集裝箱植物工廠技術(shù)的應(yīng)用
集裝箱植物工廠是一種自動化程度高、不受外界環(huán)境限制的微型植物工廠。本文介紹了集裝箱植物工廠的外部結(jié)構(gòu)、栽培系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，并通過2茬的生產(chǎn)測試，2種葉菜品種生長周期均比日光溫室作業(yè)短，單株產(chǎn)量比日光溫室作業(yè)高、生長速度快，生長性能更加穩(wěn)定。
前言
植物工廠可以大幅提高單位土地利用率、產(chǎn)出率和經(jīng)濟(jì)效益，自動化程度高，具有生產(chǎn)計劃性，使農(nóng)產(chǎn)品安全無污染，生產(chǎn)操作省力等特點。在極端惡劣的環(huán)境條件進(jìn)行生產(chǎn)，有利于擺脫資源與環(huán)境的限制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，植物工廠被認(rèn)為是21世紀(jì)解決世界資源、人口和環(huán)境問題的重要途徑，也是未來高科技工程（如航天工程、海洋探索過程）中實現(xiàn)食物自給的重要途徑。目前，僅有日本、美國和荷蘭等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握這項技術(shù)，中國的發(fā)展還在起步階段。
微型植物工廠是將植物工廠的技術(shù)進(jìn)一步濃縮，集成在一個很小密閉的空間里，通過智能自動控制系統(tǒng)調(diào)控植物生長的環(huán)境，為作物提供適宜的光照、溫度、濕度環(huán)境，以及營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)等組成，實物如圖1所示。常用的規(guī)格為40尺集裝箱植物工廠，內(nèi)徑：12024mm×2352mm×2390mm（圖1a）；20尺集裝箱植物工廠的內(nèi)徑：5898mm×2352mm×2390mm（圖1b），或者依使用者需求定做尺寸。
殼體為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的集裝箱，集裝箱內(nèi)壁先貼一層石棉隔熱層，外面再貼一層彩鋼板，使墻體更加美觀，同時有助于箱體的保溫和生產(chǎn)中墻體的清潔。升、降溫系統(tǒng)主要采用空調(diào)來調(diào)控，搭配新風(fēng)系統(tǒng)，保障內(nèi)部空氣的流通性。合理比例的營養(yǎng)液。集裝箱型植物工廠是微型植物工廠的一種代表形式。箱體全部由鐵皮包裹，便于運輸，密閉的環(huán)境可以使內(nèi)部種植環(huán)境與外界環(huán)境隔離。本文針對北京京東方能源科技有限公司研發(fā)的集裝箱植物工廠做了相關(guān)介紹，分析探討該集裝箱植物工廠的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)特點和物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)。
集裝箱植物工廠結(jié)構(gòu)
集裝箱箱體結(jié)構(gòu)
集裝箱植物工廠由集裝箱外殼、栽培系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)、栽培種植結(jié)構(gòu)栽培系統(tǒng)采用方便拆卸的鋁合金栽培層架（圖2a），栽培架一般為4層式結(jié)構(gòu)；外箱和種植板為PVC發(fā)泡板，利用內(nèi)設(shè)卡扣將其固定在栽培層架上，方便拆卸、視覺美觀。每層栽培空間上方布置有LED植物燈條，下方布置栽培槽，栽培槽為管道式，采用上下分體式栽培槽，每一層又獨立分為3條栽培槽（圖2b），每層的回水管設(shè)置濾網(wǎng)和水位控制閥，這種設(shè)計避免了殘根和雜物堵塞管道，還可以調(diào)整栽培槽的水位。栽培槽上蓋有栽培板，并留有栽培孔，一般一組栽培架一層設(shè)置36個定植孔，其中最下層設(shè)置一次分苗栽培板，共有192個定植孔（圖2c）。
供液系統(tǒng)分為營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)和自動配肥系統(tǒng)。一個集裝箱植物工廠只需一套配肥系統(tǒng)，共設(shè)置A、B、C體積為20L的3個母液桶，母液桶內(nèi)部設(shè)置自動攪拌裝置。根據(jù)中控系統(tǒng)的進(jìn)液量控制，自動將適當(dāng)?shù)哪敢捍蛉胂路降目傄合洌▓D3），再由總液箱輸送到每個栽培架下方的貯液槽中。
營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要由營養(yǎng)液貯液槽、循環(huán)泵、營養(yǎng)液供液管路、營養(yǎng)液回液管路等裝置組成，主要功能是使?fàn)I養(yǎng)液在栽培槽中循環(huán)流動。一列栽培架下各有2個貯液槽，貯液槽內(nèi)的循環(huán)泵可將營養(yǎng)液供給到上部栽培架植物，保證植物的正常生長，營養(yǎng)液再經(jīng)過過濾孔流回貯液槽。貯液槽內(nèi)設(shè)置有高、低水位液位器和EC、pH、溫度傳感器，進(jìn)水、進(jìn)液、出水口，可以自動控制補(bǔ)液量、補(bǔ)液濃度和補(bǔ)水量。
補(bǔ)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
光質(zhì)會影響植物的生物合成，光配方的變化會影響蔬菜化學(xué)成分的含量。UV-A可誘導(dǎo)生菜的花青素積累；藍(lán)光可增加番茄花青素的含量，同時可增加生菜和小松菜中的的抗壞血酸含量；紅光還可使生菜中的類酚類物質(zhì)增長6%；不同的R/FR比會使在一些物種中花青素含量降低。經(jīng)過光學(xué)試驗，該集裝箱使用的LED燈的紅光波段為660nm，藍(lán)光波段為450nm，光譜分布見圖4，具體光參數(shù)和電參數(shù)見表1。
為了滿足種植架種植空間的充分應(yīng)用，植物照明設(shè)備需選擇防水性能好，安裝方便，空間占用體積小的條形燈類別。LED燈可根據(jù)植物生長需求與光合反應(yīng)吸收相符合的特性光譜提供不同波長的單色光。該集裝箱使用的LED燈條采用合理紅藍(lán)光配比，柔和白光的視覺設(shè)計，不會刺激人眼。
環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
每種作物都有自己適合的生長環(huán)境，苣科植物喜涼，最適溫度為18~22℃。葉菜種植集裝箱白天可將溫度控制在15~26℃；夜間控制在10~18℃，最適溫度為10~15℃，盡量保證晝夜溫差6~10℃。集裝箱植物工廠的環(huán)境控制系統(tǒng)主要利用空調(diào)、排風(fēng)扇的作用，空調(diào)控制溫度、濕度變化；風(fēng)機(jī)、排氣扇促進(jìn)內(nèi)部空氣流通，通風(fēng)散熱；CO2裝置可調(diào)節(jié)室內(nèi)氣體變化。
有數(shù)據(jù)顯示，在外界空氣溫度允許的情況下，利用風(fēng)機(jī)引進(jìn)外界低溫空氣降溫，通過減少空調(diào)的運行時間，特別是在低制冷負(fù)荷下的運行時間，可以增加其節(jié)能效果，降低其運行成本。與僅利用空調(diào)進(jìn)行植物工廠內(nèi)溫度調(diào)控相比，利用風(fēng)機(jī)和空調(diào)協(xié)同降溫方法，明期能耗減少了36.6%~82.0%，暗期能耗減少了16.3%~64.2%。
集裝箱植物工廠智能控制系統(tǒng)
智能控制系統(tǒng)
智能控制系統(tǒng)由各控制參數(shù)的傳感器及各種智能設(shè)備連接起來，以計算機(jī)系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集，信息反饋，工作命令控制執(zhí)行。本集裝箱植物工廠智能系統(tǒng)主要用于植物工廠內(nèi)環(huán)境的調(diào)控，包括溫度、濕度的實時監(jiān)測，并根據(jù)目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)制冷、供暖、濕度，實現(xiàn)營養(yǎng)液分層循環(huán)、定時供液，能夠按照設(shè)定時間自動控制LED光源的閉合與斷開，實現(xiàn)不同光照周期的轉(zhuǎn)換、自動配肥和營養(yǎng)液循環(huán)灌溉控制。自動控制系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器（溫濕度、液位）和觸摸操作屏（圖5）。
物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程APP端操作系統(tǒng)
環(huán)境控制和信息技術(shù)在可控環(huán)境農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用是獲得優(yōu)質(zhì)作物產(chǎn)品和降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)手段和一項必不可少的核心技術(shù)。集裝箱植物工廠物聯(lián)網(wǎng)平臺是基于植物工廠集裝箱設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，對接植物工廠生產(chǎn)需求，便于員工遠(yuǎn)程控制集裝箱開關(guān)和參數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控集裝箱環(huán)境數(shù)據(jù)，方便生產(chǎn)管理。其功能有遠(yuǎn)程監(jiān)管、遠(yuǎn)程控制、多對多管理。遠(yuǎn)程監(jiān)管可通過移動設(shè)備遠(yuǎn)程查看集裝箱環(huán)境數(shù)據(jù)和開關(guān)時間以及時長；遠(yuǎn)程控制可通過傳感器反饋環(huán)境參數(shù)信息，遠(yuǎn)程控制集裝箱營養(yǎng)液循環(huán)、環(huán)控、LED燈等設(shè)備的參數(shù)設(shè)置；多對多管理，集裝箱設(shè)備支持多用戶監(jiān)控管理，同時用戶也可以監(jiān)管多個集裝箱設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程APP端系統(tǒng)界面見圖6，系統(tǒng)構(gòu)架圖見圖7。
集裝箱植物工廠生產(chǎn)性能測試
京東方植物工廠栽培測試蔬菜主要以葉菜為主，有苣科植物“奶油生菜”、十字花科植物“廣東菜心”。通過2個生長周期的試驗，得到表2所示數(shù)據(jù)。由試驗數(shù)據(jù)可知，栽培間溫濕度穩(wěn)定，可以控制在溫度精度±1℃，濕度精度±3%的范圍內(nèi)。另外，由溫、濕度數(shù)據(jù)也可看出白天的溫度要略高于設(shè)定值，夜間濕度也要略高于設(shè)定值。白天外界陽光的作用再加之補(bǔ)光燈的散熱，會適當(dāng)?shù)窒照{(diào)的制冷效果，夜間環(huán)境的濕度較大，并且為了大環(huán)境的保溫效果，換氣頻率會低一些，所以夜間換氣除濕效果會比白天差一些。京東方集裝箱植物工廠栽培的2種葉菜品種生長周期均比日光溫室作業(yè)短，單株產(chǎn)量比日光溫室作業(yè)高、生長速度快。選取“奶油生菜”和“菜心”各2kg進(jìn)行營養(yǎng)成分檢測，檢測結(jié)果如表3所示。其中水培蔬菜的亞硝酸鹽含量達(dá)標(biāo)，蛋白質(zhì)、可溶性糖、總膳食纖維含量均高于日光溫室的同等作物。
結(jié)束語
與其他植物工廠相比，集裝箱植物工廠以標(biāo)準(zhǔn)集裝箱作為基本生產(chǎn)單元，具有內(nèi)部配套環(huán)境設(shè)施、栽培設(shè)施、智能控制系統(tǒng)，且方便移動，能夠進(jìn)行更好的環(huán)境管控。內(nèi)部栽培架可根據(jù)空間的大小，設(shè)置成4層或者5層結(jié)構(gòu)，同時可拆卸和可移動的設(shè)置方便了客戶對栽培結(jié)構(gòu)的調(diào)整。環(huán)境控制系統(tǒng)采用空調(diào)和風(fēng)機(jī)共同協(xié)調(diào)溫度的技術(shù)，方便更換模式，更加節(jié)能。光照條件根據(jù)植物生長燈的光譜需求，完全滿足植物的生長周期對光的需求；智能控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，為多對多管理提供了更加便捷的途徑。經(jīng)過數(shù)月的運行測試，2茬的栽培試驗的檢測，表明蔬菜所需的氣候環(huán)境和營養(yǎng)液環(huán)境可以控制在有效控制范圍內(nèi)，蔬菜長勢良好，產(chǎn)量可觀，蔬菜品質(zhì)指標(biāo)均高于日光溫室種植的蔬菜。由此可見集裝箱植物工廠可以穩(wěn)定生產(chǎn)出高品質(zhì)蔬菜。
作者：孫朝華，李開，徐海軍，姜琬瑩，秦清（北京京東方能源科技有限公司）
本公眾號歡迎分享，凡轉(zhuǎn)載文章，除了為作者署名外，還請在文章最前或者最后注明：本文轉(zhuǎn)載自：溫室園藝農(nóng)業(yè)工程技術(shù)公眾號。
聯(lián)系客服
