CN116058196A - 一种作物受光状态可调控的立式栽培系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作物受光状态可调控的立式栽培系统，系统包括：种植单元，用于布置植株，种植单元配置有支撑架和多层式培植面；发光单元，用于为植株提供光照，发光单元与种植单元并行布置；在种植单元配置有朝向不同方向的若干培植面的情况下，若干种植单元按照围绕发光单元的方式进行布置，使得发光单元至少能够基于光线照射覆盖种植单元朝向发光单元的培植面；本申请的种植单元配合发光单元能够充分利用环向光照而节约能源，且分离布置的种植单元和发光单元显著提系统的功能稳定性和安全性，也能够基于分离设置为作物受光状态的调整提供便利，便于立式栽培系统的智能搭配和精细管理。

Description

一种作物受光状态可调控的立式栽培系统

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，具体为一种作物受光状态可调控的立式栽培系统。

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。

现有立式栽培系统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，现有技术关于立式栽培系统及照明设置的技术方案中，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。且现有立式栽培系统的结构设置较少涉及竖向调节或交错布置，立式栽培系统的调整结构或调整方法也较少与光照方案的空间置和/或时间布置相结合，使得立式栽培系统在充分利用上部空间的同时不能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。

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，本申请提供了一种作物受光状态可调控的立式栽培系统，包括：种植单元，用于布置植株，种植单元基于沿高度方向布置的支撑架为植株提供立式栽培空间，支撑架配置有支撑柱和沿支撑柱周向布置的多层式培植面。发光单元，用于为植株提供光照，发光单元按照至少能够覆盖种植单元高度范围的方式与种植单元并行布置。其中，在种植单元配置有朝向不同方向的若干培植面的情况下，若干种植单元按照围绕发光单元的方式进行布置，使得发光单元至少能够基于光线照射覆盖种植单元朝向发光单元的培植面，其中，发光单元基于沿高度方向布置的发光结构为置于多层式培植面的植株提供光照。

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，本申请中的种植单元基于围绕支撑柱设置的多层式培植面为植株提供立式培养空间，使得培植面以环绕支撑柱的方式进行布置，本申请改变现有在每层培养平面或区域设置发光结构的方案，将发光单元与种植单元分离设置，在种植单元的培植面在高度方向上分层设置的情况下，发光单元与种植单元并行设置，使得沿高度方向布置的发光单元能够对种植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，发光单元周围可布置若干种植单元，种植单元分成若干朝向，使得若干种植单元的培植面和对应的发光单元组成种植模块，种植单元其它朝向的培植面也分别与其它发光单元组成种植模块，使得种植单元和发光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。种植单元和发光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本申请的功能稳定性和安全性，便于发光单元和种植单元在植物工厂布置的便捷性，便于种植单元和发光单元根据栽培需要而进行结构调整和合理搭配。

种植单元和发光单元在高度方向上并行布置的设置方式也能够显著减少发光单元的布置数量，减少设备投入，沿高度布置的发光单元也能够对种植单元的每层培植面产生平射光和斜射光，则每层培植面接受到的光照状态近似相等，也可基于反射光线的利用对种植单元不同高度及不同径向位置进行补偿照射，是的植株获得趋近一致的光照强度。且发光单元也可在不同高度位置处设置不同的发光状态，例如，光照强度、光谱结构和光照时间，便于分层控制作物的受光状态。侧光照系统可以极大的提高光能利用效率，可以降低植株顶冠的遮挡，使得侧光照系统的光能利用效率是垂直光照系统的3-5倍，相比顶光照系统，植株在侧光照系统中的形态节间更短，植株不会徒长，且植株的叶片数量较多，植株长势更好。

优选地，在培植面沿径向扩展并围绕支撑柱在轴向高度上形成若干分层设置的培植环的情况下，朝向不同方向的培植环以连续或非连续的方式沿支撑柱的周向布置，使得培植环的径向尺寸能够按照从支撑柱上端到下端逐渐递增的方式设置。由于发光单元低处照向种植单元高处的光线会被培植面的下表面遮挡或反射，则为充分利用种植单元的立式结构，种植单元的培植面的径向尺寸可从高到低逐渐增加，即培植面向径向延伸就越多，使得倾斜向下照射的光线能够照射到更多的培植面，有利于充分利用种植单元的竖向空间，也符合种植单元降低重心的布置要求，提升种植单元结构的固有稳定性。

优选的，在发光单元基于若干沿高度方向布置的光源组件形成柱形光源的情况下，种植单元配置有用于反射发光单元照射在非植株表面光线的补偿面，其中，补偿面至少覆盖培植面下表面和支撑柱表面的一部分。发光单元配置有若干沿高度方向叠加的光源组件，光源组件包括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，单个光源组件可由第一光源和第二光源中的一种或两种组成，使得光源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。补偿面包括覆盖培植面下表面的第一曲面和覆盖支撑柱外表面的第二曲面，其中，在第一曲面的曲率随径向尺寸减小而增大且第二曲面的曲率随高度减小而增大的情况下，经过补偿面反射的光线的轴向分量大于径向分量，使得照射在补偿面的光线能够基于补偿面的反射作用将反射光线汇聚于位于下层的培植面。

发光单元在高度方向上可叠加设置不同种类的发光单元并间隔设置，在保证发光单元对于不同高度发光状态的灵活控制的基础上，也可以提升发光单元对于种植单元每层培植面照射的均匀性，为充分利用斜向上照射的光线以及照射在植株表面的光线，种植单元在培植面的下表面和支撑中的表面设置有高光线反射率的补偿面，且补偿面的曲率进行针对性设置，使得经过补偿面反射的光线能够汇聚于下层的培植面，基于补偿面的曲率设计，补偿面反射光线的轴向分量大于径向分量，即光线更对地偏向竖直向下的方向，从而增加反射光线对于植株的照射，可显著提升光线的利用效率，也能够改善倾斜向下光线照射植株的光照不均匀性。另外，基于补偿面的曲率设计，经过补偿面反射后的光线对种植面的光照强度呈现沿径向尺寸增大而减小的方式布置，使得补偿面的反射光线能够平衡发光单元对于种植单元培植面直射光和斜射光在培植面径向分布的不均匀性。

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，种植单元和发光单元按照分别基于移动组件连接第一轨道和第二轨道的方式控制种植单元和发光单元在地面和顶面的位置，使得种植单元和发光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，种植模块由发光单元和若干朝向发光单元的培植面组成。分置于地面和顶面的第一轨道和第二轨道能够分别调整种植单元和发光单元的位置，使得发光单元和种植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，也便于种植单元和发光单元在植物工厂中的适配管理，结合传感控制单元可满足植物工厂对于智能管理和精细化作业的需求。

优选地，种植单元还配置有用于调整培植环轴向层间高度的轴向调节器，轴向调节器连接培植面并基于沿支撑柱轴向设置的轨道控制培植面在轴向上的位置，使得培植面组成的培植环能够基于轴向调节器改变层间高度以适应不同种类植株或植株的不同生长阶段。补偿面与培植面连接并可相对支撑柱移动，使得补偿面可跟随培植面基于轴向调节器在支撑柱的高度方向进行移动。

优选地，在相同朝向的培植环围绕支撑柱的周向非连续布置的情况下，培植面在同一高度的培植环上布置有若干间隔的植位，使得相邻层的培植面在轴向高度上形成交错布置结构。优选地，在相同朝向的培植环围绕支撑柱的周向连续布置的情况下，培植面配置有远离支撑柱的第一周向边和靠近支撑柱的第二周向边，径向边连接第一周向边和第二周向边的两端以形成用于布置植株的植位，其中，第一周向边配置为直边或曲边，第二周向边贴合支撑柱布置。

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种植单元结构示意图；

图4是本发明的一种优选实施方式的种植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智能模块功能连接示意图。

附图标记列表

1：种植单元；2：支撑架；3：支撑柱；4：移动组件；5：第一轨道；6：第二轨道；7：培植环；8：培植面；9：植位；10：第一植位；11：第二植位；12：第一周向边；13：第二周向边；14：径向边；15：轴向调节器；16：周向调节器；17：补偿面；18：第一曲面；19：第二曲面；20：发光单元；21：光源组件；22：调整组件；23：智能模块；24：环境控制单元；25：养分配置单元；26：控制器；27：显示器；28：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。

本申请提出了一种作物受光状态可调控的立式栽培系统，在充分利用上部空间的基础上，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种植单元1和若干发光单元20，种植单元1和发光单元20分别基于设置在地面或顶面的轨道实现位置移动调整，使得种植单元1和发光单元20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。种植单元用于形成立式的多层种植结构，发光单元用于为种植单元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。

具体地，种植单元1包括立式结构的支撑架2，支撑架2配置有沿高度方向布置的支撑柱3，使得高度方向为支撑柱3的轴向，支撑柱3底部连接移动组件4，移动组件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。发光单元20按照若干光源组件21沿高度方向叠加而成的柱形光源，发光单元20靠近顶面的一侧配置有移动组件4，移动组件4与布置在顶面的第二轨道6连接，使得发光单元20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种植单元1和若干发光单元20能够以模块化分布的方式进行种植作业，例如，如图2所示，当种植单元配置有朝向数量为四的培植面8时，四组种植单元1围绕一组发光单元20形成模块化化分布的子单元，使得种植单元1的每一朝向的培植面8均能对应一组发光单元20。移动组件4基于第一轨道5和第二轨道6分别控制调整种植单元1和发光单元20的位置，使得若干种植单元1和若干发光单元20能够根据种植需要和种植单元1的培植面8设置进行模块化布置，种植单元1的培植面8设置指种植单元1的培植面8的朝向数量，例如，当培植面8的朝向数量为四是，种植单元1与发光单元20组成的模块化布置结构如图2所示，即种植单元1的培植面8朝向数量与围绕发光单元20的种植单元1数量相匹配，当种植单元1的培植面8朝向数量为二时，即种植单元1形成朝向两边的排列式结构，则若干种植单元1和若干发光单元20分别组成单列或单行结构，使得种植单元1和发光单元20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，用于布置作物的培植面8以连接支撑柱3的不同轴向高度和/或不同周向范围的方式环绕支撑柱3布置，使得培植面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植环7，培植环7的边数即为培植面8的朝向数量。例如，培植面8在支撑柱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，第一作物层的培植面8按照覆盖支撑柱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培植面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，若干培植环7分别布置在支撑柱3的不同高度位置以形成多层式结构，同一层的培植环7按照分别连接支撑柱3不同朝向的方式形成周向连续或非连续的培植面8，使得朝向不同方向的培植面8能够基于分层式结构充分利用发光单元20的环向光照。针对光照需求或生长高度需求特殊的植株，朝向同一方向的培植面8也可在多层结构上交错布置，使得相邻层的培植面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，单个朝向的培植面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，相比于单个朝向的培植面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支撑柱3布置的植株的光照条件，增加培植面8在径向上的受光均匀性，另外，基于层间高度的提升，位于低层的培植面8可适应性地提高径向尺寸以扩大种植面积。具体的，当单层的植位9被划分为非连续的第一植位10和第二植位11时，第一植位10和第二植位11分别占据对应朝向周向的一部分，使得第一植位10和第二植位11之间存留空位，该空位上层和下层均对应上层和下层的植位9，使得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，培植面8的植位9可划分为数量较多的非连续植位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。

为保证多层式培植面8对于竖向空间的利用率，培植面8相对支撑柱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，朝向单一方向的培植面8远离支撑柱3设置的第一周向边12和靠近支撑柱3设置的第二周向边13，第一周向边12和第二周向边13的两端通过径向边14进行连接，使得第一周向边12、第二周向边13和径向边14组成的培植面8能够形成沿支撑柱3径向延伸的扩展面，不同朝向的培植面8可以间隔布置，使得不同朝向的培植面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，不同朝向的培植面8也可以连续布置以形成环绕支撑柱3布置的培植环7，适用于同种品类的植株。

由于发光单元20基于若干沿高度方向布置的光源组件21形成柱形光源，则布置在上层的培植面8会对下层的培植面8产生遮挡，尤其是靠近支撑柱3布置的植株，其接收到的光线范围受到上层培植面8的限制而容易出现光照不足的情况，为此，本申请结合发光单元20的形状设置，将培植面8的下表面和靠近培植面8下表面的支撑柱3表面配置为曲面形状的补偿面17，使得补偿面17能够将照射到培植面8下表面和支撑柱3表面的光线反射至植株表面以改善培植面8的光照条件。具体的，如图4所示，补偿面17包括设置在培植面8下表面的第一曲面18和靠近支撑柱3设置的第二曲面19，第一曲面18主要接收发光单元20产生的直射光和反射光并将其反射，使得经过第一曲面18的反射光能够对植株产生至少包括轴向分量的照射光线，由于培植面8径向尺寸更大的位置更靠近光源组件21，则靠近培植面8第一周向边12的区域获得的光照强度高于靠近第二周向边13的区域，为平衡由于径向位置不同产生的光照不平衡，补偿面17的第一曲面18按照曲率由靠近第一周向边12的位置向靠近第二周向边13的位置递增的方式进行设置，使得第一曲面18的曲率在径向扩大的方向上逐渐递减。第二曲面19也用于接收发光单元20产生的直射光或反射光，第二曲面19按照曲率由靠近上层培植面8的位置向靠近下层培植面8的位置逐渐递增的方式进行设置。第一曲面18和第二曲面19的曲率设置方式有利于经过第一曲面18和第二曲面19反射后的光线集聚在培植面8区域，从而减少朝向非培植面的反射光线，提高光线的利用效率。

例如，与当前层培植面8高度相近的光源组件21发出近似平行于培植面8的光线，光线对于当前层培植面8的光照主要集中在靠近第一周向边12的区域，照射至支撑柱3表面的光线经过第二曲面19的反射后依次照射在培植面8的不同径向位置。低于当前层培植面8的光源组件21对于当前层的作用光线倾斜向上，使得光线主要照射在补偿面17的第一曲面18，以及第二曲面19的部分区域，照射在第一曲面18的光线经过反射作用作用于培植面8和第二曲面19，反射在第二曲面19的光线经过二次反射后作用于培植面8，使得斜向上入射的光线在补偿面17的作用下集聚于培植面8并产生轴向分量大于径向分量的照射光。高于当前层培植面8的光源组件21对于当前层的作用光线倾斜向下，使得光线主要作用于培植面8，以及第二曲面19的部分区域，作用于培植面8的光线能够为植株提供直射光照，而作用于第二曲面19的光线基于反射原理作用于培植面8靠近第二周向边13的区域。因此，补偿面17对于发光单元20产生的平行光和倾斜光均可产生集聚作用，使得第一曲面18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培植面8的光线的基础上，也能够基于补偿面17的曲率设置对反射光线进行二次分布调整，使得使得经补偿面17的反射光的发光强度能够沿培植面8径向增大的方向而逐渐递减以提升植株接受光照的均匀性，从而保证植株的生长效果并基于反射光的充分利用来提高光能的利用率，可显著提升立式栽培系统的经济性。

优选地，为提升培植面8在支撑架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，培植面8能够灵活地调整培植环7层间高度和植位9之间的间距，使得培植面8的空间尺寸和补偿面17的光照角度能够满足植株在不同生长阶段的需要。具体的，支撑柱3设置有连接培植面8的轴向调节器15，使得培植面8能够在轴向调节器15的作用下沿高度方向进行调节，使得培植环7或培植面8的层间高度能够根据需要进行调整。当朝向单侧的培植面8布置有若干非连续的植位9，使得相邻层间的培植面8以交错方式进行布置的情况下，培植面8还可配置周向调节器16，使得非连续布置的若干植位9能够基于周向调节器16调整间隔距离以改变相邻层的交错布置情况。轴向调节器15和周向调节器16可以是电动控制或液压控制，也可与移动组件4共用动力以实现培植面8的轴向调整和周向调整。

优选地，为更好地实现对光照条件的控制，发光单元20在高度方向上配置有若干光源组件21，光源逐渐可独立地控制光照强度和/或光谱结构，使得发光单元20能够根据种植单元1的光照需求进行照射光和信号光的控制调整。光源组件21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，沿轴向布置的单个光源组件21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700-800nm，蓝光和蓝紫光的波长范围分别为400-450nm和280-400nm。

红光波段是叶绿素最强的吸收光带，对植物有着最强的光合效应，红光有利于大部分植物的干物质积累，增大植株的叶片面积，加快植株叶片的生长速率。通常红光与远红光(700-800nm)共同作用于植物的光敏色素(phytochrome)，调节着植物的光形态建成。适当增加远红光的比例，可促进植株茎的生长。蓝光波段是植物进行光合作用的次高峰区，是植物叶绿素和类胡萝卜素的强吸收带，对植物的生长和生物量的积累亦有调控作用。蓝光可提高植物幼苗的根系活力，提高根系对养分的总吸收面积和活跃吸收面积，有利于植物根系的生长发育。除去红蓝光波段，植物对其他波段的光的吸收利用较少，因此对于植物形态和生理影响较小，但对植物生长也会产生不同效果的影响。例如，UV-B(280-320nm)会导致植物色素褪色。UV-A(320-400nm)影响植物的光周期效应，抑制茎的伸长。远红外(700-800nm)影响着植物的发芽和开花，黄绿光(500-600nm)可促进植物的光合系统的光合效率。研究发现，在植物的生长发育过程中，一般单色光不足以保证植物的良好生长，复合光可以有效解决这一问题。适度提高复合光中红蓝光源的比例，可促进植物工厂中种苗的生长发育，改善植株长势。

优选地，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。例如，当电价周期为如下参数时：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，发光单元20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发光单元20，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，由于与发光单元20中部齐平的培植面8相对其它位置的培植面8接收到的光线更多，则为保证种植单元1在轴向上即高度方向上的光照均匀性，则发光单元20可按照光源组件21的发光强度沿轴向先减小后增大的方式进行设置，由于光源组件21的尺寸可远小于培植面8的层间高度，则发光单元20启用部分光源组件21即可达到对种植单元1的覆盖而无须启用全部光源组件21，尤其是在植株对于光源强度需求不高的时候，光源组件21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，保证发光单元20的光照强度和光谱结构能够满足植株的生长需求。

优选地，为减少发光单元20对于非目标区域的照射以提升光线的利用效率，发光单元20还设有调整组件22，调整组件22配置在发光单元20的两端，布置在发光单元20两侧的调整组件22相对发光单元20对称布置，调整组件22可基于反射作用偏转光线的照射方向，使得发光单元20照射至顶面或地面等非目标区域的光线能够在调整组件22的偏转作用反射至种植单元1。具体的，调整组件22围绕发光单元20的中心轴进行布置，调整组件22包括配置为倾斜平面或曲面的调整面，调整面环绕发光单元20的中心轴布置以形成锥台的侧面，即调整面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。当调整面配置为棱台侧面时，调整面的数量与培植面8的朝向数量一致，使得由调整面反射的光线能够分别覆盖对应方向的种植单元1。当调整面配置为圆台侧面时，调整面的曲率按一定规律变化，使得经过调整面反射的光线能够较为均匀地照射种植单元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，本申请还设置有智能模块23，智能模块23配置有控制器26，控制器26分别与种植单元1、发光单元20、环境控制单元24、养分配置单元25、显示器27和服务器28信号连接。环境控制单元24在支撑架2和/或顶面设置有传感器用于监测环境参数，养分配置单元25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，使得种植单元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26获得种植单元1的相关信息：基于布置在支撑柱3的传感器获得培植面8的布置高度范围，定义为培植高度，基于布置在补偿面17的图像传感器获得植株的生长状态定义为植株状态，基于布置在支撑柱3的传感器获得周向调节器16和轴向调节器15的位置信息，定义为培植调节信息。控制器26获得发光单元20的相关信息：基于布置在发光单元20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，基于传感器获得调整组件22相对中心轴的角度，定义为光源调节信息。控制器26获得环境控制单元24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26获得养分配置单元25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26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26还基于服务器28获取种植单元1和光照单元的位置信息，例如，种植单元1的位置信息包括：设备编号、种植单元1相对第一轨道5的平面位置信息，发光单元20的位置信息包括：设备编号、发光单元20相对第二轨道6的平面位置信息。具体的，若干种植单元1分别被赋予对应数字编号、种植单元1不同朝向的培植面8分别被赋予对应的字母编号，若干发光单元20分别被赋予对应的第一层数字编号，发光单元20的光源组件21分别被赋予第二层数字编号。则控制器26可基于服务器28获得各发光单元20的位置信息，并基于服务器28获得布置在该发光单元20周围的种植单元1的位置信息和朝向该发光单元20的培植面8的编号信息，使得若干种植单元1朝向同一发光单元20的培植面8形成相对独立的培植空间。种植单元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，即不同种植单元1作物安排和位置布局。光照条件规划，即基于种植单元1培植面8的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)

1.一种作物受光状态可调控的立式栽培系统，其特征在于，所述系统包括：

种植单元(1)，用于布置植株，所述种植单元(1)基于沿高度方向布置的支撑架(2)为植株提供立式栽培空间，所述支撑架(2)配置有支撑柱(3)和沿所述支撑柱(3)周向布置的多层式培植面(8)；

发光单元(20)，用于为植株提供光照，所述发光单元(20)按照至少能够覆盖所述种植单元(1)高度范围的方式与所述种植单元(1)并行布置；

其中，

在所述种植单元(1)配置有朝向不同方向的若干所述培植面(8)的情况下，若干所述种植单元(1)按照围绕所述发光单元(20)的方式进行布置，使得所述发光单元(20)至少能够基于光线照射覆盖所述种植单元(1)朝向所述发光单元(20)的所述培植面(8)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述培植面(8)沿径向扩展并围绕所述支撑柱(3)在轴向高度上形成若干分层设置的培植环(7)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在所述发光单元(20)基于若干沿高度方向布置的光源组件(21)形成柱形光源的情况下，所述种植单元(1)配置有用于反射所述发光单元(20)照射在非植株表面光线的补偿面(17)。

4.根据前述权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，所述发光单元(20)配置有若干沿高度方向叠加的光源组件(21)，所述光源组件(21)包括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。

5.根据前述权利要求1至4之一所述的系统，其特征在于，所述补偿面(17)包括覆盖所述培植面(8)下表面的第一曲面(18)和覆盖所述支撑柱(3)外表面的第二曲面(19)，其中，

照射在所述补偿面(17)的光线能够基于所述补偿面(17)的反射作用将反射光线汇聚于位于下层的所述培植面(8)。

6.根据前述权利要求1至5之一所述的系统，其特征在于，所述系统在地面和顶面分别设置有第一轨道(5)和第二轨道(6)，所述种植单元(1)和所述发光单元(20)按照分别基于移动组件(4)连接所述第一轨道(5)和所述第二轨道(6)的方式控制所述种植单元(1)和所述发光单元(20)在地面和顶面的位置。

7.根据前述权利要求1至6之一所述的系统，其特征在于，所述种植单元(1)还配置有用于调整培植环(7)轴向层间高度的轴向调节器(15)，所述轴向调节器(15)连接所述培植面(8)并基于沿所述支撑柱(3)轴向设置的轨道控制所述培植面(8)在轴向上的位置，使得所述培植面(8)组成的所述培植环(7)能够基于所述轴向调节器(15)改变层间高度以适应不同种类植株或植株的不同生长阶段。

8.根据前述权利要求1至7之一所述的系统，其特征在于，所述补偿面(17)与所述培植面(8)连接并能够相对所述支撑柱(3)移动，使得所述补偿面(17)能够跟随所述培植面(8)基于轴向调节器(15)在所述支撑柱(3)的高度方向进行移动。

9.根据前述权利要求1至8之一所述的系统，其特征在于，在相同朝向的所述培植环(7)围绕所述支撑柱(3)的周向非连续布置的情况下，所述培植面(8)在同一高度的所述培植环(7)上布置有若干间隔的植位(9)，使得相邻层的所述培植面(8)在轴向高度上形成交错布置结构。

10.根据前述权利要求1至8之一所述的系统，其特征在于，在相同朝向的所述培植环(7)围绕所述支撑柱(3)的周向连续布置的情况下，所述培植面(8)配置有远离所述支撑柱(3)的第一周向边(12)和靠近所述支撑柱(3)的第二周向边(13)，径向边(14)连接所述第一周向边(12)和所述第二周向边(13)的两端以形成用于布置植株的植位(9)，其中，

所述第一周向边(12)配置为直边或曲边，所述第二周向边(13)贴合所述支撑柱(3)布置。

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