微型植物工厂的技术现况与发展趋势.pdf

第 5 期 中 国 照 明 电 器 No 5 2021 年 5 月 CHINA LIGHT LIGHTING May 2021 櫔櫔櫔櫔 櫔 櫔櫔櫔櫔 櫔 毆 毆 毆 毆 专题研究 文章编号 1002 6150 2021 05 036 05 微型植物工厂的技术现况与发展趋势 梁晓东 1 陈 仁 1 陈斯盼 1 刘思卉 1 莫维聪 1 吴永辉 1 王宪龙 2 1 佛山科学技术学院 广东 佛山 528000 2 中农智慧装置 深圳 有限公司 广东 深圳 518110 摘要 随着后疫情时代的到来 大健康的理念持续深入 微型植物工厂产品因具有使用场所灵活 栽培周期短 品质 高 无污染 操作简便等优点而备受市场关注 但当前受制于低投入产出和供应链不完善等问题 微型植物工厂在 我国尚未得到广泛推广 本文介绍了微型植物工厂的技术优势 发展现况和有待解决的问题 调研了市面上主要 产品形态规格 并展望未来发展趋势 关键词 微型 植物工厂 产品形态 趋势 中图分类号 S62 文献标识码 A DOI 10 3969 j issn 1002 6150 2021 05 005 基金项目 粤港澳智能微纳光电技术联合实验室 2020B1212030010 十三五重点研发计划 露地蔬菜化肥农药减施技术集成研究与示范 子 课题 2018YFD0201203 佛山市科学技术局项目 FS0AA KJ819 4901 004 大学生创新创业训练国家级项目 202011847018 作者简介 梁晓东 本科生 主要研究方向 植物光配方 智能微型植物工厂 通信作者 陈 仁 博士 研究生导师 主要从事设施农业 植物光照理论和关键技术研究 Technology Status and Development Trend of Miniaturized Plant Factories LIANG Xiaodong 1 CHEN en 1 CHEN Sipan 1 LIU Sihui 1 MO Weicong 1 WU Yonghui 1 WANG Xianlong 2 Foshan University Foshan 528000 China China Agri Shen Zhen Tech Equipment Co Ltd Shenzhen 518110 China Abstract With the arrival of the post pandemic era the concept of big health has been attached great importance and continued to deepen and the mini plant factory products have attracted market attention because of their flexible use place short cultivation cycle high quality no pollution and simple operation At present the domestic miniaturized plant factory market is limited by its low output to input ratio imperfect supply chain and other problems and has not been widely promoted This paper analyzes the technical advantages development status and technical problems to be solved of the miniaturized plant factory and investigates the Categories and technical specifications of the main products on the market and looks forward to the future development trend Key words miniaturization plant factory product categories trend 引 言 传统农业受制于自然环境 近年来由于空气土地 污染加剧 过度的农药使用 并且蔬菜从采摘到运输 再到流入城市家庭餐桌经历较长时间 使蔬菜的品质 和营养成分大大降低 导致一些有害物质增加 危害 人们的身体健康 农产品的品质安全问题已经成为 当今社会迫切需要解决的问题 基于互联网技术的 微型植物工厂可以实现原料供应链的高效运作 让用 户能够在家种植基本的果蔬 并且智能化 自动化技 术能够保证种植产品的高品质与无污染 本文主要 对微型植物工厂的特点 发展现况及趋势进行介绍 第 5 期 梁晓东等 微型植物工厂的技术现况与发展趋势 37 1 微型植物工厂的技术优势 1 1 系统组成 微型植物工厂具有植物生产自动化 环境因子自 动调控 营养液自动循环 远程监控等功能 基于物 联网技术 通过信息传感 视频监控装置以及网络传 输系统实时进行智能化管控 如分析植物的生长状 况 是否存在病变 对病征给出相应处理方案及时自 动调整环境参数 保证食物的质量 产品配套服务平 台则致力于成为给用户提供硬件维护服务 原料及时 配送以及社交情感表达的一站式服务平台 微型植物工厂的组成主要有动力系统 供液系 统 补光系统 传感调控系统以及互联网服务平台 如 图 1 所示 1 动力系统 微型植物工厂内部智能控制 营 养液传输 光配方调控 温湿度调控等都需要网关控 制完成 2 供液系统 包括母液的储液罐 母液配比的 供液泵和计量泵 液供给循环等配套 3 补光系统 主要是 LED 补光灯板和光配方数 据模型等 4 传感调控系统 根据不同品种 不同生长期 对温湿度 光照强度 二氧化碳浓度等参数测定以及 对植物环境进行智能调控 5 互联网服务平台 通过服务平台实现产品的 种植原料订购配送 提供产品的售后服务 实现用户 之间的交流分享 图 1 微型植物工厂各组成部分 Fig 1 Components of miniaturized plant factory 1 2 栽培模式及产品形态 经调查 市面上的微型植物工厂产品形态可以大 致分为 3 种基本形态 如图 2 所示 体积较小 结 构简单 适合于生命科学教学 装饰用的台灯状 盆栽 状的产品 形状为冰箱状 圆柱状 塔状 书架式 配 备完善的控制系统 适用于家庭生产果蔬 但未能够 满足基本的需求 根据用户提供环境参数与实际需 求进行产品的完全定制化 形状上有墙壁式 衣柜式 一体两面式等 能够解决一个家庭日常蔬菜的需求 实现自给自足 1 图 2 微型植物工厂的产品形态 Fig 2 Micro plant growth box products in various forms 1 3 应用特点及优势 1 3 1 种植品质优势 近年来环境污染严重 食品安全问题成为了大家 关注的焦点 微型植物工厂培育不会受到自然灾害 的影响 所种植出来的蔬菜是无重金属 无农药残留 的有机蔬菜 通过优化植物各生长阶段的光和其他环 境因素 保证蔬菜的高品质 并且能够实现现摘先 吃 最大程度地保证了蔬菜的新鲜度 在疫情流行的 情况下能够自给自足 减少不必要的接触 1 3 2 占地环境优势 在城镇化严重的今天 人们对接触自然 回归自 然充满了期待 植物工厂也被称为垂直农业 微型植 物工厂因为利用 LED 进行补光 可以设置多层 充分 利用垂直空间 因为没有对充足阳光的需求以及使 用场地的限制 可以应用于阳台 客厅 走廊 厨房等 38 中 国 照 明 电 器 2021 年 多个地方或是紧贴合墙壁 1 3 3 操作简单 容易管理 微型植物工厂在功能上可以实现智能化 自动 化 确保用户无需掌握复杂的农业知识就可以栽培出 高品质的有机蔬菜 并且实时监控识别植株及系统的 异常状况 采取相应的应对措施 用户只需放入幼苗 添加营养液 并按照服务平台给出的提示采收即可 1 3 4 经济效益较高 随着人们生活水平的提高 人们对有机蔬菜的需 求量逐渐增大 有机食品在未来发展空间广阔 有机 蔬菜无化学残留 口感佳 相比普通蔬菜营养成分更 为丰富 相关研究表明 单位面积的微型植物工厂能 够创造的经济效益是传统农业的百倍以上 2 微型植物工厂的发展现况 2 1 产业现状 随着 LED 植物照明技术的发展 微型植物工厂迎 来了快速发展期 微型植物工厂将大型植物工厂的各 项技术集成在一个体积较小的栽培空间中 通过互联网 精准的调控能够让用户轻松种植出高品质作物 一些 企业致力于打造完善的原料配送的物流链 推出配套服 务 app 包括技术支持 购物以及社交等多方面功能 让 微型植物工厂在使用上更加方便 更加富有趣味性 21 世纪初 微型植物工厂首先在美国和日本等 发达国家得到重视和推广 生菜等叶菜以及一些对 外界环境要求较高的药材较为适合在环境参数控制 严格的微型植物工厂内种植 在一些发达国家 微型 植物工厂已进入产业化阶段 相关市场形成了制造和 供应的产业链 在我国 一些企业和高校针对微型植 物工厂已经有较为成熟的产品和服务链设计 部分已 经进入了产品中试阶段 目前国内已经有一批企业设计生产出了微型植 物工厂 部分品牌产品的参数 性能及配套服务见表 1 而微型植物工厂产业未来发展的方向将是与城市 家庭 学校 办公室 医院 宾馆 餐厅 购物中心等更 密切地结合 针对应用上的实际需求打造不同规格 不同形式的微型植物工厂产品 让微型植物工厂能够 在城市中得到更为广泛的应用 形成现代化 网络化 的都市智慧农业应用体系 为城市居民就近提供新鲜 蔬菜的同时 营造舒缓心情的绿色生态空间 2 表 1 部分微型植物工厂产品参数调研 Table 1 Some micro plant factory product parameters 品牌 外形 尺寸 功能 年产量 配套服务 赐寿 一体两面式 长 70 cm 宽 10 cm 高 180 200 cm 实现环境调控 基本智能化管理 约 200 kg 上门安装 提供技术咨询和培训 创康活菜 冰箱式 长 58 cm 宽 38 5 cm 高 156 cm 实现基本灯光 环境手动调控 有相应的程序原料配送服务 氧莱源 书架式 长 77 cm 宽 40 cm 高 170 cm 实现灯光 营养液循环手动调控 约 259 kg 上门安装 提供售后指导 奥玛 书架式 长 85 cm 宽 36 cm 高 180 cm 实现灯光 营养液循环远程调控 鱼菜共生 约 288 kg 一站式智能化解决问题 2 2 技术发展 近年来 随着我国经济水平的发展 智慧农业相 关技术越来越受到重视 目前 智能化植物工厂生产 技术研究 项目已纳入国家 863 计划 包括 7 个课题 涉及植物工厂 LED 节能光源 立体无土栽培 光温耦 合节能环境控制 营养液调控 基于网络的智能管理 以及人工光植物工厂 自然光植物工厂集成示范等方 面 3 许多企业和高校都参与到微型植物工厂相关 技术的研究中 研究内容包括开发智能化监视处理系 统 自动化硬件设施 通过植物生长实验建立光配方 与环境配方的标准模型 以及应用互联网技术 打造 一体化的产品服务模式 促进了微型植物工厂相关 技术的不断发展 LED 光源因冷光源 寿命长 易调控等优点 已 成功应用于植物工厂领域 通过各光色的比例去设置 光配方 灯光补给系统 营养液循环调控系统 智能 控制系统 风速控制 温湿度调控系统和 CO 2 调控系 统等 以及物联网智能监控调整系统发展得较为成 熟 而目前相关的各种植物光照光配方的研究也在 不断进行 崔世钢等 4 采用光照梯度实验和均匀性 仿真的方法对 LED 光源水培生菜最佳光配方进行筛 选 欧树颖等 5 对远红光 蓝光分阶段补光对生菜生 长和品质的影响展开了研究 杨其长等人研发了人工 光型密闭式植物苗工厂及其环境控制系统试验装置 实现温度 湿度 二氧化碳浓度 光照和营养液等因子 综合调控 开发出国内首批用于育苗的红蓝 LED 光 环境调控装置 其发光强度 红蓝光配比和光周期可 按实验需求调整 为植物 LED 光配方模型的理论研 究提供了重要的实验基础 第 5 期 梁晓东等 微型植物工厂的技术现况与发展趋势 39 2 3 有待攻克的技术问题 2 3 1 植物光配方模型建立 植物的最佳光配方是微型植物工厂高产 高质 节能的关键因素 目前 许多专家都在开展植物照明 光配方的探究实验 但植物种类繁多 不同光配方对 不同植物生长的影响存在较大的差异性 并且植物生 长实验周期较长 现阶段仍只是进行了少数的植物生 长实验 尚缺少 LED 植物生长数据 无法建立准确完 整的植物光配方模型对生产进行指导 专用的光配方模型将广泛应用于科学研究 现代 农业和特殊领域的植物生产 高效 精准的光配方能 为植物带来更好的生长环境 从而提高植物的营养价 值 观赏价值以及实现某些附加价值 提高产生的经 济效益和社会效益 6 2 3 2 智能监控识别处理技术 智能化 自动化技术近年来发展迅速 这在微型 植物工厂中也有体现 智能环境管理技术是植物工厂 中的核心技术 目前已经能够实现温湿度调控自动化 和营养液配比循环自动化 如深圳琪树公司推出的产 品 KES1 0 可以基本实现环境的调控 基于物联网 的智能监控技术主要分为界面设计 数据库设计 通 信协议设计以及通信部署等 4 个方面 目前发展得已 经较为成熟 但控制系统的整体研发具有一定难度 不仅需要基于各个环境因子之间的耦合关系制定合 理的控制策略 也需要考虑不同栽培对象以及同种栽 培对象在不同培育阶段对各个因素的需求 7 环境 控制系统的研制是植物工厂技术今后深入研究的重 点 2 3 3 各方位环境参数差异 微型植物工厂的各参数传感器分布具有局限性 所测试的点位以及平均值不能代表植物工厂每个位 置的环境参数 在种植区域垂直分布的情况下 不同 层之间环境具有差异 各层补光灯作为热源使空气温 度升高 导致上层种植区域的温度要显著高于下层 需要精细化控制 目前大多数产品使用 LED 灯具作 为补光光源 自上而下地对种植板进行照射 这种补 光方式可能引起培育空间中不同方位的光照强度不 均匀以及光谱成分存在差异 针对这些问题 许多专家学者也展开了相关的研 究 左志宇等 8 提出了采用上层低循环风速 下层 高循环风速模式 通过调整风速结构 保证内部温度 的均匀性 减少各方位参数差异 贾鹤鸣等 9 10 借 助计算流体动力学 Computational Fluid Dynamics CFD 软件对温度环境进行模拟 定性考虑内部温度 场分布 并根据仿真模拟结果将传感器布置在生长区 温度场均匀性良好的居中位置 提高传感器的精确性 并减少使用数量 高菊玲等 11 研究提出在微型植物 工厂内部加入混风通道 利用 CFD 模拟仿真并通过 风扇差速的方法进行调节 实现了各层温度差异减 小 张博等 12 以空间照明理论为依据 通过倒置型 的 LED 模块设计及顶底两面同时设置光源 使空间 照度均匀度及混色均匀度得到了提高 2 3 4 能源损耗 微型植物工厂中 LED 补光 自动化运作 空调等 运维成本高昂 如何降低能源消耗成本 是微型植物 工厂需要解决的重要问题 也是制约行业发展的主要 因素 植物照明光源的光效与能效提升是大幅减少 运行费用的关键 智能调控光源根据植物从苗期到收 获期的光配方需求进行光环境的动态优化调节是一 个有效的方向 也可以通过设计出可调整出光角度 光斑大小 照度等适用于植物光照的透镜等 降低光 能损耗 3 总结与展望 微型植物工厂能够大幅缩短植物的培育周期 提 高生长效率 具有极大的发展潜力 当前 一大批小 型 LED 植物工厂正不断进入居民家庭 随着新能源 的发展 必将推进相关产业的进一步发展 微型植物 工厂既能作为都市粮食的供给 也可以作为城市居民 休闲体验的一种方式 可以为岛礁 高原等特殊地方 提供果蔬 也为太空之旅提供粮食保证 在市场上推 动工业 农业 服务业的融合 在后疫情时代 微型植 物照明行业备受重视 一些企业已经基本搭建出微型 植物工厂的完整产品服务链 我国在微型植物工厂技 术的发展和市场推广中已经进入了快速发展阶段 目前仍存在一些技术问题有待完善 相关行业的发展 需要经济的发展作为推动力 市场上的推广也需要人 们对传统农业模式观念上的改变 微型植物工厂产 业的发展需要技术集成 生产成本更低 供应链更为 完善的产品出现 离不开行业专家学者的共同努力 微型植物工厂作为都市农业的主体技术 相信在不久 的将来随着技术与经济的共同发展将走进千家万户 作为一种全新的农业模式造福人类 下转第 49 页 第 5 期 李志珂等 高光效 LED 路灯设计方法及实践应用 49 图 3 LED 路灯照片 图 4 LED 路灯测试详细数据 Fig 3 Photo of LED street lamp Fig 4 Detailed test data of LED street lamp 3 结束语 LED 灯珠工作电流 温升 LED 模块线路设计 LED 驱动电源转换效率 透镜出光率 灯具结构 散 热系统等多方面因素都会影响 LED 路灯的整灯光 效 提高 LED 路灯的光效 可以在保证道路照明效 果的前提下 降低 LED 路灯功率 减少能源损耗 LED 路灯节能技术的不断提高 是我们贯彻绿色节 能概念 科学合理节约能源的利器 参 考 文 献 1 郑炳松 高 飞 郭兴翠 我国照明用电量的调查分析 J 中 国照明电器 2016 10 18 22 2 全国照明电器标准化技术委员会 道路照明用 LED 灯 性能要 求 GB T 24907 2010 S 北京 中国标准出版社 2010 3 全国照明电器标准化技术委员会 普通照明用 LED 模块 性能 要求 GB T 24823 2017 S 北京 中国标准出版社 2017 4 全国照明电器标准化技术委员会 灯具性能 第 2 1 部分 LED 灯具特殊要求 GB T 31897 201 2016 S 北京 中国 标准出版社 2016 5 刘木清 照明用 LED 光效的热特性及其测试与评价方法的研 究 D 上海 复旦大学 2009 6 全国照明电器标准化技术委员会 普通照明用 LED 模块测试 方法 GB T 24824 2009 S 北京 中国标准出版社 2010 7 全国照明电器标准化技术委员会 LED 灯 LED 灯具和 LED 模 块的测试方法 GB T 39394 2020 S 北京 中国标准出版 社 2020 8 陈 颖 发光二极管光通量的测量研究 J 中国照明电器 2008 7 25 28 9 全国光电测量标准化技术委员会 光电测量 配光测试系统的 性能要求和检测方法 GB T 39585 2020 S 北京 中国标 准出版社 櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒 2020 上接第 39 页 参 考 文 献 1 余锡寿 刘跃萍 微型植物工厂发展分析与展望 J 农业展 望 2016 12 7 59 61 2 杨其长 植物工厂现状与发展战略 J 农业工程技术 2016 36 10 9 12 3 张 义 十二五 863 项目 智能化植物工厂生产技术研究 正式启动 J 农业工程技术 温室园艺 2013 4 90 4 崔世钢 陈 苗 张永立 等 基于 LED 光源水培生菜最佳光配 方的筛选 J 江苏农业科学 2020 48 16 152 155 5 欧树颖 刘厚诚 远红光 蓝光分阶段补光对生菜生长和品质 的影响 J 照明工程学报 2020 31 5 32 38 6 李 阳 林荣呈 光配方 植物的 芯光大道 J 生命世界 2019 10 16 19 7 卓敏敏 微型植物工厂智能控制系统研究 D 镇江 江苏大 学 2018 8 左志宇 徐 超 毛罕平 等 微型植物工厂环境控制参数优化 试验研究 J 农机化研究 2020 42 12 150 155 9 贾鹤鸣 张 森 朱柏卓 等 变风速条件下微型植物工厂传感 器优化布置 J 应用科技 2018 2 7 13 10 贾鹤鸣 张 森 朱传旭 等 微型植物工厂温度传感器优化布 置仿真研究 J 科技创新与生产力 2018 4 64 67 11 高菊玲 刘永华 基于风扇差速调节的微型植物工厂温度精准 控制 J 江苏农业学报 2020 36 6 1543 1550 12 张 博 文尚胜 马丙戌 等 双光源模块高空间照明均匀度植 物光源的设计 J 红外与激光工程 2020 49 S1 194 208