植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控系统技术研究进展.pdf

农业与技术 农业工程 植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控系统技术研究进展 李佳王梦瑶刘良好袁方高青陈金星 中国科学院分子植物科学卓越创新中心 上海 摘 要 建立植物工厂育苗微气候环境及可编程水肥混合一体化精灌智能控制系统 实现 互联网 人工气候模 拟 环境下设施育苗等所需的温度 相对湿度 人工光源模组 精量灌溉 精准施肥等要素在设施系统中的智能 控制 结合自然光照大型连栋设施系统装备 实现植物工厂育苗环境下的真实模拟 从而满足植物正常生长所需 的各项环境因子可控且不受自然气候条件制约 实现设施育苗周年不间断连续生产 以期达到系统精准可控智能 化 设施生产规模化 系统技术集成产业化等多功能化融为一体的植物工厂技术创新平台 关键词 植物工厂 育苗微环境 水肥精灌系统 规模与产业化 中图分类号 文献标识码 收稿日期 基金项目 年度科技创新行动计划农业领域项目 植物工厂设施蔬菜 花卉种苗立体栽培微气候环境及可编程水肥混合一体化智能控 制系统关键技术研究 项目编号 作者简介 李佳 女 硕士 中级工程师 研究方向 植物工厂微环境育苗生长调控 通讯作者陈金星 男 正高级工程师 硕 士研究生导师 研究方向 设施农业 植物工厂 人工气候室 概述 植物工厂育苗微气候环境及可编程水肥混合一体 化精灌智能控制系统集成了大型连栋设施 人工气候 环境系统 自然光照加人工补充光照 节能光模 组 无土育苗立体多层苗床组 精量灌溉加精准施肥 可编程一体化自动灌溉系统及装备 在完成智能化植 物工厂高效节能运行的同时还可为设施育苗逆境胁 迫 品种选育等领域的科学实验和研究提供重要的技 术支撑平台 植物工厂设施育苗微气候环境及可编程 水肥混合一体化精灌智能控制系统真正解决了育苗过 程中的环境控制与能耗等关键问题 即实现了光 温 水 肥 气多参数集成智能调控 其中的作物苗 期特征吸收光谱专用 模组 采用高光效蓝光芯 片加纳米荧光粉的技术路线 大幅提高 的光质 及辅助光效 设施微气候环境采用新风比例调节系统 过滤低电压微电场耐沾污除尘除菌技术 结合水质净 化光催化循环水处理加消毒杀菌灭藻 阻垢除垢技术 的应用 最大限度地为发挥作物育苗周期的特性及生 长潜能提供技术支持 为产业化可持续奠定技术基 础 在植物工厂组网覆盖形成的设施育苗立体精准作 业区域 系统不仅提供了无线传感局域网 移动 互联网 通讯互备 还实现了手机 等移 动终端现场操作和远程监控计算机专家系统后台服 务 在实现植物工厂育苗决策管理的基础平台上 提 高了设施育苗周年生产运行效率 高效科学的量化管 理与优质产品及种植技术的提升 实现了设施育苗在 植物工厂受控环境下获得的最佳的生长效果 也为形 成育苗规模化生产能力提供技术支撑及为适宜的种植 模式提供科学依据 植物工厂育苗微环境及水肥一体精准灌溉系统的 发展必定走向智能化 由于设施育苗区域气候生态环 境条件不同 相对的控制环境策略和精准控制也应各 有特点 在基于互联网计算机远程监控植物工厂育 苗微环境及水肥混合系统的同时 建立灌溉预测分析 有效应用方案 量化数据确定控制策略尤为重要 通 过设施育苗特性与环境 营养吸收定量规律的互作研 究 建立设施育苗特性与环境变化规律数字模型 实 现了设施育苗区域规模化 无线传感通讯驱动精准 化 微气候设施育苗环境精准可控化等多功能为一 体 集成创新了现代农业植物工厂育苗环境形式高密 度立体化 资源高效利用等系统管理智能化的崭新模 式 人们只需要进入到智能控制系统 就可以通过物 联网技术远程监控观察和控制育苗过程 使之生产过 程智能化 农业工程 农业与技术 植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控系 统构建 植物工厂育苗微气候环境及可编程水肥混合一体 化精灌智能控制系统根据区域气象参数 设施育苗环 境参数 育苗过程状态变化等 通过无线传感通讯及 后台监控装备 确定对植物工厂育苗区域种苗类别 环境温度 相对湿度 气流组织比例循环 新风交 换 光模组补充光照 种苗光谱吸收 需水量 营养液池中的 值和 值 等及施肥信息进行实 时监测和相应预测 建立相应的植物工厂微气候环境 下育苗过程动态管理决策数据模型 完成对植物工厂 规模化育苗水肥一体化精准灌溉 实现其生产过程数 字精准作业进一步量化和提升运作效率 同时提高品 质和劳动生产率 有效保护生态环境 随着植物工厂育苗规模的扩大 业内迫切需要对 支撑植物工厂育苗微环境的系统软硬件 作物品种最 适育苗环境需求进行优化 在植物工厂的实际运作 中 将直接体现在种苗品质的提升 目前 设施育苗 高效率工厂化运作 能耗和水肥一体化精准灌溉 人 工成本仍然是制约植物工厂性价比的主要因素 目前 植物工厂育苗环境热负荷 植物蒸腾与光合作用的整 合计算模型 微环境智控技术的发展及应用 特别是 高效 人工光源性价比的大幅提升 为发展植物 工厂规模化可持续育苗提供了可行性 然而 要系统解决这些问题 实现植物工厂育苗 最适微环境及水肥精灌智控系统技术数字化平台构建 是一种必然选择 其中植物工厂育苗微环境实时数据 作为系统控制的主要依据 结合气象参数资料 育苗 状况等完成其对现场控制器智控工作程序 及时反馈 系统控制信息 通过服务器上数字模型及算法的处 理 将结果发至执行机构或用户端 并在此基础上利 用机器学习产生新的归纳推理和决策能力 最终将函 数的预测分析能力推向更高的层次 从而使植物工厂 育苗 管理更加科学 精确 对具有区域代表性且规 模化植物工厂而言 其育苗增产 优质效果极其明 显 并可实现减少无效环境功能损失 为实现植物工 厂育苗的科学量化管理 打造高效种植技术与产品 形成规模化生产能力提供技术支撑 应用前景广阔 植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控系统模块 结构 构建植物工厂育苗微环境及水肥智控系统 其功 能模块包括育苗特性与环境变化规律数字模型智能调 控 传感器无线传感信息采集及物联网信息技术应 用 实现对植物工厂育苗微环境温度 相对湿度 气 流组织比例循环 光模组补充光照 种苗光谱吸 收 需水量 营养液 值和 值 精量灌溉加精 准施肥等及施肥信息作出相应预测和精确模拟 最大 限度地发挥植物生长潜能 针对植物工厂育苗数字模型 研究作物生长过程 及环境因子对生长的影响规律 形成系统数字建模基 本理论 方法 实现植物工厂微环境调控智能控制系 统 其中微环境气流组织比例循环及育苗微环境水肥 精灌智控系统动态数据实时采集 苗床水培根系精准 控温 植物红光受体与远红光受体的生理调节功能的 机制及诱导 复合营养液水肥一体化灌溉等系统集成 关键技术应用增效显著 模块结构图见图 图 植物工厂育苗微环境及水肥智控系统模块结构 植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控系统的关 键技术 在植物工厂微环境下完成育苗的可编程水肥混合 一体精灌智控系统 其关键技术包含了植物工厂育苗 受控环境及可编程水肥混合一体化智能控制 研究对 具有规模化的植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控系 统有着至关重要的作用 基于物联网技术应用的植物 工厂育苗环境智能控制技术 不仅满足种苗周年生产 需求而且节能增效极其明显 在监测育苗环境 生长 状况的同时结合区域气象参数 以单元育苗环境对其 各阶段所需环境参数 水分 养分及生理特性数据为 依据 计算确定环境参数 水肥一体程序灌溉计划 也为系统精准控制提供主要量化依据 通过 互联网 设施物联网技术 应用 采集育 苗微环境及水肥精灌系统实时参数 完成监控设施生 产要素 以稳定的数据无线传感网络传输加现场驱动 控制 结合 技术应用 确保系统长时间低功 耗稳定运行 通过云数据分析 实现设施育苗整体环 境状况的远程监控 并提供异常信息及时越限预警及 专家系统后台服务 结合机器深度学习 为人 机界面 形成一个植物工厂育苗微环境及水肥精灌智 控系统操作标准体系的智慧种植服务平台 植物工厂育苗微环境核心参数研究 内容包括针对植物工厂育苗空气环境参数梯度变 化特征 建立一种植物工厂育苗环境可编程水肥混合 农业与技术 农业工程 一体精灌智控系统核心参数方案 模拟人工预判断经 验 形成一个适合植物工厂育苗环境控制的数据支持 系统 其中的植物工厂育苗微环境及精量灌溉加精准 施肥系统控制因子包括环境温度 相对湿度 气流组 织模式 人工光照 光谱适配方 新风量比例交 换 水肥混合一体精准灌溉等多种育苗微环境要素 最终实现植物工厂育苗微环境的真实模拟 研究营养液适配比及土壤 基质物理参数对设施 育苗及营养物质含量的影响 掌握设施育苗的营养物 质调控关键因素 系统研究人工光源关键光质参数 尤其是光谱 对育苗过程的影响 获取环境因子与 种苗互作核心动态参数 为构建育苗相关数字模型奠 定基础 植物工厂育苗数字化平台构建 内容包括基于物联网技术应用平台构建植物工厂 育苗微环境的数字模型 其中设施育苗微环境空气调 节系统 比例调控技术 高光效配方模组 气流 组织微控技术 营养液适配方技术加水肥一体精准灌 溉等通过大数据获取积累 利用 过程比对与智能 调控方法 获取传感器数据信息 将育苗环境各因素 的函数持续优化 用算法逐步替代经验 并通过迭代 超越经验 确认最佳组合 结合 互联网 物联网技 术 应用平台的植物工厂育苗区域无线网络系统视频 加 同步监控 构建育苗微环境及水肥精灌数字 模型将凸显其至关重要的作用 人工智能将设施育苗 数字化 算法化 数据化 数字模型将重新定义生产 与管理 生产就是模型 通过大数据和算法实现对特 定设施育苗微环境的有效利用 创建数字化智慧管理 平台 植物工厂数字化相关技术在农业生产上 的应用 基于植物工厂育苗周期的形态特征数据 实现最 优设施育苗环境及营养液最适配方积累 其关键技术 对营养吸收状态调控和促进种苗生长有明显的促进作 用 达到生产上设施育苗过程高效与品质的提升 为 植物工厂育苗规模化生产和提升运作效率奠定技术基 础 在现有植物工厂育苗产业系统技术实践基础上 开展在农业生产上现代植物工厂育苗微环境及水肥一 体精准灌溉智控系统核心技术数字模型的应用 形成 植物工厂育苗过程的逐步完善 直至形成产品相应标 准 设施微环境育苗及营养液适配方的积累 对植物 工厂育苗微环境及水肥精灌智控大规模应用和建立数 字化智能调控系统平台形成有力技术支撑 开展植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控数字化 关键技术应用研究 提高产品产量及品质 降低农业 生产的劳动强度 是目前植物工厂育苗数字精准作业 降低运作能耗的直接手段 也是技术领域得以可持 续发展的重要手段和措施 结合育苗过程数据积累及 微环境因子与育苗互作 在现有植物工厂示范基础 上 逐步完善数据库形成数字建模及相应设计标准 最大限度地优化使用各项农业资源和投入 也将成为 设施农业资源高效利用和数字精准作业技术领域的一 个重要组成部分 促成植物工厂育苗优质高产 以期 获得最大经济效益 推动行业成熟 植物工厂育苗发展亟需解决的问题 植物工厂育苗规模的扩大 能耗和人工成本必然 是制约植物工厂育苗及水肥一体精灌系统运作性价比 的主要因素 设施育苗微环境调控原型 育苗微环境 气流组织比例循环 负荷耗能计算 二氧化碳调控及 植物蒸腾与光合作用的数据模型计算 水肥一体精灌 智控 营养液加光催化循环消毒适配方数据计算 特 别是小分子复合水溶性营养液与高效 人工光模 组性价比的大幅提升与应用 对发展新一代植物工厂 育苗系统关键技术研发提出了更高的要求 然而面对 这些问题 植物工厂育苗微环境的数字模型与智能调 控系统将直接提升其生产效率和种苗品质 也是解决 关键技术问题的重要手段之一 亟需解决的植物工厂育苗问题 就是如何让育苗 微环境在环境精准控制 二氧化碳新风混合比例调 控 系统环境营养液洁净度及水肥一体精灌的系统之 间平衡 为此 研发育苗抗菌基质载体 可有效降低 因有机物及激素在水肥系统营养液中的导入而产生的 环境控制成本 且提高设施育苗微环境控制技术对气 流组织净化的依赖 从而大幅减低成本 随着植物工 厂设施环境 微环境育苗 高光效 光模组 水肥 一体灌溉 物联网及 技术应用 系统智能控 制 数字模型及信息处理等规模化应用 充分利用多 学科资源交叉 为植物工厂育苗微环境及水肥精灌智 控系统技术研究进展提供核心系统技术支持 植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控系统发展 相关技术标准问题 在植物工厂育苗数字化智慧管理过程中 实现设 施微环境育苗阶段优化大数据获取 其中的关键技术 是微环境环境因子调控 水溶性复合营养液对育苗营 养调控关键技术研究 目前育苗微环境调控技术的逐 步完善 相应技术正在被更新与升级 实现了设施微 环境育苗高效与品质提升 其中涉及研究的关键技术 还包括微环境的在线空气净化技术 育苗基质抗菌隔 农业工程 农业与技术 离材料技术及有机营养物的缓释技术 为此 植物工 厂育苗不仅实现了多种技术集成 实时精准调控育苗 生产环境参数 而且基于数字模型 将多功能模块融 为一体 通过微环境 育苗状态监控以及环境因子干 预 实现了植物工厂育苗标准化生产 因此 传感器 无线传感信息采集及物联网信息总线接口 通讯协议 都应具有相应国家标准 由于应用系统相关软硬件产 品都拥有各自不同技术及工艺标准 对植物工厂育苗 微环境系统技术集成 至今尚未真正形成统一的技术 标准 目前在设施育苗方面相关技术标准问题已被充 分重视 对今后的可持续发展日显重要 核心技术问题 植物工厂育苗微气候环境调节系统与育苗能耗核 心技术研究 育苗微环境调节根部及叶面的二氧化碳 浓度调控核心技术研究 育苗微环境及水肥灌溉精准 调控模式核心技术研究 复合水溶性营养液对育苗组 培营养调控核心技术研究 人工光模组微环境育苗光 受体诱导的机理调节核心技术研究等是构建植物工厂 育苗数字模型的重要核心内容 数字模型根据环境因子以及营养成分与植物工厂 育苗互作机理需求 建立适应性有机联系的信息技 术 包括传感器实时信息获取 通讯模块和执行驱 动 实现对植物工厂育苗微环境及水肥精准灌溉过程 各类环境参数的优化 实时监测育苗过程偏差及越限 预警 依据植物工厂育苗微环境优化控制调控策略 研究设施育苗微环境气流组织比例精准调控与节能指 标的影响 研究复合营养液适应配比对育苗过程营养 物质含量的影响 研究育苗基质成分对育苗过程营养 物质含量的影响 研究高效光模组配方关键参数 尤 其是光谱吸收 对育苗过程的影响 综合植物工厂育 苗微环境关键因子核心参数而确定的技术数据 提出 植物工厂育苗微环境及水肥精灌智控数字模型构建 总结与展望 构建基于物联网技术应用的植物工厂育苗微环 境 实现对具有特定品系育苗微环境及水肥精灌系统 的智能控制 以及采用低能耗运作将大大提高其工厂 化效率 通过设施育苗过程数字建模 精准无误地调 控育苗适宜的环境因子 筛选出适宜种苗健壮生长且 缩短生长周期的参数 最终实现植物工厂育苗微环境 数字模型智能调控下的优良品种培育 提高种苗品 质 在提升育苗劳动生产率前提下 节约生产成本 达到设施育苗周年连续规模化生产 利用当今各类型大型植物工厂育苗环境 开展植 物工厂的育苗 环境互作研究 有效利用微环境育苗 数字模型实时调控环境因子 为实现育苗最佳生长提 供坚实的基础应用理论平台 植物工厂的发展提供了 具有自主知识产权的硬件 软件系统 是核心技术 芯片 同时 创新设施育苗是一种崭新模式 在取 得经济效益的前提下 对其质量安全控制领域起到相 当大的作用 设施育苗微环境因子调控关键技术的创 新 明确设施育苗复合营养液适配方及营养物质含量 在水肥精准灌溉系统的技术定位 确定核心技术必须 建立在以产学研结合的科技创新体系中 实现植物工 厂育苗高效种植与产品技术价值 形成可持续规模化 生产能力 产业化前景十分广阔 并在未来的植物工 厂育苗产业中具有市场竞争力 参考文献 袁方 高青 刘良好 李佳 陈金星 植物工厂作物栽培微环 境及数字化平台技术构建 农业与技术 周增产 董微 李秀刚 兰立波 姚涛 胡福生 植物工厂产 业发展现状与展望 农业工程技术 刘文科 提升人工光植物工厂生产力的 照明策略 照 明工程学报 张宇 肖玉兰 人工光植物工厂生产成本构成和经济效益分析 长江蔬菜 责任编辑 常佳琪