本發(fā)明屬于智能農(nóng)業(yè)裝備和節(jié)能管理領(lǐng)域，特別涉及一種智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置及其溫度調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

培育新品種是人類(lèi)改良現(xiàn)有品種，適應(yīng)環(huán)境變化，提升物種抗性的重要手段，合適的人工實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)可以加快生育進(jìn)程。探索適宜于植物生長(zhǎng)的人工環(huán)境需要開(kāi)展大量的科學(xué)試驗(yàn)，勢(shì)必需要有精確調(diào)控光照和溫度等環(huán)境因子的人工設(shè)施，所以，智能的植物生長(zhǎng)裝置有很大的需求市場(chǎng)和潛在的需求空間。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，地球人對(duì)于外太空的探索越來(lái)越頻繁，宇航員的外太空食物供應(yīng)系統(tǒng)也需要這樣的栽植裝置。同樣，家庭種植需求也是智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的潛在市場(chǎng)。

光照和溫度是植物生命過(guò)程中兩個(gè)最主要的環(huán)境因子，兩者具有耦合關(guān)系，互激、互補(bǔ)或相抑地影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)，光照和溫度也是人工光照實(shí)驗(yàn)裝置主要能量消耗的因素，合理地利用光源的熱管理可有效地減少植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的電能耗。相較其他傳統(tǒng)光源，基于led低能耗的優(yōu)點(diǎn)，其已成為植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的主流光源，但很多植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置仍存在光譜、光量達(dá)不到植物的需求，存在光調(diào)控柔性不足的問(wèn)題。傳統(tǒng)的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置一般只有一個(gè)栽培室，存在設(shè)備利用率低、溫度平穩(wěn)性差等缺點(diǎn)，影響環(huán)境因子的調(diào)控精度，且影響試驗(yàn)的精確性、設(shè)備利用率，節(jié)能型的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置有待推出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N基于光溫耦合管理，配備光、溫、水、氣、肥調(diào)控系統(tǒng)，且設(shè)備利用效率高、節(jié)約電能耗的智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)還提供了上述智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的溫度調(diào)控方法。

技術(shù)方案：本申請(qǐng)所述的智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，包括：

托架，起到安裝支撐作用；

箱體，置于托架前部，所述箱體內(nèi)設(shè)有第一栽培室和第二栽培室，所述第一栽培室和第二栽培室配置完全一樣，內(nèi)部放置栽培架，栽培架上設(shè)有種植植物的栽培槽、栽培槽上方設(shè)有水冷式led面光源；

控制系統(tǒng)，置于箱體頂部；

蓋板，置于箱體上方；

公共氣調(diào)間，包括所述第一栽培室和第二栽培室之間、所述栽培室和箱體之間形成的送風(fēng)室，所述蓋板和箱體之間形成的回風(fēng)室，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，其中，所述回風(fēng)室和送風(fēng)室中間設(shè)有換能器，所述送風(fēng)室設(shè)有ptc加熱器和與水冷式led光源散熱水路相連的散熱器，所述進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)有風(fēng)機(jī)；

設(shè)置在托架后部的co2施肥裝置、壓縮機(jī)、肥料桶以及水箱；所述co2施肥裝置、壓縮機(jī)、肥料桶以及水箱直接通過(guò)管道與兩個(gè)栽培室相連接，并且通過(guò)控制系統(tǒng)直接調(diào)控；

所述led面光源的水冷系統(tǒng)通過(guò)管道與水箱相連接，所述led面光源的水冷系統(tǒng)與水箱之間的管道還并列連接有散熱器的分支管道。

將ptc加熱器及散熱器等熱源安裝于公共氣調(diào)間的送風(fēng)室，進(jìn)行多熱源的綜合管理，可使栽培室的溫度分布更加均勻。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述ptc加熱器和散熱器設(shè)置在所述第一栽培室和第二栽培室之間形成的送風(fēng)室內(nèi)，使得熱源處于氣流循環(huán)起始部位，達(dá)到高效綜合利用。

作為另一種優(yōu)選，為了使得第一栽培室和第二栽培室的溫度得以獨(dú)立管理，在所述第一栽培室和第二栽培室之間設(shè)置隔板，在所述隔板左右兩邊分別設(shè)置進(jìn)風(fēng)口。

所述蓋板可拆卸的置于箱體上方，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境隔離，起隔塵防護(hù)作用。

所述風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)機(jī)，采用脈寬調(diào)制(pwm)模式控制風(fēng)機(jī)風(fēng)速。所述風(fēng)機(jī)采用pwm調(diào)控模式，根據(jù)實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度的控溫差值大小來(lái)調(diào)控風(fēng)機(jī)和ptc加熱器的工作狀態(tài)，當(dāng)接近控溫水平時(shí)，調(diào)低ptc加熱器的輸入電壓或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣的調(diào)控方式可避免控溫波動(dòng)大，影響設(shè)備的使用壽命等問(wèn)題，可降低植物對(duì)溫度的應(yīng)急反應(yīng)。

所述水冷式led面光源為多色高功率led，有紅、藍(lán)、黃、綠、白五種光譜組成，其中l(wèi)ed采用陣列單元排布，光源可根據(jù)栽培室的栽培面積配置合適的led陣列數(shù)，可實(shí)現(xiàn)光譜、光能量及光照時(shí)間柔性可調(diào)，且led芯片所產(chǎn)生的熱量可按需回收利用。

所述托架底面設(shè)有滾輪，可以方便整個(gè)裝置的移動(dòng)。

所述的智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置還包括人機(jī)對(duì)話(huà)面板，用戶(hù)可通過(guò)此面板設(shè)置參數(shù)或者獲取實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。

工作原理：所述的智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置為頂送側(cè)回循環(huán)送風(fēng)模式，具體見(jiàn)圖3所示，換能器將新風(fēng)送入公共氣調(diào)間的送風(fēng)室，經(jīng)送風(fēng)室內(nèi)多熱源的綜合管理后，根據(jù)需求開(kāi)啟或關(guān)閉對(duì)應(yīng)栽培室的風(fēng)機(jī)，將空氣泵入對(duì)應(yīng)的栽培室，經(jīng)過(guò)循環(huán)之后回到回風(fēng)室；水冷式led面光源中l(wèi)ed芯片產(chǎn)生的熱量被水冷系統(tǒng)的水置換，然后根據(jù)溫度管理需求分別配置，當(dāng)需要加熱公共氣調(diào)間的空氣時(shí)，開(kāi)啟連接散熱器的管道，將置換熱量之后的熱水由管道引至公共氣調(diào)間的散熱器，然后引入水箱；否則，直接引至水箱，減少公共氣調(diào)間控溫能耗。

上述智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的溫度調(diào)控方法，包括以下步驟：

步驟一，設(shè)定控制偏差α、β、θ；其中，其中，α和β分別是第一栽培室和第二栽培室設(shè)定溫度的控制偏差，θ是公共氣調(diào)間與栽培室實(shí)時(shí)溫度調(diào)控偏差，用戶(hù)可根據(jù)需求自行設(shè)定；

步驟二，采集室外實(shí)時(shí)溫度to、第一栽培室實(shí)時(shí)溫度t1i、第二栽培室實(shí)時(shí)溫度t2i以及公共氣調(diào)間實(shí)時(shí)溫度tgi，設(shè)置第一栽培室設(shè)定溫度t1s以及第二栽培室的設(shè)定溫度t2s；

步驟三，比較兩栽培室設(shè)定溫度，當(dāng)t1s≥t2s時(shí)，比較tgi與兩個(gè)栽培室設(shè)定溫度：

當(dāng)t2s≤tgi≤t1s時(shí)，優(yōu)先調(diào)控溫差絕對(duì)值小的栽培室的溫度，然后再調(diào)控另一個(gè)栽培室溫度，當(dāng)需要加熱時(shí)采用ptc制熱并利用led光源所產(chǎn)生的熱量，當(dāng)需要制冷時(shí)采用壓縮機(jī)制冷；

當(dāng)tgi<t2s<t1s時(shí)，優(yōu)先采用ptc加熱器并利用led光源所產(chǎn)生的熱量制熱調(diào)控第二栽培室溫度，當(dāng)?shù)诙耘嗍覝囟冗_(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，繼續(xù)制熱，調(diào)控第一栽培室溫度直至達(dá)到設(shè)定溫度；

當(dāng)t2s<t1s<tgi時(shí)，優(yōu)先采用壓縮機(jī)制冷調(diào)控第一栽培室溫度，然后繼續(xù)制冷，再調(diào)控第二栽培室的溫度；

或者，當(dāng)t1s<t2s時(shí)，控制策略同以上步驟，僅僅是調(diào)控第一栽培室和第二栽培室溫度的先后次序發(fā)生了變化，故省略相關(guān)調(diào)控步驟。

具體流程見(jiàn)圖4，其中栽培室1即是第一栽培室，栽培室2即是第二栽培室。

本發(fā)明根據(jù)公共氣調(diào)間和2個(gè)栽培室設(shè)定溫度的差值確定控溫方式，以能耗最小為原則，選擇首先調(diào)控設(shè)定溫度與公共氣調(diào)間溫差較小的栽培室的溫度，然后再調(diào)控另一栽培室的溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的目的。此外，采用了公共氣調(diào)間，降低了控溫能耗。當(dāng)兩個(gè)栽培室的設(shè)定溫度都低于或都高于室外的溫度時(shí)，調(diào)溫能耗小于實(shí)現(xiàn)同樣控制要求的兩個(gè)一室的智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的能耗。如果兩個(gè)栽培室的設(shè)定溫度分別為t1s和t2s，栽培室1的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)控到設(shè)定溫度t1s時(shí)能耗為δe1，調(diào)控到設(shè)定溫度t2s時(shí)能耗為δe2，兩室的調(diào)溫能耗收僅為δe2。當(dāng)室外的溫度處在兩個(gè)栽培室的設(shè)定溫度之間時(shí)，理論上本實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)溫能耗要略大些，應(yīng)等于δe1+δe2+δe，增量為δe，其為設(shè)定溫度與公共氣調(diào)間溫度差較少的載培室的溫度調(diào)至設(shè)定溫度時(shí)產(chǎn)生的熱量。但是，相較一室的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，本發(fā)明的控制溫差小，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的一室的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置控溫差為室外溫度和栽培室設(shè)定溫度的差，而本發(fā)明調(diào)控溫差數(shù)值為公共氣調(diào)間和栽培室的溫差。另外，由于有公共氣調(diào)間的緩沖作用，大大降低了裝置整體的散熱量，提高了栽培室的保溫性，加溫或降溫的次數(shù)較少，所以總運(yùn)行能耗實(shí)質(zhì)是降低的。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

有益效果：相比較于現(xiàn)有技術(shù)，本申請(qǐng)所述的智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置包括以下優(yōu)勢(shì)：(1)通過(guò)設(shè)計(jì)公共氣調(diào)間，將熱源安裝于送風(fēng)室，實(shí)現(xiàn)了多熱源的綜合管理，通過(guò)管理氣調(diào)間的溫度和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)栽培室溫度的獨(dú)立管理，可精量地控制進(jìn)入每個(gè)栽培室的空氣流量和流速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能型溫控方式；(2)采用水冷式led面光源，并回收利用其熱能，均勻混合冷熱氣流，使得進(jìn)入栽培室內(nèi)的氣流溫、濕度更均勻，減少植物的溫度應(yīng)急反應(yīng)；(3)設(shè)置了兩個(gè)栽培室，共用大部分設(shè)備，提高了設(shè)備綜合利用效率。本申請(qǐng)所述的智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的溫度調(diào)控方法是基于節(jié)能目標(biāo)設(shè)計(jì)，不僅有效的實(shí)現(xiàn)了裝置的溫度調(diào)控，且降低了控溫能耗。綜合而言，本裝置基于光溫耦合管理，配備光、溫、水、氣、肥調(diào)控系統(tǒng)，具有節(jié)省設(shè)備、能耗低、溫度穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，該實(shí)驗(yàn)裝置可用于環(huán)境變化對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究或育種的栽植，也可以成為宇航員的外太空食物供應(yīng)系統(tǒng)的植物培育，也可以用于家庭種植。

附圖說(shuō)明

圖1是智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖(其中，a是主視圖，b是側(cè)視圖)；

圖2是水冷式led面光源的led燈布置圖；

圖3是智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置氣流循環(huán)示意圖；

圖4是栽培室溫度調(diào)控方法部分示例流程圖。

其中，托架1、箱體2、第一栽培室3、第二栽培室4、栽培架5、栽培槽6、水冷式led面光源7、控制系統(tǒng)8、蓋板9、送風(fēng)室10、回風(fēng)室11、進(jìn)風(fēng)口12、出風(fēng)口13、換能器14、ptc加熱器15、散熱器16、co2施肥裝置17、壓縮機(jī)18、肥料桶19、水箱20、隔板21、滾輪22、人機(jī)對(duì)話(huà)面板23。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作出詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1所示的智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，包括起到安裝支撐作用的托架1，置于托架1前部的箱體2，箱體2內(nèi)設(shè)有第一栽培室3和第二栽培室4，其中第一栽培室3和第二栽培室4配置完全一樣，內(nèi)部放置栽培架5，栽培架5上設(shè)有種植植物的栽培槽6、栽培槽6上方設(shè)有水冷式led面光源7；箱體2頂部設(shè)有控制系統(tǒng)8；箱體2上方設(shè)有蓋板9；還包括公共氣調(diào)間，包括第一栽培室3和第二栽培室4之間、栽培室和箱體2之間形成的送風(fēng)室10，以及蓋板9和箱體2之間形成的回風(fēng)室11，進(jìn)風(fēng)口12和出風(fēng)口13，第一栽培室3和第二栽培室4之間設(shè)有隔板21，在所述隔板21左右兩邊分別設(shè)置進(jìn)風(fēng)口12，其中，回風(fēng)室11和送風(fēng)室10中間設(shè)有換能器14，第一栽培室3和第二栽培室4之間形成的送風(fēng)室10內(nèi)設(shè)有ptc加熱器15和與水冷式led面光源散熱水路相連的散熱器16，進(jìn)風(fēng)口12和出風(fēng)口13均設(shè)有軸流風(fēng)機(jī)，并采用脈寬調(diào)制模式控制風(fēng)機(jī)風(fēng)速；托架1后部還安置有co2施肥裝置17、壓縮機(jī)18、肥料桶19以及水箱20；其中，水冷式led面光源7的水冷系統(tǒng)通過(guò)管道與水箱20相連接，所述水冷式led面光源7的水冷系統(tǒng)與水箱20之間的管道還并列連接有散熱器16的分支管道。托架1底面還設(shè)有滾輪22，還包括人機(jī)對(duì)話(huà)面板23。

所述水冷式led面光源7為多色高功率led，有紅、藍(lán)、黃、綠、白五種光譜組成，其中l(wèi)ed采用陣列單元排布，其led燈布置如圖2所示，光源可根據(jù)栽培室的栽培面積配置合適的led陣列數(shù)。

上述智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置為頂送側(cè)回循環(huán)送風(fēng)模式，具體見(jiàn)圖3的氣流循環(huán)示意圖，換能器將新風(fēng)送入公共氣調(diào)間的送風(fēng)室，經(jīng)送風(fēng)室內(nèi)多熱源的綜合管理后，根據(jù)需求開(kāi)啟或關(guān)閉對(duì)應(yīng)栽培室的風(fēng)機(jī)，將空氣泵入對(duì)應(yīng)的栽培室，經(jīng)過(guò)循環(huán)之后回到回風(fēng)室；水冷式led面光源中l(wèi)ed芯片產(chǎn)生的熱量被水冷系統(tǒng)的水置換，然后根據(jù)溫度管理需求分別配置，當(dāng)需要加熱公共氣調(diào)間的空氣時(shí)，開(kāi)啟連接散熱器的管道，將置換熱量之后的熱水由管道引至公共氣調(diào)間的散熱器，然后引入水箱；否則，直接引至水箱，減少公共氣調(diào)間控溫能耗。

實(shí)施例2

實(shí)施例1所述智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的溫度調(diào)控方法，包括以下步驟：

步驟一，設(shè)定控制偏差α、β、θ；其中，α和β分別是第一栽培室和第二栽培室設(shè)定溫度的控制偏差，θ是公共氣調(diào)間與栽培室實(shí)時(shí)溫度調(diào)控偏差，用戶(hù)可根據(jù)需求自行設(shè)定；

步驟二，采集室外實(shí)時(shí)溫度to、第一栽培室實(shí)時(shí)溫度t1i、第二栽培室實(shí)時(shí)溫度t2i以及公共氣調(diào)間實(shí)時(shí)溫度tgi，設(shè)置第一栽培室設(shè)定溫度t1s以及第二栽培室的設(shè)定溫度t2s；

步驟三，比較兩栽培室設(shè)定溫度，當(dāng)t1s≥t2s時(shí)，比較tgi與兩個(gè)栽培室設(shè)定溫度：

當(dāng)t2s≤tgi≤t1s時(shí)，優(yōu)先調(diào)控溫差絕對(duì)值小的栽培室的溫度，然后再調(diào)控另一個(gè)栽培室溫度，當(dāng)需要加熱時(shí)采用ptc制熱并利用led光源所產(chǎn)生的熱量，當(dāng)需要制冷時(shí)采用壓縮機(jī)制冷；

當(dāng)tgi<t2s<t1s時(shí)，優(yōu)先采用ptc加熱器并利用led光源所產(chǎn)生的熱量制熱調(diào)控第二栽培室溫度，當(dāng)?shù)诙耘嗍覝囟冗_(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，繼續(xù)制熱，調(diào)控第一栽培室溫度直至達(dá)到設(shè)定溫度；

當(dāng)t2s<t1s<tgi時(shí)，優(yōu)先采用壓縮機(jī)制冷調(diào)控第一栽培室溫度，然后繼續(xù)制冷，再調(diào)控第二栽培室的溫度；

或者，當(dāng)t1s<t2s時(shí)，控制策略同以上步驟，僅僅是調(diào)控第一栽培室和第二栽培室溫度的先后次序發(fā)生了變化，故省略相關(guān)調(diào)控步驟。

圖4示意了栽培室溫度調(diào)控方法的部分流程圖，即當(dāng)t1s≥t2s情況下的部分調(diào)節(jié)方法，其中栽培室1即是第一栽培室，栽培室2即是第二栽培室。根據(jù)圖4可見(jiàn)，上述智能植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的溫度調(diào)控方法，包括以下步驟：首先，設(shè)定輸入控制偏差α、β、θ，其中，α和β分別是第一栽培室和第二栽培室設(shè)定溫度的控制偏差，θ是公共氣調(diào)間與栽培室實(shí)時(shí)溫度調(diào)控偏差，用戶(hù)可根據(jù)需求自行設(shè)定；然后，采集室外實(shí)時(shí)溫度to、第一栽培室實(shí)時(shí)溫度t1i、第二栽培室實(shí)時(shí)溫度t2i以及公共氣調(diào)間實(shí)時(shí)溫度tgi，設(shè)置第一栽培室設(shè)定溫度t1s以及第二栽培室的設(shè)定溫度t2s；其次，比較兩栽培室設(shè)定溫度，圖示中只表示了t1s≥t2s的情況，比較tgi與兩個(gè)栽培室設(shè)定溫度，接下來(lái)列舉了t2s≤tgi≤t1s以及tgi<t2s兩種情況：當(dāng)t2s≤tgi≤t1s時(shí)，將tgi與t2s和t1s分別比較，然后優(yōu)先調(diào)控溫差絕對(duì)值小的栽培室的溫度，如圖所示，當(dāng)|tgi-t1s|≥|tgi-t2s|時(shí)，優(yōu)先調(diào)控第二栽培室的溫度，而當(dāng)|tgi-t1s|＜|tgi-t2s|時(shí)，則優(yōu)先調(diào)控第一栽培室的溫度，調(diào)控過(guò)程中需要加熱時(shí)采用ptc制熱并利用led光源所產(chǎn)生的熱量，當(dāng)需要制冷時(shí)采用壓縮機(jī)制冷；當(dāng)tgi<t2s時(shí)，優(yōu)先采用ptc加熱器并利用led光源所產(chǎn)生的熱量制熱調(diào)控第二栽培室溫度，當(dāng)?shù)诙耘嗍覝囟冗_(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，繼續(xù)制熱，調(diào)控第一栽培室溫度直至達(dá)到設(shè)定溫度，否則，優(yōu)先采用壓縮機(jī)制冷調(diào)控第一栽培室溫度，然后繼續(xù)制冷，再調(diào)控第二栽培室的溫度。