智能化植物工廠創客實驗室建設

魏相飛 何銳 張剛 劉向遠

摘? 要 智能化植物工廠創客實驗室以皖西學院校級科技創新平臺——智能照明與顯示工程技術中心為依托，與六安地區的產學研合作企業合作，開展植物工廠自動補光方面的研究。依托電氣與光電工程學院的電氣自動化和光源與照明兩個專業，相關專業的教師和學生都可融入該創客實驗室，其專業技能在該創客實驗室中可以得到最大限度發揮。各專業之間可以很好地融合，發揮各自的專業特長，通力合作，為學生參加自動控制、光電、照明設計相關的學科競賽提供保障。

關鍵詞 智能化植物工廠;創客實驗室;創新創業;大學生創新團隊

中圖分類號：G482? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）20-0016-03

Intelligent Plant Factory Maker Lab Construction//WEI Xiang-fei， HE Rui， ZHANG Gang， LIU Xiangyuan

Abstract The intelligent plant factory creates guest laboratory with

the innovation platform of West Anhui University school level science

and technology Intelligent Lighting and Display Engineering Tech-nology Center， and cooperation with the industry and research and

research cooperation enterprises in Lu'an area to carry out research

on auto lighting in plant. Depending on the electrical and Electrical Engineering Institute's electrical automation and lighting and ligh-ting two specialties， teachers and students of related specialties can be integrated into the creation laboratory， and their professional skills

can be maximally played in the creation of the guest laboratory. Va-rious majors can be well integrated， play their own professional ex-pertise， cooperate fully， to provide support for students to participate in automatic control， photoelectric， lighting design related discip-lines competition.

Key words intelligent plant factory; maker laboratory; innovation and entrepreneurship; innovation team of college students

1 引言

智能化植物工廠采用各種照明燈具（如LED、熒光燈、日光燈或白熾燈等光源）為植物提供光合作用所需的光照，并配備風機、空調、自動施肥系統、自動噴灌系統等設備對植物生長所需的水分、溫度、CO2等進行自動控制和自動調節[1-2]。與傳統的戶外種植方式、溫室大棚或者塑料大棚比，智能化植物工廠能夠精確調控溫度、濕度、水分和CO2濃度，防止外界不可調控的氣候和環境變化對植物生長的不利影響，能夠像工廠一樣，常年批量生長植物。

日本在植物工廠的研究和應用方面起步較早，早在2009年就在相關高校和研究機構進行了植物工廠技術的研發，掀起一場植物工廠建設的熱潮[3]。雖然中國對植物工廠的研究起步比較晚，但發展迅速，已經有多家企業開展了植物工廠的建設并開始運營。尤其是最近幾年隨著物聯網技術的興起，德國在2013年率先提出工業4.0的概念，工業生產進入以物聯網和大數據等技術為驅動的智能制造時代[4]。

在智能制造時代，傳統產業鏈中研發與設計制造、生產與制造、營銷與服務之間的界限被打破，企業的生產效率可以得到極大提高，生產更加具有針對性，實現生產產品的私人定制，生產成本可以得到有效控制，能夠快速地對消費者的需求做出反應[4-5]。

智能化植物工廠創客實驗室依托皖西學院電氣與光電工程學院的電氣自動化和光源與照明兩個專業，有很好的專業依托，相關專業的教師和學生都可融入該創客實驗室，其專業技能在該創客實驗室中可以得到最大限度的發揮。各專業之間可以很好地融合，發揮各自的專業特長，通力合作，將會獲得很好的鍛煉效果。因此，該創客實驗室將為電氣與光電工程學院相關專業的學生提供一個交流和訓練的平臺，不僅能夠產出一批專利成果，更為學生參加自動控制、光電、照明設計相關的學科競賽提供基礎。

以創新創業為主題，以研究性學習和各類競賽為抓手，建成智能化控制的植物生長工廠創客實驗室，使其成為開源、創新、協作、共享的智造平臺;依托創客模式，構建技能學習、實踐的環境，激發創新、創造能力。開展智能控制植物生長環境的研究工作，包括植物生長燈具的開發與設計、植物生長條件的智能化控制，實現自動補光、自動控溫、自動調濕、自動調節CO2濃度等。設計植物生長自動控制系統，培養學生的創新創業能力，形成一批專利成果，建設一支專業和年級層次合理的創新團隊，為學生提供學習、實踐、探究、創新的平臺。

2 階段目標

植物工廠雖然可以對溫度、CO2濃度、空氣濕度、土壤溫度、光照強度及所需波段的光照進行自動調控，但有些生產環節（如種植和收獲過程以及對病蟲害的防治等）仍然需要大量人工，所以這些環節需要設計相關機械來完成。雖然自動化程度提高了，但生產成本仍然居高不下，因此，如何降低成本、提高經濟效益，是智能化植物工廠亟待解決的難題。本實驗室擬采用六安地區的特色經濟產物（如霍山石斛、白芨等名貴中草藥）作為目標培養對象。

初期目標? 完成創客實驗室人員分工和配置工作，完成植物生長實驗室硬件部分的搭建工作，包括植物生長燈具和智能化控制模塊的搭建工作，讓學生初步了解影響植物生長的關鍵要素，完成植物生長燈具的設計和自動控制模塊的搭建。

中期目標? 根據不同植物對光、溫度、二氧化碳濃度等的需求，通過自動控制系統，實現自動補光、自動調溫和自動調節CO2濃度，實現植物生長的自動化控制，并且能夠模擬自然生長環境，讓學生能夠設計出完整的智能化植物生長系統，產出一批具有實用價值的成果。

終極目標? 為學生提供創新創業平臺，為自動控制、光電、照明設計等相關專業競賽提供智力保障;完成智能化植物生長工廠的建設，實現對植物生長環境的自動化控制，能夠固定產出一批包括專利在內的有實用價值的成果;形成一支老生帶新生的創新梯隊，為學生營造注重創意和創新的、面向體驗的、智慧的創新平臺。

3 智能化植物工廠創客實驗室建設規劃

在原有LED封裝實訓實驗室和智能照明與顯示工程技術中心的基礎設施上，配備智能化植物工廠創客實驗中心，其中包括創新實驗區、作品展示區、創新設備存放區三個部分。

教學實驗區：主要配備教學實驗器材如投影儀、電腦等電子設備，同時提供智能化植物生長實驗箱，擺放相關的植物，并做對比實驗。

作品展示區：主要是學生設計的各種自動控制系統等相關作品，各種植物標本，學生的獲獎作品、獲獎證書，歷屆團隊成員情況及培訓、參賽的照片。

教學設備存放區：主要是3D打印機、電機、控制器、電源、機器手臂、各式傳感器（數十種）等。

針對植物生長所需，設計各種智能控制系統，滿足以下兩個研究任務。

1）溫室小氣候環境調控技術。溫室內作物的生長發育與其所處的小氣候環境緊密相關。環境因子包括溫度、相對濕度、光輻射強度和CO2濃度等，要想為作物提供適宜的生長環境，就需要實時、準確地對各環境因子進行監測和控制。針對霍山石斛、六安瓜片（蝙蝠洞）等大別山農業資源，通過自動控制模擬自然環境，提高農產品的品質和產量。

2）植物補光控制系統。依托皖西學院光源與照明專業及校級工程技術中心——智能照明與顯示工程技術中心，聯合學校的產學研合作企業開展研究，如六安名家匯科技股份有限公司、安徽世林照明股份有限公司、安徽科發信息科技有限公司等企業。研究內容主要包括：遵循農作物生長的自然規律，通過調節燈光滿足農作物生長過程中對光元素需求，通過自動調節光的強度、波長等手段，獲得優化的方案，建立自動控制補光系統。

3）師資隊伍建設。加強創新創業教育與創業就業指導教師隊伍建設，根據創客實驗室所需的技術領域，合理組合教師，建立新型團隊體制，教師跨學科、跨學院組建，打破學科和專業壁壘，建立合理的考核評價體制。目前該團隊包括光源與照明專業、光電信息科學與技術、計算機、自動控制、機器人工程等學科專業的教師，且年齡結構和職稱結構合理，并邀請部分企業專家全程參與智能化植物工廠創客實驗室的建設和學生的指導工作;及時了解行業動態，以學科競賽為抓手，積極組織學生參加全國、安徽省和六安市的學科競賽。

4）大學生創新團隊建設。制定智能化植物工廠創新團隊管理制度，創新團隊既是學生的創新團隊，也是教師開辟的第二課堂，其組織管理辦法既不同于課堂，也不同于一般的學生社團和協會，不像課堂一樣死板，又不像協會一樣來去自由，要讓學生本著興趣為先、任務為重的理念在團隊中開展創新創業訓練活動。因此，制定相關的管理制度非常重要，一方面要吸引學生進入創新團隊;另一方面要嚴格把關，采用“嚴進嚴訓”的制度，建立一支高質量的創新團隊。

5）實驗室規章制度建設。建立完善的獎懲機制，學生發表學術論文、申請專利、參加學科競賽獲獎等創新成果要按照相應的成果層次予以明確的獎勵。同時，每個創新團隊年初要制訂明確的工作計劃，年終要按照計劃進行考核，考核不過關要進行適當的績效懲罰，嚴重的將被淘汰。

4 依托智能化植物工廠創客實驗室解決大學生創新創業中的主要問題

解決目前沒有優質作品參加創新創業競賽的問題? 目前，各種專業相關的創新創業競賽非常多，無論對學生還是對學校宣傳都是一個很好的平臺，但目前我們學校能夠參加相關競賽并獲獎的人數比較少，主要問題就是缺乏前期的積累，沒有學生在校期間進行專門的訓練和準備工作。

解決為參加競賽臨時拼湊隊伍，水平不高，缺乏專業教師指導的問題? 目前，創新創業競賽綜合性強，需要各個專業的學生合作完成，而很多參加創新創業競賽的隊伍是臨時拼湊的，沒有成熟的成果和作品。該平臺的建設將解決此問題。

解決學生創新創業平臺匱乏的問題? 由于實驗場地和指導教師不足，很多學生雖然想參加創新創業訓練項目，但沒有一個良好的平臺。該項目的建設將為相關專業的學生提供一個良好的平臺。

5 結語

通過智能化植物工廠創客實驗室，可以讓學生有更多的實踐機會，提高學生的動手能力和創新能力。創客實驗室能夠有效組合各相關專業的學生進行創新創業訓練，為專利成果的獲取和參加相關學科競賽提供保障;通過項目階段運行和各項創意活動的開展，形成多項創新創意產品，培育出能參加全國“互聯網+”大賽、物聯網大賽、專業學科競賽并且能夠取得好成績的創新型學生團隊。智能化植物工廠創客實驗室能夠為電氣自動化和光源與照明專業的學生提供適合自己專業發展的創新平臺，使學生的實驗技能大大提高，科研思維得到訓練，自主創新能力得到培養，預計會有一批學生申報各級各類科技作品獎和科創課題，具有廣泛的社會效益。■

參考文獻

[1]Kozai T， Ohyama K， Chun C. Commercialized? closed

systems with artificial lighting for plant produc-tion[J].Acta Horticulturae，2006（711）：61-70.

[2]楊其長.植物工廠的發展策略[J].科技導報，2014（10）：

20-24.

[3]丁純，李君揚.德國“工業4.0”：內容、動因與前景及其啟示[J].德國研究，2014（4）：49-66.

[5]王喜文.工業4.0：智能工業[J].物聯網技術，2013（12）：

3-4.

[6]高星海.工業4.0背景下的新思維[J].航空制造技術，

2014（18）：30-33.

[4]常彬.工業4.0：智能化工廠與生產[J].化工管理，

2013（21）：21-25.