Система выращивания растений
Группа изобретений относится к области выращивания растений на гидропонных системах. Система включает в себя: по меньшей мере один беспроводной детектор; и центральное средство обработки данных детектора; причем один или каждый детектор выполнен с возможностью измерения по меньшей мере одного из температуры, содержания воды и содержания питательных веществ в гидропонном субстрате для выращивания растения. Причем один или каждый детектор дополнительно выполнен с возможностью передачи идентификатора детектора и измеренного свойства или свойств по коммуникационному соединению к центральному средству обработки данных детектора. Центральное средство обработки данных детектора выполнено с возможностью: хранения в памяти предопределенных ирригационных данных, определяющих соотношение между: множеством значений для одного или более из температуры, значения pH, содержания воды и/или содержания питательных веществ субстрата; и множеством желаемых ирригационных выходных значений; обработки измеренных свойств, полученных от каждого детектора, для определения вычисленных свойств субстрата; и обеспечения вывода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата, основанный на полученных от детектора или детекторов расчетных свойствах и предопределенных ирригационных данных. Способ включает в себя стадии обеспечения системы по любому из пп. 1-11; и управления ирригационным вводом в субстрат на основе выхода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата, обеспечиваемого центральным средством обработки данных детектора системы. Портативное коммуникационное устройство детектора для использования в системе по п. 1 выполнено с возможностью обрабатывать измеренные свойства, полученные от детектора системы, для определения вычисленных свойств субстрата; и выводить на экран пользователю вычисленные свойства. Детектор для системы по любому из пп. 1-11 выполнен с возможностью измерять свойства, указывающие на температуру, содержание воды и содержание питательных веществ субстрата; и передавать измеренное свойство или свойства по коммуникационному соединению центральному средству обработки данных детектора для преобразования в значение температуры, содержания воды и содержания питательных веществ в субстрате. Центральное средство обработки данных детектора для системы по любому из пп. 1-11 выполнено с возможностью получения измеренного свойства или свойств от детектора или детекторов по коммуникационному соединению; хранения предопределенных ирригационных данных, определяющих соотношение между: множеством значений для температуры, содержания воды, значения pH и/или содержания питательных веществ в субстрате; и множеством желаемых ирригационных выходных значений; обработки измеренных свойств, полученных от каждого детектора, для определения вычисленных свойств субстрата; и обеспечения вывода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата, основанный на полученных от детектора или детекторов измеренных свойствах и предопределенных ирригационных данных. Изобретения позволяют исключить потери и избыточную подачу воды и/или питательных веществ и осуществлять контроль и управление условиями выращивания растений. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 12 ил.
Настоящее изобретение относится к выращиванию растений в гидропонных системах выращивания, включающих в себя искусственные субстраты. В частности, но не исключительно, настоящее изобретение относится к системе и способу для мониторинга условий роста растения, более конкретно условий роста растения в субстратах из минеральной шерсти, используемых для выращивания растений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Гидропонные системы выращивания известны в данной области техники для выращивания растений с использованием минеральных питательных растворов без почвы (то есть беспочвенных культур). Растения в гидропонных системах выращивания могут быть выращены в субстратах различных типов, таких как, например, минеральная шерсть, стекловолокно, кокосовый торф (волокно кокосовой пальмы) или плиты торфа.
Известно, что растения могут быть выращены в субстратах для выращивания из минеральной шерсти. Такие субстраты для выращивания обычно обеспечиваются как связная набивка, блок, плита или циновка/мат и обычно включают в себя связующее вещество, обычно органическое связующее вещество, для того, чтобы обеспечить продукту структурную целостность.
Как правило, процессом роста растения управляют на двух стадиях: первая стадия выполняется «пропагатором», и на этой стадии растение выращивается из семени; а вторая стадия выполняется «плодоводом», и на этой стадии растение выращивается и собирается урожай. Например, в случае томатного растения пропагатор может выращивать отдельные томатные семена в цилиндрических набивках, имеющих толщину порядка 25-30 мм и радиус приблизительно 20-30 мм. После прорастания семян пропагатор помещает набивку внутрь блока в форме прямоугольного параллелепипеда, чтобы обеспечить дополнительный рост корневой системы и растения. Уход за отдельным растением внутри блок затем производится вплоть до стадии, когда оно может быть передано от пропагатора плодоводу.
Хотя зачастую только единственное растение обеспечивается в каждом блоке, возможна посадка нескольких растений в один блок. В некоторых примерах единственное растение в блоке расщепляется на два путем расщепления стебля на ранней фазе роста, что приводит к двум растениям, разделяющим одну корневую систему. В другой альтернативе несколько растений могут быть привиты вместе и выращены внутри одного блока.
Использование отдельной набивки и блока пропагатором не является существенным для всех растений, но было описано, например, в европейской патентной заявке EP 2111746 как обеспечивающее ряд преимуществ. В частности, небольшой размер набивки позволяет более регулярно поливать растение на начальной стадии, не насыщая его субстрат.
После того, как рассада получается от пропагатора, плодовод помещает несколько блоков в одну плиту из минеральной шерсти для того, чтобы сформировать систему выращивания растений. Плита из минеральной шерсти обычно помещена в корпус из фольги или другого непроницаемого для жидкости слоя за исключением отверстий на верхней поверхности для приема блоков с растениями и дренажного отверстия, предусмотренного на нижней поверхности.
Во время последующего роста растения вода и питательные вещества обеспечиваются с использованием капельниц, которые поставляют жидкость, содержащую воду и питательные вещества, к системе либо непосредственно к блокам, либо к плитам. Вода и питательные вещества в блоках и плитах забираются корнями растений, и растения соответственно растут. Вода и питательные вещества, которые не забираются корнями растений, либо остаются в системе субстрата, либо дренируются через дренажное отверстие.
Желательно использовать воду и питательные вещества во время процесса выращивания настолько эффективно, насколько это возможно. Это обуславливается как экономическими, так и экологическими причинами. В частности, питательные вещества являются дорогими в получении, в то время как от сточных вод, содержащих такие питательные вещества, трудно избавиться из-за законодательства в области окружающей среды. Давление этих факторов будет увеличиваться по мере того, как исходных материалов (особенно удобрений, таких как фосфаты) будет становиться недостаточно. Желание избежать таких отходов соответствует желанию улучшить условия роста растения, и тем самым увеличить выход и качество плодов, полученных из растений таким образом.
Само по себе использование минеральной шерсти предоставляет существенные преимущества в этом отношении по сравнению с традиционными способами выращивания, основанными на почве, однако существует постоянное требование дополнительного улучшения этих характеристик. В частности, существует конфликтное по своей природе желание увеличить производство продукции и уменьшить потребление в процессах выращивания растений. То есть желательно иметь больший выход от растений, одновременно с этим уменьшая количество используемой воды и/или питательных веществ. На практике существующие способы выращивания и/или субстраты накладывают ограничения на оба этих аспекта.
Важные качества систем выращивания растений в этом контексте включают в себя удержание воды, донасыщение и распределение воды/питательных веществ. Удержание воды отражает количество воды, которое может быть сохранено системой, в то время как распределение воды отражает расположение внутри плиты присутствующих воды и питательных веществ. Донасыщение относится к тенденции свежедобавленного жидкого раствора увеличивать уровни содержания воды и питательных веществ в субстрате, а не заменять существующий раствор или выливаться.
Конкретные соображения, которые влияют на удержание воды, распределение воды и донасыщение, включают в себя влияние силы тяжести, которая заставляет стекать воду вниз и таким образом выходить через дренажное отверстие, и капиллярные эффекты, которые могут оттягивать воду вверх. На практике плиты обычно располагаются с небольшим наклоном, причем дренажное отверстие располагается на самом низком конце поверхности дна, помогая тем самым гарантировать, что сила тяжести будет увлекать воду к дренажному отверстию. В дополнение к силе тяжести и капиллярным эффектам следует рассмотреть сопротивление среды потоку, которое оказывает эффект предотвращения прохождения воды через плиту от капельниц до дренажного отверстия. В целом, если развитие корней и растения должно быть оптимизировано, то необходимо гарантировать, что оптимальные условия созданы в той области субстрата, в которой растут корни.
Как можно предположить, субоптимальное удержание воды в субстрате может привести либо к нехватке, либо к переизбытку воды. В случае нехватки это приводит к потере воды, и таким образом к ее вытеканию через дренажное отверстие. Распределение воды также является важным, так как необходимо, чтобы вода внутри плиты достигала корней растения. Например, когда растение только что помещено в плиту, корни будут медленно расширяться в верхние области плиты. Если вода будет не в состоянии достичь корней, то это приведет к потере скорости роста и таким образом к потерям производства. В частности, для того, чтобы гарантировать, что корни растения в главной области плиты поливаются достаточно, плодоводу может быть необходимо обеспечить чрезмерное количество воды для плиты с тем, чтобы поддержать достаточное количество воды вокруг корней, что приведет к большему уходу воды через дренажное отверстие и соответственно к дополнительным затратам. Чрезмерные уровни воды могут также увеличить с одной стороны риск роста грибков или кислородного голодания с другой стороны, что может повредить растение.
Важным фактором в выращивании растения является удержание и распределение питательных веществ. Хотя питательные вещества обычно вводятся с водой, они не обязательно распределяются и удерживаются плитой таким же образом. Питательные вещества обычно содержат растворенные соли, включающие в себя азот, фосфор, калий, кальций, магний и подобные элементы. Питательные вещества растворяются в воде, и на их перемещение через плиту влияют такие процессы, как адвекция, дисперсия и диффузия. Адвекция является перемещением питательных веществ с потоком воды через плиту, дисперсия является смешиванием питательных веществ, которое происходит по мере того, как они перемещаются через сложные структуры пор в плите, и диффузия относится к случайному перемещению частиц внутри плиты, а также к статистической тенденции такого перемещения, которая должна уменьшать градиенты концентраций.
Как и в случае с самой водой, важно, чтобы питательные вещества достигли корней растения. Если питательные вещества распределяются плохо, или не удерживаются в плите, то могут потребоваться избыточные питательные вещества в плите в целом для того, чтобы растение получало необходимые ему питательные вещества. Это, конечно же, означает нерациональное использование питательных веществ.
Другим соображением, которое играет роль в выращивании растений на искусственных субстратах, является эффективностью обновления питательных веществ (то есть ирригационная эффективность обновления питательных веществ). Это относится к тому, будет ли введение нового питательного раствора вымывать уже существующие в плите питательные вещества. При некоторых обстоятельствах может быть желательно изменять концентрацию питательных веществ внутри плиты во время процесса выращивания. Возможность сделать это будет зависеть от того, могут ли существующие питательные вещества эффективно быть заменены во всей плите или по меньшей мере в той области плиты, в которой имеет место рост корней. Кроме того, в некоторых примерах накопление питательных веществ, если они не заменяются, может достигать таких уровней, которые могут вызвать обезвоживание, или которые по меньшей мере являются неидеальными для роста растения.
Учитывая это, становится очевидным, что количество воды и питательных веществ, обеспечиваемых для растения, играет критическую роль в росте растения. Этот выбор обычно делается путем анализа внешних факторов, таких как длительность светового дня или температура, и прогнозирования вероятного поведения системы (с точки зрения испарения и т.д.).
Известно измерение содержания воды и/или питательных веществ внутри субстрата для выращивания растений. Например, международная патентная заявка WO 2010/031773 описывает прибор для измерения содержания воды, который определяет содержание воды в субстрате из минеральной шерсти путем измерения емкости. Аналогичным образом международная патентная заявка WO 03/005807 описывает процесс для измерения уровня кислорода в воде в субстрате для выращивания растений. Однако, хотя такие методы могут предоставлять плодоводу полезную информацию, они сами по себе не гарантируют улучшенного содержания и распределения воды, питательных веществ и кислорода внутри плиты. Кроме того, реализация таких систем может потребовать установки большого количества дорогих компонентов, значительно увеличивая затраты пользователя, и повторное развертывание этих систем для сокращения затрат на измерение множества областей или систем выращивания может быть весьма трудоемким и занимать много времени.
Патентная заявка US 4015366 описывает проводную систему измерения и подачи жидкости с датчиками, расположенными в области сельскохозяйственного производства. Эти датчики измеряют уровни нитратов, фосфатов или калия в почве области сельскохозяйственного производства для того, чтобы определить, достаточен ли уровень одного или более из этих компонентов в почве. На основе показаний датчиков может быть активирован цикл распределения питательных веществ. Патентная заявка US 2007/082600 описывает портативное устройство, включающее в себя датчики и зонды, которые используются для того, чтобы измерять и выводить на экран параметры климата и/или почвы. Хотя такие системы и устройства могут обеспечить полезную информацию о составе сельскохозяйственной почвы и могут помочь автоматизировать ирригацию почвы, они не обеспечивают решений для эффективного управления распределением воды и воды/питательных веществ в гидропонных системах выращивания, таких как субстраты из минеральной шерсти.
Таким образом, имеется неудовлетворенная потребность в улучшении систем, доступных пользователю для управления ирригацией растений во время роста растения в гидропонных системах выращивания. Субстраты в гидропонных системах часто имеют фиксированный объем, в отличие от почв и транспорта в почвах, в которых вода может распространяться по неограниченному объему субстрата в любом направлении. Существующие методы часто приводят к потере и/или избыточной подаче воды и/или питательных веществ, поскольку они неспособны предложить ни подходящего и гибкого контроля и управления условиями выращивания, ни достаточно точных и подстраиваемых стратегий реагирования, а реконфигурирование существующих систем может быть трудоемкими и может вызывать ошибки из-за многочисленных стадий индивидуального реконфигурирования отдельных элементов системы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Принимая во внимание недостатки предшествующего уровня техники, настоящее изобретение предлагает систему для управления условиями выращивания растения, включающую в себя:
по меньшей мере один детектор; и
центральное средство обработки данных детектора;
в которой один или каждый детектор выполнен с возможностью измерения некоторого свойства или свойств, указывающих на температуру, содержание воды и содержание питательных веществ в субстрате для выращивания растения;
в которой один или каждый детектор дополнительно выполнен с возможностью передачи идентификатора детектора и измеренного свойства или свойств по коммуникационному соединению к центральному средству обработки данных детектора;
в которой центральное средство обработки данных детектора выполнено с возможностью:
хранения в памяти предопределенных ирригационных данных, определяющих соотношение между:
множеством значений для одного или более из температуры, значения pH, содержания воды и/или содержания питательных веществ субстрата; и
множеством желаемых ирригационных выходных значений;
обработки измеренных свойств, полученных от каждого детектора, для определения вычисленных свойств субстрата; и
обеспечения вывода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата для выращивания, основанный на полученных от детектора или детекторов расчетных свойствах и предопределенных ирригационных данных.
Передача измеренных свойств к центральному средству обработки для преобразования и для использования в создании вывода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата, обеспечивает более гибкое и более точное управление условиями выращивания, которые могут быть легко и централизованно переконфигурированы в ответ на новые данные или в ответ на другие факторы влияния, такие как факторы окружающей среды или изменения в растениях, или субстратах, или других материалах, используемых в системе. В системе могут использоваться один или более детекторов, и предпочтительные варианты осуществления могут включать от 3 до 5 детекторов. Предпочтительно система может быть развернута с помощью беспроводных технологий в наблюдаемой области, как будет более подробно описано ниже.
Соответственно, настоящее изобретение использует свойства, указывающие на температуру (то есть температуру корней), содержание воды и содержание питательных веществ, определяя электрическую проводимость текучей среды в субстрате, например для того, чтобы точно определить содержание питательных веществ в искусственном субстрате в противоположность уровням отдельных элементов.
Следовательно, в отличие от существующих систем настоящее изобретение предлагает решение проблемы сточных вод, специфичной для беспочвенных культур гидропонных систем. Как уже было обсуждено выше, субстраты в гидропонных системах часто имеют фиксированные объемы воды, в отличие от почв и транспорта в почвах, в которых вода может распространяться по неограниченному объему субстрата в любом направлении. Фиксированные объемы воды в гидропонных системах обычно составляют приблизительно от 1 до 30 л/м2, и чаще всего от 4 до 15 л/м2. В пересчете на одно растение фиксированный объем воды обычно составляет от 1,5 до 10 л. Фиксированные объемы воды в гидропонных системах также являются довольно небольшими по сравнению с корневыми областями растений в почве.
Беспочвенные субстраты в гидропонных системах могут быть расположены поверх почвы, на лотках для стока жидкости, на движущихся столах и т.д. Относительно небольшие объемы воды в комбинации с выращиванием из почвы позволяют плодоводам собирать избыток воды, дезинфицировать воду и снова ее использовать для применения новых питательных растворов. Количество дренируемой воды является относительно небольшим (например 20-60 м3 на га в летний день). С использованием существующих систем дезинфекции (используя, например, специальные насосы для этой цели) собранная дренированная вода может быть дезинфицирована обычно в пределах 24 ч, так, чтобы она была готова к употреблению на следующий день.
В искусственных субстратах, например, давление всасывания, создаваемое растениями для поглощения воды, обычно находится в диапазоне между pF 0 и 2, и наиболее часто между pF 0 и 1,5. Хотя поглощение воды растениями в этом диапазоне является неограниченным, различия в этом диапазоне могут определять различия в распределениях сухого вещества в растениях. В отличие от этого, в сельскохозяйственных почвах нормальное значение pF находится в диапазоне от 2 до 4,2 (создаваемое растениями давление всасывания составляет от 100 до 16000 атм). В этом диапазоне мы говорим о доступности воды для растений, а не об эффектах распределения сухого веса.
Система может дополнительно включать в себя портативное коммуникационное устройство детектора, выполненное с возможностью: обработки измеренных свойств, полученных от детектора системы, для определения вычисленных свойств субстрата; и вывода на экран расчетных свойств для пользователя. Дополнительное включение в систему портативного коммуникационного устройства детектора обеспечивает выполнение проверок и тестирования отдельных компонентов системы и более легкую установку системы, так как пользователь может поместить детекторы в область роста и проверить выход без необходимости возвращаться к центральному компьютеру или устройству обработки для того, чтобы проверить или обновить конфигурацию и характеристики системы.
Портативное коммуникационное устройство детектора может быть дополнительно выполнено с возможностью: получать данные детектора от детектора системы; и передавать данные детектора к центральному средству обработки данных детектора. Это может позволить пользователю проверить данные детектора, относящиеся к выводу или к состоянию детектора в области выращивания, и дополнительно передать полученные данные к центральному средству обработки данных детектора для последующего анализа, или обновить вводы или данные конфигурации системы после исправления или обновления установки или конфигурации компонентов системы.
Центральное средство обработки данных детектора может быть дополнительно выполнено с возможностью: обработки измеренных свойств, полученных от каждого детектора, для определения содержания питательных веществ в субстрате, связанном с каждым детектором; а также обеспечения вывода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата, основанной на расчетном содержании питательных веществ в субстрате для выращивания. Регулирование ирригационного ввода, основанное на содержании питательных веществ в субстрате, до сих пор не было известно, так как обычно используются другие вводы, такие как обнаруженное излучение или обнаруженный уровень воды. Использование уровней питательных веществ для регулирования ирригации отражает понимание того, что по меньшей мере время от времени уровень содержания воды не должен поддерживаться на определенной точке, если это оказывает неблагоприятное воздействие на уровень питательных веществ в субстрате. Например, когда предпринимается преднамеренное усилие для того, чтобы уменьшить уровень содержания воды внутри субстрата, существует риск получения увеличенного уровня питательных веществ в субстрате. Следовательно, было признано неподходящим игнорировать уровень питательных веществ в субстрате при осуществлении управления уровнем содержания воды. В предпочтительных вариантах осуществления свойством, указывающим на содержание питательных веществ в субстрате, является электрическая проводимость текучей среды в субстрате для выращивания.
Портативное коммуникационное устройство детектора может быть дополнительно выполнено с возможностью: получения идентификатора детектора от детектора системы; получения данных детектора, относящихся к детектору; а также передачи идентификатора детектора и данных детектора к центральному средству обработки данных детектора. Это обеспечивает гибкий ввод данных детектора в центральное средство обработки данных системы без необходимости присутствия возле центрального средства обработки данных детектора, так что конфигурация может быть выполнена более эффективно в области выращивания.
Портативное коммуникационное устройство детектора может быть дополнительно выполнено с возможностью: получения посредством пользовательского ввода определенных пользователем данных детектора; связывания определенных пользователем данных детектора с идентификатором детектора; а также передачи идентификатора детектора и определенных пользователем данных детектора к центральному средству обработки данных детектора. Ввод пользовательских данных позволяет пользователю определять данные для детектора и передавать данные к центральному средству обработки данных детектора для удаленного расположения, так что конфигурация может быть выполнена более эффективно в области выращивания.
Данные, связанные с идентификатором детектора, могут включать в себя любое или все из: данных о расположении детектора; состояния питания детектора; состояния коммуникационного соединения между детектором и центральным средством обработки данных детектора; информации, указывающей на тип и/или размер субстрата для выращивания, измеряемого этим детектором; и/или свойства или свойств субстрата для выращивания, измеряемых этим детектором. Некоторые или все из вышеперечисленных данных могут быть либо переданы детектором, либо введены в портативное коммуникационное устройство детектора пользователем.
Портативное коммуникационное устройство детектора может быть дополнительно выполнено с возможностью: получения измеренных свойств от детектора; связывания измеренных свойств с идентификатором детектора; а также передачи идентификатора детектора и связанных с ним измеренных свойств к центральному средству обработки данных детектора системы. Это может позволить пользователю проверить выводы детектора в растущей области и дополнительно передать их к центральному средству обработки данных детектора для сохранения данных для последующего анализа, или обновить вводы или данные конфигурации системы после исправления или обновления установки или конфигурации компонентов системы.
Портативное коммуникационное устройство детектора может дополнительно включать в себя средства определения расположения для определения данных о расположении устройства или детектора, а также может быть дополнительно выполнено с возможностью: связывания идентификатора детектора с определенными данными о расположении; а также передачи идентификатора детектора и связанных с ним данных о расположении к центральному средству обработки данных детектора системы. Это позволяет отправлять данные о расположении детектора или детекторов системы к центральному средству обработки данных детектора без необходимости возвращаться к центральному средству обработки данных детектора.
Настоящее изобретение дополнительно предлагает способ управления условиями роста растения, включающий в себя: обеспечение системы в соответствии с настоящим изобретением; а также управление ирригационным вводом в субстрат для выращивания растения на основе вывода, указывающего на желательный ирригационный ввод для субстрата, обеспечиваемого центральным средством обработки данных детектора системы.
Этот способ может дополнительно включать в себя ввод данных о конфигурации детектора ввода в портативное коммуникационное устройство детектора системы и передачу портативным коммуникационным устройством детектора информации о конфигурации детектора центральному средству обработки данных детектора.
Также предлагается портативное коммуникационное устройство детектора для использования в системе в соответствии с настоящим изобретением, выполненное с возможностью: обработки измеренных свойств, полученных от детектора системы, для определения вычисленных свойств субстрата; а также вывода на экран расчетных свойств для пользователя. Это дополнительно позволяет обрабатывать выводы детекторов как если бы они находились в центральном средстве обработки данных детектора, в то время как пользователь находится в области выращивания, так что при желании конфигурации могут быть проверены и выводы могут быть сравнены с различными моделями преобразования факторов, которые могут быть сохранены в портативном коммуникационном устройстве детектора.
Настоящее изобретение дополнительно предлагает компьютерный программный продукт, загружаемый в память электронного коммуникационного устройства и содержащий инструкции, которые при их выполнении электронным коммуникационным устройством заставляют его конфигурироваться в качестве предложенного портативного коммуникационного устройства детектора.
Дополнительно предлагается детектор для системы в соответствии с настоящим изобретением, выполненный с возможностью:
измерения свойств, указывающих по меньшей мере на одно из температуры, содержания воды и содержания питательных веществ в субстрате для выращивания растения;
передачи измеренного свойства или свойств по коммуникационному соединению к центральному средству обработки данных детектора для преобразования в значение температуры, содержания воды и содержания питательных веществ в субстрате для выращивания растения.
Детектор может быть дополнительно выполнен с возможностью передачи портативному коммуникационному устройству детектора идентификатора детектора, и/или одного или больше из: измеренных свойств, указывающих по меньшей мере на одно из температуры, содержания воды и содержания питательных веществ в субстрате для выращивания растения; состояния электропитания; состояния коммуникационного соединения. Эти стадии могут быть выполнены в ответ на сигнал опроса от портативного коммуникационного устройства детектора.
Центральное средство обработки данных детектора для системы по настоящему изобретению может быть обеспечено и может быть выполнено с возможностью:
получения измеренного свойства или свойств от детектора или детекторов по коммуникационному соединению;
хранения предопределенных ирригационных данных, определяющих соотношение между:
множеством значений для температуры, содержания воды и содержания питательных веществ в субстрате для выращивания растения; и
множеством желаемых ирригационных выходных значений;
обработки измеренных свойств, полученных от каждого детектора, для определения вычисленных свойств субстрата; и
обеспечения вывода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата для выращивания, основанный на полученных от детектора или детекторов измеренных свойствах и предопределенных ирригационных данных.
Центральное средство обработки данных детектора может быть дополнительно выполнено с возможностью получения информации о детекторе, связанной с одним или более детекторами системы, от портативного коммуникационного устройства детектора, а также хранения информации о конфигурации в средстве хранения данных.
Ряд факторов, отслеживаемых детекторами системы, могут оказывать влияние на процесс, по отдельности или в комбинации с уровнем питательных веществ, и эти факторы могут изменяться в большой системе выращивания растений. Система по настоящему изобретению позволяет пользователю реализовать дешевую систему и быстро и легко осуществлять повторное развертывание оборудования или детекторов в различных областях оранжереи или другой области выращивания так, чтобы условия могли быстро и легко отслеживаться во множестве областей без необходимости в закупках нового оборудования для каждой области.
Настоящее изобретение может обеспечить систему с обратной связью, которая может использоваться для плотного и надежного мониторинга уровня питательных веществ в плите и управления подачей воды в зависимости от этого уровня. Уровни питательных веществ в одном или более субстратов отслеживаются непосредственно. Это делается, например, путем измерений внутри субстрата, а не косвенно путем измерения воды, дренируемой из субстрата, или какого-либо другого метода. Это обеспечивает систему, в которой средой каждого растения можно управлять для того, чтобы обеспечить максимальный результат для данного количества воды и/или питательных веществ.
Вместо того, чтобы полагаться на уровни попадающего излучения, как в обычных системах, настоящее изобретение может использовать уровень питательных веществ и/или температуру в субстрате, и может также использовать содержание воды или значение pH в субстрате в качестве критических значений уставок при принятии решений для ирригации. В традиционных случаях увеличение количества падающего света автоматически приводит к большей ирригации. В отличие от этого настоящее изобретение позволяет принимать решение о том, нужно ли орошение, не на основе уровня освещения, или по меньшей мере не только на основе уровня освещения, но и на основе прямого измерения субстрата.
Субстраты предпочтительно являются субстратами из MMVF (стекловаты), хотя могут использоваться и другие субстраты. В предпочтительных вариантах осуществления каждый субстрат представляет собой плиту и единственный блок (предпочтительно плиту из MMVF и единственный блок из MMVF). То есть один и только один содержащий растение блок предусматривается на каждой плите, что означает, что управление содержанием воды и/или питательных веществ внутри каждой плиты можно осуществлять намного более точно, чем в тех системах, где растения предусматриваются в множестве блоков, которые могут конкурировать за ресурсы из одной плиты. Известно, что использование единственного блока обеспечивает систему с обратной связью, которая может более точно измерять соответствующий уровень питательных веществ, и, следовательно, обеспечивать более точное управление подачей воды и питательных веществ в зависимости от этих характеристик.
Предпочтительно один или более детекторов организуются дополнительно для того, чтобы отслеживать уровни содержания воды по меньшей мере в одном из субстратов для выращивания растений, и подачей воды по меньшей мере одним ирригационным устройством управляют в зависимости от измеряемых уровней содержания воды. Таким образом подачей воды точно управляют на основе как уровней питательных веществ, так и уровней содержания воды, фактически наблюдаемых в субстратах.
В дополнение к управлению подачей воды по меньшей мере одним ирригационным устройством средство управления может также управлять подачей питательных веществ по меньшей мере одним ирригационным устройством. Такое управление может быть предписано в зависимости от измеренных уровней содержания воды и/или питательных веществ. Температура также может быть фактором, принимаемым во внимание контроллером при управлении скоростями и циклами ирригации.
В предпочтительных вариантах осуществления один или более детекторов дополнительно организуются для того, чтобы отслеживать распределение по меньшей мере одного из воды и/или питательных веществ внутри по меньшей мере одного из субстратов для выращивания растения. Предпочтительно подачей воды и/или питательных веществ управляют так, чтобы увеличить однородность распределения отслеживаемой воды, питательного вещества и/или кислорода. Таким образом, становится известно не только количество таких материалов, но и информация о том, как они распределяются внутри и/или между блоком и/или плитой данной системы. Это обеспечивает дополнительный уровень подробностей, которые могут быть использованы для того, чтобы гарантировать, что обеспечивается подходящее количество воды и питательных веществ.
Преимущества улучшенного распределения воды и/или питательных веществ являются особенно существенными во время ранней стадии, когда содержащий растение блок только что помещен в плиту. В этот момент важно, чтобы первый слой содержал достаточно воды и питательных веществ, чтобы гарантировать хорошее укоренение внутри плиты. Это обеспечивает положительное развитие корневой системы для того, чтобы гарантировать оптимальный и здоровый рост растения. Выгодным является то, что обеспечивается не только достаточное количество воды и питательных веществ в плите по настоящему изобретению, но также и плотное управление уровнями воды и питательных веществ в непосредственной близости от корней. Это может помочь избежать перекармливания растений, которое может уменьшить рост плодов и/или овощей.
Стекловата (MMVF) по настоящему изобретению может быть стеклянными волокнами, минеральной шерстью или огнеупорными керамическими волокнами. В предпочтительных вариантах осуществления MMVF является минеральной шерстью, например, такой как каменная шерсть.
Один или более детекторов или датчиков могут быть применены к единственной плите или субстрату. Кроме того, один или более детекторов могут быть распределены по нескольким плитам или субстратам. Система также может быть эффективной с единственным детектором или датчиком.
Один или более детекторов могут быть зафиксированы относительно субстратов. Иначе говоря, один или более детекторов могут постоянно находиться в рабочем положении и таким образом не должны повторно устанавливаться каждый раз, когда контролируются уровни воды или питательных веществ. В контексте одиночных блоков на каждой плите можно понять, что это означает постоянство для системы управления. В частности, автоматизированное управление растениями и/или питательными веществами может использоваться для того, чтобы обеспечить идеальные уровни для каждого растения в системе.
Уровень питательных веществ может отражать общий уровень всех питательных веществ в субстрате, уровни некоторых конкретных питательных веществ, или уровень единственного питательного вещества. Настоящее изобретение не ограничивается какой-либо одной реализацией в этом отношении.
Один или более детекторов могут быть выполнены с возможностью регулярно контролировать содержание воды и/или питательных веществ по меньшей мере одного из субстратов для выращивания растения. Например, эти уровни могут контролироваться с регулярными интервалами. Альтернативно один или более детекторов могут быть выполнены с возможностью непрерывного измерения содержания воды и/или питательных веществ.
Предпочтительно один или более детекторов выполнены с возможностью мониторинга содержания как воды, так и питательных веществ по меньшей мере в одном из субстратов для выращивания растения.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления один или более детекторов дополнительно выполнены с возможностью мониторинга температуры по меньшей мере одного из субстратов для выращивания растения, и подача воды и/или питательных веществ по меньшей мере одним ирригационным устройством дополнительно управляется средством управления в зависимости от отслеживаемой температуры.
Предпочтительно один или более детекторов выполнены с возможностью определения содержания питательных веществ по электрической проводимости текучей среды, находящейся внутри или дренируемой по меньшей мере из одного субстрата для выращивания растения. Электрическая проводимость обеспечивает точную индикацию или количество солей, и таким образом ионов в текучей среде. Это обеспечивает хорошую индикацию уровня питательных веществ.
Система по настоящему изобретению может использоваться в любой системе выращивания растений, и может быть реализована по существу с любым субстратом для выращивания растения, который может включать в себя естественные или искусственные материалы и который может быть реализован в управляемой среде, такой как оранжерея, в пластиковых туннелях или во внешней среде. Преимущества настоящего изобретения могут быть реализованы по существу в любом сельскохозяйственном или садоводческом применении, где должны отслеживаться описанные в настоящем документе условия роста.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления система может быть реализована с субстратом, который является плитой, и который имеет объем в диапазоне от 3 до 20 л. Предпочтительно плита имеет объем от 5 до 15 л, более предпочтительно от 5 до 11 л, и в конкретном предпочтительном варианте осуществления плита имеет объем от 6 до 8 л. Такой относительно небольшой объем обеспечивает строгий контроль уровней воды и питательных веществ, и при этом не является настолько маленьким, чтобы предотвратить желаемый рост корней.
Этот размер плиты также обеспечивает более эффективное управление уровнями воды и питательных веществ по сравнению с обычными, более крупными плитами. В отличие от предыдущих плит, которые обычно предназначены для приема множества содержащих растения блоков на своей верхней поверхности, плита по настоящему изобретению в предпочтительных вариантах осуществления предназначена для использования с единственным содержащим растение блоком. Таким образом можно осуществлять плотное управление подачей воды и питательных веществ для отдельного растения или растений из индивидуального блока. Это позволяет оптимизировать уровень воды и питательных веществ, обеспечиваемых для растения, в частности для производительных стратегий выращивания, которые предлагают больший выход и меньшее количество отходов, чем вегетационные стратегии.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления каждый субстрат для выращивания растения дополнительно включает в себя единственную набивку из MMVF, расположенную внутри блока из MMVF. Эта набивка может использоваться для выращивания растения из семени прежде, чем быть помещенной в блок.
Предпочтительно плита из MMVF включает в себя первый слой MMVF, находящийся в контакте со вторым слоем MMVF, причем первый слой имеет большую плотность, чем второй слой. Было найдено, что обеспечение разных плотностей увеличивает контроль над распределением воды и питательных веществ в субстрате. В предпочтительных вариантах осуществления первый слой MMVF имеет плотность в диапазоне от 40 кг/м3 до 90 кг/м3, а второй слой MMVF имеет плотность в диапазоне от 35 кг/м3 до 85 кг/м3. Более предпочтительно плотность первого слоя находится в диапазоне от 50 кг/м3 до 80 кг/м3 и/или плотность второго слоя находятся в диапазоне от 45 кг/м3 до75 кг/м3. В особенно предпочтительном варианте осуществления плотность первого слоя составляет 70 кг/м3, а плотность второго слоя составляет 50 кг/м3. Было найдено, что эти плотности обеспечивают хорошие свойства для роста растения, включая удержание воды и питательных веществ.
Плотность второго слоя может быть меньше, чем плотность первого слоя. Предпочтительно плотность второго слоя составляет по меньшей мере на 5 кг/м3 меньше, чем плотность первого слоя, более предпочтительно по меньшей мере на 10 кг/м3 меньше, чем плотность первого слоя, и наиболее предпочтительно приблизительно на 20 кг/м3 меньше, чем плотность первого слоя. Этот контраст между плотностями слоев помогает гарантировать, что вода и питательные вещества подходящим образом распределяются через плиту, и в частности может помочь избежать избыточной пропорции воды и/или питательных веществ во втором слое.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления субстрат включает в себя гидрофильную связывающую систему и/или связывающую систему, включающую в себя органическое связующее вещество, выбираемое из не содержащих формальдегида связующих веществ. Связывающая система может включать в себя связующее вещество и смачивающий агент, или может включать в себя одно только связующее вещество. За счет гарантирования того, что связывающая система является гидрофильной, свойства удержания воды плитой могут быть улучшены относительно связывающих систем, которые являются негидрофильными или гидрофобными.
Предпочтительно связующее вещество включает в себя продукт реакции компонента поликарбоновой кислоты и полиолового и/или аминового компонента, предпочтительно в смеси с сахарным компонентом и/или фенолом. Более предпочтительно связующее вещество является продуктом реакции поликарбоновой кислоты или ее ангидрида, амина, предпочтительно алканоламина, и сахара, предпочтительно восстанавливающего сахара. Было найдено, что эти связующие вещества обеспечивают особенно выгодные свойства в плитах из MMVF.
Блок из MMVF предпочтительно предусматривается так, чтобы он контактировал с первым слоем. Кроме того, первый слой предпочтительно располагается выше второго слоя при использовании. Кроме того, вода и питательные вещества предпочтительно подаются к блоку или к первому слою. Таким образом вода и питательные вещества могут быть получены в первом, более плотном слое. Было найдено, что это обеспечивает хорошие свойства удержания и распределения воды.
В предпочтительных вариантах осуществления толщина первого слоя меньше, чем толщина второго слоя. В предпочтительных вариантах осуществления отношение толщины первого слоя к толщине второго слоя находится в диапазоне 1:(1-3), предпочтительно в диапазоне 1:(1,2-2,5), более предпочтительно в диапазоне 1:(1,2-1,8). Например, толщина первого слоя может составлять половину толщины второго слоя или больше. Было найдено, что предпочтительные относительные толщины первого и второго слоев обеспечивают плотное управление удержанием воды и питательных веществ во всем субстрате.
В предпочтительных вариантах осуществления блок имеет объем в диапазоне от 50 мл до 5000 мл и/или каждый блок имеет плотность в диапазоне от 30 кг/м3 до 150 кг/м3. Было найдено, что эти размеры и плотности являются эффективными для использования в системах выращивания растений.
В предпочтительных вариантах осуществления толщина первого слоя меньше, чем толщина второго слоя. Предпочтительно толщина первого слоя составляет по меньшей мере половину толщины второго слоя. Было найдено, что эти пропорции помогают поддерживать предпочтительное распределение воды и питательных веществ в плите.
В предпочтительных вариантах осуществления преобладающая ориентация волокон первого и второго слоев является горизонтальной. В этом контексте «горизонтальный» означает параллельный границе контакта между первым и вторым слоями. В других предпочтительных вариантах осуществления преобладающая ориентация волокон одного или обоих из первого и второго слоев являются вертикальной (то есть перпендикулярной границе контакта). Например, в особенно предпочтительном варианте осуществления преобладающая ориентация волокон первого слоя является вертикальной, в то время как преобладающая ориентация волокон второго слоя является горизонтальной. В альтернативном варианте осуществления преобладающая ориентация волокон первого слоя может быть горизонтальной, в то время как преобладающая ориентация волокон второго слоя является вертикальной. Ориентации волокон могут влиять на скорость потока жидкости через плиту. Например, горизонтальные ориентации волокон могут уменьшать скорость потока жидкости через плиту и иметь последующее благоприятное воздействие на количество проливаемой жидкости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны со ссылками на сопроводительные чертежи, в которых:
Фиг. 1 иллюстрирует плиту, используемую для выращивания растения в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 иллюстрирует систему выращивания растений, включающую в себя блок вместе с плитой, изображенной на Фиг. 1;
Фиг. 3 иллюстрирует блок, изображенный на Фиг. 2, вместе с набивкой и растением;
Фиг. 4 иллюстрирует ирригационное устройство, расположенное рядом с системой выращивания растений, изображенной на Фиг. 2;
Фиг. 5 иллюстрирует расположение детекторов воды и питательных веществ в системе выращивания растений, изображенной на Фиг. 2;
Фиг. 6 схематично показывает систему управления выращиванием растений, включающую в себя множество систем выращивания растений, изображенных на Фиг. 2;
Фиг. 7A иллюстрирует систему выращивания растений в соответствии с первым примером;
Фиг. 7B иллюстрирует систему выращивания растений в соответствии со вторым примером;
Фиг. 8 иллюстрирует измеренный уровень содержания воды в субстрате для выращивания растений первого и второго примеров в ходе долгосрочного исследования;
Фиг. 9 иллюстрирует изменение уровня EC в плите в ходе долгосрочного исследования;
Фиг. 10 иллюстрирует длину листа растений в ходе долгосрочного исследования; и
Фиг. 11 иллюстрирует систему, включающую в себя элементы настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На Фиг. 1 показана плита 1 из минеральной шерсти, имеющая первый слой первой плотности, расположенный выше второго слоя второй плотности. Плита 1 имеет объем 6,8 л, хотя обычно для предпочтительных вариантов осуществления объем может находиться в диапазоне от 3 л до 20 л, более предпочтительно в диапазоне от 5 л до 15 л, и наиболее предпочтительно в диапазоне от 5 до 11 л. Некоторые варианты осуществления включают в себя плиту с объемом в диапазоне от 6 л до 8 л. В других вариантах осуществления объем может находиться в диапазоне от 3 л до 15 л, или, например, от 3 л до 10 л. Альтернативный предпочтительный вариант осуществления включает в себя плиту, имеющую объем 9 л. Плита может включать в себя множество слоев, включая нижний слой и верхний слой, чьи условия выращивания могут изменяться относительно друг друга.
Как это имеет место в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, предпочтительно, чтобы высота нижнего слоя была больше, чем высота верхнего слоя. Например, отношения между высотами верхнего и нижнего слоев могут составлять 1:(1-3) или предпочтительно 1:(1,2-2,5). Более предпочтительно это отношение составляет 1:(1,2-1,8).
Было найдено, что использование двух отличающихся плотностей в плите предпочтительного варианта осуществления, вместе с ее относительно небольшим размером помогает удерживать воду и питательные вещества, а также гарантирует, что они распределяются по существу однородно по всей плите.
На Фиг. 2 плита 1 показана с блоком 2, расположенным на ее верхней поверхности. Плита 1 дополнительно включает в себя непроницаемое для жидкости покрытие вокруг минеральной шерсти, имеющее два отверстия. Во-первых, имеется отверстие на верхней поверхности для обеспечения контакта между минеральной шерстью плиты 1 и блоком 2. Во-вторых, имеется отверстие на нижней поверхности, которое действует в качестве дренажного отверстия 3.
Блок 2 и плита 1 предпочтительно формируются из одного и того же или подобного материала. Таким образом приводимое ниже описание материала плиты 1 может быть равным образом применено к блоку 2. В частности, блок 2 может включать в себя каменную шерсть и связующие вещества и/или смачивающие агенты, описываемые ниже.
Размеры блока могут быть выбраны в зависимости от растения, которое будет выращиваться. Например, предпочтительная длина и ширина блока для растений перца или огурца составляют 10 см. Для томатных растений длина увеличивается до 15 см или даже до 20 см. Высота блоков предпочтительно находится в диапазоне от 7 до 12 см, и более предпочтительно в диапазоне от 8 до 10 см.
Следовательно, предпочтительные размеры для перца и огурца колеблются от 10 см×10 см×7 см до 10 см×10 см×12 см, и более предпочтительно от 10 см×10 см×8 см до 10 см×10 см×10 см.
Фиг. 3 иллюстрирует растение 5 в положении внутри набивки 4, расположенной внутри блока 2, такого как показанный на Фиг. 2. Как и блок 2, набивка 4 обычно формируется из минеральной шерсти со связующим веществом и/или смачивающим агентом, как описывается ниже в контексте плиты 1.
В некоторых вариантах осуществления набивка 4 не предусматривается, и семя располагается непосредственно внутри отверстия в блоке, из которого впоследствии вырастает растение 5. Примером растения, для которого используется этот подход, является огурец.
Предпочтительно растение 5 является плодовым или овощным растением, таким как томатное растение и т.п. В других предпочтительных вариантах осуществления растение является растением огурца, баклажана или сладкого перца. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения могут помочь в увеличении выхода плодов или овощей с растения и могут также увеличить качество этих плодов или овощей за счет увеличения точности управления условиями выращивания в субстрате, в котором растет растение.
Как было упомянуто выше, плита 1 в некоторых предпочтительных вариантах осуществления является плитой из минеральной шерсти. Используемые минеральные волокна могут быть любыми искусственными стекловидными волокнами (MMVF), такими как стеклянные волокна, керамические волокна, базальтовые волокна, шлаковая шерсть, каменная шерсть и другие, но обычно являются волокнами каменной шерсти. Каменная шерсть обычно имеет содержание оксида железа по меньшей мере 3% и содержание щелочноземельных металлов (оксида кальция и оксида магния) от 10 до 40%, наряду с другими обычными оксидами, составляющими минеральную шерсть. Они представляют собой кварц; глинозем; щелочные металлы (оксид натрия и оксид калия), которые обычно присутствуют в небольшом количестве; и могут также включать диоксид титана и другие второстепенные оксиды. В большинстве случаев продукт может быть сформирован из любого типа искусственного стекловидного волокна, которое традиционно известно в производстве субстратов для выращивания.
Минеральная шерсть обычно связывается связывающей системой, которая включает в себя композицию связующего вещества и дополнительно смачивающий агент.
Фиг. 4 показывает систему выращивания растений, включающую в себя плиту 1, блок 2 и набивку 4, изображенные соответственно на Фиг. 1-3, а также ирригационное устройство. Ирригационное устройство 6 выполнено с возможностью подачи раствора воды и питательных веществ к системе, либо непосредственно к блоку, либо к плите. В предпочтительном варианте осуществления ирригационное устройство выполнено с возможностью подачи воды и/или питательного раствора непосредственно к блоку 2. Так как блок располагается вдали от дренажного отверстия 3 (как описано выше со ссылкой на Фиг. 2), раствор из ирригационного устройства должен пройти более чем 50% расстояния вдоль плиты 1, прежде чем он достигнет дренажного отверстия 3. В других предпочтительных вариантах осуществления ирригационное устройство может подавать воду и питательный раствор непосредственно к плите 1, но предпочтительно оно выполнено с возможностью делать это либо рядом с блоком, либо с удаленной от дренажного отверстия 3 стороны блока 2.
Ирригационное устройство 6 может быть подсоединено к раздельным резервуарам питательных веществ и воды, и может управляться так, чтобы выбирать подходящие пропорции питательных веществ и воды. Альтернативно один объединенный резервуар питательных веществ и воды может быть предусмотрен так, что ирригационное устройство подает к системе жидкость, имеющую те же самые пропорции воды и питательных веществ, что и в резервуаре.
Управление ирригационным устройством предпочтительно осуществляется с использованием системы управления. Система управления может управлять ирригационными устройствами, обеспечивающими питательные вещества и воду для множества систем выращивания растений, каждая из которых включает в себя плиту 1, в которую помещается содержащий растение блок 2. Системой управления управляют на основе обнаруженных уровней воды и питательных веществ в одной или более плитах. Дополнительное управление может быть выполнено на основе обнаруженных уровней содержания воды и/или температур в одной или более плитах. Расположения детекторов 7, используемых для обнаружения этих уровней в одном варианте осуществления, проиллюстрированы на Фиг. 5. Эти детекторы будут обычно включать в себя корпусную часть вместе с одним или более, обычно с тремя или шестью зондами, которые простираются от корпуса в плиту. Эти зонды обычно делаются из нержавеющей стали или другого проводящего материала и используются для измерения уровней содержания воды и/или электрической проводимости (EC) субстрата путем анализа температуры субстрата, сопротивления и/или емкости. Уровни EC могут использоваться для вывода уровня питательных веществ внутри раствора, находящегося в плите 1, поскольку они отражают содержание ионов в этом растворе.
Предпочтительно уровень EC поддерживается в диапазоне от 1,2 мСм/см до 8,5 мСм/см, более предпочтительно в диапазоне от 2 мСм/см до 7 мСм/см. Предпочтительные уровни EC могут быть выбраны в соответствии с типом сельскохозяйственной культуры. Если уровень EC будет слишком низким (например меньше чем 1,2 мСм/см), то растение будет испытывать недостаток питательных веществ. Если уровень EC будет находиться в диапазоне от 2 мСм/см до 3,5 мСм/см, то это будет максимизировать выход продукции. Если уровень EC будет немного выше, то это приведет к лучшему качеству плодов (например, уровень EC в диапазоне от 3,5 мСм/см до 5 мСм/см). Если уровень EC будет слишком высоким (например, свыше 5 мСм/см для перца и огурцов или свыше 8,5 мСм/см для помидоров), то это приведет к проблемам с качеством плодов, таким как вершинная гниль. Высокий уровень EC подразумевает высокие уровни натрия и хлора в субстрате, что может привести к потере выхода и необходимости слива воды из оранжереи.
В системах предшествующего уровня техники детекторы 7 помещаются на верхнюю поверхность плиты 1 с зондами, простирающимися вертикально через плиту. Этот подход предназначен обеспечить измерение, которое отражает полное содержание воды или питательных веществ в вертикальном участке плиты 1. Однако на практике такие зонды обычно возвращают результаты, на которые непропорционально влияют условия в одной или более областях плиты 1, например в верхней части плиты. Одна причина, по которой может возникнуть эта несоизмеримость, это изменение уровня EC по толщине плиты 1, которое четко влияет на измеряемые электрические свойства, такие как сопротивление и/или емкость, на основе которых вычисляется, например, содержание воды.
Дополнительные трудности возникают в подходах предшествующего уровня техники из-за количества блоков 2, обычно помещаемых в плиту 1. Часто трудно найти положения на плите 1, которые функционально эквивалентны для каждого блока 2, особенно учитывая потенциальную асимметрию в системе, вызываемую расположением дренажного отверстия 3 в одном конце плиты 1.
В системе по настоящему изобретению эти трудности могут быть преодолены. В частности, Фиг. 5 показывает, что детекторы 7 располагаются сбоку плиты 1 (то есть часть корпуса детектора 7 располагается напротив вертикальной поверхности плиты, а зонды простираются горизонтально). Этот подход доступен из-за улучшенного распределения содержания воды и EC внутри плиты 1. Так как они по существу являются единообразными в плите 1 предпочтительного варианта осуществления, горизонтальное расположение зондов обеспечивает точное измерение.
На самом деле, в то время как плита 1, изображенная на Фиг. 5, проиллюстрирована с множеством детекторов 7, это обстоит не так во всех предпочтительных вариантах осуществления. Массив детекторов 7, показанный на Фиг. 5, позволяет измерять распределение содержания воды и распределение EC, и использовался для анализа характеристик плиты 1, обеспечивая результаты, такие как приведенные ниже. Однако на практике было найдено, что может потребоваться только единственный детектор 7 на плиту, и детекторы могут быть распределены вокруг различных плит в области выращивания для того, чтобы получить иллюстративную индикацию общих условий выращивания для этой области. Этот детектор 7 предпочтительно включает в себя горизонтально простирающиеся зонды, расположенные в положении, смещенном от блока к дренажному отверстию 3.
Детекторы 7 могут использоваться для управления количеством воды и/или питательных веществ, подаваемым к плите 1, путем использования системы управления, такой как проиллюстрированная на Фиг. 6. Система управления может также изменять концентрацию питательных веществ в растворе, подаваемом ирригационными устройствами 6 к плитам 1. Как можно заметить на этой иллюстрации, детекторы 7 отслеживают данные в плитах 1 и сообщают их через сеть 8 управляющему блоку 9. Управляющий блок затем управляет ирригационными устройствами (капельницами) 6 через сеть 8 для того, чтобы подать воду и питательные вещества к плитам 1. Управляющий блок 9 может быть запрограммирован на желаемую ирригационную стратегию (как более подробно обсуждается ниже), и может автоматически гарантировать, что ирригация выполняется для управления уровнями питательных веществ в плите 1, и может также управлять таким образом уровнями содержания воды. Таким образом достигается автоматическое управление ирригационным процессом для обеспечения желаемого результата.
Как правило, каждая система управления будет включать в себя большое количество плит 1. Детекторы 7 могут быть помещены на каждую плиту 1, либо детекторы могут быть помещены на выбранные плиты 1 для того, чтобы обеспечить представительные результаты. Детекторы 1 фиксировано крепятся к плитам 1 так, чтобы они могли обеспечивать результаты для управляющего блока 9 с регулярными интервалами. Например, детекторы могут обеспечивать результаты с интервалами в одну минуту, пять минут или с другим подходящим периодом времени. Это позволяет постоянно или периодически контролировать плиты 1 в системе так, чтобы они могли орошаться подходящим образом.
Ирригационными устройствами 6 системы можно управлять так, чтобы применить конкретную ирригационную стратегию. Например, такая стратегия может включать в себя несколько различных фаз, предназначенных для управления растением посредством производительного и вегетативного роста. Как известно в данной области техники, производительный рост относится к такому типу роста, в котором поощряется производство цветов/плодов, в то время как во время вегетативного роста растения образуется больше листьев и других зеленых элементов. Производительный рост поощряется, когда растение испытывает относительный недостаток воды, в то время как вегетативный рост поощряется обильной подачей воды. Вегетативный рост дает более высокое увеличение общей биомассы растения, в то время как производительный рост увеличивает пропорцию такого роста, который способствует производству плодов или цветов.
Было известно получение преимуществ этих различных типов роста за счет применения ирригационных стратегий, во время которых изменяется предпочтительный уровень содержания воды. В соответствии с такой ирригационной стратегией субстрат для выращивания растения поливается каждый день в попытке достичь желаемого уровня содержания воды. Содержание воды в субстрате измеряется как процент от содержания воды в субстрате, когда субстрат полностью насыщен. Таким образом, значение 0% представляет сухой субстрат, в то время как значение 100% представляет полностью насыщенный субстрат.
Как правило, ирригационная стратегия этого типа включает в себя ряд различных этапов. Сначала, до размещения блока 2 на плите 1, плита 1 обычно насыщается или почти насыщается водой. Это помогает гарантировать, что когда блок 2 первоначально помещается в плиту 1, рост корней в плиту 1 будет поощряться. В этот момент, однако, плодовод стремится гарантировать, чтобы растение 5 как можно скорее дало плоды. Для того, чтобы достичь этого, плодовод стремится придать «производительный импульс» (то есть импульс для инициирования производительного роста). Это делается в течение первого периода ирригационной стратегии путем уменьшения желаемого содержания воды до минимального уровня, прежде чем снова его увеличить. Принцип заключается в том, что уменьшение содержания воды будет поощрять производительный рост растения и таким образом цветение растения, приводящее к получению плодов в самое раннее возможное время.
После того, как приложен производительный импульс, плодовод желает вернуть растение к устойчивой фазе преобладающего вегетативного роста для того, чтобы получить листья и структуру растения, которые будут поддерживать растущие плоды. Таким образом, к концу первого периода ирригационной стратегии желаемое содержание воды увеличивается. Желаемый уровень содержания воды увеличивается до тех пор, пока он не достигнет устойчивого значения, на котором он удерживается по существу постоянным в течение второго периода ирригационной стратегии.
Во втором периоде больше поощряется вегетативный рост из-за более высокого содержания воды в субстрате. Второй период в широком смысле соответствует летнему сезону, в течение которого относительно большое количество света заставляет растения испарять воду с большей скоростью. Соответственно, относительно большое количество воды должен быть обеспечено для растений. Следует понимать, что хотя рост может направляться к вегетативному росту в течение этого периода больше, чем во время других периодов, плоды продолжают расти, хотя скорость этого роста зависит от этого направления. По мере того, как сезон переходит к осени, а затем к зиме, скорость испарения уменьшается. В результате пропадает необходимость поддерживать то же самое содержание воды в субстрате. Кроме того, на данном этапе имеется желание дополнительно поощрить рост плодов до того, как растение достигнет конца цикла. По обеим этим причинам ирригационная стратегия может включать в себя третий период, во время которого уменьшается уровень содержания воды. Скорость этого уменьшения является относительно постепенной.
Уменьшение содержания воды в течение третьего периода поощряет производительный рост растения, и тем самым продлевает сезон, в течение которого полезные плоды могут быть получены из растения.
Таким образом, ирригационные стратегии могут использоваться для того, чтобы попытаться направлять растение между производительным и вегетативным состояниями роста с тем, чтобы увеличить выход плодов, получаемых из растения. Традиционно этот процесс выполнялся путем доведения уровней содержания воды внутри субстрата до требуемых уровней.
Однако, теперь стало понятно, что такое управление является недостаточным для того, чтобы предложить оптимальные условия роста. В частности, авторы настоящего изобретения идентифицировали связь между изменением уровней содержания воды и уровнями содержания питательных веществ внутри плиты, которая может приводить к субоптимальным результатам. В частности, уменьшение уровней содержания воды может привести к увеличенным уровням содержания питательных веществ, которые, как было обнаружено, могут затормозить рост растения. Соответственно в представленных вариантах осуществления уровнем воды в плите управляют в зависимости от уровней питательных веществ с тем, чтобы избежать нежелательных эффектов.
Соотношение между содержанием воды и уровнями питательных веществ может быть понято с помощью Фиг. 7A, 7B, 8, 9 и 10, которые демонстрируют результаты долгосрочного исследования в виде эффектов ирригационных стратегий. Фиг. 7A и 7B иллюстрируют два субстрата для выращивания растений, используемые для сравнения. Эти субстраты для выращивания растений использовались для выращивания томатных растений. Как можно видеть на этих чертежах, каждая система включала в себя единственное дренажное отверстие на одном конце плиты. Первая примерная система, проиллюстрированная на Фиг. 7A, включает в себя три отдельных блока, помещенные на верхнюю поверхность плиты, в то время как вторая примерная система, проиллюстрированная на Фиг. 7B, включает в себя только один блок.
Первая примерная плита, проиллюстрированная на Фиг. 7A, имеет размеры 1330 мм×195 мм×75 мм (длина×ширина×высота), в то время как блоки имеют размеры 100 мм×100 мм×65 мм (длина×ширина×высота). Блоки располагаются в положениях от 150 мм до 200 мм, от 650 мм до 700 мм и от 1100 мм до 1150 мм вдоль плиты от дренажного отверстия (расстояния измеряются от центра блока), и ирригационные устройства предусматриваются для каждого блока для подачи воды и питательного раствора к блоку с дальней от центра блока стороны относительно дренажного отверстия.
Вторая примерная плита, проиллюстрированная на Фиг. 7B, имеет размеры 450 мм×150 мм×100 мм (длина×ширина×высота), в то время как блоки имеют размеры 100 мм×100 мм×65 мм (длина×ширина×высота). Блок располагается на расстоянии 300 мм вдоль плиты от дренажного отверстия (расстояние измеряется от центра блока), и ирригационное устройство предусматривается для подачи воды и питательного раствора к блоку с дальней от центра блока стороны относительно дренажного отверстия.
Фиг. 8 иллюстрирует измеренное содержание воды в первой примерной плите (пунктирная линия) и во второй примерной плите а (сплошная линия) в ходе исследования. Можно заметить, что в течение первого периода содержание воды уменьшалось от первоначального относительно высокого значения перед последующим увеличением в соответствии с концепцией производительного импульса, как описано выше.
Фиг. 9 показывает измеренный уровень EC во время исследования для первого примерного субстрата (пунктирная линия) и второго примерного субстрата (сплошная линия). Напомним, что уровень EC представляет уровень питательных веществ в плите. Примечательно, что уровень EC быстро увеличивается во время начальной фазы, в которой к растениям применяется производительный импульс. Это увеличение приводит к пиковому уровню EC, выше того, что обычно ожидается во время более поздних фаз ирригационной стратегии.
Связь между уровнем EC и эффективным ростом растения показана на Фиг. 10, которая показывает длину листьев, измеренную во время исследования, как для первого примера (пунктирная линия), так и для второго примера (сплошная линия). Четкое уменьшение длины листьев наблюдается около 5 недель после начала исследования. Это уменьшение связывается с увеличенным уровнем EC, показанным в течение этого периода. Таким образом становится понятно, что уровень EC оказывает влияние на рост растения. Так как уровень EC, как уже было показано, изменяется при изменении уровня содержания воды, желательно управлять подачей воды к растению таким образом, чтобы поддерживать уровень EC внутри желаемого диапазона. Это контрастирует с подходами предшествующего уровня техники, которые могут изменять концентрацию питательных веществ для того, чтобы достичь желаемого уровня EC, но не учитывают, что полное количество подаваемой воды должно быть ограничено желаемым содержанием питательных веществ в субстрате.
Фиг. 11 показывает систему в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 11 включает в себя множество детекторов 1101 (также называемых датчиками), приемник 1102, центральное устройство 1103 обработки данных детектора (упоминаемое в некоторых вариантах осуществления как смартбокс), сигнальный преобразователь 1104 («преобразователь») и портативное коммуникационное устройство 1105 детектора, иначе называемое «портативным» устройством. Система также может быть соединена с климатическим компьютером 1106. Пользовательский терминал, такой как ноутбук, настольный компьютер, устройство мобильной связи или другой электронный интерфейс, может быть соединен с системой посредством физической или беспроводной сети, как в 1107. Система по настоящему изобретению может включать в себя некоторые или все вышеописанные элементы, и их описание относительно этого варианта осуществления не подразумевает, что какой-либо один или все они являются существенными элементами, так как настоящее изобретение может быть осуществлено с подмножеством описанных компонентов и/или функций.
Каждый из детекторов или датчиков 1101 системы выполнен с возможностью измерения по меньшей мере одного свойства, указывающего на температуру, содержание воды, уровень значения pH, а также содержание питательных веществ в субстрате для выращивания растения, когда детектор помещается в субстрат для выращивания растения, или находится в контакте с субстратом для выращивания растения, или по меньшей мере частично вставляется в субстрат для выращивания растения. В некоторых системах детекторы могут осуществлять прямое измерение и производить вычисление температуры, содержания воды, уровня значения pH или содержания питательных веществ в субстрате. Однако в системе по настоящему изобретению было найдено предпочтительным, чтобы детектор получал отсчеты соответствующего свойства, указывающего на температуру, содержание воды, содержание питательных веществ или значение pH субстрата, и передавал это свойство непосредственно к удаленному процессору, такому как смартбокс предпочтительного варианта осуществления, так, чтобы преобразованием записанного и переданного параметра можно было управлять и выполнять его централизованно и удаленно от детектора или датчика 1101. Примеры свойств, указывающих на вышеупомянутые свойства, могут включать в себя: емкость, указывающую на содержание воды, или электрическую проводимость, указывающую на содержание питательных веществ. Свойства, указывающие на глобальные уровни питательных веществ или индивидуальные уровни питательных веществ, могут быть выведены из значений электрической проводимости. Содержание воздуха в плите также может быть измерено косвенно, так как оно связано с объемом плиты, который может быть известным, ее плотностью волокна, содержанием воды и содержанием питательных веществ. Следовательно, содержание воздуха может быть вычислено сразу, как только эти свойства были измерены. Например, если плита имеет объем 11 л, в некоторых примерах 2% от этого объема составляют волокна, а 98% являются порами. Если содержание воды составляет 60%, то объем пор - объем воды составляет 98% - 60%=38% содержания воздуха. 38% от 11 л=4,18 л воздуха. Температура может быть измерена непосредственно и сразу же передана, не нуждаясь в преобразованиях или нуждаясь лишь в минимальном преобразовании после передачи от детектора или датчика.
Передача значений свойств, указывающих на интересующие свойства, и вычисление фактических значений в смартбоксе или центральном устройстве обработки данных детектора, либо в карманном устройстве системы по настоящему изобретению могут помочь сохранить требования к производительности и связанные с этим затраты на электронику в детекторе или датчике 1101 более низкими, чем если бы вычисления выполнялись непосредственно в детекторе или датчике. Кроме того, это может обеспечить центральное управление любыми калибровочными факторами для коррекции и преобразования, которые могут быть необходимы, а также дополнительно обеспечивает улучшенную точность измерений и процесса преобразования системы в целом. Это может также помочь уменьшить нагрузку на источник энергии детекторов 1101, продлить время работы детекторов от батареи, если они используют батарейное питание, так как меньше обработки необходимо в детекторах, потому что обработка может быть выполнена в центральном управляющем устройстве, которое может иметь более существенный или емкий источник энергии, такой как питание от электросети, от солнечных батарей или от ветрогенератора, или, например, более существенную батарею. Эти факторы могут также помочь в сокращении веса детекторов 1101. Это позволяет размещать детекторы 1101 на или в субстрате для выращивания растения без необходимости в существенных установочных устройствах или удерживающих средствах для удержания детектора на месте.
Данные датчиков или детекторов предпочтительного варианта осуществления широковещательно передаются с интервалами, предпочтительно каждые 5 мин, на некоторой частоте, использующей ультравысокочастотные полосы RFID, которые являются известным средством электронной коммуникации. Полезные временные интервалы могут изменяться от, например, 20 с до 10 мин в зависимости от требуемой частоты обновления и требований пользователя.
В некоторых вариантах осуществления детектор может включать в себя множество удлиненных зондов 1108, которые выполнены с возможностью вставки в субстрат для выращивания растения для того, чтобы измерять его свойства. Детектор может дополнительно включать в себя направляющий элемент или пластину 1109, предназначенный для поддержания удлиненного зонда 1108 на заданном расстоянии от поверхности субстрата для выращивания растения, которая может быть по существу верхней поверхностью. Использование ограниченного количества электроники, легкого электропитания и простого механизма установки позволяет детектору или детекторам быть легко транспортируемыми и, следовательно, легко разворачиваемыми во множестве расположений в области выращивания растений, такой как теплица или ирригационная область, с минимальными усилиями и минимальными выполняемыми действиями по переустановке.
Детекторы или датчики 1101 может быть выполнены с возможностью обмена информацией по коммуникационному соединению с центральным устройством 1103 обработки данных детектора, известному в предпочтительном варианте осуществления как смартбокс, или с портативным устройством системы. Коммуникационное соединение может быть реализовано посредством прямых проводных соединений. Однако было найдено предпочтительным использовать беспроводное соединение, так как оно позволяет легко перемещать детекторы и обеспечивает минимальные усилия при установке. Беспроводная связь может быть прямой связью с центральным устройством 1103 обработки данных детектора, где центральное устройство обработки данных детектора имеет возможности беспроводной связи. Однако может быть предпочтительным предусмотреть отдельный беспроводной приемник 1102 для получения беспроводных сообщений от детекторов 1101, и опционально для отправки беспроводных сообщений детекторам 1101. Приемник 1102 может быть соединен посредством физической связи, такой как Ethernet, кабельного соединения, или посредством беспроводного соединения 1110 с центральным устройством 1103 обработки данных детектора. Как приемник, так и смартбокс могут быть снабжены аккумуляторной батареей для обеспечения электропитания. Она может быть встроена к смартбокс центрального устройства 1103 обработки данных детектора.
Беспроводные соединения могут быть обеспечены известными технологиями, обычно используемыми в электронных средствах связи, таких как ультравысокочастотные полосы RFID в диапазоне от 800 до 1000 МГц. Однако могут использоваться также альтернативные средства беспроводной связи, такие как, например, IEEE 802,11. Физические соединения между различными устройствами в системе могут осуществляться посредством соединений Ethernet по медной проволоке, волоконно-оптическим и любым другим подходящим средствам коммуникации, как общеизвестно в области электронной и компьютерной связи, включая мобильные системы передачи данных в случае необходимости.
Смартбокс центрального устройства 1103 обработки данных детектора содержит по меньшей мере один процессор и по меньшей мере одну память. Память может хранить, в виде базы данных, или в виде отдельных файлов с данными, или в любых подходящих средствах хранения данных, один или более файлов с данными, относящихся к одной или более ирригационным стратегиям или циклам. Набор данных может предусматривать соотношения между измеренными параметрами, обеспечиваемыми детекторами, и желаемыми ирригационными выходами. Ирригационные выходы могут относиться к желаемому ирригационному циклу, к простой индикации включения-выключения для ирригационного оборудования, или могут содержать более подробную информацию, такую как поток ирригации, длина циклов включения и выключения ирригации и отрезок времени, в течение которого должен применяться этот ирригационный цикл. Предпочтительный вариант осуществления содержит 2 базы данных, и может содержать больше, например 3 или 4 базы данных. Первая база данных содержит исходные измеренные параметры, в то время как вторая база данных содержит транслированные или преобразованные параметры после преобразования для таких свойств, как содержание воды, электрическая проводимость и температура. Также в памяти устройства 1103 содержатся одна или больше, предпочтительно две модели. Первая модель может быть известна как модель субстрата, и содержит инструкции для преобразования необработанных выходных данных детектора или датчика в фактические значения содержания воды, электрической проводимости и температуры. Дополнительная модель, содержащаяся в устройстве 1103, может упоминаться как ирригационная модель, и она содержит инструкции для вычисления новых значений, например вычисления уменьшения содержания воды между двумя ирригационными циклами, или организации данных для анализа, представления или сравнения таким образом, чтобы могли быть выведены дальнейшие ирригационные циклы для субстрата. Эти модели также могут быть объединены в одну базу данных. Другие выходы из центрального устройства обработки данных детектора могут включать в себя агрегированные данные, собранные с детекторов в течение длительного времени и/или выводимые на экран в связи с различными расположениями одного или каждого детектора.
Процессор устройства 1103 обработки данных поэтому может быть выполнен с возможностью получения выходных данных детектора, относящихся к параметрам, измеряемым детекторами, для обработки выходных данных детектора с тем, чтобы определить одно или более из температуры, содержания воды, значений pH и содержания питательных веществ в субстрате для выращивания, и вывести агрегированные данные детектора, желаемую ирригационную стратегию или ирригационную инструкцию.
Устройство 1103 обработки также может быть соединено с одним или с обоими из климатического компьютера 1106 и пользовательского терминала 1107. Климатический компьютер может быть выполнен с возможностью мониторинга и управления различными климатическими факторами в области выращивания, такими как интенсивность света, температура, влажность и т.п. Соединение 1111 между устройством 1103 обработки и климатическим компьютером 1106 может быть беспроводным, физическим, Ethernet или другим соединением компьютерной сети. Однако в некоторых случаях центральное устройство 1103 обработки и климатический компьютер 1106 могут быть интегрированы в одном устройстве, и могут просто представлять собой отдельные логические компьютерные программы, работающие на общем устройстве. В этом случае обмен информацией между этими двумя элементами может осуществляться просто через средства внутренней связи в аппаратных средствах, такие как шина процессора или память в устройстве, или путем передачи функций и переменных между логическими компьютерными процессами, работающими на устройстве. По сути центральное средство обработки данных детектора и климатический компьютер могут быть реализованы как отдельные логические процессы на общем вычислительном устройстве. Данная система может поэтому функционировать бок о бок с климатическим компьютером так, чтобы система управляла ирригацией и/или удобрительным орошением, в то время как климатический компьютер может в случае необходимости управлять климатическими условиями, такими как нагрев, вентиляция и/или кондиционирование воздуха.
В альтернативе при определенных обстоятельствах необходимо обмениваться информацией с климатическим компьютером через аналоговые входные и выходные соединения. В этом случае может быть необходим цифроаналоговый преобразователь 1104, который может быть соединен с центральным устройством 1103 обработки данных детектора через физическое соединение, или может быть интегрально сформирован в устройстве обработки данных, и может быть выполнен с возможностью преобразования цифровых значений, выводимых из центрального устройства обработки данных детектора, в аналоговые электронные выходные сигналы, которые затем передаются климатическому компьютеру через аналоговый интерфейс 1112 после того, как они будут переданы через цифровой интерфейс 1113.
Пользовательский терминал 1107, как описано выше, может быть соединен или логически интегрирован с одним или обоими из климатического компьютера 1106 и центрального устройства 1103 обработки данных. Пользовательский терминал может включать в себя экран и средство ввода в форме клавиатуры, сенсорного экрана, средств аудиоввода или других человеко-машинных интерфейсов, известных для электронных устройств. Пользовательский терминал может использоваться для того, чтобы конфигурировать центральные средства обработки данных детектора путем загрузки файлов данных в средство обработки для определения соотношений между входами детектора и выходами управления ирригацией, а также для применения общих настроек конфигурации к средству обработки. Управление ирригацией часто основывается на уставках, таких как: заданное время начала орошения; время прекращения орошения; скорость капельного орошения, длина и/или частота цикла; заданное время интервала (паузы) перед возобновлением орошения.
Система по настоящему изобретению позволяет одному или нескольким различным входам датчика из диапазона областей в области выращивания быть измеренными, преобразованными и объединенными в одну систему, которая может выводить команды управления желаемой ирригацией или подачей питательных веществ для того, чтобы запускать или останавливать ирригацию или подачу питательных веществ и адаптировать циклы и частоты ирригации или подачи питательных веществ и т.п.
Система может дополнительно включать в себя портативное коммуникационное устройство 1105 детектора, также известное как портативное устройство, так как оно предпочтительно может быть выполнено с возможностью умещаться в одной руке пользователя, чтобы обеспечивать легкую переноску устройства и другого предмета, такого как один или более детекторов 1101, во второй руке пользователя. Детекторы 1101 часто могут располагаться в удаленных или различных местах в оранжерее или области ирригации, которая может иногда покрывать несколько гектаров. Следовательно, зачастую пользователю бывает необходимо преодолевать существенные расстояния для того, чтобы достичь детектора с целью проверить его конфигурацию или установку, либо переместить его в новое место. Поэтому выгодно иметь легкое и портативное, удерживаемое одной рукой устройство для проверки установки, калибровки, конфигурации и общего состояния детекторов в системе. Это устраняет необходимость в многократных возвращениях от детекторов обратно к пользовательскому терминалу или центральному устройству обработки для того, чтобы изменить аспекты установки, а затем проверить конфигурацию или выходы. Следовательно, портативное устройство снабжается своим собственным электропитанием, так, чтобы его можно было носить независимо. Оно также включает в себя интегрированный дисплей, так что выходы или информация о состоянии любого из детекторов 1101 может быть выведена на экран устройства. Устройство может быть прочным, и его корпус может быть сделан из стойкого к ударам материала для предотвращения повреждений, когда оно используется в сельскохозяйственных или садоводческих средах. Устройство обычно конфигурируется так, чтобы оно могло легко переноситься пользователем, которому, возможно, приходится преодолевать большие расстояния пешком, чтобы добраться до детекторов в системе. Однако портативное устройство должно включать определенные аспекты функциональности для облегчения установки, проверки и настройки детекторов и системы в целом.
Центральное средство обработки данных должно иметь информацию о ряде факторов для каждого детектора, и портативное устройство может использоваться для считывания, ввода или передачи любого или всех из них к центральному устройству обработки данных детектора (смартбоксу). Эти факторы включают в себя: подробности текущего расположения детектора, дату и/или время, когда детектор был помещен в его текущее расположение, любые настройки детектора относительно того, какие свойства он должен отслеживать и передавать, состояние источника питания детектора, состояние соединения детектора с центральным устройством обработки, проверку выхода датчика, проверку точки доступа, через которую датчик или детектор связывается с системой, просмотр необработанных выходных данных или свойств субстрата, к которому присоединен детектор или датчик, таких как материал, тип и размеры, а также любых других релевантных данных датчика.
Соответственно портативное устройство будет включать в себя следующие функции. Оно будет способно либо определять свое собственное расположение, либо получать пользовательский ввод, относящийся к расположению устройства и/или соответствующего детектора. Оно будет способно получать по меньшей мере идентификатор детектора, с которым оно обменивается информацией, либо с помощью ввода данных пользователем, либо путем непосредственной связи с детектором 1101. Такое получение может включать в себя оптическое считывание штрих-кода, алфавитно-цифрового идентификатора, QR-кода или другого оптического или визуального идентификатора, либо считывание радиочастотного идентификатора (RFID) или идентификатора радиосвязи на небольших расстояниях (NFC). Предпочтительные варианты осуществления используют ультравысокочастотные полосы RFID, выбираемые соответственно в частотном диапазоне обычно от 800 до 1000 МГц. Идентификатор может включать в себя порядковый номер и/или код детектора или датчика. Портативное устройство может быть выполнено с возможностью соотнесения его данных о расположении с конкретным детектором и передачи данных о расположении и идентификаторе детектора центральному устройству обработки данных так, чтобы центральное устройство обработки данных могло сохранить запись о расположении каждого детектора, которая может быть связана центральным средством обработки данных с параметрами, которые детектор выводит в течение длительного времени. Портативное устройство 1105 также может быть способно переводить детектор в режим тестирования.
В предпочтительных вариантах осуществления многие аспекты функциональности будут общими между смартбоксом центрального устройства обработки данных детектора и портативным устройством. Такие аспекты включают в себя: отображение пользователю доступных или подсоединенных узлов (датчиков или детекторов) и данных, относящихся к этим детекторам или датчикам, выбор узлов (датчиков или детекторов) и тестирование их выхода, коммуникационной функциональности и т.д.; проверку точных отсчетов датчика; установку расположения узла; проверку соединения датчика с центральным средством обработки данных; адресацию узлов к правильной точке доступа/центральному процессору данных детектора; вычисление значений содержания воды (WC), электрической проводимости (EC) и температуры.
Портативное устройство предпочтительного варианта осуществления может также иметь дополнительные функции, такие как: запись измерений блоками по несколько измерений; основные статистические анализы результатов, например, могут быть вычислены средние для блока значения и стандартное отклонение; может быть включена текстовая функция справки, и могут быть заданы различные языки; также может быть произведено считывание состояния питания.
Портативное устройство также может быть выполнено с возможностью обмена информацией с детектором для изменения режима работы детектора с периодического вывода на непрерывный вывод. Периодический вывод может использоваться для продления времени работы батареи детектора, в то время как непрерывный вывод может использоваться для полного обследования или проверки состояния детектора.
Предпочтительное портативное устройство также выполнено с возможностью передачи данных, относящихся к детекторам, центральному средству 1103 обработки данных.
Следовательно, настоящее изобретение предлагает портативное электронное устройство, включающее в себя коммуникационный интерфейс для обмена информацией с детекторами. Это устройство может быть дополнительно выполнено с возможностью обмена информацией с детектором для определения идентификатора детектора, для объединения идентификатора детектора с информацией о расположении, а также для передачи этой информации центральному средству обработки данных детектора. Информация о расположении может быть введена в портативное устройство 1105 пользователем, или может быть альтернативно или дополнительно определена самим устройством с использованием аппаратных средств GPS или других средств определения расположения. Средства определения расположения могут включать в себя средства, предназначенные для оптического считывания штрих-кода, алфавитно-цифрового идентификатора, QR-кода или другого оптического или визуального идентификатора, устройство RFID или NFC, расположенное в месте расположения устройства и указывающее информацию, связанную с расположением. Информация о расположении может включать в себя координаты карты, или координаты GPS, или информацию о столбце и строке, относящуюся к расположению субстратов в области выращивания. Информация о расположении может дополнительно включать в себя номер или код теплицы, код ирригационной секции, код навеса, номер ряда и номер плиты. В предпочтительном варианте осуществления информация о расположении включает в себя среди прочего как минимум код ирригационной секции и номер ряда. Устройство может быть дополнительно выполнено с возможностью измерения выхода детектора, вывода результатов на экран пользователю и опционально передачи их центральному процессору по дополнительному коммуникационному соединению. Устройство может быть выполнено с возможностью помещать детектор в режим настройки или режим тестирования в ответ на ввод данных пользователем и передавать результаты изменения состояния или результаты тестирования центральному средству обработки данных детектора по дополнительному коммуникационному соединению. Коммуникационное соединение может быть физическим или беспроводным, однако использование беспроводной связи уменьшает время, необходимое для установки и настройки, и может уменьшить материальные затраты в случае больших расстояний.
Портативное устройство может быть стандартной частью электронного коммуникационного оборудования, такого как персональный цифровой помощник (PDA) или мобильный телефон, и поэтому настоящее изобретение может быть воплощено в компьютерном программном продукте, содержащем инструкции, которые при их выполнении процессором электронного коммуникационного устройства, включающего в себя средства удаленной связи, конфигурируют устройство для установления коммуникационного соединения с детектором, для опроса детектора с целью определения идентификатора детектора, для связывания этого идентификатора с информацией о конфигурации детектора, а также для передачи информации о конфигурации центральному средству обработки данных детектора. Информация о конфигурации может включать в себя данные о расположении, данные о конфигурации детектора, данные о состоянии детектора, такие как информация об источнике питания, время использования, в дополнение к функциям и параметрам, обсужденным выше в связи с портативным устройством.
Изменения и модификации к вариантам осуществления, описанным выше, будут очевидными для специалиста в данной области техники. Такие изменения и модификации могут включать в себя эквивалентные и другие особенности, которые уже известны и которые могут использоваться вместо или в дополнение к описанным в настоящем документе особенностям. Особенности, которые описываются в контексте отдельных вариантов осуществления, могут быть предусмотрены в комбинации в одном варианте осуществления. И наоборот, особенности, которые описываются в контексте одного варианта осуществления, могут также быть предусмотрены отдельно или в любой подходящей подкомбинации.
Следует отметить, что термин «включающий» не исключает других элементов или стадий, грамматические формы единственного числа не исключают множественного числа, одна особенность может выполнять функции нескольких особенностей, описанных в формуле изобретения, и ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие область охвата формулы изобретения. Также следует отметить, что приведенные чертежи не обязаны масштабироваться; вместо этого акцент делается на иллюстрировании принципов настоящего изобретения.
1. Система для управления условиями выращивания растения в гидропонных системах выращивания, причем система для управления условиями выращивания растения включает в себя:
по меньшей мере один беспроводной детектор; и
центральное средство обработки данных детектора;
причем один или каждый детектор выполнен с возможностью измерения по меньшей мере одного из температуры, содержания воды и содержания питательных веществ в гидропонном субстрате для выращивания растения;
причем один или каждый детектор дополнительно выполнен с возможностью передачи идентификатора детектора и измеренного свойства или свойств по коммуникационному соединению к центральному средству обработки данных детектора;
причем центральное средство обработки данных детектора выполнено с возможностью:
хранения в памяти предопределенных ирригационных данных, определяющих соотношение между:
множеством значений для одного или более из температуры, значения pH, содержания воды и/или содержания питательных веществ субстрата; и
множеством желаемых ирригационных выходных значений;
обработки измеренных свойств, полученных от каждого детектора, для определения вычисленных свойств субстрата; и
обеспечения вывода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата для выращивания, основанный на полученных от детектора или детекторов расчетных свойствах и предопределенных ирригационных данных.
2. Система по п. 1, дополнительно включающая в себя портативное коммуникационное устройство детектора, выполненное с возможностью:
обрабатывать измеренные свойства, полученные от детектора системы, для определения вычисленных свойств субстрата; и
выводить на экран пользователю вычисленные свойства.
3. Система по п. 2, в которой портативное коммуникационное устройство детектора дополнительно выполнено с возможностью:
принимать данные детектора от детектора системы; и
передавать данные детектора центральному средству обработки данных детектора.
4. Система по п. 1, в которой:
центральное средство обработки данных детектора дополнительно выполнено с возможностью:
обрабатывать измеренные свойства, полученные от каждого детектора, для определения содержания питательных веществ в субстрате, связанном с каждым детектором; и
обеспечивать выход, указывающий на желаемый ирригационный ввод для субстрата для выращивания, на основе вычисленного содержания питательных веществ в субстрате.
5. Система по п. 2, в которой портативное коммуникационное устройство детектора дополнительно выполнено с возможностью:
получать идентификатор детектора от детектора системы;
получать данные детектора, относящиеся к детектору; и
передавать идентификатор детектора и данные детектора центральному средству обработки данных детектора.
6. Система по п. 2, в которой портативное коммуникационное устройство детектора дополнительно выполнено с возможностью:
получать с помощью ввода данных пользователем определяемые пользователем данные детектора;
связывать определяемые пользователем данные детектора с идентификатором детектора; и
передавать идентификатор детектора и определяемые пользователем данные детектора центральному средству обработки данных детектора.
7. Система по любому из пп. 5 или 6, в которой данные, связанные с идентификатором детектора, включают в себя любое или все из:
данных о расположении детектора;
состояния электропитания детектора;
состояния коммуникационного соединения между детектором и центральным средством обработки данных детектора;
информации, указывающей тип и/или размер субстрата для выращивания, измеряемого данным детектором; и/или
свойства или свойств субстрата для выращивания, измеренных детектором.
8. Система по п. 2, в которой портативное коммуникационное устройство детектора дополнительно выполнено с возможностью:
получать измеренные свойства от детектора;
связывать измеренные свойства с идентификатором детектора; и
передавать идентификатор детектора и связанные с ним измеренные свойства центральному средству обработки данных детектора.
9. Система по п. 2, в которой портативное коммуникационное устройство детектора дополнительно включает в себя средства определения расположения для определения данных о расположении устройства или детектора и дополнительно выполнено с возможностью:
связывать идентификатор детектора с определенными данными о расположении; и
передавать идентификатор детектора и связанные с ним данные о расположении центральному средству обработки данных детектора.
10. Система по п. 1, в которой один или каждый детектор дополнительно выполнен с возможностью измерять свойство или свойства, указывающие на значение pH субстрата для выращивания растения.
11. Система по п. 1, в которой свойство, указывающее на содержание питательных веществ, является электрической проводимостью текучей среды в субстрате для выращивания растения.
12. Способ управления условиями выращивания растения, включающий в себя стадии:
обеспечения системы по любому из пп. 1-11; и
управления ирригационным вводом в субстрат для выращивания растения на основе выхода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата для выращивания, обеспечиваемого центральным средством обработки данных детектора системы.
13. Способ по п. 12, дополнительно включающий в себя ввод данных о конфигурации детектора ввода в портативное коммуникационное устройство детектора системы и передачу портативным коммуникационным устройством детектора информации о конфигурации детектора центральному средству обработки данных детектора.
14. Портативное коммуникационное устройство детектора для использования в системе по п. 1, выполненное с возможностью:
обрабатывать измеренные свойства, полученные от детектора системы, для определения вычисленных свойств субстрата; и
выводить на экран пользователю вычисленные свойства.
15. Портативное коммуникационное устройство детектора по п. 14, дополнительно включающее в себя любую из функций коммуникационного устройства детектора системы по пп. 3-11.
16. Детектор для системы по любому из пп. 1-11, выполненный с возможностью:
измерять свойства, указывающие на температуру, содержание воды и содержание питательных веществ субстрата для выращивания растения; и
передавать измеренное свойство или свойства по коммуникационному соединению центральному средству обработки данных детектора для преобразования в значение температуры, содержания воды и содержания питательных веществ в субстрате для выращивания растения.
17. Детектор по п. 16, дополнительно выполненный с возможностью передавать портативному коммуникационному устройству детектора идентификатор детектора и/или одно или больше из:
измеренных свойств, указывающих на температуру, содержание воды и содержание питательных веществ субстрата для выращивания растения;
состояния уровня электропитания;
состояния коммуникационного соединения.
18. Центральное средство обработки данных детектора для системы по любому из пп. 1-11, выполненное с возможностью:
получения измеренного свойства или свойств от детектора или детекторов по коммуникационному соединению;
хранения предопределенных ирригационных данных, определяющих соотношение между:
множеством значений для температуры, содержания воды, значения pH и/или содержания питательных веществ в субстрате для выращивания растения; и
множеством желаемых ирригационных выходных значений;
обработки измеренных свойств, полученных от каждого детектора, для определения вычисленных свойств субстрата; и
обеспечения вывода, указывающего на желаемый ирригационный ввод для субстрата для выращивания, основанный на полученных от детектора или детекторов измеренных свойствах и предопределенных ирригационных данных.
19. Центральное средство обработки данных детектора по п. 18, дополнительно выполненное с возможностью получения информации о детекторе, связанной с одним или более детекторами системы, от портативного коммуникационного устройства детектора, а также хранения информации о конфигурации в средстве хранения данных.
