一種仿植物工廠數(shù)據(jù)系統(tǒng)的智能生態(tài)箱概述

劉欣

摘要：本文介紹植物工廠數(shù)據(jù)系統(tǒng)特點，在此基礎(chǔ)上，研制一種截面為正多邊形或?qū)ΨQ的智能生態(tài)箱，以仿植物工廠數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計出具有正多邊形對稱結(jié)構(gòu)的智能生態(tài)箱，生態(tài)箱可自動管控植物生長，美化環(huán)境，可根據(jù)不同作物量身定制，滿足不同需要。

Abstract： This paper introduces the characteristics of plant factory data system， and on this basis， an intelligent eco-box with regular polygon or symmetry cross-section is developed. Based on plant factory data， an intelligent eco-box with regular polygon and symmetry structure is designed. The eco-box can automatically control plant growth and beautify the environment. Tailored to the needs of different crops.

關(guān)鍵詞：植物工廠；智能生態(tài)箱

Key words： plant factory；intelligent ecological box

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0149-02

1 植物工廠數(shù)據(jù)系統(tǒng)簡介

2016年中國科學(xué)院植物研究所在福建建立全球最大的植物工廠。植物工廠數(shù)據(jù)系統(tǒng)的主要特點如下：在植物工廠里的植物，不需要太陽照射，處于無塵無菌凈化空間，根據(jù)不同植物生長的曲線數(shù)據(jù)，利用LED光譜技術(shù)及電子自動化設(shè)備，通過溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營養(yǎng)液等傳感器獲得數(shù)據(jù)，計算機對植物生長多因素配比實施智能控制，克服植物對季節(jié)、氣候、土地等自然條件依賴，實現(xiàn)正常生長，甚至多周期生長，提高蔬菜的營養(yǎng)價值和產(chǎn)量。每層開啟的LED光源包含藍光、紅光等不同光譜，對于栽培的生菜、小白菜、冰菜等10余種水培葉菜，浸在專門配比的營養(yǎng)液里。因為植物的生物量90%源于光合作用，人為設(shè)計LED光源的光合作用比自然光更加可控，直接影響植物生長和產(chǎn)量。在栽培架上生長的蔬菜如圖1-圖2所示。

植物工廠系統(tǒng)主要是做到配比制成光源，以及對溫度、濕度、二氧化碳濃度以及營養(yǎng)液等影響植物生長環(huán)境的高精度控制，使植物工廠內(nèi)種植的生菜類蔬菜縮短生長的周期，實現(xiàn)反季節(jié)和多周期的銷售，使利潤穩(wěn)步增加。植物工廠多層栽培架立體栽培的模式，直接成倍擴大種植面積，真實節(jié)約了土地利用。因此，植物工廠模塊化的栽培系統(tǒng)，還可以為沙漠、海島、寒冷地帶等特殊環(huán)境提供蔬菜、水果種植的最佳解決方式。目前植物工廠系統(tǒng)推廣受限主要是高成本、耗能大的發(fā)展桎梏。對光譜研究的更加深入、開發(fā)更實惠的營養(yǎng)液，降低植物工廠的電能耗都是面臨的問題。

2 生態(tài)箱技術(shù)背景

①傳統(tǒng)立體景觀多數(shù)采用露天土壤種植，對綠化環(huán)境和種植者要求很高，比較容易出現(xiàn)植株發(fā)育不良、病蟲害嚴重等多種問題。②傳統(tǒng)的植物栽培箱多為露天栽種，受室內(nèi)環(huán)境影響較大，其結(jié)構(gòu)不合理，觀賞性不足，無法根據(jù)植物的情況，及時進行補水補光，不能實現(xiàn)自動化控制，喪失種植意義。③對于現(xiàn)有的植物栽培箱，其結(jié)構(gòu)過于單一，缺少動態(tài)效果，雖然可提供一定生長環(huán)境，但是過程簡單，作物生長狀況不佳，作用不大明顯。小型植物栽培箱模型如圖3。

3 現(xiàn)有相似產(chǎn)品的缺點

缺點1：無土但不封閉：一種立體花架，不采用傳統(tǒng)土壤種植，直接利用種植管道進行基質(zhì)栽培。傳統(tǒng)的多為露天栽種，受環(huán)境影響較大，其結(jié)構(gòu)不簡單，動態(tài)效果差，植物容易發(fā)生病蟲害觀賞性不足。缺點2：封閉箱體內(nèi)部環(huán)境參數(shù)統(tǒng)一，無法實現(xiàn)分區(qū)，種植品種單一，一般包括箱體、通風(fēng)系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，本設(shè)計仿照植物工廠特點，擬封閉透明結(jié)構(gòu)，將噴淋系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)整合設(shè)置在頂端，以箱體截面形狀設(shè)計傳送路徑。本品以三角形截面為例，在同一個箱體內(nèi)達到分區(qū)種植的效果，更加節(jié)能減耗，使室內(nèi)種植更具觀賞性。依據(jù)相同原理，對稱結(jié)構(gòu)可多組組合放置。

4 智能生態(tài)箱的設(shè)計理念

首先，溫度濕度等傳感器對生態(tài)箱內(nèi)數(shù)據(jù)進行采集處理，濕度與濕度數(shù)據(jù)被送入微控制器，根據(jù)專家系統(tǒng)自動控制外部設(shè)備來調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照、通風(fēng)，為芽苗菜提供最適宜的生長環(huán)境。微控制器將傳感器采集的濕度、濕度數(shù)據(jù)分別通過WIFI無線模塊和串口傳送給遠程軟件與本地觸控屏。遠程監(jiān)控軟件與本地觸控屏人工發(fā)送指令控制生態(tài)箱內(nèi)的電器負載，根據(jù)栽培芽苗菜品種的不同寫入芽苗菜專家系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了本地觸控屏監(jiān)控與遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的有化結(jié)合，必然成為今后設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。使生態(tài)箱系統(tǒng)設(shè)計科學(xué)可靠，具有進一步推廣的價值。

5 生態(tài)箱兩大控制系統(tǒng)簡介

①適宜的溫度是植物生長必須的基本環(huán)境，植物的所有新陳代謝都在特定環(huán)境溫度下才能進行。過低溫度會抑制或終止種植的生長。過高的溫度導(dǎo)致營養(yǎng)消耗多，生長周期過快，最終導(dǎo)致無觀賞性和植物口味欠佳。不同植物所需最適生長溫度不同，使用時控制器會自動根據(jù)品種選擇，生態(tài)箱內(nèi)的溫度調(diào)控主要通過LED光源溫和噴淋通風(fēng)降溫來實現(xiàn)。在生態(tài)箱的頂部安裝帶有微噴淋孔的管道，起到加濕和降溫的物理效果。半封閉生態(tài)箱頂部開一排的圓孔，和風(fēng)扇形成循環(huán)風(fēng)道，實現(xiàn)內(nèi)部與外部環(huán)境的大氣對流。生態(tài)箱內(nèi)濕度超過溫度上限時，控制器發(fā)出降溫指令，自動進行微噴淋和風(fēng)扇降溫。生態(tài)箱內(nèi)濕度低于濕度下限值時，控制器開啟加熱器，傳感器檢測到環(huán)境溫度適宜時，自動關(guān)閉加熱。

②生態(tài)箱內(nèi)濕度控制與溫度控制方式相似，生態(tài)箱內(nèi)增加濕度通過箱體內(nèi)頂部微噴淋孔實現(xiàn)，降低濕度通過風(fēng)扇的空氣對流實現(xiàn)。由植物工廠數(shù)據(jù)表明，植物種子發(fā)育初期新陳代謝最旺盛，需要的水量在全部生長周期所占比例最多。原有的噴淋達不到最有效果，需要進行大水量噴淋，所以在生態(tài)箱內(nèi)頂部安裝大噴淋孔管道，可使噴淋化管道交替排列的方案。

6 智能生態(tài)箱的創(chuàng)新點

本設(shè)計一種正多邊形智能植物生態(tài)箱，涉及生態(tài)箱領(lǐng)域，包括箱體，所述箱體內(nèi)設(shè)置有傳動裝置、栽培槽和設(shè)備倉，所述傳動裝置包括兩個鏈條傳送帶、電機和若干個鏈輪，所述箱體的截面為正多邊形，所述鏈條傳送帶的傳送路徑的形狀與所述箱體截面形狀一致；所述設(shè)備倉設(shè)置于所述箱體頂部，所述噴淋系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和電機分別與所述智能控制系統(tǒng)連接。本實用新型的正多邊形智能植物生態(tài)箱，按照所栽植物生長的不同需求，將栽培槽輪流置頂，在同一個箱體內(nèi)達到分區(qū)種植的效果，增強動態(tài)效果，更加節(jié)能減耗，使室內(nèi)種植更具觀賞性。

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