用于測(cè)量植物生長(zhǎng)條件的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在植物生長(zhǎng)基質(zhì)中植物生長(zhǎng)條件的檢測(cè)。特別地，但不限于，本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)用于使用人造植物生長(zhǎng)基質(zhì)(例如礦物棉基質(zhì))的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，植物生長(zhǎng)的管理與操縱日益專業(yè)化且精確控制。曾經(jīng)應(yīng)用于大田的灌溉策略也只是為了彌補(bǔ)雨水的缺乏，但是植物需要在小組內(nèi)逐漸供給水，或者甚至個(gè)別的目的就是仔細(xì)地控制植物生長(zhǎng)條件。
[0003]例如，據(jù)認(rèn)識(shí)到的是灌溉策略對(duì)植物生長(zhǎng)具有定性的影響。如本領(lǐng)域已知的是，生殖生長(zhǎng)是指促進(jìn)產(chǎn)生花/果實(shí)的生長(zhǎng)類型，而在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的過程中，植物產(chǎn)生更高比例的葉子和其他的綠色部分。當(dāng)水和/或營(yíng)養(yǎng)素相對(duì)缺乏時(shí)，促進(jìn)植物進(jìn)行生殖生長(zhǎng)，而當(dāng)水和/或營(yíng)養(yǎng)素供應(yīng)充足時(shí)，促進(jìn)植物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)使得植物的整體生物質(zhì)大幅增加，而生殖生長(zhǎng)提高了有助于產(chǎn)生果實(shí)或花的生長(zhǎng)的比例。
[0004]因此可以看出，精確控制植物生長(zhǎng)的條件可用于操縱生長(zhǎng)類型朝著所期望的結(jié)果發(fā)展。然而，如果想要以該相當(dāng)精細(xì)的水平完成控制，那么植物生長(zhǎng)條件的測(cè)量就是至關(guān)重要的。
[0005]已經(jīng)提議的這樣精確控制的一個(gè)具體的情況是使植物在礦物棉生長(zhǎng)基質(zhì)中生長(zhǎng)。這種生長(zhǎng)基質(zhì)通常以連貫的插塞(plug)、塊(block)、板或墊/毯的形式提供，并且一般包括粘結(jié)劑(通常是有機(jī)粘結(jié)劑)以提供產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性。
[0006]通常，植物生長(zhǎng)過程分為兩個(gè)階段來控制:由“繁殖者”控制的第一階段，在該階段中，植物由種子開始生長(zhǎng)；以及由“栽培者”控制的第二階段，在該階段中，維持植物的生長(zhǎng)并進(jìn)行任意收割。例如，在番茄植物的情況中，繁殖者可將單個(gè)番茄種子播種于厚度約為25mm至30mm且半徑約為20mm至30mm的圓柱狀插塞中。在種子發(fā)芽之后，繁殖者將插塞置于立方體塊中，以使根系和植株繼續(xù)生長(zhǎng)。然后培育位于塊中的各植株，直至可將其由繁殖者移至栽培者的階段。
[0007]由繁殖者獲得塊之后，栽培者將數(shù)個(gè)塊置于單獨(dú)的礦物棉板上，從而形成植物生長(zhǎng)系統(tǒng)。除了礦物棉板中位于上表面的開口處(其用于接收種有植株的塊)以及設(shè)于下表面的排水孔以外，礦物棉板的其他部分通常被包在金屬箔內(nèi)或其他不能滲透液體的層內(nèi)。
[0008]在接下來隨后的植物生長(zhǎng)過程中，利用滴頭(dripper)向系統(tǒng)提供水和營(yíng)養(yǎng)素，其中滴頭將含有水分和營(yíng)養(yǎng)素的液體直接輸送滴至所述塊或者所述板中。植物通過根部吸收所述塊和所述板中的水和營(yíng)養(yǎng)素，并由此進(jìn)行生長(zhǎng)。未被植物吸收的水和營(yíng)養(yǎng)素保存在基質(zhì)系統(tǒng)中，或者通過排水孔被排出。如果合適的話，可以對(duì)排出的水和營(yíng)養(yǎng)素進(jìn)行消毒可以被消毒并隨后再次使用。
[0009]期望的是提供能夠用于感測(cè)這類型的植物生長(zhǎng)系統(tǒng)中水和/或營(yíng)養(yǎng)素的水平面的傳感器。已經(jīng)提出了一些合適的傳感器，并且一些例子在國(guó)際專利申請(qǐng)WO 2010/031773中有所描述。該文獻(xiàn)的圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的水量計(jì)，其具有三個(gè)突出的探針，將所述探針插入到基質(zhì)中從而測(cè)量諸如含水量等的特性。WO 2010/031773也描述了一種用于測(cè)量基質(zhì)電容(根據(jù)電容可以推算出含水量)的方法，該方法通過在基質(zhì)表面抵靠平板電極，而不是將探針插入到基質(zhì)體內(nèi)部來進(jìn)行。EP 0392639描述了一種用于測(cè)量基質(zhì)中的含水量的具有二十個(gè)內(nèi)銷的傳感單元，所述內(nèi)銷在其周圍設(shè)置有四個(gè)外銷。US 2011/0273196描述了一種具有三個(gè)或六個(gè)鋼銷的無線環(huán)境傳感器，所述鋼銷布置為在多個(gè)點(diǎn)與土壤相互作用，從而獲得表示位于鋼銷與土壤之間的土壤的平均特性的單獨(dú)的測(cè)量結(jié)果。
[0010]雖然這些方法解決了實(shí)用性，但是使用這些技術(shù)能夠獲得的信息受到限制。特別是，將理解的是在整個(gè)基質(zhì)中含水量和其他特性不是勻一的。也就是說，在整個(gè)基質(zhì)中，這樣的特性通常是存在變化的。因此，由電感應(yīng)來測(cè)量含水量和營(yíng)養(yǎng)素水平的嘗試太過于受限或者結(jié)果不定。
[0011]例如，可以預(yù)期的是重力的作用將使水沉積在基質(zhì)的底部區(qū)域，導(dǎo)致相比于上部區(qū)域，下部區(qū)域的含水量增加。其他影響可取決于例如，排水孔的位置或施加灌溉的點(diǎn)的位置。
[0012]由于基質(zhì)本身的特性，計(jì)算進(jìn)一步復(fù)雜化。例如，在提高水含量勻一性的嘗試中，已經(jīng)提出了提供由多個(gè)不同密度的層形成的基質(zhì)?；|(zhì)的高密度上層能在該區(qū)域內(nèi)提高相對(duì)含水量。然而，在整個(gè)基質(zhì)上含水量仍然是可變的，使得難以可靠的一致評(píng)估整體條件。
[0013]植物生長(zhǎng)條件的精確控制需要改進(jìn)這些條件的測(cè)量方式。因而精確且可靠地評(píng)估這些條件，從而能夠開發(fā)優(yōu)化控制植物生長(zhǎng)策略的愿望日益增強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種在植物生長(zhǎng)基質(zhì)內(nèi)檢測(cè)植物生長(zhǎng)條件的裝置，該裝置包括:
[0015]用于插入到基質(zhì)中的由一個(gè)或多個(gè)探針形成的第一線性陣列；
[0016]用于插入到基質(zhì)中的由一個(gè)或多個(gè)探針形成的第二線性陣列，其中該第二線性陣列以固定距離遠(yuǎn)離第一線性陣列設(shè)置；和
[0017]控制單元，其設(shè)置為從探針的第一線性陣列獲得位于第一基質(zhì)水平面的至少一種基質(zhì)特性的第一測(cè)量結(jié)果，并且從探針的第二線性陣列獲得位于第二基質(zhì)水平面的至少一種基質(zhì)特性的第二測(cè)量結(jié)果；
[0018]其中該控制單元進(jìn)一步設(shè)置為將在第一基質(zhì)水平面和第二基質(zhì)水平面獲得的第一和第二測(cè)量結(jié)果組合，從而根據(jù)第一和第二測(cè)量結(jié)果計(jì)算至少一種基質(zhì)植物生長(zhǎng)條件。
[0019]與常規(guī)用于檢測(cè)植物生長(zhǎng)條件的傳感器不同，本發(fā)明第一方面的裝置獲得了至少一個(gè)基質(zhì)特性的多個(gè)測(cè)量結(jié)果。以固定間隔設(shè)置兩個(gè)線性陣列的探針，使得在基質(zhì)內(nèi)的不同位置獲得兩個(gè)測(cè)量結(jié)果。通過探針的“線性陣列”，應(yīng)當(dāng)理解的是在一個(gè)陣列中的探針以大約相同的距離遠(yuǎn)離形成另一個(gè)陣列的探針，從而在基質(zhì)水平面測(cè)量基質(zhì)特性。因?yàn)檫@些位置的相對(duì)位置是固定的(并且相當(dāng)于在基質(zhì)中兩個(gè)不同水平面之間的距離)，所以能夠以預(yù)先確定的方式從兩個(gè)測(cè)量結(jié)果中模擬基質(zhì)內(nèi)的條件，從而更清楚準(zhǔn)確的了解基質(zhì)內(nèi)的植物生長(zhǎng)條件。具體來說，例如，通過在基質(zhì)中不同深度獲取的兩個(gè)測(cè)量結(jié)果，可以獲得真實(shí)植物生長(zhǎng)條件的改進(jìn)的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@些條件在整個(gè)基質(zhì)中是有變化的，特別是在垂直方向上。
[0020]在操作過程中，在距離固定之前，可以調(diào)節(jié)使用中的線性陣列之間的距離。然而，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，線性陣列之間的距離是固定不變的。
[0021 ] 在優(yōu)選的實(shí)施方案中，每個(gè)陣列包括至少兩個(gè)探針。更優(yōu)選地，每個(gè)陣列的探針包括至少兩個(gè)電極。以這種方式，可以通過探針將電信號(hào)施加到基質(zhì)上，從而能夠進(jìn)行電特性的測(cè)量?？梢詼y(cè)量的可選的或額外的特性包括溫度。
[0022]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，至少一種植物生長(zhǎng)條件包括基質(zhì)內(nèi)的含水量。該水平優(yōu)選表示為基質(zhì)完全飽和所需含水量的百分比水平。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，至少一種特性包括電容。由于含水量影響基質(zhì)的電解質(zhì)特性，并因此是電容的函數(shù)，這使得能夠計(jì)算含水量。
[0023]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，至少一種植物生長(zhǎng)條件包括營(yíng)養(yǎng)素含量。營(yíng)養(yǎng)素含量反映基質(zhì)內(nèi)離子鹽類的比例。同樣，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，至少一種特性是導(dǎo)電率，因?yàn)閷?dǎo)電率反映了基質(zhì)內(nèi)離子鹽類的比例。
[0024]優(yōu)選地，至少一種植物生長(zhǎng)條件包括含水量和營(yíng)養(yǎng)素含量。因此，也可以測(cè)量電容和導(dǎo)電率。應(yīng)當(dāng)理解的是這些特性可以通過研究基質(zhì)的復(fù)阻抗而獲得。
[0025]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，每個(gè)陣列包括三個(gè)探針。具體地，這些探針中的兩個(gè)探針可以是用于測(cè)量電特性(例如導(dǎo)電率或電容)的電極，而第三個(gè)探針可以是用于測(cè)量基質(zhì)溫度的溫度傳感器。
[0026]優(yōu)選地，探針在末端是旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱的。例如，探針可以是斜截的圓柱體。通過斜面切割通常為圓柱形的探針的末端，形成了相對(duì)尖銳的末端邊緣，由此有助于將探針引入到基質(zhì)中。因此裝置能夠相當(dāng)容易地應(yīng)用到基質(zhì)中。此外，與具有鈍末端的探針相比，可以避免基質(zhì)內(nèi)的纖維聚束。這是有利的，因?yàn)檫@樣的聚束可能影響