所謂的“植物工廠”,，就是在工廠化的環(huán)境下,，采用LED光譜技術(shù)以及自動(dòng)化設(shè)備，進(jìn)行植物生產(chǎn),。與傳統(tǒng)種植方式相比,，“植物工廠”種出來(lái)的菜，不僅采用過(guò)濾后的飲水水源,，還用紫外線空氣消殺系統(tǒng),，保障生產(chǎn)無(wú)菌環(huán)境，不使用任何農(nóng)藥,、激素,、抗生素等有害物質(zhì)，無(wú)病蟲害,，更安全更健康,，種植全程檢測(cè)，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管控,，具有更高的膳食營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,。

1、植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)與裝備

根據(jù)需求，確定新建植物工廠的面積和空間,，采用廢棄的廠房,、地下空間、人防設(shè)施或者廢棄集裝箱等改造成植物工廠,。

植物工廠配有環(huán)境控制系統(tǒng),、栽培系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)以及光源系統(tǒng),。其中環(huán)境控制系統(tǒng)以空調(diào)系統(tǒng)為主體,，并兼具調(diào)節(jié)新風(fēng)、二氧化碳,、溫濕度的功能,。栽培系統(tǒng)包括栽培架和栽培槽，栽培架可采用鋁型材,、不銹鋼等材料,，栽培槽可為塑料或PVC材料。

營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)包括營(yíng)養(yǎng)液配比和營(yíng)養(yǎng)液供給兩部分,，營(yíng)養(yǎng)液配比系統(tǒng)由微量進(jìn)樣蠕動(dòng)泵,、PLC控制器、水泵等組成,，實(shí)現(xiàn)精量控制植物工廠營(yíng)養(yǎng)液各元素組分的量及其比例,；營(yíng)養(yǎng)液供給系統(tǒng)即營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng),，由循環(huán)水泵,、電磁閥、管道等組成,，按要求實(shí)現(xiàn)植物工廠淺液流栽培的營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)設(shè)定,。光源系統(tǒng)分為兩種光源，一種為平板式光質(zhì),、光強(qiáng),、光周期不可調(diào)式LED燈，另一種為光質(zhì),、光強(qiáng),、交替周期可手動(dòng)/智能控制的LED燈板，可根據(jù)實(shí)際需求制定,。

圖1集裝箱植物工廠外觀照

圖2集裝箱植物工廠內(nèi)部照

2,、植物工廠營(yíng)養(yǎng)液/光照總控系統(tǒng)

植物工廠營(yíng)養(yǎng)液/光照總控系統(tǒng)是使用人機(jī)交互觸摸屏作為上位機(jī)，基于可編程控制器,，采用用戶自設(shè)定方式設(shè)計(jì)而成,。該系統(tǒng)能夠依據(jù)人工設(shè)定的參數(shù)，根據(jù)既定策略，達(dá)到營(yíng)養(yǎng)液的分層循環(huán),，定時(shí)更新,，以及自動(dòng)控制作物光照時(shí)長(zhǎng)的目的。具體地,，系統(tǒng)由營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)循環(huán)子系統(tǒng)和LED燈光控制子系統(tǒng)構(gòu)成,。各子系統(tǒng)之間彼此獨(dú)立，并共享同一上位機(jī),，相互協(xié)同,，通過(guò)畫面調(diào)用接口實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)子系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況。

上位機(jī)軟件根據(jù)既定策略,，發(fā)布控制命令并監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況,，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

①手動(dòng)自動(dòng)切換功能，不同模式下有不同控制方式,；

②實(shí)時(shí)顯示功能,，包括監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)時(shí)間和畫面調(diào)用接口,；③控制參數(shù)設(shè)置功能,，包括營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)參數(shù)和LED燈板控制參數(shù)。

在手動(dòng)模式下,，可以通過(guò)屏幕按鈕自由操作各個(gè)開關(guān),，包括電磁閥、水泵和LED燈,；在自動(dòng)模式下,，要求利用用戶自設(shè)定方式，將人工設(shè)定的一系列控制參數(shù),，嵌入到既定的控制決策中,，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出控制指令時(shí)，控制器開關(guān)量輸出端口閉合,，中間繼電器常開觸點(diǎn)得電吸合,，再驅(qū)動(dòng)電磁閥打開從而達(dá)到控制執(zhí)行器開關(guān)的目的。按需求完成集裝箱植物工廠內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)循環(huán)和作物光照時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)控制,。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS485的通信方式,。

圖3植物工廠營(yíng)養(yǎng)液/光照總控系統(tǒng)

3、升降式營(yíng)養(yǎng)液栽培槽

區(qū)別于植物工廠常規(guī)的固定式水培槽,，本水培槽采用活動(dòng)框式的栽培層升降設(shè)計(jì),，既保證了栽培介質(zhì)中均勻、充足的水分或營(yíng)養(yǎng)液,，也保證了根部對(duì)氧氣的需求及根伸長(zhǎng)所需的空間,。此裝置可應(yīng)用于育苗,，避免了育苗期頻繁的人工噴灑，提高了育苗效率及質(zhì)量,，也可應(yīng)用于成苗定植,，種植層高度可根據(jù)植株長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4升降式營(yíng)養(yǎng)液栽培槽

4,、基于PC控制的智能可變LED光源系統(tǒng)

該LED光源以DMX512協(xié)議為基礎(chǔ),應(yīng)用PLC控制系統(tǒng),，可根據(jù)不同植物各生育階段的需光特性,通過(guò)PC終端設(shè)定LED燈板?？蓪?shí)現(xiàn)光源光質(zhì)在可見(jiàn)光,、紅外光、紫外光的變換以及光強(qiáng)度在0-300μmol·m-2·s-1（由燈板電功率決定）范圍的自動(dòng)調(diào)節(jié),。該LED燈可運(yùn)用于研究型植物工廠中,，探求光質(zhì)、光強(qiáng),、光周期等光要素對(duì)植物生理發(fā)育的影響機(jī)理,，也可運(yùn)用于規(guī)模化的生產(chǎn)型植物工廠中,，充分發(fā)揮各種光質(zhì)在植物不同生育階段的作用,。

圖5智能可變LED光源系統(tǒng)

圖6系統(tǒng)控制界面

5、智能LED燈板

新型智能LED燈板,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，操作方便。運(yùn)用單色光調(diào)光器和微電腦時(shí)控開關(guān)結(jié)合進(jìn)行光配方設(shè)置,，可以設(shè)定單色光質(zhì)在一個(gè)光配方中的光強(qiáng)度以及開閉頻率,，實(shí)現(xiàn)單色光質(zhì)PPF值（光合有效輻射單位）的連續(xù)變化及最大頻率為0.5次/分鐘的混合光質(zhì)交替設(shè)置，同時(shí)內(nèi)置電力監(jiān)測(cè)儀為電能利用率的核算提供了更好的便捷性和準(zhǔn)確度,。

圖7智能LED燈板

6,、營(yíng)養(yǎng)液精量配比系統(tǒng)

針對(duì)光配方影響植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)液元素選擇性吸收的研究結(jié)果,，提出一套營(yíng)養(yǎng)液精良自動(dòng)配比策略,，并開發(fā)了可以對(duì)營(yíng)養(yǎng)液元素如氮、磷,、鉀,、鎂、鈣,、鐵,、硼、錳,、鋅,、銅,、鉬、硒等實(shí)現(xiàn)精量控制的營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng),。該系統(tǒng)可運(yùn)用于控制無(wú)土栽培作物品質(zhì),，為功能性作物的生產(chǎn)提供可能。

圖8營(yíng)養(yǎng)液精量配比系統(tǒng)

7,、光伏植物工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)

電能是常見(jiàn)植物工廠系統(tǒng)中唯一的動(dòng)力能源,，耗電量大是限制植物工廠發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一。研究表明,，光源是人工光型植物工廠的主要耗能設(shè)備,占整個(gè)植物工廠耗能的60%以上,。因此，從降低植物工廠運(yùn)行成本的角度出發(fā),將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)與植物工廠相結(jié)合,可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能后為植物工廠的運(yùn)行提供能源,。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理是利用太陽(yáng)能電池將輻射在其表面的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能,通過(guò)控制器儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi),。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器,、蓄電池組等組成,。將新能源利用技術(shù)引入到植物工廠中，用新能源代替常規(guī)電能供能將有望降低植物工廠的運(yùn)行能耗,減少植物生產(chǎn)對(duì)常規(guī)能源的依附,。

圖9光伏植物工廠效果圖

圖10城市光伏植物工廠效果圖

成果所屬單位： 國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心

在國(guó)家863計(jì)劃,、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持下,，圍繞農(nóng)業(yè)智能裝備通訊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,、關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品、系統(tǒng)集成三個(gè)環(huán)節(jié),，進(jìn)行學(xué)科交叉研究和技術(shù)創(chuàng)新,，在農(nóng)業(yè)智能裝備理論方法研究、重要產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)平臺(tái)構(gòu)建上實(shí)現(xiàn)了重要突破,，形成了農(nóng)田信息采集,、農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制,、智能農(nóng)機(jī)具,、田間作業(yè)導(dǎo)航五大類、50多個(gè)產(chǎn)品,，填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的多項(xiàng)空白,，縮短了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。打造了面向大田作物,、設(shè)施農(nóng)業(yè),、節(jié)水灌溉的綠水技術(shù)產(chǎn)品品牌。針對(duì)我國(guó)各地不同生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)模條件,，進(jìn)行配套組合應(yīng)用,，形成了“套餐”式技術(shù)應(yīng)用模式,，使中心的技術(shù)成果在全國(guó)20多個(gè)省市得到應(yīng)用，研發(fā)的設(shè)施環(huán)境控制器,、灌溉控制器產(chǎn)品還出口到俄羅斯,、以色列等國(guó)，為我國(guó)同行提供了一個(gè)穩(wěn)定開放的研究試驗(yàn)平臺(tái),，成為國(guó)際合作和學(xué)術(shù)交流的重要窗口,。