新型LED植物工厂

方案类型: 智慧农业

 植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来.按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来农业的发展方向。植物工厂通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO₂浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。

     小型植物工厂占地面积在200-500平方米，由于种植空间小，投资额相对小，温度调节的效率高，自动化设备也可以进行简化设计，如自动化设备也可以更改为手动控制，检测设备也可以把无线数据传输改为人工巡视，不需要自动化播种设备和自动传输与采摘设备，这种小型植物工厂同样可以完成植物工厂的设计目标，小型植物工厂可以连锁方式实现规模化经营。

     植物工厂一般分为三个类型，即：

人工光利用型植物工厂；

太阳光利用型植物工厂；

太阳光与人工光并用型植物工厂。

其优缺点如下：

图1 不同类型优缺点

    利用无线GSM网络，并通过各种外接传感器可对农田作物生长环境温度、湿度等环境参数以及作物图像实现实时远程监测，图像、环境数据通过GPRS传回到管理中心，管理者通过后台数据汇总分析农田环境、虫害情况，及时作出预防措施，同时管理者也可通过后台管理中心设置定时获取环境数据、图片。系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

传感与执行层：

       该层将数据传感器的采集的数据通过ZigBee和Rs485/232两种模式上传至网关。根据传输方式的不同，温室现场部署分为无线版和有线版两种。无线版采用ZigBee发送模块将传感器的数值传送到zigBee节点上；有线版采用电缆方式将数据传送到Rs485/232节点上。无线版具有部署灵活，扩展方便等优点；有线版具有高速部署，数据稳定等优点。

       无线传感器节点实时采集农作物生长所需的温室内的温度，湿度信号以及光照、土壤温度、土壤含水量、CO2浓度等环境参数并上传到ZigBee网关。

       接收远程控制指令，通过继电器控制各种农业生产设备，包括：喷淋、滴灌等喷水系统和卷帘、风机等空气调节系统等。

       通过IP网络摄像头可实时对作物情况、人员和安全视频流上传至服务器。

传输层：

       该层主要将设备采集到的数据，通过3G/GPRS/Inernet网络传送到服务器上，在传输协议上支持IPv4现网协议及下一代互联网IPv6协议。

应用层：

       该层负责对采集的数据进行存储和信息处理，为用户提供分析和决策依据，用户可随时随地通过电脑和手机等终端进行查询。

用户终端：

       3G手机、PC机终端通过接入网络实时查看各种由传感器传来的数据。

     丰富多样的传感器：

图3 传感器类型

      农业生产使用的传感器种类繁多，根据作物的不同，包括空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、土壤ph值、光照（强度、时间）、风力、二氧化碳浓度（也可测其他气体浓度）、溶解氧含量、叶面水份等200多种传感器，其中温度、湿度、光照、二氧化碳浓度是最主要的几种农业用传感器。

  系统在网络方面采取了多种制式，远程通讯采用3G无线网络，近距离传输采取无线ZigBee模式，保证网络系统的稳定运行。智慧农业监控系统网络拓扑结构如图4所示。

图5 网络拓扑结构

      本系统主要是人工光利用型植物工厂，它是在完全密闭可控的环境下彩人工光源和营养液栽培技术，在几乎不受外界气候条件影响的环境下，进行植物周年生产的一种方式，主要特征如下：

1、  建筑结构为全封闭式，密闭性强，屋顶及墙壁材料不透光，隔热性较好；

2、  只利用人工光源，光源特性较好，如LED灯；

3、  采用植物在线检测和网络管理技术，对植物生长过程进行连续检测和信息处理；

4、  采用营养液栽培方式，完全不用土壤甚至基质；

5、  可以有效地抑制害虫和病原微生物的侵入，在不使用农药的前提下实现无污染生产；

6、  对设施内光照、温度、湿度、CO2浓度以及营养液等要素违约金可进行精密控制，明、暗期长短可任意调节、植物生长较稳定，可实现周年均衡生产；

7、  系统技术装备和设施建设费用高，能源消耗大，运行成本较高，因此当前阶段适合高经济价值的农作物生产。

       在系统结构上，植物工厂以外围护结构及各功能单元为基础，通过营养液循环与控制系统、多层立体栽培系统、空气调节和净化系统、CO2气肥释放系统、人工光源系统以及计算机自动控制系统等子系统构成，全天候保障工厂的运行与智能化管理。