CN115885741A - 一种太空植物栽培大气控制系统 - Google Patents

Abstract

一种太空植物栽培大气控制系统，其包括：用于建立空气环境的栽培室、安装于所述栽培室内的大气环境控制模块，以及与所述大气环境控制模块连接的测控模块；所述大气环境控制模块包括与所述栽培室连通的通风装置、与所述栽培室固定且与内部空气接触的大气参数采集装置、设置于所述通风装置内的污染防控装置；所述通风装置和大气参数采集装置分别与所述测控模块电连接。本发明通过所述栽培室建立密封栽培空间环境；通过所述通风装置促进植物空气利用效率；通过大气参数采集装置监测空气环境；通过所述污染防控装置去除栽培过程中产生的污染物；通过测控模块实现了对栽培室内环境的精确控制，提高了栽培作物的生长速度和产量。

Description

一种太空植物栽培大气控制系统

技术领域

本发明涉及太空植物种植领域，具体涉及一种太空植物栽培大气控制系统。

背景技术

受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)是未来长期载人航天所必须配置的环境控制与生命保障系统。它以生物再生技术为特征，有机融合非再生和物化再生生保技术，通过植物生产、微生物分解等生物过程的引入，实现大气、水资源再生，同时实现食物的生产供应。大幅减少深空探测与星际驻留等长期载人航天任务中物资补给需求。

植物是受控生态生保系统中的关键功能部件，它利用光合作用和蒸腾作用，可以为满足航天员对食物、氧气和净水等生保物资需求，同时去除二氧化碳和微量有害气体，缓解航天员的心理压力(Hoehn et al.,1998)。因此，在空间人工设施中开展植物栽培技术研究，对于探索植物功能部件在CELSS系统中的作用和功能，理解植物的基础生物学特性，对保证航天员在太空环境中的长期驻留有非常积极的意义。

但太空环境不同于地球环境，植物在太空环境培养植物需要在有限的封闭装置内提供接近地球环境以支持植物正常生长，相对于水分和光照供应，在狭小有限空间内模拟大气环境则更为困难。

发明内容

本发明的目的是解决在有限的封闭装置内模拟大气环境以支持植物高效生长的问题。

本发明的目的是采取下述技术方案来实现的：

一种太空植物栽培大气控制系统，其包括：用于建立空气环境的栽培室、安装于所述栽培室内的大气环境控制模块，以及与所述大气环境控制模块连接的测控模块；

所述大气环境控制模块包括与所述栽培室连通的通风装置、与所述栽培室固定且与内部空气接触的大气参数采集装置、设置于所述通风装置内的污染防控装置；

所述通风装置和大气参数采集装置分别与所述测控模块电连接。

优选的，所述污染防控装置包括与所述通风装置固定的乙烯袋支架、和放置于所述乙烯袋支架内的袋装乙烯去除剂。

优选的，所述通风装置包括内循环通风装置和外循环通风装置。

优选的，所述大气参数采集装置至少包括下述的一种或多种：氧分压传感器、二氧化碳分压传感器、大气压力传感器和温湿度传感器。

优选的，所述系统包括至少两只分别安装在栽培室内和栽培室外的大气压力传感器。

优选的，所述测控模块包括控制器、和与所述控制器连接的用于连接用户终端的电缆组件。

优选的，所述内循环通风装置包括：具有通风面的第一通风夹层、具有通风面且与所述第一通风夹层相对设置的第二通风夹层、安装于所述第一通风夹层的通风面上方区域的第一循环风扇组、以及安装于所述第二通风夹层的通风面下方区域的第二循环风扇组。

优选的，所述通风面包括：位于上方或下方占有所述通风面部分区域的通风网孔区，以及位于所述通风网孔区以外的循环风扇安装孔。

优选的，所述通风网孔区的通风孔直径与所述通风孔相距循环风扇安装孔的垂直距离成正比。

优选的，所述外循环通风装置包括：贯穿固定于所述栽培室且连通外部空气的气管、串联于所述气管上的电动阀、串联于所述气管上的过滤器；所述电动阀与所述测控模块电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、一种太空植物栽培大气控制系统，其包括：用于建立空气环境的栽培室、安装于所述栽培室内的大气环境控制模块，以及与所述大气环境控制模块连接的测控模块；所述大气环境控制模块包括与所述栽培室连通的通风装置、与所述栽培室固定且与内部空气接触的大气参数采集装置、设置于所述通风装置内的污染防控装置；所述通风装置和大气参数采集装置分别与所述测控模块电连接。本发明通过所述栽培室建立密封栽培空间环境；通过所述通风装置促进植物空气利用效率；通过大气参数采集装置监测空气环境；通过所述污染防控装置去除栽培过程中产生的污染物；通过测控模块实现了对栽培室内环境的精确控制，营造最佳大气环境，提高了栽培作物的生长速度和产量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为太空植物栽培系统结构示意图；

图3为水分养分供应模块结构图；

图4为大气环境控制模块结构示意图；

图5为图4背面视角结构图；

图6为栽培室结构图；

图7为栽培室整体外观结构图；

图8为传感器和摄像头安装结构图；

图9为大气控制系统组成及工作原理图；

图10为内循环通风装置结构图；

图11为大气控制系统的控制逻辑流程图；

其中：1-栽培室、2-根盘模块、3-水分养分供应模块、4-大气环境控制模块、5-光源模块、6-测控模块、7-剪刀差升降机构、8-光源驱动、31-水箱、32-水泵、33-流量调节阀、34-供水电磁阀、35-穿仓接头、36-气泵、37-弯形接头、38-管路压力传感器、41-内循环通风装置、42-外循环通风装置、43-压力传感器、44-温湿度传感器、45-二氧化碳分压传感器、46-氧分压传感器、47-污染防控装置、471-乙烯袋支架、472-袋装乙烯去除剂、411-循环风扇、412-右侧通风夹层、413-通风网孔区、414-左侧通风夹层、421-外循环进气口、422-供气电动阀、423-进气过滤器、424-出气电动阀、425-离心风机、426-出气过滤器、427-外循环出气口、428-上布风管、429-下布风管、11-隔热透明板、12-左侧板、13-上板、14-后板、15-底板、16-内板、17-导轨、18-前门组件、19-右侧板、141-散热风扇安装孔、181-调光玻璃、182-门把手、183-挡块、184-调光玻璃开关、185-注水口、186-采气口、101-栽培区、102-设备区、61-摄像头、62-叶温传感器、63-光量子传感器、64-调高滑轨、65-插头、40-通风装置、48-大气参数采集装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对技术方案做进一步说明，以助于理解本发明的内容。

如图1所示，本发明公开一种太空植物栽培大气控制系统，用于太空植物栽培系统内部大气的调控，所述大气控制系统包括：用于建立空气环境的栽培室1、安装于所述栽培室1内的大气环境控制模块4，以及与所述大气环境控制模块4连接的测控模块6；

所述大气环境控制模块4包括与所述栽培室1连通的通风装置40、与所述栽培室1固定且与内部空气接触的大气参数采集装置48、设置于所述通风装置40内的污染防控装置47。

所述通风装置40和大气参数采集装置48分别与所述测控模块6电连接。

所述通风装置包括内循环通风装置41和外循环通风装置42。

所述大气参数采集装置48包括大气压力传感器43、温湿度传感器44、二氧化碳分压传感器45和氧分压传感器46。

如图2所示，所述太空植物栽培系统包括：栽培室1、固定于所述栽培室1内的根盘模块2、与所述根盘模块2连接的水分养分供应模块3、与所述栽培室1固定的大气环境控制模块4、固定于所述栽培室1上方的光源模块5、以及与所述水分养分供应模块3、大气环境控制模块4和光源模块5电连接的测控模块6。

如图3所示，所述水分养分供应模块3包括：与所述栽培室1固定的水箱31、固定于所述根盘内的供水多孔管、连接所述供水多孔管和水箱31的管路、与所述管路串联的水泵32、与所述管路串联的流量调节阀33、与所述水泵32串联的供水电磁阀34，以及多个管路压力传感器38；所述管路通过穿仓接头35和弯形接头37穿过栽培室1的中部隔板经管路为所述根盘模块2供应水分。所述根盘模块2通过剪刀差升降机构7与栽培室1连接固定以实现高度可调，进而适应不同高度的植物栽培。所述水分养分供应模块3还包括固定于所述供水多孔管下方的多孔气管，以及与所述多孔气管连接的气泵36。

如图4和5所示，所述大气环境控制模块4包括：分别与所述测控模块6连接的通风装置、大气压力传感器43、温湿度传感器44、二氧化碳分压传感器45、氧分压传感器46、以及污染防控装置47。所述通风装置包括内循环通风装置41和外循环通风装置42。

所述污染防控装置47包括固定于所述内循环通风装置41内部的乙烯袋支架471和放置于所述乙烯袋支架471内的袋装乙烯去除剂472。

所述外循环通风装置42包括：与所述栽培室1固定的外循环进气口421、与所述外循环进气口421连接的供气电动阀422、与所述供气电动阀422连接通向所述栽培室1的进气过滤器423，与所述栽培室1连通的出气电动阀424、与所述出气电动阀424连接的离心风机425、与所述离心风机425连接的出气过滤器426、以及连通所述出气过滤器426和外部空气的外循环出气口427。外部空气经过所述进气过滤器423进入所述栽培室1内部。

如图5所示，所述外循环通风装置42还包括与所述进气过滤器423连接的上布风管428和与所述出气电动阀424连接的下布风管429，二者对角安置以实现出风和回风均匀的目的。

如图6所示，所述栽培室1的顶部采用透明材质，安装有隔热透明板11，在所述隔热透明板11的上方安装有光源模块5，所述隔热透明板11能保持透入光线且阻隔光源模块5的散发热量，同时还方便更换和维护光源模块5。

如图6和图7所示，所述栽培室1还包括左侧板12、上板13、后板14、底板15、内板16、右侧板19、以及前门组件18；所述左侧板12和右侧板19上安装有用于外部支撑的导轨17；所述前门组件18包括：用于外部观察的调光玻璃181、门把手182、用于锁紧前门的多个挡块183、用于控制所述调光玻璃181的调光玻璃开关184、注水口185和采气口186；所述内板16具有多个用于安装散热风扇的散热风扇安装孔141。

如图8所示，所述栽培室1内的中部位置安装有两个与所述测控模块6连接的叶温传感器62和用于检测光照强度的光量子传感器63；所述叶温传感器62和光量子传感器63通过支架安装在调高滑轨64上以实现高度调节，适应对不同高度植物的生长监控。在栽培室1上部还安装有用于视频监控植物生长状态的摄像头61。所述摄像头61、叶温传感器62和光量子传感器63的信号及电源线通过插头65穿过栽培室1的内板16，进而与所述测控模块6连接。

所述栽培室1内的内壁具有反光内衬；其空间分为栽培区101和设备区102；在所述设备区102的上部安装有用于驱动所述光源模块5的光源驱动8。

所述测控模块6包括控制器和用于连接用户终端的电缆组件。

为保证在空间微重力环境条件下，植物根系有充足的氧气供应，需要单独通过气泵36给栽培基质进行通气(从栽培室1空气中取气)，并通过基质氧含量传感器进行监测。当基质中氧含量达到设定值上限时(20％)，气泵36停止工作；当氧含量达到设定值下限时(15％)，气泵36启动工作。

所述大气环境控制模块4主要包括参数测量、通风装置、压力控制、温湿度控制、大气组份控制、污染防控和气体交换测试等几部分组成。其主要组成和简要工作原理如图9所示。模块占用设备区102空间为150×440×180mm，重量约3.0kg，用电功耗25W。

所述大气环境控制模块4需要测试大气环境中的相关参数，包括压力、温度、湿度、二氧化碳和氧气等。

大气压力传感器43安装在栽培室1内和设备区102，共2只，直接测量栽培室1内的大气压力和设备区102大气压力。当内外压力差达到±2kPa时，开启外循环通风装置已平衡内外压力。大气压力传感器43的测量范围80kPa-110kPa(绝压)。

采用一体化温湿度传感器44，测量栽培室1的大气温度和湿度，温湿度传感器44(探头)安装在通风管道内。配置2只温湿度传感器44，用于栽培室1温湿度控制时取2只温湿度传感器44的平均值。温度测量范围10℃-40℃，湿度测量范围10％-90％。

氧分压传感器46和二氧化碳分压传感器45(探头)亦安装在通风夹层内部，配置2只氧分压传感器46和2只二氧化碳分压传感器45，由1只氧分压传感器46和1只二氧化碳分压传感器45形成1组，安装在一侧通风夹层道中。

通风装置包括内循环通风装置41和外循环通风装置。

内循环通风装置41为栽培室1内的通风，主要为植物生长提供通风条件，包括植株地上部通风和根系基质通风(由水分养分模块实现)。通过内循环通风装置41以混匀大气组份，保证各部分气体组份和温湿度条件一致。同时，维持根区氧气含量，以保证根系正常的生长。

如图10所示，内循环通风装置41中配置4台循环风扇411，2台位于右侧通风夹层412上部，另外2台位于左侧通风夹层414下部。所述右侧通风夹层412和左侧通风夹层414的通风面包括位于上方或下方占有所述通风面部分区域的通风网孔区413，以及位于所述通风网孔区413以外的循环风扇安装孔。单个循环风扇411最大风量0.95m3/min(0.44-0.95m3/min)，4台循环风扇411总通风流量最大3.82m3/min。前期试验数据表明，在利用轴流风扇作为通风工具，总通风流量2.08m3/min条件下(风扇类型：70×70×10mm，4个，0.504m3/min(单个)，总功率24V*0.3A＝7.2W)，栽培室1各个区域平均风速为0.239m/s。在有植物生长的情况下，各个位点的通风风速下降12％-24％。同时，通过对比实验，不采用离心鼓风机模式来进行内循环通风装置41。

因此，在通风流量为3.82m3/min时(通风总量增加83.7％)，可以满足内循环通风装置41要求，保证栽培室1各区域风速达到0.3m/s左右。两侧风道宽净30mm，面向栽培室1一侧开均匀小孔进行通风。内循环通风装置41方式采用自右向左，从上至下，从左向右，从下至上的闭环通风装置。内循环通风装置41为连续式，当栽培室1门开启时，自动停止。

大气测量传感器，如温湿度、二氧化碳和氧气传感器均位于左右两侧内循环通风装置41夹层中。将乙烯去除剂放置在两侧通风夹层中。大气乙烯最大允许浓度≯30ppb(通过采样分析测定)。

外循环通风装置

光源模块5为植物提供光照时，一部分热量会进入栽培室1从而影响其温度控制。植物在生长过程中，会与其周围生长环境进行物质交换，主要包括吸收二氧化碳、释放氧气和蒸腾水分。这会影响栽培室1内大气温度、湿度、二氧化碳含量、氧含量和微量气体含量。而外循环通风装置主要通过内外气体交换，调节栽培室1大气环境条件，包括压力、温度、湿度、二氧化碳分压和氧气分压。

根据不同植物的生长特性，栽培室1需要控制的大气环境参数范围与空间(试验舱)的环境参数比较如表1所示。具体控制方案如下文所述。

大气压力控制

当栽培室1压力与环境压力(通过内外两个大气压力传感器43进行测量)的差异达到设定值时(如±2kPa)，开启外循环电动阀和风机平衡栽培室1和空间的大气压力直至压力平衡。同时，配置机械式压力调节阀，当内外压力差值达到±3kPa(可调)时，自动打开阀门以平衡内外大气，防止因自动控制失效而造成的栽培室1大气压力过高或过低。

大气温湿度控制

在植物生长期间，开灯状态下栽培室1内的大气趋向于温度升高和湿度增加的状态，在关灯状态下栽培室1没有额外热源，但湿度仍然趋向于增加状态。栽培室1没有配置主动温湿度控制系统，不具备主动控温和控湿能力。需要通过栽培室1与试验舱内大气进行交换完成温度和湿度控制。

植物生长阶段，栽培室1内的温度和湿度总是处于上升趋势，因此当温度或湿度超过设定值(可自主设定，如23-25℃，60-70％RH)，需要连通栽培室1与试验舱，将试验舱内较低温度和湿度的大气引进栽培室1。利用风机将栽培室1内高温高湿气体抽出到试验舱，同时试验舱大气从进气口进入，栽培室1高温高湿气体被置换后，温湿度达到要求值后，关闭风机。风机抽气速率约200L/min。

当湿度低于设定值时(栽培初期)，不做控制，关闭前门后湿度会缓慢上升到设定值范围。

当进行蒸腾速率测试时，湿度不再控制，直至蒸腾速率测试完毕。

开灯状态：处于白天开灯状态，植物不断吸收二氧化碳并释放氧气，二氧化碳分压处于不断下降而氧气分压处于不断上升的趋势。

关灯状态：处于黑天开灯状态，植物不断吸收氧气并释放二氧化碳，氧气分压处于不断下降而二氧化碳分压处于不断上升的趋势。

CO₂分压控制主要将栽培室1的CO₂分压控制在植物生长需要的范围内，即0.04-0.1kPa(蔬菜类，可设定)，0.04-0.2kPa(粮食类，可设定)。

当CO₂分压低于设定范围时(开灯状态)，风机和电动阀打开，向栽培室1供应空间内富含CO₂的大气，达到设定分压值时电动阀关闭；

当CO₂分压高于设定范围时(关灯状态)，如果其分压值超出空间大气中CO₂分压，则向栽培室1供应空间大气，直至二者分压平衡一致。如果其分压值低于空间大气中CO₂分压，则不作处理。

当进行光合速率测试时，CO₂分压不再控制，直至光合速率测试完毕。

向栽培室1供气或由栽培室1向外排气时，均需要通过过滤器以过滤去除颗粒和微生物。

O₂分压控制主要将栽培室1的O₂分压控制在植物生长需要的范围内，即20-24kPa。

当O₂分压高于设定值时，启动风机和电动阀向栽培室1内供应环境大气，用较低O₂分压的环境大气稀释栽培室1内较高O₂分压的大气。当O₂分压恢复至设定值时关闭风机。

当O₂分压低于设定值时，启动风机向栽培室1内供应环境大气，用较高O₂分压的环境大气稀释栽培室1内较高O₂分压的大气。当O₂分压恢复至设定值时关闭风机。

向栽培室1供气或由栽培室1向外排气时，均需要通过过滤器以过滤去除微生物。

大气污染防控

a.乙烯控制

采用氧化型乙烯去除剂(高锰酸钾)来吸附脱出乙烯，将装有脱除剂的样袋放置在栽培室1左右两侧的通风夹层中，即可不断吸附植物产生的乙烯气体。每批次植物培养完毕，需要重新更换乙烯去除剂。根据蔬菜和小麦的乙烯释放速率：蔬菜类(如生菜)2.5nmolC2H4 m^-2d^-1，粮食类(如小麦)5.0nmol C2H4 m^-2d^-1。按蔬菜或小麦的培养面积0.15m²计算(实际栽培面积约0.13m²)，蔬菜或小麦一个培养周期(蔬菜按40天，小麦按110天计算)总的乙烯释放总量分别为：1.5×10-5mol和8.3×10-5mol。按1mol乙烯降解需要4mol高锰酸钾(如下公司)计算，蔬菜和小麦培养则分别需要高锰酸钾6.0×10-5mol和3.3×10-4mol，即约0.01g和0.06g。

C₂H₄+4KMnO₄→2K₂CO₃+4MnO₂+2H₂O

该乙烯去除剂的参数包括：

每袋含乙烯去除剂10g(含1g高锰酸钾)；

乙烯去除剂小袋：长×宽×深(厚)：75mm×65mm×5mm；

小袋透气不透水。

按计算，1袋乙烯去除剂即可满足1个批次蔬菜或小麦的乙烯去除要求。但考虑到植物释放的乙烯大部分是在植物生长后期，比较集中，以及袋装乙烯去除剂的实际去除效果和去除速率方面的考虑，拟为每批次植物培养配置6袋乙烯去除剂，左右两侧通风夹层各放置3袋乙烯去除剂。

b.颗粒物和微生物防护

采用空气过滤器将装置内大气中的可吸入颗粒和微生物进行过滤。装置由风机(或在管路中单独配置)、过滤器和管路构成。外循环通风装置均配备颗粒物和微生物防护，内循环通风装置41不考虑。空气过滤器的具体设计参照型号产品进行功能简化和体积缩小。

栽培室1需要设置气体采样口，定期采集空气样本，分析乙烯等微量有害气体浓度和空气中微生物滋生情况。

植物气体交换测试

a.光合速率测试

测量植物光合速率期间，栽培室1内的大气环境不控制。植物栽培系统与周围环境停止气体交换，气体交换入口和出口电动阀均处于关闭状态。

植物光合速率测定：通过二氧化碳传感器测量栽培室1内一定时间内二氧化碳的初始浓度和最终浓度，再根据栽培面积，即可由下述公式计算单位面积植物群体在某生育期一定时间内的平均光合速率：

<![CDATA[EL：平均光合速率(μmol·m<sup>-2</sup>·s<sup>-1</sup>)]]>	P：气体压强(Pa)
		V：气体体积(m3)	C0：气体初始浓度(％)
C1：气体最终浓度(％)	R：气体常数(8.31)
		T：绝对温度(K)	A：栽培面积(m2)
t0：初始时间(s)	t1：最终时间(s)
		106：换算系数

b.蒸腾速率测试

测量植物蒸腾速率期间，栽培室1内的大气环境不控制。植物栽培系统与周围环境停止气体交换，气体交换入口和出口电动阀均处于关闭状态。

植物的蒸腾速率测定：通过湿度传感器测量栽培室1内一定时间内空气的初始时刻相对湿度和最终时刻相对湿度，基于一定温度下空气饱和湿度含水量计算初始时刻和最终时刻的空气中的含水量，再根据栽培面积，即可由下述公式计算单位面积植物群体在某生育期一定时间内的平均蒸腾速率：

大气环境控制逻辑流程如图11所示。

本发明具体技术指标如下：

维持栽培室1大气压力为1个大气压，并通过压力平衡阀与环境进行平衡；

温湿度：温度19-26℃，相对湿度50％-90％RH；

通风：栽培室1内各个部位通风良好，风速约0.3m/s；

负荷：热负荷≯50W(除光源模块5外)，湿负荷≯0.5L/d；

结露：栽培室1内壁、前门和其他部件均不得结露；

二氧化碳控制：控制范围：0.04-0.2ppm；二氧化碳分压低于设定值，通过外部富含二氧化碳的空气来调节；二氧化碳分压高于设定值(夜晚关灯时)，不控制；

氧气控制：通过与外部大气的交换来调节氧气分压值，氧控制范围20-24kPa；可定量测定或累积计算氧气交换量；

污染控制：栽培室1内大气与外部大气进行交换时，必须进行粉尘或微生物高效过滤，以防止内外大气的交叉污染；

乙烯控制：来源，非金属材料和植物释放；释放速率，5.0nmol m^-2d^-1；氧化去除，通过乙烯去除剂中的高锰酸钾氧化去除；控制浓度≯30ppb；

前门打开时，栽培室1内大气循环自动关闭，前门闭合时再自动开启；

传感器：总压、温度、湿度、二氧化碳、氧气传感器，测量原理满足微重力环境下测量要求；

测量参数：总压(量程：50-110kPa绝压；精度：±0.5％FS)、温度(量程：0-50℃；精度：±0.2℃)、相对湿度(量程：10-90％RH；精度：±2.5％FS)、二氧化碳分压(量程：0-1kPa；精度：±2.0％FS)和氧分压(量程：0-30kPa；精度：±2％FS)。

为了确保稳定可靠的长期运行，所述大气环境控制模块4需要经过下列试验验证。

耐压测试：主要通过保持栽培室1内外压差为10kPa条件下，维持3h，如无结构损坏且漏率满足要求即可。栽培室1内外承压≮10kPa(压差)。

耐正压测试：采用往栽培室1充10kPa氮气的方法。试验设备/物品：氮气瓶、减压阀、压力表。

耐负压测试：采用真空泵抽出部分空气，维持-10kPa压力的方法。试验设备/物品：真空泵、压力表。

漏率测试：主要采用压力变化法测量栽培室1漏率，压力变化≯1kPa/3h即满足要求。

正压漏率测试：往栽培室1充5kPa的氮气，维持3h，测压力变化。试验设备/物品：氮气瓶、减压阀、压力表。

负压漏率测试：用真空泵抽出部分空气直到压力为-5kPa，维持3h，测压力变化。试验设备/物品：真空泵、压力表。

所述测控模块6由控制器、用户终端、电缆网组件等三部分构成，测控模块6占用设备区102空间为220×280×180mm，重量约3.5kg，用电功耗25W。

控制器位于设备区102，是测控模块6的核心部件，负责植物栽培系统的统一供电、配电、参数采集及处理、部组件程序控制、视频图像的采集与压缩、数据通信等功能。控制器以DSP处理器和FPGA为内核，运行系统软件，完成对光源模块5、栽培室1模块、水分养分供应模块3、大气环境控制模块4的状态设定、数据采集、流程控制。

用户终端用于实现装置的所有参数的处理、显示、存储、查询、传感器系数注入、控制器软件升级、装置各个功能部件的开关控制。用户终端与控制器通过以太网实现数据通信。

测控模块6的供配电及信息关系：

供电控制：测控模块6接收来自人系统机柜上的100V电源(在地面实验室或组合体内供电为220VAC，需要配置1个100VDC电源进行转换)，在控制器内通过继电器进行配电输出，继电器触点容量应不低于II级降额设计；同时，对100VDC进行变压，输出1路100V，23路24V，9路12V，9路5V(不含测控模块6本身供电)。

供电输入端设置电压、电流检测装置，监测用电情况，各路直流电源输出按类别集中进行功耗情况监测，以用于评价装置的功耗情况。

二次电源地与一次电源地在测控模块6内部隔离。

数据采集：测控模块6可以自动采集、存储、图形界面显示和控制各模块相关参数数据，并通过界面显示直观、简洁、易懂。数据根据需要传送到用户终端上。

控制器采集模组应独立设计，采集通道应不少于40路，信号输入形式为0-5V或4-20mA；

信号采集分辨率不低于12bit；采样频率不小于10K。

光学图像观察要求，一个为彩色摄像机，一个为荧光相机。CCD摄像机分辨率720×576，24bits三色，25fps。

控制器内CPU通过图像编解码芯片TVP5147，采集CCD传感器图像数据，输出图像数字信号。内部采用I2C总线控制TVP5147切换2路图像通道，读取图像数据采用VPIF端口。图像输出为定码率输出，PAL制式，视频分辨率720*576，采集速率24帧/s，ITU656协议，Y：U：V为4：2：2。控制器使用H.264压缩算法生成视频图像数据，并通过EtherNet总线将数据下传给用户终端。

测控模块6逻辑控制模块可以根据手动控制指令或自控流程，实施对植物栽培系统的光照模块的LED灯和风扇，水分养分供应模块3中的水泵32、气泵36和电磁阀，大气环境控制模块4中的风机、风扇、各类阀门等部组件的控制。逻辑控制模式有开关控制、D/A控制，本装置中除了LED灯照度采用D/A控制外，其余均为开关控制，开关控制组件采用继电器或MOSFET管来实现。

用户终端配置一台PC机加双屏显示器。

用户终端通过Ethernet总线与测控模块6控制器进行通信。控制器每2s向用户终端发送一帧数据，内容包括帧头、帧计数、时标、各类参数、状态信息、故障信息以及指令发送与执行情况等。用户终端操作指令、传感器系数、软件注入等操作，随时通过总线上送给控制器；

用户终端软件将接收的信息进行归类、整理、计算和存储，同时，将信息实时显示在屏幕上，显示模式有参数列表显示、关键参数的曲线显示。图像信息单独在两个窗口分别显示。全部数据包括图像信息都可以进行查询，查询数据可逐条查询或挑点间隔查询。

植物栽培系统的全部指令均可通过用户终端发送，每条指令都分配唯一标识，指令发送后通过总线送控制器执行，同时，用户终端记录指令发送的信息，信息包括时间、指令代号、指令名称以及执行情况。

供配电。为各模块提供电力分配和供应；输入电压为95V-110V和28V两种；整体植物栽培系统的供电、配电均通过控制器统一完成；电源管理应可实时监测电源电压和电流，以用于评价装置的功耗情况；

参数/图像采集。自动采集各类参数信号并对其进行处理、计算、存储、显示、查询，对采集的图像进行压缩处理；采集后可在本地和上位机存储、查询、显示和拷贝。需要采集测量的信号/图像参数共计34路。

逻辑控制。依据试验流程，通过遥控接口，控制各个模块/设备的加电、断电，设备的开关运行，设置设备运行参数；通过终端界面可实现全部控制指令的发送；在线升级控制器软件和传感器系数注入。控制器内部设计时，应将电源、供配电、信号采集、部件控制、图像处理等功能模组模块化设计，便于后续单独升级；设备控制/显示共20路

各个部组件平均无故障时间MBTF应不小于5000小时。

所述栽培室1包括密闭箱体、风道、前门、彩色摄像机(头)、荧光相机和叶温传感器62等部组件。1台彩色摄像机(左上角)，1台荧光相机(右上角)，可定期拍摄、存储并上传图像。前门位于栽培室1正面。如图8所示，叶温传感器62则位于侧面舱壁。外包络尺寸502×440×420mm(高×宽×深)，重量约5.0kg，用电功耗约5W。

箱体舱壁约7mm厚(设置减重槽)，采用轻质材料构建。

箱体为密封结构，以便测定植物生长期间的光合速率，维持恒定的大气环境条件，防止装置外污染物进入栽培室1。因此，箱体需具备一定的承压能力、漏率也需要满足的一定的要求。箱体顶部为透明材质(如有机玻璃)，通过该透明材质(透光率＞92％)与光模块隔离，既保证LED光可以满足植物生长，又可以减少LED灯的热辐射。同时，保证栽培室1的密封性，满足漏率要求。

承压能力：箱体内外承压≮10kPa(压差)。承压测试方法：保持栽培室1内外压差为10kPa条件下，3h，无结构损坏且漏率满足要求。正压测试方法：往栽培室1充10kPa的氮气。负压测试方法：用真空泵抽出部分空气。

漏率要求：压力变化≯1kPa/3h(压差法：在栽培室1内外压差为5kPa条件下(正压、负压两种情况)，保压3h，排除温度影响。正压测试方法：往栽培室1充5kPa氮气，然后进行漏率测试。负压测试方法：用真空泵抽出部分空气，然后进行漏率测试。

箱体内壁：内壁采用不锈钢镜面(或贴反光膜)，以最大程度利用光源，提高光能利用率。

风道位于栽培室1内部左右两侧，宽30mm。主要用于大气环境控制模块4中的内循环通风装置41。风向自右向左，再向下，自左向右，再向上形成闭合通风循环。

箱体前部为带有密封结构的前门。前门配置用于观察和操作使用的透明观察窗(调光玻璃181)，具有LED灯减弱开关。

栽培室1内后侧左右两个顶角位置分别安装1台彩色摄像机(头)和1台荧光相机，分别用于植物成像。

在栽培室1内中部位置安装2个叶温传感器62，对叶片冠层的两个垂直面共2个点进行测试。其位置与光强传感器位置一致(灯下15cm和30cm)。可通过在栽培室1后壁位置设置横向柱(可折叠后靠栽培时左侧或右侧侧壁)，来安装叶温传感器62和光强传感器。

栽培室1是植物栽培系统的核心区域，与其他模块有较多接口，主要包括：

与根盘模块2接口：根盘模块2位于栽培室1内部的底侧。由于根盘为模块化设计，需要整体从栽培室1取出并替换新的根盘。因此，需要在栽培室1底部设置用于安装固定根盘的固定卡。

与水分养分模块接口：需要在栽培室1后侧面板下方，为水分养分模块(位于设备区102的水箱31)提供水分输送的入口和出口各1个。

与大气环境控制模块4接口：需要在栽培室1两侧提供通风风道夹层。

需要在栽培室1前面板提供气体采样口1个，用于气体采样。

栽培室1两侧内壁需要安装相应的内循环通风装置41风扇。

根盘安装固定在栽培室1底部，包络尺寸50×346×379mm(高×宽×深)，重量4.5kg。可提供植物栽培面积约0.13m²。主要由升降结构、根盘盒、泡沫层和固定层组成。采用聚碳酸酯类轻质材料。可满足一般蔬菜类如生菜或矮秆类粮食作物如小麦的生长空间需求。根盘分为2个相等区域，区域间相对独立。

采用剪刀差结构为根盘提供手动升降，升降范围为0-300mm，升降方式采用手动操作手轮实现。手轮位于栽培室1外，可拆卸，需要升降根盘时，安装上手轮即可实现。

由于用电设备及灯板向栽培室1内散热，栽培室1内的空气温度是呈升高趋势。由于条件限制，无法采用气液换热的方式，只能采用风冷方式，即将栽培室1外的冷空气注入到室内，同时一部分热空气流出栽培室1，通过冷热空气的混合来降低栽培室1空气的温度。

栽培室1空气温度控制指标为19℃-26℃，经分析栽培室1内空气温度不会低于密封舱的控温下限19℃，仅需考虑高温情况下的散热能力。

为了避免因为温度控制限设置范围过窄导致频繁通风换气，将温度控制上限尽量接近指标上限，指标上限为26℃，因此将25.5℃作为栽培室1的空气温度控制上限，当温度达到25.5℃时，启动外循环通风装置。

为了控制栽培室1内的温度达到稳定状态，需要及时将多余的热负荷排散出去，要求冷空气流量满足要求。

按照稳态情况简单计算，冷空气进风量与热空气出风量相等，冷空气温度23℃，热空气温度25.5℃，温差为2.5℃，需要带走10W的热负荷时，同时考虑到密封舱空气温度较高(25℃)的情况，为保险起见，风机流量不小于200L/min。

冷空气温度23℃、相对湿度50％，含湿量为14g/kg(干)。

热空气温度25.5℃、相对湿度60％，含湿量为20g/kg(干)。

按照稳态情况简单计算，200L/min流量、冷热空气交换的水蒸气量为1.3g/min。

小麦生长期间，水分蒸腾量约为0.5g/min。

以上可见，在满足温度控制的情况下，湿度控制也能较好地进行控制。

植物栽培预试验：本轮预试验以生菜培养作为栽培技术试验对象，从播种开始直至培养收获为止。通过预试验，验证空间植物栽培系统的植物培养性能，为后续正式试验奠定基础。

植物品种：生菜(“大速生”)，生育期约35天。

培养基质：基质采用profile基质。

试验设计：在空间植物栽培系统中进行生菜全生育期培养，相关环境参数进行实时自动监测和自动(或手动)控制。

试验环境条件：温度：24.0-25.5℃；湿度：30-50％RH；二氧化碳浓度：500-900ppm；光质：红/蓝/白/绿/远红LED混合光(红30％，蓝32％，白18％，绿31％，远红15％)；光强：330.81μmol·m^-2·s^-1(灯下15cm)(第1-3天0％光强；第4-9天，50％光强；第10-35天，100％光强)；光周期：24h(第4-35天)。

试验前所有材料进行消毒处理，基质采用高温蒸汽灭菌(121℃，0.1-0.15MPa)处理120分钟，以杀灭病菌和病虫害。种子采用70％酒精浸泡2分钟，然后清洗、浸泡、播种。培养盒以及其他物品采用75％酒精擦拭灭菌处理。

肥料配方及控释肥：采用生菜控释肥配方，即N-15％，P₂O5％～7％，K₂O-21％，CaO-3％，MgO-2％，S-1％，TE-0.45％。此配方通过前期配方筛选试验选出。

具体施用时，按5g/l的肥料量。分为两层施入(分别距离根盘上沿2cm和4cm)，水平位置位于供水多孔管之间(中间)，均匀分布。在生长期间不再施用肥料。

根据基质填充量(约3.0L)，按控制基质含水量在40％(体积比)，初始加水量为1.2L。其间水分传感器(2个水分含量传感器)自动测量基质的含水量，正常范围为11.8％-16.8％(对应栽培基质体积含水量范围为40％-50％)，当低于11.8％时，手动或自动为基质供纯净水。

种子在播种前，预先灭菌和浸泡4小时，每个栽培槽播种2穴生菜种子，每穴生菜种子(“大速生”)。同时，在外同步播种一部分生菜种子，以备种子发芽不良用于替换。

播种后第4天开始光照，在播种后4-9天，根据发芽情况和植株生长情况，间苗1-2次，至第10天定植1株/穴，即8株/盘。

定植后，每天进行相应的管理，继续培养直至收获。生菜生长周期35天。

植株生长全生育期，对水分进行详细记录和管理，保证植株有充足的水分供应，但同时防止水分过多。

每天观察植株生长情况和装置运行情况。在定植后每5天拍一次照片(即第10，15，20，25，30，35天)，收获后再进行详细拍照。此外，根据实际情况，需要及时拍照。

植株生长期间，每日观察生长情况，记录植株的水分消耗和植株的形态变化。

收获后测试/记录

●影像记录：先整体拍照，再局部拍照。

●叶绿素含量测量：采用SPAD仪测量生菜植株叶片的叶绿素含量(相对)。

●产量/生物量测量：称量每株生菜地上部产量/生物量鲜重；清洗根系，称量每株根系的鲜重。

●栽培基质含水量：取300g基质，去除根系杂物，准确称量，烘干至恒重，称量，计算含水量。

与根盘预试验一样，生菜自播种后第10天定植为8株/盘。

播种后第20天，生菜开始快速生长。第25天，30天和35天，生菜逐渐生长并成熟。至生长成熟时，生菜生长旺盛，叶色浓郁，营养状况良好。16株生菜之间生长比较一致均匀。生菜所采用的光质比例(红30％，蓝32％，白18％，绿31％，远红15％)满足生菜的光质生长需求。

收获时(播种第35天)，根盘左的8株生菜的平均株高为20.61cm，根盘右的8株生菜的平均株高为20.59cm，所有生菜平均株高为20.60cm。另外，经过计算根盘左和根盘右8株生菜的平均叶片数分别为9.38和9.25。

收获时两个根盘(Pot-left根盘左和Pot-right根盘右)生菜共累积602.13g地上部生物量Biomass(鲜重fresh wt.)，即122.88g(鲜重)m^-2d^-1。根系生物量分别为10.18g和13.48g。两个根盘生菜植株的平均含水量分别为94.18％和94.29％。冠根比分别为0.034和0.045。总生物量(干重)36.38g，合干重18.19g/盘。生菜整个生育期的生产效率为：7.42g(干重)d^-1m^-2，2.10g(鲜重)(kWh)^-1d^-1m^-2。

收获时，根盘左和根盘右生菜叶片的叶绿素(Chlorophyll)含量(SPAD值/SPADValue)分别为35.40和34.39SPAD值。

整个生长期间，共手动添加是纯净水共18次，累积添加量为6783(根盘左)和7200ml(根盘右)(不含初始添加1200ml)。水分传感器平均测量值为15.55％(根盘左平均)和14.23％(根盘右平均)。

生菜共吸收+蒸腾消耗水分7181.49ml(根盘左)和7614.18ml(根盘右)。平均每天消耗205ml/d(根盘左)和218ml/d(根盘右)。装置中培养的植物基于干物质的平均水分利用效率分别为2.57g干物质/L和2.36g干物质/L。

不同时期，随二氧化碳不断被生菜吸收，二氧化碳浓度(CO₂ Conc.)逐渐下降，单位ppm为百万分之一。随生菜植株生长逐渐旺盛，二氧化碳浓度下降速度也逐渐加快。不同时期二氧化碳平衡时的浓度平均约为137.03ppm。

播种第20天，生菜的平均光合速率为2.05μmolm^-2s^-1，生菜快速生长，至收获时生菜的平均光合速率达到7.16μmolm^-2s^-1。生菜生长第20-35天期间，其平均光合速率为4.97μmolm^-2s^-1。

播种第20天，生菜的平均蒸腾速率为0.25kg m^-2d^-1，生菜快速生长，至收获时生菜的平均蒸腾速率达到0.56kg m^-2d^-1。生菜生长第20-35天期间，其平均光合速率为0.41kg m^-2d^-1。

采样后测量的生菜还原性Vc值分别为255mg/kg和332mg/kg。

生菜地上部和栽培基质采样后分析测试相应的矿质养分，包括大量元素(氮磷钾)、中量元素(钙镁硫)、微量元素(铁锰铜锌)和粗灰分。

微重力环境下水分主动运输。在空间长期培养植物，需要采用主动水分运输方式，而不是用于短期植物培养的被动水分运输。水分主动运输的难点在于必须准确测量水分含量(空间微重力环境条件下，流体特性与地面完全不同，流体边界层加厚，植物与环境物质交换困难，测试的参数数值与植物本身的实际状况有差异)，并采用专门的供水部件，精确控制水分的供应量，才能满足植物根部的水分需求。

水分主动运输中的水-气平衡。水分供应与氧气供应必须达到合理的平衡，才能保证植物根部既能吸收足够的水分，又能获得必需的氧气以满足根部呼吸需求。水分供应过多，会导致氧气供应不足；而水分供应过少，则影响根系水分吸收，造成干旱。

水分测量方面，采用频域反射原理测量基质的含水量。同时，通过合理有效的通风(内循环)手段，减少流体边界层厚度，提高参数测量值的准确性。

在氧气供应方面，结合水分供应，通过调节水分供应量(微量)，同时结合气泵36主动通气，并通过监测基质氧含量，从而实现基质中氧气含量控制，确保空间微重力环境条件下植物根系正常呼吸。

采用二氧化碳浓度传感器测量二氧化碳浓度变化在轨测试植物光合速率；通过计算水箱31水量消耗测试蒸腾速率；配置叶温传感器62、彩色摄像机和荧光相机分别实现叶片温度、彩色图像和荧光图像采集。

本发明公开的植物栽培系统的适用环境主要针对空间微重力环境，装置的关键功能部件和参数测量的微重力环境适应性是核心和关键，其具有如下特点：

1.适应空间微重力环境的要求：大气环境和栽培基质内需进行合理通风，以降低植物叶片和根系周围边界层厚度，促进植物叶片正常气体交换，防止植物根系缺氧；

2.狭小空间对装置集成的要求：装置各个功能部件集成在狭小的空间环境中，高度集成和小型化；维修性好，关键功能部件可拆卸和模块化。

3.空间环境对植物栽培的要求：空间内大气环境对站内的不同设备均有微量有害气体释放和微生物控制要求，植物栽培过程中会释放一定量的微量气体(如乙烯)，也有可能滋生一定量的微生物，需要对植物释放的乙烯和产生的微生物进行降解或控制；站内环境中的乙烯和微生物也可能影响植物的生长，需要对加入植物装置内的大气进行有效控制。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述系统包括：用于建立空气环境的栽培室、安装于所述栽培室内的大气环境控制模块，以及与所述大气环境控制模块连接的测控模块；

所述大气环境控制模块包括与所述栽培室连通的通风装置、与所述栽培室固定且与内部空气接触的大气参数采集装置、设置于所述通风装置内的污染防控装置；

所述通风装置和大气参数采集装置分别与所述测控模块电连接。

2.如权利要求1所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述污染防控装置包括与所述通风装置固定的乙烯袋支架、和放置于所述乙烯袋支架内的袋装乙烯去除剂。

3.如权利要求1所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述通风装置包括内循环通风装置和外循环通风装置。

4.如权利要求1所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述大气参数采集装置至少包括下述的一种或多种：氧分压传感器、二氧化碳分压传感器、大气压力传感器和温湿度传感器。

5.如权利要求4所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述系统包括至少两只分别安装在栽培室内和栽培室外的大气压力传感器。

6.如权利要求1所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述测控模块包括控制器、和与所述控制器连接的用于连接用户终端的电缆组件。

7.如权利要求3所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述内循环通风装置包括：具有通风面的第一通风夹层、具有通风面且与所述第一通风夹层相对设置的第二通风夹层、安装于所述第一通风夹层的通风面上方区域的第一循环风扇组、以及安装于所述第二通风夹层的通风面下方区域的第二循环风扇组。

8.如权利要求7所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述通风面包括：位于上方或下方占有所述通风面部分区域的通风网孔区，以及位于所述通风网孔区以外的循环风扇安装孔。

9.如权利要求8所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述通风网孔区的通风孔直径与所述通风孔相距循环风扇安装孔的垂直距离成正比。

10.如权利要求3所述的一种太空植物栽培大气控制系统，其特征在于，所述外循环通风装置包括：贯穿固定于所述栽培室且连通外部空气的气管、串联于所述气管上的电动阀、串联于所述气管上的过滤器；所述电动阀与所述测控模块电连接。

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