CN115868353A - 一种立式植物工厂的照明系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立式植物工厂的照明系统及方法，系统包括：培育单元，用于布置植株并形成立式栽培空间，培育单元配置有朝向不同方向的若干种植面；照明单元，用于为植株提供光照，照明单元与培育单元并行布置，若干培育单元围绕照明单元布置；照明单元由若干能够独立控制发光强度和光谱结构的发光组件沿高度方向布置而成，照明单元在高度方向上的至少一端配置有用于反射光线的反光组件。本申请中，分离设置的培育单元和照明单元能够充分利用环向光照而节约能源，反光组件也能够对照射在地面或顶面的部分光线反射并基于反光组件的结构设计控制反射光线在培育单元不同方向的汇集程度，便于立式植物工厂照明系统的智能调节和精细管理。

Description

一种立式植物工厂的照明系统及方法

技术领域

本发明涉及农业种植技术领域，尤其涉及植物工厂栽培照明设备，具体为一种立式植物工厂的照明系统及方法。

背景技术

植物工厂作为农业工程的高级发展阶段，被认为是二十一世纪农业取得革命性突破的重要技术手段之一。植物工厂是通过智能设备对设施内植物生育过程的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度和营养等环境条件进行高精度的控制，实现农作物周年连续生产的高效农业体系。目前，植物工厂有两种主要模式：一种是以温室为主体的太阳光和人工光并用型植物工厂；另一种是以封闭的隔热空间为主体的人工光完全控制型植物工厂；与并用型植物工厂相比，人工光完全控制型植物工厂受外界气候影响小，可实现周年连续生产，且可多层培植，空间利用率和产量水平高，优势明显，但空调和照明耗电大、运行成本高也成为其发展的重要制约因素。

现有立式植物工厂的光照分布一般多为顶光照系统，光源置于培养容器上方30-40cm处，光垂直照射下方的植株。顶光照垂直照射的方式便于日常操作和管理，但当随着植物株高的增长，冠幅的增大，大量的光被高的植株中途挡截，仅有少量的光可被植物的下部叶片吸收利用，这样导致一些植物种类不能够很好的生长发育。采用侧光照系统可以极大的提高光能利用效率，侧光照系统的光能利用效率是垂直光照系统的3-5倍。侧光照系统中的植株较顶光照系统的植株节间更短，植株不会徒长，且植株的叶片数量较多，植株长势较好。但目前侧光照系统应用于生产还不成熟，不便于目前的植物工厂自动化生产管理，且成本较高。

为进一步提升对于植物工厂内部空间的利用效率，现有技术针对传统的平铺分层式栽培面进行改进以获得在高度方向上可交替调整的立式栽培架或立式栽培面，使得与之配套的光照系统能够基于立式栽培系统的结构特点或调整特点设置对应的光照结构和照明方法。

例如，关于立式栽培系统的结构改进及控制调整方法中：公告号为CN113467551B的专利公开了一种循环式立体栽培系统及方法，该系统通过获取循环式立体栽培架所处环境的当前环境信息；将当前环境信息的参数与预设环境信息的参数进行比较，获得环境信息比较结果。在环境信息比较结果为当前环境信息不满足预设环境条件时，对当前环境进行调节；实时获取环境调节模块的工作模式；根据工作模式确定循环式立体栽培架的运行参数信息；根据运行参数信息控制循环式立体栽培架进行栽培作业。而公告号为CN107787707B的专利公开了一种推送装置、自动输送立体栽培系统装置，系统装置包括：一立体栽培架和一组自动传送机构，配有排水系统；在每层栽培架上自头至尾布设有成对组的栽培床导轨及由链条和电机组成的传送机构；在每层栽培架的尾端至少设有一个推送装置，该推送装置的推送导轨与栽培床导轨平行设置并设在栽培床导轨以下；在各层栽培架的底部固定安装自适应灯板并为下层栽培架上的栽培植物实施光照。该专利的技术方案主要为将立式栽培架设置为近似独立的多层培植照明结构，每层的栽培床仅能实现水平方向上的移动调整，对于植株的形态高度存在限制。

公开号为CN110122117A的专利公开了一种立式栽培架，包括安装板，在安装板上设置有若干行开口朝上倾斜的栽培盆，在栽培盆的上开口设置有定植架，在定植架上设置有LED植物生长灯，在每行栽培盆的上方均设置有供水管和营养液管，在安装板两侧铰接设置有安装架。而公告号为CN108935048B的专利公开了一种草莓无土栽培方法及栽培架，其技术方案利用偏转角度可调节的翻转部在植株生长阶段进行适应性的偏转角度调节以便于植株定向生长和果实采摘；该类倾斜栽培面的设置方式可适用于对采摘及定向生长存在特殊需求的作物培植过程。

而关于针对植物工厂的照明结构及照明方法中：公告号为CN103563685B的专利公开了一种植物工厂自适应补光系统及方法，该专利的技术方案基于光源与目标照射区域间距的变化进行光源照射强度的自适应调整以适应不同位置作物的光强需求。而公告号为CN110996427B的专利公开了一种植物工厂的照明调节方法及装置，所述方法用于照明系统中，包括：确定峰谷电价时段；根据所述植物工厂内目标植物的类别确定与所述类别相对应的照明装置的亮度范围和所述目标植物的需求光照强度；根据所述峰谷电价时段、所述需求光照强度和所述亮度范围确定预设周期内的所述照明装置的第一资源消耗区间和与所述第一资源对应的时间长度；根据所述第一资源消耗区间和所述时间长度确定所述照明装置预设周期内每个时间点的亮度值，以使得所述照明装置为所述目标植物提供与所述亮度值对应的光照强度。上述光照布置方案分别针对光照的空间分布特点和时间分布特点进行调节以满足植株在生长周期中的光照需要。

基于上述分析，现有技术关于立式植物工厂的栽培照明技术方案中，种植结构和照明结构一体布置的方式会使得照明线路和液体管路交叉布置而导致安全隐患，给系统的功能稳定性带来负面影响，尤其是在立式栽培结构设置有多层式栽培平面或区域的情况下，每层布置光照结构也会导致用电量的上升而不利于提升立式栽培结构的经济性。且现有立式栽培结构的调整也较少与照明结构的空间布置和/或时间布置相结合，不能充分保证各栽培面植株接受光照的均匀性。

另外，现有技术对于照射在非植株表面的光线回收利用率低，造成光能浪费，光能回收利用也较少与立式布置的种植结构相配合以改善不同高度或不同径向位置处植株接受光照的均匀性。并且，由于电价周期及植株生长周期的差异性，现有技术中针对光照方案的时间空间布置也较少涉及阶段性或全周期的植株生长量和耗电量的平衡以获得更优的经济效益。

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

针对现有技术所提出的至少一部分不足之处，本申请提供了一种立式植物工厂的照明系统，包括：培育单元，用于布置植株，培育单元基于沿高度方向布置的种植架为植株提供立式栽培空间。照明单元，用于为植株提供光照，照明单元按照至少能够覆盖培育单元高度范围的方式与培育单元并行布置。其中，在培育单元配置有朝向不同方向的若干种植面的情况下，若干培育单元按照围绕照明单元的方式进行布置，使得照明单元至少能够基于光线照射覆盖培育单元朝向照明单元的种植面。在照明单元由若干发光组件沿高度方向叠加而成的情况下，发光组件按照能够独立控制发光强度和光谱结构的方式照射培育单元，其中，照明单元在高度方向上的至少一端配置有用于反射光线的反光组件，使得反光组件能够按照反射面相对照明单元中心轴角度可调的方式将至少部分照射在非植株表面的光线反射至培育单元。

现有关于植物工厂立式栽培系统的设置方案中，种植结构大多配置为多层式结构并在空间上重合布置以形成若干可接受光照的近似独立空间，光照结构与种植结构交叠布置则会显著增加立式栽培系统的架设成本和布置难度，液体、管道、电流交叉布置也会产生安全隐患，降低系统的稳定性和安全性，尤其是对于植物种植培养这类长周期过程。种植结构和光照结构的稳定可控以及便于调整和控制对于现代植物工厂提高生产率和自动化率而降低经营成本具有重要意义。因此，本申请中在培育单元的种植面沿高度方向分层设置的情况下，照明单元与培育单元并行设置，使得沿高度方向布置的照明单元能够对培育单元的不同层产生水平光线和倾斜光线，基于光线环形发散对的特点，照明单元周围可布置若干培育单元，培育单元分成若干朝向，使得若干培育单元的种植面和对应的照明单元组成种植模块，培育单元其它朝向的种植面也分别与其它照明单元组成种植模块，使得培育单元和照明单元相互围绕以形成能够独立控制作物受光状态的近似独立的栽培空间。

培育单元和照明单元分离设置简化了整体结构，电路结构和管路结构独立设置显著提升了系统的功能稳定性和安全性，便于照明单元和培育单元在植物工厂布置的便捷性，便于培育单元和照明单元根据栽培需要而进行结构调整和合理搭配。培育单元和照明单元在高度方向上并行布置的设置方式也能够显著减少照明单元的布置数量，减少设备投入，沿高度布置的照明单元也能够对培育单元的每层种植面产生平射光和斜射光，则每层种植面接受到的光照状态近似相等，且照明单元也可在不同高度位子设置不同的发光状态并形成沿高度变化的函数分布，例如，光照强度、光谱结构和光照时间，便于精细控制作物的受光状态。

针对现有技术对于照射在非植株表面的光线利用率较低较，也较少与立式布置的种植结构相配合以改善不同高度或不同径向位置处植株接受光照的均匀性的问题，本申请在照明单元的上下端部布置有反光组件，反光组件用于反射照明单元照射在地面及顶面的光线，使得该部分光线能够在反射组件的作用下反射至培育单元的植物面。由于培育单元种植面与照明单元相对位置的设置方式，种植面接收到的光照强度呈现中间高，左右两侧和上下两侧低的分布规律，即光照强度在种植面的周向和高度方向存在分布不均。为此，本申请可对反光组件的反射面进行曲率设置，使得经过反射面反射后的光线在种植面周向及高度方向呈现光照强度从两侧向中心递减的分布规律，从而补偿照明单元对于种植面直射光和斜射光产生的光照不均性。另外，反光组件的反射面相对照明单元中心轴角度可调，则反射面的覆盖范围可以配合培育单元种植面的布置范围进行调整以控制反射光线的覆盖范围，使得反光组件基于照射在非植物表面光线的反射利用以提高光能的利用效率，从而提升立式植物工厂的经济性。

优选地，反光组件按照围绕照明单元的中心轴的方式布置有反射面，在照明单元的照射光线在周向环绕出射的情况下，反射面配置为沿径向扩散的曲面，其中，反射面的曲率随径向尺寸的增大而先增后减。在反光组件的反射面配置为围绕中心轴的若干反射面的情况下，反射面的曲率随径向尺寸的增大而先增后减，其中，反射面的朝向数量与培育单元的种植面朝向数量保持一致。反光组件配置有用于控制反射面倾斜程度的角度调节器，角度调节器通过改变反射面与角度调节器连接位置到照明单元中心轴的距离的方式控制反射面相对中心轴的倾斜角度，使得反射面能够基于角度调整改变反射光线的覆盖范围以适应培育单元的种植面的高度调整。

布置在照明单元端部的反光组件能够将照射在地面或顶面的部分光线进行反射以提高光线的利用效率，为改善沿高度方向布置的照明单元对于培育单元不同高度位置照射强度的不均匀性，反光组件的反射面可进行曲率设计以控制反射光线在培育单元不同高度位置的汇集程度，例如，当反射面的曲率随径向尺寸的增大而先增后减时，反射面径向两端对于反射光线的角度偏转效果增强，使得照明单元照射在反射面的光线能够在反射面的作用下向培育单元的两端倾斜，即反射面反射的光线按照对培育单元的光照强度从远端向近端先减后增的方式进行设置，远端指培育单元远离调节组件的一端，近端指培育单元靠近调节组件的一端，使得反射面的反射光能够弥补照明单元对培育单元两端光照的不足而改善位于不同轴向高度位置的植株所接收到的光照的均匀性。配合培育单元种植面的高度调整，反光组件还设置有用于控制反射面相对照明单元中心轴的倾斜角度，当反射面降低倾斜程度时，反射面反射光线的覆盖高度就会增加，反之反射面反射光线的覆盖高度就会下降，依次适应配置面的高度调整。

优选地，发光组件包括用于发出生长光的第一光源和/或用于发出信号光的第二光源，单个发光组件可由第一光源和第二光源中的一种或两种组成，使得发光组件能够基于改变第一光源和第二光源的比例或发光强度的方式控制植株所接受光线的光谱结构。第一光源和第二光源的间隔布置能够有效控制光谱结构沿高度方向的分布，第一光源和第二光源可依据成本控制和功能需要设置为相应的尺寸结构，该尺寸结构显著小于种植面的布置高度，则若干发光组件可作为占据一定高度范围的照明单元，使得发光组件与发光组件之间可互为备份，发光组件中的若干第一光源和第二光源也可互为备份，显著提升了发光结构抵抗故障而保证一定发光强度的能力，若干发光组件也可间隔发光或设置不同的发光强度以改善长时间照明下的温度影响。

优选地，在照明单元基于若干沿高度方向布置的发光组件形成柱形光源的情况下，培育单元配置有用于反射照明单元照射在非植株表面光线的调节面，其中，调节面至少覆盖种植面下表面。调节面包括覆盖种植面下表面的第一调节曲面和覆盖中心柱外表面的第二调节曲面，其中，在第一调节曲面的曲率随径向尺寸减小而增大且第二调节曲面的曲率随高度减小而增大的情况下，经过调节面反射的光线的轴向分量大于径向分量，使得照射在调节面的光线能够基于调节面的反射作用将反射光线汇聚于位于下层的种植面。经反射面反射的光线作用于调节面，调节面能够基于自身结构及曲率设置将反射光线二次反射汇聚以照射植株表面，即照明单元照射在顶面或地面的光线能够基于反射面和调节面的两次以上的反射作用而照射植株，显著地提升了光线的利用效率而解决电能，有利于提升本申请照明系统的经济性。由于种植面径向位置到照明单元的间距不同，则种植面沿径向也存在光照强度不均，则可对调节面的曲率进行设置，使得经调节面反射后的光线照射强度沿径向尺寸的增大而减小以补偿种植面在径向上的光照强度不均，从而提升种植面不同径向位置所接收光照强度的均匀性。

优选地，系统在地面和顶面分别设置有第一轨道和第二轨道，培育单元和照明单元按照分别基于行走组件连接第一轨道和第二轨道的方式控制培育单元和照明单元在地面和顶面的位置，使得培育单元和照明单元能够以相互环绕的布置方式形成若干能够独立调节光照条件的种植模块，其中，种植模块由照明单元和若干朝向照明单元的种植面组成。分置于地面和顶面的第一轨道和第二轨道能够分别调整培育单元和照明单元的位置，使得照明单元和培育单元相互围绕以形成若干可独立调整受光状态的种植模块，也便于培育单元和照明单元在植物工厂中的适配管理，结合传感控制器可满足植物工厂对于智能管理和精细化作业的需求。

本申请还提出一种立式植物工厂的照明方法，该方法基于上述照明系统实施，该方法包括以下步骤的一项或多项：

设置控制单元，控制单元配置有连接培育单元和照明单元的控制器，控制器连接用于信息输入输出的服务器。

控制器基于培育单元反馈的作物状态信息控制照明单元在高度方向的发光强度分布和光谱结构分布，发光强度分布指发光强度随高度变化的函数分布，光谱结构分布指光谱结构随高度变化的函数分布。

控制器基于照明单元反馈的发光组件温度信息控制照明单元发光组件的间隔启用，即发光组件的发光强度以高度位置及时间的函数分布。

控制器基于培育单元反馈的种植面的高度信息控制反光组件的反射面相对照明单元中心轴的倾斜度。

控制器基于服务器获取电价周期，控制照明单元的发光周期与电价周期反向设置，即当电价周期分别处于高峰时段、平段和低谷时段时，发光周期分别处于低谷时段、平段和高峰时段。

附图说明

图1是本发明的一种优选实施方式的整体结构示意图；

图2是本发明的一种优选实施方式的布局示意图；

图3是本发明的一种优选实施方式的培育单元结构示意图；

图4是本发明的一种优选实施方式的培育单元局部结构示意图；

图5是本发明的一种优选实施方式的控制单元功能连接示意图。

附图标记列表

1：培育单元；2：种植架；3：中心柱；4：行走组件；5：第一轨道；6：第二轨道；7：培育环；8：种植面；9：植位；10：第一周向边；11：第二周向边；12：径向边；13：轴向调节器；14：调节面；15：第一调节曲面；16：第二调节曲面；17：照明单元；18：发光组件；19：反光组件；20：控制单元；21：环境调节器；22：养分配置器；23：控制器；24：显示器；25：服务器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本申请提出了一种立式植物工厂的照明系统及方法，在充分利用植物工厂上部空间的基础上，将光照结构和种植结构分置并基于种植结构和光照结构之间的空间布置关系形成均匀地光照种植系统，同时，种植结构和光照结构中的至少一种进行调整以获得能够满足植物生长短周期或长周期所需的光照条件。光照结构和种植结构分别连接顶面轨道或地面轨道以实现光照结构和种植结构的位置调整和模块化布置，结合传感控制模块，使得本申请的方案能够较好地满足植物工厂对于智能控制及精细作业的需求。

如图1和图2所示，本申请提出的作物受光状态可调控的立式栽培系统配置有若干培育单元1和若干照明单元17，培育单元1和照明单元17分别基于设置在地面或顶面的轨道实现位置移动调整，使得培育单元1和照明单元17能够根据种植需要进行设置并形成若干互相包围的拓扑式结构。培育单元1用于形成立式的多层种植结构，照明单元用于为培育单元1的立式多层种植结构提供短周期或长周期的光照条件，短周期的光照条件即为特定植株在近似一个昼夜中所需要的光照条件变化过程，而长周期的光照条件即为特定植株在整个生长阶段所需要的光照条件变化过程，其中的变化因素包括光照强度、光谱结构、光照角度等。

具体的，培育单元1包括立式结构的种植架2，种植架2配置有沿高度方向布置的中心柱3，使得高度方向为中心柱3的轴向，中心柱3底部连接行走组件4，行走组件4可基于外力作用或自身动力沿布置在地面的第一轨道5受控运动。照明单元17按照若干发光组件18沿高度方向叠加而成的柱形光源，照明单元17靠近顶面的一侧配置有行走组件4，行走组件4与布置在顶面的第二轨道6连接，使得照明单元17能够基于外力作用或自身动力沿第二轨道6受控运动。第一轨道5和第二轨道6可以由若干非交叉一维轨道组成的并行轨道，也可是由相互交叉布置的若干一维轨道组成的轨道网，使得植物工厂内部空间的若干培育单元1和若干照明单元17能够以模块化分布的方式进行种植作业，例如，如图2所示，当培育单元1配置有朝向数量为四的种植面8时，四组培育单元1围绕一组照明单元17形成模块化化分布的子单元，使得培育单元1的每一朝向的种植面8均能对应一组照明单元17。行走组件4基于第一轨道5和第二轨道6分别控制调整培育单元1和照明单元17的位置，使得若干培育单元1和若干照明单元17能够根据种植需要和培育单元1的种植面8设置进行模块化布置，培育单元1的种植面8设置指培育单元1的种植面8的朝向数量，例如，当种植面8的朝向数量为四是，培育单元1与照明单元17组成的模块化布置结构如图2所示，即培育单元1的种植面8朝向数量与围绕照明单元17的培育单元1数量相匹配，当培育单元1的种植面8朝向数量为二时，即培育单元1形成朝向两边的排列式结构，则若干培育单元1和若干照明单元17分别组成单列或单行结构，使得培育单元1和照明单元17形成相互间隔的排列式模块化布置。

优选地，为充分利用植物工厂的竖向空间，用于布置作物的种植面8以连接中心柱3不同轴向高度和/或不同周向范围的方式环绕中心柱3布置，使得种植面8可以划分成若干可用于布置不同生长高度或不同光照需求植株的培育环7，培育环7的边数即为种植面8的朝向数量。例如，种植面8在中心柱3轴向不同高度处布置有第一作物层、第二作物层和第三作物层，第一作物层的种植面8按照覆盖中心柱3不同周向范围的方式配置为若干间隔布置的环形结构，不同周向范围可以是覆盖角度不同，使得在周向上间隔布置的若干种植面8能够覆盖周向上的不同角度范围以形成具有曲边或直边的环状结构。具体的，如图3和图4所示，若干培育环7分别布置在中心柱3的不同高度位置以形成多层式结构，同一层的培育环7按照分别连接中心柱3不同朝向的方式形成周向连续或非连续的种植面8，使得朝向不同方向的种植面8能够基于分层式结构充分利用照明单元17的环向光照。针对光照需求或生长高度需求特殊的植株，朝向同一方向的种植面8也可在多层结构上交错布置，使得相邻层的种植面8能够基于周向非连续的布置方式形成轴向上的交错布置结构。

例如，如图3所示，单个朝向的种植面8在每一层上可分隔为若干植位9，使得非连续设置的若干植位9相互间隔并在相邻的层上交错布置，相比于单个朝向的种植面8连续布置而形成多层并行培植结构的情况，交错布置的培植结构能够提高层间高度以适应不同生长高度的植物，层间高度的提升也能够改善靠近中心柱3布置的植株的光照条件，增加种植面8在径向上的受光均匀性，另外，基于层间高度的提升，位于低层的种植面8可适应性地提高径向尺寸以扩大种植面积。交错布置的培植结构相比多层并行的培植结构，层间高度提升一倍，层间高度和交错设置的植位9数量可根据植株类型进行调整，例如，对于植株形态较大而适用于单株栽培或少量栽培的植株，种植面8的植位9可划分为数量较多的非连续的植位9，使得交错布置的植位9能够为植株生长提供足够的空间位置和光照条件。

为保证多层式种植面8对于竖向空间的利用率，种植面8相对中心柱3的径向尺寸可由高到低逐渐增大，具体的，如图3和图4所示，朝向单一方向的种植面8远离中心柱3设置的第一周向边10和靠近中心柱3设置的第二周向边11，第一周向边10和第二周向边11的两端通过径向边12进行连接，使得第一周向边10、第二周向边11和径向边12组成的种植面8能够形成沿中心柱3径向延伸的扩展面，不同朝向的种植面8可以间隔布置，使得不同朝向的种植面8能够作为独立的植位9，可适用于不同品类或不同阶段的植株，不同朝向的种植面8也可以连续布置以形成环绕中心柱3布置的培育环7，适用于同种品类的植株。

由于照明单元17基于若干沿高度方向布置的发光组件18形成柱形光源，则布置在上层的种植面8会对下层的种植面8产生遮挡，尤其是靠近中心柱3布置的植株，其接收到的光线范围受到上层种植面8的限制而容易出现光照不足的情况，为此，本申请结合照明单元17的形状设置，将种植面8的下表面和靠近种植面8下表面的中心柱3表面配置为曲面形状的调节面14，使得调节面14能够将照射到种植面8下表面和中心柱3表面的光线反射至植株表面以改善种植面8的光照条件。

优选地，为提升种植面8在种植架2上布置的灵活性和适用性，尤其是针对植株在生长过程中植株形态及高度变化较为明显的情况，种植面8能够灵活地调整培育环7层间高度和植位9之间的间距，使得种植面8的空间尺寸和调节面14的光照角度能够满足植株在不同生长阶段的需要。具体的，中心柱3设置有连接种植面8的轴向调节器13，使得种植面8能够在轴向调节器13的作用下沿高度方向进行调节，使得培育环7或种植面8的层间高度能够根据需要进行调整。轴向调节器13可以是电动控制或液压控制，也可与行走组件4共用动力以实现种植面8的轴向调整。

优选地，为更好地实现对光照条件的控制，照明单元17在高度方向上配置有若干发光组件18，光源逐渐可独立地控制光照强度和/或光谱结构，使得照明单元17能够根据培育单元1的光照需求进行照射光和信号光的控制调整。发光组件18可配置为主要用于发出生长光的第一光源和用于发出信号光的第二光源，沿轴向布置的单个发光组件18可以是全部由第一光源组成，或者由第一光源和第二光源组合而成，第二光源能够相对第一光源间隔布置以实现植物生长信号的调控，第二光源可以由多种信号光对应发光元件组成，使得第二光源能够基于控制不同发光元件的亮度而实现植物信号光的调整，例如，发光元件对应的信号光包括：远红光、红光、蓝光和蓝紫光，其中红光和远红光的波长分别为600-700nm和700-750nm，蓝光和蓝紫光的波长范围分别为400-450nm和320-390nm。

在太阳能辐射中，对植物光合作用有效的那部分光谱所散发能量称为光合有效辐射(photosynthetically active radiation)，简称PAR。通常评价光合有效辐射的计量单位为光合量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density)，缩写为PPFD，它表示光合有效辐射中的光通量密度，是指单位时间单位面积上在植物可吸收波长范围内入射的光量子数，单位为mol/m-2·s-1。PPFD表示了光量子数量与光合作用间的相关性，可以评价光照强度对植物生长发育的影响。当植物生长环境中的二氧化碳、水和温度满足植物需要时，PPFD直接影响植物的光合速率：PPFD在植物的光补偿点以上时，随着PPFD的增大，植物的光合速率不断上升，直至植物的光饱和点。当达到和超过植物的光饱和点后，光合速率不再增加，过剩的光能还可能产生光抑制作用，导致植物光合速率的降低。

依据植物对于生长光照强度的要求，植物一般可分为阳生植物、中生植物和阴生植物。阳生植物需在强光照强度下生长发育健壮，如仙人掌科、蔷薇科等。阴生植物只有弱光照强度条件下才能生长良好，如多数的兰科植物、天南星科植物和蕨类植物。中生植物既可以在充足的光照下生长良好，也能忍耐不同程度的遮荫，多数植物属于这一种类。不同植物所需求的PPFD有所区别，一般阳生植物的PPFD较高，而阴生植物所需求的PPFD较低，因此在人工光植物工厂的光照强度管理时，要把握不同植物对光照强度的需求。一天之中，白天和黑夜的相对长度称为光周期，植物对白天和黑夜相对长度的反应，称为植物的光周期现象。一般日照时间长短影响植物的形态建成、生物量积累、器官形成和开花等一系列生理现象。光照时间过短，植物无法进行充分的光合作用，造成生长缓慢、徒长、瘦弱等生长问题出现，也会导致一些植物无法成花。多数植物工厂的植物来说，每天给予14-16小时的光照，8-10小时的黑暗，即可满足生长发育的需要。依据植物开花对于日照时间的反应，人们将植物分为长日植物(须大于12小时的光照时间才能开花)、短日植物(小于10小时的光照时间才能开花)和日中性植物(开花对光照时长不敏感)。因此植物工厂补光需根据采收要求，合理的对植物进行补光时间的处理。因此，本申请的照明单元17可针对不同类型的植株给予对应光照强度的生长光和信号光，并控制光照强度相对高度位置和时间的函数变化，使得照明单元17能够基于叠加的若干发光组件18对培育单元1产生适宜植株生长的且周期性变化光照条件。

由于电价周期及植株光周期的差异性，现有技术中针对光照方案的时间空间布置也较少涉及阶段性或全周期的植株生长量和耗电量的平衡以获得更优的经济效益。例如，电价周期规格如下：高峰时段为10-12点、14-19点；低谷时段为0-8点；其余时段为平段；峰平谷比价为1.7：1：0.38。则对于基本不依赖太阳光的人工光完全控制型植物工厂，其作物周期可根据电价周期进行适应性调节，例如，在低谷时段，照明单元17采用第一光照强度照射作物，在靠近低谷时段的平段采用第二光照强度照射作物，在高峰时段及部分平段关闭照明单元17，使得植物工厂的用电峰谷阶段与电价周期相反，从而提升植物工厂的经济性。

优选地，由于与照明单元17中部齐平的种植面8相对其它位置的种植面8接收到的光线更多，则为保证培育单元1在轴向上即高度方向上的光照均匀性，则照明单元17可按照发光组件18的发光强度沿轴向先减小后增大的方式进行设置，由于发光组件18的尺寸可远小于种植面8的层间高度，则照明单元17启用部分发光组件18即可达到对培育单元1的覆盖而无须启用全部发光组件18，尤其是在植株对于光源强度需求不高的时候，发光组件18部分启用或间隔启用的设置方式也能够实现对光源的保护作用，基于间隔启用的方式改善光源在长时间工作下温度上升所导致的性能衰退，保证照明单元17的光照强度和光谱结构能够满足植株的生长需求。

优选地，为减少照明单元17对于非目标区域的照射以提升光线的利用效率，照明单元17还设有反光组件19，反光组件19配置在照明单元17的两端，布置在照明单元17两端的反光组件19相对照明单元17对称布置，反光组件19可基于反射作用偏转光线的照射方向，使得照明单元17照射至顶面或地面等非目标区域的光线能够在反光组件19的偏转作用反射至培育单元1。具体的，反光组件19围绕照明单元17的中心轴进行布置，反光组件19包括配置为倾斜平面或曲面的反射面，反射面环绕照明单元17的中心轴布置以形成锥台的侧面，即围绕中心轴形成的反射面可配置为圆台侧面、棱台侧面或上圆下方的环绕面。当反射面配置为棱台侧面时，反射面的数量与种植面8的朝向数量一致，使得由反射面反射的光线能够分别覆盖对应方向的培育单元1。当反射面配置为圆台侧面时，反射面的曲率按一定规律变化，使得经过反射面反射的光线能够较为均匀地照射培育单元1。

优选地，由于种植面8不同周向位置到照明单元17的中心轴线距离不同，则对于同一高度的种植面8来说，种植面8的周向中间相比种植面8的两侧距离照明单元17中心轴线的距离更近，在相同条件下获得的光照强度更高，即同一高度种植面8所获得的光照强度沿周向呈中间高两边低的分布趋势。且照明单元17沿高度方向与培育单元1并行布置，考虑照明单元17对于培育单元1不同高度位置平射光和反射光的叠加，则不同高度位置的种植面8所接收到光照强度沿高度方向呈中间高两边低的分布趋势。另外，由于单个种植面8不同径向位置距离照明单元17的距离不同，则单个种植面8不同径向位置所获得的光照强度沿径向尺寸的增大而增大。

基于上述分析，由于培育单元1和照明单元17的结构设置，种植面8存在周向、高度方向及径向上光照强度分布不均的情况，因此，系统可基于反射面和调节面14的曲率设置以改善上述光照强度不均，在保证植株受光均匀的基础上，也能基于反射光线的充分利用以提升光能的利用效率。以反射面配置为与培育单元1种植面8朝向数量一致的棱台侧面为例，基于反射面和调节面14曲率设置以改善种植面光照强度不均的具体设置如下：

为改善种植面8在周向上的光照强度不均，反射面可配置为与培育单元1种植面8朝向数量一致的棱台侧面，棱台侧面的曲率可按照反射光线偏向种植面8两侧的方式进行设置，即在同一水平高度上，反射面的曲率按照由中心向两侧增加的方式设置，即在反射面同一水平高度上，发光组件18照射在反射面的光线经反射面作用后，反射面由中心向两侧降低的曲率设置会使得反射面的反射光线向两侧偏转，从而反射光线能够更多地覆盖种植面8的两侧，使得反射光线在种植面8周向上的光照强度呈现两侧向中心递减的方式设置，配合照明单元的对种植面的平射光和斜射光，可对种植面8不同周向位置处的植株所接收到的光照强度进行均衡以提升种植面8在周向上的光照强度均匀性。

为改善种植面在高度方向上的光照强度不均，反射面按照沿径向尺寸由低到高而曲率先增后减的方式进行设置，使得照明单元17照射在反射面的光线能够在反射面的作用下向培育单元1的两端倾斜，即反射面反射的光线按照对培育单元1的光照强度从远端向近端先减后增的方式进行设置，远端指培育单元1远离调节组件的一端，近端指培育单元1靠近调节组件的一端，使得反射面的反射光能够弥补照明单元17对培育单元1两端光照的不足而改善位于不同轴向高度位置处植株所接收到的光照的均匀性。

为改善种植面在径向上的光照强度不均，如图4所示，调节面14包括设置在种植面8下表面的第一调节曲面15和靠近中心柱3设置的第二调节曲面16，第一调节曲面15主要接收照明单元17产生的直射光和反射光并将其反射，使得经过第一调节曲面15的反射光能够对植株产生至少包括轴向分量的照射光线，由于种植面8径向尺寸更大的位置更靠近发光组件18，则靠近种植面8第一周向边10的区域获得的光照强度高于靠近第二周向边11的区域，为平衡由于径向位置不同产生的光照不平衡，调节面14的第一调节曲面15按照曲率由靠近第一周向边10的位置向靠近第二周向边11的位置递增的方式进行设置，使得第一调节曲面15的曲率在径向扩大的方向上逐渐递减。第二调节曲面16也用于接收照明单元17产生的直射光或反射光，第二调节曲面16按照曲率由靠近上层种植面8的位置向靠近下层种植面8的位置逐渐递增的方式进行设置。第一调节曲面15和第二调节曲面16的曲率设置方式有利于经过第一调节曲面15和第二调节曲面16反射后的光线集聚在种植面8区域，从而减少朝向非种植面的反射光线，提高光线的利用效率。

例如，与当前层种植面8高度相近的发光组件18发出近似平行于种植面8的光线，光线对于当前层种植面8的光照主要集中在靠近第一周向边10的区域，照射至中心柱3表面的光线经过第二调节曲面16的反射后依次照射在种植面8的不同径向位置。低于当前层种植面8的发光组件18对于当前层的作用光线倾斜向上，使得光线主要照射在调节面14的第一调节曲面15，以及第二调节曲面16的部分区域，照射在第一调节曲面15的光线经过反射作用作用于种植面8和第二调节曲面16，反射在第二调节曲面16的光线经过二次反射后作用于种植面8，使得斜向上入射的光线在调节面14的作用下集聚于种植面8并产生轴向分量大于径向分量的照射光。高于当前层种植面8的发光组件18对于当前层的作用光线倾斜向下，使得光线主要作用于种植面8，以及第二调节曲面16的部分区域，作用于种植面8的光线能够为植株提供直射光照，而作用于第二调节曲面16的光线基于反射原理作用于种植面8靠近第二周向边11的区域。因此，调节面14对于照明单元17产生的平行光和倾斜光均可产生集聚作用，使得第一调节曲面15形成类似凹面镜的聚光效果，在基于反射原理充分利用非直接照射在种植面8的光线的基础上，也能够基于调节面14的曲率设置对反射光线进行二次分布调整，使得调节面14产生的反射光能够更多地照射种植面8径向尺寸较小的区域而提升植株接受光照的均匀性，从而保证植株的生长效果，提高光线的利用效率。

优选地，为配合培育单元1的种植面8调节，反光组件19配置有用于控制反射面倾斜程度的角度调节器，角度调节器可布置于反射面远离发光组件18一侧，角度调节器通过连接反射面并控制反射面部分位置到照明单元17中心轴的距离的方式控制反射面相对中心轴的倾斜角度，使得反射面能够基于角度调整改变反射光线的覆盖范围，例如，当种植面8的层间高度提升或者当前组合下的培育单元1比上一培育单元1的层间高度更高时，反射面相对中心轴的角度增大，使得反射面反射的光线扩大在培育单元1周向高度上的照射范围。由于照明单元17周围布置的培育单元1可能栽培有若干品种的植株，则反射面朝向各个培育单元1的反射面可在角度调节器的控制下独立运作，即朝向各个培育单元1的反射面相对中心轴的角度可由角度调节器进行独立地控制，使得反光组件19能够将反射光线调整适用于照射高度需求不一致的若干培育单元1。

为更好地满足植物工厂对于智能控制及精细作业的要求，本申请还设置有控制单元20，控制单元20配置有控制器23，控制器23分别与培育单元1、照明单元17、环境调节器21、养分配置器22、显示器27和服务器28信号连接；环境调节器21在种植架2和/或顶面设置有传感器用于监测环境参数，养分配置器22可布置于顶面并基于管道进行营养液的补充及管理，也可设置管理站，使得培育单元1能够通过第一轨道5移动至管理站进行营养液的补充或更换。

具体的，控制器23获得培育单元1的相关信息：基于布置在中心柱3的传感器获得种植面8的布置高度范围，定义为培植高度，基于布置在调节面14的图像传感器获得植株的生长状态定义为植株状态，基于布置在中心柱3的传感器获得轴向调节器13的位置信息，定义为培植调节信息。控制器23获得照明单元17的相关信息：基于布置在照明单元17的芯片获得发光强度随高度方向的分布信息，定义为发光状态，基于传感器获得反光组件19相对中心轴的角度，定义为光源调节信息。控制器23获得环境调节器21的相关信息，定义为环境参数，包括二氧化碳浓度、氧气浓度、空气湿度、温度等。控制器23获得养分配置器22的相关信息，定义为营养参数，包括营养液离子浓度、浓度配比、营养液更换频率和营养液循环周期等。控制器23也可基于显示器27或服务器28获得输入指令或指导信息，也可基于显示器27和服务器28传递植物工厂的参数信息及状态信息。

控制器23还基于服务器28获取培育单元1和光照单元的位置信息，例如，培育单元1的位置信息包括：设备编号、培育单元1相对第一轨道5的平面位置信息，照明单元17的位置信息包括：设备编号、照明单元17相对第二轨道6的平面位置信息；具体的，若干培育单元1分别被赋予对应数字编号、培育单元1不同朝向的种植面8分别被赋予对应的字母编号，若干照明单元17分别被赋予对应的第一层数字编号，照明单元17的发光组件18分别被赋予第二层数字编号；则控制器23可基于服务器28获得各照明单元17的位置信息，并基于服务器28获得布置在该照明单元17周围的培育单元1的位置信息和朝向该照明单元17的种植面8的编号信息，使得若干培育单元1朝向同一照明单元17的种植面8形成相对独立的培植空间；培育单元1和光照单元的位置信息不仅可用于植物生长环境的调整，也可用于植物工厂的智能规划，例如：空间布置规划，即不同培育单元1作物安排和位置布局；光照条件规划，即基于培育单元1种植面8参数和输入信息为作物提供对应的光照条件；营养规划；基于作物状态和输入信息为作物提供相应的营养条件；采摘规划，即基于作物状态和生长速度进行采摘和重新种植以实现智能监管。

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。

Claims (10)

1.一种立式植物工厂的照明系统，其特征在于，所述系统包括：

培育单元(1)，用于布置植株，所述培育单元(1)基于沿高度方向布置的种植架(2)为植株提供立式栽培空间；

照明单元(17)，用于为植株提供光照，所述照明单元(17)按照至少能够覆盖所述培育单元(1)高度范围的方式与所述培育单元(1)并行布置；其中，

在所述照明单元(17)由若干发光组件(18)沿高度方向叠加而成的情况下，所述发光组件(18)按照能够独立控制发光强度和光谱结构的方式照射所述培育单元(1)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反光组件(19)按照围绕所述照明单元(17)的所述中心轴的方式布置有反射面，在所述照明单元(17)的照射光线在周向环绕出射的情况下，所述反射面配置为沿径向扩散的曲面。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述反光组件(19)的反射面配置为围绕所述中心轴的若干反射面的情况下，所述反射面的朝向数量与所述培育单元(1)的所述种植面(8)朝向数量保持一致。

4.根据前述权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，所述反光组件(19)配置有用于控制反射面倾斜程度的角度调节器，所述角度调节器控制所述反射面相对所述中心轴的倾斜角度，使得所述反射面能够基于角度调整改变反射光线的覆盖范围以适应所述培育单元(1)的种植面(8)的高度调整。

5.根据前述权利要求1至4之一所述的系统，其特征在于，所述发光组件(18)包括用于发出生长光的第一光源和/或用于发出信号光的第二光源。

6.根据前述权利要求1至5之一所述的系统，其特征在于，在所述照明单元(17)基于若干沿高度方向布置的所述发光组件(18)形成柱形光源的情况下，所述培育单元(1)配置有用于反射所述照明单元(17)照射在非植株表面光线的调节面(14)。

7.根据前述权利要求1至6之一所述的系统，其特征在于，所述调节面(14)包括覆盖所述种植面(8)下表面的第一调节曲面(15)和覆盖中心柱(3)外表面的第二调节曲面(16)，其中，照射在所述调节面(14)的光线能够基于所述调节面(14)的反射作用将反射光线汇聚于位于下层的所述种植面(8)。

8.根据前述权利要求1至7之一所述的系统，其特征在于，所述培育单元(1)和所述照明单元(17)能够以相互环绕的布置方式形成若干能够独立调节光照条件的种植模块，其中，所述种植模块由所述照明单元(17)和若干朝向所述照明单元(17)的所述种植面(8)组成。

9.一种立式植物工厂的照明方法，所述方法权利要求1至8之一所述的照明系统进行实施，该方法包括以下步骤：

设置控制单元(20)，所述控制单元(20)配置有连接培育单元(1)和照明单元(17)的控制器(23)，所述控制器(23)还连接用于信息输入输出的服务器(25)；

所述控制器(23)基于所述培育单元(1)反馈的作物状态信息控制所述照明单元(17)在高度方向的发光强度分布和光谱结构分布，所述发光强度分布指发光强度随高度变化的函数分布，所述光谱结构分布指光谱结构随高度变化的函数分布；

所述控制器(23)基于所述培育单元(1)反馈的种植面(8)的高度信息控制反光组件(19)的反射面相对所述照明单元(17)中心轴的倾斜度。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

所述控制器(23)基于所述照明单元(17)反馈的发光组件(18)温度信息控制所述照明单元(17)的所述发光组件(18)的间隔启用，即所述发光组件(18)的发光强度以高度位置及时间的函数分布；

所述控制器(23)基于所述服务器(25)获取电价周期，控制所述照明单元(17)的发光周期与电价周期反向设置，即当电价周期分别处于高峰时段、平段和低谷时段时，发光周期分别处于低谷时段、平段和高峰时段。

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