CN204168858U - 植物室内栽培系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于植物栽培领域，公开了一种植物室内栽培系统，包括：支架、组合式定植装置、缝隙式组合光源、气流扩散系统、供液系统和控制系统；支架中设置有多层组合式定植装置，在每层组合式定植装置上方从下往上依次设置有缝隙式组合光源和气流扩散系统；所述的组合式定植装置包括托框、定植筐、垫凸，定植筐置于托框内并用垫凸垫高，使定植筐底部与托框形成液体通道。本实用新型室内植物栽培系统能够为植物根系营造出适宜的气液环境，有利于改善植物根系的气体环境、促进植物根系对营养元素的吸收和转运，适应不同植物不同生长阶段的光照要求，能够综合调节光源主动散热和植物冠层气体环境、有利于植物的光合生长。

Description

植物室内栽培系统

技术领域

本发明属于植物栽培领域，涉及一种植物室内栽培系统，为植物培育和植物生产提供一种自动化栽植系统，可用于植物科研、室内植物栽培和可控环境中的植物栽培。

背景技术

室内栽培植物的优势在于可以充分利用室内的温度、CO₂富集和人员常在等条件，选择适宜植物品种实施栽植。室内栽培植物借用露地或温室栽培技术及设备难以获得理想效果。为获得更高的空间利用效率，室内栽培需要采用多层立体栽培设备、人工光源设备、肥水设备以及一定程度的自动化管理系统。在植物和农业科研领域，室内植物栽培一直是精确控制试验条件、提升数据可靠性和提高科研效率的重要手段；其次，在家居生活领域，随着城市化加剧和居民生活品味情趣的提高，在室内栽培植物已逐渐成为日常生活的重要成分，发挥陶冶情趣、家庭科普实践、清新空气和即时采摘等功效；第三，在一些特殊环境地域，比如海岛、盐碱滩涂、沙漠和偏远高山寒地等，室内栽培植物能够有效满足驻地人员对新鲜植物的食用需求和观赏精神需求，是就地解决可靠供给的有效手段。

发明专利(授权公告号：CN101233822B)公开了一种多层潮汐灌溉育苗装置，该装置包括多层潮汐灌溉苗床架、营养液循环装置、配肥装置、自动控制装置、消毒装置、空气混合器。配肥装置通过管道连接营养液循环装置，并连接自动控制装置，自动控制装置来调节营养液的浓度和酸碱度，营养液循环装置通过输出管道连接消毒装置入口管道，消毒装置出口管道连接空气混合器的入口管道，空气混合器出口管道连接到多层潮汐灌溉苗床架，多层潮汐灌溉苗床架连接营养液循环装置。该发明装置具有自动补光、高效空间利用的特点，能对水和营养液灌溉进行自动控制，尤其适合温室等小环境使用。该发明装置提供了营养液自动调配和消毒、管路自动混气、自动供液和自动补光等解决方案，适宜于温室育苗，但并不具备室内植物栽培的基本特征，简述如下：(1)该装置满足了温室育苗使用要求，但不适宜于植物在营养或生殖生长阶段的栽培应用；(2)鉴于文丘里原理的固有缺陷，采用该原理将空气混入管路里的营养液，存在溶气量受限和溶气量不可靠等缺陷，不能确保植物，尤其是处于营养生长期或生殖生长期植物的根系对溶氧量的需求；(3)基于温室应用需求，该装置采用多层育苗方式并在下层设置补光，补光方法只能提供较低的光密度以弥补温室中自然光照的不足，但不能满足室内无自然光条件下的植物栽培需求，必须使用完全不同的高光密度全人工光照系统；(4)该装置提出的潮汐式灌溉实质是一种基于营养液大量漫灌方法的间歇灌溉。

发明专利(授权公告号：CN101743896B)公开了一种无土栽培系统，该装置主要由营养液池、水泵、承液槽、消毒装置以及管路组成，营养液池出口经水泵与承液槽入液口相连，承液槽出液口端通过回液主管与营养液池入口相连，两个或两个以上承液槽之间采用并联的方式，所述承液槽中放有栽培盆或栽培袋，消毒装置与营养液池单独构成一个营养液消毒的回路，其特征在于，承液槽出液口端的结构为在承液槽出口处设置有第三回液管，第三回液管的上端高出承液槽底部2～4cm，第三回液管下端与回液主管入口端相连，所述第三回液管在高出承液槽底部1～2cm位置处的管壁上有3～5个直径为0.5～1cm圆孔。该装置适用于温室植物栽培，但不具备室内植物栽培的基本特征，简述如下：(1)该系统采用栽培槽单层平面并联的铺设方式，适宜于温室自然采光的栽培模式，不能用于以多层立体串联和人工光照为特征的室内栽培；(2)该装置提出的潮汐式灌溉模式，其实质是将温室常用的滴灌方式改为特定区域内的液体大量漫灌方式，液体主要以从栽培袋侧面渗入和从上方压入的方式进入植物根系，根系基质被反复压实，透气性下降而导致根系缺氧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的适用于室内立体种植的植物栽培系统，本系统集成开放式多层立体串联、缝隙式组合光源、泉涌式灌溉和下压式气流扩散系统等创新技术，适用于室内栽培植物，具有设备简单价廉、易于自动化管理和栽培高效可行的优点。

一种植物室内栽培系统，包括：支架、组合式定植装置、缝隙式组合光源、气流扩散系统、供液系统和控制系统；所述的支架中设置有多层组合式定植装置，在所述的每层组合式定植装置上方从下往上依次设置有缝隙式组合光源和气流扩散系统；所述的组合式定植装置包括托框、定植筐、垫凸，所述的定植筐置于托框内并用垫凸垫高，使定植筐底部与托框形成液体通道；所述的供液系统包括回液箱、供液泵、供液管、液位传感器和回液管、回液控制机构，所述的回液箱置于支架内底层组合式定植装置的下方，回液箱经供液泵、供液管与顶层组合式定植装置连接，在顶层组合式定植装置设有液位传感器；上下相邻的两层组合式定植装置经回液管串联，底层组合式定植装置经回液管与回液箱连通，在所述的回液管上设有回液控制机构；所述的控制系统分别连接缝隙式组合光源、气流扩散系统和供液系统。

所述的支架为H型支架。所述的组合式定植装置以及组合式定植装置上方从下往上依次设置的缝隙式组合光源和气流扩散系统构成一层栽培层。

优选的，所述的托框由联接于支架上的托框支撑杆支撑；所述的组合式定植装置还包括衬膜和衬垫，所述的衬膜贴紧铺设于托框的内壁，确保定植筐和托框不直接接触，同时防止液体直接接触托框，便于实际生产中定期、快捷更换衬膜，所述的衬膜采用不透气不渗漏和耐酸耐碱的薄膜材料，如塑料薄膜；所述的衬垫铺设于定植筐的内表面，以防止一些小颗粒的基质从定植筐的镂空孔中流失，所述的衬垫为带微孔的透气透水的薄型材料，如无纺布。所述的托框底部的一端设有排液孔用于安装回液管，将液体通道内的液体引至下一层组合式定植装置的液体通道，上下相邻的回液管交错设置使液体在栽培系统中呈S型流动。

所述的定植筐为镂空定植筐，定植筐采用耐酸耐碱的耐腐材料，如工程塑料；所述的垫凸采用耐酸耐碱的防腐材料，如尼龙或塑料；所述的垫凸可以与托框加工成一体，也可以采用独立部件，所述的垫凸的截面积远小于定植筐的底面积，所述的垫凸选用截面形状为圆形实心或空心的条块体，或选用截面形状为方形的实心或空心条块体。所述的垫凸的高度为25～50mm，通过供液管将液体输送至定植筐底部与托框之间形成的液体通道，从而引导液体从定植筐底部上涌充盈根系，达到泉涌式灌溉的目的。

所述的缝隙式组合光源包括灯体骨架和固定于灯体骨架上的若干个单体灯元，所述的缝隙式组合光源由设置在支架上的光源支撑杆支撑。所述的单体灯元是对植物具有有效作用的光源单体，可以选用多种类型电光源，优选为管状灯，如LED管状灯。相邻的单体灯元之间留有缝隙，缝隙尺寸M为2～200mm；单体灯元的数量以及相邻灯体单元的缝隙根据所栽培植物的植物光周期进行调整。

所述的气流扩散系统包括若干风机，所述的风机安装在联接于支架的风机支撑杆上；所述的气流扩散系统与缝隙式组合光源构成一体或独立于缝隙式组合光源。所述的气流扩散系统驱动气流下压并流经单体灯元后，扩散至植物冠层。

所述的气流扩散系统的风机的出风面与缝隙式组合光源的顶部(背光面)之间的间隙为30～60mm。所述的组合式定植装置的定植筐的上口平面与缝隙式组合光源的出光面之间的间距为450～1000mm，根据所栽培植物的最大生长高度进行调整。

所述的回液控制机构为回液阀或回液泵，用于控制回液管通断。所述的液位传感器用于监测顶层组合式定植装置托框内液位高低，本发明只在顶层设置液位传感器，通过监测控制顶层组合式定植装置的液位，从而决定了下一层组合式定植装置的液位不会超过顶层组合式定植装置的液位，一方面降低设备成本，另一方面也简化控制程序，使控制更简易、可靠。根据实际生产需要，回液箱中的液体根据定植筐内的基质进行调整：如果采用全营养基质，只需用清水即可；如果采用无营养基质(无机基质，如珍珠岩、石棉等)，则需要配制成营养液。

供液泵将回液箱里的液体压入供液管(此时，顶层组合式定植装置托框底部的回液控制机构关闭，闭合时间为t₁)，进入顶层组合式定植装置液体通道，随着液面增高，液体上涌进入植物根系周围的基质空隙，通过控制系统调控液位传感器决定液面高度，根系浸润t₁时间后，开启顶层组合式定植装置底部的回液控制机构，液体流入下一层组合式定植装置，浸润t₁时间后，开启回液控制机构，液体再流入下一层组合式定植装置，如此循环，液体在每层组合式定植装置托框的浸润时间均为t₁，直至液体回流入回液箱。液体回流至回液箱后经过过滤消毒用于继续循环。

所述的控制系统包括单片机系统和继电器，所述的单片机系统将信号输出至续电器控制供液泵和回液控制机构，所述的液位传感器将信息反馈给单片机系统；所述的单片机系统将信号输出至继电器控制缝隙式组合光源；所述的单片机系统将信号输出至继电器控制风机。所述的控制系统包括如下2个子模型：

(1)用于控制回液控制机构闭合时间t₁的控制模型

$t_1=\frac{60\mathrm{kT}}{N}\left(\min \right)---\left(1\right)$

式中，k—植物根系液相维持率(％)；

T—植物光周期(h)；

N—供液次数(次/15d)；

(2)用于控制缝隙式组合光源开启时间t₂的控制模型

$t_2=\frac{60\mathrm{fT}}{M}\left(\min \right)---\left(2\right)$

式中，f—植物光照维持率(％)；

T—植物光周期(h)；

M—缝隙式组合光源的断电次数(次/d)。

本发明中，植物根系液相维持率是指植物根系有液体充盈的时间占总时间的百分数；植物光照维持率指植物有光照的时间占总时间的百分数；总时间＝有液体充盈的时间+无液体充盈的时间＝有光照的时间+无光照的时间，实际上就是植物在室内栽培阶段内的总时间。

本发明控制系统只需设置两个参数即可：用于控制回液控制机构闭合时间t₁的计算，只需设置“植物根系液相维持率(k)”和“供液次数(N)”即可，植物光周期(T)是植物所固有的生物学特性；用于控制缝隙式组合光源开启时间t₂的计算，只需设置“植物光照维持率(f)”和“缝隙式组合光源的断电次数(M)”即可。参数设置合理科学，在实际应用中执行灵活性、适应性高、可操作好。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明室内植物栽培系统采用了“泉涌式灌溉+缝隙式组合光源+下压式气流扩散系统+落液模式”。

1、组合式定植装置的结构特征形成了泉涌式灌溉，即液体从植物根系底部(即定植筐底部)上涌，充盈根系，为植物根系营造出适宜的气液环境；

2、缝隙式组合光源的结构特征创造了一种室内立体栽培的光照系统，能够根据不同植物、不同生长阶段对光照的需求，便捷组合调配各种光源，具有广适应性、机动灵活和成本低廉的特点；

3、气流扩散系统的结构特征创造了一种全新的气流组织方式，能够驱动气流下压并流经灯体灯元后扩散至植物冠层，具备了光源主动散热和植物冠层气体环境调节的综合功能，有利于植物的光合生长。

4、循环供液系统的结构特征创造了一种全新的液体快速回流的落液模式，通过泉涌式灌溉以及通过开启回液控制机构使液体快速回落至下层栽培层，定期更换基质缝隙内的空气，有利于改善植物根系的气体环境，促进植物根系对营养元素的吸收和转运。

附图说明

图1为本发明植物室内栽培系统的结构示意图；

图2为气流扩散系统与缝隙式组合光源的相对位置示意图；

图3为组合式定植装置中定植筐、托框和垫凸的相对位置示意图；

图中，1-支架，2-托框，3-定植筐，4-垫凸，5-衬膜，6-托框支撑杆，7-缝隙式组合光源，8-单体灯元，9-灯体骨架，10-光源支撑杆，11-风机，12-风机支撑杆，13-回液箱，14-供液泵，15-供液管，16-排液孔，17-回液管，18-回液控制机构，19-液位传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作更进一步的说明。

实施例

如图1、图2和图3所示，一种植物室内栽培系统，包括：支架1、组合式定植装置、缝隙式组合光源7、气流扩散系统、供液系统和控制系统；所述的支架1中设置有3层组合式定植装置，所述的组合式定植装置包括托框2、定植筐3、垫凸4，托框2由联接于支架1上的托框支撑杆6支撑，托框2的内壁铺设衬膜5，定植筐3置于托框2内并用垫凸4垫高，使定植筐3底部与托框2的空隙形成液体通道，在定植筐3内表面铺设无纺布作为衬垫，再填充叶菜专用全营养基质；在每层组合式定植装置上方从下往上依次设置有缝隙式组合光源7和气流扩散系统构成一个栽培层，所述的缝隙式组合光源7包括灯体骨架9，在灯体骨架9上固定9个LED灯作为单体灯元8，相邻的单体灯元8之间留有2～200mm的缝隙M，缝隙式组合光源7由设置在支架1上的光源支撑杆10支撑；所述的气流扩散系统包括3个风机11，风机11安装在联接于支架1的风机支撑杆12上；所述的气流扩散系统的风机11的出风面与缝隙式组合光源7的背光面之间保持30mm的空隙保证缝隙式组合光源7的散热；所述的组合式定植装置的定植筐3的上口平面与缝隙式组合光源7的出光面之间保持450mm的间距；所述的供液系统包括回液箱13、供液泵14、供液管15和回液管17、回液控制机构18，回液箱13置于支架1内底层组合式定植装置的下方，回液箱13经供液泵14和供液管15与顶层组合式定植装置连接，在顶层组合式定植装置设有液位传感器19用于监测顶层组合式定植装置托框2内液位高低；托框2底部的一端设有排液孔16用于安装回液管17将液体通道内的液体引至下一层组合式定植装置的液体通道，相邻的回液管17交错设置使液体在栽培系统中呈S型流动，底层组合式定植装置经回液管17与回液箱13连通，在回液管17上设有回液控制机构18用于控制回液管17通断。

本实施例中定植筐3采用镂空定植筐；所述的垫凸4的高度为25mm。所述的回液控制机构18为回液阀。

所述的缝隙式组合光源7、气流扩散系统、供液系统均由控制系统进行调控。控制系统包括单片机系统和继电器。所述的单片机系统将信号输出至继电器控制缝隙式组合光源7；单片机系统将信号输出至继电器控制风机11。单片机系统将信号输出至续电器控制供液泵14和回液控制机构18，再由液位传感器19将信息反馈给单片机系统。

所述的控制系统包括如下2个子模型：

(1)用于控制回液控制机构闭合时间t₁的控制模型

$t_1=\frac{60\mathrm{kT}}{N}\left(\min \right)---\left(1\right)$

式中，k—植物根系液相维持率(％)；

T—植物光周期(h)；

N—供液次数(次/15d)；

(2)用于控制缝隙式组合光源开启时间t₂的控制模型

$t_2=\frac{60\mathrm{fT}}{M}\left(\min \right)---\left(2\right)$

式中，f—植物光照维持率(％)；

T—植物光周期(h)；

M—缝隙式组合光源的断电次数(次/d)。

应用实施例

采用上述实施例的室内植物栽培系统，通过具体应用，并结合对比试验，来证明本发明所提供的室内植物栽培系统的应用效果。

采用5个品种的小白菜，分别是南农一号、南农二号、南农三号、南农四号、南农五号(简写为nau-1,nau-2,nau-3,nau-4,nau-5)，品种材料由园艺学院白菜育种研究团队提供。栽培基质采用叶菜专用全营养基质(淮安柴米河农业科技发展有限公司)。

2014年3月18日播种，置于自然条件下，待两片子叶完全展开，暗处理24h，于2014年3月28日晚移入上述构建好的室内植物栽培系统，作为处理组。栽培系统控制参数设置为：植物光周期取T＝12h、植物根系液相维持率取k＝45％、供液次数取N＝9次/15d、植物光照维持率取f＝80％、缝隙式组合光源的断电次数取M＝3次/d。栽培条件设置为：光照期温度25±1℃，光照期湿度65％左右，暗期温度15±1℃，暗期湿度70％左右，通风CO₂浓度与外界一样，清水浇灌。

在同一房间内设置对照组，温度、湿度、CO₂浓度等条件均保持一致，采用盆栽方式和常规人工管理。

栽培28d后取样测试植物生长指标(叶片数、茎粗、株高、根长、叶面积、地上部鲜重)、营养指标(Vc、类胡萝卜素、叶绿素、可溶性糖、游离氨基酸)、品质安全指标(亚硝酸盐)，测试结果如表1和表2。

表1室内栽培系统中(处理组)5种小白菜的生长和营养指标

表2室内盆栽和人工管理下(对照组)5种小白菜的生长和营养指标

由表1和表2的比较，可以看出，在叶片数、茎粗、株高、根长、叶面积和地上部鲜重所表征的植物生长指标上，处理组显著优于对照组；在Vc、类胡萝卜素、叶绿素、可溶性糖、游离氨基酸所表征的营养指标上，处理组显著优于对照组；在亚硝酸盐所表征的品质安全指标上，处理组的亚硝酸盐含量显著低于对照组，验证了本发明所提供的室内植物栽培系统的有益效果，说明本发明室内植物栽培系统的“泉涌式灌溉+缝隙式组合光源+下压式气流扩散系统+落液模式”，能够为植物根系营造出适宜的气液环境，有利于改善植物根系的气体环境、促进植物根系对营养元素的吸收和转运，适应不同植物不同生长阶段的光照要求，能够综合调节光源主动散热和植物冠层气体环境、有利于植物的光合生长。

以上所述仅是本发明的实施方式之一，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种植物室内栽培系统，其特征在于包括：支架、组合式定植装置、缝隙式组合光源、气流扩散系统、供液系统和控制系统；所述的支架中设置有多层组合式定植装置，在所述的每层组合式定植装置上方从下往上依次设置有缝隙式组合光源和气流扩散系统；所述的组合式定植装置包括托框、定植筐、垫凸，所述的定植筐置于托框内并用垫凸垫高，使定植筐底部与托框形成液体通道；所述的供液系统包括回液箱、供液泵、供液管、液位传感器和回液管、回液控制机构，所述的回液箱置于支架内底层组合式定植装置的下方，回液箱经供液泵、供液管与顶层组合式定植装置连接，在顶层组合式定植装置设有液位传感器；上下相邻的两层组合式定植装置经回液管串联，底层组合式定植装置经回液管与回液箱连通，在所述的回液管上设有回液控制机构；所述的控制系统分别连接缝隙式组合光源、气流扩散系统和供液系统。

2.根据权利要求1所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的托框由联接于支架上的托框支撑杆支撑；所述的组合式定植装置还包括衬膜和衬垫，所述的衬膜贴紧铺设于托框的内壁，所述的衬垫铺设于定植筐的内表面。

3.根据权利要求1所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的托框底部的一端设有排液孔用于安装回液管，上下相邻的回液管交错设置使液体在栽培系统中呈S型流动；

所述的回液控制机构为回液阀或回液泵。

4.根据权利要求1所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的定植筐为镂空定植筐。

5.根据权利要求1所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的缝隙式组合光源包括灯体骨架和固定于灯体骨架上的若干个单体灯元；所述的缝隙式组合光源由设置在支架上的光源支撑杆支撑。

6.根据权利要求5所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的单体灯元为管状灯；相邻的单体灯元之间的缝隙为2～200mm。

7.根据权利要求6所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的单体灯元为LED管状灯。

8.根据权利要求1所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的气流扩散系统包括若干风机，所述的风机安装在联接于支架的风机支撑杆上。

9.根据权利要求1所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的气流扩散系统的出风面与缝隙式组合光源的背光面之间的空隙为30～60mm；所述的组合式定植装置的定植筐的上口平面与缝隙式组合光源的出光面之间的间距为450～1000mm。

10.根据权利要求1所述的植物室内栽培系统，其特征在于所述的控制系统包括单片机系统和继电器，所述的单片机系统将信号输出至续电器控制供液泵和回液控制机构，所述的液位传感器将信息反馈给单片机系统；所述的单片机系统将信号输出至继电器控制缝隙式组合光源；所述的单片机系统将信号输出至继电器控制风机。