一种基于人工光源的种植设备及其种植方法
技术领域
本发明涉及水植栽培领域，特别涉及一种基于人工光源的种植设备及其种植方法。
背景技术
随着经济社会的发展和人们的生活水平不断提高，同时环境污染问题日益严重，人们对蔬菜的安全性和新鲜度提出了更高的要求，传统的种植方式由于存在土壤和水资源的污染以及农药、抗虫剂、杀菌剂滥用的问题，使得水培技术应运而生。
水培技术又称植物无土栽培技术，其核心是将植物的根茎置于盛放有营养液的培养槽内，并给以植物生长所需的环境条件，例如，温度、湿度、光照、氧气，营养液能够提供植物生长所需的水分和养分，使植物能够正常生长并完成其整个生命周期。
随着人们对水培蔬菜需求量不断的走高，提高水培植物(蔬菜)的产量势在必行，而立体栽培技术便能很好的解决上述技术问题。立体栽培技术是在不影响平面栽培的条件下，通过四周竖立的立柱或者以搭架、吊挂形式按垂直梯度分层栽培。而垂直梯度栽培就会产生光照不足问题，现有立体种植架大多会设置人工光源。采用人工光源照射蔬菜，光照到植物表面会发生散射，一方面植物对光的吸收率比较低，另一方面，散射出的光无法再次被利用，浪费大量的能源。
所以，设计一种既能够提高植物对光的吸收率，又能够对光进行再次利用的基于人工光源的种植设备及其采用该设备的种植方法是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于人工光源的种植设备及其种植方法，以在提高水培植物光利用率的同时，将散射掉的光进行再次利用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于人工光源的种植设备，包括种植架主体，在所述种植架主体的一面设有第一反光板，另一面设有第二反光板，所述种植架主体的内顶面设有第三反光板;在所述种植架主体的内顶面还设有照明装置;所述照明装置包括灯管和控制电路，所述灯管包括灯座和灯罩;所述灯座上设有第一灯板和第二灯板，第一灯板上和第二灯板上均贴有多个发红光或蓝光的灯珠;所述控制电路包括控制源、控制盒、驱动电源。
通过采用上述技术方案，在种植架的顶面、前面和后面均设置反光板，可以将照明装置照到植物叶片并散射出的光再次被利用，再次反射到植物叶片上，增加植物叶片的光照量，同时还能减少由于散射而损失掉的光，减少能源的浪费。由于不同波长的光线对植物的光合作用影响不同，本发明的照明装置根据植物生长所需能够发出不同波长的红、蓝两种光，选用对光合作用最有利的两种波长的光，能够大大的提高植物光合作用的水平，促进植物的生长。而且本发明设置不同颜色的两块灯板，两块灯板分开设置，更换灯板的成本更加低廉。
本实用进一步设置为，所述种植架主体为多层结构，第三反光板设置在每层种植架主体的顶面上。
通过采用上述技术方案，在不影响平面栽培的条件下，本发明还可以适用于立体种植架，在每一层种植架的顶面、前面和后边均设置反光板，从而增加每一层水培植物的光吸收率，增加水培植物的产量。
本实用进一步设置为，所述第一反光板横向设置于每层种植架主体的正面，第一反光板的上缘与每层种植架主体的顶面之间设有一定空隙。
本实用进一步设置为，所述种植架主体的背面纵向设置有多个第二反光板，相邻两个第二反光板之间形成一定的间隙。
通过采用上述技术方案，本发明第一反光板的上缘与每层种植架主体的顶面之间以及两个第二反光板之间均设有空隙，加上种植架的左右两面设置为敞开式，充分考虑到了植物生长对空气的需要，可以有效的解决密闭车间的通风问题，提供水培植物以最适宜的生长环境。
本实用进一步设置为，所述灯座呈一端封堵、另一端开口结构，灯座的开口端设有挡片。
本实用进一步设置为，所述灯座的两侧内壁上形成两条凸棱，灯罩的两侧外壁上均形成与凸棱相匹配的凹槽。
通过采用上述技术方案，可以轻松的将灯罩从灯座开口端插入，并通过扣合的方式将灯座与挡片连接，方便灯板的安装和更换，更加方便使用。
本实用进一步设置为，所述控制盒上设有四个接线端子，包括输入电源端子、GND端子、控制端子和输出电源端子;所述控制源为基于单片机的控制器，单片机的引脚通过光耦隔离元件输出开关量：所述驱动电源为DC电源，其输出端连接输入电源端子;控制中心通过改变控制端子的电平状态，驱动控制盒的输出电源端子对外输出电流或关闭对外输出。
本实用进一步设置为，所述第一灯板和第二灯板上均设有多个LED灯珠并等分成多组，每组内的LED灯与电阻RL构成串联电路，各并联支路的公共端点分别对外引出一根导线作为灯板的供电线，其中连接LED灯阵列的公共阳极端的导线作为供电线正极。
通过采用上述技术方案，将灯板上的LED灯分为多组，每组内的LED灯与电阻RL串联，各串联电路相互并联形成LED灯阵列，可以延长灯板的使用寿命、降低灯板的更换频率。
本实用进一步设置为，所述灯座通过多个螺钉固定于种植架主体上。
本发明的目的二在于：提供一种基于人工光源的种植方法，包括以下步骤：
S1：在种植架主体上安装反光板和照明装置，并就近部署控制盒;照明装置的电源线正极端连接到控制盒的输出电源端子，负极端连接到控制盒的GND端子;
S2：控制盒的输入电源端子和GND端子分别通过长导线连接DC电源的输出端;控制端子和GND端子通过长导线连接到控制源的开关量输出端子;
S3：接通电源，控制源的开关量输出端子输出高低电平，控制其对应的灯板处于点亮或熄灭状态;
S4：根据植物生长的不同时期对光照波长的需求，驱动不同的灯板在不同时期点亮或熄灭，根据植物生长的不同时期对光照强度的需求，微调DC电源的电压，改变光照强度，为植物提供不同的补光环境。
通过采用上述技术方案，可以方便地对灯光的亮度和波长进行控制，给植物提供更加适宜生长的环境，提高植物的光的利用率，促进植物生长。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够将散射掉的光重新反射到植物叶片上，增加了水培植物(蔬菜)的光利用率，提高了植物的光合作用，促进植物的生长，从而增加水培植物(蔬菜)的产量;
2、本发明能够将散射掉的光重新利用，节约了能源和资源，降低了企业的生产成本;
3、本发明能够监测水培植物(蔬菜)种植架内的照度，形成采集信息的反馈机制，实时调控光照强度，同时本发明还能够选择光的波长，给水培植物(蔬菜)更适宜的生长环境;
4.本发明在保证照度的同时，也兼顾了密闭车间种植架的通风问题，更加适宜水培植物(蔬菜)的生长。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明旨在显示前反光板的结构示意图;
图3是本发明旨在显示后反光板的结构示意图;
图4是本发明照明装置的结构示意图;
图5是本发明灯座的结构示意图;
图6是本发明图5中A部放大图;
图7是本发明挡片的结构示意图;
图8是本发明第一灯板的结构示意图;
图9是本发明第一灯板或第二灯板的电路原理图;
图10是本发明控制盒的电路原理图。
附图标记：1.种植架主体;2.第一反光板;3.第二反光板;4.第三反光板;5.照明装置;501.灯座;502.第一灯板;503.第二灯板;504.灯珠;505.凸棱;506.灯罩;507.螺钉;508.挡片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种基于人工光源的种植设备，包括种植架主体1，在所述种植架主体1的一面设有第一反光板2，另一面设有第二反光板3，所述种植架主体1的内顶面设有第三反光板4。
本发明可以设置在单层种植架上，在单层种植架的种植架主体1的顶面、前面和后面设置反光板，灯光照射到植物表面，一部分光被植物表面吸收，大部分光被散射，从植物表面散射出来的光，被第一反光板2、第二反光板3、第三反光板4挡住，进而再次反射到植物的表面，增加植物对光的吸收率。
优选的，如图1所示，所述种植架主体1为多层结构，第三反光板4设置在每层种植架主体1的顶面上。如图2所示，所述第一反光板2横向设置于每层种植架主体1的正面，第一反光板2的上缘与每层种植架主体1的顶面之间设有一定空隙。如图3所示，所述种植架主体1的背面纵向设置有多个第二反光板3，相邻两个第二反光板3之间形成一定的间隙。
本发明优选的用于立体种植架上，在每一层种植架上的顶面、前面和后面设置反光板，实现对每一层种植架上植物增加照度的作用。更具体的，本发明的立体种植架呈层架式结构，左右面为敞开式结构。第三反光板4设置在每一层种植架的顶面，长为5-20米，宽为0.6-2米。立体种植架的前面为横向悬挂的第一反光板2，第一反光板2的长为种植架两个立柱之间的距离，约1.2-2米，第一反光板2的高为0.3-1.2米。立体种植架的后面为纵向悬挂的第二反光板3，第二反光板3的长为立体种植架的高度，宽为0.3-1.5米，相邻两个第二反光板3之间的间隔距离为0.05-0.3米。
本发明通过设置不同尺寸的立体种植架，来满足种植不同场地的需求。
例如，立体种植架设置为8层，层高60cm，第三反光板4的尺寸为0.6*18米。第一反光板2的尺寸为0.3*1.5米。第二反光板3的尺寸为0.6*5米，间距0.3米;第一反光板2、第二反光板3和第三反光板4的材料选用EVA-乙烯-醋酸乙烯共聚物;材料颜色为白色，粉色。
又如，立体种植架设置为11层，层高50cm，第三反光板4的尺寸为1*18米。第一反光板2的尺寸为0.3*1米。第二反光板3的尺寸为0.6*6米，间距0.2米;第一反光板2、第二反光板3和第三反光板4的材料选用pvc、PET、OPP或BOPP(选用不透明材料);材料颜色为白色，粉色。
采用数字照度计对设置本发明反光板的立体种植架进行照度测试，测试结果参见表1。
从表1可以看出，无论是检测器放置的角度变化，还是检测器放置的位置变化，设置本发明反光板与不设置反光板相比均能够提高种植架内的照度。尤其是对成菜，其中一个检测点的照度比不设置反光板提高了54%，这是由于成菜的菜叶起到了将光散射的作用，光又经反光板反射回植物叶片，从而提高了光的照度。
如图4所示，本发明在所述种植架主体1的内顶面还设有照明装置5;所述照明装置5包括灯管和控制电路，所述灯管包括灯座501和灯罩506，所述灯座501上设有第一灯板502和第二灯板503，第一灯板502上和第二灯板503上均贴有多个发红光或蓝光的灯珠504。所述灯座501通过多个螺钉507固定于种植架主体1上。
本发明的灯座501和灯罩506均呈长条形，灯罩506的截面呈U型。如图5、6所示，所述灯座501呈一端封堵、另一端开口结构，灯座501的开口端设有挡片508。
本发明的灯座501和灯罩506可以采用多种连接方式，本发明优选的采用以下方式，所述灯座501的两侧内壁上形成两条凸棱505，灯罩506的两侧外壁上均形成与凸棱505相匹配的凹槽。安装时，将灯罩506沿灯座501开口的一端插入，灯座501内壁上的凸棱505卡在灯罩506外壁的凹槽内，凸棱505对灯罩506起到限位作用，从而保证灯罩506不从灯座501上脱落。本发明的灯罩506采用半透明材质，利于灯光穿过灯罩506。
如图7所示，本发明的挡片508进一步设置为，在挡片的中上部设有U型的穿线孔，在穿线孔的两侧设有螺丝孔。灯座501和挡片508扣合后采用螺丝紧固，挡片508的设置可以防止灯罩506从灯座501的开口端脱落。
本发明的照明装置5的具体安装方式如下：先安装灯座501，螺钉507每隔一小段距离固定一个。再将灯罩506沿灯座501开口的一端插入，灯罩506外侧壁的凹槽恰好包裹灯座501上的凸棱505;将第一灯板502和第二灯板503插入灯座501中，第一灯板502和第二灯板503的两边沿分别搭在螺钉507的螺帽和灯罩506的边缘上，防止灯板脱落。待上述部件都安装完毕后，将挡片508扣在灯座501开口的一端，使用螺钉将挡片508与灯座501固定在一起，防止灯罩506脱落。
如图8、9所示，本发明的第一灯板502和第二灯板503上均设有多个LED灯并等分成多组，每组内的LED灯与电阻RL构成串联电路，各并联支路的公共端点分别对外引出一根导线作为灯板的供电线，其中连接LED灯阵列的公共阳极端的导线作为电线正极。优选的，第一灯板502和第二灯板503上各设有15个LED灯，每3个一组连同电阻RL形成串联电路，再并联形成LED灯阵列。LED灯采用1206封装的贴片LED灯，第一灯板502和第二灯板503上贴装波长为650-680nm的红光灯或波长为440-460nm的蓝光灯，用于在植物的不同生长时期提供不同类型的光照。由于两种灯板各分担了一部分时间的照明功能，因此其使用寿命实际上也得到了延长。LED灯的压降为2.8V-3.6V，因此电源供电一般介于11V-13V之间;将LED阵列的两条导线接到控制盒的GND端子(N)和输出电源端子(P)上;每一条并联支路上的电流I的值为(Us-3*U)/RL;其中Us为P端子的输出电压值，U为LED灯自身的压降;RL为串联电阻的数值。考虑到红色灯和蓝色灯的压降会有微小的区别，实际电路中应考虑不同支路的RL选择不同的数值，以保证每条支路的电流相等或相近，否则容易造成光强度分布不均匀。
本发明为了更好的促进植物的生长，可以进行如下设置：
第一灯板502全部选用红色灯珠，第二灯板503上每条支路上选择一个位置贴装蓝色灯珠，其余位置贴装红色灯珠。由于红色灯珠的压降约为2.8V，蓝色灯珠约为3.6V，故每条支路上LED灯的压降为9.2V，供电电源为12V时，RL电阻上的压降为2.8V，灯珠的电流一般控制在700mA，故RL选用4欧姆电阻，电阻的额定功率为3W。
红光有利于植物体碳水化合物的积累，红光处理下能显著提髙菠菜、黄瓜、辣椒、番茄幼苗、萝卜芽苗菜的可溶性糖含量。蓝光有利于蛋白质的合成，蓝光促进了豌豆苗、生菜、黄瓜、芽苗菜的可溶性蛋白含量。在上述实施例中，红蓝灯的数量之比为5:1。根据实际需要及试验验证可知，本发明红光和蓝光灯的数量比约介于4:1~7:1之间，故对于每一个独立的照明装置5来说，灯的总数量为30个，其中蓝灯数量可以是6、5、4三种，其余均为红灯。
本发明的控制电路包括控制源、控制盒、驱动电源。如图10所示，所述控制盒上设有四个接线端子，包括输入电源端子、GND端子、控制端子和输出电源端子;所述控制源为基于单片机的控制器，单片机的引脚通过光耦隔离元件输出开关量：所述驱动电源为DC电源，其输出端连接输入电源端子;控制中心通过改变控制端子的电平状态，驱动控制盒的输出电源端子对外输出电流或关闭对外输出。
在控制盒的电路中，R1=R2=4.7K，R3=10K;Q1为NPN型三极管，例如可选择8050型号;Q2为PMOS管，例如可选择Si2301型号。当控制中心向控制端子(Ctrl)输出低电平时，Q1截止，Q2的门极为高电平，Q2截止，P端无输出;当控制中心向控制端子(MCU-GPIO)输出高电平时，Q1导通，Q2的门极为低电平，Q2导通，P端输出电压数值等于DC电源的电压值。这里，控制中心可以使用STM32F103型号主控制器，其GPIO通过GTZ817S型号光耦器件连接控制盒的Ctrl端。
每个控制盒中有两组控制电路，分别对应连接第一灯板502和第二灯板503。从而实现了控制中心远程控制灯管发光波长的功能;如需调节发光强度，通过微调DC电源的输出电压值即可。
采用上述控制系统，本发明进一步提供了一种基于人工光源的种植方法，包括以下步骤：
S1：在种植架主体1上安装反光板和照明装置，并就近部署控制盒;照明装置的电源线正极端连接到控制盒的输出电源端子，负极端连接到控制盒的GND端子;
S2：控制盒的输入电源端子和GND端子分别通过长导线连接DC电源的输出端;控制端子和GND端子通过长导线连接到控制源的开关量输出端子;
S3：接通电源，控制源的开关量输出端子输出高低电平，控制其对应的灯板处于点亮或熄灭状态;
S4：根据植物生长的不同时期对光照波长的需求，驱动不同的灯板在不同时期点亮或熄灭，根据植物生长的不同时期对光照强度的需求，微调DC电源的电压，改变光照强度，为植物提供不同的补光环境。
当红色灯板点亮，蓝色灯板不通电时，环境光为650-680nm波长范围的红光;反之当蓝色灯板点亮，红色灯板不通电时，环境光为440-460nm波长范围的蓝光;二者同时点亮时，环境光为复合光，可以获得更高的照度。
调节光亮度时，当DC电源电压调整后，如前所述，即Us变化，从而每一条支路上的电流I=(Us-3*U)/RL，也将随之变化，灯的亮度与I有关，从而通过改变Us可以改变灯珠亮度。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
