.如权利要求1所述的用于植物工厂的植物照护装置，其特征在于，所述照护采集单元(2)的二次验证数据是按照其能够在位移组件(7)的带动下绕标记植株进行多观察角度的工作位置变换的方式完成植株图像采集；

所述监测模块(4)能够以模拟植株叶片工作状态的方式改变其工作位置，使得所述监测模块(4)获取到能够表征叶片生长环境的微环境参数。

3.如权利要求2所述的用于植物工厂的植物照护装置，其特征在于，所述照护采集单元(2)和监测模块(4)分别采集的标记植株图像数据以及叶片微环境参数能够同时段传输至数据分析单元(5)，所述数据分析单元(5)通过其预先存储的表征植株生长周期内生长状态的样本数据库数据与采集到的标记植株图像进行对比分析的方式判断植株是否存在萎蔫、倒伏、退绿或黄化。

4.如权利要求3所述的用于植物工厂的植物照护装置，其特征在于，所述数据分析单元(5)内还存储有影响叶片是否能够进行充足光合作用的微环境参数在植株生长周期多个时间段内的参数值样本库，从而所述数据分析单元(5)通过将所述监测模块(4)采集的植株叶片实际微环境参数与同一生长时期所需标准参数值进行对比的方式输出分析结果。

5.如权利要求2所述的用于植物工厂的植物照护装置，其特征在于，所述位移组件(7)至少包括能够带动所述照护采集单元(2)进行工作位置变换的第一机械臂(71)和能够按照模拟叶柄对叶片进行定位支撑的方式将所述监测模块(4)置于标记植株叶片区域的第二机械臂(72)。

6.如前述权利要求之一所述的用于植物工厂的植物照护装置，其特征在于，所述穿梭小车(1)上还设置有能够驱动所述位移组件(7)进行运动的控制单元(6)，所述控制单元(6)能够根据所述处理单元(3)的植株的标记结果以及该植株对应的坐标信息而控制所述穿梭小车(1)在沿预设路径进行二次巡检时的定点停车。

7.如前述权利要求之一所述的用于植物工厂的植物照护装置，其特征在于，所述处理单元(3)是在完成可疑植株图像标记的同时能够将植株图像与所述穿梭小车行进路径进行匹配，使得同一时间段采集的若干植株图像能够被反向计算出不同植株在栽培架(8)上的安置位置，从而能够获取到标记出的可疑植株在所述栽培架(8)上的坐标位置。

8.如前述权利要求之一所述的用于植物工厂的植物照护装置，其特征在于，在所述数据分析单元(5)根据二次验证数据输出的分析结果中存在其无法直接判定的植株病症的情况下，所述数据分析单元(5)能够将对应植株的图像数据传输至植物工厂的控制中枢进行病症研判和病症样本数据的存储。

9.一种用于植物工厂的植物照护方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

巡检小车(1)带动照护采集单元(2)进行第一次巡检操作，所述照护采集单元(2)采集种植空间内所有植株的图像；

处理单元(3)接收所述照护采集单元(2)同一时间段内采集到的同类同期植株的图像并对若干植株图像进行对比，并将疑似存在萎蔫、倒伏、退绿或黄化异常症状的植株进行标记；

所述穿梭小车(1)根据所述处理单元(3)的处理结果进行二次巡检，所述控制单元(6)控制所述采集单元(2)和监测模块(4)在二次巡检过程中完成标记植株的图像数据以及叶片微环境参数的采集，并将采集的数据发送到数据分析单元(5)；

所述数据分析单元(5)利用其存储的样本数据与采集图像数据以及叶片微环境参数进行对比，从而判断植株生长异常是受病菌侵害或影响叶片光合作用的微环境参数异常而导致的。

10.如权利要求9所述的用于植物工厂的植物照护方法，其特征在于，所述穿梭小车(1)上还设置有能够带动所述采集单元(2)和监测模块(4)进行工作位置变换的位移组件(7)。

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