分布式植物种植系统及利用该系统实现的植物种植方法

摘要

本发明一种分布式植物种植系统，涉及一种种植系统，包括育种植物工厂，育种植物工厂内包括最小承载单元、环境参数采集和处理装置，其中：最小承载单元内置无线射频标签，育种植物工厂包括第一阅读器，第一阅读器上联环境参数采集和处理装置；还包括移动植物工厂，移动植物工厂包括第一箱体、第二阅读器和第一采集处理装置，第二阅读器上联第一采集处理装置；还包括微型植物工厂，微型植物工厂包括第二箱体、第三阅读器和第二采集处理装置，第三阅读器上联第二采集处理装置；本发明将植物蔬菜的育种、生长和成熟生长过程分散到不同的批发、运输和销售等商品流通环节，植物在流转过程中保持连续的生长和鲜活。还包括一种利用本发明的种植方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种种植系统，特别是涉及一种利用植物工厂的种植系统。

背景技术

植物工厂是通过设施内高精度环境控制，实现农作物周年连续生产的高效农业种植系统， 植物工厂利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境条件 进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约。

植物工厂作为使农业生产从自然生态束缚中脱离出来，按计划周年性进行植物产品生产 的工厂化农业系统，具有如下特点：

有固定的生产设施，空间利用率较高，能够实现大规模集约化生产，实现资源的集中 利用；

利用计算机信息系统和多种传感装置实行自动化、半自动化控制对植物生长发育所需 的温度、湿度、光照强度、光照时间和二氧化碳浓度进行自动调控，可以完成大规模、多批 次的植物生长调节；

无土营养液栽培，可防止病虫害的传播；

纯绿色，植物生长过程安全无污染；

生产周期短，产品的数量和质量大幅度提高。

植物工厂主要包括温度调节设备、湿度调节设备、照明设备、气体发生设备、供水设备 和营养液供给设备，以及为这些设备提供能源的电力设备。

还包括环境参数采集和处理装置，通过植物工厂内安装的大量温度传感器、湿度传感器、 空气浓度传感器和液位传感器采集不同种植位置的植物生长环境参数到环境参数采集和处理 装置，与系统内置的标准生长周期模型的标准数据进行比较，形成各种调节控制信号，控制 相应的温度调节设备调节温度，湿度调节设备调节湿度，照明设备调节光照度，气体发生设 备调节二氧化碳浓度，营养液供给设备调节营养液浓度，使植物在生长周期的育种、生长和 成熟阶段获得最适宜的生长环境。

植物通常种植在托盘中，托盘并列放置在注有营养液的托盘槽中，托盘槽固定在搁架上， 众多搁架形成植物种植区域。

但是，植物工厂至今仍不能大面积推广的主要的原因在于：

1.固定资产投资巨大

相对于暖棚而言，植物工厂的投资巨大，由于植物工厂需要对温度，湿度准确控制，需 要对太阳光照模拟，因此空调系统和照明系统的投资居高不下，一般700-1000平米的密闭型 植物工厂的基建投资在1000万元以上，同样面积的暖棚投资大约只有10万元。同时，植物 工厂对电力系统也有较高要求，需要维持一定规模的蓄电容量，避免因断电影响整个种植成 长周期。

2.运营成本高

植物工厂的主要运行成本，在于能源的消耗。大约占到总运行费用的60％左右，其中主 要是空调和照明系统用电负荷。虽然现在有些植物工厂开始尝试引入LED照明来降低部分能 耗，但初始投资又不得不大幅度提高。

3.植物配送体系不完善，保鲜困难

由于植物工厂生产出来的蔬菜进入流通环节后基本保鲜期只有2天，蔬菜的价格相对较 高，因此销售企业和生产企业都很难承担蔬菜保鲜期后的损失。

4.销售渠道单一，环节过多，造成售价过高。市场推广困难。

现在的各种有机蔬菜，由于只能上大型卖场销售，销售环节过多，超市收取的各项推广 费用也很大，因此最终售价让消费者望而却步。

发明内容

本发明的目的是提供一种植物种植系统，解决蔬菜的生长周期只能在植物工厂内完成导 致植物工厂建设、运营成本过高，蔬菜进入流通环节后质量无法保证的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述系统的植物种植方法，解决植物蔬菜在流通、 销售过程中因受到外界污染，食品安全没有保证的问题。

本发明的分布式植物种植系统，包括育种植物工厂，用于为植物育种阶段提供生长环境， 育种植物工厂内包括最小承载单元、环境参数采集和处理装置，其中：

最小承载单元内置无线射频标签，育种植物工厂包括第一阅读器，第一阅读器上联环境参 数采集和处理装置；

还包括微型植物工厂，用于为植物成熟提供生长环境，微型植物工厂包括第二箱体、第三 阅读器和第二采集处理装置，第三阅读器上联第二采集处理装置；

最小承载单元根据其上植物的流转过程，放置在育种植物工厂中，或微型植物工厂中。

还包括移动植物工厂，用于为植物在运输环节提供生长环境，移动植物工厂包括第一箱体、 第二阅读器和第一采集处理装置，第一箱体固定在运输工具上，第二阅读器上联第一采集处 理装置；

最小承载单元根据其上植物的流转过程，放置在育种植物工厂中，或移动植物工厂，或微 型植物工厂中。

所述育种植物工厂还包括第一通信装置，用于将环境参数采集和处理装置转发的数据通 过通信网络上传；

所述移动植物工厂还包括第一无线通信装置，用于将第一采集处理装置转发的数据通过 无线通信网络上传；

所述微型植物工厂还包括第二通信装置，用于将第二采集处理装置转发的数据通过通信 网络上传。

还包括中央服务器，用于接收育种植物工厂、移动植物工厂和微型植物工厂上传的数据， 形成实时监控数据，进行最小承载单元其上植物流转过程的实时监控。

所述移动植物工厂的第一箱体内设置有安放托盘的托盘槽和搁架，第一箱体内还安装有 第一温度调节装置、第一湿度调节装置、第一照明装置、第一气体发生装置、第一供水装置 和第一营养液供给装置，以及第一温度传感器、第一湿度传感器、第一空气浓度传感器和第 一液位传感器，还包括第一电源适配器。

所述微型植物工厂的第二箱体内设置有安放托盘的托盘槽，第二箱体内还安装有第二温 度调节装置、第二湿度调节装置、第二照明装置、第二气体发生装置、第二供水装置和第二 营养液供给装置，以及第二温度传感器、第二湿度传感器、第二空气浓度传感器和第二液位 传感器，还包括第二电源适配器。

根据本发明的分布式植物种植系统进行植物种植的方法，包括以下步骤：

步骤a，将植物幼苗或种子放入最小承载单元，向最小承载单元内置的无线射频标签中 写入基本信息；

步骤b，第一阅读器读取无线射频标签中基本信息，育种植物工厂的环境参数采集和处 理装置依据基本信息设定育种策略，确定各环境参数调节设备初始数据，开始植物育种阶段 的养殖，完成育种；

步骤c，将最小承载单元转移至移动植物工厂内，第二阅读器读取无线射频标签中基本 信息，移动植物工厂的第一采集处理装置依据基本信息设定养殖策略，确定各被控装置的初 始调节数据，开始植物生长阶段的养殖，完成植物流转过程中的生长；

步骤d，将最小承载单元转移至微型植物工厂内，第三阅读器读取无线射频标签中基本 信息，微型植物工厂的第二采集处理装置依据基本信息设定养殖策略，确定各被控装置的初 始调节数据，开始植物成熟阶段的养殖，完成植物在销售终端的生长。

步骤b中还包括如下步骤：

步骤b1，育种植物工厂的环境参数采集和处理装置将采集的实时环境参数、无线射频标 签中的基本信息、育种植物工厂的状态信息通过第一通信装置上传，中央服务器接收上传信 息，形成监控数据；

步骤c中还包括如下步骤：

步骤c1，移动植物工厂的第一采集处理装置将采集的实时环境参数、无线射频标签中的 基本信息、移动植物工厂的状态信息通过第一无线通信装置上传，中央服务器接收上传信息， 形成监控数据；

步骤d中还包括如下步骤：

步骤d1，微型植物工厂的第二采集处理装置将采集的实时环境参数、无线射频标签中的 基本信息、微型植物工厂的状态信息通过第二通信装置上传，中央服务器接收上传信息，形 成监控数据。

根据本发明的分布式植物种植系统的植物种植方法，包括以下步骤：

步骤a，将植物幼苗或种子放入最小承载单元，向最小承载单元内置的无线射频标签中 写入基本信息；

步骤b，第一阅读器读取无线射频标签中基本信息，育种植物工厂的环境参数采集和处 理装置依据基本信息设定育种策略，确定各环境参数调节设备初始数据，开始植物育种阶段 的养殖，完成育种；

或者进行步骤c，将最小承载单元转移至移动植物工厂内，第二阅读器读取无线射频标 签中基本信息，移动植物工厂的第一采集处理装置依据基本信息设定养殖策略，确定各被控 装置的初始调节数据，开始植物生长、成熟阶段的养殖，完成植物流转过程中的生长；

或者进行步骤d，将最小承载单元转移至微型植物工厂内，第三阅读器读取无线射频标 签中基本信息，微型植物工厂的第二采集处理装置依据基本信息设定养殖策略，确定各被控 装置的初始调节数据，开始植物生长、成熟阶段的养殖，完成植物在销售终端的生长。

本发明的分布式植物种植系统，将植物蔬菜的育种、生长和成熟生长过程拆分到不同的 批发、运输和销售等商品流通环节，植物蔬菜在流转过程中保持连贯的生长周期，生长过程 中不会受到外界污染，在作为商品流转的过程中始终保持鲜活，降低了损耗，提高了食品安 全。

利用本发明的分布式植物种植系统种植植物蔬菜，还可以使植物蔬菜在流转过程中的完 整生长状态都得到监控，保证了食品安全，同时为大规模的育种植物工厂群、移动植物工厂 设备群和微型植物工厂设备群的应用提供了基础信息。培育在不同育种植物工厂中的不同种 植时间、不同品种、不同生长周期的植物蔬菜通过本系统可以实现复杂的物流配送，使得植 物蔬菜种植可以在完整的生长周期中实现按需生产，快速流转、及时销售，实现各种复杂的 商业模式。

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。

附图说明

图1为本发明分布式植物种植系统的系统结构示意图；

图2为利用本发明分布式植物种植系统的植物种植方法的流程图一；

图3为利用本发明分布式植物种植系统的植物种植方法的流程图二。

具体实施方式

本发明分布式植物种植系统，将植物蔬菜的育种、培育和成熟三个阶段分散到育种植物 工厂、移动式植物工厂和微型植物工厂三种设备中完成，三种设备分别应用在蔬菜流通中的 批发环节、运输环节和销售环节，利用现有的信息系统采集植物蔬菜的实时生长信息，调节 各阶段的生长坏境参数，使植物蔬菜在整个流通过程中始终能够保持鲜活。

在流通过程中，植物蔬菜随最小承载单元在不同环节流转，植物蔬菜的品种类目、种植 时间等基本信息记载在最小承载单元的信息存储单元中，育种植物工厂、移动式植物工厂和 微型植物工厂通过最小承载单元保持植物蔬菜整个生长周期的连续性，确定种植阶段起始数 据。

植物蔬菜的最小承载单元包括无线射频标签(RFID)，利用RFID阅读器可以无接触采集 最小承载单元中的植物蔬菜基本信息，避免了数据采集时受环境影响造成数据错误，影响种 植培养的后续过程。同时可以实现大数量、多批次植物蔬菜基本信息的快速采集，有效减少 在各流通环节流转时，外界因素对植物蔬菜生长的影响。

本发明分布式植物种植系统中，育种植物工厂、移动式植物工厂和微型植物工厂利用内 置通信模块将设备的内部环境参数通过公共通信网络上传到中央服务器，由中央服务器实现 对植物蔬菜生长周期的监控。同时利用中央服务器与各种信息系统连接，为信息系统提供各 类应用的基础数据。

如图1所示，本发明的分布式植物种植系统包括育种植物工厂01、移动植物工厂02、微 型植物工厂03和中央服务器04。

育种植物工厂01，用于为植物育种阶段提供生长环境，育种植物工厂在现有的植物工厂 结构上，将植物种植在最小承载单元05中，最小承载单元内，内置无线射频标签06，无线 射频标签06记录最小承载单元05中植物的基本信息，基本信息包括植物类目、品种、种植 人、种植时间、必要生长环境参数等。最小承载单元05通常为托盘，在种植区域还包括第一 阅读器07，用于读取无线射频标签06内的植物基本信息，第一阅读器07上联环境参数采集 和处理装置。育种植物工厂01还包括第一通信装置08，用于将环境参数采集和处理装置转 发的数据通过通信网络上传中央服务器04，形成监控数据。

移动植物工厂02，用于为植物在运输环节提供生长环境，移动植物工厂02安装在运输 工具上，包括第一箱体101，第一箱体内设置有安放托盘的托盘槽和搁架，第一箱体内还安 装有第一温度调节装置103、第一湿度调节装置104、第一照明装置105、第一气体发生装置 106、第一供水装置107和第一营养液供给装置108，以及第一温度传感器121、第一湿度传 感器122、第一空气浓度传感器123和第一液位传感器124；

第一温度调节装置103，用于接收第一采集处理装置102的相应调节控制信号，改变第 一箱体101内的温度；

第一湿度调节装置104，用于接收第一采集处理装置102的调节控制信号，改变第一箱 体101内的湿度；

第一照明装置105，用于接收第一采集处理装置102的调节控制信号，改变第一箱体101 内的照明度；

第一气体发生装置106，用于接收第一采集处理装置102的调节控制信号，改变第一箱 体101内的二氧化碳浓度；

第一供水装置107，用于接收第一采集处理装置102的调节控制信号，改变第一箱体101 内托盘槽中水容量；

第一营养液供给装置108，用于接收第一采集处理装置102的调节控制信号，改变第一 箱体101内托盘槽中营养液容量；

第一箱体内还包括第一采集处理装置102，用于接收各传感器采集的环境参数，与内置 的标准数据比较，生成各种调节控制信号控制相应的装置，将采集的数据和移动植物工厂的 状态信息转发到无线通信装置；

第一箱体内还包括第二阅读器125，用于读取托盘无线射频标签06内的植物基本信息； 第二阅读器125上联第一采集处理装置102；

移动植物工厂02还包括第一无线通信装置126，用于将植物的基本信息和移动植物工厂 的动态环境参数通过无线通信网络上传中央服务器04，形成监控数据；

移动植物工厂02还包括第一电源适配器127，与运输工具的电源系统连接，为移动植物 工厂02提供工作电源。

微型植物工厂03，用于为植物成熟提供生长环境，包括第二箱体131，第二箱体内设置 有安放托盘的托盘槽，第二箱体内还安装有第二温度调节装置133、第二湿度调节装置134、 第二照明装置135、第二气体发生装置136、第二供水装置137和第二营养液供给装置138， 以及第二温度传感器141、第二湿度传感器142、第二空气浓度传感器143和第二液位传感器 144；

第二温度调节装置133，用于接收第二采集处理装置132的相应调节控制信号，第二箱 体131内的温度；

第二湿度调节装置134，用于接收第二采集处理装置132的相应调节控制信号，第二箱 体131内的湿度；

第二照明装置135，用于接收第二采集处理装置132的相应调节控制信号，第二箱体131 内的照明度；

第二气体发生装置136，用于接收第二采集处理装置132的相应调节控制信号，第二箱 体131内的二氧化碳浓度；

第二供水装置137，用于接收第二采集处理装置132的相应调节控制信号，第二箱体131 内托盘槽中水容量；

第二营养液供给装置138，用于接收第二采集处理装置132的相应调节控制信号，第二 箱体131内托盘槽中营养液容量；

第二箱体内还包括第二采集处理装置132，用于接受各传感器采集的环境参数，与内置 的标准数据比较，生成各种调节控制信号，将采集的数据和移动植物工厂的状态信息转发到 通信装置；

第二箱体内还包括第三阅读器145，用于读取托盘无线射频标签06内的植物基本信息； 第三阅读器145上联第二采集处理装置132；

移动植物工厂02还包括第二通信装置146，用于将植物的基本信息和移动植物工厂的动 态环境参数通过通信网络上传中央服务器04，形成监控数据；

移动植物工厂02还包括第二电源适配器147，与市电系统连接，为微型植物工厂03提 供工作电源。

利用本发明的分布式植物种植系统，充分结合物流配送网络和射频识别技术，完成了将 处于一个生长周期中的植物分阶段放置在不同的地点进行养殖，将传统植物工厂的育种、生 长、成熟的养殖功能进行了合理分解，解决了在批发、运输、销售等流转环节中，植物蔬菜 的保鲜问题。

利用本发明的分布式植物种植系统，可以对传统植物工厂进行分步式建设，将一座大型 的植物工厂分解为育种的育种植物工厂，在途运输的移动植物工厂和家庭、超市使用的微型 植物工厂三个设备群。

通常植物在传统植物工厂中由育种到生长为成熟植株需要25～30天，

本发明的育种植物工厂只负责育种，可以采用种子直接种植的方式，由于育种只需要3～ 5天，不需要完成植物的成熟植株养殖，因此育种植物工厂的土地和空间利用率大幅度提高， 使得同样植株产量的育种植物工厂的投资仅为传统植物工厂的15％～20％。同时也大幅降低 了育种植物工厂的运营维护成本。

植物生长为成熟植株的时间大约为20～25天，都处于微型植物工厂中，由于微型植物工 厂有效利用了家庭、宾馆或超市的现有环境温度和接近恒温的空间，因此省略了高能耗的压 缩机空调和采暖系统，只需利用冷水循环和半导体制冷进行小范围的温度调节，大大降低了 植物整个成长周期的能源消耗，使植物工厂成为真正的绿色产业。

可移动植物工厂使得植物在物流运输流转过程中，可以保持生长状态，实现了植物生长 全过程处于鲜活状态。因此，可以保证客户最终在家中或超市中采摘的植物100％新鲜，损耗 几乎为零。

本发明利用无线射频标签实现了在系统中三种植物工厂内信息流的传递，保证植物养殖 信息在本系统中无缝连接的全自动模式，保证了养殖周期的完整性和养殖操作时间的准确性。 同时，本系统可以实现在植物工厂内的定点分区域的种植，使得在一个小型植物工厂中可以 种植多品种的植物，并对这些植物分别进行有针对性的管理。通过使用无线射频标签使环境 参数采集和处理装置控制照明装置实现定植株，定色温，定强度的全自动照明。

本系统利用各植物工厂的通信装置将植物生长的环境参数及生长状态实时传送至中央处 理器，使在物流流转过程中，植物从育种到成熟的全过程处于监控中，保证了食品安全。同 时，本系统可以通过中央服务器与各种电子商务网站和用户的移动终端相连，提供各类应用 的基础数据，解决了市场推广中间环节多的问题。

根据植物在物流不同流通环节所处的时间长短，可以优化本发明的分布式植物种植系统。 当在途运输环节时间较长，可以满足植物的完整生长周期时，可以简化微型植物工厂03，移 动植物工厂02到达目的地后就可进行收获、销售。例如对于远距离配送，植物在移动植物工 厂02完成生长、成熟的生长周期。

当育种植物工厂距离超市、住户等销售终端较近，不需要长距离运输时，可以简化移动 植物工厂02，使植物的大部分生长周期在微型植物工厂03中完成。例如对于近距离配送， 植物在育种植物工厂完成育种处理后，即可转移至微型植物工厂03完成生长、成熟的生长周 期。

本发明的分布式植物种植系统，使得各种建设成本和运维成本都得到了大幅下降，消费 者的终端价格进而得以大幅下调，市场前景广阔。

如图2所示，利用本发明的分布式植物种植系统将植物完整养殖周期形成分布种植的方 法，包括如下步骤：

步骤a，将植物幼苗或种子放入最小承载单元05，向最小承载单元内置的无线射频标签 06中写入基本信息；

步骤b，第一阅读器读取无线射频标签06中基本信息，育种植物工厂01的环境参数采 集和处理装置依据基本信息设定育种策略，确定各环境参数调节设备初始数据，开始植物育 种阶段的养殖，完成育种；

步骤c，将最小承载单元05转移至移动植物工厂02内，第二阅读器125读取无线射频 标签06中基本信息，移动植物工厂02的第一采集处理装置102依据基本信息设定养殖策略， 确定各被控装置的初始调节数据，开始植物生长阶段的养殖，完成植物流转过程中的生长；

步骤d，将最小承载单元05转移至微型植物工厂03内，第三阅读器145读取无线射频 标签06中基本信息，微型植物工厂03的第二采集处理装置132依据基本信息设定养殖策略， 确定各被控装置的初始调节数据，开始植物成熟阶段的养殖，完成植物在销售终端的生长。

通过以上分布种植的方法，将植物蔬菜的生长阶段配合物流流转过程，在植物蔬菜的流 转过程中，保证植物蔬菜始终处于鲜活状态，减少外界污染，降低产品损耗。

如图3所示，步骤b中还包括如下步骤：

步骤b1，育种植物工厂01的环境参数采集和处理装置将采集的实时环境参数、无线射 频标签06中的基本信息、育种植物工厂的状态信息通过第一通信装置08上传中央服务器04；

步骤c中还包括如下步骤：

步骤c1，移动植物工厂02的第一采集处理装置102将采集的实时环境参数、无线射频 标签06中的基本信息、移动植物工厂的状态信息通过第一无线通信装置126上传中央服务器 04；

步骤d中还包括如下步骤：

步骤d1，微型植物工厂03的第二采集处理装置132将采集的实时环境参数、无线射频 标签06中的基本信息、微型植物工厂的状态信息通过第二通信装置146上传中央服务器04。

还包括步骤e1：

中央服务器04接收上传信息，形成监控数据。

通过以上数据采集的方法，使植物蔬菜在流转过程中的完整生长状态都得到监控，保证 了食品安全，同时为大规模的移动植物工厂02设备群和微型植物工厂03设备群的应用提供 了基础信息。培育在育种植物工厂01中的不同种植时间、不同品种、不同生长周期的植物蔬 菜通过本方法可以实现复杂的物流配送，使得植物蔬菜种植可以在完整的生长周期中实现按 需生产，快速流转、及时销售。

当根据不同商业模式形成的流转过程，造成各流转环节中植物生长时间的变化，利用本 发明进行分布植物种植，可以形成如下对应步骤：

步骤a，将植物幼苗或种子放入最小承载单元05，向最小承载单元内置的无线射频标签 06中写入基本信息；

步骤b，第一阅读器读取无线射频标签06中基本信息，育种植物工厂01的环境参数采 集和处理装置01a依据基本信息设定育种策略，确定各环境参数调节设备初始数据，开始植 物育种阶段的养殖，完成育种；

或者进行步骤c，将最小承载单元05转移至移动植物工厂02内，第二阅读器125读取 无线射频标签06中基本信息，移动植物工厂02的第一采集处理装置102依据基本信息设定 养殖策略，确定各被控装置的初始调节数据，开始植物生长、成熟阶段的养殖，完成植物流 转过程中的生长；

或者进行步骤d，将最小承载单元05转移至微型植物工厂03内，第三阅读器145读取 无线射频标签06中基本信息，微型植物工厂03的第二采集处理装置132依据基本信息设定 养殖策略，确定各被控装置的初始调节数据，开始植物生长、成熟阶段的养殖，完成植物在 销售终端的生长。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行 限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的 各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。