CN204742029U - 移动植物工厂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了移动植物工厂，包括箱体，设置在箱体内的培养架、二氧化碳加注装置、控制系统；控制系统包括电源模块、控制模块、检测模块、通信模块、人机交互模块和控制输出模块；控制输出模块包括存储模块、继电器控制模块和电机控制模块；检测模块、通信模块、存储模块、继电器控制模块、电机控制模块分别与控制模块连接，通信模块与人机交互模块连接，电源模块与控制模块、检测模块、通信模块、人机交互模块、存储模块、继电器控制模块、电机控制模块分别连接，继电器控制模块与二氧化碳加注装置连接。本实用新型规模小，满足植物生长条件同时可以大大减少农产品运输成本，小型化更加具有灵活性，投资低见效快，只需一至二人即可管理生产。

Description

移动植物工厂

技术领域

本实用新型涉及植物工厂技术领域，特别是移动植物工厂。

背景技术

植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生长的温度、湿度、光照、CO₂浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生长不受或很少受自然条件制约，甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大楼里进行正常生产。是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径，也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。

现有的植物工厂从建设规模上来分可分为大型（1000平方米以上）、中型（300~1000平方米）和小型（300平方米以下）三种；但都是固定不可移动式工厂，不能灵活调配，由于地域性限制运输成本的增加不可避免。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供移动植物工厂，本实用新型为植物生长提供条件的同时可以大大减少农产品运输成本，能灵活调配。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的移动植物工厂，包括箱体，设置在箱体内的培养架、二氧化碳加注装置、控制系统；所述控制系统包括用于供电的电源模块、控制模块、检测模块、通信模块、人机交互模块和控制输出模块；所述控制输出模块包括存储模块、继电器控制模块和电机控制模块；其中，

检测模块、通信模块、存储模块、继电器控制模块、电机控制模块分别与控制模块连接，通信模块与人机交互模块连接，电源模块与控制模块、检测模块、通信模块、人机交互模块、存储模块、继电器控制模块、电机控制模块分别连接，继电器控制模块与二氧化碳加注装置连接。

作为本实用新型所述的移动植物工厂进一步优化方案，所述检测模块包括光照强度传感器、空气温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器。

作为本实用新型所述的移动植物工厂进一步优化方案，所述控制模块为ARM单片机模块。

作为本实用新型所述的移动植物工厂进一步优化方案，所述箱体为集装箱式箱体。

作为本实用新型所述的移动植物工厂进一步优化方案，所述培养架为可移动培养架。

作为本实用新型所述的移动植物工厂进一步优化方案，所述可移动培养架包括移动式货架、摇盘、制动装置、带终止装置的导轨、内置防倾倒装置的底盘、水培槽连接水管、水培槽、植物泡沫板和LED灯组；其中，移动式货架设置在导轨上，摇盘、制动装置均设置在移动式货架的侧边，底盘设置在移动式货架的底部，水培槽连接水管、水培槽、植物泡沫板设置在移动式货架中，LED灯组设置在移动式货架的顶部。

作为本实用新型所述的移动植物工厂进一步优化方案，所述二氧化碳加注装置为可控二氧化碳加注装置。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型的小型可移动式植物工厂，规模可达到仅有25平方米左右，利用集装箱式箱体做外壳，满足植物生长条件同时可以大大减少农产品运输成本，小型化更加具有灵活性，投资低见效快，只需一至二人即可管理生产。

附图说明

图1是本实用新型的示意图。

图2是电源模块电路图。

图3是存储模块的电路图。

图4是控制输出模块的电路图。

图5是通信模块电路图。

图6是检测原理图。

图7是8路开关量输入原理图。

图8是单片机模块。

图9是整体装配图。

图10是移动式培养架。

图11是配液箱。

图中的附图标记解释为：1-外箱，2-空调，3-移动式货架（带导轨），4-第一推拉移门，5-储藏柜，6-第二推拉移门，7-工作台，8-配液箱，9-回流管道，10-出水管道，11-管道软管，12-二氧化碳管道，13-二氧化碳钢瓶，14-风扇，15-雾化器，16-培养室，17-准备室，31-移动式货架，32-摇盘，33-制动装置，34-导轨，35-导轨带终止装置，36-底盘（内置防倾倒装置），37-水培槽连接水管，38-水培槽，39-植物泡沫板，310-LED灯组，81-触摸屏，82-第一进水口，83-第一出水口，84-第二进水口，85-第二出水口，86-信号线孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本实用新型的示意图，移动植物工厂，包括箱体，设置在箱体内的培养架、二氧化碳加注装置、控制系统；所述控制系统包括用于供电的电源模块、控制模块、检测模块、通信模块、人机交互模块和控制输出模块；所述控制输出模块包括存储模块、继电器控制模块和电机控制模块；其中，

检测模块、通信模块、存储模块、继电器控制模块、电机控制模块分别与控制模块连接，通信模块与人机交互模块连接，电源模块与控制模块、检测模块、通信模块、人机交互模块、存储模块、继电器控制模块、电机控制模块分别连接，继电器控制模块与二氧化碳加注装置连接；

检测模块将检测到的信号经控制模块处理生成数字信号后通过通信模块传输至人机交互模块，人机交互模块存储并显示接收的数字信号，且将用户设置的控制参数经通信模块传输至控制模块，控制模块接收到控制参数后生成参数信号和驱动信号，参数信号通过存储模块进行存储，驱动信号控制电机控制模块和继电器控制模块，电机控制模块来控制外部的电机，该电机是用来控制配液机，继电器控制模块控制二氧化碳加注装置排出二氧化碳。

所述检测模块包括光照强度传感器、空气温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器。

所述检测到的信号为环境信号和营养液参数信息，所述环境信号为光照强度信号、空气温湿度信号和二氧化碳浓度信号，所述营养液参数信息为营养液水温信号、营养液PH值信号、营养液电导率信号和配液箱内液位高度信号。

所述控制参数为环境参数和营养液参数。

所述控制模块为ARM单片机模块。

所述箱体为集装箱式箱体。

所述培养架为可移动培养架。

所述二氧化碳加注装置为可控二氧化碳加注装置。

控制系统

控制系统为自主开发使用单片机做中心处理器，温湿度传感器，二氧化碳传感器，光照传感器，PT100变送器，电导率传感器和PH计传感器测量周围的环境，触屏为终端显示，使用继电器作输出控制；调节空气中二氧化碳浓度，湿度，给加热营养液，自动控制营养液PH值、电导率。包括电源模块，ARM单片机模块，检测模块，通信模块，存储模块，控制输出模块，人机交互模块。见图1。

系统通过24V/10A直流开关电源供电， 通过电源电路得到5V电源供给ARM单片机模块，存储模块、继电器控制模块、通信模块、检测模块。人机交互模块采用24V电源供电。检测模块采集传感器测得环境信号（光照强度信号、空气温湿度信号、二氧化碳浓度信号）、营养液参数信息（营养液水温信号、营养液PH值信号、营养液电导率信号、配液箱内液位高度信号），并发给ARM单片机模块，由ARM单片机模块做量化处理，转换为数字信号通过通信模块传给人机交互模块；人机交互模块内部集成有存储器、触摸屏、实时时钟和串口通信接口，人机交互模块通过内置串口通信接口连接外部通信模块进行通信，人机交互模块根据时间存储单片机发送的环境参数和营养液参数信息转换的数字信号在存储器中，形成历史数据便于查询，人机交互模块从通信模块读取当前环境参数和营养液参数信息转化的数字信号在触摸屏显示实时数据和实时动画，使用触摸屏设置控制参数同样存储在存储器中并通过内置串行通信接口和通信模块发送给单片机，单片机把控制参数存储在存储模块中，并在存储模块中读写数据。单片机根据触摸屏设定的参数驱动电机控制模块和继电器控制模块调节环境。

硬件设计

电源电路

图2是电源模块电路图，DC24V经过二极管D44改为D53单向保护，瞬态二极管D51保护，C11、C13滤波，输入到稳压芯片U3，极性电容C16、电感L1组成输出滤波电路， R7、D50组成电源指示电路。该电源具有短路保护、过流保护等功能。采用开关稳压集成电路LM2596-5.0，输出+5V电压，输出电流大，过流保护采用了瞬态电压抑制器P6KE33A，当P6KE33A的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能迅速的将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压迅速拉低，有效地保护后续电子线路中的精密元器件。

存储模块电路

如图3所示是存储模块的电路图，系统采用EEPROM总线连接存储器和单片机之间，存储器采用AT24CL1024，该芯片是2线串行EEPROM，可双向数据传输，有1048576个可电擦出存储器131072字节只读存储器，能保留数据40年。

控制输出模块

图4是控制输出模块的电路图，控制输出模块主要功能是通过继电器的吸合控制外部固态继电器，从而控制led光照系统、水循环系统、二氧化碳补充系统、内部空气循环系统、空气温控和营养液温控系统，防止因电流过大可能产生的冲击电流造成的不好影响。由于单片机IO口的驱动能力有限，使用了一款电流放大芯片ULN2803，能有效增加驱动能力从而控制继电器的吸合，防止干扰。

通信模块

图5是通信模块电路图，单片机和触屏之间采用串行通信，MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器，能在5V电压供电时提供EIA/TIA/-232-E电平。使用简单稳定性高。由MAX232的11和12脚分别接在单片机的10脚和9脚上。

检测模块

检测模块主要用来检测外界环境参数，主要包括光照、空气温湿度、二氧化碳浓度、营养液水温、PH值、电导率，配液箱内液位高、液位低。

光照、空气温湿度、二氧化碳、营养液水温、液体高度、PH值、电导率传感器皆使用24V供电、4-20mA输出变送器。模拟信号接入接线端子，测量高精度电阻R48上的电压，接单片机10位ＡＤ口，检测原理图见图6。

配液箱内营养液高液位与低液位采用的是浮球开关做检测，内部装有干簧管，是一个开关量信号。为了防止干扰加光耦隔离。液位低的浮球开关的两根线接COM1和DIN0，COM1经过接线端子接地。当浮球开关闭合时，光耦导通，DCH0为低电平，浮球开关断开时，光耦不能导通，DCH0为高电平。信号输入CD4051。CD4051是8通道数字控制模拟开关，输入信号经编码输入单片机，高电平报警，低电平正常。液位高的浮球接COM2和DIN1，信号连通方式和液位低的浮球相同，不做赘述。8路开关量输入原理见图7。

人机交互模块

人机交互模块主要用来设置参数和显示界面动画。采用威纶通MT607iH触摸屏，内置文字触摸屏、存储器、实时时钟、串口通信接口。与单片机通过RS232或RS485相连。通过触屏界面设置环境和营养液的相关参数，发送给单片机模块，由单片机做处理。

单片机模块

ARM单片机模块主要用来计算处理数据，是控制系统的核心。使用单片机自身AD测量外界环境数据，把模拟量转换为数字量；控制空调启停替换开关，加热棒开关，调节营养液箱内溶液PH值与电导率计算二氧化碳加注时间，和触摸屏通信。数据量比较大。单片机采用atmega128，是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，内部有128KB Flash，4K SRAM，4K的EEPROM,8路10位A/D转换，2通道8位PWM，6路分辨率可编程（2到16位）的PWM，76个可编程I/O口，其中JTAG1为程序下载口，完成程序的烧写，为系统功能实现提供了基础和保障。AIN0—AIN7为模拟量输入，接自身AD，D_A、D_B、D_C接开关量输入电路，JR1--JR8和JC1—JC8接继电器输出电路，TXD、RXD接通信电路，单片机模块见图8。

设备部分

设备部分包括集装箱式箱体，LED光照系统，水循环系统，二氧化碳补充系统，内部空气循环系统，空气温控和营养液温控系统。

具体的包括外箱1，空调2，移动式货架（带导轨）3，推拉移门4，储藏柜5，推拉移门6，工作台7，配液箱8，回流管道9，出水管道10，管道软管11，二氧化碳管道12，二氧化碳钢瓶13，风扇14，雾化器15等。通过第一推拉移门4和第二推拉移门6把整个空间分割成两部分，一为培养室16，一为准备室17。培养室内包括空调2，移动式货架（带导轨）3，配液箱8，回流管道9，出水管道10，管道软管11，二氧化碳管道12，二氧化碳钢瓶13，风扇14，雾化器15。准备室17主要包括储藏柜5和工作台7。整体示意图见附图9。

LED光照系统由LED灯组成，安装在移动式货架上，采用220V市电供电，为使用提供方便。使用触屏设置光照时间，在移动货架的每层装有2根LED灯，并联连接。

水循环系统包括配液箱8，回流管道9，出水管道10，水槽与出水管道或回流管道连接管道软管11。移动式货架3做水培培养槽骨架，货架的每层上面都放有水培槽，上下层水培槽之间使用管线连接，最上层水培槽通过可弯曲管道软管连接出水管道10，出水管道10接配液箱8出水电机，货架底层水培培养槽通过可弯曲管道软管接回流管道9，回流管道9接配液箱进水电机。

控制系统集成装在配液箱面板上，温湿度，二氧化碳传感器固定在培养室内壁上，光照传感器装在移动货架上，通过管线接培养箱内控制系统；

二氧化碳补充系统包括二氧化碳钢瓶和二氧化碳管线。二氧化碳管线均匀分布在培养室移动式货架顶部，由控制系统通过传感器测量培养室内的二氧化碳浓度，控制电磁阀注入二氧化碳。由于扩散时间考虑，二氧化碳补充系统在启动时同时启动内部空气循环系统，使二氧化碳尽快扩散。

本实用新型中移动工厂属于小型规模25平方米左右，内部空气循环系统主要是通过箱体内部的风扇带动空气对流。空调的送风可以作为内部空气循环系统的有益补充。

空气温控主要是通过空调调整空气温度。营养液温控系统装在配液箱内，通过市电220V交流电加热，防止营养液过冷造成植株损失，同时减轻空气温控系统温度调节难度。工作时首先打开第二推拉移门6进入准备室，换衣服鞋帽等进行必要的洁净处理，然后通过第一推拉移门4进入培养室，通过配液箱8面板上的触屏设置控制参数查看培养室环境，通过移动移动式货架3查看植物生长状况和采摘植物，完成后把移动式货架锁死，工作完成后然后带着物品离开培养室11关好第一推拉移门4，在准备室17的工作台7上对物品进行初步处理，打扫卫生，最后带走相关物品并关好第二推拉移门6。

箱体

本实用新型中由于植物工厂是可移动的，要求搬运方便，稳定，周转时对内部环境、植物生长影响要小。采用钢制集装箱40尺普柜做箱体，本事具有结构牢，价格低廉，水密封效果好等特点。内部使用无毒无菌、不积灰、不产尘便于清洁的板材如镀锌钢板/倍特板/彩钢板/安全消毒板等进行处理。本例中采用安全消毒板介绍，使用时用安全消毒板隔离墙面，安全消毒板具有抗化学腐蚀，高防火性能，高温、日照、洗涤、磨损情况下不影响产品性能，不积灰、不产尘、无缝隙而且具有良好的粘附性，容易安装和维护等特点，相比其余集中材料长期气密性能更好，工期短，理论上能安全使用20年。保温、密封、耐湿材料密封箱体，并作一定的防水处理，在移动过程中不用开箱并不影响箱体内环境变化，并可以长期反复使用，满足要求。

移动式培养架（带导轨）

为了最大化的节约空间、使用空间，本实用新型中采用移动式货架做培养架，该移动培养架包括移动式货架31，摇盘32，制动装置33，导轨34，导轨带终止装置35，底盘（内置防倾倒装置）36，水培槽连接水管37，水培槽38，植物泡沫板39，LED灯组310。

所述可移动培养架包括移动式货架、摇盘、制动装置、带终止装置的导轨、内置防倾倒装置的底盘、水培槽连接水管、水培槽、植物泡沫板和LED灯组；其中，移动式货架设置在导轨上，摇盘、制动装置均设置在移动式货架的侧边，底盘设置在移动式货架的底部，水培槽连接水管、水培槽、植物泡沫板设置在移动式货架中，LED灯组设置在移动式货架的顶部。

每个移动式货架摇盘后部安装有双轴承传动装置，底盘内有底梁、轴承档、夹紧块。通过转动摇盘带动传动装置使移动式货架在导轨上前后移动，传动轻便灵活，运行平稳；制动装置用于移动式货架停止固定，制动可靠。培养架每层都放有搁板，用于放置水培槽。水槽上可放置泡沫板进水水培，也可放置穴盘通过底部灌溉浇水进行固体栽培，其他适合的培养方式同样可以放在移动培养架上进行培养。本例中以泡沫板水培为例进行说明。

在移动式培养架分5层，靠近地面的为最底层第一层，从低往高顺序排列。每层的隔板上都放有水培槽38，植物泡沫板39放在对应水培槽38内，栽培或收获植物时可以取出，上下层水培槽之间通过水培槽连接水管37相连，左右对称分布，每层顶部装有LED灯310。见附图10。

配液箱

配液箱主要用来配置营养液，配液箱内部有第一进液电机，第二进液电机，第三排液电机，营养液槽，管线，加热棒等配件。箱体有第一进水口，第一出水口，第二进水口，第二出水口，信号线孔。第一进水口通过球阀接外部水源，内部第一进液电机，通过第一进液电机抽水注入配液箱；第一出水口用于释放废弃的营养液，也通过球阀接外部管线；第二进水口接水槽回流管，内部接第二进液电机；第二出水口接水槽进水管，内部接第三排液电机。二氧化碳传感器，光照传感器，温湿度传感器，电源线，电磁阀控制线通过信号线孔接入或接出。控制系统集成装在配液箱内部，其人机界面装在配液箱的面板上，显示环境数据，便于操作控制。见附图11，81为触摸屏，82为第一进水口，83为第一出水口，84为第二进水口，85为第二出水口，86为信号线孔。

二氧化碳补充系统

二氧化碳补充装置包括二氧化碳钢瓶和二氧化碳管线。二氧化碳管线均匀分布在培养室移动式货架顶部，由控制系统通过传感器测量培养室内的二氧化碳浓度，控制电磁阀注入二氧化碳。由于扩散时间考虑，二氧化碳补充系统在启动时同时启动内部空气循环系统，使二氧化碳尽快扩散至整个培养室。大部分植物适宜生长二氧化碳浓度在1000ppm以内，而人体在二氧化碳浓度为2000-5000ppm时感到不适。本例中使用的二氧化碳补充系统二氧化碳加入可控，并不会影响人体健康。

本实用新型中的移动植物工厂可以适用于水培、固体栽培等多种培养方式，由于创新的加入二氧化碳补充系统，加速了植物生长于培养速度。小型化更加具有灵活性。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能为此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (7)

1.移动植物工厂，其特征在于，包括箱体，设置在箱体内的培养架、二氧化碳加注装置、控制系统；所述控制系统包括用于供电的电源模块、控制模块、检测模块、通信模块、人机交互模块和控制输出模块；所述控制输出模块包括存储模块、继电器控制模块和电机控制模块；其中，

检测模块、通信模块、存储模块、继电器控制模块、电机控制模块分别与控制模块连接，通信模块与人机交互模块连接，电源模块与控制模块、检测模块、通信模块、人机交互模块、存储模块、继电器控制模块、电机控制模块分别连接，继电器控制模块与二氧化碳加注装置连接。

2.根据权利要求1所述的移动植物工厂，其特征在于，所述检测模块包括光照强度传感器、空气温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器。

3.根据权利要求1所述的移动植物工厂，其特征在于，所述控制模块为ARM单片机模块。

4.根据权利要求1所述的移动植物工厂，其特征在于，所述箱体为集装箱式箱体。

5.根据权利要求1所述的移动植物工厂，其特征在于，所述培养架为可移动培养架。

6.根据权利要求5所述的移动植物工厂，其特征在于，所述可移动培养架包括移动式货架、摇盘、制动装置、带终止装置的导轨、内置防倾倒装置的底盘、水培槽连接水管、水培槽、植物泡沫板和LED灯组；其中，移动式货架设置在导轨上，摇盘、制动装置均设置在移动式货架的侧边，底盘设置在移动式货架的底部，水培槽连接水管、水培槽、植物泡沫板设置在移动式货架中，LED灯组设置在移动式货架的顶部。

7.根据权利要求1所述的移动植物工厂，其特征在于，所述二氧化碳加注装置为可控二氧化碳加注装置。