TWI613958B - 高成長、高密度封閉環境系統中的ｌｅｄ燈之配時 - Google Patents

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Abstract

本文揭示高成長、高密度封閉環境成長系統及其方法。在成長系統中加速植物細胞成長之方法可包含根據所鑒定之植物成長階段來調節照明。

Description

高成長、高密度封閉環境系統中的LED燈之配時 相關申請案的交叉參考
本申請案主張以下臨時申請案之權益，該等申請案中之每一者之全文皆以引用方式併入本文中：美國臨時申請案61/784,837，於2013年3月14日提出申請。
本文之揭示內容係關於高成長、高密度封閉環境水耕系統。
使蔬菜及其他農產品成長及向人口提供之成本日益增加。人口擴張佔據了愈來愈多的可用於習用耕作之土地。所存在之農場不斷遠離人口中心移動。運輸農產品之距離增加及運輸成本增加總體上導致農產品到達消費者之成本增加。農產品亦不如其之前新鮮，此乃因其運輸距離愈來愈長。
支持習用耕作之土地量正日益縮減。因此，業內需要提供可靠近人口中心亦及在已無法用於習用耕作之區域中實施之用於農產品成長之新系統。
本文揭示高成長、高密度成長系統及其方法。在實施例中，高成長、高密度成長系統係至少部分封閉之環境。在實施例中，高成長、高密度成長系統為封閉環境。在實施例中，成長系統係高成長、 高密度封閉環境水耕系統(HG HD CEHS)。在整個說明書中，高成長、高密度封閉環境水耕系統可用作實例性系統，但本文所闡述方法及系統中之任一者皆可與任何成長系統一起使用。
在成長系統中加速植物細胞成長之方法可包含以下各項之組合：根據成長曲線最佳化營養溶液，校準溶液之pH以最佳化整個成長曲線中之營養素吸收，控制整個成長週期及成熟時之溫度，根據成長階段調節照明，及控制二氧化碳之遞送。成長系統可為封閉環境水耕系統。
在態樣中，方法可包含確定燈配時以最佳化植物成長，其中確定係利用基於植物物種之變量之方程式來實施，其中該等變量為：秧苗應力時間(SS)、成長成熟高度、植物成熟期及植物成長時間。可自成長培養基之基底至秧苗植物頂部量測植入水耕系統中之秧苗之成長起始高度。可自成長培養基之基底至完全成熟植物之頂部量測成長成熟高度。
在態樣中，成長系統中用於植物生產之最佳二氧化碳富集之系統可包含懸於成長培養基托盤一側上之固定位置以形成分佈點之二氧化碳管。該系統自分佈點跨越水耕成長培養基均勻分散二氧化碳。將跨越水耕成長培養基釋放最大量之二氧化碳，從而允許達成在水耕系統內富集二氧化碳之全部潛力。該系統形成迫使呼出氧沉降且回收至水耕系統中之塔頂負壓。呼出氧可在貯水罐中重捕獲以改良營養素氧合。成長系統可為封閉環境水耕系統。
在態樣中，本文揭示其上儲存有可執行程式之非瞬時性電腦可讀儲存媒體，其中該程式指示處理器實施以下步驟：測定植物成長概況，及基於植物成長概況供應二氧化碳。
在態樣中，用於重捕獲吸出之氧之系統係經由將氧鼓泡至水耕營養罐中之充氣器件。
在態樣中，在成長環境中電充填營養素貯存器以刺激植物成長之系統可包含貯液器及電子操作之液體充填構件，該構件用於以使液體充填植物根以供刺激之方式電充填液體。液體充填構件包含過載保護器件。該系統可進一步包含兩個電源。該系統可進一步包含絕緣體以抵抗任何電死。該系統可進一步包含用於記錄該系統處於操作狀態之時間量之操作時間構件。成長環境可為封閉環境水耕系統。
在態樣中，加熱及冷卻水耕營養溶液之方法可基於具有與植物物種相關之變量之方程式，其中該等變量包含秧苗應力時間(SS)、成長成熟高度、植物成熟期及植物成長時間。成長起始高度可在將秧苗植入水耕系統中後自成長培養基之基底至秧苗植物頂部進行量測。成長成熟高度可自成長培養基之基底至完全成熟植物之頂部進行量測。
在態樣中，使植物成長之方法可包含將植物置於容器中且提供使秧苗成長及成熟植物成長之條件，且然後自容器移除成熟植物。用於植物成長之裝置可包含儲物架中之一系列堆疊擱板，其各自能夠接收含有種子或植物之容器，各自分成多個連續區域，其中可將植物暴露於該區域中之具體成長階段所需之環境條件下。用於接收植物之容器可包含具有排洩孔之溢出托盤，排洩孔配備有包含返回貯存器之管之排洩控制構件。可將一系列儲物架自左至右連接在一起，且可將另一系列儲物架自左至右連接。可將擱板上下縱向安裝，以在約等於植物成熟高度之距離處量測較低儲物架之頂部空間。上下縱向安裝複數個系列之擱板，每一系列擱板皆提供有照明構件、水及/或營養素進給構件及排洩構件。用於每一系列傾斜儲物架之進給構件可沿儲物架之長度分成多個區域，以使得可將不同的進給溶液分配至每一區域。每一區域可具有可個別地收集所排洩之進給溶液或使其皆返回普通集水孔以供棄置或再循環之相關排洩系統。
在態樣中，低電壓成長系統可包含連接至將高電壓交流功率轉 換成低電壓直流功率之降壓變壓器之照明及機械系統。整個高密度水耕環境可由直流電壓系統來供電。直流功率可供應任一機械系統。成長系統可為封閉環境水耕系統。
在態樣中，使植物成長之方法可包含無論使用何種成長培養基，跨越水耕溶液培養基向植物根均勻供應營養溶液。可排洩正常營養溶液，且可將量測量之更高濃度之營養溶液引入營養素供應中。在實施例中，營養溶液僅穿過根系一次，且排洩收集區域中之溶液。隨後將輸送至收集區域之營養溶液進給至該植物。營養溶液之供應為靜態的。在態樣中，藉由該方法以水耕方式培養植物之裝置可包含具有多個流動孔之管以在較高密度根系上分佈營養溶液。該裝置可進一步包含根據植物物種及根成長水準來調節流動孔之設施。植物在水耕溢出托盤之中心接收與系統邊緣處相同量之營養溶液。收集構件可包含漂浮在營養溶液之該供應中之導管。營養溶液之供應為靜態的。該方法可用於封閉環境水耕系統中。
在態樣中，方法可包含藉助基於植物物種之變量之方程式確定營養溶液之pH。該等變量為：秧苗應力時間(SS)、成長成熟高度、植物成熟期及植物成長時間以及平均植物pH偏好。成長起始高度可在將秧苗植入水耕系統中時且自成長培養基之基底至秧苗植物頂部進行量測。可將成長成熟高度量測為植物物種完全成熟時之高度。
在態樣中，系統可包含封閉水耕環境中之除濕器，該類封閉水耕環境具有含有蒸發器及冷凝器且經配置以藉由交替水提取期與除霜期來操作之蒸氣壓縮迴路，該除濕器包含經配置以監測蒸發器之操作溫度之溫度感測器及用於控制水提取及除霜期之持續時間之控制設施。該控制設施可經配置以讀取水提取期期間來自該感測器之參考溫度，並在蒸發器溫度達到低於參考溫度之所計算溫度時起始除霜期。該控制設施可經配置以在預定間隔下自該感測器獲取溫度讀數且計算 蒸發器溫度下降之速率，以在所計算之溫度下降速率超過預定數值時起始除霜期。提取之水可再循環至水耕容器中之貯水器中。
在態樣中，方法可包含控制高密度水耕環境中之某些環境因子以顯著減緩植物細胞複製過程，由此延長給定植物物種之成長週期。控制空氣、照明及營養系統以調節給定植物物種之成長週期。
在態樣中，方法可包含基於經定位以提供充分混合之某些混合幫浦及充氣器之放置均勻混合貯存器系統中之水耕營養溶液。即使一混合幫浦失效，該等混合幫浦仍可藉由混合溶液產生失效仍安全的設計。
在態樣中，揭示其中將個別水耕置物架配置在封閉容器環境中且每一儲物架皆具有其自身營養溶液及托盤總成之系統。控制用於獨立水耕儲物架系統之照明及營養系統以使得照明或營養溶液不可能跨越儲物架混雜。
在態樣中，成長系統中之照明單元系統可包含至少一個LED光源，其中每一光源包含支持結構、複數個沿諸如擱置單元等該支持物之長度之發光元件及懸掛支持物之擱置單元。燈系統經設計以提供每平方英尺水耕覆蓋面積至少15瓦特之最大瓦特數。至少一些發光元件發射第一色光且至少一些發光元件發射第二色光。至少一個光源可包含與另一照明光條機械或電連接中之至少一者。照明單元經組態以選擇性提供間接光分佈或直接光分佈中之至少一者。照明單元可進一步包含經組態以改變照明單元之光輸出之控制器。支持結構可為與儲物架擱置單元類似之剛性、伸長結構。成長系統可為封閉環境水耕系統。
在態樣中，用於促進秧苗快速成長之成長系統可包含實質上封閉之容器、封閉容器內之營養溶液、位於營養溶液內之秧苗、成長燈、至少一個適用於觀察秧苗成長之感測器及耦聯至成長燈之控制 器。控制器及至少一個感測器可適用於讀取來自感測器之資訊以確定是否已出現成長；計算秧苗應力持續時間，其中秧苗應力持續時間開始於將第一秧苗定位於成長系統中且終止於觀察到第一秧苗成長時；將秧苗應力持續時間分成複數個亞期；基於第二秧苗已達到之該亞期，基於逝去時間確定位於成長系統中之第二秧苗之亞期因數；計算開/關燈週期之總數及每一開/關週期之持續時間，其中一個週期為打開及關閉燈；及在成長系統中控制成長燈以執行該總數之所計算開/關燈週期，每一週期持續開燈時間及關燈時間之所計算持續時間。亞期因數可藉由用秧苗應力持續時間乘以分數來確定。開/關燈週期之數目係藉由用亞期中燈週期之總配時除以亞期因數之兩倍來確定。每一開/關週期中開燈持續時間及關燈持續時間係藉由用亞期因數乘以60分鐘來計算。可存在三個亞期且第一亞期之分數為1/600。可存在三個亞期且第二亞期之分數為1/300。可存在三個亞期且第三亞期之分數為1/200。成長燈可為紅色LED燈及藍色LED燈中之至少一者。成長燈可具有根據預定植物物種選擇之波長。可藉由第一秧苗之視覺分析來觀察成長。用於監測植物成長之感測器可係視頻觀察、雷射感測器及定位/近接感測器中之一或多者。可藉由量測第一秧苗之重量來確定第一秧苗之成長。用於監測植物成長之感測器可為O2感測器。可藉由量測營養溶液中營養素之消耗來確定第一秧苗之成長。成長系統可為水耕成長系統。
在態樣中，用於在成長系統中加速位於營養溶液中之秧苗成長的方法可包含以下步驟：觀察秧苗以監測秧苗在複數個植物成熟期進程期間之成長，其中第二植物成熟期開始於初次觀察到秧苗成長時且終止於相對於秧苗之其他葉或芽發育出全葉或全芽時，第三植物成熟期開始於第二植物成熟期結束時且終止於在植物中出現如取決於植物物種之完全植物成熟時，且第四植物成熟期開始於達到完全成熟時且 終止於準備好收穫植物時。該方法可進一步包含藉由用第一分數乘以給定植物物種之以小時表示之推薦照明週期來計算在第二植物成熟期之第一部分期間LED成長燈保持開之小時數，藉由自24小時減去第一分數與推薦照明週期之乘積來計算在第二植物成熟期之第一部分期間LED成長燈保持關之小時數，藉由用第二分數乘以以小時表示之推薦照明週期來計算在第二植物成熟期之第二部分期間LED成長燈保持開之小時數，藉由自24小時減去第二分數與推薦照明週期之乘積來計算在第二植物成熟期之第二部分期間LED成長燈保持關之小時數，及在成長系統中藉由根據開/關燈週期控制成長燈來執行所計算持續時間之開/關燈週期，以加速秧苗成長。第一分數可為1/3且第二分數可為2/3。該方法可進一步包含在第三植物成熟期期間對推薦照明週期使用LED成長燈每天保持開之小時數，及藉由自24小時減去推薦照明週期來計算在第三植物成熟期期間LED成長燈保持關的小時數。該方法可進一步包含藉由用1/2乘以推薦照明週期來計算在第四植物成熟期期間LED成長燈每天保持開之小時數，及藉由自24小時減去1/2與推薦照明週期之乘積來計算在第四植物成熟期期間LED成長燈保持關的小時數。成長燈波長、溫度及營養素濃度中之至少一者可在植物成熟期期間變化。該方法可進一步包含在植物達到第四植物成熟期時撤掉營養溶液之步驟。該方法可進一步包含在植物達到收穫階段時終止所有燈週期之步驟。該方法可進一步包含在植物達到第四植物成熟期時降低成長系統中之溫度之步驟。成長燈可為紅色LED燈及藍色LED燈中之至少一者。成長燈可具有根據特定植物物種選擇之波長。可藉由秧苗之視覺分析來觀察成長。可藉由視頻觀察、雷射感測器及定位/近接感測器中之一或多者來測定秧苗之成長。可藉由量測秧苗之重量來確定秧苗之成長。可藉由用O2感測器量測該系統中之O2輸出來測定秧苗之成長。可藉由量測營養溶液之濃度以確定秧苗之消耗來確定秧 苗之成長。
在態樣中，用於促進秧苗快速成長之成長系統可包含實質上封閉之容器、封閉容器內之營養溶液、位於營養溶液內之秧苗、成長燈及耦聯至成長燈之控制器，該控制器適用於接收秧苗成長資訊；計算秧苗應力持續時間，其中秧苗應力持續時間開始於將第一秧苗定位於成長系統中且終止於觀察到第一秧苗成長時；將秧苗應力持續時間分成複數個亞期；基於第二秧苗已達到之該亞期，基於逝去時間確定位於成長系統中之第二秧苗之亞期因數；計算開/關燈週期之總數及每一開/關週期之持續時間，其中一個週期為打開及關閉燈；及在成長系統中控制成長燈以執行該總數之所計算開/關燈週期，每一週期持續開燈時間及關燈時間之所計算持續時間。成長系統可為封閉環境水耕系統。
根據較佳實施例及圖式之以下詳細描述，彼等熟習此項技術者將明瞭本發明之該等及其他系統、方法、目標、特徵及優點。
本文所提及之所有文件之全文皆以引用方式併入本文中。除非另有明確說明或根據上下文可明瞭，否則對單數條目之提及應理解為包含複數條目且反之亦然。除非另有說明或根據上下文可明瞭，否則文法連詞意欲表示所合取分句、句子、詞語及諸如此類之任何及所有分離及合取組合。
34‧‧‧水耕成長系統
35‧‧‧水耕漂浮培養基
36‧‧‧向量
37‧‧‧環狀風運動
38‧‧‧朝向地板向下
39‧‧‧氧
40‧‧‧營養液貯存器
41‧‧‧直流伏特變壓器
42‧‧‧正極側
43‧‧‧負極側
44‧‧‧水耕成長培養基
45‧‧‧頻率計
46‧‧‧配時器
54‧‧‧HVAC系統
55‧‧‧儲物架
56‧‧‧密封門系統
57‧‧‧收穫成長室
59‧‧‧漂浮托盤
61‧‧‧附接管系設計模組/進入點/溶液
62‧‧‧直流低電壓功率
63‧‧‧返回管系/營養素貯存器
64‧‧‧支撐系統
65‧‧‧頂部儲物架結構樑系統
66‧‧‧容器
67‧‧‧L型托架
68‧‧‧底板
69‧‧‧地板
71‧‧‧直流反相器箱
72‧‧‧12伏特直流線路
73‧‧‧根
74‧‧‧植物
75‧‧‧分散管
76‧‧‧孔
78‧‧‧分散條總長度之一半
79‧‧‧分散條總長度
80‧‧‧孔
88‧‧‧軟管總成
89‧‧‧空氣感測器
90‧‧‧營養素感測器
91‧‧‧機械感測器
92‧‧‧光感測器
93‧‧‧限制感測器
94‧‧‧病原體感測器
95‧‧‧PLC
96‧‧‧使用者界面
97‧‧‧空氣控制器
98‧‧‧營養素控制器
99‧‧‧機械控制器
100‧‧‧照明控制器
101‧‧‧限制控制器
102‧‧‧病原體控制器
125‧‧‧進給幫浦
126‧‧‧充氣器
127‧‧‧混合幫浦
128‧‧‧引導
129‧‧‧貯存罐
130‧‧‧營養素排洩管
131‧‧‧供應管線
133‧‧‧儲物架
134‧‧‧儲物架
135‧‧‧儲物架
136‧‧‧儲物架
137‧‧‧儲物架
138‧‧‧水耕管道
139‧‧‧進給幫浦
140‧‧‧軟管
141‧‧‧溢出托盤
142‧‧‧混合幫浦
143‧‧‧貯存罐
144‧‧‧儲物架
145‧‧‧LED燈
146‧‧‧光發射
147‧‧‧溢出托盤
1500‧‧‧燈
可參考以下各圖來理解本發明及其某些實施例之以下詳細描述：圖1A闡述包含不同植物發育期之一般植物成長曲線。
圖1B繪示秧苗應力之圖。
圖2闡述用於計算特定植物物種之配時成長曲線之變量。
圖3闡述用於植物成長週期之A期之公式。
圖4闡述用於植物成長週期之B期之公式。
圖5闡述用於植物成長週期之C及D期之公式。
圖6係系統之側視圖。
圖7係系統之透視俯視圖。
圖8係包含重捕獲氧之本發明系統之側視圖。
圖9係水耕環境中之電培養系統之側視圖。將電線插入水耕溶液之每一端，且然後經由溶液傳導電流以在水中產生電荷。
圖10闡述植物之最佳溫度範圍，該植物具有給定植物物種之推薦水耕營養素溫度範圍「R」。
圖11係具有將儲物架連接在一起之結構性支撐板之儲物架裝置之俯視圖。
圖12係闡述圖11裝置之營養素供應及排洩系統之個別儲物架之圖形指示。
圖13係來自詳述支撐系統之立面圖之儲物架系統的平面圖。
圖14係儲物架腳座設計及其至地板或水耕系統之安裝之描述性視圖。
圖15繪示水耕系統之使用低電壓直流系統之照明及幫浦元件之側視圖。
圖16繪示12伏特直流系統之佈線設計及反相器箱之放置之俯視圖。
圖17繪示水耕成長系統之佈線設計之側視圖。
圖18繪示溢出托盤及自進入溢出托盤中之點至其排洩管之營養素流的俯視圖及側視圖。
圖19繪示插入溢出托盤中以在成熟根環境中產生均勻分佈之裝置。
圖20闡述不同植物成長期及基於成長階段之最佳pH值。
圖21繪示除濕系統。
圖22繪示控制水耕單元之PLC。
圖23闡述測定按時間順序控制之變量之系統流程。
圖24圖解說明對應於期望植物細胞成長減少之控制之變量的表。
圖25圖解說明在水耕環境中用於控制植物細胞複製之環境變量。
圖26繪示用於混合營養素之系統。
圖27係由多個水耕置物架組成之水耕容器之側視圖。
圖28繪示具有LED燈之單一儲物架。
圖29概述每平方英尺所需之瓦特數及LED燈之放置。
在態樣中，闡述用於使植物連續成長之高成長、高密度封閉環境水耕系統。該系統之特徵在於極快速成長及無殺蟲劑、具有低碳足跡之高現場產量。該系統使得能夠在更換機械設備之間自同一秧苗多次收穫。該系統使得能夠生產從未經觸摸或噴霧且展現長儲藏壽命之農產品。在實施例中，本文所揭示之多種方法及系統可個別地用於成長系統中。在實施例中，一或多種方法及系統可與另一者組合用於成長系統中。此外，本文所揭示之多種方法及系統可用於任何成長系統中，包含水耕系統、水產養殖系統、氣耕系統、無土系統、陸地系統及諸如此類。
在態樣中，提供用於調節高密度成長系統之LED照明系統之配時的方法。成長系統可為封閉環境水耕系統。照明系統之配時係根據方程式基於水耕環境內部之秧苗成長以及LED成長照明之功率及距離來計算。LED燈之開及關配時與標準植物成長曲線上植物之相對進展直接相關。由方程式表示之燈之配時可藉由植物成長曲線上之多個變量 來確定，以最佳化使植物自第一階段成長至第二階段之總時間。
LED燈配時係植物在水耕環境中成長之重要態樣。可包含紅光及藍光光譜中之光之LED照明可在植物光合反應中起作用。成長照明提供驅動葉綠體中之光合反應之能量，因此暴露於此能量源下之植物之配時至關重要以協調光合反應與植物細胞之建造及複製。最佳化植物中之光合反應至關重要。若提供過少能量(即過少光)，則可能無法進行足夠光合反應來提供細胞複製所需之糖。若提供過多能量(即過多光)，則未用於光合作用之能量以熱形式轉移至植物細胞中，此可損傷或破壞細胞。因此，無論植物物種如何，皆可使用方程式來確定植物之最佳成長週期。本發明提供在成長系統中藉由使用配時照明演算法來最佳化農作物生產之方法。
本文可闡述多個植物成熟期及其他變量。植物成熟期-A係自將植物定位於水耕系統中直至該植物發生首次成長之時間來確定。植物成熟期-B係自植物開始成長直至可發生葉或芽之新成長之時間來確定。植物成熟期-C係自新葉或芽之時間直至植物之如取決於植物物種之植物成熟之時間來確定。植物成熟期-D係在準備好收穫植物時確定。
除非另有說明，否則「SS」係指以總小時數量測之自將植物秧苗植入水耕成長系統34中之時間直至注意到秧苗自身成長之時間的秧苗總應力時間。成長可藉由視覺分析來觀察，但亦可藉由視頻觀察、雷射感測器或定位/近接感測器來觀察。可藉由檢查以下各項來進行自動大小/成長階段量測：植物之高度(例如藉助視頻或雷射或諸如此類)、重量、O2感測器以量測空氣中之O2輸出、營養溶液之PPM濃度以確定消耗(例如隨著植物消耗更多水，元素濃度變得更大)及諸如此類。
除非另有說明，否則「Ai」係指在植物成長環境中開燈及關燈時 使用之比率因數，在本文中亦稱為亞期因數。除非另有說明，否則「ATi」係指使成長燈保持開之總分鐘數及使成長燈保持關之相同分鐘數。除非另有說明，否則「Ts」係指以小時量測之給定Ai期之總時間。除非另有說明，否則「Cs」係指給定Ai期之照明週期總數(即，相等時間段ATi之完整開及關操作)。除非另有說明，否則「R」係指以小時量測之給定植物物種之每天推薦照明時間。
參考圖1A及圖3，將植物成長曲線分成四個不同成長期：A期、B期、C期及D期，此先前已在本文中有所闡述。A期係秧苗應力期，其中將秧苗浸入成長培養基中且在根具有吸收營養素之能力前開始死亡。圖1B中之數據圖解說明可將A期進一步描繪成三個不同的秧苗應力成長亞期。該三個秧苗應力成長亞期之配時可相等。在一實施例中，秧苗應力期持續時間可為72小時。
圖3描繪三個標記為A1期、A2期及A3期之亞期。
對於A1期，如圖3中所繪示之方程式20，藉由用秧苗應力時間乘以1/600來確定秧苗之比率因數。為確定此亞期中之開/關週期總數，如圖3中所繪示之方程式21，用A1期中燈週期之總配時除以開/關燈比率因數之兩倍。如圖2中所繪示之方程式14所顯示，藉由獲取秧苗之比率因數且用其乘以60來計算該等開/關週期之配時間隔，以確定開/關週期之總分鐘數。
對於A2期，如圖3中所繪示之方程式22，藉由用秧苗應力時間乘以1/300來確定秧苗之比率因數。為確定此亞期中之開/關週期總數，如圖3中所繪示之方程式23，用A2期中燈週期之總配時除以開/關燈比率因數之兩倍。如圖2中所繪示之方程式14所顯示，藉由獲取秧苗之比率因數且用其乘以60來計算該等開/關週期之配時間隔，以確定開/關週期之總分鐘數。
對於A3期，如圖3中所繪示之方程式24，藉由用秧苗應力時間乘 以1/200來確定秧苗之比率因數。為確定此亞期中之開/關週期總數，如圖3中所繪示之方程式25所顯示，用A3期中燈週期之總配時除以開/關燈比率因數之兩倍。如圖2中所繪示之方程式14所顯示，藉由獲取秧苗之比率因數且用其乘以60來計算該等開/關週期之配時間隔，以確定開/關週期之總分鐘數。
一旦新葉或芽在植物上成長，植物即進入成長週期之B期。此期係自新成長開始直至相對於秧苗之其他葉或芽發育出全葉或全芽來定義。
圖4圖解說明B期之兩個亞期，標記為B1及B2。在實施例中，B1期及B2期之持續時間可相等。
對於B1期，如圖4中所繪示之方程式26所顯示，藉由用1/3乘以以小時指定之給定植物物種之推薦照明週期來確定打開照明之小時量。如圖4中所繪示之方程式27所顯示，藉由自24小時減去1/3與推薦照明週期之乘積來計算關閉時間。在實施例中，推薦照明週期可為18小時。
對於B2期，如圖4中所繪示之方程式28所顯示，藉由用2/3乘以以小時指定之給定植物物種之推薦照明週期來確定打開照明之小時量。如圖4中所繪示之方程式29所顯示，藉由自24小時減去2/3與推薦照明週期之乘積來計算關閉時間。
現參考圖5，將C期視為相對於先前確定之植物成熟度成長出全葉或全芽。為計算燈之配時，如方程式30所顯示，確定燈在打開位置中持續該給定植物物種之推薦時段。如方程式31所顯示，藉由自24減去給定日之推薦燈週期來確定此週期中之關燈時間，以確定關閉小時數。
對於D期，亦顯示於圖5中，當植物達到其最終成熟狀態時，如方程式32所顯示，藉由用½乘以推薦照明週期來確定開燈時間。藉由 自24小時減去½與推薦照明週期之乘積來確定使燈保持關之時間。
在實踐中，根據公式驅動之燈週期暴露秧苗可最小化在成長之早期敏感階段於光能下之過度暴露。一個結果可係諸如以下等照明概況：秧苗初始接收1小時光暴露，然後靜置15分鐘，隨後開2hr且關½hr，直至秧苗準備用於完全燈週期，例如18hr燈週期或12hr開/3hr關。
在實施例中，成長系統中之照明系統可根據本文所呈現之公式使用照明演算法來程式化。因此，可將電腦程式化以根據所計算燈週期基於鑒定之植物成長階段來調節燈之配時及持續時間。此外，紅光及藍光可見光譜中之光促進光合作用，因此可將電腦程式化以利用紅光及藍光照明之混合物，例如75/25紅光對藍光、85/15紅光對藍光及諸如此類。紅光/藍光混合物可根據特定植物物種來程式化。亦可將演算法程式化以使LED燈或OLED燈僅發射某一波長之光。可將演算法進一步程式化以根據某些植物物種來選擇特定波長。例如，羅勒(basil)對藍光及430-660nm之波長具有光合作用偏好。在實施例中，植物特異性LED成長燈可發射某一波長或色彩之光。選擇植物特異性波長/色彩可使成長最佳化，但亦可使水耕單元之功率消耗能夠最小化。
為防止損傷成熟植物及產生苦味，可在植物達到成熟/收穫階段時撤掉光能，且亦應使於營養溶液下之暴露最小化。同時，亦可降低溫度。在收穫前階段中減少照明及加熱可減緩細胞複製且可避免過高營養素密度。
在實施例中，可基於植物之成熟度改變以下中之一或多者：光強度、所應用之光譜、溫度、營養、CO2分壓/氣氛混合物及濕度。在一實施例中，基於根溫度來調節所提供之營養。在其他實施例中，基於所提供之營養來調節根溫度。在實施例中，可基於植物之成熟度來 改變CO2壓力。可設想變量之間相互作用之其他類似排列。
本發明亦提供用於最佳二氧化碳富集及使用植物所產生之氧來生產植物之方法及系統。該系統涉及將二氧化碳管懸浮於植物培養基托盤一側上之固定位置中。亦可將二氧化碳管固定於壁、擱置單元、漂浮托盤或盆，以使得二氧化碳能夠鼓泡通過植物且允許二氧化碳相對於植物均勻分散。用於二氧化碳富集之系統及方法可用於任何成長系統中，例如封閉環境水耕系統。
當二氧化碳含量介於1000PPM與1500PPM之間時，植物消耗更多光能、基礎營養素、水及氧，以產生光合作用活性之最大速率。此光合作用活性之最大速率產生園藝工所努力追求之驚人植物產量。達成此目標之主要障礙在於空氣中二氧化碳之平均含量僅為300PPM之事實。植物係由80%-90%之碳及水構成，而植物中之大部分碳來自空氣中二氧化碳之最小300PPM含量。儘管室內園藝工業在照明、營養、害蟲控制、選殖及水耕方面已經歷了驚人的進步，但使室內園藝之潛能最大化之限制性要素係成長室氣候中有效二氧化碳之量(及缺少)。
二氧化碳係植物成長所需之三種主要組份之一，但空氣中二氧化碳之濃度僅為0.03%。與之相比，正常空氣中含78%氮、21%氧及0.97%微量氣體。
在空氣中300PPM之該低含量下，植物可在幾小時內容易地消耗水耕環境中之所有二氧化碳。植物僅能夠產生至多有限量之有效二氧化碳，且一旦二氧化碳含量為200PPM或更低，光合作用活性即將減弱且最終可完全停止。
當停止水耕環境中之二氧化碳供應時，光合作用亦停止。光合作用過程混合二氧化碳與水產生糖及游離氧。光合作用僅在光存在時進行且因此在植物生產之黑暗(關燈)時段期間不起作用，且甚至不利 於植物富集二氧化碳。
研究已顯示，增加二氧化碳將增加植物大小、產量、活力並加速成長。利用增加的二氧化碳含量成長之植物亦往往不會出現常見昆蟲及疾病問題。藉由在開燈時段期間將二氧化碳含量增加至1000-1600PPM，研究已顯示二氧化碳富集可使產量增加25%-50%。然而，大於1600PPM之二氧化碳濃度可導致為光合作用關鍵組份之植物氣孔(植物葉中之微小開口)部分或完全閉合。因此，小心地控制環境二氧化碳含量在維持最佳成長環境方面至關重要。
二氧化碳重於空氣。在77華氏度(degrees Fahrenheit)下，二氧化碳每3立方英尺重66盎司，而在同一溫度下空氣每3立方英尺重42盎司。除比空氣重外，二氧化碳自其分佈點向下緩慢移動且經由擴散過程僅行進較短距離。
當實施二氧化碳富集方法時，小心地規劃及定位設備可確保將所分散二氧化碳引導至植物區域，由此其可以最大容量被植物吸收。植物將在數分鐘內消耗其葉周圍之所有有效二氧化碳。因此，業內需要以受控方式自最佳分佈點分散二氧化碳之方法及系統，以確保氣氛中之二氧化碳含量最佳且與照明概況一致。
儘管存在二氧化碳富集之不同形式(例如乾冰、有機物質之發酵及分解)，但二氧化碳富集之兩種最常用形式為燃燒發生器及壓縮二氧化碳罐。
二氧化碳發生器係燃燒燃料產生二氧化碳之工業單元。由於該等單元放出大量餘熱，故通常建議將其用於大於1000立方英尺之室內園藝或溫室操作。為避免伴隨二氧化碳發生器之升溫問題，許多閉合迴路水耕環境使用壓縮二氧化碳罐及調整器作為其二氧化碳富集之形式。
壓縮二氧化碳在介於1600磅/平方英吋(PSI)至2200PSI壓力範圍 內之高壓下進入金屬容器中。此富集形式稱為「配時釋放」系統，其以一定的配時釋放速率自罐釋放一定量之壓縮二氧化碳。「配時釋放」系統需要壓縮二氧化碳罐(20lb.、50lb.或諸如此類)、罐調整器及配時器。調整器控制排放至室內園藝氣氛中之二氧化碳之量，而配時器精確地控制二氧化碳釋放之時間及持續時間。
將管(例如乙烯管)附接至罐調整器且定位於二氧化碳分佈管中用於分散二氧化碳。此管稱為「鑽孔」二氧化碳管，其中二氧化碳通過管中之小孔氣化且均勻分散於整個水耕系統中。
由於植物在吸收二氧化碳的同時釋放氧，故此產生降低二氧化碳濃度之稀釋效應。因此，以其中在吸收二氧化碳的同時自植物去除所呼出氧之方式配置二氧化碳管分佈點之方法及系統將係改良。自該系統移除呼出氧至關重要，此乃因其可遷移回植物中且稀釋二氧化碳濃度。因此，業內亦需要不僅移除植物附近之氧，且亦將其捕獲例如以供利用。
因此，業內需要如下方法及系統：無論水耕系統之設計及佈局如何，直接自成長區域側之分佈點均勻分散二氧化碳，並捕獲氧以使得可在水耕系統之營養罐內部利用該氧。
圖6顯示系統之側視圖，其中自二氧化碳管分佈二氧化碳且將其吹過植物，如向量36所顯示。依照向量36之二氧化碳分佈藉由在秧苗及植物上方產生環狀風運動37而在植物上方產生負壓區。此迫使自植物呼出之氧在水耕漂浮培養基35及/或漂浮托盤上方朝向地板向下38滾動。
圖7繪示跨越植物分佈二氧化碳之系統之俯視圖。用經由慣性置換移除之氧交換二氧化碳。
本發明系統及方法之一個特徵在於，藉由使二氧化碳鼓泡通過水耕成長培養基可極大地減少或消除氧對二氧化碳之稀釋的事實。然 後可將此氧回收且吹回水耕營養罐中以對營養溶液充氧。圖8繪示用於分佈二氧化碳系統以及回收氧39並使用所回收氧對水耕營養溶液充氣之系統之完全側視圖。可使用營養罐中之起泡器來引入呼出氧。
為維持系統中之最佳二氧化碳含量，水耕單元可包含與二氧化碳感測器連通之二氧化碳系統控制器。當感測器檢測到二氧化碳含量已降至臨限值以下時，可釋放額外二氧化碳。當感測器檢測到二氧化碳含量已超過臨限值時，可停止二氧化碳分散。此外，可排出過量二氧化碳。某些植物物種需要特定含量之二氧化碳來達成最佳成長，例如某些萵苣及羅勒。可使用二氧化碳飽和演算法將處理器程式化以根據在水耕單元中成長之物種、所成長植物之成長階段、其組合及諸如此類來控制二氧化碳含量。
在實施例中，可將用於二氧化碳分散之系統佈置在儲物架上，以使水耕單元中之個別儲物架各自可具有在儲物架上方產生局部負壓且重捕獲儲物架底部之呼出氧之局部二氧化碳流向量。
隨著植物吸收二氧化碳，捕獲所得氧且藉由風扇施加負壓以將氧推向地板。一旦將氧推至地板區域中，器件即拾起氧且將其鼓泡至水耕貯存罐中，由此對水充氧。可將氧回收並吸回至水耕營養罐中。圖8係用於分佈二氧化碳系統以及重捕獲氧且將氧引導至水耕營養溶液中之氧回收系統39之系統的完全側視圖。
在實施例中，水耕系統處於密封容器中，且在該環境中利用高壓CO2(高壓力)。在實施例中，為幫助CO2吸收，在葉上噴霧經CO2飽和之水溶液可能有益。在實施例中，在水耕系統中可減小氮分壓且增加CO2分壓。
本發明亦係關於藉由利用低電壓電培養最佳化水耕環境中之植物細胞成長之方法及系統。此係藉由將正電及負電連接供應至水耕溶液之水培養基中激發植物根結構來進行。水耕水溶液中所提供之能量 值端視植物物種及植物成長週期之時間線而變化。
電培養代表檢查電對植物之效應之研究領域。由於電荷用於調控細胞及組織中之代謝過程，故將電引導至植物結構中或植物結構上可進一步刺激該等相同過程。此時，植物可能變得更加抵抗冷溫、疾病及其他病原體。
地球具有約8Hz之自然頻率。已發現，藉由使小電流以某一頻率(例如地球之自然頻率)通過植物及植物根系，可顯著增加植物成長及產量。
圖9闡述以下系統：使用直流伏特變壓器41通過水耕成長培養基44傳導電流，從而以介於15Hz至150Hz範圍內之頻率週期向營養溶液通電，此端視植物物種及屬而定。
可將頻率計45置於變壓器41之正極側42及負極側43上來量測電流之流出及流入，以確保對具體植物物種使用正確的頻率週期。
電流之配時可對應於水耕系統中植物之照明概況及成長概況中之一或多者，以提供不同量及配時之根刺激。可將配時器46附接至變壓器41來調整根刺激之配時。例如，可使電流僅在用於植物之照明為開時通過液體營養溶液。演算法可與根刺激概況結合用於施加電流。
本文提供用於調節高密度閉合迴路水耕植物成長系統之營養溶液之溫度的方法。加熱及冷卻營養溶液之配時係根據方程式基於在水耕環境內部成長之秧苗以及成長照明之功率及距離來計算。
植物以水耕方式之成長涉及例如藉由將溶液噴霧至根上或藉由保持其浸入液體溶液中將水溶液供應至植物之根。該溶液原則上係添加有肥料及其他營養素之水。植物之最佳成長或甚至存活可能需要向根提供富含空氣之溶液且保持在指定溫度範圍內。通常，此為低於根上方之植物部分所需要之溫度範圍。此平衡了自然界中之以下情形：當植物成長時，植物之根處於較冷泥土中，而植物之上半部分處於通 常比泥土溫度高之空氣中。
水耕營養溶液不僅僅係肥料鹽與水之混合物，亦存在多種通常發現於水耕系統中之有機體及化合物，例如對根系之健康及強度至關重要且為營養素攝取所必需之溶解氧。
大多數栽培者熟悉，無論其係處於再循環抑或基於培養基之系統中，在其營養溶液中需要具有一定形式之充氣。在營養素膜技術(NFT)系統中，此通常係利用空氣幫浦或藉由允許營養素落入貯存器中、由此引入氧來完成。然而，亦需要將溶液溫度對溶解氧含量及根呼吸速率之效應考慮在內。隨著營養溶液之溫度增加，該溶液維持溶解氧之能力降低。例如，在10℃(50℉)下完全充氣溶液之氧含量為約13ppm，但隨著溶液升溫至20℃(68℉)，液體維持氧之能力下降且氧含量降至9-10ppm。在溶液達到30℃(86℉)時，氧含量僅為7ppm。
儘管溶解氧之量似乎並非顯著降低，但隨著根系溫度升高，根組織之呼吸速率亦增加且植物需要更多氧。例如，在30℃(86℉)以下，溫度每升高10℃，根之呼吸速率將加倍。因此可出現以下情形：其中對於成熟農作物及大根系，倘若溶液溫度在白天自20℃增加至30℃(68℉-86℉)，則對氧之需求加倍，同時溶液之載氧能力將下降25%以上。此意味著溶液中之溶解氧將顯著更快地耗盡，且植物可遭受一段時間的缺氧。
水耕成長操作可包含冷卻系統以在將水溶液進給至植物根之前將其冷卻。此冷卻系統可與用於儲存溶液之貯存器隔開。此外，可例如使用單獨充氣器對溶液充氣以最佳化植物成長。冷卻系統可為置於營養溶液貯存器中或毗鄰其放置或遍佈營養素分佈系統放置之冷凝器。另一選擇為，可調低水耕單元中之環境溫度。在任一事件中，溫度感測器可經佈置遍及水耕單元，例如佈置在儲物架上、在營養溶液 貯存器中、在水耕床中、在地板上、在頂板上及諸如此類，以將水耕單元、溶液及諸如此類之溫度報告回處理器。
圖10闡述具有給定植物物種之推薦水耕營養素溫度範圍「R」53之植物之最佳溫度範圍。
方程式47、48、49、50、51及52闡述基於推薦水耕營養素溫度「R」對每一植物成長期合意之不同營養溶液溫度。
在植物成長生命週期之A期中，期望較冷營養溶液溫度，同時植物調節至其新液體環境。
參考A1期中之方程式47，可將水耕溶液冷卻至推薦水耕營養素溫度R之70%之溫度。
參考A2期中之方程式48，可將水耕溶液冷卻至推薦水耕營養素溫度R之75%之溫度。
參考A3期中之方程式49，可將水耕溶液冷卻至推薦水耕營養素溫度R之80%之溫度。
參考B期中之方程式50，可將水耕溶液冷卻至推薦水耕營養素溫度R之100%之溫度。
參考C期中之方程式51，可將水耕溶液冷卻至推薦水耕營養素溫度R之100%之溫度。
參考D期中之方程式52，可將水耕溶液冷卻至推薦水耕營養素溫度R之70%之溫度。在實施例中，可在收穫前進一步冷卻植物，例如以終止或減緩細胞複製。
在實施例中，可使用計算方程式47-53且藉由加熱或冷卻來控制營養溶液之溫度以最佳化植物成長之加熱配時演算法將處理器程式化。如先前所闡述，可藉由以下方式來測定實際成長階段：視覺分析或多個自動化構件(例如視頻觀察、雷射感測器、定位/近接感測器)、量測重量、藉由用O2感測器量測系統中之O2輸出、量測營養溶液之濃 度及諸如此類。在進行最佳溫度計算時處理器可首先使用確定的成長階段來鑒定植物所處之期。此外，若給定關於植物之種植時間及諸如此類之數據，演算法可能能夠基於針對植物物種之預測成長曲線進行最佳溫度計算。因此，可能無需量測植物成長或可使用該量測來確認最佳溫度計算。
根據水耕單元之改變溫度，可回收任何餘熱。
在實施例中，水耕單元之加熱及冷卻系統使得對太陽敏感之物種能夠高溫成長。例如，萵苣可應付高溫，但在日光中不行。在水耕單元中，萵苣可在使用紅光及藍光替代日光之高溫條件下成長。
水耕可闡述為使植物或其他植被在不使用土壤之情況下成長且因此為業內所熟知之方法。然而，當前裝置基本上作用於分批系統，而業內尤其需要連續系統之例如動物飼料生產，該連續系統在需要時將獨立於外部環境操作以產生牧草之定期及連續供應。本發明尋求提供用於該連續系統之方法及裝置。
在其最廣泛態樣中，本發明提供包含以下步驟之方法：獲取期望植物之秧苗，將其置於提供使秧苗成長及成熟植物成長之條件之高密度高成長成長系統內部的容器中，且然後自容器移除成熟植物。本發明進一步提供包含一系列儲物架之裝置，該等儲物架各自能夠接收含有植物之容器，各自分成多個可將植物暴露於該區域中之具體成長階段所需之環境條件下的擱板。成長系統可為封閉環境水耕系統。現參考圖11，使來自種子或秧苗之植物成長之系統包含漂浮托盤系統，其為置於其中之秧苗/種子成長及最終成熟植物在其自容器移除之前之成長提供條件。該系統包含一系列儲物架55，每一儲物架能夠接收位於漂浮托盤59上之漂浮植物。該系統亦包含HVAC系統54。
本發明亦提供用於接收植物之容器，其包含具有排洩孔之托盤，該排洩孔配備有包含使營養溶液自水耕系統返回貯存罐之排洩管 之排洩控制器。貯存罐中之幫浦將營養溶液向上泵送至儲物架頂部，其然後沿管道向下流出至溢出托盤中。此外，亦將栓接在一起之儲物架栓接至具有經設計底板之地板上且用結構支撐板跨越支撐。
現參考圖式且尤其圖11及圖12，其圖解說明用於接收植物容器之儲物架系統。所含水耕系統含有處於容器兩側上之儲物架。該儲物架系統包含多個自右至左安裝之儲物架55及多個自左至右傾斜之其他儲物架55(如於圖11中所視)。該等儲物架可橫過儲物架系統之長度，在長度方向上將該儲物架系統分成多個區，該等區係圖12及圖13中所闡述之個別儲物架。圖11中所圖解說明之裝置具有允許儲物架處於容器兩側上之寬度，但該裝置之寬度通常為選擇問題，且其可視需要及根據可用空間變窄或變寬。
植物容器之較佳形式可為漂浮在安裝儲物架之托盤中之聚苯乙烯漂浮物，但植物容器通常可包含能夠接收植物之具有一定形式之排洩孔以允許移除廢棄或過量營養素或種子之任何托盤。使含有幼小植物之托盤進入裝置之儲物架上，進入溢出托盤59上。該裝置可分成四個區域。每一區域皆具有一定長度以固持某一數量之植物托盤，且在許多情形下該等區域可固持相同數量之植物托盤。儲物架間距可具有高密度。在一實施例中，成長空間之間可為120mm，但最佳間距可端視物種而變化。例如，羅勒可間隔92mm。
托盤可拉離儲物架。托盤可以一定方式安裝以使得能夠例如利用滑件、輪或諸如此類自儲物架容易地移除。對於移動實施例，儲物架可包含震動吸收器。
圖11顯示該系統之俯視圖，其中將儲物架安裝在容器66之兩側上，該容器在一端具有可用作收穫成長室57或可不使用之空間。每一儲物架可利用結構樑65彼此跨越栓接，該結構樑防止儲物架擺動且在總體儲物架設計中提供穩定性。在實施例中，儲物架系統可包含 HVAC系統、密封門系統56及頂部儲物架結構樑系統65。
圖12及圖13繪示可含有六個其上靜置有溢出托盤59之擱板之單一儲物架。該儲物架包含附接管系設計模組61，其將營養溶液自營養液貯存罐向上泵送至六個擱板中之每一者到達溢出托盤中。此外，可將來自溢出托盤之返回管系63栓接至儲物架之相對側。
現更尤其參考圖12及圖13，用於接收植物之容器可包含多種不同類型之漂浮培養基。在每一溢出托盤之具有沿儲物架向下延伸且進入營養素貯存器63中之管之一端可存在中心排洩口。
在實施例中，如圖12中所示，溢出托盤59可高4英吋，且儲物架之總高度可為8ft。
用於每一儲物架之營養溶液之量、濃度及類型可根據所成長具體植物之成長週期而不同。因此，每一儲物架55可自營養液貯存器40之其內可為純水或可具有成長輔助營養素或其他化學品之單獨罐來供應。可在植物成長之每一階段選擇條件以有利於最大產量。
可將二氧化碳管安裝在儲物架系統上。可將二氧化碳吹過擱置單元以提供增加的飽和量，如本文所闡述。管道中二氧化碳之量及壓力可根據植物物種之類型來選擇。
可藉助例如安裝至擱置單元下側之螢光管或LED燈來提供誘導成長所需之光，如圖15中所顯示。另一選擇或此外，該裝置可經定位以接收玻璃、透明塑膠材料或諸如此類外部或穿過其之日光。
一旦已設定本發明系統之操作且已植入秧苗，諸如彼等圖11、圖12、圖13及/或圖14中所繪示之裝置即可能夠產生較大產量。圖13係來自詳述支撐系統64之立面圖之儲物架系統的平面圖。圖14係儲物架腳座設計及其安裝至地板或水耕系統之描述性視圖，其包含焊接至地板之L型托架67。
圖14繪示附接至穩定整個儲物架系統之儲物架之腳座。板經量 測係擱板腿寬度之至少3倍且係儲物架腿之間距離之長度之至少1.3倍。腳座使用附接至底板68之L形托架。此外，在板中鑽孔以允許栓接至地板69。
低輪廓照明系統可提供更大成長空間。在實施例中，高成長、高密度成長系統中之基於儲物架之系統可利用高密度間距來調節高度，例如以適應植物高度(例如用於較高蘿蔓萵苣(romaine lettuce)及法國龍艾(French tarragon))並最佳化照明距離。可移動儲物架可允許在達到成熟時具有足夠高度，同時使得能夠在開始成長時遞送足夠功率。移動可基於高度量測(例如使用雷射或視頻量測)自動化。例如，在秧苗發生成長並量測時，量測感測器可反饋至用於可移動儲物架之控制器，以使其進一步遠離秧苗移動來適應成長及/或降低光強度。
對於靜態儲物架，可計算光至秧苗之最佳距離。一個距離可為8英吋。LED照明之最佳照明放置可使高成長、高密度封閉環境水耕系統中之植物成長最佳化。
低電壓成長系統可包含連接至將高電壓交流功率轉換成直流低電壓功率62之降壓變壓器之照明及機械系統。使用低電壓有利於使用太陽能面板或風力發電機為單元提供電功率且使得能夠利用可廉價且容易獲得之12v電系統及電池。12伏特直流低電壓照明及機械系統通常出於兩個主要目的指定用於水耕環境中：1.器具及機械製品通常較小；及2.在可用於成長照明之燈泡中存在大量光束散佈。成長系統可為封閉環境水耕系統。
對於成長照明，較小器具可用之原因較為簡單。由於燈泡中之燈絲僅必須能夠攜載12伏特而非120伏特，故可將其製造得更小，對於120伏特燈泡可長1/4”而非長1”。由於燈絲較小，故可將圍繞其之玻璃燈泡或LED製造得更小，且因此亦可將器具設計得更小。
在低電壓燈中可獲得更多光束散佈之原因在於，小燈絲或LED可 比較大燈絲或LED更準確地瞄準。對於其中欲使光瞄準特定點(例如特定植物)之應用，此可能至關重要。在燈絲處產生之光反射出反射鏡且在其瞄準方向上行進。若白熱燈絲極小，則可使用經極精確設計之反射鏡來定位光束。利用較大燈絲，容易終止無差別反射之光束。
某些例如具有緊密光束散佈之HID成長燈可用於更大規模之應用中，其中涉及植物至光之較大距離，或需要較小精度。
此外，低電壓水耕機械幫浦、充氣器及風扇比其傳統交流電壓對應體更加可靠且使用更少能量。平均壽命之直流機械器件亦具有顯著較長之壽命。
用於水耕組件之大部分電壓通常為120伏特交流電壓，但可在110伏特與130伏特之間變化。標準成長燈經設計以在120伏特下操作。由於120伏特係使用12伏特直流照明系統之標準，故需要變壓器轉換電壓。此通常係低電壓系統成本之重要部分
可獲得多種不同「大小」之變壓器。小變壓器可向單一燈供電，或大變壓器可向複數個燈供電。變壓器之某些額定瓦特數已在一定程度上標準化。
變壓器通常係以其容量之80%運行。例如，對於功率為100瓦特之燈，應使用額定用於至少120瓦特之變壓器。然而，大多數主要製造商已對其變壓器「降額」。此「降額」部分歸因於變壓器並非100%有效之事實。變壓器之一些容量在其「變壓」功能中用完，且一些以熱形式浪費。
在實施例中，對於低電壓可存在特殊佈線要求，此僅意味著使用比常規線路電壓系統中通常所使用更粗之電線。在水耕環境中使用低電壓佈線之一個最大優點在於，某些國家或地區代碼需要將電連接封閉在某種金屬箱中且接地。此對於低電壓亦如此；然而，60瓦特下之電路不必滿足此要求。新變壓器通常具有塑膠殼，此乃因其內建有 過載及短路斷路器。因此，可能無需使變壓器之低電壓側接地，僅使120伏特電線進入該變壓器。60瓦特以上之任何電路應處於金屬箱中。
圖15闡述使用低電壓直流系統之水耕系統之照明及幫浦元件之側視圖，其顯示燈1500相對於溢出托盤59以及貯存器40及將高電壓交流功率轉換成直流低電壓功率62之降壓變壓器之放置。
圖16闡述12伏特直流系統之佈線設計及反相器箱放置之俯視圖。藉助12伏特直流線路72將12伏特直流充氣器44連接至交流至直流反相器箱71。將直流低電壓功率62連接至交流至直流反相器箱71。
圖17闡述水耕成長系統之佈線設計之側視圖。
本發明提供克服在水耕培養期間當營養溶液進入水耕系統之一端及且在另一端排洩時根營養耗盡之不利效應之系統及方法。
水耕系統之一個主要問題在於，在水耕溢出托盤環境中進給至植物之營養溶液不均勻。當基於水之溶液中之植物開始發育根系時，水往往圍繞溢出托盤之中心部分流動且在溢出托盤之外部上遵循阻抗最小之路徑。鑒於此，緊鄰根系之營養溶液中之植物代謝逐漸抑制對新鮮營養素鹽、氣體及水之攝取，且使最靠近溢出托盤之排洩區域之植物接收較少營養素及礦物質，從而使植物「饑餓」。
在靜態營養溶液中，此問題並不嚴重。來自緊鄰根部之區域之吸收及向根提供新鮮營養素及溶解氧受限於該靜態營養溶液，其可天然達成且不產生一些植物接收之營養素少於其他植物之問題。此問題可藉由使植物以水耕方式成長之方法來減輕或克服，該方法包含藉由增加溶液朝向溢出托盤中心部分之壓力及流動來將營養溶液供應至植物之根。此進而提供更多溶液經過植物根系最緻密之溢出托盤中心處。
營養溶液流動可藉由毛細管作用來誘導，且採取增加沿互連根 結構之表面移動之營養溶液流動之形式。為利用此營養溶液供應，可使本身親水之植物根與流充分接觸，且以與溢出托盤外邊緣上之植物相同之速率自其汲出營養素及水。只要流動營養溶液之量大於根系所吸收之量，即有殘餘流經過且越過根。當輸送至溢出托盤中心之較緻密根區域之營養溶液之體積增加約100%流速及壓力時，可獲得該等結果。
該系統之一個重要優點在於其極大地降低對營養溶液始終平衡之要求。由於溢出托盤中之所有植物皆展現相同的吸收量，故營養溶液經較佳平衡以供控制。該系統之主要吸引力之一在於，其使得植物甚至在低氧溶液中仍能夠維持延長時段之強健成長。
參考圖18，植物在使用多種成長培養基之溢出托盤環境中靜止。植物74之根73在溢出托盤之中心處較緻密，因此在自進入點61引入溶液時接收較少營養素。然而，使用圖19中之裝置，將管75插入具有不同大小之小孔(例如孔76及孔80)之溢出托盤中。藉由將溶液61之供應管線連接至管75，其提供均勻分佈環境，自該環境泵送至中心植物根上之溶液多於流至邊緣者。
裝置中孔之數目藉由使孔相距½英吋間隔來確定。由於不同水耕系統具有不同流速，對於特定溢出托盤環境可利用不同大小之孔來發現將提供最佳流速及壓力者。
在實施例中，孔之大小及數量係由公式來確定，其中L係稱為分散條79之裝置總長度，且較大中心孔將沿分散條總長度79之一部分78(例如為總條長度一半之部分78)定位。分散管75之中心部分中孔80之直徑可係分散條外部區域上孔直徑(S)76的四倍。在實施例中，營養素穿過根系之流動可自根尖至成熟根。藉由向根尖提供新鮮營養溶液，水耕系統模擬其中使根尖成長至新鮮土壤中之天然條件。
托盤幫浦可將溶液泵送出貯存器且泵送至系統中。循環幫浦可 在一側將水拉入系統中，但重力可將溶液拉出托盤並拉入罐中。溶液循環系統可包含微粒過濾器(例如0.5微米過濾器)。另一選擇為，溶液可自一端以重力進給且在另一端排洩。可產生反壓以使下游植物接收足夠營養素。隨著根系變緻密，可將泵送溶液之閥開得更大。在托盤中可包含管道或螢幕系統以沿托盤長度提供營養溶液。可自托盤兩端進給溶液以產生紊流。可將感測器/流量計佈置於托盤中來量測溶液流動。可佈置於托盤中之其他計器/感測器包含溫度感測器、鹼度計、微粒計、pH感測器、光/UV感測器、在托盤外部或在地板上用於檢驗溢出/阻塞之水分感測器、硝酸鹽感測器、質譜儀及諸如此類。該等感測器/計可用於監測及報告水耕單元中之條件。感測器可進一步使得能夠進行複數個單元之外部控制及監測以及聚集物報告。感測器可針對不同水系統來分佈。
本發明亦係關於對每一植物物種成長週期期間之最佳pH平衡之配時。pH至關重要之原因在於，其影響植物成長所需之16種原子元素中之若干者之可用度及吸收。可在5.5至6.5之pH讀數下發現該等元素之最大吸收。當pH降至此範圍以下時，許多大量元素(氮(N)、磷(P)、鉀(K)等)可具有較小可用度，且微量營養素之吸收可達到毒性水準。
在整個植物成長週期中，業內通常認為植物之pH平衡應穩定且恆定。營養溶液之最佳pH為給定植物物種所必需，此乃因植物使在不同pH水準下元素之吸收最大化。與穩定且恆定之範例相反，在整個成長週期中之不同pH可促使高成長、高密度封閉環境水耕系統中不同成長週期階段之具體元素之營養素吸收。
圖20闡述不同植物成長期及基於成長階段之最佳pH值。「P」稱為平均植物pH偏好87。此通常係由針對給定植物物種之先前文獻及其他研究來確定。一旦確定該值，即可根據當前成長期來調節植物之 pH。A1期最佳pH 81實際上較高且可藉由用植物pH偏好乘以1.2來計算。A2期最佳pH 82實際上較高且可藉由用植物pH偏好乘以1.1來計算。A3期最佳pH 83可為較佳pH。B期最佳pH 84實際上較高且可藉由用植物pH偏好乘以0.6來計算。C期最佳pH 85實際上較高且可藉由用植物pH偏好乘以1.2來計算。D期最佳pH 86可為較佳pH。成長週期早期之低pH可有助於秧苗階段中磷及氮之吸收。較高或變化pH對於某些輔因子及痕量元素之吸收最佳，例如在pH 9下對鉬吸收最佳。網狀營養系統可支持用於多根植物之多pH灌溉。
本發明係關於用於控制外殼中空氣之條件、且更具體而言控制外殼(例如用於水耕植物成長之密封容器)中空氣之溫度及濕度的裝置。在實施例中，濕度控制可與溫度控制及照明控制中之至少一者相關。
在成長燈期間，成長中之農業產物將水蒸氣引入空氣中且自空氣提取二氧化碳。在日光期間將過量二氧化碳引入環境中時，該等產物之成長得到增強。當成長中之農業產物將此水蒸氣添加至水蒸氣產物中時，在容器內產生飽和或接近飽和之條件。此高濕度條件對除了熱帶植物以外之所有植物產生不期望應力，且增加植物對多種疾病之敏感性，該等疾病之控制需要定期噴霧或其他處理。因此，將此方式應用於植物管理會遇到相當大的阻力。
現參考圖21，在整個植物成長週期中，需要對空氣除濕。然而，由於認為此水不含礦物質及鹽，故可將其作為額外水在植物營養液貯存器40中再利用。此係藉由將HVAC系統54中通常引導至水耕容器外部之軟管總成88重引導以將過量水排洩至一個儲物架貯存器40中來完成。氣候控制器可控制除濕過程。避免抑制CO2進入葉綠體之過量水分可對植物成長產生積極影響。在一實施例中，可將濕度維持在65%。
本發明係關於在成長系統中藉由控制某些環境因子來減緩植物細胞複製之過程。該過程係藉由以下方式來確定：首先觀察植物細胞複製減少之量作為以百分比表示之變量，且然後使用方程式來確定需要控制哪些變量來達成植物細胞複製之期望減少或加速。成長系統可為封閉環境水耕系統。
現參考圖25，藉由控制環境變量，可減緩或加速細胞複製。可存在6個或更多個不同的環境控制變量：兩個空氣溫度設置、兩個營養過程、兩個成長燈設置及諸如此類。例如，對於變量A1 118，可將空氣溫度降低至64℉。在另一實例中，對於變量A2 119，可將空氣溫度降低至58℉。在另一實例中，對於變量B1 120，可用7 pH之水替代營養溶液。在另一實例中，對於變量B2 121，可將營養素溫度降低至64℉。在另一實例中，對於變量C1 122，可將給定植物物種之給定小時/天之推薦照明週期124減少至三分之一。在另一實例中，對於變量C2 123，可將給定植物物種之給定小時/天之推薦照明週期減少至五分之一。
參考圖24，可在近似範圍內藉由提及成長減少百分比來減緩植物細胞複製。例如，若期望將植物細胞複製減緩約30%-45%(115)或將80天農作物之成長時間再延長24至36天(115)，使用所提供之圖24表，水耕環境之空氣溫度將降低至64℃以下(變量A1 118)，營養溶液溫度將降低至64℃以下(變量B2 121)，且該給定植物物種之推薦照明週期將降低至總給定小時/天之三分之一(變量C1 122)。在一實例中，可在收穫之前減緩細胞複製。例如，若期望將植物細胞複製減緩10%以下(113)，則水耕環境之空氣溫度將降低至64℃以下(變量A1 118)。例如，若期望將植物細胞複製減緩約10%-30%(114)，則水耕環境之空氣溫度將降低至64℃以下(變量A1 118)或58℃以下(變量A2 119)，且該給定植物物種之推薦照明週期將降低至總給定小時/天之三分之 一(變量C1 122)。例如，若期望將植物細胞複製減緩約45%-80%(116、117)，則水耕環境之空氣溫度將降低至64℃以下(變量A1 118)，營養溶液溫度將降低至64℃以下(變量B2 121)及/或可用pH 7水來替代營養溶液(變量B1 120)，且該給定植物物種之推薦照明週期將降低至總給定小時/天之五分之一(變量C2 123)。
應注意，給出範圍之原因在於，不同植物物種在變量之光譜範圍內以不同方式反應但通常將提供給定參數之減少。
圖23提供流程圖，以使其根據在調節植物細胞複製過程中執行變量之順序給出指導方針。邏輯流開始於步驟103且進行至環境冷卻過程A 104、營養素沖洗過程B 107及/或照明過程C 110。環境冷卻過程A 104進行至步驟105，其中設定溫度。邏輯流可進一步進行至步驟106，其中將溫度進一步設定為新設置。營養素沖洗過程B 107進行至步驟108，其中用水沖洗掉營養溶液。邏輯流可進一步進行至步驟109，其中將溶液之溫度設定為新設置。照明過程C 110可進行至步驟111，其中將燈配時設定為推薦照明週期之1/3。邏輯流可繼續進行至步驟112，其中將燈配時進一步設定為推薦照明週期之1/5。
在實施例中，修改上文所提及之變量可用於在成長系統中加速植物細胞成長之方法中。組合以下中之一或多者可最佳化或加速細胞複製及植物成長：根據成長曲線最佳化營養溶液，校準溶液之pH以最佳化整個成長曲線中之營養素吸收，控制整個成長週期及成熟時之溫度，根據成長階段調節照明及在時間及施加方向二者上控制二氧化碳之遞送。成長系統可為封閉環境水耕系統。
本發明詳述在水耕貯存器內部混合營養溶液之類型及方法以提供遞送至植物之營養素之恰當混合物。除非適當混合貯存器中之溶液，否則所得溶液可在貯存器之一些部分中具有較高濃度且在其他部分中具有較低濃度，從而使植物喪失所需之關鍵營養素。
當將水耕溶液分散在植物根上方時，經由水耕或氣耕，返回營養溶液通常因植物吸收該等元素中之許多而具有較低的元素營養素濃度。當此溶液返回貯存器時，若其在系統中連續再循環，則溶液元素存在不平衡，此可進而使植物饑餓。
為防止此問題出現，有兩種校正此問題之方法。參考圖26，將兩個混合幫浦127插在返回營養素排洩管130末端且引導128該營養溶液混合物，將其朝向具有至植物托盤之供應管線131之進給幫浦125推至貯存罐129之另一端中。在將營養溶液引導128至貯存罐129之另一端的同時，使溶液通過向溶液提供氧合之充氣器126上方，然後用進給幫浦125接收該溶液。
此方法確保貯存罐129中具有與現有營養溶液之完全均勻混合物，且在將營養溶液運輸至植物之前提供所需氧合。
具有多個混合幫浦127及充氣器126之一個優點在於，其在一個組件失效之情形下提供失效仍安全之設計。
在實施例中，營養溶液包含水耕混合物(26/5/5/15)、硝酸鈣(15/5/0/0)或諸如此類。可將較低濃度之營養溶液用於秧苗，然後可將完全濃度用於成長週期之後期。可在成長曲線之中間添加鈣，同時移除硝酸鹽。可添加硼酸銅及鋅作為添加劑來支持細胞複製。亦可在成長曲線之多個點處添加鎂及鉬。亦可在系統中將營養溶液離子化。
營養素概況可基於高成長、高密度封閉環境水耕系統中之植物成長概況或成長狀態。
本發明係關於水耕系統，其中將水耕置物架隔開且在容器中設定個別系統，以分離並降低可在水耕植物生產過程中出現之病原體及細菌風險之可能性。
藉由在容器環境中對每一儲物架建造連續的個別及單獨水耕系統，降低營養溶液、擱置單元或空氣中細菌或病原體感染之風險，由 此防止整個植物農作物生產被破壞。分佈式溶液遞送系統提供與高成長、高密度封閉環境水耕系統污染之分離。
圖27係由多個水耕置物架組成之水耕容器之側視圖。每一儲物架皆經標記且視為獨立於其他儲物架133至137中每一者之成長系統。每一單元可具有複數個儲物架，例如10個儲物架，且每一儲物架可固持複數個托盤，例如6個托盤。儲物架133以實例性方式用於圖解說明儲物架每一者之間之分離過程。
每一儲物架皆含有儲物架上之多個溢出托盤141。營養溶液駐留在貯存器143中，且經由進給幫浦139僅泵送至貯存罐上方之溢出托盤並通過水耕管道138泵送，且然後營養溶液向下分佈至每一溢出托盤141。然後將營養溶液接收至溢出托盤相對端之排洩孔中，且將每一儲物架之軟管140向下引導回貯存罐143中。一旦營養溶液到達貯存罐，一系列混合幫浦142即混合返回營養溶液與罐中之現有溶液。
每一儲物架可使用一個專用貯存器以使病原體或污染物之事故的影響最小化，且亦使得每一儲物架能夠選擇接收物質。
減少水耕系統污染之其他方式包含將UV燈置於貯存器中，使用HEPA過濾器滌氣，在表面上使用抗微生物塗層，在地板上使用抗微生物塗料，使用電子滌氣器使空氣離子化並移除不支持光合作用之靜電粒子，使用酒精對系統去污，在循環幫浦上使用過濾器及諸如此類。
可在炭過濾器存在下填充貯存器。
成長系統可利用LED照明。成長系統可包括容器、置物架及溢出托盤，其中LED燈提供特定植物物種成長所需之所有照明。成長系統可為封閉環境水耕系統。容器可為水耕容器。
圖28繪示呈排或箱設計之具有LED燈145之儲物架144，其中光發射146向下到達溢出托盤147。
圖29概述每平方英尺之建議瓦特數(Rw)及具有紅光LED對藍光LED之總覆蓋因子之LED燈之放置以及給定植物物種之建議波長。在實施例中，Rw對於紅光/藍光LED可為25瓦特。在一實施例中，紅光LED可為640Nm至720Nm，且可佔LED燈之81%。在一實施例中，藍光LED燈可為400Nm至480Nm，且可佔LED燈之19%。在實施例中，紅光LED佔LED之比例可大於藍光LED。
LED燈可具有防濕殼。該殼可包含密封材料。該殼可包含允許LED光透射之多膜樹脂玻璃。抗反射塗層可減少偏離樹脂玻璃之反射。
LED可係可調光LED。LED可根據成長曲線來調光。
LED可包含基於成長階段改變LED之光學輪廓之物鏡。例如，隨著植物成熟及成長，可改變光學組件來散佈光。
可將水耕單元容納於移動設施(例如運送容器或卡車拖車)中。該等單元可按比例放大。該等單元可用於緊急事故及災害反應。可將水耕單元容納於專用建築中或可容納於埋藏的混凝土砌塊中。該等單元可移動，可按比例放大使其在多種佈置情形下具有吸引力，例如移動單元、諸如整合至零售店或農貿市場中等現場成長環境或諸如此類。在一實施例中，在運輸單元的同時，植物可在其內成長。該系統可能能夠藉由基於市場需求在現場或在戰略地點成長來置換供應鏈中之運輸要素。該單元之靈活性可使其能夠滿足現貨市場需求。該單元可整合有用於增值食品之食品生產系統(例如混合；製備食品系統)。
例如當佈置在高UV區域中時，該單元之外部可具有反射(或PV吸收)技術。可例如使用視情況包含滑件系統之密封門來嚴格控制進入及流出。該單元可包含用於追蹤隨時間之密封狀態之控制器。該單元可包含例如在清潔室/固持區域/氣閘中發現之雙重門系統。可使用面部識別作為進入之安全方法。可使用條碼或UPC標記來追蹤整個生命 週期中之植物。該等條碼可基於每個儲物架、每個擱板、每個單元、每個托盤或每種植物來使用。
可使用水耕系統來生產零售或商業農產品。
可在該單元中使用擱板升降機將物品升高至儲物架上。可使用擱板基座系統來穩定儲物架。
在實施例中，可將可再生/清潔電源或專用功率(例如迷你或微型熱電聯產單元)與高成長、高密度封閉環境水耕系統整合。水耕系統可使用之供電系統包含電網系統、太陽能(離網)、風、複合系統、生物柴油發電機、迷你或微型共生單元及諸如此類。在一實例中，需要8.5kW之功率來運行照明及加熱。
用於高成長、高密度封閉環境水耕系統之系統之收穫後之重組方法可包含二氧化氯清除系統，然後藉由HEPA過濾移除二氧化氯，例如使用酒精、伏特加(vodka)或其他去污劑對系統去污，排水，用復新去離子水再填充及再植。
現參考圖22，PLC 95可使得能夠使用諸如以下等控制器自動控制可為水耕成長系統之成長系統之所有功能：空氣控制器97(HVAC控制、風扇控制、CO2控制、蒸發器控制)、營養素控制器98(投料控制器、pH控制器)、機械控制器99(幫浦控制器、充氣器控制器)、照明控制器100(配時器控制、功率控制)、限制控制器101(滅火、停機控制器)、病原體控制器102(UV控制器、電控制器)、水流控制器及諸如此類。控制器可獲得來自一或多種幫助確定所需控制之感測器之數據。感測器可包含空氣感測器89(濕度、溫度、氣流、空速、CO2量、CO2流)、營養素感測器90(元素、pH、溫度、總鹼度)、機械感測器91(幫浦流、幫浦輸出、返回輸出、充氣器輸出)、光感測器92(配時、強度、功率計)、限制感測器93(火、水、加熱、功率、C)、病原體感測器94(營養素、空氣、水)及諸如此類。可使用使用者界面 96來輸入偏好、規則、觀察報告、觀察監測數據、調節控制器及諸如此類。例如，使用者可能能夠監測多個系統，進行外部/遠程監測，進行單元報告，進行聚集物單元報告及諸如此類。基於容器及儲物架之報告可包含關於以下各項之資訊：含量、成長狀態、配時、警示(例如污染、成長問題、安全性)、位置、進入/流出狀態、進入/流出日誌、病原體報告、密封狀態及諸如此類。該系統可包含污染控制器及感測器、氣閘控制、病原體控制器及感測器及諸如此類。控制器/感測器可與HVAC系統聯機且可在存在污染時觸發警報。
在實施例中，水耕系統使得農產品能夠在高成長、高密度封閉環境水耕系統中進行生產且在成長、收穫或運輸期期間人手從不對其觸摸下及不進行除草劑及/或殺蟲劑處理下來遞送。所得產物可具有長儲藏壽命。
可在水耕單元中成長之實例性植物包含青蘿蔔、萵苣、奶油萵苣、紅線萵苣(red line lettuce)、蘿蔓、黑種辛普森萵苣(black seeded simpson)、全豆咖啡(bistro blend)、沙拉碗(salad bowl)、橡葉、紅葉、甘藍、俄羅斯紅甘藍(red Russian kale)、綠色芥藍、苦苣、大白菜(bok choy)、大麻、蒔蘿、法國龍艾、薄荷、香芹、芫荽葉、迷迭香、薰衣草、芥末、水田芥、微型蔬菜(microgreen)、羅勒、芝麻菜、菠菜、契威(chive)、向日葵、麥草、甜菊、富含抗氧化劑之植物、含油植物、大豆、藻類、亞麻、亞麻薺屬(camelina)、包心菜、百里酚、皮薩草、草、花及諸如此類。
可藉由系統關聯處理器執行演算法以最佳化成長/能量消耗，追蹤O2移動，遞送/回收水，管理所有營養態樣，利用感測器數據控制系統功能，例如使用機器學習系統反覆確定控制序列，提供基於模擬之控制，實施市場最佳化(價格、輸入、輸出)，例如基於諸如缺鈣等條件或基於概況確定並執行營養方案。
可使用來自系統之數據對產品進行價格預測。可將數據進給至現貨農產品市場以立即定位現成買主並協商價格。
可使用來自系統之數據來預測分析物(例如成長預測)，成長週期分析，事件分析(失效模式、病原體監測)，在儲物架層面上對整個成長週期實施所有受控變量之歷史分析，實施成長模型化及統計，產生電腦模擬模型(工具套組)及諸如此類。
本文所闡述之方法及系統可部分或全部經由執行電腦軟體、程式代碼及/或處理器指令之機器來佈置。處理器可係以下各項中之一部分：伺服器、雲伺服器、客戶端、網路基礎設施、移動計算平臺、靜止計算平臺或其他計算平臺。處理器可係任一種能夠執行程式指令、代碼、二進制指令及諸如此類之計算或處理器件。處理器可係或包含信號處理器、數位處理器、嵌入式處理器、微處理器或可直接或間接地幫助執行其上所儲存之程式代碼或程式指令之任何變化形式，例如共處理器(數學共處理器、圖像共處理器、通信共處理器及諸如此類)及諸如此類。此外，處理器可使得能夠執行多個程式、線程及代碼。該等線程可自發地執行以增強處理器之性能且有助於應用之同時操作。藉助實施方案，本文所闡述之方法、程式代碼、程式指令及諸如此類可以一或多種線程來實施。該線程可產生可能已指派與其相關之優先權之其他線程；處理器可基於優先權或基於程式代碼中所提供之指令之任何其他順序來執行該等線程。處理器可包含儲存如本文及別處闡述之方法、代碼、指令及程式之記憶體。處理器可經由界面來存取可儲存如本文及別處闡述之方法、代碼及指令之儲存媒體。與處理器關聯之用於儲存能夠由計算或處理器件執行之方法、程式、代碼、程式指令或其他類型指令之儲存媒體可包含(但不限於)以下中之一或多者：CD-ROM、DVD、記憶體、硬碟、快閃驅動器、RAM、ROM、快取及諸如此類。
處理器可包含一或多個可增強多處理器之速度及性能之核心。在實施例中，該過程可為組合兩個或更多個獨立核心(稱為晶粒)之雙核心處理器、四核心處理器、其他晶片級多處理器及諸如此類。
本文所闡述之方法及系統可部分或全部經由執行伺服器、客戶端、防火牆、網關、集線器、路由器或其他該電腦及/或網路化硬體上之電腦軟體之機器來佈置。軟體程式可與伺服器關聯，該伺服器可包含檔案伺服器、印表伺服器、網域伺服器、互聯網伺服器、內部網路伺服器及其他變化形式，例如次要伺服器、主機伺服器、分佈式伺服器及諸如此類。伺服器可包含能夠經由有線或無線媒體及諸如此類存取其他伺服器、客戶端、機器及器件之記憶體、處理器、電腦可讀媒體、儲存媒體、端口(物理及虛擬)、通信器件及界面中之一或多者。如本文及別處闡述之方法、程式或代碼可藉由伺服器來執行。此外，執行如本申請案中所闡述方法所需之其他器件可視為與伺服器關聯之基礎設施的一部分。
伺服器可向其他器件提供界面，該等器件包含(但不限於)客戶端、其他伺服器、印表機、數據庫伺服器、印表伺服器、檔案伺服器、通信伺服器、分佈式伺服器、社交網路及諸如此類。此外，此耦聯及/或連接可幫助跨越網路遠程執行程式。該等器件中之一些或所有之網路化可在不背離本發明之範疇下幫助平行處理一或多個位置處之程式或方法。此外，經由界面附接至伺服器之任一器件可包含至少一種能夠儲存方法、程式、代碼及/或指令之儲存媒體。中心儲存庫可提供欲在不同器件上執行之程式指令。在此實施方案中，遠程儲存庫可用作程式代碼、指令及程式之儲存媒體。
軟體程式可與客戶端關聯，該客戶端可包含檔案客戶端、印表客戶端、網域客戶端、互聯網客戶端、內部網路客戶端及其他變化形式，例如次要客戶端、主機客戶端、分佈式客戶端及諸如此類。客戶 端可包含能夠經由有線或無線媒體及諸如此類存取其他客戶端、伺服器、機器及器件之記憶體、處理器、電腦可讀媒體、儲存媒體、端口(物理及虛擬)、通信器件及界面中之一或多者。如本文及別處闡述之方法、程式或代碼可藉由客戶端來執行。此外，執行如本申請案中所闡述方法所需之其他器件可視為與客戶端關聯之基礎設施的一部分。
客戶端可向其他器件提供界面，該等器件包含(但不限於)伺服器、雲伺服器、其他客戶端、印表機、數據庫伺服器、印表伺服器、檔案伺服器、通信伺服器、分佈式伺服器及諸如此類。此外，此耦聯及/或連接可幫助跨越網路遠程執行程式。該等器件中之一些或所有之網路化可在不背離本發明之範疇下幫助平行處理一或多個位置處之程式或方法。此外，經由界面附接至客戶端之任一器件可包含至少一種能夠儲存方法、程式、應用、代碼及/或指令之儲存媒體。中心儲存庫可提供欲在不同器件上執行之程式指令。在此實施方案中，遠程儲存庫可用作程式代碼、指令及程式之儲存媒體。
本文所闡述之方法及系統可部分或全部經由網路基礎設施來佈置。網路基礎設施可包含諸如以下等元件：計算器件、伺服器、雲伺服器、路由器、集線器、防火牆、客戶端、個人電腦、通信器件、路由器件及業內已知之其他主動及被動器件、模組及/或組件。除其他組件外，與網路基礎設施關聯之計算及/或非計算器件可包含儲存媒體諸如快閃記憶體、緩衝器、堆疊、RAM、ROM及諸如此類。本文及別處闡述之過程、方法、程式代碼、指令可藉由一或多種網路基礎設施元件來執行。
本文及別處闡述之方法、程式代碼及指令可在具有多個單元之胞狀網路上實施。胞狀網路可為分頻多重存取(FDMA)網路或分碼多重存取(CDMA)網路。胞狀網路可包含移動器件、單元站點、基站、轉發器、天線、塔及諸如此類。單元網路可為GSM、GPRS、3G、 EVDO、網目或其他網路類型。
本文及別處闡述之方法、程式代碼及指令可在移動器件上或經由該等移動器件來實施。移動器件可包含導航器件、手機、移動電話、移動個人數位助理、膝上型電腦、掌上型電腦、輕省筆電、呼叫器、電子書讀取器、音樂播放器及諸如此類。除其他組件外，該等器件可包含儲存媒體，例如快閃記憶體、緩衝器、RAM、ROM及一或多種計算器件。可使與移動器件關聯之計算器件能夠執行其上所儲存之程式代碼、方法及指令。另一選擇為，移動器件可經組態以與其他器件合作執行指令。移動器件可與基站通信，該基站與伺服器介接且經組態以執行程式代碼。移動器件可在同級間網路、網目網路或其他通信網路上通信。程式代碼可儲存在與伺服器關聯之儲存媒體上，且藉由嵌入伺服器內之計算器件來執行。基站可包含計算器件及儲存媒體。儲存器件可儲存藉由與基站關聯之計算器件執行之程式代碼及指令。
電腦軟體、程式代碼及/或指令可在機器可讀媒體上進行儲存及/或存取，該等媒體可包含：電腦組件、器件及記錄媒體，其將計算用數位數據保留一定時間間隔；半導體儲存器，其稱為隨機存取記憶體(RAM)；通常用於更永久儲存之大量儲存器，例如光碟、各種形式之磁儲存器(如硬碟、帶、鼓、卡片及其他類型)；處理器寄存器、快取記憶體、揮發性記憶體、非揮發性記憶體；光學儲存器，例如CD、DVD；可移除媒體，例如快閃記憶體(例如USB盤或鑰匙)、軟磁碟、磁帶、紙帶、打孔卡片、單獨RAM碟、壓縮驅動、可移除大量儲存器、離線及諸如此類；其他電腦記憶體，例如動態記憶體、靜態記憶體、讀取/寫入儲存器、易變儲存器、只讀、隨機存取、順序存取、可指定位置、可指定檔案、可指定內容、網路附接儲存器、儲存區域網路、條碼、磁墨及諸如此類。
本文所闡述之方法及系統可將物理及/或無形條目自一種狀態轉換成另一種狀態。本文所闡述之方法及系統亦可將代表物理及/或無形條目之數據自一種狀態轉換成另一種狀態。
本文(包含整個圖中之流程圖及方塊圖)所闡述及繪示之元件暗示該等元件之間之邏輯邊界。然而，根據軟體或硬體改造實踐，所繪示之元件及其功能可在機器上經由具有能夠執行其上所儲存程式指令之處理器之電腦可執行媒體來實施，該等程式指令呈整體軟體結構、獨立軟體模組或採用外常式、代碼、服務等之模組或該等之任何組合，且所有該等實施方案可在本發明之範疇內。該等機器之實例可包含(但不限於)個人數位助理、膝上型電腦、個人電腦、移動電話、其他手持式計算器件、醫學設備、有線或無線通信器件、轉換器、晶片、計算器、衛星、臺式PC、電子書、機件、電子器件、具有人工智慧之器件、計算器件、網路化設備、伺服器、路由器及諸如此類。此外，流程圖及方塊圖中所繪示之元件或任何其他邏輯組件可在能夠執行程式指令之機器上實施。因此，儘管前述圖式及描述闡釋了所揭示系統之功能態樣，但除非明確說明或根據上下文可明瞭，否則根據該等描述無法推斷出用於實施該等功能態樣之軟體之具體配置。類似地，應瞭解，可改變上文所鑒定並闡述之多個步驟，且步驟之順序可適用於本文所揭示技術之具體應用。所有該等變化形式及修改意欲在本發明之範疇內。因此，除非具體應用需要或明確說明或根據上下文可明瞭，否則關於多個步驟之順序之繪示及/或描述不應理解為需要執行彼等步驟之具體順序。
上述方法及/或過程及其步驟可在適用於具體應用之硬體、軟體或硬體及軟體之任何組合中實現。硬體可包含一般目的之電腦及/或專用計算器件或特定計算器件或特定計算器件之具體態樣或組件。該等過程可在以下各項中實現：一或多種微處理器、微控制器、嵌入式 微控制器、程式化數位信號處理器或其他程式化器件以及內部及/或外部記憶體。該等過程亦可或代之以在以下各項中來體現：專用積體電路、程式化閘陣列、程式化陣列邏輯或任何其他器件或可經組態以處理電子信號之器件之組合。應進一步瞭解，一或多個過程可以能夠在機器可讀媒體上執行之電腦可執行代碼形式來實現。
電腦可執行代碼可使用以下語言來產生：結構程式化語言，例如C；目標定向程式化語言，例如C++；或可儲存、編輯或解釋以在上述器件中之一者上運行之任何其他高級或低級程式化語言(包含組合語言、硬體描述語言及數據庫程式化語言及技術)；以及處理器、處理器架構之非均質組合或不同硬體及軟體之組合或能夠執行程式指令之任何其他機器。
因此，在一態樣中，上述每一方法及其組合可以在一或多種計算器件上執行時實施其步驟之電腦可執行代碼來體現。在另一態樣中，該等方法可在實施其步驟之系統中體現，且可以多種方式分佈在器件中，或可將所有功能整合成專用、單獨器件或其他硬體。在另一態樣中，用於實施與上述過程相關之步驟之構件可包含上述硬體及/或軟體中之任一者。所有該等排列及組合意欲在本發明之範疇內。
上述系統及方法已在水耕系統之背景下予以闡述。應理解，該等系統及方法係以與採用土壤成長植物之方法及系統相同之方式來應用。該等系統及方法中之許多可將土壤納入固持植物之儲物架中，且亦獲得針對水耕系統及方法闡述之益處。
儘管本發明已結合所顯示並詳細闡述之較佳實施例予以揭示，但彼等熟習此項技術者將易於明瞭其中之多種修改及改良。因此，本發明之精神及範疇並不受限於前述實例，但應以法律所允許之最廣泛意義來理解。
本文所提及之所有文件皆以引用方式併入本文中。

Claims (35)

  1. 一種用於促進秧苗快速成長之成長系統，其包括：實質上封閉之容器；該封閉容器內之營養溶液；位於該營養溶液內之秧苗；成長燈；至少一個感測器，其適用於觀察該秧苗之成長；及耦聯至該成長燈及該至少一個感測器之控制器，其適用於：讀取來自該感測器之資訊以確定是否已出現成長；計算秧苗應力持續時間，其中該秧苗應力持續時間開始於將第一秧苗定位於該成長系統中，且終止於觀察到該第一秧苗成長時；將該秧苗應力持續時間分成複數個亞期；基於第二秧苗已達到之亞期，基於逝去時間確定位於該成長系統中之該第二秧苗之亞期因數；計算開/關燈週期之總數及每一開/關週期之持續時間，其中一個週期為打開及關閉該成長燈；及在該成長系統中控制該成長燈以執行該總數之所計算開/關燈週期，每一週期持續該成長燈開之時間及該成長燈關之時間之所計算持續時間。
  2. 如請求項1之成長系統，其中該亞期因數係藉由用該秧苗應力持續時間乘以分數來確定。
  3. 如請求項1之成長系統，其中開/關燈週期之該總數係藉由用該亞期中該開/關燈週期之總配時除以該亞期因數之兩倍來確定。
  4. 如請求項1之成長系統，其中每一開/關週期中該成長燈開之持續 時間及該成長燈關之持續時間係藉由用該亞期因數乘以60分鐘來計算。
  5. 如請求項2之成長系統，其中存在三個亞期且第一亞期之該分數為1/600。
  6. 如請求項2之成長系統，其中存在三個亞期且第二亞期之該分數為1/300。
  7. 如請求項2之成長系統，其中存在三個亞期且第三亞期之該分數為1/200。
  8. 如請求項1之成長系統，其中該成長燈係紅色LED燈及藍色LED燈中之至少一者。
  9. 如請求項1之成長系統，其中該成長燈具有根據預定植物物種選擇之波長。
  10. 如請求項1之成長系統，其中藉由該第一秧苗之視覺分析觀察該成長。
  11. 如請求項1之成長系統，其中用於監測植物成長之該感測器係視頻觀察、雷射感測器及定位/近接感測器中之一或多者。
  12. 如請求項1之成長系統，進一步包含磅秤以量測該第一秧苗之重量。
  13. 如請求項1之成長系統，其中用於監測植物成長之該感測器係O2感測器。
  14. 如請求項1之成長系統，進一步包含CO2感測器以量測該封閉容器上方氣氛中的大氣CO2濃度。
  15. 如請求項1之成長系統，其中該成長系統係水耕成長系統。
  16. 一種用於在成長系統中加速位於營養溶液中之秧苗成長的方法，其包括以下步驟：觀察秧苗以監測該秧苗在複數個植物成熟期進程期間之成 長，其中：第二植物成熟期開始於初次觀察到該秧苗成長時，且終止於相對於該秧苗之其他葉或芽發育出全葉或全芽時；第三植物成熟期開始於該第二植物成熟期結束時，且終止於在該植物中發生如取決於植物物種之完全植物成熟時；且第四植物成熟期開始於達到完全成熟時，且終止於準備好收穫該植物時；計算開/關燈週期之總數及每一開/關週期之持續時間，其中一個週期為打開及關閉LED成長燈，其中該計算包含：藉由用第一分數乘以給定植物物種之以小時表示之推薦照明週期來計算在該第二植物成熟期的第一部分期間該LED成長燈保持開之小時數；藉由自24小時減去該第一分數與該推薦照明週期之乘積來計算在該第二植物成熟期的該第一部分期間該LED成長燈保持關之小時數；藉由用第二分數乘以以小時表示之該推薦照明週期來計算在該第二植物成熟期的第二部分期間該LED成長燈保持開之小時數；藉由自24小時減去該第二分數與該推薦照明週期之乘積來計算在該第二植物成熟期的該第二部分期間該LED成長燈保持關之小時數；及在該成長系統中藉由根據該等開/關燈週期控制該LED成長燈來執行該等所計算持續時間之該等開/關燈週期之該總數，以加速該秧苗之成長。
  17. 如請求項16之方法，其中該第一分數為1/3且該第二分數為2/3。
  18. 如請求項16之方法，其進一步包括，在該第三植物成熟期期間 對該推薦照明週期使用該LED成長燈每天保持開之小時數，及藉由自24小時減去該推薦照明週期來計算在該第三植物成熟期期間該LED成長燈保持關之小時數。
  19. 如請求項16之方法，其進一步包括，藉由用1/2乘以該推薦照明週期來計算在該第四植物成熟期期間該LED成長燈每天保持開之小時數，及藉由自24小時減去1/2與該推薦照明週期之乘積來計算在該第四植物成熟期期間該LED成長燈保持關之小時數。
  20. 如請求項16之方法，其中成長燈波長、溫度及營養溶液之濃度中之至少一者在該等植物成熟期期間變化。
  21. 如請求項16之方法，其進一步包括以下步驟：在該植物達到該第四植物成熟期時撤掉該營養溶液。
  22. 如請求項16之方法，其進一步包括以下步驟：在該植物達到收穫階段時終止該開/關燈週期。
  23. 如請求項16之方法，其進一步包括以下步驟：在該植物達到該第四植物成熟期時降低成長系統之溫度。
  24. 如請求項16之方法，其中該LED成長燈係紅色LED燈及藍色LED燈中之至少一者。
  25. 如請求項16之方法，其中該LED成長燈具有根據特定植物物種選擇之波長。
  26. 如請求項16之方法，其中藉由該秧苗之視覺分析來觀察該成長。
  27. 如請求項16之方法，其中藉由視頻觀察、雷射感測器及定位/近接感測器中之一或多者來觀察該秧苗之該成長。
  28. 如請求項16之方法，其中藉由量測該秧苗之重量來觀察該秧苗之該成長。
  29. 如請求項16之方法，其中藉由用O2感測器量測該系統中之O2輸 出來觀察該秧苗之該成長。
  30. 如請求項16之方法，其中藉由量測營養溶液之濃度以觀察該秧苗之消耗來確定該秧苗之該成長。
  31. 一種用於促進複數個秧苗在多個階段中快速成長之成長系統，其包括：實質上封閉之容器用於該複數個秧苗的一個或多個秧苗；該封閉容器內之營養溶液；位於該營養溶液內之秧苗；成長燈；及耦聯至該成長燈之控制器，其被編程於：接收關於該第一秧苗成長之資訊；計算秧苗應力持續時間，其中該秧苗應力持續時間開始於將第一秧苗定位於該成長系統中，且終止於觀察到該第一秧苗成長時；將該秧苗應力持續時間分成複數個亞期；基於第二秧苗已達到之該亞期，基於逝去時間確定位於該成長系統中之該第二秧苗之亞期因數；計算開/關燈週期之總數及每一開/關週期之持續時間，其中一個週期為打開及關閉該成長燈；及在該成長系統中控制該成長燈以執行該總數之所計算開/關燈週期，每一週期持續該成長燈開之時間及該成長燈關之時間之所計算持續時間。
  32. 如請求項31的成長系統，其中該成長燈包含複數個紅色燈及藍色燈，且該控制器被編程以將所需的紅色燈與藍色燈之比率傳遞給該複數個秧苗。
  33. 如請求項31的成長系統，其中該成長燈包含複數個燈或LED燈， 且該控制器被編程以將一個或多個特定的光波長傳遞給該複數個秧苗。
  34. 如請求項31的成長系統，其中該控制器被編程以在該複數個亞期之後控制該生長燈的單個、固定的24小時開/關燈週期。
  35. 如請求項34的成長系統，其中該單個、固定的開/關燈週期的開部分包含在該複數個亞期的最後亞期期間之推薦開時間的一半。
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