本發(fā)明涉及生物工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可遠(yuǎn)程監(jiān)控的微型人工氣候箱。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在中小學(xué)教育越來越強(qiáng)調(diào)和注重培養(yǎng)學(xué)生的興趣愛好，特別是科技類創(chuàng)新研究活動。觀察和研究各種動植物行為是一類普遍受中小學(xué)生熱愛的科技活動，但是因植物生長周期長，生長受到地理空間、季節(jié)和氣候條件的限制影響較大，對于廣大生活和學(xué)習(xí)在城市中的學(xué)生，缺乏像生活在農(nóng)村中的學(xué)生那樣非常方便親近自然和觀察各種植物生長習(xí)性的客觀條件和機(jī)會，最終影響到城市學(xué)生對研究植物的愛好難以實現(xiàn)或長期保持。

在國家研究機(jī)構(gòu)，科學(xué)家通過建造大型的人工氣候室等科研設(shè)施，來克服植物在自然氣候條件下生長所受的時空限制。即通過人為控制人工氣候室的溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度和土壤含水量等參數(shù)，來滿足植物生長所需的各種氣候條件，實現(xiàn)了全年任何時候都可以觀察研究植物生長的科研需要。但是人工氣候室作為一種大型科研設(shè)施，往往有較大的占地要求、造價高、運行維護(hù)成本高，只能滿足科研工作者的研究需要，對廣大愛好動植物的中小學(xué)生來說，很少有機(jī)會能夠使用這些科研設(shè)施。即使體積相對小型人工氣候箱等科研設(shè)備，也只是用于科研工作，不能滿足廣大學(xué)生的課外興趣活動要求。

如果能研究開發(fā)一種體積小、可以放置在家中或?qū)W校的微型氣候箱，將極大方便中小學(xué)生在家或在校開展動植物觀察研究的科技類活動，培養(yǎng)他們熱愛動植物科學(xué)、善于觀察、勤于動手的良好科學(xué)基礎(chǔ)和科學(xué)素養(yǎng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種可遠(yuǎn)程監(jiān)控的微型人工氣候箱，用于利用課外時間在家中或?qū)W校開展持續(xù)性的植物生長方面的科技創(chuàng)新類研究活動，解決以往城市中學(xué)生因客觀條件限制而無法了解植物從種子到種子全生命周期中生長變化過程的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供了一種可遠(yuǎn)程監(jiān)控的微型人工氣候箱，氣候箱包括培養(yǎng)箱、控制箱和水箱，三者可形成為一體或相互獨立，當(dāng)相互獨立時，培養(yǎng)箱、控制箱和水箱之間通過導(dǎo)線和管道連接以進(jìn)行導(dǎo)電、通訊和液體輸送，氣候箱內(nèi)設(shè)置有傳感器和執(zhí)行器件以進(jìn)行多參數(shù)自動檢測和多參數(shù)自動控制，培養(yǎng)箱由透明的有機(jī)玻璃材料(如PMMA)制成，氣候箱內(nèi)設(shè)置有輕質(zhì)溫控裝置進(jìn)行控溫。

進(jìn)一步地，培養(yǎng)箱內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器、空氣濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、土壤含水量傳感器、LED光源和內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇中的一種或幾種，培養(yǎng)箱內(nèi)底部放置植物培養(yǎng)容器(栽培盤或栽培盆)，土壤含水量傳感器直接插入在植物培養(yǎng)容器里的栽培土中，培養(yǎng)箱的后面板開孔安裝外循環(huán)風(fēng)扇和輕質(zhì)溫控裝置，導(dǎo)線和管道從后面板開孔接入培養(yǎng)箱內(nèi)的傳感器和執(zhí)行器件上。

進(jìn)一步地，上述輕質(zhì)溫控裝置包括PTC加熱片和半導(dǎo)體制冷片。

進(jìn)一步地，多參數(shù)自動檢測包括對溫度、空氣濕度、光強(qiáng)度、二氧化碳濃度和土壤含水量中的一個或幾個參數(shù)的檢測。

進(jìn)一步地，多參數(shù)自動控制包括自動控制加熱、制冷、灌溉、光照和通風(fēng)中的一種或幾種。

進(jìn)一步地，微型人工氣候箱的總體積不大于0.03立方米，可放置在桌面上。

進(jìn)一步地，氣候箱內(nèi)設(shè)置有微型攝像頭，可運用手機(jī)APP或電腦操作軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控箱體內(nèi)植物實時的生長狀況和設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

進(jìn)一步地，氣候箱的箱體被設(shè)置為可彼此緊密配合，兩個以上的氣候箱可疊放或擴(kuò)展形成多室分隔的擴(kuò)展型氣候箱。

進(jìn)一步地，控制箱包括變送器和現(xiàn)場控制器，傳感器通過變送器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，現(xiàn)場控制器記錄存儲數(shù)字信號，并與上位機(jī)電腦連接通信，上位機(jī)電腦通過控制顯示軟件將控制信號發(fā)送給現(xiàn)場控制器執(zhí)行操作。

進(jìn)一步地，數(shù)字信號通過短距離無線傳輸方式與上位機(jī)電腦連接通信。

本發(fā)明提供的微型人工氣候箱具有以下優(yōu)點：

1、實現(xiàn)多參數(shù)自動檢測和控制。具備能夠自動檢測溫度、空氣濕度、光強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤含水量等多種參數(shù)和自動控制加熱、制冷、灌溉、通風(fēng)等執(zhí)行器件動作的功能，創(chuàng)造一個模擬自然氣候條件的小型人工氣候環(huán)境。

2、通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材和元器件選型解決微型氣候箱的體積問題，達(dá)到體積小，重量輕，易移動，可放置在桌面上的效果。本方案中微型氣候箱總體積小于0.03立方米，根據(jù)需要可以更小。培養(yǎng)箱部分的箱體利用PMMA等有機(jī)玻璃材料加工制作，充分利用有機(jī)玻璃具有強(qiáng)度高、易加工、密度低等優(yōu)點，可以大大降低氣候箱的重量。在此基礎(chǔ)上，采用PTC加熱片和半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行加熱制冷來維持箱內(nèi)溫度，解決了傳統(tǒng)盤管加熱和壓縮機(jī)組制冷方式占用空間大，重量重等缺點。體積小、重量輕的特點，使得該氣候箱適合在多種場所使用，如家庭、學(xué)?；蚱渌麍鏊?。

3、在不需開啟氣候箱門的情況下，就可多角度觀察箱內(nèi)植物狀態(tài)。利用了PMMA等有機(jī)玻璃材質(zhì)的高透光度，使得觀察者在不打開氣候箱門的情況下，可以從各個角度觀察箱體內(nèi)生長的植物形態(tài)和各執(zhí)行器件的運行狀態(tài)，不會因觀察植物生長而需要開門導(dǎo)致的干擾植物生長的氣候條件。

4、可疊放，可擴(kuò)展。通過箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，允許兩個以上箱體呈緊密配合狀疊放，形成一個多室分隔的擴(kuò)展型氣候箱。既解決疊放后上層培養(yǎng)箱前后左右滑動跌落的危險，也進(jìn)一步解決同時使用多個氣候箱時占用較多空間的問題，更重要的是能夠在同一時間內(nèi)實現(xiàn)不同參數(shù)條件對植物生長影響的對比研究。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以充分說明本發(fā)明的目的、技術(shù)特征和技術(shù)效果。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的正視圖；

圖3示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的培養(yǎng)箱部分的左前側(cè)仰視圖；

圖4示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的培養(yǎng)箱部分的右視圖；

圖5示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的培養(yǎng)箱部分的后視圖；

圖6示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的培養(yǎng)箱部分的頂視圖；

圖7示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的參數(shù)檢測與控制流程總圖；

圖8示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的光照自動控制流程圖；

圖9示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的灌溉自動控制流程圖；

圖10示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的溫度自動控制流程圖；

圖11示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的箱內(nèi)外換風(fēng)系統(tǒng)控制流程圖；

圖12示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的控制箱內(nèi)器件排布圖；

圖13示出了本發(fā)明較優(yōu)實施例中的微型人工氣候箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控原理圖。

附圖標(biāo)記：

1-培養(yǎng)箱 2-控制箱 3-水箱 4-水泵 5-連接水管 6-土壤含水量傳感器7-導(dǎo)線 8-滴灌管 9-栽培盤或栽培盆 10-門把手 11-底面板 12-前門 13頂面板 131-頂面板左側(cè)把手 132-頂面板右側(cè)把手 1321-頂面板右側(cè)把手穿孔 133-頂面板上左側(cè)檔條 134-頂面板上右側(cè)檔條14-后面板 15-右側(cè)面板 151-右側(cè)面板頂端凸出處 152-右側(cè)面板底端凹陷處 153-右側(cè)面板前端底腳 154-右側(cè)面板后端底腳 16-左側(cè)面板161-左側(cè)面板頂端凸出處17-外循環(huán)風(fēng)扇安裝孔 18-半導(dǎo)體制冷片安裝孔 19-導(dǎo)線和水管入孔 20-PTC加熱片 21-溫度傳感器 22-二氧化碳濃度傳感器 23-空氣濕度傳感器 24-光照度傳感器 25-內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇 26-LED光源 27-微型攝像頭

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。

微型氣候箱包括培養(yǎng)箱、控制箱和水箱。培養(yǎng)箱、控制箱和水箱可以形成為一體，也可以相互獨立。如果三部分相互獨立，三者之間通過導(dǎo)線和管路連接，實現(xiàn)參數(shù)檢測、控制和動作執(zhí)行之間的信號傳輸及物料供給。培養(yǎng)箱形狀可以是立方體、圓柱態(tài)，錐體、球體或其他不規(guī)則形狀等結(jié)構(gòu)。培養(yǎng)箱內(nèi)可以縱向設(shè)一層或多層結(jié)構(gòu)，也可以橫向設(shè)一個或多個分隔區(qū)。上下層結(jié)構(gòu)之間或水平分隔區(qū)之間可以連通或不連通，每個分隔可以獨立檢測和控制各參數(shù)。也可以多個培養(yǎng)箱以緊密配合方式疊加或相連，形成一組擴(kuò)展型多分隔的微型氣候箱。方便進(jìn)行設(shè)置不同參數(shù)條件，開展對比研究實驗。

本實施例中以一個立方體形狀、內(nèi)部單層不分隔結(jié)構(gòu)為例說明微型氣候箱的具體構(gòu)造。

微型氣候箱由培養(yǎng)箱1、控制箱2和水箱3組成，三者相互獨立，彼此通過導(dǎo)線和管路連接(如圖1所示)。培養(yǎng)箱1的箱體尺寸為40×30×30cm，箱內(nèi)頂部安裝溫度傳感器21、二氧化碳濃度傳感器22、空氣濕度傳感器23、光照度傳感器24、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇25、LED光源26和微型攝像頭27，微型攝像頭27也可以安裝在后面板14或側(cè)面板(右側(cè)面板15和左側(cè)面板16)上。箱內(nèi)底部放置植物栽培盤或栽培盆9等，土壤含水量傳感器6直接插入栽培盤或栽培盆9里的栽培土中。箱體后面板14上開孔安裝外循環(huán)風(fēng)扇、PTC加熱片20和半導(dǎo)體制冷片。導(dǎo)線和液體輸送管路從后面板開孔接入箱內(nèi)傳感器和執(zhí)行器件上。

培養(yǎng)箱結(jié)構(gòu)如圖1至圖6所示，共有六個面板：

前面板為一個矩形結(jié)構(gòu)，采用合頁方式與側(cè)面板鉸鏈，形成一個箱門，即前門12，前門12上安裝一個門把手10，與右側(cè)面板15、左側(cè)面板16、頂面板13和底面板11接觸處刻槽安裝密封條。箱門也可以采用移門方式，左右或上下滑動。附圖中所示為開門方式。

后面板14也為一個矩形結(jié)構(gòu)，上端邊和下端邊呈現(xiàn)凹凸匹配狀，保證兩個氣候室疊放時的限位作用。后面板上開有兩個外循環(huán)風(fēng)扇安裝孔17、一個半導(dǎo)體制冷片安裝孔18、一個導(dǎo)線和水管入孔19。后面板14上安裝兩個外循環(huán)風(fēng)扇、一個PTC加熱片20、一個半導(dǎo)體制冷片。

側(cè)面板(右側(cè)面板15和左側(cè)面板16)，上端邊和下端邊呈現(xiàn)凹凸匹配狀(右側(cè)面板頂端凸出處151、右側(cè)面板底端凹陷處152、左側(cè)面板頂端凸出處161，左側(cè)面板底端凹陷處未示出，與右側(cè)面板底端凹陷處152結(jié)構(gòu)相同)，與頂面板13上緊貼側(cè)面板安裝的檔條(頂面板上左側(cè)檔條133、頂面板上右側(cè)檔條134)組成了培養(yǎng)箱疊放時的緊密配合結(jié)構(gòu)，保證了兩個培養(yǎng)箱疊放時不會前后左右滑動。側(cè)面板上端稍低部分開槽一個狹縫(如圖4中所示的頂面板右側(cè)把手穿孔1321)，正好可以保證頂面板左右兩端的兩個把手(頂面板左側(cè)把手131、頂面板右側(cè)把手132)穿過狹縫。

頂面板13為矩形狀，正好被前面板(在本實施例中為前門12)、后面板14和兩塊側(cè)面板(右側(cè)面板15和左側(cè)面板16)包圍。頂面板13兩側(cè)各突出一塊，作為把手(頂面板左側(cè)把手131、頂面板右側(cè)把手132)，便于搬運時抓手。兩個把手部分從側(cè)面板上開槽的狹縫(如圖4中所示的頂面板右側(cè)把手穿孔1321)穿過側(cè)面板。頂面板13內(nèi)側(cè)安裝有溫度傳感器21、二氧化碳濃度傳感器22、空氣濕度傳感器23、光照度傳感器24、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇25和LED光源26。在本實施例中，還安裝有微型攝像頭27，以便運用手機(jī)APP或電腦操作軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控箱體內(nèi)植物實時的生長狀況和設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

底面板11，為矩形狀，正好被前面板(在本實施例中為前門12)、后面板14和兩塊側(cè)面板(右側(cè)面板15和左側(cè)面板16)包圍。箱內(nèi)底面板11上放置栽培盤或栽培盆9，土壤含水量傳感器6直接插入到栽培盤或栽培盆9的土壤中，栽培盤或栽培盆9中的土壤上布設(shè)滴灌管8或噴灌管路。

圖7示出了本實施例中的微型人工氣候箱的參數(shù)檢測與控制流程總圖，圖8-圖11則分別示出了光照、灌溉、溫度、換風(fēng)系統(tǒng)的自動控制流程圖，具體說明如下。

1、光強(qiáng)檢測和光照控制

光照系統(tǒng)包括光照傳感器、LED光源。當(dāng)光照度低于某一設(shè)定值時，啟動LED光源開關(guān)。也可以設(shè)定光暗時間周期，等光照達(dá)到設(shè)定光照時長后，自動關(guān)閉LED光源，等暗周期時長結(jié)束時，自動開啟LED光源進(jìn)入光照周期。如此更替。

光照度檢測范圍，波長范圍為400-720nm，可以任意設(shè)定光周期和暗周期的時長，光源開啟關(guān)閉方式可以根據(jù)需要設(shè)定。

2、濕度檢測和灌溉控制

濕度系統(tǒng)包括空氣濕度傳感器、土壤含水量傳感器、水槽、水管、噴淋頭或滴灌頭、電磁閥、水泵。當(dāng)土壤水分含量低于設(shè)定值時，自動啟動電磁閥，水泵，水槽中水通過硅膠軟管進(jìn)入室內(nèi)，通過噴淋或滴灌方式進(jìn)行灌溉。如果需要補充營養(yǎng)液，可以將營養(yǎng)液加入水槽中，通過灌溉系統(tǒng)補充營養(yǎng)液。

3、箱內(nèi)溫度的檢測和控制

溫度測控系統(tǒng)包括溫度傳感器、PTC加熱片、半導(dǎo)體制冷片、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇。當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時，自動啟動半導(dǎo)體制冷，同時啟動內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇，強(qiáng)制循環(huán)，保持溫度的均勻性和快速降溫。如果溫度低于設(shè)定溫度，則自動啟動PTC加熱，同時啟動內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇，進(jìn)行混勻和快速升溫。也可以通過采用各面板雙層結(jié)構(gòu)，增加隔熱效果，減少熱量損失，維持溫控的穩(wěn)定性。

溫度檢測范圍，0-100℃，溫度控制范圍：10℃—50℃，加熱器件采用40×40mm PTC片，制冷采用相同大小的半導(dǎo)體制冷片。

4、箱內(nèi)二氧化碳檢測和換風(fēng)

箱頂安裝二氧化碳濃度傳感器，若二氧化碳濃度降低時，開啟外循環(huán)風(fēng)扇，進(jìn)行內(nèi)外空氣交換，提高內(nèi)部空氣中二氧化碳的含量。根據(jù)設(shè)定，數(shù)秒或數(shù)分鐘后自動關(guān)閉。

圖12示出了本實施例中的微型人工氣候箱的控制箱內(nèi)器件排布圖。傳感器通過變送器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，一般為4-20ma信號或者0-5V信號。現(xiàn)場控制器(PID、PLC或者自制單片機(jī))，將所有數(shù)據(jù)記錄存儲,并且通過短距離無線傳輸方式(ZIGBEE)與上位機(jī)電腦連接通信，電腦通過控制顯示軟件將控制信號發(fā)送給控制器執(zhí)行操作?，F(xiàn)場控制器具備存儲數(shù)據(jù)以及自動控制功能。

圖13示出了本實施例中的微型人工氣候箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控原理圖。通過上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)動態(tài)展現(xiàn)、環(huán)境數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等。

本發(fā)明提供的微型人工氣候箱，不僅能滿足中小學(xué)生的課外科技創(chuàng)新研究類活動需要，也可作為一種教學(xué)用具，方便在家中或?qū)W校等場所使用。特點體現(xiàn)在集成了微型化、輕量化和透明化設(shè)計。體積縮微至可以放置在桌面(書桌、茶幾、窗臺上等)；重量輕至小學(xué)生可以方便搬動；無死角全方位觀察箱內(nèi)植物生長全貌的透明箱體。

1、人工氣候箱采用微型化設(shè)計，實現(xiàn)不受場地空間限制的桌面式放置，且具備自動檢測和控制溫濕度、光強(qiáng)光照、二氧化碳等環(huán)境參數(shù)，模擬植物生長所需自然氣候條件，滿足中小學(xué)生開展長期植物生長習(xí)性研究等科技類創(chuàng)新型研究活動的要求?，F(xiàn)有的人工氣候箱一般體積大，重量重，落地式，大小與立式冰箱相當(dāng)，主要用于研究院所和大專院校等科研單位的科研工作。

2、人工氣候箱采用PTC加熱器、半導(dǎo)體制冷片及有機(jī)玻璃等輕量化、便攜化設(shè)計，重量輕至小學(xué)生可以方便搬動，可以滿足學(xué)校開展植物生長研究所必需的氣候條件，實現(xiàn)全生命周期觀察箱體內(nèi)植物生長情況的試驗需求。

3、人工氣候箱箱體結(jié)構(gòu)全部采用PMMA等有機(jī)透明玻璃制造，在不需開箱門或減少開門次數(shù)情況下，滿足了中小學(xué)生全方位、多角度、無死角地觀察箱體內(nèi)植物生長情況，盡可能減少因觀察植物生長全貌而需要頻繁打開箱門，導(dǎo)致干擾箱體內(nèi)氣候條件的變化。傳統(tǒng)氣候箱一般是金屬外殼，或箱門采用玻璃材質(zhì)。當(dāng)需要觀察植物生長狀態(tài)時往往需要打開箱門，取出植物，觀察后再放回箱內(nèi)，這個開關(guān)箱門過程就改變了箱內(nèi)溫濕度等參數(shù)條件。因為，植物培養(yǎng)過程中觀察需要很頻繁，也就導(dǎo)致箱內(nèi)氣候條件頻繁受到干擾。

4、可擴(kuò)展成多室分隔氣候箱，采用同一上位機(jī)控制，既節(jié)省空間，又便于開展不同氣候條件的對比性研究。通過箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，允許兩個以上箱體呈緊密配合狀疊放，形成一個多室分隔的擴(kuò)展型氣候箱。既解決疊放后上層培養(yǎng)箱前后左右滑動跌落的危險，也進(jìn)一步解決同時使用多個氣候箱時所占用的空間，更重要的是能夠在同一時間內(nèi)實現(xiàn)不同參數(shù)條件對植物生長影響的對比研究。

5、可遠(yuǎn)程監(jiān)控微型氣候箱的運行情況，必要時可以控制其執(zhí)行操作，不用擔(dān)心因為較長時間外出遠(yuǎn)行而導(dǎo)致植物生長受到影響。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。