用于优化水培系统中的营养物输送的装置和方法

用于优化水培系统中的营养物输送的装置和方法
【专利摘要】这里公开了一种用于提高在水培系统中向植物输送营养物的方法和装置。根据本发明多个实施例的耕种组件包括框架(18)、水槽(12)和调节器(16)。框架设置成将多个植物(4)保持在水槽上面的植物接收位置中，其中，水槽装有液体，例如水和营养液。调节器通过相对于水槽升高框架、相对于框架降低水槽、或者利用门(36)作为水槽中的堰而控制在框架中的多个植物和水槽中的液体之间的距离。因此，本发明的多个实施例调节根部(19)暴露于空气中或浸没在液体中的比率。通过控制在液体和植物的根部之间的距离，本发明能够使得植物暴露于空气中特定时间量(例如30分钟)，然后浸没在液体中特定时间量，这有增加营养物向植物的输送和增加植物生长速度的效果。
【专利说明】用于优化水培系统中的营养物输送的装置和方法

【技术领域】
[0001]本发明的实施例通常涉及农业技术，更特别是涉及优化在水培系统中的输送的方法和装置。

【背景技术】
[0002]多年来，农学家、园艺学家、植物学家和农场主已经知道某些种类的生产食物的植物将在世界的某些区域中生长得更好、更快和更多产。原因有很多，包括在不同区域中的土壤、生长季节、温度和降雨量的差异以及不同植物的基因组成的差异。
[0003]在某些区域中种植某些种类的生产食物的植物的这种困难将导致在该区域中的食品商、交易市场和饭店从世界上的其它区域(在该区域中，这种生产食物的植物生长最好)获得由这种生产食物的植物提供的水果和蔬菜。水果和蔬菜通常通过飞机、船、火车、卡车和/或它们的组合来运输至食品商、交易市场和饭店。过去，运输水果和蔬菜的成本相对便宜。不过，随着燃料价格增加的总体趋势，水果和蔬菜的运输成本也将上升，从而使得水果和蔬菜的运输更没有吸引力，并使得这些水果和蔬菜的购买价格更高。
[0004]因此，在本行业中需要这样的装置和方法，它们能够在本地地区种植生产食物的植物(由该植物提供的水果和蔬菜在该本地地区来出售和/或消费)，它们使得运输这种水果和蔬菜的成本最低，且它们解决了目前的装置和方法的这些和其它问题、困难和缺点。


【发明内容】

[0005]因此，为了解决上述需要和缺陷，根据示例实施例提供了用于在水培系统中向植物高效输送营养物的方法和装置。
[0006]一个实施例提供了一种用于种植植物的方法，它包括以下步骤:将具有根部的多个植物定位在框架中，该框架例如(而并不局限于)聚氯乙烯(PVC)管，基本在水槽上面，且根部悬在框架上；使得液体例如水和营养液流入水槽中，该液体有表面，该表面确定了相对于框架的距离；以及调节在框架和液体表面之间的距离。调节步骤可以包括:使得水槽运动成更接近框架，同时使得框架保持在静止位置；使得框架运动成更接近水槽，同时使得水槽保持在静止位置；驱动与水槽或框架连接的止动器；或者利用计算机装置，该计算机装置设置成在特定时间间隔中驱动止动器，例如(非限定)30分钟。该多个植物的根部可以容纳于篮中，该篮悬在水槽和/或框架内部。该篮可以由允许植物的根部从液体获得营养物的任意材料来构成，例如线篮或网篮。
[0007]另一实施例提供了一种装置，它包括:框架，该框架设置成保持多个植物，这些植物有悬在其上的根部；水槽，该水槽定位成基本在所述框架下面，所述水槽有第一端和远离所述第一端的第二端，所述水槽用于使得液体在其中在所述第一端和所述第二端之间流动；以及调节器，用于改变在液体的表面和所述框架之间的距离。框架还包括多个植物接收部分，用于接收多个植物。
[0008]调节器包括计算机系统和促动器，其中，所述计算机系统设置成向促动器传递信号，以便使得促动器控制门，例如使得门绕纵向轴线相对于框架旋转。计算机系统可以设置成传递信号，以便使得促动器使门相对于框架旋转30度和90度的角度。
[0009]本发明提供了多种方式，其中，调节器能够控制在液体和该多个植物之间的距离。例如，调节器可以与框架连接，并设置成相对于水槽升高和降低框架。调节器可以与水槽连接，并设置成相对于框架升高和降低水槽。也可选择，调节器可以包括挡水装置，该挡水装置定位在水槽的内部，以便控制水通过该挡水装置。
[0010]本发明的多个实施例也包括用于调节根部暴露于空气中或浸没在液体中的比率的方法、装置和方式。尽管只打开和关闭在水槽中的液体，但是本发明可以导致100%的根部暴露于空气中，或者100%的根部暴露于营养液(例如水)中。不过，本发明的多个实施例提供了更可调节的营养物输送系统，因为系统的目标可以是使得特定百分数的根部在任意给定时间暴露于空气中或者营养液中。例如，本发明的多个实施例可以设置成使得10%的根部暴露于空气中30分钟，然后90%的根部暴露30分钟。实际上，任何排列都能够在计算机系统中进行编程，以便优化植物的生长。现有技术没有提供用于这种定制输送的方法，因此本发明提供了用于植物生长优化的更优方案。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]下面将参考附图总体介绍本发明的实施例，附图并不需要按比例画出，且附图中:
[0012]图1-2表示了根据本发明实施例的耕种系统。
[0013]图3A提供了根据本发明实施例的耕种系统的剖视图，其中根部浸没在营养液中。
[0014]图3B是根据本发明另一实施例的耕种系统的剖视图，其中根部暴露于空气中。
[0015]图4是根据本发明还一实施例的耕种系统的剖视图。
[0016]图5是表示根据本发明实施例的耕种系统的部件的方框图。
[0017]图6是表示根据本发明一个实施例的调节器的方框图。
[0018]图7是表示根据本发明实施例的方法的步骤的流程图。

【具体实施方式】
[0019]下面将参考附图更充分地介绍本发明，附图中表示了本发明的一些(但并不是全部)实施例。实际上，本发明可以以多种不同形式来实施，且并不认为局限于这里所述的实施例；而是，这些实施例提供为使得本说明书满足可应用的法律要求。相同参考标号始终表示相同元件。
[0020]根据图1-2中所示的本发明示例实施例，耕种组件100包括水槽架组件11，该水槽架组件11包括多个水槽12和多个主水槽槽道15，其中，水槽相对于主水槽槽道沿水平轴线延伸。多个水槽12设置成用于保持多个植物14，并在至少一端上与主水槽槽道15连接。本领域技术人员应当知道，主水槽槽道15在较大的耕种组件实施例中使用，因此，在较小的情况中，耕种组件可以只包括单个水槽12。
[0021] 各水槽12可以包括用于保持多个植物的任意合适机构、装置或结构。例如和非限定，水槽12可以包括PVC管结构或塑料盘。水槽12还可以是能够保持任意类型液体的装置，例如保持水和营养液。本领域技术人员应当知道，在本发明的精神和范围内，各水槽12可以包括任意数目的装置。
[0022]各水槽12可以包括多个植物接收器16，用于保持多个植物14。植物可以通过框架18而固定在它的相应植物接收位置中，该框架18例如线或网篮，它与植物接收位置连接。各框架18设置成接收植物，因此根部悬在该框架上，并落入水槽12内部，且植物的顶部部分保持高于水槽12的轮廓。
[0023]图3A提供了根据本发明实施例的耕种系统的剖视图，其中根部19浸没在水或营养液中。如图3A中所示，水或营养液设置成达到预定高度23。本领域技术人员应当知道，可以使用任意预定高度，以便使得植物14的所需百分率的根部19暴露于水或营养液中。
[0024]在图3B所示的实施例中，定时器31和升高马达32用作调节器机构，以便使得植物14升高至水或营养液外，从而使得根部19暴露于空气中。在预定时间，升高马达32从定时器31接收信号，在响应时升高框架18至水槽12外，从而使得植物14的根部19暴露于空气中。本领域技术人员应当知道，除了定时器和升高马达，任意数目的其它机构可以用于控制在水槽12内的水的高度。
[0025]例如和非限定，各水槽可以包括门36，再参考图3A，该门36定位成与第一端相对。该门36可以包括任意数目的结构，包括但不局限于挡水装置，该挡水装置设置成与水槽的内部轮廓相符，以便防止液体通过。门36定位成允许液体通过，因此降低在水槽内的液体的高度。当水高度降低时，多个植物的根部暴露于空气。挡水装置可以升高，以便防止液体通过该门。门36可以响应来自调节器的信号而升高，例如当经过特定量的时间时。例如和非限定，该时间量可以包括30分钟。一旦门36升高至特定高度，在水槽内的液体的高度更高，因此该多个植物的根部浸没在液体内。
[0026]图4是根据本发明还一实施例的耕种系统的剖视图。在本发明的该实施例中，阀41用于控制在水槽12内的水的流量和高度。该阀41可以包括任意数目的商品化或定制的阀。例如，阀41可以包括具有均匀流动内径的任何阀，或者流量通过使得从主水槽槽道通向特殊水槽(该水槽包括植物)的进口的内径变窄而进行控制的阀。本领域技术人员应当知道，在本发明的精神和范围内可以使用任意数目的阀结构。在还一实施例中，定时器42可以与阀41通信连接，以便控制阀41在不同时间的直径，因此控制阀41，以便在编程时间间隔中在预定时间从水供给源43向植物14输送营养液或水。
[0027]图5是表示根据本发明实施例的耕种系统的部件的方框图。调节器16可以只与框架18连接，如图5中所示。在另一实施例中，调节器16可以只与水槽12连接，或者在还一实施例中，调节器16可以与水槽12和框架18都连接。在调节器和耕种系统的其它部件之间的这些连接将取决于采用哪一种实施例。例如，当采用的本发明实施例将相对于水槽12升高和降低框架18，以便控制在液体和容纳于框架18内的植物的根部之间的距离时，调节器将与框架18连接，且也可选择，与框架18和水槽12连接。
[0028]图6是根据本发明一个实施例的调节器的方框图。在本发明的多个实施例中，调节器可以包括设置成增加和减小在框架和水槽中的液体的表面高度之间的距离的任意机构或装置。在一个实施例中，调节器可以包括与门(或挡水)装置结合使用的定时器。在另一实施例中，在阀装置中，阀设置成有变化的内径，用于控制在水槽12中的水流动。
[0029]在图6所示的该实施例中，调节器29可以包括计算机系统22和促动器机构24，该促动器机构24可以由计算机系统22来控制。门28 (该门28可以由促动器机构24来控制)定位在耕种系统100中，以便增加和减小在框架和水槽中的液体的表面高度之间的距离。例如和非限定，门28可以布置在水槽的第二端处，以便控制离开水槽的水量(和因此控制保留在水槽内的水量)。
[0030]如上所述，促动器机构24可操作地连接在计算机系统22和门28之间。门28的轮廓和形状可以与水槽的截面匹配或基本匹配，从而门可以阻止水进入水槽内和流出。在该实施例中，门28可以与水槽可枢转地连接，以便允许更多或更少的水流动或离开水槽，或者在另一实施例中，门28可以相对于水槽沿竖直方向平移，以便控制液体的流动。
[0031]促动器机构24可以包括任意数目的、用于使得门旋转、升高或下降的机械装置，或者可以与计算机装置连接或不连接。例如和非限定，这样的的促动器机构可以包括设置成使得门28枢转90或30度的杠杆臂或者电提升马达。电升高马达可以(而非限定)结合定时器来工作，如图3B中所示。促动器机构还可以包括用于使得轴旋转的马达，该轴穿过水槽12延伸，从而当马达使得轴转动30度时，门28绕轴的纵向轴线转动30度，从而允许更多或更少的液体离开水槽12。计算机系统22可以向促动器机构24发送信号，以便命令产生特定动作。例如，当经过特定量的时间时，计算机系统22可以命令促动器机构降低门28的位置，以便允许水流过该门，因此降低水高度。门28可以通过包括马达或连杆系统的任意机械装置而降低或升高。
[0032]门28可以布置在耕种组件100的任意一端。本领域技术人员应当知道门28可以相对于水槽12以任意方式来定位，以便控制在水槽12内的水量和水的水平面，还控制水的高度。
[0033]尽管上面已经结合图1-6介绍了本发明的示例实施例，下面还参考图7提供了由用户执行的操作的流程图。应当知道，流程图的各方框以及在流程图中的方框的组合可以由用户实施为包括多种装置，例如硬件、固件、处理器、电路和/或与实施软件(该软件包括一个或多个计算机程序指令)相关联的其它装置。例如，由流程图所示的一个或多个处理过程可以由计算机程序指令来实施。在该方面，实施由流程图所示的处理过程的计算机程序指令可以由实施本发明实施例的装置的存储器装置来储存，并由装置中的处理器来执行。
[0034]应当知道，任何这样的计算机程序指令可以装载在计算机或其它可编程装置(例如硬件)上，以便产生机器，从而形成的计算机或其它可编程装置提供为用于实施在流程图方框中规定的功能。这些计算机程序指令还可以储存在非暂时性的计算机可读储存存储器中，它可以引导计算机或其它可编程装置来以特殊方式起作用，从而储存在计算机可读储存存储器中的指令产生制造项目，该制造项目的执行将实现在流程图方框中规定的功能。计算机程序指令还可以装载在计算机或其它可编程装置上，以便引起在计算机或其它可编程装置上执行的一系列操作，从而产生计算机执行的处理，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供了用于实现在流程图方框中规定的功能的操作。
[0035]因此，流程图的方框支持用于执行规定功能的装置的组合以及用于执行规定功能的操作的组合。还应当知道，流程图的一个或多个方框以及在流程图中的方框的组合能够通过专用目的的基于硬件的计算机系统(该计算机系统执行特定功能)或者特定目的硬件和计算机指令的组合来实现。
[0036]图7表示了由任意类型的用户采取的步骤，其中，在操作本发明的系统中，用户不仅包括人用户，还包括任意类型的计算机、计算机执行的处理等。如图7中所示，方法700开始于步骤70，并前进至将具有根部的多个植物定位在基本在水槽上面的框架中的步骤，其中，根部悬在框架上。各框架可以包括能够保持植物和植物的根部的任意机构或结构，例如和非限定，线、网或者任意其它类型的材料(该材料可以允许水进入至植物的根部)制造的篮。
[0037]然后，方法700前进至步骤72，这使得液体在水槽中流动，其中，液体有表面，该表面确定了相对于框架的距离。
[0038]一旦液体在水槽中流动，方法700包括在步骤73中调节在框架和液体的表面区域之间的距离。该步骤可以包括任意数目的方法或结构，包括调节器，例如与升高马达、可变驱动泵或者布置于水槽中的门或挡水装置结合使用的定时器。在利用可变驱动泵的实施例中，在任意给定时间，可变驱动泵可以调节它的速度，因此调节流量输出，以便补偿阀的当前状态。因此，更多阀打开，以便产生更大流量，反之亦然。方法700终止于步骤74。
[0039]本发明的多个示例实施例由于多个原因而受益。例如，通过调节在框架和水槽之间的距离，本发明使得位于框架中的植物暴露于空气一段时间和暴露于营养液一段时间，这样导致增加向植物的营养物输送，因此加速植物生长。通过提高营养物输送和增加植物生长速度，本发明使得农场主能够更快速地解决消费者的需求，也实现更高的收益。
[0040]另外，本发明的多个实施例还提供有优于现有技术的其它优点。在水培技术中，营养膜技术(NFT)使用连续的液体流，这部分地意味着NFT的泵的需求是横过给定槽道的流量总量的函数。在本发明的多个实施例中，水的高度与横过槽道的流量直接成正比。因此，与NFT类似，泵的需求是横过槽道的流量总量的函数。不过，与NFT (其中，各槽道有相等的流量)不同，本发明的多个实施例提供了流量的可变性:较高的水导致增加的流量。例如，在一个实施例中(其中，高度横过整个系统对称地交错)，一个槽道有低的高度，而另一槽道有高的高度。在系统中的这种交错高度的净效应是减小峰值流量和在泵上的平均需求，这导致较低的平均流量需求(与NFT相比)。因此，本发明的多个实施例提供了较小和更有能量效率的泵送设置。
[0041]本发明的多个实施例优于NFT的第二附加优点涉及在泵失效或动力停用情况下的水流效果。对于NFT，当在系统中没有任何流体流时，植物将在几小时内开始死亡。因为本发明的多个实施例利用堰来设置水的最小高度，因此当在系统中没有流体流时，特定量的水保持在管中。当该水并不更换时，营养内容物将下降，因此将减慢植物的生长。不过，植物将不会像现有技术系统中那样死亡。因此，本发明的多个实施例包括高效和内置的事故恢复机构。
[0042]受益于前面的说明和附图中的教导的、本发明所属领域的技术人员将想到这里所述的本发明的多个变化形式和其它实施例。因此，应当知道，本发明将不局限于所述的特殊实施例，变化形式和其它实施例将包含在附加权利要求的范围内。尽管这里使用了特殊术语，但是它们只是用于普通和说明的意思，而不是为了限制目的。
【权利要求】
1.一种用于种植植物的方法，包括以下步骤: 将具有根部的多个植物定位在基本在水槽上面的框架中，且根部从框架上悬垂； 使得液体在水槽中流动，所述液体具有限定了相对于框架的距离的表面；以及 调节在框架和液体表面之间的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中:调节包括使得水槽运动成更接近框架，同时使得框架保持在静止位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中:调节包括使得框架运动成更接近水槽，同时使得水槽保持在静止位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中:调节包括调节器驱动与水槽或框架连接的止动器。
5.根据权利要求4所述的方法，其中:所述调节器包括计算机装置，所述计算机装置设置成在特定时间间隔期间驱动止动器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中:所述特定时间间隔能包括30分钟的时间间隔。
7.根据权利要求1所述的方法，其中:框架包括聚氯乙烯(PVC)管。
8.根据权利要求1所述的方法，其中:所述液体包括水和营养液。
9.根据权利要求1所述的方法，其中:所述根部包围在篮中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中:所述篮包括线网篮。
11.根据权利要求1所述的方法，其中:调节步骤包括利用阀来控制水流向框架。
12.一种装置，包括: 框架，所述框架设置成保持多个植物，这些植物具有从框架上悬垂的根部； 水槽，所述水槽定位成基本在所述框架下面，所述水槽具有第一端和远离所述第一端的第二端，所述水槽用于使得其中的流体在所述第一端和所述第二端之间流动；以及调节器，用于改变液体的表面和所述框架之间的距离。
13.根据权利要求12所述的装置，其中:所述框架还包括多个植物接收位置，用于接收多个植物。
14.根据权利要求12所述的装置，其中:调节器包括计算机系统和促动器，其中，所述计算机系统设置成向促动器传递信号，以便使得促动器控制门。
15.根据权利要求14所述的装置，其中:计算机系统设置成传递信号，以便导致促动器使门绕纵向轴线相对于框架旋转。
16.根据权利要求15所述的装置，其中:计算机系统设置成传递信号，以便导致促动器使门相对于框架旋转30度和90度的角度。
17.根据权利要求16所述的装置，其中:调节器与框架连接，并设置成相对于水槽升高和降低框架。
18.根据权利要求12所述的装置，其中:调节器与框架连接，并设置成相对于框架升高和降低水槽。
19.根据权利要求12所述的装置，其中:调节器包括挡水装置，所述挡水装置定位在水槽的内部，以便控制水通过所述挡水装置。
【文档编号】A01G31/02GK104080330SQ201280068237
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年3月29日 优先权日:2011年12月13日
【发明者】M·利奥塔 申请人:波德波尼克斯有限责任公司