所謂的“植物工廠”，就是在工廠化的環境下，采用LED光譜技術以及自動化設備，進行植物生産。與傳統種植方式相比，“植物工廠”種出來的菜，不僅采用過濾後的飲水水源，還用紫外線空氣消殺系統，保障生産無菌環境，不使用任何農藥、激素、抗生素等有害物質，無病蟲害，更安全更健康，種植全程檢測，參照國際标準進行管控，具有更高的膳食營養價值。

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

植物工廠配有環境控制系統、栽培系統、營養液調控系統以及光源系統。其中環境控制系統以空調系統為主體，并兼具調節新風、二氧化碳、溫濕度的功能。栽培系統包括栽培架和栽培槽，栽培架可采用鋁型材、不鏽鋼等材料，栽培槽可為塑料或PVC材料。

營養液調控系統包括營養液配比和營養液供給兩部分，營養液配比系統由微量進樣蠕動泵、PLC控制器、水泵等組成，實現精量控制植物工廠營養液各元素組分的量及其比例；營養液供給系統即營養液循環系統，由循環水泵、電磁閥、管道等組成，按要求實現植物工廠淺液流栽培的營養液循環設定。光源系統分為兩種光源，一種為平闆式光質、光強、光周期不可調式LED燈，另一種為光質、光強、交替周期可手動/智能控制的LED燈闆，可根據實際需求制定。

圖1集裝箱植物工廠外觀照

圖2集裝箱植物工廠内部照

植物工廠營養液/光照總控系統是使用人機交互觸摸屏作為上位機，基于可編程控制器，采用用戶自設定方式設計而成。該系統能夠依據人工設定的參數，根據既定策略，達到營養液的分層循環，定時更新，以及自動控制作物光照時長的目的。具體地，系統由營養液自動循環子系統和LED燈光控制子系統構成。各子系統之間彼此獨立，并共享同一上位機，相互協同，通過畫面調用接口實時監控每個子系統實際運行情況。

上位機軟件根據既定策略，發布控制命令并監控整個系統運行情況，可實現以下功能：

①手動自動切換功能，不同模式下有不同控制方式；

②實時顯示功能，包括監控系統運行狀況、實時顯示系統時間和畫面調用接口；③控制參數設置功能，包括營養液循環參數和LED燈闆控制參數。

在手動模式下，可以通過屏幕按鈕自由操作各個開關，包括電磁閥、水泵和LED燈；在自動模式下，要求利用用戶自設定方式，将人工設定的一系列控制參數，嵌入到既定的控制決策中，當上位機發出控制指令時，控制器開關量輸出端口閉合，中間繼電器常開觸點得電吸合，再驅動電磁閥打開從而達到控制執行器開關的目的。按需求完成集裝箱植物工廠内部營養液自動循環和作物光照時長自動控制。上位機與下位機之間采用RS485的通信方式。

圖3植物工廠營養液/光照總控系統

區别于植物工廠常規的固定式水培槽，本水培槽采用活動框式的栽培層升降設計，既保證了栽培介質中均勻、充足的水分或營養液，也保證了根部對氧氣的需求及根伸長所需的空間。此裝置可應用于育苗，避免了育苗期頻繁的人工噴灑，提高了育苗效率及質量，也可應用于成苗定植，種植層高度可根據植株長勢進行調節。

圖4升降式營養液栽培槽

該LED光源以DMX512協議為基礎,應用PLC控制系統，可根據不同植物各生育階段的需光特性,通過PC終端設定LED燈闆。可實現光源光質在可見光、紅外光、紫外光的變換以及光強度在0-300μmol·m-2·s-1（由燈闆電功率決定）範圍的自動調節。該LED燈可運用于研究型植物工廠中，探求光質、光強、光周期等光要素對植物生理發育的影響機理，也可運用于規模化的生産型植物工廠中，充分發揮各種光質在植物不同生育階段的作用。

圖5智能可變LED光源系統

圖6系統控制界面

新型智能LED燈闆，結構簡單，操作方便。運用單色光調光器和微電腦時控開關結合進行光配方設置，可以設定單色光質在一個光配方中的光強度以及開閉頻率，實現單色光質PPF值（光合有效輻射單位）的連續變化及最大頻率為0.5次/分鐘的混合光質交替設置，同時内置電力監測儀為電能利用率的核算提供了更好的便捷性和準确度。

圖7智能LED燈闆

針對光配方影響植物根系對營養液元素選擇性吸收的研究結果，提出一套營養液精良自動配比策略，并開發了可以對營養液元素如氮、磷、鉀、鎂、鈣、鐵、硼、錳、鋅、銅、钼、硒等實現精量控制的營養供給系統。該系統可運用于控制無土栽培作物品質，為功能性作物的生産提供可能。

圖8營養液精量配比系統

電能是常見植物工廠系統中唯一的動力能源，耗電量大是限制植物工廠發展和大規模應用的主要因素之一。研究表明，光源是人工光型植物工廠的主要耗能設備,占整個植物工廠耗能的60%以上。因此，從降低植物工廠運行成本的角度出發,将太陽能光伏發電系統與植物工廠相結合,可将太陽能轉變成電能後為植物工廠的運行提供能源。

太陽能光伏發電原理是利用太陽能電池将輻射在其表面的太陽光能轉換成電能,通過控制器儲存在蓄電池内。太陽能光伏發電系統主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組等組成。将新能源利用技術引入到植物工廠中，用新能源代替常規電能供能将有望降低植物工廠的運行能耗,減少植物生産對常規能源的依附。

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： 國家農業智能裝備工程技術研究中心

在國家863計劃、國家發改委、國家自然科學基金等項目的支持下，圍繞農業智能裝備通訊标準規範、關鍵技術産品、系統集成三個環節，進行學科交叉研究和技術創新，在農業智能裝備理論方法研究、重要産品開發和技術平台構建上實現了重要突破，形成了農田信息采集、農業精準監測、農業自動控制、智能農機具、田間作業導航五大類、50多個産品，填補了我國在該領域的多項空白，縮短了與發達國家的差距。打造了面向大田作物、設施農業、節水灌溉的綠水技術産品品牌。針對我國各地不同生産經營規模條件，進行配套組合應用，形成了“套餐”式技術應用模式，使中心的技術成果在全國20多個省市得到應用，研發的設施環境控制器、灌溉控制器産品還出口到俄羅斯、以色列等國，為我國同行提供了一個穩定開放的研究試驗平台，成為國際合作和學術交流的重要窗口。

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