一种基于空气循环的雾培系统及方法

1.本发明涉及农业工程技术领域，尤其涉及一种基于空气循环的雾培系统及方法。


背景技术：

2.随着农业科技的发展，雾培种植因其具有与土壤栽培和普通水培所没有的潜在的产量和品质优势，且具有生产周期短、污染少、可显著提高单位面积的种植数量、可促进植物生长潜能、以及便于植物根系的精准控制与观察等技术优势，被认为是一种先进的无土栽培模式，较常规的无土栽培更具实用性、高效性和普及推广性，是实现农业高产、优质、高效的重要途径，符合未来农业生产发展的方向。
3.cn218789665u公开了一种通风型雾培生长箱，包括雾培箱，雾培箱的顶部沿自身高度方向开设有营养腔，雾培箱上设置有培养板，培养板上开设有若干培养孔，若干培养孔呈矩形阵列布置，培养板的下方设置有营养板，营养板内设置有腔室，营养板的顶部设置有多个雾化喷头，多个雾化喷头与若干培养孔一一对应，雾化喷头连接有金属定型软管，金属定型软管与营养板的腔室连通，营养板的下方设置有通风网管，通风网管的顶部开设有若干出风孔，通风网管连通设置有进风管。
4.cn110178717a公开了全密封植物营养雾培装置及其植物雾培方法，解决了现有植物营养雾培装置植物营养不全面，且病虫害容易扩散，雾培箱内部气体未进行循环利用造成浪费的问题。该发明包括雾培箱，栽培板将雾培箱分隔成光合雾培箱和根际雾培箱，分别为茎叶和根际提供所需的不同的营养雾，并分开收集重复利用，该发明设置可自由切换的单向循环模式和完全内循环模式，单向循环模式可实现净化空气的进入和茎叶对根际产生二氧化碳的利用，完全内循环模式可实现根部产生的二氧化碳运送至植物茎叶加速光合作用，并将茎叶通过光合作用产生的氧气运送至根部进行呼吸作用。
5.雾培系统的空气流通性极大程度地影响了雾培区域中氧浓度、二氧化碳浓度等多种环境参数，但具有不同特征部位的植物在不同的生长阶段通常需求不同的环境参数，植物的特征部位通常可理解为其采收部位或具有经济价值的部位，可以是植物的根、茎、叶、花、果实、种子六大器官中的一个或多个，特征部位不同的植物各器官所需的空气流通性也不同，而现有技术所公开的都是一些普适性的技术方案，并不能针对性地对特征部位不同的植物提供精准地气流调控，尤其是不能针对特征部位的生长发育情况及时调控雾培环境的气流流场，进而导致特征部位的发育受到影响。并且对于雾培系统而言，植物的根部区域通常用于吸收营养液，当该植物的特征部位也在根部区域时空气流通性的强弱会更大程度地影响植物生长，尤其是在供氧不足是会导致植物缺氧烂根，进而影响特征部位的正常发育。
6.而且当前的雾培系统仅考虑的是应用于常规的植物养植环节，以相对最小的生产运营成本换取眼下最大的经济收益，但对于育种加速的研究而言，相对来说应当不考虑被种植对象的本身的经济价值，更重要的是探索各类植物的最快成熟的极限，缩短育种周期所带来的价值远超种植对象的本身的经济价值。
7.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

8.针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于空气循环的雾培系统及方法，以解决上述至少部分技术问题。本发明的技术方案尤其适用于育种设备，这是因为育种可不考虑被种植对象的本身的经济价值，更重要的是探索各类植物的最快成熟的极限，缩短育种周期所带来的价值远超种植对象的本身的经济价值，尤其是本发明针对育种植株的基于气流流场调节的生长环境参数的研究，是为了追求更高、更快、更强的育种技术所进行的努力尝试，可为后续的太空育种提供技术支持。示例性地，马铃薯作为深空航天育种中常规选择的作物品种之一，利用本发明的雾培装置可以更好地实现马铃薯的培育及采摘，避免对高成本的航空资源的浪费。
9.本发明公开的一种基于空气循环的雾培系统包括：主体模块，至少限定出能够用于容纳育种植株根部区域的内部空腔；采集模块，至少用于获取育种植株处于内部空腔中的根部区域的图像信息；中控模块，能够接收采集模块获取的图像信息。
10.主体模块的内部空腔能够为育种植株根部区域提供受中控模块调节的生长环境，该生长环境至少包括内部空腔的空间流场状态，其中，中控模块能够基于接收到的图像信息生成相应的用于调节生长环境的控制信号，中控模块对图像信息的处理至少包括针对育种植株根部区域的特征部位进行识别。
11.如此设置可使得主体模块能够基于育种植株根部区域的特征部位的图像信息调节生长环境，并且生长环境至少包括内部空腔的空间流场状态，以至少使得内部空腔中的氧含量满足育种植株根部区域生长所需，从而实现根部区域具有特征部位的育种植株的正常发育。
12.根据一种优选实施方式，中控模块至少能够发送控制信号至供气模块以至少调节空间流场状态中的空气流场，其中，供气模块至少包括分别与主体模块的不同连通口连接的进气管和出气管。
13.如此设置使得出气管可将被引出的空气经循环处理部消毒后生成的无菌空气再通过进气管进入内部空腔之中。由于出气管在引出内部空腔的空气时还会将呈雾化状态的部分营养液也一并引出，将出气管与循环处理部连通可避免资源浪费，其中，循环处理部可以收集引出的呈雾化状态的营养液。
14.根据一种优选实施方式，主体模块至少配置连通口能够基于连接的管路功能不同而被划分为进气口和出气口，其中，进气口和出气口能够以不直接相对且不共边的方式设置。
15.不直接相对的设置可以使得被引入内部空腔中的空气能够以至少部分地延长内部停留时间的方式保证全部的或指定的育种植株的根部可接收到相应的氧气，该内部停留时间是指一批次的若干单位的空气分子中各空气分子从进气口开始计时，直至到达出气口终止计时所收集的时长均值；不共边的设置可以使得进气口与出气口在内部空腔中至少能
够形成相对通顺的空气流道，以避免在内部空腔中产生过多的湍流或漩涡，进而影响植株根部对营养液和/或氧气的吸收。
16.根据一种优选实施方式，供气模块对空气流场的调节能够引起雾化营养液流场的改变，其中，雾化营养液至少能够由雾化模块生成，且雾化营养液流场还能够基于雾化模块运行参数的调节而改变。
17.当内部空腔形成空气流场时，会对雾化营养液的流场状态产生影响，进而使得内部空腔的雾气逸散状态被调整，其中，基于不同角度、不同速度的空气流动，使得雾化营养液在喷出后能够基于空气流场的流动趋势而以有利于至少部分育种植株生长的方式切换至相应的逸散状态并充斥于内部空腔中。
18.根据一种优选实施方式，中控模块能够为设置的或启用的采集模块赋予相应的拍摄任务，其中，采集模块至少能够以不在任意两个定植孔的连线上的方式设置成像角度。
19.如此设置可以避免采集模块在获取植株根部的图像信息时因拍摄角度的限制而造成根部图像的重叠，进而影响对图像所包含的育种植株的根部的识别及当前生长状态的确认。采集模块能够基于定植孔的特殊设置方式而设置于主体模块长边的侧壁上，以获取相对独立的植株根部图像信息，如此设置可不与出气口同侧设置，从而避免设置位置的冲突，同时还可有利于出气口从相对侧将带有雾化营养液的空气引出，从而避免营养液在容纳盒上凝结成大颗粒液滴并影响采集模块的成像效果。
20.本发明公开的一种基于空气循环的雾培方法包括如下步骤：
21.将育种植株放置于开设在顶盖上的定植孔内，定植孔以基于其所处顶盖的长边位置和宽边位置而具有相应的开设种植坐标；
22.基于采集模块的成像参数和/或定植孔的开设方式，确定采集模块的设置或启用数量，并为启用的采集模块赋予相应的拍摄任务；
23.对采集模块获取的图像信息进行分析处理，以确定育种植株根部区域的生长情况；
24.基于内部空腔中各育种植株的根部区域的整体和/或局部生长情况，确定特征部位的针对性采收方案和/或环境参数的调节方式。
25.如此设置可使得主体模块能够基于育种植株根部区域的特征部位的图像信息调节生长环境，并且生长环境至少包括内部空腔的空间流场状态，以至少使得内部空腔中的氧含量满足育种植株根部区域生长所需，从而实现根部区域具有特征部位的育种植株的正常发育。
26.根据一种优选实施方式，在顶盖上以如下方式开设定植孔：任意两个相邻位次的定植孔不具有相同的长边坐标或宽边坐标。
27.如此设置是为了避免相邻位次的育种植株因过近的间距而出现根部相互缠绕的情形。并且任意两个相邻位次的定植孔之间的间距至少大于预设间距，预设间距可根据育种植株的品种确定，对于不同品种的育种植株，其生长过程中所需占用的空间不同。
28.根据一种优选实施方式，采集模块的成像参数至少包含成像角度，其中，采集模块至少能够以不在任意两个定植孔的连线上的方式设置成像角度。
29.如此设置可以避免采集模块在获取植株根部的图像信息时因拍摄角度的限制而造成根部图像的重叠，进而影响对图像所包含的育种植株的根部的识别及当前生长状态的
确认。采集模块能够基于定植孔的特殊设置方式而设置于主体模块长边的侧壁上，以获取相对独立的植株根部图像信息，如此设置可不与出气口同侧设置，从而避免设置位置的冲突，同时还可有利于出气口从相对侧将带有雾化营养液的空气引出，从而避免营养液在容纳盒上凝结成大颗粒液滴并影响采集模块的成像效果。
30.根据一种优选实施方式，在针对根部区域具有特征部位的育种植株进行分析时，能够基于提前录入的特征模型在根部区域的图像信息中识别出所有的特征部位，并单独且分别地圈定出所有特征部位的外部轮廓，以对比于预存的特征模型。
31.如此设置可使得本技术的雾培系统优选适用于根部区域具有特征部位的育种植株，以使得在对根部区域相关的图像信息进行分析时，能够针对特征部位进行重点分析，其中，特征部位至少具有与根部区域的其他部位不同的识别特征，以有利于中控模块从图像信息中识别相应的特征部位。
32.根据一种优选实施方式，环境参数至少能够通过向雾化模块和/或供气模块发送控制信号来调节，其中，通过驱动供气模块来调节空气流场时至少能够引起雾化营养液流场的改变。
33.当内部空腔形成空气流场时，会对雾化营养液的流场状态产生影响，进而使得内部空腔的雾气逸散状态被调整，其中，基于不同角度、不同速度的空气流动，使得雾化营养液在喷出后能够基于空气流场的流动趋势而以有利于至少部分育种植株生长的方式切换至相应的逸散状态并充斥于内部空腔中。
附图说明
34.图1是本发明提供的一种优选实施方式的营养喷头的结构示意图；
35.图2是本发明提供的一种优选实施方式的雾培系统的部分结构主视图；
36.图3是本发明提供的一种优选实施方式的雾培系统的部分结构俯视图。
37.附图标记列表
38.10：主体模块；11：顶盖；12：定植孔；20：雾化模块；21：营养喷头；22：进液管；23：出液管；24：供液箱；30：供气模块；31：进气管；32：出气管；40：采集模块；50：中控模块；100：出液口；200：角度控制单元；300：引导单元；400：转向圈。
具体实施方式
39.下面结合附图进行详细说明。
40.图1是本发明提供的一种优选实施方式的营养喷头21的结构示意图；图2是本发明提供的一种优选实施方式的雾培系统的部分结构俯视图；图3是本发明提供的一种优选实施方式的雾培系统的部分结构主视图。
41.实施例1
42.本发明提供了一种雾培系统，其中，该雾培系统包含一种能够基于植物生长和环境变化而提供不同喷洒模式的雾化模块20。
43.优选地，如图1所示，本发明中涉及的雾化模块20改进了营养喷头21的角度和内腔机械结构。
44.优选地，营养喷头21包含包括出液口100、角度控制单元200、引导单元300、套筒和
转向圈400。角度控制单元200套接在出液口100的外部，引导单元300和角度控制单元200通过轮齿啮合连接。套筒内部套接出液口100、角度控制单元200和引导单元300。转向圈400与套筒通过活动套接在一起，如图1所示。
45.优选地，喷头进入工作状态时，在水流的冲力作用下，出液口100、角度控制单元200和引导单元300同时上升，引导单元300与转向圈400连接，转动转向圈400，带动引导单元300和角度控制单元200转动，改变营养液喷射角度。处理器能够控制转向圈400以控制出液口100的营养液喷射角度。
46.优选地，本实施例提供的营养液喷头能够在旋转射线喷头工作状态下对旋转角度的调节。本实施例提供的营养液喷头还提高了旋转角度调节精度，避免营养液的浪费。系统通过对采集的信息分析，确认植物的生长状态并基于植物的生长状态控制营养液的喷头提供朝向植物或背离植物某组织的营养液喷射模式。优选地，喷头还能够调节其喷射的营养液的雾气颗粒直径。
47.实施例2
48.本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。
49.本发明公开了一种基于空气循环的雾培系统，其中，该雾培系统包含主体模块10和设置于主体模块10内部空腔中的雾化模块20。优选地，主体模块10的内部空腔能够由顶盖11、底板及若干侧壁限定而成，以使得内部空腔基本处于密封状态，以使得雾化模块20能够在主体模块10的内部空腔中长时间地营造雾气氛围。
50.进一步地，主体模块10的顶盖11可以间隔开设有若干定植孔12，以使得待栽种的育种植株能够被分别安插在对应的定植孔12内，其中，在将育种植株栽种于定植孔12时可以利用包围材料将育种植株暂时性地固定在定植孔12处且通过选用适当大小的包围材料使得定植孔12基本被填满，以维持主体模块10的内部空腔的基本密封状态。优选地，包围材料可以是定植篮或简易的海绵材料等。
51.优选地，顶盖11上定植孔12的开设方向为第一方向，第一方向大致与顶盖11的铺设平面垂直且指向内部空腔，以使得育种植株被栽种于定植孔12内时，育种植株的生长方向与定植孔12的开设方向大致并行，其中，育种植株的生长方向可包含其根部的主体生长方向或其茎部(常规的地上茎)的主体生长方向，主体生长方向为育种植株中所限定部分的整体生长趋势中的主要朝向，根部的主体生长方向通常为由定植孔12指向内部空腔的方向(即与第一方向并行且同向)，茎部的主体生长方向通常为由定植孔12指向外部环境的方向(即与第一方向并行且反向)，换言之，根部的主体生长方向通常与茎部的主体生长方向具有反向关系，以使得育种植株的根部和茎部可以分别在定植孔12的相对两侧生长。
52.优选地，顶盖11能够以可移动的方式被放置在主体模块10的侧壁上，以使得内部空腔至少能够在顶盖11被移开时解除相对密封状态。优选地，顶盖11至少能够沿第一方向或其反方向运动，以调节定植孔12内的育种植株与内部空腔的相对位置关系。进一步优选地，顶盖11沿第一方向的反方向移动的最大距离至少是能够保证各定植孔12内的育种植株的根部可完全地或绝大部分地从内部空腔中脱离，其中，该“脱离”是指跟随顶盖11沿第一方向的反方向移动至最大距离的育种植株可使其至少绝大部分根部未被限定在内部空腔中。优选地，顶盖11沿第一方向移动至最大距离可以刚好放置在主体模块10的侧壁上，以使得各定植孔12内的育种植株的根部可完全地被包含在内部空腔中，其中，该“包含”是指跟
随顶盖11沿第一方向移动至最大距离的育种植株可使其根部悬空于内部空腔。
53.优选地，待栽种的育种植株可以是任一类型的经过育苗阶段的育种植株。进一步优选地，基于雾培方式所具有的水分胁迫或根系良好通气性的特点，使得本发明可特别适用于根系发达的作物，例如可适用于马铃薯的微型种薯繁殖。
54.优选地，主体模块10的内部空腔内设置的雾化模块20可以通过营养喷头21为被包含在内部空腔中的育种植株的根部提供营养物质，其中，雾化模块20提供营养物质的方式至少是将营养液雾化以微小液滴的方式填满整个内部空腔，从而使得营养液的液体可以吸附在悬空于内部空腔的根部上并被根部所吸收。
55.优选地，营养喷头21可以通过进液管22连接至储存有预设浓度营养液的供液箱24，其中，进液管22上可配置有压力设备，以驱动供液箱24内的营养液流动至营养喷头21，压力设备可例如是泵。优选地，供液箱24通常设置在主体模块10的内部空腔之外，即进液管22能够以密封的方式穿过主体模块10的侧壁或顶盖11或底板，从而实现供液线路的连通，其中，进液管22优选地穿过主体模块10的侧壁。优选地，主体模块10的侧壁或底板上能够以密封的方式设置有出液管23，以通过出液管23将内部空腔中的残余营养液导出，其中，残余营养液可以是经营养喷头21雾化后未被育种植株根部所吸收的基于重力作用而下落汇集在内部空腔底部的营养液。
56.优选地，雾化装置还可配置有用于为主体模块10的内部空腔提供氧气的供气模块303，其中，供气模块303可以使主体模块10的内部空腔和外部环境进行气体交换。
57.优选地，供气模块303可设置有进气管31、出气管32和循环处理部，其中，循环处理部可设置在主体模块10的内部空腔之外，以通过进气管31与内部空腔连通。优选地，一侧与主体模块10的内部空腔连通的出气管32在其另一侧可直接连通于外部环境或与循环处理部连通，其中，与循环处理部连通的出气管32可使得被引出的空气经循环处理部消毒后生成的无菌空气可再通过进气管31进入内部空腔之中。优选地，由于出气管32在引出内部空腔的空气时还会将呈雾化状态的部分营养液也一并引出，将出气管32与循环处理部连通可避免资源浪费，其中，循环处理部可以收集引出的呈雾化状态的营养液。优选地，进气管31和出气管32均可配置有动力组件，以至少实现主动空气输送。
58.优选地，供气模块303的进气管31和出气管32可以密封连接于主体模块10上开设的进气口和出气口，其中，在进气口和出气口的附近区域以不种植或少种植育种植株的方式设置定植孔12，以避免育种植株的根部对进气口和出气口的遮挡。进一步地，主体模块10上的进气口和出气口可以按照如下方式配置，即，进气口与出气口能够以不直接相对且不共边的方式设置，其中，不直接相对的设置可以使得被引入内部空腔中的空气能够以至少部分地延长内部停留时间的方式保证全部的或指定的育种植株的根部可接收到相应的氧气，该内部停留时间是指一批次的若干单位的空气分子中各空气分子从进气口开始计时，直至到达出气口终止计时所收集的时长均值；不共边的设置可以使得进气口与出气口在内部空腔中至少能够形成相对通顺的空气流道，以避免在内部空腔中产生过多的湍流或漩涡，进而影响植株根部对营养液和/或氧气的吸收。
59.优选地，主体模块10可被设置为窄带形，以使得主体模块10可至少具有长边和宽边，其中，长边的长度可大于宽边的长度。进一步地，基于主体模块10长边和宽边的设置，顶盖11上开设的定植孔12可基于其所处的长边位置和宽边位置而具有相应的开设种植坐标。
优选地，为避免相邻位次的育种植株因过近的间距而出现根部相互缠绕的情形，顶盖11上开设的任意两个相邻位次的定植孔12不具有相同的长边坐标或宽边坐标，且任意两个相邻位次的定植孔12之间的间距至少大于预设间距，预设间距可根据育种植株的品种确定，对于不同品种的育种植株，其生长过程中所需占用的空间不同。
60.优选地，主体模块10可分别在其长边和宽边的侧壁上开设相应的进气口和出气口，从而满足进气口与出气口以不直接相对且不共边的方式设置。进一步优选地，进气口可设置在主体模块10宽边的侧壁上，出气口可设置在主体模块10长边的侧壁上，且优选为在主体模块10的两侧宽边的侧壁上均设置有进气口，同时相应地设置有进气管31，以使得相对设置的多个进气管31在通过进气口进气时可以将大致呈窄带形的内部空腔快速填满，进而可通过不与进气口同侧设置的出气口将空气快速导出。
61.优选地，供气模块303的进气管31能够以至少部分结构伸入进气口的方式设置，以使得伸入进气口的送风端能够以调整角度的方式设置，其中，进气管31可通过角度调节机构来调整送风端的进风方向。进一步地，角度调节机构至少能够在水平方向上设置多个连续的或间断的点位，其中，连续的点位是指送风端可以停留在相邻两个点位之间的任意位置；间断的点位是指送风端仅可以停留在预设的点位对应位置，换言之，基于角度调节机构的点位设置，使得送风端至少能够预设的点位对应位置停留。优选地，不同进气管31的送风端能够独立控制，以基于不同的控制逻辑至少在内部空腔中形成多种流场。
62.优选地，雾培系统可配置有一个或多个采集模块404，以至少用于获取育种植株根部图像信息，进而用于确认植株的当前生长状态，其中，通常由于在雾培过程中育种植株的根部需要避光，因此，主体模块10的侧壁通常采用非透明材质制成，采集模块404需至少以施加避水措施的方式设置于主体模块10的内部空腔内。优选地，施加于采集模块404的避水措施可例如是将采集模块404放置于密封连接的容纳盒内，且该容纳盒的至少部分区域以透明材质制成，以用于光学采集。进一步地，容纳盒至少在采集模块404朝向育种植株根部的一侧以透明材质制成，且优选地将容纳盒以如下方式设置，即，保证容纳盒中放置的采集模块404的朝向(或成像角度)不在任意两个定植孔12(或育种植株)的连线上，以避免采集模块404在获取植株根部的图像信息时因拍摄角度的限制而造成根部图像的重叠，进而影响对图像所包含的育种植株的根部的识别及当前生长状态的确认。优选地，基于定植孔12的如下设置，即，顶盖11上开设的任意两个相邻位次的定植孔12不具有相同的长边坐标或宽边坐标(或具有互异的长边坐标或宽边坐标)，带有容纳盒的采集模块404可设置于主体模块10长边的侧壁上，以获取相对独立的植株根部图像信息。进一步地，采集模块404能够以不与出气口同侧的方式设置，以避免设置位置的冲突，同时还可有利于出气口从相对侧将带有雾化营养液的空气引出，从而避免营养液在容纳盒上凝结成大颗粒液滴并影响采集模块404的成像效果。优选地，基于采集模块404的成像参数和/或定植孔12的开设方式，确定采集模块404的设置或启用数量，并为启用的采集模块404赋予相应的拍摄任务，其中，采集模块404的成像参数可包含成像角度、成像距离等，定植孔12的开设方式可包括开设角度、开设间距等，采集模块404被赋予的拍摄任务至少包含拍摄间隔周期、拍摄范围等。
63.优选地，采集模块404的拍摄任务可由雾培系统配置的中控模块505赋予，其中，中控模块505可以接收采集模块404所获取的图像信息和/或内部空腔的环境检测信息判断育种植株的当前生长状态及环境因素对植株的当前生长状态的影响。
64.优选地，中控模块505响应于接收到的图像信息以启动分析程序，其中，分析程序的目的在于通过对图像信息进行提取识别，以判断相应育种植株根部区域的生长情况，进而评估整个育种植株的生长状态。进一步地，中控模块505能够通过图像信息获取育种植株根部区域的全部或局部的外部轮廓，基于该外部轮廓与预存模型的对比以确定相应育种植株根部区域的生长情况。
65.优选地，本技术的雾培系统可优选适用于根部区域具有特征部位的育种植株，以使得中控模块505在对采集模块404获取的根部区域相关的图像信息进行分析时，能够针对特征部位进行重点分析，其中，特征部位至少具有与根部区域的其他部位不同的识别特征，以有利于中控模块505从图像信息中识别相应的特征部位。示例性地，根部区域具有特征部位的育种植株可以是马铃薯作物或与马铃薯相似的其他作物，马铃薯作物的特征部位即为其块茎。
66.本技术之所以选取马铃薯作物或与马铃薯相似的其他作物作为优选实施例，是因为马铃薯是高产农作物，在种植过程中常发现有叶片卷缩、株型矮化、茎杆细弱、块茎瘦小或变形、表皮老化有皲裂现象，这些就是通常大家所说的马铃薯退化现象。所谓退化，就是马铃薯染上病毒病，这样严重影响了马铃薯的产量和质量。脱毒种薯是指马铃薯种薯经过一系列技术措施，清除薯块体内的病毒后，获得的无病毒或极少有病毒侵染的种薯，还原具有早熟、产量高、品质好等优点。马铃薯的产量和质量与种薯密切相关。种薯不行，产量和质量就会大打折扣，病毒一旦侵入马铃薯植株和块茎，就会引起马铃薯严重退化，并产生各种病症，导致马铃薯产量大幅下降。
67.利用雾培技术虽然可以实现脱毒种薯的高效优质培育，但当前的现有技术没有针对植株的生长状态(例如生长阶段)及其特征部位的发育情况(例如结薯情况)进行准确监测，利用人工目测的方式存在很大的误差，且不同人工的目测标准也互不相同，容易产生采摘标准的差异，进而引起部分的遗漏或早收，而且对于大型植物工厂而言，以人工方式巡查特征部位发育情况(例如结薯情况)会大大提高人力成本，并通常需要将植株从雾培环境中移出后查看，进而会影响植株的正常生长。因此，本技术的雾培系统可通过采集模块404获取育种植株的根部区域相关的图像信息，以解决上述问题。
68.优选地，中控模块505在针对根部区域具有特征部位的育种植株进行分析时，能够基于提前录入的特征模型在根部区域的图像信息中识别出所有的特征部位，其中，在根部区域中特征部位的生长模式不同于其他部位，以有利于中控模块505的识别。示例性地，中控模块505可以将马铃薯作物的块茎设定为与须根属性不同的特征部位，其中，马铃薯作物的块茎与须根具有不同的生长模式，两者在生长过程中的变化趋势可以基于时间序列被捕捉和识别。进一步地，中控模块505在对图像信息中的特征部位进行识别时，至少能够在育种植株的根部区域出现异化特征部位的情况下进行二次识别，其中，异化特征部位可能是由于生长环境的不适所造成的特征部位的非常规生长而产生的异化构造，也可能是由于采集模块404成像角度的影响而形成多个特征部位基于图像重合叠加后的异化构造。进一步地，异化特征部位至少可以通过特征部位的合理演算得到，并通常无法通过根部区域的其他部位组合形成，即中控模块505在发现根部区域的任一部位出现既非特征部位、又非其他部位的情况时，能够演算出该部位能够由何种部位生长或组合得到。优选地，中控模块505在判断存在异化特征部位时，能够对异化特征部位的形成原因进行判别，其中，中控模块
505在判别出是由于生长环境的影响造成特征部位的非常规生长时，能够至少对环境参数进行调整，例如雾化方式、环境温湿度、氧气含量、二氧化碳含量等；中控模块505在判别出是由于采集模块404成像角度的影响造成多个特征部位的图像重合叠加时，能够通过边界划分确定图像信息中的特征部位叠加数量及叠加次序，并能够按照由前向后的顺序依次圈定出各特征部位的外部轮廓，其中，位于后置位的特征部位的外部轮廓可大致依据特征部位的常规构造及未被遮挡部分的局部轮廓进行圈定，该后置位是指并非处于第一顺位的叠加次序，叠加次序的顺位由前向后限定，由前向后的方向为采集模块404的成像方向(通常为与宽边方向同向)，且越靠前的叠加次序越靠近采集模块404。
69.优选地，中控模块505预存有特征部位的标准模型，当识别和/或圈定出的特征部位满足标准模型的误差阈值时，能够被赋予合格标签，其中，被赋予的合格标签至少还包含该特征部位对应作物所在定植孔12的坐标及该特征部位在对应作物的根部区域的位次。进一步地，特征部位在对应作物的根部区域的位次能够以与叠加次序的顺位排布方向不同的方式设置，即中控模块505可以按照不同于由前向后的顺序进行位次排序，且在进行位次排序时，存在图像重合叠加状态的多个特征部位能够被赋予同一位次序列，并可根据各自的叠加次序进行细分。进一步优选地，特征部位在对应作物的根部区域的位次能够以从左至右或从右至左的方向进行排布，其中，从左至右或从右至左的方向为与采集模块404的成像方向正交的方向(通常为与长边方向同向)。
70.优选地，当达到采收间隔时间和/或达到合格标签预设数量时，基于合格标签所附带的坐标和位次，对各作物中被赋予合格标签的个别或全部特征部位进行针对性地采收，其中，针对性地采收是指可基于合格标签所附带的坐标和位次对符合要求的特征部位进行定位并采收，既避免了人工目测不精准的问题，也避免了仅依靠设置采收间隔时间而造成的生产力浪费的问题，该生产力的浪费是指的若到达采收间隔时间就启动采收，但经过人工全流程的检查发现仅存在数量极少的特征部位符合要求，投入产出比低，投入的人工和物质成本存在极大的浪费。优选地，采收过程中至少能够使顶盖11沿第一方向的反方向抬升，以使得特征部位能够脱离内部空腔并展示于外部环境，经过针对性地采收后，顶盖11能够再沿第一方向下落，并将根部区域再包含于内部空腔中。进一步地，由于育种植株的根部区域可能存在多个特征部位且多个特征部位可能发育程度局部或完全的不同，使得即使是所属同一育种植株的根部区域的两个特征部位，也可能在不同的时间下获得相应的合格标签，因此，当顶盖11下落后，采集模块404能够被启动以获取采收后的图像信息并发送至中控模块505，其中，中控模块505基于采收后的图像信息确定被采收的特征部位的坐标和位次是否与前序合格标签一致。进一步地，针对应在前序采收环节被采收而未被实施采收的情况，中控模块505可再赋予超时标签，针对具有超时标签的特征部位，在后序采收环节中需单独放置并评估其状态，其中，出现该情况可能是由于采收遗漏或在图像重合叠加时对后置位的特征部位的外部轮廓进行预测圈定时的不准确造成的。
71.优选地，中控模块505在对图像信息启动分析程序时，除了确定能够赋予合格标签的特征部位，还能够基于内部空腔中各育种植株的根部区域(尤其是特征部位)的整体和/或局部生长情况，确定环境参数的调节方式，其中，对于环境参数的调节至少可通过向雾化模块20和/或供气模块303发送控制信号来实现。
72.优选地，响应于控制信号的雾化模块20可以调节如下工作参数：雾化颗粒喷射角
度、雾化颗粒喷出速度、雾化颗粒粒径大小、雾化工作时间、雾化间隔时间等。优选地，响应于控制信号的供气模块303可以调节如下工作参数：进气量、进气角度、氧/二氧化碳含量等。
73.优选地，中控模块505可以对内部空腔的空间状态进行模拟，以判断空间中的流场状态，其中，该流场状态至少包含空气流场状态及雾化营养液流场状态。进一步地，当内部空腔形成空气流场时，会对雾化营养液的流场状态产生影响，进而使得内部空腔的雾气逸散状态被调整，其中，基于不同角度、不同速度的空气流动，使得雾化营养液在喷出后能够基于空气流场的流动趋势而以有利于至少部分育种植株生长的方式切换至相应的逸散状态并充斥于内部空腔中。
74.实施例3
75.本实施例是对实施例1和/或2的进一步改进，重复的内容不再赘述。
76.优选地，本发明的雾培系统中被导出的残余营养液可以经过检测后回收或弃用，其中，回收和弃用的决定可基于检测结果确定，当残余营养液还具有回收价值且不会对供液箱24中储存的营养液造成可引起营养液性质变化的负面影响时，可将其经过回收并返回至供液箱24。优选地，供液箱24中营养液浓度至少会随着回收的残余营养液的引入而时刻改变，可通过调整新补入的原始营养液的浓度以平衡供液箱24为营养喷头21提供的营养液浓度，也可将回收的残余营养液以不与原始营养液混合的方式回收并返回至供液箱24，待达到一定的回收量后统一进行浓度调节，以维持供液箱24为营养喷头21提供的营养液浓度。
77.优选地，供液箱24为营养喷头21提供的营养液至少是对ec值和ph值进行严格控制后输出的，其中，ec值是用来测量溶液中可溶性盐浓度的，高浓度的可溶性盐类会使植物受到损伤或造成植株根系的死亡；ph值是用来表征溶液中氢离子浓度的，植物需要在适宜的酸碱度条件下才能够正常生长。
78.优选地，被导出的残余营养液在具有回收价值时可以经回收部件分离和消毒，其中，回收部件的分离能够以分离营养液中较大粒径的悬浮物为目的，避免其进入营养喷头21并造成堵塞，从而节省营养喷头21的维护成本；回收部件的消毒可以采取不产生其他杂质、不发生不必要的化学反应、不大幅度地改变营养液温度的方式防止营养液的交叉污染，以避免被污染的营养液再次通过营养喷头21进入主体模块10的内部空腔并对正常生长的育种植株造成营养。示例性地，可以通过在回收部件中配置筛网、微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜、渗透蒸发膜、离子交换膜中的一种或多种，来实现回收部件的分离功能。示例性地，可以通过在回收部件中配置紫外线消毒器、电离辐射消毒器、热消毒器中的一种或多种。
79.优选地，循环处理部能够将其收集的被引出的呈雾化状态的营养液以液态形式输送至雾化模块20的回收部件中。
80.实施例4
81.本实施例是对实施例1、2和/或3的进一步改进，重复的内容不再赘述。
82.本发明公开了一种基于空气循环的雾培方法，其至少包括如下步骤：
83.将育种植株放置于开设在顶盖11上的定植孔12内，定植孔12以基于其所处顶盖11的长边位置和宽边位置而具有相应的开设种植坐标；
84.基于采集模块404的成像参数和/或定植孔12的开设方式，确定采集模块404的设置或启用数量，并为启用的采集模块404赋予相应的拍摄任务；
85.对采集模块404获取的图像信息进行分析处理，以确定育种植株根部区域的生长情况；
86.基于内部空腔中各育种植株的根部区域(尤其是特征部位)的整体和/或局部生长情况，确定特征部位的针对性采收方案和/或环境参数的调节方式。
87.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一种优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

技术特征：
1.一种基于空气循环的雾培系统，其包括：主体模块(10)，至少限定出能够用于容纳育种植株根部区域的内部空腔，采集模块(40)，至少用于获取育种植株处于内部空腔中的根部区域的图像信息，中控模块(50)，能够接收所述采集模块(40)获取的图像信息，其特征在于，所述主体模块(10)的内部空腔能够为育种植株根部区域提供受所述中控模块(50)调节的生长环境，该生长环境至少包括内部空腔的空间流场状态，其中，所述中控模块(50)能够基于接收到的图像信息生成相应的用于调节生长环境的控制信号，所述中控模块(50)对图像信息的处理至少包括针对育种植株根部区域的特征部位进行识别。2.根据权利要求1所述的雾培系统，其特征在于，所述中控模块(50)至少能够发送控制信号至供气模块(30)以至少调节空间流场状态中的空气流场，其中，所述供气模块(30)至少包括分别与所述主体模块(10)的不同连通口连接的进气管(31)和出气管(32)。3.根据权利要求1或2所述的雾培系统，其特征在于，所述主体模块(10)至少配置连通口能够基于连接的管路功能不同而被划分为进气口和出气口，其中，所述进气口和出气口能够以不直接相对且不共边的方式设置。4.根据权利要求1～3任一项所述的雾培系统，其特征在于，所述供气模块(30)对空气流场的调节能够引起雾化营养液流场的改变，其中，雾化营养液至少能够由雾化模块(20)生成，且雾化营养液流场还能够基于所述雾化模块(20)运行参数的调节而改变。5.根据权利要求1～4任一项所述的雾培系统，其特征在于，所述中控模块(50)能够为设置的或启用的所述采集模块(40)赋予相应的拍摄任务，其中，所述采集模块(40)至少能够以不在任意两个定植孔(12)的连线上的方式设置成像角度。6.一种基于空气循环的雾培方法，其特征在于，所述雾培方法包括如下步骤：将育种植株放置于开设在顶盖(11)上的定植孔(12)内，定植孔以基于其所处顶盖(11)的长边位置和宽边位置而具有相应的开设种植坐标；基于采集模块(40)的成像参数和/或定植孔(12)的开设方式，确定采集模块(40)的设置或启用数量，并为启用的采集模块(40)赋予相应的拍摄任务；对采集模块(40)获取的图像信息进行分析处理，以确定育种植株根部区域的生长情况；基于内部空腔中各育种植株的根部区域的整体和/或局部生长情况，确定特征部位的针对性采收方案和/或环境参数的调节方式。7.根据权利要求6所述的雾培方法，其特征在于，在顶盖(11)上以如下方式开设定植孔(12)：任意两个相邻位次的定植孔(12)不具有相同的长边坐标或宽边坐标。8.根据权利要求6或7所述的雾培方法，其特征在于，所述采集模块(40)的成像参数至少包含成像角度，其中，所述采集模块(40)至少能够以不在任意两个定植孔(12)的连线上的方式设置成像角度。9.根据权利要求6～8任一项所述的雾培方法，其特征在于，在针对根部区域具有特征部位的育种植株进行分析时，能够基于提前录入的特征模型在根部区域的图像信息中识别出所有的特征部位，并单独且分别地圈定出所有特征部位的外部轮廓，以对比于预存的特征模型。
10.根据权利要求6～9任一项所述的雾培方法，其特征在于，环境参数至少能够通过向雾化模块(20)和/或供气模块(30)发送控制信号来调节，其中，通过驱动所述供气模块(30)来调节空气流场时至少能够引起雾化营养液流场的改变。

技术总结
本发明涉及一种基于空气循环的雾培系统及方法，该系统包括：主体模块，至少限定出能够用于容纳育种植株根部区域的内部空腔；采集模块，至少用于获取育种植株处于内部空腔中的根部区域的图像信息；中控模块，能够接收采集模块获取的图像信息，主体模块的内部空腔能够为育种植株根部区域提供受中控模块调节的生长环境，该生长环境至少包括内部空腔的空间流场状态，其中，中控模块能够基于接收到的图像信息生成相应的用于调节生长环境的控制信号，中控模块对图像信息的处理至少包括针对育种植株根部区域的特征部位进行识别。该方法包括：移栽育种植株；获取图像信息；分析处理图像信息，确定生长情况；基于生长情况调整培育方式。基于生长情况调整培育方式。基于生长情况调整培育方式。


技术研发人员：王森 杨其长 周成波 李宗耕 杨俊 袁泉
受保护的技术使用者：中国农业科学院都市农业研究所
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/15