集裝箱植物工廠技術的應用
作者: 時間: 2024-04-01
【摘要】集裝箱植物工廠是一種自動化程度高、不受外界環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構、栽培系統、補光系統、環境控制系統、智能控制系統和遠程操作系統，并通過2茬的生產測試，2種葉菜品種生長周期均比日光溫室作業短，單株產量比日光溫室作業高、生長速度快，生長性能更加穩定。
前言
植物工廠可以大幅提高單位土地利用率、產出率和經濟效益，自動化程度高，具有生產計劃性，使農產品安全無污染，生產操作省力等特點。在極端惡劣的環境條件進行生產，有利于擺脫資源與環境的限制，實現農業的可持續發展。因此，植物工廠被認為是21世紀解決世界資源、人口和環境問題的重要途徑，也是未來高科技工程(如航天工程、海洋探索過程)中實現食物自給的重要途徑。目前，僅有日本、美國和荷蘭等少數發達國家掌握這項技術，中國的發展還在起步階段。
微型植物工廠是將植物工廠的技術進一步濃縮，集成在一個很小密閉的空間里，通過智能自動控制系統調控植物生長的環境，為作物提供適宜的光照、溫度、濕度環境，以及合理比例的營養液。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，密閉的環境可以使內部種植環境與外界環境隔離。本文針對北京京東方能源科技有限公司研發的集裝箱植物工廠做了相關介紹，分析探討該集裝箱植物工廠的內外部結構特點和物聯網遠程控制技術。
集裝箱植物工廠結構集裝箱箱體結構
集裝箱植物工廠由集裝箱外殼、栽培系統、環境調控系統、營養液循環系統、物聯網遠程操控系統等組成，實物如圖1所示。常用的規格為40尺集裝箱植物工廠，內徑：12024mmx2352 mmx2390 mm(圖la)；20尺集裝箱植物工廠的內徑：5898 mm x 2352 mm x 2390 mm(圖1b)，或者依使用者需求定做尺寸。殼體為標準規格的集裝箱，集裝箱內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中墻體的清潔。升、降溫系統主要采用空調來調控，搭配新風系統，保障內部空氣的流通性。
栽培種植結構
栽培系統采用方便拆卸的鋁合金栽培層架(圖2a)，栽培架一般為4層式結構；外箱和種植板為PVC發泡板，利用內設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)，每層的回水管設置濾網和水位控制閥，這種設計避免了殘根和雜物堵塞管道，還可以調整栽培槽的水位。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置36個定植孔，其中最下層設置一次分苗栽培板，共有192個定植孔(圖2c)。
供液系統分為營養液循環系統和自動配肥系統。一個集裝箱植物工廠只需一套配肥系統，共設置A、B、C體積為20L的3個母液桶，母液桶內部設置自動攪拌裝置。根據中控系統的進液量控制，自動將適當的母液打入下方的總液箱(圖3)，再由總液箱輸送到每個栽培架下方的貯液槽中。
營養液循環系統主要由營養液貯液槽、循環泵、營養液供液管路、營養液回液管路等裝置組成，主要功能是使營養液在栽培槽中循環流動。列栽培架下各有2個貯液槽貯液槽內的循環泵可將營養液供給到上部栽培架植物，保證植物的正常生長，營養液再經過過濾孔流回貯液槽。貯液槽內設置有高、低水位液位器和EC、pH、溫度傳感器，進水、進液、出水口，可以自動控制補液量、補液濃度和補水量。
補光系統結構
光質會影響植物的生物合成，光配方的變化會影響蔬菜化學成分的含量1-4。UV-A可誘導生菜田的花青素積累；藍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增長6%；不同的R/FR比會使在一些物種中花青素含量降低179]。經過光學試驗，該集裝箱使用的LED燈的紅光波段為660nm，藍光波段為450nm，光譜分布見圖4，具體光參數和電參數見表1。為了滿足種植架種植空間的充分應用，植物照明設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燈可根據植物生長需求與光合反應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燈條采用合理紅藍光配比，柔和白光的視覺設計，不會刺激人眼。環境調控系統結構
每種作物都有自己適合的生長環境，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境控制系統主要利用空調、排風扇的作用，空調控制溫度、濕度變化；風機、排氣扇促進內部空氣流通，通風散熱；CO2，裝置可調節室內氣體變化。
有數據顯示，在外界空氣溫度允許的情況下，利用風機引進外界低溫空氣降溫，通過減少空調的運行時間，特別是在低制冷負荷下的運行時間，可以增加其節能效果，降低其運行成本。與僅利用空調進行植物工廠內溫度調控相比，利用風機和空調協同降溫方法，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
智能控制系統
智能控制系統由各控制參數的傳感器及各種智能設備連接起來，以計算機系統為核心，實現數據監測采集，信息反饋工作命令控制執行。本集裝箱植物工廠智能系統主要用于植物工廠內環境的調控，包括溫度、濕度的實時監測，并根據目標溫度調節制冷、供暖濕度，實現營養液分層循環、定時供液，能夠按照設定時間自動控制LED 光源的閉合與斷開，實現不同光照周期的轉換、自動配肥和營養液循環灌溉控制2。自動控制系統主要包括控制器、傳感器(溫濕度、液位)和觸摸操作屏(圖5)。
物聯網遠程 APP 端操作系統
環境控制和信息技術在可控環境農業生產中的廣泛應用是獲得優質作物產品和降低生產成本的基礎手段和一項必不可少的核心技術3。集裝箱植物工廠物聯網平臺是基于植物工廠集裝箱設備的遠程監控平臺，對接植物工廠生產需求，便于員工遠程控制集裝箱開關和參數，遠程監控集裝箱環境數據，方便生產管理。其功能有遠程監管、遠程控制、多對多管理。遠程監管可通過移動設備遠程查看集裝箱環境數據和開關時間以及時長；遠程控制可通過傳感器反饋環境參數信息，遠程控制集裝箱營養液循環、環控、LED燈等設備的參數設置；多對多管理，集裝箱設備支持多用戶監控管理，同時用戶也可以監管多個集裝箱設備，物聯網遠程APP端系統界面見圖6，系統構架圖見圖7。
集裝箱植物工廠生產性能測試
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所示數據。由試驗數據可知，栽培間溫濕度穩定，可以控制在溫度精度±1℃，濕度精度±3%的范圍內。另外，由溫、濕度數據也可看出白天的溫度要略高于設定值，夜間濕度也要略高于設定值。白天外界陽光的作用再加之補光燈的散熱，會適當抵消空調的制冷效果，夜間環境的濕度較大，并且為了大環境的保溫效果，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短，單株產量比日光溫室作業高、生長速度快。選取“奶油生菜”和“菜心”各2kg進行營養成分檢測，檢測結果如表3所示。其中水培蔬菜的亞硝酸鹽含量達標，蛋白質、可溶性糖、總膳食纖維含量均高于日光溫室的同等作物。
結束語
與其他植物工廠相比，集裝箱植物工廠以標準集裝箱作為基本生產單元，具有內部配套環境設施、栽培設施、智能控制系統，且方便移動，能夠進行更好的環境管控。內部栽培架可根據空間的大小，設置成4層或者5層結構，同時可拆卸和可移動的設置方便了客戶對栽培結構的調整。環境控制系統采用空調和風機共同協調溫度的技術，方便更換模式，更加節能。光照條件根據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；智能控制系統和遠程操控系統，為多對多管理提供了更加便捷的途徑。經過數月的運行測試，2茬的栽培試驗的檢測，表明蔬菜所需的氣候環境和營養液環境可以控制在有效控制范圍內，蔬菜長勢良好，產量可觀，蔬菜品質指標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定生產出高品質蔬菜。
前言
植物工廠可以大幅提高單位土地利用率、產出率和經濟效益，自動化程度高，具有生產計劃性，使農產品安全無污染，生產操作省力等特點。在極端惡劣的環境條件進行生產，有利于擺脫資源與環境的限制，實現農業的可持續發展。因此，植物工廠被認為是21世紀解決世界資源、人口和環境問題的重要途徑，也是未來高科技工程(如航天工程、海洋探索過程)中實現食物自給的重要途徑。目前，僅有日本、美國和荷蘭等少數發達國家掌握這項技術，中國的發展還在起步階段。
微型植物工廠是將植物工廠的技術進一步濃縮，集成在一個很小密閉的空間里，通過智能自動控制系統調控植物生長的環境，為作物提供適宜的光照、溫度、濕度環境，以及合理比例的營養液。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，密閉的環境可以使內部種植環境與外界環境隔離。本文針對北京京東方能源科技有限公司研發的集裝箱植物工廠做了相關介紹，分析探討該集裝箱植物工廠的內外部結構特點和物聯網遠程控制技術。
集裝箱植物工廠結構集裝箱箱體結構
集裝箱植物工廠由集裝箱外殼、栽培系統、環境調控系統、營養液循環系統、物聯網遠程操控系統等組成，實物如圖1所示。常用的規格為40尺集裝箱植物工廠，內徑：12024mmx2352 mmx2390 mm(圖la)；20尺集裝箱植物工廠的內徑：5898 mm x 2352 mm x 2390 mm(圖1b)，或者依使用者需求定做尺寸。殼體為標準規格的集裝箱，集裝箱內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中墻體的清潔。升、降溫系統主要采用空調來調控，搭配新風系統，保障內部空氣的流通性。
栽培種植結構
栽培系統采用方便拆卸的鋁合金栽培層架(圖2a)，栽培架一般為4層式結構；外箱和種植板為PVC發泡板，利用內設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)，每層的回水管設置濾網和水位控制閥，這種設計避免了殘根和雜物堵塞管道，還可以調整栽培槽的水位。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置36個定植孔，其中最下層設置一次分苗栽培板，共有192個定植孔(圖2c)。
供液系統分為營養液循環系統和自動配肥系統。一個集裝箱植物工廠只需一套配肥系統，共設置A、B、C體積為20L的3個母液桶，母液桶內部設置自動攪拌裝置。根據中控系統的進液量控制，自動將適當的母液打入下方的總液箱(圖3)，再由總液箱輸送到每個栽培架下方的貯液槽中。
營養液循環系統主要由營養液貯液槽、循環泵、營養液供液管路、營養液回液管路等裝置組成，主要功能是使營養液在栽培槽中循環流動。列栽培架下各有2個貯液槽貯液槽內的循環泵可將營養液供給到上部栽培架植物，保證植物的正常生長，營養液再經過過濾孔流回貯液槽。貯液槽內設置有高、低水位液位器和EC、pH、溫度傳感器，進水、進液、出水口，可以自動控制補液量、補液濃度和補水量。
補光系統結構
光質會影響植物的生物合成，光配方的變化會影響蔬菜化學成分的含量1-4。UV-A可誘導生菜田的花青素積累；藍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增長6%；不同的R/FR比會使在一些物種中花青素含量降低179]。經過光學試驗，該集裝箱使用的LED燈的紅光波段為660nm，藍光波段為450nm，光譜分布見圖4，具體光參數和電參數見表1。為了滿足種植架種植空間的充分應用，植物照明設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燈可根據植物生長需求與光合反應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燈條采用合理紅藍光配比，柔和白光的視覺設計，不會刺激人眼。環境調控系統結構
每種作物都有自己適合的生長環境，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境控制系統主要利用空調、排風扇的作用，空調控制溫度、濕度變化；風機、排氣扇促進內部空氣流通，通風散熱；CO2，裝置可調節室內氣體變化。
有數據顯示，在外界空氣溫度允許的情況下，利用風機引進外界低溫空氣降溫，通過減少空調的運行時間，特別是在低制冷負荷下的運行時間，可以增加其節能效果，降低其運行成本。與僅利用空調進行植物工廠內溫度調控相比，利用風機和空調協同降溫方法，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
智能控制系統
智能控制系統由各控制參數的傳感器及各種智能設備連接起來，以計算機系統為核心，實現數據監測采集，信息反饋工作命令控制執行。本集裝箱植物工廠智能系統主要用于植物工廠內環境的調控，包括溫度、濕度的實時監測，并根據目標溫度調節制冷、供暖濕度，實現營養液分層循環、定時供液，能夠按照設定時間自動控制LED 光源的閉合與斷開，實現不同光照周期的轉換、自動配肥和營養液循環灌溉控制2。自動控制系統主要包括控制器、傳感器(溫濕度、液位)和觸摸操作屏(圖5)。
物聯網遠程 APP 端操作系統
環境控制和信息技術在可控環境農業生產中的廣泛應用是獲得優質作物產品和降低生產成本的基礎手段和一項必不可少的核心技術3。集裝箱植物工廠物聯網平臺是基于植物工廠集裝箱設備的遠程監控平臺，對接植物工廠生產需求，便于員工遠程控制集裝箱開關和參數，遠程監控集裝箱環境數據，方便生產管理。其功能有遠程監管、遠程控制、多對多管理。遠程監管可通過移動設備遠程查看集裝箱環境數據和開關時間以及時長；遠程控制可通過傳感器反饋環境參數信息，遠程控制集裝箱營養液循環、環控、LED燈等設備的參數設置；多對多管理，集裝箱設備支持多用戶監控管理，同時用戶也可以監管多個集裝箱設備，物聯網遠程APP端系統界面見圖6，系統構架圖見圖7。
集裝箱植物工廠生產性能測試
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所示數據。由試驗數據可知，栽培間溫濕度穩定，可以控制在溫度精度±1℃，濕度精度±3%的范圍內。另外，由溫、濕度數據也可看出白天的溫度要略高于設定值，夜間濕度也要略高于設定值。白天外界陽光的作用再加之補光燈的散熱，會適當抵消空調的制冷效果，夜間環境的濕度較大，并且為了大環境的保溫效果，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短，單株產量比日光溫室作業高、生長速度快。選取“奶油生菜”和“菜心”各2kg進行營養成分檢測，檢測結果如表3所示。其中水培蔬菜的亞硝酸鹽含量達標，蛋白質、可溶性糖、總膳食纖維含量均高于日光溫室的同等作物。
結束語
與其他植物工廠相比，集裝箱植物工廠以標準集裝箱作為基本生產單元，具有內部配套環境設施、栽培設施、智能控制系統，且方便移動，能夠進行更好的環境管控。內部栽培架可根據空間的大小，設置成4層或者5層結構，同時可拆卸和可移動的設置方便了客戶對栽培結構的調整。環境控制系統采用空調和風機共同協調溫度的技術，方便更換模式，更加節能。光照條件根據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；智能控制系統和遠程操控系統，為多對多管理提供了更加便捷的途徑。經過數月的運行測試，2茬的栽培試驗的檢測，表明蔬菜所需的氣候環境和營養液環境可以控制在有效控制范圍內，蔬菜長勢良好，產量可觀，蔬菜品質指標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定生產出高品質蔬菜。
來源：《農業工程技術》
作者：孫朝華 李 開 徐海軍 秦 清