一種仿植物工廠數據系統的智能生態箱概述

劉欣

摘要：本文介紹植物工廠數據系統特點，在此基礎上，研制一種截面為正多邊形或對稱的智能生態箱，以仿植物工廠數據為基礎，設計出具有正多邊形對稱結構的智能生態箱，生態箱可自動管控植物生長，美化環境，可根據不同作物量身定制，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.

關鍵詞：植物工廠；智能生態箱

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 植物工廠數據系統簡介

2016年中國科學院植物研究所在福建建立全球最大的植物工廠。植物工廠數據系統的主要特點如下：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，根據不同植物生長的曲線數據，利用LED光譜技術及電子自動化設備，通過溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營養液等傳感器獲得數據，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、氣候、土地等自然條件依賴，實現正常生長，甚至多周期生長，提高蔬菜的營養價值和產量。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液里。因為植物的生物量90%源于光合作用，人為設計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量。在栽培架上生長的蔬菜如圖1-圖2所示。

植物工廠系統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液等影響植物生長環境的高精度控制，使植物工廠內種植的生菜類蔬菜縮短生長的周期，實現反季節和多周期的銷售，使利潤穩步增加。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，真實節約了土地利用。因此，植物工廠模塊化的栽培系統，還可以為沙漠、海島、寒冷地帶等特殊環境提供蔬菜、水果種植的最佳解決方式。目前植物工廠系統推廣受限主要是高成本、耗能大的發展桎梏。對光譜研究的更加深入、開發更實惠的營養液，降低植物工廠的電能耗都是面臨的問題。

2 生態箱技術背景

①傳統立體景觀多數采用露天土壤種植，對綠化環境和種植者要求很高，比較容易出現植株發育不良、病蟲害嚴重等多種問題。②傳統的植物栽培箱多為露天栽種，受室內環境影響較大，其結構不合理，觀賞性不足，無法根據植物的情況，及時進行補水補光，不能實現自動化控制，喪失種植意義。③對于現有的植物栽培箱，其結構過于單一，缺少動態效果，雖然可提供一定生長環境，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 現有相似產品的缺點

缺點1：無土但不封閉：一種立體花架，不采用傳統土壤種植，直接利用種植管道進行基質栽培。傳統的多為露天栽種，受環境影響較大，其結構不簡單，動態效果差，植物容易發生病蟲害觀賞性不足。缺點2：封閉箱體內部環境參數統一，無法實現分區，種植品種單一，一般包括箱體、通風系統、噴淋系統、燈光系統、溫濕度控制系統和智能控制系統，本設計仿照植物工廠特點，擬封閉透明結構，將噴淋系統、燈光系統、溫濕度控制系統和智能控制系統整合設置在頂端，以箱體截面形狀設計傳送路徑。本品以三角形截面為例，在同一個箱體內達到分區種植的效果，更加節能減耗，使室內種植更具觀賞性。依據相同原理，對稱結構可多組組合放置。

4 智能生態箱的設計理念

首先，溫度濕度等傳感器對生態箱內數據進行采集處理，濕度與濕度數據被送入微控制器，根據專家系統自動控制外部設備來調節溫度、濕度、光照、通風，為芽苗菜提供最適宜的生長環境。微控制器將傳感器采集的濕度、濕度數據分別通過WIFI無線模塊和串口傳送給遠程軟件與本地觸控屏。遠程監控軟件與本地觸控屏人工發送指令控制生態箱內的電器負載，根據栽培芽苗菜品種的不同寫入芽苗菜專家系統。系統實現了本地觸控屏監控與遠程網絡監控的有化結合，必然成為今后設施農業的發展方向。使生態箱系統設計科學可靠，具有進一步推廣的價值。

5 生態箱兩大控制系統簡介

①適宜的溫度是植物生長必須的基本環境，植物的所有新陳代謝都在特定環境溫度下才能進行。過低溫度會抑制或終止種植的生長。過高的溫度導致營養消耗多，生長周期過快，最終導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品種選擇，生態箱內的溫度調控主要通過LED光源溫和噴淋通風降溫來實現。在生態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。半封閉生態箱頂部開一排的圓孔，和風扇形成循環風道，實現內部與外部環境的大氣對流。生態箱內濕度超過溫度上限時，控制器發出降溫指令，自動進行微噴淋和風扇降溫。生態箱內濕度低于濕度下限值時，控制器開啟加熱器，傳感器檢測到環境溫度適宜時，自動關閉加熱。

②生態箱內濕度控制與溫度控制方式相似，生態箱內增加濕度通過箱體內頂部微噴淋孔實現，降低濕度通過風扇的空氣對流實現。由植物工廠數據表明，植物種子發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，所以在生態箱內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 智能生態箱的創新點

本設計一種正多邊形智能植物生態箱，涉及生態箱領域，包括箱體，所述箱體內設置有傳動裝置、栽培槽和設備倉，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；所述設備倉設置于所述箱體頂部，所述噴淋系統、燈光系統、溫濕度控制系統、通風系統和電機分別與所述智能控制系統連接。本實用新型的正多邊形智能植物生態箱，按照所栽植物生長的不同需求，將栽培槽輪流置頂，在同一個箱體內達到分區種植的效果，增強動態效果，更加節能減耗，使室內種植更具觀賞性。

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