一种智慧立体多功能生态种植系统及方法与流程

1.本发明属于智慧农业及智能制造技术领域，具体涉及一种智慧立体多功能生态种植系统及方法。


背景技术：

2.现阶段农作物的生长受到土壤污染、水污染、病虫害以及气候环境的影响，致使传统生产的植物如水果蔬菜饱受农药、化肥、土壤污染，从而发生食品安全问题。随着人们生活水平的提高，食品安全问题越来越受到大众关注，无污染、有机、营养、新鲜的蔬菜水果需求日益增长，因此，高产量无污染的现代植物工厂应运而生。
3.目前植物工厂的播种育苗区和生长区是分开的，需要占用各自的空间，同时需要两套设备及水和营养供给系统，生产过程是先在水平放置的种植板内完成播种育苗，然后将幼苗移植到水平或竖直设置的生长区，这就造成单位面积的产量偏低，同时将植物幼苗从育苗设备定植到生长区还增加了大量的人力成本，致使多数现有植物工厂成本过高。例如富士康在深圳的植物工厂、松下电器在苏州的植物工厂、京东方在北京的植物工厂等等，所有这些植物工厂均设置有占据相当大空间的育苗区以及占据大面积的独立的生长区，播种育苗区和生长区分开，不仅浪费了大量空间，而且大大增加了设备和运行成本。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种智慧立体多功能生态种植系统及方法，它将植物播种育苗和生长三合一，可以大大减少设备、过程、人力、时间、水电、空间等成本，实现植物工厂的低成本和高产量。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种智慧立体多功能生态种植系统，包括：
6.种植箱，其至少一个面为透光面或裸露面；
7.种植单元，设置在种植箱内，所述种植单元包括在竖直面内紧密排列的若干个种植板，每个种植板上设有若干个种植孔，所述种植孔内设置有种子塞，所述种子塞内固定有待播种子；
8.喷雾单元，设置在种植箱内，用于向待播种子喷灌营养液；
9.补光单元，设置在种植箱内，用于向待播种子提供光照；
10.气候调节单元，设置在种植箱上，用于对待播种子所处环境的空气组成、温度以及湿度进行调节；
11.控制器，用于根据待播种子不同生育期的时长，分别控制喷雾单元喷灌的营养液的配比和流量、补光单元提供的光照的时间和强度、气候调节单元调节待播种子所处环境的空气组成、温度以及湿度。
12.可选的，所述种子塞包括壳体、种子膜和生长圈，若干个所述生长圈充满在壳体内且不会从壳体掉落，所述种子膜固定待播种子后设置在壳体内且被生长圈紧密包裹，所述
种子膜上开设有多个小于待播种子的孔，所述生长圈、种子膜均采用可降解材料制成。
13.可选的，所述竖直面成对设置，每对竖直面内的种植板的种子塞相对且间隔一定间距设置，在该间距内设置一套所述喷雾单元，该喷雾单元用于向位于其两侧的种子塞喷灌营养液。
14.可选的，所述喷雾单元包括喷雾管，所述喷雾管的两侧设有若干个喷雾孔，喷雾孔处安装有喷嘴。
15.可选的，所述喷雾单元包括混配箱、营养液供给箱和水箱，所述混配箱设有两个入口分别与营养液供给箱和水箱连接，所述混配箱设有一个出口与喷雾管连接。
16.可选的，该系统还包括废水收集单元、过滤单元和循环水单元，所述废水收集单元用于收集喷雾单元喷灌后的液体，所述过滤单元用于对废水收集单元收集的液体进行过滤得到滤液，所述循环水单元与水箱连接且用于将所述滤液输送至水箱。
17.可选的，该系统还包括用于将种植板吊装至种植箱内的电磁调节导轨单元。
18.可选的，该系统还包括用于对种植单元进行清洁的清洁单元。
19.可选的，该系统还包括用于监测待播种子生长状态的监测单元，所述监测单元与控制器连接，所述控制器根据监测单元发送的生长状态分别控制喷雾单元喷灌的营养液的配比和流量、补光单元提供的光照的时间和强度、气候调节单元调节待播种子所处环境的空气组成、温度以及湿度。
20.相应的，本发明还提供一种基于上述系统的智慧立体多功能生态种植方法，包括以下步骤：
21.s1、播种阶段：先将待播种子固定在种子塞内，然后将种子塞安装在种植板的种植孔处，再将种植板在竖直面内安装到种植箱内；
22.s2、育苗和生长阶段：控制器根据待播种子的生长规模，分别控制喷雾单元喷灌设定配比和流量的营养液，控制补光单元提供设定时间和强度的光照的，控制气候调节单元调节待播种子所处环境至设定空气组成、温度以及湿度；
23.s3、收割阶段：待植物成熟后，进行收割。
24.本发明产生的有益效果是：本发明克服了目前播种、育苗和种植分离的局限，通过设计一种种子塞可以固定其内待播种子，可以使得种子塞在任意方向放置而不会使待播种子掉落，实现待播种子在竖直面内的播种育苗，如此便可以将播种育苗区和生长区合并在一个竖直面内，可以大大减少占用空间，减少设备、过程、人力、时间、水电、空间等成本，实现植物工厂的低成本和高产量；同时，本发明通过设置控制器，使其可以根据待播种子的生育期控制喷雾单元、补光单元和气候调节单元工作，可以针对不同植物的最优化的生长参数进行自动调节和控制，从而获得最高产量和最佳营养，而且使本系统不受外部环境季节影响，可以实现常年种植；另外，本发明在竖直面内设置种植板，可以降低收割运行维护及清洁费用。
附图说明
25.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
26.图1是本发明提供的智慧立体多功能生态种植系统的结构示意图；
27.图2是本发明实施例中种植单元的结构示意图；
28.图3是本发明实施例中种子塞第一实施例的结构示意图；
29.图4是本发明实施例中种子塞第一实施例的剖视图；
30.图5是本发明实施例中种子塞第二实施例的结构示意图；
31.图6是本发明实施例中喷雾管的结构示意图。
32.图中：1-种植箱，2-种植单元，2.1-种植板，2.2-种子塞，2.2.1-壳体，2.2.2-种子膜，2.2.3-生长圈，2.2.4-盖板，2.2.5-通孔，3-喷雾单元，3.1-喷雾管，3.2-喷嘴，5-补光单元，6-营养液供给箱，7-混配箱，9-水箱，10-循环水单元，11-过滤单元，12-废水收集单元，13-控制器，14-电磁调节导轨单元，14.1-机器人导向板，14.2-模块化拆卸巢，15-清洁单元，16-气候调节单元。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上。
36.下面结合图1-图6描述本发明的一种智慧立体多功能生态种植系统及方法。
37.如图1、图2所示，本发明提供一种智慧立体多功能生态种植系统，包括：
38.种植箱1，其至少一个面为透光面或裸露面；
39.种植单元2，设置在种植箱1内，种植单元2包括在竖直面内紧密排列的若干个种植板2.1，每个种植板2.1上设有若干个种植孔，种植孔内设置有种子塞2.2，种子塞2.2内固定有待播种子，本实施例中同一竖直面内的种植孔成畦排列；
40.喷雾单元3，设置在种植箱1内，用于向待播种子喷灌营养液；
41.补光单元5，设置在种植箱1内，用于向待播种子提供光照，以确保植物整个生长过程状况最佳并获得单位面积的最高产量，具体的，补光单元可采用双面植物补光灯用于对位于其两侧的种植板进行光的补给，补光单元可以根据不同植物种类、不同生长阶段设置不同波长配比，优选的，补光单元中设有散热装置，确保在高效促进植物生长的同时，不会对植物造成热伤害；
42.气候调节单元16，设置在种植箱1上，用于对待播种子所处环境的空气组成、温度以及湿度进行调节，具体的，用于确保整个植物生长过程中不同阶段适宜的温度、湿度、co2浓度、o2浓度等等；
43.控制器13，用于根据待播种子不同生育期的时长，分别控制喷雾单元3喷灌的营养液的配比和流量、补光单元5提供的光照的时间和强度、气候调节单元16调节待播种子所处环境的空气组成、温度以及湿度。
44.在一个实施例中，如图3、图4所示，种子塞包括壳体2.2.1、种子膜2.2.2和生长圈2.2.3，若干个生长圈充满在壳体内且不会从壳体掉落，种子膜固定待播种子后设置在壳体内且被生长圈紧密包裹，种子膜上开设有多个小于待播种子的孔，生长圈、种子膜均采用可降解材料制成，种子膜主要固定种子以及确保种子发芽，生长圈主要确保植物生长过程中自由伸展。该种子塞通过在壳体内填充满生长圈，不论壳体如何放置，生长圈始终位于壳体内而不会掉落，然后将种子膜塞在生长圈内被固定，种子膜上开设小孔(种子膜看通过网格设计形成小孔)用于与外部连通，以给种子膜内的种子提供营养液，种子育苗阶段，根系逐渐深入生长圈之间持续被固定而不会掉落，由于种子膜和生长圈均采用可降解材料制作，因此在种子生长过程中，种子膜和生长圈会慢慢降解，从而给根部提供生长空间。种子塞内部空间大小通过材料的降解发生变化，以满足植物从播种、育苗到生长过程中尺寸不断变化的要求，从而起到不同阶段固定种子、幼苗和成熟植物的作用，实现立体播种、育苗和生长三合一。种子塞中植物从种子到成熟植物的扩展变化可以从0.1～60毫米，而植物成熟后的根部则可以进一步穿过种子塞向下方扩展。
45.优选的，生长圈可制作成疏松的网状或蜂窝状等结构以提高伸展性，有利于植物生长过程中澎大和材料降解，种子膜可制作成较紧密的网状结构，布局较紧密，可以使得种子不会掉落。生长圈、种子膜可采用如由废弃农作物(如果皮、树叶、绿草等)制成的淀粉膜、纤维膜以及pla等可降解高分子生物材料制作，较为疏松的生长圈的密度可为0.01～0.09g/cm3，较为密实的种子膜的密度可为0.1～0.5g/cm3。进一步的，生长圈的形状可为球形、圆饼形或橄榄球形，也可以是使生长圈直接能紧密接触的其它形状。
46.在另一个实施例中，如图5所示，种子塞的壳体的一端设置有盖板2.2.4，盖板2.2.4上设有通孔2.2.5，优选的，通孔的形状为圆形、矩形、椭圆形、三角形、花瓣形、蜂窝形、网格形或星形。通过设置带通孔的盖板，可以使得种子发芽后苗从通孔中伸出，通孔的形状根据不同的植物设计，可以更美观。
47.在一个实施例中，如图1所示，竖直面成对设置，每对竖直面内的种植板的种子塞相对且间隔一定间距设置，在该间距内设置一套喷雾单元，该喷雾单元用于向位于其两侧的种子塞喷灌营养液。通过一套喷雾单元可以均匀喷雾的形式为其两侧的植物提供不同阶段所需的养分和水满足植物发芽生长需要，可以进一步减少空间和设备投入，增加种植密度提高产量，并且大大节约种植过程的用水量。
48.在一个实施例中，如图6所示，喷雾单元包括喷雾管3.1，喷雾管的两侧设有若干个喷雾孔，喷雾孔处安装有喷嘴3.2，喷雾单元对植物从种子播种后的整个生长过程进行营养和水的供给，其中每一株植物的灌溉过程采用喷雾灌溉方式而不是现有普通植物工厂的水培方式，喷雾量可以根据植物不同生长阶段进行调节，确保以设定流量对植物进行均匀喷雾，提高产量。
49.优选的，如图1所示，喷雾单元还包括混配箱7、营养液供给箱6和水箱9，混配箱设有两个入口分别与营养液供给箱和水箱连接，混配箱设有一个出口与喷雾管连接。营养液和水以一定的比例在混配箱中混合经由喷雾单元对不同阶段的植物包括种子、幼苗和生长期进行营养供给，通过调节营养液配比、流量，可以获得产量最高营养成分最佳的蔬菜水果。
50.在一个实施例中，如图1所示，该系统还包括废水收集单元12、过滤单元11和循环水单元10，废水收集单元用于收集喷雾单元喷灌后的液体，过滤单元用于对废水收集单元收集的液体进行过滤得到滤液，循环水单元与水箱连接且用于将滤液输送至水箱。通过对系统中的水和营养液进行处理和重新利用，可以大大节省资源，使得植物生长的用水量仅仅是传统农业的5％左右。
51.在一个实施例中，如图1所示，该系统还包括用于将种植板吊装至种植箱内的电磁调节导轨单元14，电磁调节导轨单元将已经完成播种的种植板导入到种植箱中，可与起到调节和固定种植板的作用。优选的，如图2所示，电磁调节导轨单元14包括电磁导轨、机器人导向板14.1和模块化拆卸巢14.2，电磁导轨沿纵横两向布置在竖直面内，机器人导向板沿横向、模块化拆卸巢沿纵向设置在种植板上，且与各向的电磁导轨滑动连接，采用机器人通过模块化拆卸巢将种植板移动至指定高度，再通过机器人导向板对种植板进行固定，可以实现高密度垂直种植，同时种植板在竖直面内紧密布置，可以大大增加种植密度，提高产量，同时大大节约用水量。
52.在一个实施例中，如图1所示，该系统还包括用于对种植单元进行清洁的清洁单元15，可与控制器连接，自动对整个垂直种植板进行自清洁。
53.在一个实施例中，如图1所示，该系统还包括用于监测待播种子生长状态的监测单元(图中未示意)，监测单元与控制器连接，控制器根据监测单元发送的生长状态分别控制喷雾单元喷灌的营养液的配比和流量、补光单元提供的光照的时间和强度、气候调节单元调节待播种子所处环境的空气组成、温度以及湿度。农作物的生育期指从播种至成熟的时期，一般包括播种期、育苗期、生长期和收成期，同一农作物的各生育期的时长不同，不同的农作物的生育期也不同，不同阶段需要的营养液、光照、气候调节均不同，在实际生长中，由于植物生长快慢，与理论生育期也存在不同，因此，通过设置监测单元，实时获取植物的生长状态，控制器再据此实际生长情况控制喷雾单元、补光单元和气候调节单元工作，实现智能优化调控。植物从播种到生长的整个过程由监测单元和控制共同作用进行优化调控，通过调节营养液配比、流量、光强、气候等参数获得产量最高营养成分最佳的蔬菜水果。
54.相应的，本发明还提供一种基于上述系统的智慧立体多功能生态种植方法，包括以下步骤：
55.s1、播种阶段：先将待播种子固定在种子塞内，然后将种子塞安装在种植板的种植孔处，再将种植板在竖直面内安装到种植箱内；
56.s2、育苗和生长阶段：控制器根据待播种子的生长规模，分别控制喷雾单元喷灌设定配比和流量的营养液，控制补光单元提供设定时间和强度的光照的，控制气候调节单元调节待播种子所处环境至设定空气组成、温度以及湿度；
57.s3、收割阶段：待植物成熟后，进行收割。
58.本发明的植物播种育苗和生长在同一套种植板内完成，营养液和水、光照、气候调
节、控制器等仅需一套设备就可以同时满足育苗和生长过程的养分和控制。本发明可同时实现高密度垂直种植、播种育苗和种植一体化、机器人自动播种收割，通过控制器实现植物从播种到生长的整个过程中不同阶段的营养液组成和比例、光照时间和强度以及气候条件的优化调控，以获得产量最高营养成分最佳的蔬菜水果，是一种智慧立体多功能生态农业系统。
59.本发明可实现极高的单位面积种植率以及极高的生长速度，种植板面积为1-50平方米，可依据地面大小及空间高度调节，便于收割的优化的面积大小为2-8平方米，种植板与种植板之间的距离为20-60厘米，并依据种植的不同植物种类进行调节，对于30平方米的面积空间，依据密闭式或开放式高度空间从3-10米计算，垂直种植板的空间种植面积可达到300-1500平方米，是实际地面面积的10-50倍；同时由于垂直种植板收割方便，可以采用更高密度的种植孔巢，每平方米种植板单次可种植蔬菜水果80-200株，可以达到水平板的2-5倍的密度，每平方米土地单次种植蔬菜水果可达500-5000株，产量大大提高。本发明每年可种植不同水果蔬菜20-24次，每平方米地面面积年产草莓量可达5000—15000公斤，年产绿叶蔬菜可达2000—5000公斤，是传统农业和温室大棚的50-300倍，而用水量仅为温室大棚的5％，同时该系统可以常年种植，不受环境季节影响，同时达到营养成分和口感最佳，实现了全自动化并可远程监控。本发明可以设置成开放式、密闭式和移动式，可规模化生产。
60.本发明可应用于生态农业和智能制造生产领域，通过本发明方法制备的智慧立体生态农业系统可应用于农业、生物科技、环保、生命健康等领域，还可应用于高密度常年种植蔬菜水果、中草药等等。
61.本发明集中了先进生物技术、大数据与模拟仿真技术、优化控制和人工智能技术，通过自主研发的自动控制系统针对不同植物的最优化的生长参数实现对蔬菜的温度、湿度、营养成分、气流、光照等的优化监测和控制。与现有的传统大棚种植和水培栽培种植相比，本发明环境适应性强、自动化程度高、产量高、运行费用低。
62.此外，现有水培植物工厂多采用单层或多层水平种植板，这种方式造成种植收割需要大量人力物力，同时这种方式容易滋生细菌和霉菌造成维护和清洁困难。而本发明采用立体垂直种植板，可以大大减少播种收割和维护清洁的成本，并大大提高了单位面积的产量，实现了极高的单位面积种植率。本发明可以采用智能机器人进行播种收割，大大节约了人力成本。
63.以下以种植草莓和生菜，对本发明进行进一步说明。
64.实施例1
65.采用本发明种植草莓，在地面面积为30平方米(宽5米，长6米)高度为3米的空间范围内建立了如图1所示的智慧立体种植系统。种植系统中有种植孔16000个，三合一种子塞的内部可扩展尺寸为0.2-40毫米。该系统可单次种植草莓16000株。在图2所示的三合一种子塞中播下16000粒草莓种子，然后置于图1所示的种植系统中。在种子到幼苗阶段，从喷雾单元中的喷雾孔喷射一定比例的营养混合液，并调节适宜的温度、湿度、co2和o2，此阶段无需平行补光。大约3天后幼苗长出，此阶段通入一定比例的营养混合液，并调节适宜的温度、湿度、co2和o2，此阶段进行间断补光。大约1周后，草莓进入开花结果期，此阶段补光强度增加。第一次采摘时间大约在播种后的第13天开始，之后草莓逐日成熟，每天可以采摘，到第
16天时称重，共摘得草莓15000公斤。平均每平方米地面面积单次生产草莓大约500公斤，成熟期大约15天。年产草莓可达20-24次。根据草莓品种不同，每平方米地面面积年产草莓可达5000—15000公斤。
66.实施例2
67.采用本发明种植生菜，在图1所示的智慧种植系统中种植生菜，在图2所示的种子塞中播下16000粒生菜种子，然后置于图1所示的种植系统中。在种子到幼苗阶段，从喷雾单元中的喷雾孔通入一定比例的营养混合液，并调节适宜的温度、湿度、co2和o2，此阶段无需平行补光。大约2天后幼苗长出，此阶段通入一定比例的营养混合液，并调节适宜的温度、湿度、co2和o2，此阶段进行间断补光。大约1周后，生菜生长处于旺盛阶段，此阶段补光强度增加，12天左右可以收割。共收割生菜约3000公斤。平均每平方米地面面积单次生产生菜大约100公斤，成熟期大约12天。年产生菜可达24-30次。根据生菜品种不同，每平方米地面面积年产生菜可达2000—3500公斤。
68.综上，本发明具有以下优点：1、采用垂直种植板可以获得极高的种植密度，大大提升产量，并易于收割维护清洁；2、采用播种育苗生长三合一种子塞，与育苗、生长独立的植物工厂相比，大大减少所需设备及空间，大大提高单位产量；3、采用智能控制器，随时调整各控制参数获得最理想的产品和最高的产量，包括味道最佳的蔬菜水果；4、通过调节营养液和平行补光单元，获得极高的生长速度，大大增加产量；5、种植范围广，可种植不同种类水果蔬菜；6、一年四季可以种植，不受外部环境影响；6、无化肥无农药无虫害无污染；7、可以是开放式和密闭式，适合规模化生产；8、用水量仅为温室大棚的5％，大大节约水资源；9、产量是传统和温室大棚的50-300倍。
69.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。