技术领域
[0001] 本
发明属于植物培养技术领域，尤其涉及一种新型气雾培植物栽培系统。
背景技术
[0002] 未来长期载人航天探索任务中航天员生命保障的根本途径，是建立以植物为核心的受控生态生保系统(CELSS)。CELSS中，植物通过光合作用可以为人类提供
氧气、吸收二氧化
碳，实现
水的循环再生以及提供食物等等。植物的高效生产是保障密闭系统内大气、水、食物以及固废循环再生的关键，主要采用
无土栽培技术来进行植物的培养和生产。根据提供给植物根系矿质养分、水分和氧气的方式不同，无土栽培又分为基质培、
水培和气雾培。
[0003] 基质培和水培技术目前已开展了大量的研究，技术较为成熟，应用的较为广泛。气雾培技术是在基质培和水培的
基础上发展起来的一种植物培养技术，通过让植物的根系生长于气雾环境中，充分获取充足的养分、水分和氧气，确保植物生长。气雾培技术具有降低农艺操作措施、提高水分利用率、改善作物品质等优点，越来越受到研究者的青睐。然而，气雾培技术作为一种研究相对较晚的植物栽培技术，还有许多原理性的问题需要解决，如
营养液组分和用量、气雾化状态、雾化时间等因素对植物生长的影响。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种新型气雾培植物栽培系统，可作为开展气雾培植物栽培技术研究的试验平台，也可直接应用于密闭环境植物培养系统的建设。
[0005] 本发明提供了一种新型气雾培植物栽培系统，包括营养液配制组件、营养液供应及植物栽培组件、光照组件及智能控制系统；
[0006] 所述营养液配制组件包括：
[0007] 母液储箱，用于存储配制营养液用的营养液母液；
[0008] 酸液储箱，用于存储调节营养液酸
碱度用的稀酸液；
[0009] 纯净水水箱，用于存储配制营养液用的水源；
[0010] 营养液储箱，用于存储配制的营养液，并安装有营养液参数监测
传感器；所述营养液参数监测传感器包括酸碱度传感器、电导率传感器、
温度传感器、溶解氧传感器；
[0011] 所述营养液储箱连接有用于对所述营养液进行微量曝气的曝气
泵；
[0012] 所述母液储箱及纯净水水箱通过给料泵与所述营养液储箱连接，用于通过所述给料泵向所述营养液储箱输送营养液母液及水源，以配置所述营养液；
[0013] 所述酸液储箱通过加酸
蠕动泵与所述营养液储箱连接，用于通过所述加酸蠕动泵向所述营养液储箱输送稀酸液，以调节营养液酸碱度；
[0014] 所述母液储箱、酸液储箱、纯净水水箱、营养液储箱设有在线
液位传感器，用于获取所述营养母液、水源、营养液的液位信息；
[0015] 所述营养液供应及植物栽培组件包括：
[0016] 栽培盘，用于提供植物根系生长空间；所述栽培盘内部安装有用于输送营养液的营养液输送管，以及用于将营养液输送管内的营养液雾化，以供给植物根系的雾化喷头；
[0017] 供液管路，用于由所述营养液储箱向所述栽培盘供营养液；所述供液管路沿供液方向依次设有手动
截止阀、高压供液泵、
电子压
力调节阀、压力监测表、流量计；所述高压供液泵用于提供营养液输送动力；所述电子压力调节阀用于调节供液压力，进而调节所述栽培盘内营养液的雾化效果；所述压力监测表用于监测所述供液管路中营养液的压力；
[0018]
回流管路，两端分别连接所述栽培盘及营养液储箱，用于将所述栽培盘中没有被植物根系吸收的营养液回流到所述营养液储箱；
[0019] 所述光照组件包括：
[0020] 植物灯，用于通过光合有效
辐射强度比例调节模拟太阳光
光谱，对雾培植物进行光照，并通过设定时间进行开启或关闭控制；
[0021] 光合辐射传感器，用于获取光合有效辐射强度；
[0022] 所述智能控制系统与所述给料泵及在线液位传感器连接，用于控制所述给料泵向所述营养液储箱定量输送所述营养母液、稀酸液、水源；
[0023] 所述智能控制系统与所述高压供液泵及电子压力调节阀连接，用于通过控制所述高压供液泵的启停，执行营养液储箱间断出水或连续出水动作，通过控制所述电子压力调节阀向所述栽培盘输送所述营养液；
[0024] 所述智能控制系统与所述植物灯及光合辐射度传感器连接，用于对所述植物灯进行不同光质的光合有效辐射强度及光照时间设定；
[0025] 所述智能控制系统与所述营养液参数监测传感器、曝气泵、加酸蠕动泵、给料泵相连，用于监测和记录营养液参数，并通过设定营养液电导率、酸碱度和溶解氧值，开启所述给料泵、加酸蠕动泵和曝气泵，进而实现以获得预期的营养液参数。
[0026] 进一步地，所述栽培盘上面设有栽培盖板，所述栽培盖板均匀分布有多个栽培孔，用于植物栽培。
[0027] 进一步地，所述植物灯设于所述栽培盘的上方，与所述栽培盘的距离通过手动进行上下高度调节，以满足植物不同生长阶段对光照的需求。
[0028] 进一步地，所述营养液配制组件、营养液供应及植物栽培组件、光照组件、智能控制系统设于
框架结构内。
[0029] 进一步地，所述框架结构由
铝型管材制成。
[0030] 进一步地，所述框架结构底部设有
滑轮及移动阻止机构。
[0031] 借由上述方案，通过新型气雾培植物栽培系统，可作为开展气雾培植物栽培技术研究的试验平台，也可直接应用于密闭环境植物培养系统的建设。
[0032] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照
说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳
实施例并配合
附图详细说明如后。
附图说明
[0033] 图1是本发明一种新型气雾培植物栽培系统的结构示意图；
[0034] 图2是本发明一种新型气雾培植物栽培系统的控制
流程图；
[0035] 图3是本发明一种新型气雾培植物栽培系统的立体布置图一；
[0036] 图4是本发明一种新型气雾培植物栽培系统的立体布置图二。
[0037] 图中标号：
[0038] 1-第一母液储箱；2-第二母液储箱；3-第三母液储箱；4-纯净水水箱；5-第一在线液位传感器；6-第二在线液位传感器；7-第三在线液位传感器；8-第四在线液位传感器；9-第一给料泵；10-第二给料泵；11-第三给料泵；12-第四给料泵；13-曝气泵；14-营养液储箱；15-酸碱度传感器；16-溶解氧传感器；17-温度传感器；18-电导率传感器；19-第五在线液位传感器；20-高压供液泵；21-第一压力调节阀；22-第二压力调节阀；23-第一栽培盘；24-第二栽培盘；25-第一植物灯；26-第二植物灯；27-第一光合辐射度传感器；28-第二光合辐射度传感器；29-框架结构；30-滑轮。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0040] 参图1至图4所示，本实施例提供了一种新型气雾培植物栽培系统，包括营养液配制组件、营养液供应及植物栽培组件、光照组件及智能控制系统；
[0041] 营养液供应组件包括：
[0042] 母液储箱，用于存储配制营养液用的营养液母液，本实施例为第一母液储箱1、第二母液储箱2、第三母液储箱3；
[0043] 酸液储箱，用于存储调节营养液酸碱度用的稀酸液；
[0044] 纯净水水箱4，用于存储配制营养液用的水源；
[0045] 营养液储箱14，用于存储配制的营养液，并安装有营养液参数监测传感器；所述营养液参数监测传感器包括酸碱度传感器、电导率传感器、温度传感器(监测水温)、溶解氧传感器；
[0046] 营养液储箱14连接有用于对营养液进行微量曝气的曝气泵13；
[0047] 母液储箱及纯净水水箱4通过给料泵(第一给料泵9、第二给料泵10、第三给料泵11、第四给料泵12)与营养液储箱14连接，用于通过给料泵向营养液储箱14输送营养母液及水源，以配置营养液；
[0048] 稀酸液储箱通过蠕动泵与营养液储箱14连接，通过加酸蠕动泵向营养液储箱14输送酸液，以调节营养液的酸碱度；
[0049] 母液储箱、酸液储箱、纯净水水箱4、营养液储箱14设有在线液位传感器，用于获取营养母液、稀酸液、水源、营养液的液位信息；本实施例中第一母液储箱1对应于第一在线液位传感器5，第二母液储箱2对应于第二在线液位传感器6，第三母液储箱3对应于第三在线液位传感器7，纯净水水箱4对应于第四在线液位传感器8，营养液储箱14对应于第五在线液位传感器19。
[0050] 营养液供应与植物栽培组件包括：
[0051] 栽培盘，用于提供植物根系生长空间；栽培盘内部安装有用于输送营养液的营养液输送管，以及用于将营养液输送管内的营养液雾化，以供给植物根系的雾化喷头；本实施例中包括两个栽培盘，分别为第一栽培盘23及第二栽培盘24；
[0052] 供液管路，用于由营养液储箱14向栽培盘供营养液；供液管路沿供液方向依次设有手动
截止阀、高压供液泵20、电子压力调节阀、压力监测表、流量计；高压供液泵20用于提供营养液输送动力；电子压力调节阀用于调节供液压力，进而调节栽培盘内营养液的雾化效果；压力监测表用于监测供液管路中营养液的压力；本实施例中第一栽培盘23对应于第一压力调节阀21，第二栽培盘24对应于第一压力调节阀22；
[0053] 回流管路，两端分别连接栽培盘及营养液储箱，用于将栽培盘中没有被植物根系吸收的营养液回流到营养液储箱14。
[0054] 营养液储箱14中的营养液，在高压供液泵20作用下，输送到栽培盘中的营养液输送管，并通过其上的雾化喷头，将营养液雾化后，供应给栽培盘中的植物根系，从而实现植物所需养分和水分的供给。栽培盘中没有被植物根系吸收利用的营养液回流到营养液储箱14。此外，通过调节电子压力调节阀开度大小，改变营养液输送管路中压力，进而实现雾化喷头喷出的营养液雾化效果，满足植物生长需求。
[0055] 光照组件包括：
[0056] 植物灯，用于通过光合有效辐射强度比例调节模拟太阳光光谱，对雾培植物进行光照，并通过设定时间进行开启或关闭控制；本实施例中包括两个植物灯，分别为第一植物灯25及第二植物灯26，第一植物灯25对应于第一栽培盘23，第二植物灯26对应于第二栽培盘24。
[0057] 光合辐射度传感器，用于获取光合辐射度；本实施例中包括两个光合辐射度传感器，分别为第一光合辐射度传感器27及第二光合辐射度传感器28，第一光合辐射度传感器27布置于第一植物灯25侧，第一光合辐射度传感器28布置于第二植物灯26侧。
[0058] 智能控制系统与所述给料泵及在线液位传感器连接，用于控制所述给料泵向所述营养液储箱定量输送所述营养母液、稀酸液、水源；
[0059] 智能控制系统与高压供液泵20及电子压力调节阀连接，用于通过控制高压供液泵20的启停，执行营养液储箱间断出水或连续出水动作，通过控制压力调节阀向栽培盘定量输送营养液；
[0060] 智能控制系统与植物灯及光合辐射度传感器连接，用于对植物灯进行不同光质的光合有效辐射强度及光照时间设定；
[0061] 智能控制系统与营养液参数监测传感器、曝气泵、加酸蠕动泵、给料泵相连，用于监测和记录营养液参数，并通过设定营养液电导率、酸碱度和溶解氧值，开启所述给料泵、加酸蠕动泵和曝气泵，进而实现以获得预期的营养液参数。
[0062] 该新型气雾培植物栽培系统，可作为开展气雾培植物栽培技术研究的试验平台，也可直接应用于密闭环境植物培养系统的建设。
[0063] 在本实施例中，栽培盘上面设有栽培盖板，栽培盖板均匀分布有多个栽培孔，用于植物栽培。
[0064] 在本实施例中，植物灯设于栽培盘的上方，与栽培盘的距离通过手动进行上下高度调节，以满足植物不同生长阶段对光照的需求。
[0065] 在本实施例中，智能控制系统连接有用于监测
环境温度及湿度的温度传感器及
湿度传感器。
[0066] 在本实施例中，植物栽培组件还包括液培盘及基培盘，植物灯设于栽培盘、液培盘、基培盘的上方。
[0067] 在本实施例中，营养液供应组件、植物栽培组件、光照组件、智能控制系统设于框架结构29内。
[0068] 在本实施例中，框架结构29由铝型管材制成。
[0069] 在本实施例中，框架结构29底部设有滑轮30及移动阻止机构。
[0070] 下面对本发明作进一步详细说明。
[0071] 该新型气雾培植物栽培系统主要包括1套营养液供应组件、2套植物栽培组件和2套光照组件，1套整体框架结构(如图3、图4所示)，1套智能控制系统。
[0072] 框架结构29外形尺寸为长×宽×高≯1000mm×1000mm×2500mm，结构形式为铝型管材框架，底部带滑轮30，在平地可自由推动，具有移动阻止机构。
[0073] 具体组成如下：
[0074] 1)母液储箱
[0075] 设置母液储箱3个，用于储存配制营养液的营养母液，每个母液储箱总容积为2L，材质为PE，尺寸为60×100×350mm。各水箱单独配套设置母液输送泵(给料泵)1台及在线液位传感器1台。
[0076] 母液储箱出水方式为定量出水，通过在线液位传感器对母液水箱存水量进行单独计算。
[0077] 2)稀酸液储箱
[0078] 设置稀酸液储箱1个，用于储存调节营养液的酸碱度，储箱总容积为2L，材质为PE，尺寸为60×100×350mm。单独配套设置蠕动泵1台及在线液位传感器1台。
[0079] 稀酸液储箱出水方式为定量出水，通过在线液位传感器对稀酸液水箱存水量进行单独计算。
[0080] 3)纯净水水箱
[0081] 纯净水水箱用于存放配比营养液的水源，容积为20L，材质为PE，尺寸为500*100*400mm。配置在线液位传感器1台。
[0082] 纯净水水箱出水方式为定量出水，通过在线液位传感器和母液储箱水量进行合计计算。
[0083] 4)营养液储箱
[0084] 用于存储配置好的营养液，总容积为90L，材质为PE，尺寸为450×500×400mm。配置高压供液泵一台，供液泵后分两个支路，每个支路配置一台数字比例压力调节阀，分别对每个支路的供液压力进行调节。营养液储箱配置曝气泵一台，对营养液进行微量曝气。并通过在线液位传感器对营养液的储水水量进行计算。
[0085] 营养液储箱出水方式为间断出水或连续出水，通过对营养液的水质监测，进行对营养液母液的添加及溶氧浓度的控制，根据栽培植物对营养液的需求调节压力调节阀对供液量进行控制，同时对使用的水量进行计算。
[0086] 5)栽培盘
[0087] 栽培盘分为雾培、质培、液培三种栽培盘，材质为PE，尺寸分别为栽培盘：900*900*200mm、液培盘：900*900*150mm、基培盘：900*900*150mm，主要用于植物的栽培。
[0088] 栽培盘，供液方式为将营养液进行雾化后对植物根部进行喷射，材质为PE,当营养液随环境温度变化或者植物吸收限制等条件形成冷凝水或者剩余营养液存底，通过回流管线回流至营养液储箱。
[0089] 6)植物灯系统
[0090] 植物灯为2组，分别安装在栽培盘的上部。
[0091] 植物灯可以进行光合有效辐射强度比例调节，并通过设定时间进行开启或关闭控制。植物灯跟栽培盘的距离可通过手动进行上下高度调节。满足植物不同生长阶段对光照的需求。
[0092]
光源组成：红蓝白三色；光板形状：不大于900mm×700mm×200mm(长×宽×高)；功率：不高于200W；有效光合辐射强度：平均PPFD>400μmol/s/m2，光强可调(0％-100％)。
[0093] 7)智能(自动)控制系统
[0094] 智能控制系统采用PLC总控方式，控
制模式采用集成控制；所有动力和控制线缆全部进行单独敷设，以防
电磁干扰；控制柜采用密封屏蔽措施，以防内部电子
电路出现异常；控制方式分为三种，本地手动运行、本地自动运行和上位机程控运行；供电系统采用模
块系统供电，保证电源稳定。
[0095] 智能控制系统包括如下功能：
[0096] 营养液配比控制及计量；
[0097] 营养液的供液控制；
[0098] 灯光控制；
[0100] 该新型气雾培植物栽培系统的运行控制方法如下：
[0101] 如图2所示，营养液储箱中的营养液由A、B、C三种母液以水源混合而成，营养液母液和纯净水分别通过给料泵进入营养液储箱，营养液储箱中的营养液通过高压供液泵打入植物栽培盘内，通过植物栽培盘内部喷头形成雾化效果，使营养液以微小的颗粒形式，直接
吸附在植物的根部，使植物根系能够快速直接吸收，同时可以根据植物吸收快慢来设定的营养液的供应时间和给定量，对植物的生长周期所需要的营养量进行调配，当根据环境温度及湿度的变化，栽培盘内雾化后的营养液，在植物没有完全吸收时，会在栽培盘内形成结露，结露后的营养液通
过冷凝水的方式通过回水管回流至营养液储箱。
[0102] 植物生长需要进行光合作用，通过对植物灯照射的时间及光
亮度进行调控，来配合进植物生长，同时通过手动调节植物灯的高低来调节植物
接触光源的强弱。
[0103] 设备运行中，需要对以下几个方面进行测量和控制：
[0104] 对植物消耗的营养液量进行测量并计量使用量；
[0105] 对营养液的酸碱度、溶氧量、电导率进行测量和控制；酸碱度(控制与测量，0-14pH，±0.01pH)、电导率(控制与测量，10μS/cm-30mS/cm)；溶解氧(控制与测量，0-
19.99mg/L,±0.1mg/L)；
[0106] 通过对供液压力的运行状态进行控制，调控对植物的供应营养液的用量；
[0107] 对植物光照强度及光照时间进行测量和控制；
[0108] 对环境温度和湿度进行测量；
[0109] 对总电量、光照用电量进行计量；
[0110] 各个测控设备能够记录运行数据，数据可以通过U盘拷贝。
[0111] 控制、计量方法及公式：
[0112] 1、计量营养液的使用量G方法：
[0113] 首先计算检测初始状态下A、B、C母液储箱、纯净水水箱、营养液储箱五个设备的容积分别为：G1a、G1b、G1c、G1d、G1e，容积计算为：长*宽*高(液位)，设备运行一段时候后，再次进行计算五个设备的容积G2a-e，同时加上增加的溶液容积(人工投加，人工计量)G3a-e通过如下公式得知营养液的这段时间的使用量G：
[0114] G＝(G1a+b+c+d+e)-(G2a+b+c+d+e)+(G3a+b+c+d+e)。
[0115] 2、溶解氧的控制：
[0116] 通过对营养液储箱溶解氧的测量进行上下限设定，对曝气泵的启停进行控制。
[0117] 3、灯光控制
[0118] 通过对时间和光合度的测量，对LED植物灯的供电
电压进行高低调节，使其亮度发生高低变化，对
开关时长进行设定及控制。
[0119] 4、营养液投加量的控制：
[0120] 对输送管线的压力调节阀进行控制，达到对供液压力及流量的控制。
[0121] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
