CN115500164A - 一种用于动植物生长的智慧照明装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于动植物生长的智慧照明装置，其包括：照明组件，设置在植物上方用于提供植物生长所需要的光能；加热器，用于提供植物生长过程所需的温度环境，流经照明组件的发光二极管组的至少一部分电能以热能的方式逸散在发光二极管组的周围，热能至少能够对植物的顶端进行加热，植物顶端受到加热器和发光二极管组的共同加热温度升高，使得植物的顶端生长优势得到限制，从而促进植物侧芽的生长，加热器用于对植物进行加热以保证植物处于最佳生长温度，植物顶端所在位置的温度受发光二极管组的影响高于最佳生长温度。本发明利用发光二极管组散失的热能配合加热器对植物顶端进行加热，从而限制植物顶端的生长，以达到去除顶端优势的目的。

Description

一种用于动植物生长的智慧照明装置及方法

技术领域

本发明涉及农业促进动植物生长领域，尤其涉及一种用于动植物生长的智慧照明装置及方法。

背景技术

植物的生长发育主要受设施内的温度、水分、光照、气体和土壤等多种自然因子的影响，光照是促进植物进行光合作用的一个基本前提，不仅是植物在设施内生长最关键的自然环境因子，而且也作为一种能量推动植物在光合作用过程中的同化物产生、酶活化、气孔开放等。同时，光照作为一种信号调节着植物的生长、形态、新陈代谢甚至基因表达，可以通过调控光环境来提高光合效率。植物生长发育的光环境可划分为光质(光谱分布)、光照强度(光量)和光周期(明暗时间)，这些光环境因子对植物的生长发育具有关键作用。

发光二极管(LED)为作物光质生物学研究提供了有效工具。传统光源有荧光灯、白炽灯、高强度气体放电灯(HID)等，荧光灯灯内含汞，对环境易造成污染，而且其节能能力远不如LED。相比较于传统光源，LED具有可回收利用、重量轻、绿色环保、高安全性能、操作简单、体积较小、低发热量和容易控制等许多优点。为了提高设施内的光能利用率，随着LED性能的不断优化，LED在农业中逐渐被广泛应用，为设施栽培提供更多的可能性。。

随着中国现代农业的不断迅速发展，LED逐渐被推广到各种植物的栽培，可以为植物供应多种单色光和复合光。因此，可依据不同作物及作物生长的不同阶段使用LED进行补光，这对植物的生长发育有着关键的影响，其次还能冲破因不良自然条件造成的局限，使植物免受外界天气条件的侵扰。已有研究表明，适宜的光质配比对芹菜、生菜、不结球白菜、西瓜、草莓等的生长和品质有促进作用，不同的作物对光的需求也不同。因此，可以通过调节光质配比、光照强度的强弱、光周期的长短来给植物创造一个适宜的光环境，实现植物高效生产的目标。

现有技术CN111867361A提出了一种植物用照明器具以及植物用照明装置，即使设置于比较低的高度，也能够以宽范围且尽可能均匀地照射UV-B光，在这种情况下也能够抑制对正下方的植物过度地照射UV-B光。该发明的植物用照明器具包括：第1反射部件，相对照射UV-B光的光源配置于第1方向上的一方侧，将UV-B光引导到第1方向上的另一方侧；以及第2反射部件，以隔着光源的方式，关于第1方向配置于与第1反射部件相反的一侧，将接受的UV-B光中的一部分引导到第1反射部件侧，并且将接受的UV-B光中的其他部分引导到背侧。

公开号为CN107529727B的中国同族专利提出了一种植物培育装置，该植物培育装置具备发出朝向植物的地上部的光的光源、将光源侧的空间与地上部侧的空间分隔的光透射性的隔热部和在光源与隔热部之间的空间生成气流的送风机构。由此，抑制在光透射性的隔热部的上侧滞留的高温空气的热对植物带来不良影响。

上述申请文件提出了使用LED光源对植物进行补光以促进植物生长，没有考虑到LED光源产生的热量也会对植物的生长环境造成影响，且传统植物种植需要人工对植物进行去顶处理，从而避免顶端优势抑制侧芽的生长，增加了种植人员的工作负担，且现有养殖箱仅适用于单一的植物或动物的培育，不能实现既可用于动物饲养，也可用于植物培养的目的。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

为解决上述现有技术中至少一部分不足之处，本申请提供一种用于动植物生长的智慧照明装置，其包括：照明组件，设置在植物上方用于提供植物生长所需要的光能；加热器，用于提供植物生长过程所需的温度环境；流经照明组件的发光二极管组的至少一部分电能以热能的方式逸散在发光二极管组的周围，热能至少能够对植物的顶端进行加热，植物顶端受到加热器和发光二极管组的共同加热温度升高，使得植物的顶端生长优势得到限制，从而促进植物侧芽的生长，其中，加热器用于对植物进行加热以保证植物处于最佳生长温度，其中，植物顶端所在位置的温度受发光二极管组的影响高于最佳生长温度。

在植物生长发育的过程中，顶芽对侧芽有一定的制约作用，当顶芽生长旺盛时，侧芽的生长就会受到抑制，这种现象叫做顶端优势。现实生活中往往采取摘除顶芽的方式提高作物和果树产量以及花卉的观赏价值。本发明中通过利用发光二极管组散发的热量主要集中在靠近植物顶端的方式结合加热器对顶芽进行加热，使得植物顶端处于不适宜生长的温度从而限制植物的顶端生长优势，从而促进植物侧芽的生长，且不需要施加额外的手段就可以达到去除顶端优势的目的，实用性强，减少了人工负担。优选地，可通过选择具有不同散热效率的发光二极管对不同时期处于不同高度的植物进行照射，其中，散热效率高的发光二极管组用于具有低高度的植物幼苗期，散热效率低的发光二极管组用于具有高高度的植物茂盛期。

优选地，发光二极管组至少包括第一发光二极管组和第二发光二极管组，第一发光二极管组具有相对于第二发光二极管组更高的热能转化率和更低的光能转化率，

其中，第一发光二极管组用于对处于幼苗期的植物进行光照，第二发光二极管组用于对处于壮苗期的植物进行光照。

光能转化率最低的第一发光二极管组在对幼苗进行光照时，由于幼苗叶片还处于萌发阶段，并不需要过多的光能进行光合作用，且过高的光能转化率会导致第一发光二极管组的光照强度增大，容易出现光抑制现象，不利于幼苗生长。相反，处于壮苗时期的植物由于叶片基本成型，需要大量的光能进行光合作用以完成二氧化碳的同化，而光能转化率最高的第二发光二极管组正好满足这一时期植物的生长需求。

优选地，加热器设置在多层箱体内壁，加热器能够对植物的叶片进行加热促进叶片上的气孔扩大，使得植物的二氧化碳同化速率和/或根压的释放速率得到提升，其中，二氧化碳同化和根压的释放都至少基于气孔完成，

其中，根压的释放基于植物根部呼吸作用产生的过剩水分、植物的茎和植物叶片上的气孔完成。

优选地，装置还包括培养盘和梁，多层箱体的内腔基于培养盘和梁能够分为若干个种植区域，培养盘基于梁设置在多层箱体内，其中，培养盘内能够铺设培养基质以促进植物的根部的生长。

优选地，梁设置为具有通道的中空结构，通道能够用于加热的介质的流动，其中，加热的介质在流动过程中基于热传导的方式将热量经由梁、培养盘和培养基质传递至植物根部以促进植物根部的生长，

其中，梁能够以蜿蜒布置的方式设置在培养盘底部，使得梁能够对整个培养盘进行加热。

优选地，照明组件还包括其他光源，其他光源至少包括能够发射不可见光的辐射器，

其中，其他光源和发光二极管组阵列在梁上。

优选地，装置还包括控制模块，控制模块能够对发光二极管组和其他光源的光照周期和光照强度进行控制，其中，控制模块还可用于对加热器的升温量和升温速率进行控制。

优选地，多层箱体的各个种植区域内还设置有CO₂浓度监测器和CO₂产生器，CO₂浓度监测器和CO₂产生器分别与控制模块通信连接，CO₂产生器的CO₂产生速率能够基于照明组件的周期性变化而变化。

具体地，植物的光合作用是有机物进行积累的过程，而呼吸作用才是植物的生长过程。因此，不能一直或长期地对植物进行光照，需要间断性地对植物进行照明以使得植物在一个光照周期内既进行营养的积累，也能将积累的营养用于生长。因此，在单个光照周期内的光照条件下，控制模块控制CO₂产生器产生较高浓度的CO₂以鼓励植物进行营养积累；在单个周期内的无光条件下，控制模块控制CO₂产生器产生较低浓度的CO₂或不产生CO₂以促进植物的呼吸作用，其中，无光照条件下的植物仅进行呼吸作用并排出CO₂，而过高的CO₂浓度会抑制植物的呼吸作用和生长，这不利于植物的生长趋势。光照周期内的光照时间信息和无光照时间信息可以通过预设的方式储存在控制模块内。

一种动植物生长的智慧照明方法，其特征在于，至少包括以下步骤：基于加热器对植物进行加热以提供植物生长所需的温度环境；基于发光二极管组逸散的热能对至少植物顶端部分进行二次加热，使得植物顶端的生长优势得到抑制。

优选地，方法还包括使用控制模块对照明组件的光照周期和光照强度进行调节。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

图2是本发明的电子组件连接示意图。

附图标记列表

1：多层箱体；2：培养盘；3：照明组件；4：培养基质；11：外壳；12：梁；13：移动轮；31：发光二极管组；32：其他光源；33：第一发光二极管组；34：第二发光二极管组；5：加热器；60：CO₂浓度监测器；61：CO₂产生器；7：控制模块；81：温度感应单元；82：湿度感应单元；83：湿度补充单元。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

如图1所示的用于动植物生长的智慧照明装置，其包括：多层箱体1、培养盘2和照明组件3。多层箱体1用于能够承载尽可能多的培养盘2以便能够最大可能地利用可用占地面积。培养盘2用于容纳需要养殖的动植物，其中，当培养盘2用于动物养殖时可将动物直接放入培养盘2进行饲养，当培养盘2用于植物生长时需要在盘内设置合适的培养基质4，例如海绵、泡沫或仅仅是水。多层箱体1内还设置有通风、灌溉(喂水)和施肥(喂食)设备(未示出)，使得动植物在培养盘2上以完全受控的方式进行充分发育。

根据一种优选实施方式，多层箱体1包括外壳11、梁12和移动轮13。外壳11用于将箱体内外环境隔离，从而避免箱外环境中的光照，水分和温度等因素对箱内培养过程产生影响，使得培养过程以完全受控的方式进行。优选地，外壳11可以由夹有隔热腔的双层金属板制成，使得外壳11能够在具备不透光性的同时基于隔热腔对外壳11上的热传导进行阻断。外壳11设置为立方体结构，其中，外壳11的至少一部分被设置为控制箱体内外联通或封闭的门结构，使得能够在培养开始或培养结束时将动植物放入箱体内或从箱体内取出。外壳11内壁上设置有若干水平方向上横向和/或纵向设置的用于承载培养盘2的梁12，其中，梁12也可以是将箱内空间纵向分隔的隔板。梁12能够配合培养盘2将箱体分隔成多个用于培养的区域，其中，各个区域之间至少光隔离。光隔离指某一区域内的光照范围仅是该区域，不会透过梁12或培养盘2进入其他区域。移动轮13设置在外壳11的底部，用于装置的移动和转运，其中，移动轮13可以是万向轮。

根据一种优选实施方式，如图1，当装置用于植物生长时，可在培养盘2内铺设海绵等易于植物根系生长的培养基质4。培养基质4内可设置用于对植物根系进行加热的导热管，使得植物根系能够处于适宜生长的温度环境。优选地，还可通过将梁12设置为导热管的方式对植物根系进行加热，其中，梁12以蜿蜒迂回的方式设置在培养盘2底部。梁12为具有通道的中空结构，其中，通道用于加热的介质流动。加热的介质可以是水、蒸气和空气等。通过将梁12设置为导热管的方式，能够引导加热的介质对植物的根部进行加热，形成根温控制的一部分。加热的介质在梁12内流动过程中将热释放给梁12，梁12再对培养盘2和培养盘2内具有的植物根系的培养基质4进行加热。相反，也可利用冷却的介质从植物根部汲取热量。因此，按照本发明中的设置方法，能够对培养过程中的根部的温度进行调整，使得植物的根部温度维持在所需温度。梁12的材质可以是具有良好导热性的金属材料如不锈钢。优选地，每一个区域内的梁12是相对独立的，在各个区域内培养不同的植物或处于不同生长阶段的植物时可以向各自对应的梁12内通入不同温度的介质，使得装置可以区别性地对植物的根部进行温度控制。植物根部温度与根系呼吸有着密切的联系，有研究表明低温区温度抑制了根系呼吸并最终导致养分吸收和根系生长受到影响；且在低温环境下，随着温度的升高，根系呼吸作用会逐渐增强。而土壤内部的温度受气温、含水量、颜色和位置的影响，往往不能维持植物根部生长所需的温度，因此，本发明中通过对土壤施加外加导热管的方式对植物根部所在土壤温度进行控制，使得植物的根部能够在适宜温度下生长，其中，导热管可以对土壤进行加热，也可以对土壤进行降温。

根据一种优选实施方式，现有的养殖箱仅能用于单一的动物饲养或植物培育，无法达到既能用于植物培育又能用于动物饲养的目的，性能较为单一，本装置通过将用于承载培养盘2的部分梁12设置为用于导热的中空结构，部分梁12设置为用于投喂饲料的投喂管，使得本装置既可用于植物培育，也可用于动物养殖，且不同功能的梁12具有独立的控制***，可调控性强。具体地，本装置用于动物养殖时，至少部分梁12可用作饲料的投喂管。梁12内的中空结构由于饲料的运输，其中，饲料在梁12的中空结构内基于外接驱动装置进行移动时，不会受自身形状和大小的影响而被卡在中空结构内无法移动。具体地，至少一部分梁12的中空结构内设置有皮带传送装置、螺旋推动装置或压板推动装置。值得说明的是，用于作为导热管的梁12不需要进行改变。以皮带传送装置为例，至少一部分皮带以沿梁12的长度方向设置的方式设置在梁12的中空结构内并在外接驱动轮的驱动下沿梁12的长度方向移动。梁12的周侧靠近下方设置有若干用于饲料掉落的小孔，其中，小孔设置在皮带的下方，而饲料经皮带传送时位于皮带的上方，因此需要在皮带上方对应小孔位置设置挡板组件以将皮带上的饲料拨落至小孔处，并从小孔处落出至各个区域内以供动物食用。优选地，将皮带两端基于滑动方向划分为始端和末端，中空结构内设置有多组小孔和对应的挡板，饲料沿皮带始端被运送到末端。挡板被设置为靠近始端的挡板沿竖直方向上的长度小于靠近末端的挡板沿竖直方向上的长度，中间的挡板沿竖直方向上的长度沿皮带传动方向递减设置，其中，靠近始端的挡板的长度至少超过皮带上堆积有饲料时饲料顶端至中空结构顶部的长度，靠近末端的挡板的长度应与皮带至中空结构顶部的长度保持一致，使得竖直方向上的长度最短的挡板能够阻挡一部分饲料使其落入小孔内，而竖直方向上的长度最长的挡板能够将皮带上的饲料完全阻挡并落入对应的小孔内。优选地，小孔的数量基于挡板的布置方式进行设置，挡板组件基于竖直方向长度成线性变化的方式设置在中空结构内，使得皮带上的饲料在运输过程中沿梁12的长度方向均匀地落入动物养殖区域内，其中，皮带始端还设置有用于向皮带倾倒饲料的送料组件(未示出)，送料组件可以通过手动控制或智能控制的方式定期定量向皮带始端倾倒饲料。本发明通过将梁12用作导热管和饲料投喂管的方式实现装置的动植物养殖，且当装置从用于动物养殖改变至用于植物种植时无需对装置进行改造，仅仅通过控制梁12的开合和对应电器组件的启动即可实现装置从动物养殖环境切换为植物种植环境，实用性极强。

根据一种优选实施方式，导热管还可以是设置在用于投喂饲料的梁12的中空结构内的管道，使得导热管能够在梁12内运输饲料时对饲料进行加热。饲料在投喂前的运输和储存过程中容易受潮，导致饲料含水量和脆度受到影响，提高了饲料内的细菌的滋生能力。本发明通过在用于投喂饲料的梁12内设置导热管的方式，对运输过程的饲料进行加热烘烤以去除或减少饲料中的含水量，从而降低细菌的繁殖能力，以促进动物的生长。在一些优选的实施例中，导热管还可用于对饲料进行加热使其达到目的温度。

根据一种优选实施方式，导热管内的加热的介质的温度可以基于饲料运输速度进行调整，以实现减少饲料内的含水量或将饲料加热至指定温度的目的，其中，饲料的运输速率越快，加热的介质的温度就越高；饲料的传输速率越慢，加热的介质的温度就越低。优选地，可在梁12内设置多段导热管使得加热效率沿饲料运输方向线性或非线性减少。饲料在运输过程中基于投喂而不断减少，相应地，需要的热量也不断减少。本发明通过改变加热效率的方式对不同位置具有不同量的饲料进行加热，使得饲料整体受热均匀，进一步避免了热量的浪费。优选地，将导热管的加热效率基于梁12上的小孔划分，其中，沿饲料运输方向的第一个小孔和始端之间的距离上具有最高的加热效率，沿饲料运输方向的最后一个小孔和末端之间的距离上具有最低的加热效率，其中，具有最高的加热效率的距离上的饲料量最多，相反，具有最低的加热效率的距离上的饲料量最少。本发明中对传统仅用于支撑的梁12进行优化，使其既能用于植物培养时的根部加热以达到促进植物根系生长的目的，也可用于动物饲养时的饲料投喂和对饲料进行加热除湿，进一步地，单个装置内不同区域的饲料投喂或根温加热的控制是独立的，可通过控制模块7区别性地进行调整，使得装置既可用于动物或植物的单独培养，也可用于动物和植物的同时培养。

根据一种优选实施方式，用于饲料投喂的梁12和用于作为导热管的梁12之间的控制方式可以是独立控制，使得装置可以用于动物养殖也可以用于植物种植。更优地，通过将装置内不同区域的梁12、电器组件和物料运输等***采取独立控制的方式即可实现装置内动物和植物的同时养殖。

根据一种优选实施方式，多层箱体1内的每一个区域内都设置有照明组件3。照明组件3包括发光二极管组31和其他光源32。发光二极管组31发射的光至少包括光谱中的可见光，特别是红、黄、蓝或绿光。其他光源32可以是例如能够发射不可见光(如红外光和紫外光)的紫外光或红外光辐射器。发光二极管组31和其他光源32可以通过夹持的方式阵列连接至梁12上，使得发光二极管组31和其他光源32发射的光线能够以垂直照射的方式到达培养盘2内的植物或动物上，从而避免因光程不同导致的不同位置的动植物接受到的光照强度不同的现象，从而保证动植物生长的一致性。智慧照明装置还包括控制模块7。控制模块7用于控制发光二极管组31和其他光源32的光照周期和光照强度。使用控制模块7选择性地控制发光二极管组31和其他光源32中的个别组和组中的元件，使得在照明组件3运行过程中发射的光的具体光谱能够组成适合于培养盘2内的动植物生长所需的光的类型。本发明非常适合应用在低日照甚至无日照环境中，例如地下场所或密闭的植物工厂。

根据一种优选实施方式，智慧照明装置还包括加热器5。加热器5设置在每个区域内的内壁上。加热器5能够将外加电源直接转换为热源并以热辐射的方式传递至植物或动物表面。加热器5同样能够对区域内的温度进行控制，使得区域内的温度能够维持在动植物生长所需要的温度，其中，动物生长所需要的温度为动物正常生长时的气温，植物生长所需的温度是植物的叶片进行光合作用和呼吸作用所需要的环境温度。当加热器5用于对植物进行加热时，加热器5向植物的叶所在位置直接发射热辐射，使得叶的温度相对于区域内的温度升高，由此达到对叶的二氧化碳同化管理，特别是便于植物根系产生的茎流的流动。在加热器5的照射下植物叶片中的气孔会扩大，使得根部由于水分过剩产生的根压能够通过扩大的气孔得到释放，且植物光合过程中对二氧化碳的同化过程同样是基于气孔进行的，因此，扩大的气孔也能够有利于植物的生长过程。植物的生长主要受三种因素影响：光合作用、在优势根压的影响下植物向上流动的茎流和主要基于叶***的二氧化碳同化作用，这三种因素之间往往是相互适应，以达到最佳的植物生长状态，而气孔受附加热量扩大时，增加了环境中二氧化碳进入叶***效率和植物水分蒸发时的排出效率，其中茎流中的主要成分就是水分，而茎流的排出同样需要这些气孔，这进一步促进了植物的生长。相反，当茎流处于较低压力下时可以通过降低叶温的方式减少水分的蒸发，从而阻止植物的水分流失。本发明通过对加热器5的加热温度和加热周期进行调整，从而达到对光合作用和根压等生长因素的调控，并且基于植物的生长状态对植物的生长因素进行控制，以便植物处于最佳生长状态。优选地，加热器5的升温和降温受控制模块7的控制。控制模块7基于植物生长周期对加热器5的升降温进行控制，以引导植物在不同生长阶段的生长方向，例如在植物结果过程中提供更多的热量以鼓励更多的二氧化碳的同化和积累，或在植物春化阶段降低温度以引导植物某些基因的表达，其中，春化阶段又称感温阶段，是植物个体发育的一个时期，要求幼苗经历一定的低温条件至低温性的植物基因起作用，才能正常抽穗开花。

根据一种优选实施方式，多层箱体1的各区域都分别设置有CO₂浓度监测器60和CO₂产生器61。如图2，在控制模块7应用了相应的植物种类生长配置方案之后，由控制模块7调整CO₂产生器61产生对应植物生长所需的CO₂浓度，并通过CO₂浓度监测器60采集和监测种植区域内的CO₂浓度。控制模块7根据CO₂浓度监测器60采集到的信息来控制CO₂产生，当CO₂浓度监测器60监测到种植区域内植物生长所需的CO₂浓度不足时，控制模块7控制CO₂产生器61自动运行产生CO₂，当种植区域内CO₂浓度达到设定值时控制CO₂产生器61关闭。优选地，CO₂浓度的控制方式还可以是，通过控制CO₂产生器61产生CO₂的速率对种植区域内的CO₂浓度进行控制，当CO₂浓度低于植物生长所需浓度时控制CO₂产生器61加快产生CO₂的速率直至CO₂浓度达到设定值后降低CO₂产生速率至与植物生长吸收CO₂速率相等。优选地，CO₂预设值可对应植物的不同生长阶段进行更改，使得种植区域内的CO₂浓度始终满足植物生长所需的CO₂浓度。

根据一种优选实施方式，CO₂产生器61的CO₂产生速率能够基于照明组件3的周期性变化而变化。具体地，植物的光合作用是有机物进行积累的过程，而呼吸作用才是植物的生长过程。因此，不能一直或长期地对植物进行光照，需要间断性地对植物进行照明以使得植物在一个光照周期内既进行营养的积累，也能将积累的营养用于生长。因此，在单个光照周期内的光照条件下，控制模块7控制CO₂产生器61产生较高浓度的CO₂以鼓励植物进行营养积累；在单个周期内的无光条件下，控制模块7控制CO₂产生器61产生较低浓度的CO₂或不产生CO₂以促进植物的呼吸作用，其中，无光照条件下的植物仅进行呼吸作用并排出CO₂，而过高的CO₂浓度会抑制植物的呼吸作用和生长，这不利于植物的生长趋势。光照周期内的光照时间和无光照时间可以通过预设的方式储存在控制模块7内。优选地，在植物处于生长过程(长叶和抽枝等)中控制单个光照周期内的光照时间小于无光照时间以促进植物生长；在植物处于结果过程中控制单个光照周期内的光照时间大于无光照时间以促进果实中有机物的积累。

根据一个优选实施方式，多层箱体1的各区域内都分别设置有温度感应单元81、湿度感应单元82和湿度补充单元83，在控制模块7应用相应的植物种类生长配置方案之后，由控制模块7调整湿度补充单元83和加热器5产生对应植物种类生长所需的温度和湿度，并通过温度感应单元81感应种植区域内的实时的温度，湿度感应单元82感应种植区域内的实时的湿度，由控制模块7根据种植区域内实时的温度和实时的湿度来控制加热器5和湿度补充单元83产生对应植物生长的温度和湿度。

根据一种优选实施方式，控制模块7能够对种植区域内的温度、湿度、光照周期和气压等进行控制以模拟不同节气的环境。二十四节气是传统时期农业生产活动的基本时间方针，能够比较准确地反映自然的律动与节奏，体现植物与气候的和谐关系。二十四节气包含着深邃的哲学内涵，体现着“人与自然是生命共同体”的核心理念。日月之行，四时皆有常法，二十四节气构建的传统时间体系是人与自然和谐共生的体现。基于天人合一的思想和整体的宇宙观，古人认识到季节流转与气候变化、植物生长、动物生息和人们生活的内在联系及其规律。控制模块7通过控制种植区域内的温度引导植物提前或延迟进入某一生长阶段，例如，控制种植区域内小麦的生长环境改变至符合“小满”节气的环境，使得小麦的籽粒开始灌浆，进入成熟期，其中，通过延长“小满”节气环境的存在时长使得小麦具有更多的时间对籽粒进行灌浆，以达到对更多有机物的积累，从而提高小麦的产量。再例如，在植物种植初期延长“春种”的时间以促进更多的种子发芽，从而提高种子的成活率。不同节气对应的环境数据可提前存储在控制模块7内，其中，不同节气对应的环境数据可以从实际生产区不同作物的种植地对应的节气的环境数据中进行采集。本发明通过控制模块7调整种植区域内的环境至对应节气环境以对植物生长过程中的生长趋势进行控制，顺应二十四节气对应的自然规律，使得植物具有旺盛的生命力，进一步促进植物的生长。

根据一种优选实施方式，发光二极管组31具有发热小、光配方精准可控、寿命长和光衰减缓慢等优点，被广泛应用于植物工厂。虽然发光二极管是一种冷光源，但是由于其光电转化效率一般为30％～40％，因此仍有60％～70％的电能以热量的方式散逸到周边环境中。而现有植物工厂的种植区域内的温度在进行调控时并未将发光二极管产生的热量纳入调控因素，这导致种植区域靠近发光二极管组31位置在已有的加热条件下被发光二极管组31二次加热，导致种植区域内的上方靠近发光二极管组31位置的温度高于远离发光二极管组31位置的温度。在种植区域内种植的植物为高度较高的品种或发光二极管组31的设置位置靠近植物顶端时，由于顶端处于温度较高的环境，势必会影响植物的生长。

根据一种优选实施方式，本发明中将植物垂直高度上不同位置的温度按照线性或非线性变化的方式设置，其中，植物处于培养基质4内的根部具有第一温度，热量主要来自于梁12内的介质；植物处于根部和顶部之间的区段具有第二温度，热量主要来自于加热器5的辐射换热；植物顶部具有第三温度，热量主要来自于加热器5的辐射换热和发光二极管组31的散失热量。第一温度、第二温度和第三温度依次增大。第一温度与植物根部表面温度之间的温度差产生的热传导用于保证植物根系的正常生长，提供根部呼吸作用所需的热量。优选地，第一温度设置在20度～25度之间。第二温度和叶片表面温度之间的温度差产生的热传导至少用于提供植物叶片呼吸作用和光合作用所需要的热量，其中，第二温度下的热量还用于叶片气孔的扩大，从而促进植物生长过程中的根压流动和二氧化碳的同化过程。优选地，第二温度可基于植物种类进行设置，其中，在C₃植物中设置为25度，在C₄植物中设置为40度。第三温度形成的温度场主要分布在植物的顶端，植物顶端在接收到加热器5辐射的热量的同时还接收到发光二极管组31辐射的热量，使得植物顶端的第三温度高于第二温度。在第二温度设置为适宜叶片生长的温度情况下，第三温度不适于植物生长，使得植物顶端的生长受到限制。优选地，植物顶端与发光二极管组31的距离可以通过调整种植区域的层高进行控制，以确保植物顶端能够接收到发光二极管组31产生的热量。在植物生长发育的过程中，顶芽对侧芽有一定的制约作用，当顶芽生长旺盛时，侧芽的生长就会受到抑制，这种现象叫做顶端优势。现实生活中往往采取摘除顶芽的方式提高作物和果树产量以及花卉的观赏价值，但是，摘除顶芽往往需要人工进行操作，且顶芽处于较高的高度，工作人员需要借助登高工具才能对顶芽进行摘除，这进一步增加了工作人员的工作负担。本发明中通过利用发光二极管组31散发的热量主要集中在植物顶端的方式结合加热器5对顶芽进行加热，使得植物顶端处于不适宜生长的温度从而限制植物的顶端生长优势，从而促进植物侧芽的生长，且不需要施加额外的手段就可以达到去除顶端优势的目的，实用性强。优选地，可通过选择具有不同散热效率的发光二极管组31对不同时期处于不同高度的植物进行照射，其中，散热效率高的发光二极管组31用于具有低高度的植物幼苗期，散热效率低的发光二极管组31用于具有高长度的植物茂盛期。

根据一种优选实施方式，通过改变发光二极管组31的光热转换效率达到对处于不同生长阶段内的植物或不同高度种类的植物的顶端优势的限制。发光二极管组31包括第一发光二极管组33和第二发光二极管组34，其中，热能转化率最高，而对应的光能转化率最低的第一发光二极管组33用于对处于幼苗时期的植物的光照，此时幼苗的顶端在培养盘2位置固定的前提下距离第一发光二极管组33的距离最远，因此需要第一发光二极管组33散发更多的热量以确保第一发光二极管组33能够抑制幼苗的顶端优势；相对地，热能转化率最低，对应的光能转化率最高的第二发光二极管组34用于对处于壮苗(叶片基本成型，高度不会再发生较大改变的植物生长阶段)时期的植物的光照，此时壮苗的顶端距离第二发光二极管组34的距离最近，第二发光二极管组34散发的热量很容易就能达到植物顶端。优选地，光能转化率最低的第一发光二极管组33在对幼苗进行光照时，由于幼苗叶片还处于萌发阶段，并不需要过多的光能进行光合作用，且过高的光能转化率会导致第一发光二极管组33的光照强度增大，容易出现光抑制现象，不利于幼苗生长。相反，处于壮苗时期的植物由于叶片基本成型，需要大量的光能进行光合作用以完成二氧化碳的同化，而光能转化率最高的第二发光二极管组34正好满足这一时期植物的生长需求。优选地，发光二极管组31还可包括第三发光二极管组、第四发光二极管组和第五发光二极管组以对处于不同生长阶段的植物进行光照。

根据一种优选实施方式，对于利用发光二极管组31实现对植物顶端优势进行限制的方法还可以是对发光二极管组31的光质、光强和光周期进行调整以实现对植物顶端生长的限制。在使用光周期实现对植物顶端优势的限制时，可以通过改变发光二极管组31光照方向的方式对植物的叶片和植物的顶芽的光照时间进行改变。根据植物产生的有机物采取就近原则的运输方式，通过减少顶芽和顶芽附近叶片的光照时间，使得顶芽附近用于生长的有机物叶片的产量减少，顶芽无法获取足够的养分进行生长，顶端生长优势受到限制。优选地，植物的补光时间应维持在12～16小时，本发明中将顶芽附近的光照时间设置为8小时，除顶芽和顶芽附近的剩余叶片的光照时间维持在15小时。

根据一种优选实施方式，在利用光质对植物的顶端优势进行限制时，可通过改变用于照射植物顶端的发光二极管组31灯珠中红光、蓝光、远红光和紫外光的占比实现对植物顶端优势的限制。现阶段，业内对植物生长发育对红光和蓝光的必须性和依耐性已达成共识，认为植物正常所需的光质为红光和蓝光。在这样的研究结果的基础上，现阶段植物工厂LED补光***设计都是采用红光和蓝光的光质搭配。但是，除红蓝光外的别的光质例如绿光、紫外光、红外光等也可促进植物的生长，这些都被称作有益光质，它们的加入能够在极大程度上促进植物的生长。本发明中，采取带有不同光质的LED灯对植物的不同位置进行区别照射，其中，使用光质仅有红光和蓝光的LED灯对植物的顶部进行补光，相对地，使用光质为红光、蓝光和绿光的LED灯对植物除顶端部分外的叶片进行补光以促进植物除顶端部分外的叶片的生长，使得植物除顶端部分的其他部位的生长情况优于顶端部分，从而降低植物顶端优势和植物顶端生长对侧芽生长的抑制。

根据一种优选实施方式，在利用光强对植物的顶端优势进行限制时，可通过改变不同部位的光照强度对植物的不同部位进行补光。光照强度很大程度上会影响植物的细胞增殖和器官分化，在很大程度上会影响植物的生长。本发明中将除植物顶端外的其余叶片的光照强度设置在光饱和点，相对地，将植物顶端部分的光照强度设置在未达到光饱和点或光饱和点以下，使得植物除顶端部分的光环境优于植物顶端部分，从而限制植物的顶端优势。

一种用于动植物生长的智慧照明方法，基于上述智慧照明装置，重复内容不再赘述。通过在多层箱体1内不同种植区域设置不同的发光二极管组31以达到不同植物或处于不同生长周期的同种植物的光照条件，使得多层箱体1可同时用于不同植物的种植。每个种植区域的温度、光照、湿度、二氧化碳浓度由控制模块7进行单独控制，极大程度上提高了多层箱体1的实用性。控制模块7能够调节各个种植区域内的环境至与二十四节气相匹配以鼓励植物向期待的方向进行生长。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于动植物生长的智慧照明装置，其包括：

照明组件(3)，设置在植物上方用于提供植物生长所需要的光能；

加热器(5)，用于提供植物生长过程所需的温度环境；

其特征在于，流经所述照明组件(3)的发光二极管组(31)的至少一部分电能以热能的方式逸散在所述发光二极管组(31)的周围，所述热能至少能够对植物的顶端进行加热，植物顶端受到所述加热器(5)和所述发光二极管组(31)的共同加热温度升高，使得植物的顶端生长优势得到限制，从而促进植物侧芽的生长，

其中，所述加热器(5)用于对植物进行加热以保证植物处于最佳生长温度，其中，植物顶端所在位置的温度受所述发光二极管组(31)的影响高于所述最佳生长温度。

2.根据权利要求1所述的动植物生长的智慧照明装置，其特征在于，所述发光二极管组(31)至少包括第一发光二极管组(33)和第二发光二极管组(34)，所述第一发光二极管组(33)具有相对于所述第二发光二极管组(34)更高的热能转化率和更低的光能转化率，

其中，所述第一发光二极管组(33)用于对处于幼苗期的植物进行光照，所述第二发光二极管组(34)用于对处于壮苗期的植物进行光照。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的动植物生长的智慧照明装置，其特征在于，所述加热器(5)设置在多层箱体(1)内壁，所述加热器(5)能够对植物的叶片进行加热促进所述叶片上的气孔扩大，使得植物的二氧化碳同化速率和/或根压的释放速率得到提升，其中，所述二氧化碳同化和所述根压的释放都至少基于所述气孔完成，

其中，所述根压的释放基于植物根部呼吸作用产生的过剩水分、植物的茎和植物叶片上的气孔完成。

4.根据前述权利要求之一所述的动植物生长的智慧照明装置，其特征在于，所述装置还包括培养盘(2)和梁(12)，所述多层箱体(1)的内腔基于所述培养盘(2)和梁(12)分为若干个种植区域，所述培养盘(2)基于所述梁(12)设置在所述多层箱体(1)内，其中，所述培养盘(2)内能够铺设培养基质(4)以促进植物的根部的生长。

5.根据前述权利要求之一所述的动植物生长的智慧照明装置，其特征在于，所述梁(12)设置为具有通道的中空结构，所述通道能够用于加热的介质的流动，其中，所述加热的介质在流动过程中基于热传导的方式将热量经由所述梁(12)、所述培养盘(2)和所述培养基质(4)传递至植物根部以促进植物根部的生长，

其中，所述梁(12)能够以蜿蜒布置的方式设置在所述培养盘(2)底部，使得所述梁(12)能够对整个所述培养盘(2)进行加热。

6.根据前述权利要求之一所述的动植物生长的智慧照明装置，其特征在于，所述照明组件(3)还包括其他光源(32)，所述其他光源(32)至少包括能够发射不可见光的辐射器，

其中，所述其他光源(32)和所述发光二极管组(31)阵列在所述梁(12)上。

7.根据前述权利要求之一所述的动植物生长的智慧照明装置，其特征在于，所述装置还包括控制模块(7)，所述控制模块(7)能够对所述发光二极管组(31)和所述其他光源(32)的光照周期和光照强度进行控制，其中，所述控制模块(7)还可用于对所述加热器(5)的升温量和升温速率进行控制。

8.根据前述权利要求之一所述的动植物生长的智慧照明装置，其特征在于，所述多层箱体(1)的各个种植区域内还设置有CO₂浓度监测器(60)和CO₂产生器(61)，所述CO₂浓度监测器(60)和所述CO₂产生器(61)分别与所述控制模块(7)通信连接，所述CO₂产生器(61)的CO₂产生速率能够基于所述照明组件(3)的周期性变化而变化。

9.一种基于前述任一权利要求所述的智慧照明装置的动植物生长的智慧照明方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

基于加热器(5)对植物进行加热以提供植物生长所需的温度环境；

基于发光二极管组(31)逸散的热能对至少植物顶端部分进行二次加热，使得植物顶端的生长优势得到抑制。

10.根据权利要求9所述的动植物生长的智慧照明方法，其特征在于，所述方法还包括使用控制模块(7)对照明组件(3)的光照周期和光照强度进行调节。

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