CN114051918B - 一种用于增强植物产量相关性状的照护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增强植物产量相关性状的照护装置。该装置包含中心调控单元和栽培区，其中，栽培区包含播种育苗区、定植间苗区、生长区和采收包装区。播种育苗区设置有多层育苗架，每层育苗架配有营养液循环系统、光照系统。

Description

一种用于增强植物产量相关性状的照护装置

技术领域

本发明涉及植物机械技术领域，尤其涉及一种用于增强植物产量相关性状的照护装置。

背景技术

生物产量是指作物在全生育期内通过光合作用和吸收作用，即通过物质和能量的转化所生产和累积的各种有机物的总量，计算生物产量时通常不包括根系(块根作物除外)。在总干物质中有机物质占90％～95％，矿物质占5％～10％。严格说来，干物质不包括自由水，而生物产量则含水10％～15％。

在现代农业科技中，作物的产量预测成为大数据网络下演化的必然趋势。作物的产量预测在微观程度能够为种植农主提供当季的作物收入预算，并根据产量的预测结果能够进行适量的价格波动，从而防止种植农主受上游收购商的价格收购控制。在宏观程度来说，作物的产量预测能够帮助地区甚至国家实现作物储备和经济战的提早调节，防止减产或增产带来的市场动荡。

然而早期的植物工厂由于科技发展的限制，对于多层植物培育架的中的植物培育过程需要人工巡视，通过人工的检查掌握工厂中培育的植物的生长状态。人工操作繁琐复杂，在工厂比较大的时候需要的人工比较多从而增加造价。人工检查即使排除造价的问题，对于植物的筛查，一方面容易出现肉眼检查的误差；另一方面由于不同个体的底线不同，因此判定植物病虫害程度或成熟度等的标准出现偏差，导致追光、追肥或采摘的时间无法确定，从而导致作物预测的高误差。

公开号为CN108858122B的中国专利涉及一种温室植物病害巡检机器人及巡检方法。机器人包括移动平台(1)、三自由度机械臂(2)、病害图像采集摄像头(3)、前置导航摄像头(4)、局部环境因子传感器(5)和远程控制终端。该类机器人行动自由，对于控制中心而言，控制该类巡检装置的移动需要付出更多的运算效率和速度。

基于此，公开号为CN109154978A的中国专利公开了一种用于检测植物疾病的系统和方法。该系统涉及一种用于判断植物疾病的植物特征的提取，其从颜色分布入手进行病斑等的判断。然而，在植物工厂实际生产过程中通过检测单元大面积地进行植物图像扫描/拍摄是成本高昂且非常繁琐和耗时，尤其是通过检测单元拍摄彩色或全彩的图片以进行识别，巡检装置中的移动平台需要在多个不同的位置之间不断地调整焦距，以拍摄到能够用于图像识别的彩色或全彩图片。由于彩色或全彩图片的分辨率较高，因而所占的内存空间较大，远程控制模块进行后续图像识别上述彩色或全彩图片所处理的数据量也是巨大的，而处理过程中需要对不同时间段的不同位置的植物进行定期或不定期多次的识别与分析，因而导致通过彩色或全彩图片进行识别不仅图像处理识别需处理的数据量巨大，而且导致远程控制模块对彩色或全彩图片的处理速度较慢，这一点也导致植物巡航监测装置的移动平台的最大行驶速度受到远程控制模块处理图片速度的限制而不能过快，从而使得植物巡航监测装置单位时间内所能进行巡检的植物工厂/温室的面积受到显著地影响，即降低了植物巡航监测装置进行巡检的效率，或者需要更多的植物巡航监测装置同时投入使用中才能够满足植物工厂/温室日常巡检的需求。因此，本发明采用分轨运行和分级图像采集达到提高巡检工作效率的目的。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请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，本发明提供了一种用于增强植物产量相关性状的照护装置，包含中心调控单元和栽培区，其中，栽培区包含播种育苗区、定植间苗区、生长区和采收包装区。

根据一种优选实施方式，播种育苗区设置有多层育苗架，每层育苗架配有营养液循环系统、光照系统。

根据一种优选实施方式，定植间苗区设置有栽培架，栽培架密度低于育苗架以允许进入生长期的植物被放置于小苗板上。

根据一种优选实施方式，生长区能够设置有人工光培育室，人工光培育室以留存自动化设备铺设空间的方式平行摆放。

根据一种优选实施方式，栽培区还包含用于将栽培板运送到指定位置的穿梭小车。

根据一种优选实施方式，栽培区还包含用于运载栽培板和串联设备的高速移载车。

根据一种优选实施方式，栽培区还包含用于将栽培板从栽培架上取出放到高速移载车上的提升机，提升机包含伸缩式货叉。

根据一种优选实施方式，栽培区还包含营养液进出管道，营养液进出管道包含弯头和汇流管道，其中，所有弯头及汇流管道均安装在栽培架长度方向一侧。

根据一种优选实施方式，采收包装区设置有用于收集运输进入采收包装区的植物部分组织的机械手。

根据一种优选实施方式，中心调控单元按照能够控制栽培区内装置的方式设置于远离栽培区装置的位置。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的生长区平面；

图2是本发明提供的一种优选实施方式工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本发明提供一种用于增强植物产量相关性状的照护装置。该装置包含中心调控单元和栽培区，其中，栽培区包含播种育苗区、定植间苗区、生长区和采收包装区。

根据一种优选实施方式，播种育苗区设置有多层育苗架，每层育苗架配有营养液循环系统、光照系统。优选地，在播种间将蔬菜种子播于育苗海绵块上，单体海绵块规格25mm×25mm×25mm。操作工艺如下：

种子播种于海绵块上，通过栽培篮整齐摆放在栽培板上，播种后放到多层育苗架上育苗。在种子未萌发前，将育苗架上的灯光关闭，待2天后种子萌发后，开启灯光，并按照时间控制器设定程序开关灯。

环境需求：单独的空调系统(光期20℃，暗期18℃)。

栽培装置：多层育苗架，各层均配有营养液循环系统、光照系统。采用荧光灯或白色LED灯作为光源，光强度为10μmol·m-2·s-1。

根据工艺要求，考虑将二层西北角区域作为播种育苗区。

根据一种优选实施方式，定植间苗区设置有栽培架，栽培架密度低于育苗架以允许进入生长期的植物被放置于小苗板上。优选地，种子在育苗架停留15天左右后，幼苗长至适宜大小，将育苗架上幼苗转运到定值区进行定值。定值是将高密度的育苗板换成较低密度的小苗板，增大株间距。空育苗板清洗后，放到暂存区等待下次播种使用。定值到小苗板上的幼苗送到生长区栽培架上继续生长。

小苗生长15天左右后，从栽培架上取出送到间苗工位进行间苗，间苗是将小苗板上的小苗取出后放到株密度更低的大苗板，提供更大的蔬菜生长空间。产生的空小苗板清洗后，放到暂存区等待下次定值使用。间苗到大苗板上的小苗送到生长区栽培架上继续生长。

根据一种优选实施方式，生长区能够设置有人工光培育室，人工光培育室以留存自动化设备铺设空间的方式平行摆放。优选地，生长区为三层通高的人工光培育室，净高9.3m。考虑给自动化设备预留空间，高层立体栽培架平面布置如图1所示。

本发明通过自动化监控和操作的布局，实现植物生长的智能化控制，减少人工操作和监控的失误，从而增强植物产量相关性状。

根据一种优选实施方式，栽培区还包含用于将栽培板运送到指定位置的穿梭小车。

根据一种优选实施方式，栽培区还包含用于运载栽培板和串联设备的高速移载车。

根据一种优选实施方式，栽培区还包含用于将栽培板从栽培架上取出放到高速移载车上的提升机，提升机包含伸缩式货叉。

根据一种优选实施方式，栽培区还包含营养液进出管道，营养液进出管道包含弯头和汇流管道，其中，所有弯头及汇流管道均安装在栽培架长度方向一侧。

根据一种优选实施方式，采收包装区设置有用于收集运输进入采收包装区的植物部分组织的机械手。

根据一种优选实施方式，中心调控单元按照能够控制栽培区内装置的方式设置于远离栽培区装置的位置。

如图2的工艺流程图所示，人工在二楼播种间组装育苗板、栽培篮、栽培海绵，通过播种机播种，然后放入育苗架育苗。在育苗架生长15天左后，人工取出育苗板，通过转运手推车送到二楼提升机前输送管线，通过提升机送到一楼定值区定值，定值时所用的小苗板通过AGV从小苗板暂存区送到定值工位。定值好的小苗板通过高速移载车、提升机、穿梭小车送到栽培架指定位置。定值产生的空育苗板通过AGV送到一楼清洗间清洗，清洗完成后以整垛的方式由AGV送到一楼提升机入口处，然后由提升机将育苗板送到二楼播种间，等待下一次播种使用。

小苗在栽培区生长15天左右后需要进行间苗，由穿梭小车、提升机、高速移载车将小苗板送到间苗区间苗。间苗时需要的空大苗板由AGV从空大苗板暂存区运送到间苗区，自动完成间苗，间苗后的大苗板通过高速移载车、提升机、穿梭小车送到栽培区指定位置继续生长。

基于此，需要配备包含但不限于上述设备。

优选地，设备包含多层栽培架一套，2排1组共计4组8排18列20层，尺寸如下：L11230*W9980*H8900；每组每层每排设置贯通式栽培槽。

在栽培架一端布置营养液进出管道。所有弯头及汇流管道均安装在栽培槽长度方向一侧，减少对实际层高空间的挤压，方便灯架安装及叉取作业的实现。

每组每层栽培架下布置LED灯(颜色依据菜品而定，由科研团队决定)。每组每层灯管耗电8*12*20＝1920W，人工光栽培区灯管总耗电1920*4*20＝107.6kW。每组货架每层设置一个灯的控制开关，每组货架共设70个控制开关，4组共设160个控制开关。

优选地，设备包含穿梭小车4台，每组货架配置1台。穿梭小车在栽培架中行走，结构紧凑，节约层高，作用是将栽培板运送到指定位置。穿梭小车框架为龙门形结构，跨越营养液槽行走，两侧由顶升机构可以顶起栽培板。小车采用超级电容供电。

优选地，设备包含提升机，或命名为取放货提升机，4台，每组货架配置1台。取放货提升机用于将栽培板从栽培架上取出放到高速移载车上。取出机构为伸缩式货叉，可两个方向伸缩。货叉中间设计集水槽，对取放栽培板过程中菜根滴落的营养液进行收集。货叉可以在提升机载货台上水平横移，取放同组栽培架两排栽培板。

优选地，设备包含潜入式激光导引AGV 1台。AGV两轮差速驱动，锂电池供电，激光定位，无轨化行走，自动顶升。可原地差速旋转，对不平路面、打滑路面、人为推挤具有很强的抗干扰能力。可根据需求及中央管理系统产生停障及避障绕行行为。

优选地，设备包含高速移载车1台，布置于栽培架前端。高速移载车位于库前端，移载车由底座和滑台组成，滑台上有输送机，可以运载栽培板。高速移载车能够串联多个设备，使栽培板连贯转运。

优选地，设备包含定值/间苗机械手1套，布置在栽培架北侧。定值/间苗机械手由桁架机构组成，可自动完成定值、间苗工作。机械手前端设计夹爪，用来夹取栽培篮，从而完成定值/间苗动作。

优选地，设备包含输送系统1套，位于栽培架周边。输送系统由多个单体输送机组成，用来输送栽培板。

进一步地说，采收包装区用于植物的采收和包装。优选地，大苗在栽培区生长15天左右长成，通过穿梭小车、提升机、高速移载车将小苗板送到采收区采收。采收前将蔬菜栽培篮以下根部切除，切除的根部通过根部收集器收集。然后大苗板进入采摘机械手，自动将蔬菜采摘到输送机上。产生的空大苗板由高速移载车送至北侧输送线上，再由AGV运动清洗间清洗，然后再由AGV送到空大苗板暂存区。采摘后的蔬菜先经过人工处理，合格的蔬菜进入包装机包装、称重、贴标签，然后由抓取机械手码放到周转箱中。周转箱中的蔬菜先进入预冷室预冷，然后由AGV运送到打包间包装发运。

根据一种优选实施方式，本发明还包含栽培板清洗及存放的区域。优选地，各环节长生的空栽培板由AGV送到清洗间清洗，使用清洗机高压清洗、再通过高压空气吹去残余水分，通过叠盘机叠垛，再由AGV送到空栽培板暂存区备用。

进一步，中心控制单元能够控制上述设备进行符合条件且正确的操作。在植物生长过程中，穿梭小车能够设置有摄像头，并通过在栽培架的移动对各个位置的植物进行图像采集。中心控制单元能够基于穿梭小车采集的图像对栽培植物的物理状态或特征定性和/定量地评估栽培植物的病虫害影响因素。通过扫描或拍摄的方式得到植物的全貌，并基于植物的全貌判断植物是否出现叶片、茎秆等组织部位是否出现枯黄、条纹、斑点等疾病特征。同时，植物的健康全貌和当前状态的全貌比对还能够显示出植物是否出现叶卷、黄边等问题，从而判断是否缺水或光强度较大的问题。通过系统内存储的健康植物的全貌，使不同状态下的植物能够定性或定量的被检测是否出现异常。例如，相对于健康的番茄，当前监测的番茄的果实出现黄色斑块。黄色斑块以及果实的干瘪状态能够允许系统判断是否存在植物疾病的产生。

通过分别设置不同颜色图像采集的摄像头，得到高效图像采集的穿梭小车。拍照成本较高，多组彩色图片之间进行对比分析的数据处理量巨大，穿梭小车自身的内存容量有限，处理能力有限。穿梭小车通过所述用于识别植物的生长状态的摄像头对每一栽培层内的各栽培板上所种植的植物的生长状态进行初步识别。优选地，用于识别植物的生长状态的摄像头无需采用高分辨率的摄像头来拍摄彩色或全彩图片，而仅需较低分辨率的摄像头以拍摄栽培板内植物的黑白图片。优选地，用于识别植物的生长状态的摄像头经由移动小车自身的第一通信单元与智能植物工厂/的控制单元建立数据连接。优选地，第一移动小车能够沿着所述穿梭轨道定期或不定期地对每一栽培层内的各栽培板上所种植的植物的生长状态进行初步识别。

当通过黑白图片识别出某块栽培板内所生长的植物的生长状态存在异常时，则设置于穿梭小车的第二摄像头，或摄像头切换图像采集模式，开始启动并对黑白图片所对应栽培板内的植物进行拍摄，以对所述植物的病害和/或虫害的类别和严重等级进行进一步地识别。通过上述图片分级采集的方法解决如何通过较低成本的黑白摄像头拍摄图片从而达到初步识别植物的生长状态是否正常，以提高植物巡航监测装置监测速度。

根据一种优选实施方式，通过动态监测植物的生长状态，建立植物生长产量预测模型。通过大数据预测平台构建植物工厂/温室生长植物数据采集、植物工厂/温室生长植物数据存储、植物工厂/温室生长植物数据分析以及植物工厂/温室生长植物数据预测的多个子系统，向用户提供平台中各种数据的管理、检索、查询、统计、报表以及分析等功能，并利用平台中存储的数据预测模型进行植物工厂/温室生长植物的病虫害数据预测、农艺性状以及产量预测，同时提供平台内的云服务器、云存储器租售以及用户与用户之间数据、服务交易功能，简化了植物工厂/温室生长植物病虫害预测过程中的步骤，也提高了被子植物病虫害的预测准确性。

根据一种优选实施方式，穿梭小车还能够设置有多光谱照相机。多光谱照相是指在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展，并通过各种滤光片或分光器与多种感光胶片的组合，使其同时分别接收同一目标在不同窄光谱带上所辐射或反射的信息，即可得到目标的几张不同光谱带的照片。优选地，多光谱照相机在拍照后照片自动存储在卡槽内SD卡内。将SD卡内的照片导入专业的多光谱图片分析软件。该软件支持无人机模式和轨道滑动模式的穿梭小车。

通过上述现有的光谱分析软件的处理，我们可以得出被采集光谱植物的分析生长数据包，其中包括在模型建立中需要引入的植被类型、叶面全氮分布、叶绿素分布等信息指标。再通过对被采集光谱植物生长健康状况的观测和实际评估，得出实际环境中被采集光谱植物的生长状态报告，从而获取所需的被采集光谱植物生理状态、被采集光谱植物病虫害状态、被采集光谱植物产量预测等信息。

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。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。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 (5)

1.一种用于增强植物产量相关性状的照护装置，其特征在于，包含中心调控单元和栽培区，其中，所述栽培区包含播种育苗区、定植间苗区、生长区和采收包装区；

所述栽培区还包含用于将栽培板运送到指定位置的穿梭小车；

在植物生长过程中，穿梭小车能够设置有摄像头，并通过在栽培架的移动对各个位置的植物进行图像采集，中心控制单元能够基于穿梭小车采集的图像对栽培植物的物理状态或特征定性和/或定量地评估栽培植物的病虫害影响因素；

穿梭小车通过用于识别植物的生长状态的摄像头对每一栽培层内的各栽培板上所种植的植物的生长状态进行初步识别，用于识别植物的生长状态的摄像头无需采用高分辨率的摄像头来拍摄彩色或全彩图片，而仅需较低分辨率的摄像头以拍摄栽培板内植物的黑白图片，用于识别植物的生长状态的摄像头经由移动小车自身的第一通信单元与智能植物工厂的控制单元建立数据连接，第一移动小车能够沿着穿梭轨道定期或不定期地对每一栽培层内的各栽培板上所种植的植物的生长状态进行初步识别；

当通过黑白图片识别出某块栽培板内所生长的植物的生长状态存在异常时，则设置于穿梭小车的第二摄像头，或摄像头切换图像采集模式，开始启动并对黑白图片所对应栽培板内的植物进行拍摄，以对所述植物的病害的类别和严重等级进行进一步地识别；所述播种育苗区设置有多层育苗架，每层育苗架配有营养液循环系统、光照系统；所述定植间苗区设置有栽培架，所述栽培架密度低于所述育苗架以允许进入生长期的植物被放置于小苗板上；

所述栽培区还包含用于运载栽培板和串联设备的高速移载车；

所述栽培区还包含用于将所述栽培板从所述栽培架上取出放到所述高速移载车上的提升机，所述提升机包含伸缩式货叉；

通过穿梭小车、提升机、高速移载车将小苗板送到采收区采收，采收前将蔬菜栽培篮以下根部切除，切除的根部通过根部收集器收集；然后大苗板进入采摘机械手，自动将蔬菜采摘到输送机上；产生的空大苗板由高速移载车送至北侧输送线上，再由AGV运动清洗间清洗，然后再由AGV送到空大苗板暂存区；采摘后的蔬菜先经过人工处理，合格的蔬菜进入包装机包装、称重、贴标签，然后由抓取机械手码放到周转箱中；周转箱中的蔬菜先进入预冷室预冷，然后由AGV运送到打包间包装发运。

2.根据权利要求1所述的照护装置，其特征在于，所述生长区能够设置有人工光培育室，所述人工光培育室以留存自动化设备铺设空间的方式平行摆放。

3.根据权利要求1所述的照护装置，其特征在于，所述栽培区还包含营养液进出管道，所述营养液进出管道包含弯头和汇流管道，其中，所有所述弯头及汇流管道均安装在栽培架长度方向一侧。

4.根据权利要求1所述的照护装置，其特征在于，所述采收包装区设置有用于收集运输进入所述采收包装区的植物部分组织的机械手。

5.根据权利要求1所述的照护装置，其特征在于，所述中心调控单元按照能够控制所述栽培区内装置的方式设置于远离所述栽培区装置的位置。