CN211406951U - 一种立体式多层农作物种植系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种立体式多层农作物种植系统，包括组合架、太阳能电池、电源管理装置、储水及喷洒控制器和中央控制器；太阳能电池位于组合架的外顶面，太阳能电池的输出端与电源管理装置输入端连接，电源管理装置输出端分别与中央控制器和储水及喷洒控制器的输入端连接，中央控制器的输出端与储水及喷洒控制器连接。该系统通过高效太阳能光电池收集太阳光能量并在多传感器的配合下实现适宜农作自然生长环境模拟的农作物种植；采用钢构形式的立体多层框架，搭建方便，易于建设；能够根据所实施地点的实际情况和需要栽种的农作物数量需求而建设任意层数的多层框架，有效地增加了耕种面积。

Description

一种立体式多层农作物种植系统

技术领域

本实用新型属于新型农作物种植领域，具体涉及一种立体式多层农作物种植系统。

背景技术

1999年国家开始实行退耕还林政策，有效地保护和改善了生态环境，并有效地遏制了水土流失，退耕还林的计划对象主要集中在西部山区，可用于耕种的坡地、梯田等停止耕种粮食而种植树木等植被，对退耕还林的农户按照标准进行无偿粮食提供。同时，耕地面积的收缩和粮食需求的加大无形中给国家的粮食需求带来一部分压力。

在2002年的数据调查中，人均耕地面积仅为0.1公顷，在世界人口超5000万人口的国家中处于倒数第三位，而且有近70％的耕地分布在人口密度相对较少的山地、丘陵和高原地区，只有30％左右的耕地分布人口密集的平原和盆地地区。但是，随着社会的不断发展、人口不断增多，我国面临耕地减少和粮食需求的压力在不断增加。

自本世纪初至今，房地产业始终占据着我国经济的前列位置，在平原和盆地省份的一线、二线城市被有效地建设和开发，有些省份的三线城市也在快速建设中，原先被用于耕种的土地被大量的占用，一座座住宅和商业高楼拔地而起，一片又一片经济开发区被建设，从而导致我国耕地面积进一步减少。

另外，随着社会的不断进步和发展，越来越多的人们选择进驻城镇从事非农业工作，在农村的人们也逐渐放弃了农业耕种的生活方式，或是选择外出打工，或是将原有耕地进行经济作物耕种，以陕西省关中平原和汉中盆地为例，多数农村居民选择种植猕猴桃、葡萄、苹果、柑橘、樱桃等经济型作物以获得更高的经济收益。

综上，我们不难看出，我国耕地面积在收缩和减少，而人口不断增加，截止2018年底，中国大陆总人口已接近14亿，而从事农业生产的人口比例在不断减小。因此，我国在粮食的需求上的压力在逐年增减。

现在的农业相比于传统的农业方式较为多种多样，随着社会的发展，立体农业逐步的发展，能够节省大量的种植空间，也便于提供植物相适应的生长环境。但是，现有的种植系统功能单一，农作物种植效果不佳，局限性较大。

实用新型内容

针对现有技术所存在的不足和局限性，本实用新型的发明目的在于提供一种立体式多层农作物种植系统，实现了种植无地域限制，有效增加了耕种面积。

本实用新型的技术方案如下：

该立体式多层农作物种植系统，包括组合架、太阳能电池、电源管理装置、储水及喷洒控制器和中央控制器；

所述太阳能电池位于所述组合架的外顶面，所述太阳能电池的输出端与所述电源管理装置输入端连接，所述电源管理装置输出端分别与所述中央控制器和储水及喷洒控制器的输入端连接，所述中央控制器的输出端与所述储水及喷洒控制器连接；

所述组合架上设置有若干层的分层架体，所述分层架体之间设置有防水型层间隔板；所述分层架体包括有机土壤、照明装置、通风管理装置、湿度传感器、水雾喷洒装置、温度传感器、加热装置、光强度传感器和二氧化碳浓度传感器；所述有机土壤平铺于所述分层架体的底部，所述照明装置安装于所述分层架体的顶部，所述通风管理装置安装于所述分层架体的两端，所述湿度传感器、水雾喷洒装置、温度传感器、加热装置、光强度传感器和二氧化碳浓度传感器安装于所述分层架体的侧壁上；

所述中央控制器的输出端分别与所述照明装置、通风管理装置、湿度传感器、温度传感器、加热装置、光强度传感器和二氧化碳浓度传感器连接；所述储水及喷洒控制器与所述水雾喷洒装置连接。

进一步地，上述太阳能电池采用9块200W多晶太阳能电池板并联组成阵列。

进一步地，每块多晶太阳能电池板覆盖有菲涅尔透镜，使得每一个电池板得到最大限度的光收集，而且无需随动装置跟随太阳东升西落。

进一步地，上述储水及喷洒控制器包括用于储存水的雨水收集装置、用于给所述雨水收集装置加注水的人工注水孔和用于提供动力的水泵。

进一步地，上述分层架体的高度为2000mm，符合大多数农作物生长空间需求。

进一步地，上述有机土壤的厚度为500mm。

进一步地，上述照明装置采用全光谱LED照明装置。

进一步地，上述照明装置采用数量不等光线波长为410nm、450nm、495nm、520nm、590nm、605nm、620nm、660nm、680nm、710nm组成的LED阵列，根据所种农作物的不同，对LED阵列的各LED点亮配比进行调整，从而进行高效的光合作用。

进一步地，上述组合架采用封闭式多层立体钢结构。

进一步地，上述组合架上设置有3层的分层架体。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型采用钢构形式的立体多层框架，搭建方便，易于建设；而且能够根据所实施地点的实际情况和需要栽种的农作物数量需求而建设任意层数的多层框架，有效地增加了耕种面积；通过高效太阳能光电池收集太阳光能量并在多传感器的配合下实现适宜农作自然生长环境模拟的农作物种植系统；

2、本实用新型的能源来源于太阳能电池，每一个电池板均有一个菲涅尔透镜与其对应，增加了收集能力，且不用跟随太阳东升西落而转动接收面；

3、本实用新型采用全光谱LED照明装置，光谱范围基本涵盖大部分农作物生长的可见光波段，而且能够根据不同农作物的需求和其自身特性进行波段配比，使得各层种植的农作物能够进行高效的光合作用；

4、本实用新型通过中央控制器采集分布于每层的温度传感器、湿度传感器、光强度传感器、二氧化碳浓度传感器数据，根据各层所种植农作物的种类和阶段对每层空间的温度、湿度、光强度、二氧化碳浓度进行调节，使得被种植农作物自种子阶段至生长成熟都处于比较理想的环境中；

5、本实用新型没有采取温室大棚方式，使农作物光合作用于呼吸作用交替进行，使得所种植农作物不仅茁壮生长，同时具有良好的品质；采用有机土壤，无需任何化学肥料；

6、本实用新型没有地域限制，即使在无法耕种或者较难耕种的山地、丘陵和高原区域，也可以实施建设，其所需的优质土壤可以从利用城市建设时的基土，避免了部分渣土随意倾倒产生的浪费。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型分层架体的截面图。

附图标记如下：

1为组合架，2为有机土壤，3为防水型层间隔板，4为太阳能电池，5为电源管理装置，6为储水及喷洒控制器，7为中央控制器，8为照明装置，9为湿度传感器，10为水雾喷洒装置，11为温度传感器，12为加热装置，13为光强度传感器，14为二氧化碳浓度传感器，15为通风管理装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型进行详细介绍。

如图1和图2所示的立体式多层农作物种植系统，包括组合架1、太阳能电池4、电源管理装置5、储水及喷洒控制器6和中央控制器7。其中，组合架1采用封闭式多层立体钢结构，太阳能电池4位于组合架1的外顶面，太阳能电池4的输出端与电源管理装置5输入端连接，电源管理装置5输出端分别与中央控制器7和储水及喷洒控制器6的输入端连接，中央控制器7的输出端与储水及喷洒控制器6连接。

组合架1上设置有若干层的分层架体，每一层的分层架体组成和布局均一样，每层分层架体之间设置有防水型层间隔板3，分层架体的高度为2000mm，符合大多数农作物生长空间需求。

每层分层架体包括有机土壤2、照明装置8、通风管理装置15、湿度传感器9、水雾喷洒装置10、温度传感器11、加热装置12、光强度传感器13和二氧化碳浓度传感器14。有机土壤2平铺于分层架体的最底部，一般有机土壤2厚度为500mmm，该系统选用有机土壤2，无需任何化学肥料。照明装置8安装于分层架体的顶部，通风管理装置15安装于每层分层架体的两端，湿度传感器9、水雾喷洒装置10、温度传感器11、加热装置12、光强度传感器13和二氧化碳浓度传感器14安装于分层架体的侧壁上靠下位置。

中央控制器7的输出端分别与照明装置8、通风管理装置15、湿度传感器9、温度传感器11、加热装置12、光强度传感器13和二氧化碳浓度传感器14连接，储水及喷洒控制器6与水雾喷洒装置10连接。

其中，储水及喷洒控制器6包括用于储存水的雨水收集装置、用于给所述雨水收集装置加注水的人工注水孔和用于提供动力的水泵。照明装置采用全光谱LED照明装置。照明装置8采用数量不等光线波长为410nm、450nm、495nm、520nm、590nm、605nm、620nm、660nm、680nm、710nm组成的LED阵列，根据所种农作物的不同，对LED阵列的各LED点亮配比进行调整，从而进行高效的光合作用。

为了减缓我国耕地面积收缩和减少的压力，本实用新型旨在开发一种非大棚立体式多层农作物种植系统，在有限的耕地面积上建造钢构形式的多层立体式封闭框架，在框架顶部利用高效太阳能光电池收集能量并转换成电能。通过中央控制器7根据每层所种植的农作物所需环境参数的设定采集分布于每层的温度传感器11数据对各层的加热装置12进行控制实现温度的调节，采集分布于每层的二氧化碳传感器14数据对各层的通风管理装置15进行控制实现二氧化碳浓度的调节，采集分布于每层的光强度传感器13数据对各层的全光谱LED照明装置进行控制实现模拟太阳光强度的调节，采集分布于每层的湿度传感器9数据对各层的水雾喷洒装置10进行控制实现土壤水分的调节。通过各种调控实现所种植农作物自然生长的理想环境，在一定程度上实现了有限耕地面积上的农作物产量的增加。

本实用新型的工作过程如下：

(1)有机土壤2平铺于每层分层架体的下部，保持有机土壤2厚度为500mm；

(2)位于组合架1外顶面的太阳能电池4采用9块200W多晶太阳能电池板并联组成阵列，每块多晶太阳能电池板覆盖有菲涅尔透镜，使得每一个电池板得到最大限度的光收集，而且无需随动装置跟随太阳东升西落，其输出电压为20.6V-24.6V，最大电流接近100A；

(3)太阳能电池4输出的电能输送给电源管理装置5进行电能管理，主要包括三部分：一部分用于中央控制器7中服务器与存储设备，以及储水及喷洒控制器6中的水泵需要的220V交流电，该部分电能通过电源管理装置5中的逆变电路完成；第二部分用于全光谱LED照明装置、湿度传感器9、温度传感器11、加热装置12、光强度传感器13、二氧化碳浓度传感器14需要直流供电电源，该部分电能由电源管理装置5中的DC/DC变换电路完成，所变换的电源直接输送给中央控制器7便于与各直流供电的装置连接；第三部分是多余的电能，经过电源管理装置5中的保护性充电管理电路对位于电源管理装置5中的大容量电池进行充电，该部分电能用于系统夜晚工作时的电能需求；

(4)根据规划，在每层的有机土壤2中进行播种或直接栽培已发芽育苗，每层栽培的农作物可以是同种植物，也可以是不同种类，但是需要将种植的植物种类在中央控制器7的服务器上进行设定，该服务器上存储有常规农作物的自然生长各阶段的理想环境作为参考；

(5)在农作物发芽育苗阶段，温度对种子发芽率的影响最大，在该阶段关闭每层两端的通风管理装置15，通过中央控制器7对湿度传感器9的数据采集控制储水及喷洒控制器6中的水泵通过水雾喷洒装置10对有机土壤2进行雾状均匀喷洒，使得湿度达到70％以上；中央控制器7通过采集温度传感器11的数据控制加热装置12，使得室内温度在30℃左右；

(6)待所种植农作物发芽后便进入有光生长阶段，由于植物光合作用需要的光线在400nm-720nm左右，因此全光谱LED照明装置由数量不等的光线波长为410nm、450nm、495nm、520nm、590nm、605nm、620nm、660nm、680nm、710nm组成的LED阵列，中央控制器7根据所种农作物的不同，对LED阵列的各LED点亮配比进行调整，例如叶类蔬菜(菠菜、油麦菜等)进行光合作用时在主要集中450nm附近，此时可适当加大蓝光的比例，适当减少620nm以上LED点亮的比例，大概比例为6:4；

(7)在光照生长时刻，农作物通过光合作用产生和积累有机物质，中央控制器7通过采集二氧化碳浓度传感器14的数据调节每层两端的通风管理装置15使得空间内的二氧化碳浓度在0.1％附近、中央控制器7通过采集温度传感器11控制加热装置12，使得室内温度在25℃附近、对湿度传感器9的数据采集控制储水及喷洒控制器6中的水泵通过水雾喷洒装置10对有机土壤2进行雾状均匀喷洒，使得湿度达到45％以上；不同农作物在不同生长阶段进行光合作用的峰值吸收波长不同、所需光强也不同，中央控制器7对全光谱LED照明装置进行各LED点亮比例的调节并调节恒流驱动电源输出电流大小以调节光强；每日光照环境持续时间约为12-14小时；

(8)在无光生长阶段，农作物主要进行呼吸作用，中央控制器7关闭全光谱LED照明装置、打开每层两端的通风管理装置使得空间内为无光环境且良好通风；每日无光照环境持续时间约为6-8小时；

(9)农作物生长过程重复(7)、(8)步骤，直至农作物生长成熟；

(10)每次种植完毕对有机土壤2的物质进行检测，若有缺失或减少，根据种植物的需求配比添加有机肥料，不施加任何化学肥料，便于下次种植。

Claims (9)

1.一种立体式多层农作物种植系统，其特征在于：包括组合架(1)、太阳能电池(4)、电源管理装置(5)、储水及喷洒控制器(6)和中央控制器(7)；

所述太阳能电池(4)位于所述组合架(1)的外顶面，所述太阳能电池(4)的输出端与所述电源管理装置(5)输入端连接，所述电源管理装置(5)输出端分别与所述中央控制器(7)和储水及喷洒控制器(6)的输入端连接，所述中央控制器(7)的输出端与所述储水及喷洒控制器(6)连接；

所述组合架(1)上设置有若干层的分层架体，所述分层架体之间设置有防水型层间隔板(3)；所述分层架体包括有机土壤(2)、照明装置(8)、通风管理装置(15)、湿度传感器(9)、水雾喷洒装置(10)、温度传感器(11)、加热装置(12)、光强度传感器(13)和二氧化碳浓度传感器(14)；所述有机土壤(2)平铺于所述分层架体的底部，所述照明装置(8)安装于所述分层架体的顶部，所述通风管理装置(15)安装于所述分层架体的两端，所述湿度传感器(9)、水雾喷洒装置(10)、温度传感器(11)、加热装置(12)、光强度传感器(13)和二氧化碳浓度传感器(14)安装于所述分层架体的侧壁上；

所述中央控制器(7)的输出端分别与所述照明装置(8)、通风管理装置(15)、湿度传感器(9)、温度传感器(11)、加热装置(12)、光强度传感器(13)和二氧化碳浓度传感器(14)连接；所述储水及喷洒控制器(6)与所述水雾喷洒装置(10)连接。

2.根据权利要求1所述的立体式多层农作物种植系统，其特征在于：所述太阳能电池(4)采用9块200W多晶太阳能电池板并联组成阵列。

3.根据权利要求2所述的立体式多层农作物种植系统，其特征在于：每块多晶太阳能电池板覆盖有菲涅尔透镜。

4.根据权利要求1所述的立体式多层农作物种植系统，其特征在于：所述储水及喷洒控制器(6)包括用于储存水的雨水收集装置、用于给所述雨水收集装置加注水的人工注水孔和用于提供动力的水泵。

5.根据权利要求4所述的立体式多层农作物种植系统，其特征在于：所述分层架体的高度为2000mm。

6.根据权利要求5所述的立体式多层农作物种植系统，其特征在于：所述有机土壤(2)的厚度为500mm。

7.根据权利要求4所述的立体式多层农作物种植系统，其特征在于：所述照明装置(8)采用全光谱LED照明装置。

8.根据权利要求7所述的立体式多层农作物种植系统，其特征在于：所述组合架(1)采用封闭式多层立体钢结构。

9.根据权利要求8所述的立体式多层农作物种植系统，其特征在于：所述组合架(1)上设置有3层的分层架体。

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