新型LED植物工廠

方案類型: 智慧農(nóng)業(yè)

 植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是一種高投入、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系，集生物技術(shù)、工程技術(shù)和系統(tǒng)管理于一體，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來.按計(jì)劃周年性進(jìn)行植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。植物工廠通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育的溫度、濕度、光照、CO?濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)。

     小型植物工廠占地面積在200-500平方米，由于種植空間小，投資額相對(duì)小，溫度調(diào)節(jié)的效率高，自動(dòng)化設(shè)備也可以進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，如自動(dòng)化設(shè)備也可以更改為手動(dòng)控制，檢測設(shè)備也可以把無線數(shù)據(jù)傳輸改為人工巡視，不需要自動(dòng)化播種設(shè)備和自動(dòng)傳輸與采摘設(shè)備，這種小型植物工廠同樣可以完成植物工廠的設(shè)計(jì)目標(biāo)，小型植物工廠可以連鎖方式實(shí)現(xiàn)規(guī)模化經(jīng)營。

     植物工廠一般分為三個(gè)類型，即：

人工光利用型植物工廠；

太陽光利用型植物工廠；

太陽光與人工光并用型植物工廠。  

其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

  

圖1 不同類型優(yōu)缺點(diǎn)

    利用無線GSM網(wǎng)絡(luò)，并通過各種外接傳感器可對(duì)農(nóng)田作物生長環(huán)境溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)以及作物圖像實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測，圖像、環(huán)境數(shù)據(jù)通過GPRS傳回到管理中心，管理者通過后臺(tái)數(shù)據(jù)匯總分析農(nóng)田環(huán)境、蟲害情況，及時(shí)作出預(yù)防措施，同時(shí)管理者也可通過后臺(tái)管理中心設(shè)置定時(shí)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、圖片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳感與執(zhí)行層：

       該層將數(shù)據(jù)傳感器的采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee和Rs485/232兩種模式上傳至網(wǎng)關(guān)。根據(jù)傳輸方式的不同，溫室現(xiàn)場部署分為無線版和有線版兩種。無線版采用ZigBee發(fā)送模塊將傳感器的數(shù)值傳送到zigBee節(jié)點(diǎn)上；有線版采用電纜方式將數(shù)據(jù)傳送到Rs485/232節(jié)點(diǎn)上。無線版具有部署靈活，擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)；有線版具有高速部署，數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

       無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長所需的溫室內(nèi)的溫度，濕度信號(hào)以及光照、土壤溫度、土壤含水量、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)并上傳到ZigBee網(wǎng)關(guān)。

       接收遠(yuǎn)程控制指令，通過繼電器控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，包括：噴淋、滴灌等噴水系統(tǒng)和卷簾、風(fēng)機(jī)等空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

       通過IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭可實(shí)時(shí)對(duì)作物情況、人員和安全視頻流上傳至服務(wù)器。

傳輸層：

       該層主要將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，通過3G/GPRS/Inernet網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器上，在傳輸協(xié)議上支持IPv4現(xiàn)網(wǎng)協(xié)議及下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6協(xié)議。

應(yīng)用層：

       該層負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和信息處理，為用戶提供分析和決策依據(jù)，用戶可隨時(shí)隨地通過電腦和手機(jī)等終端進(jìn)行查詢。

用戶終端：

       3G手機(jī)、PC機(jī)終端通過接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看各種由傳感器傳來的數(shù)據(jù)。

     豐富多樣的傳感器：

圖3 傳感器類型

      農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的傳感器種類繁多，根據(jù)作物的不同，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、土壤ph值、光照（強(qiáng)度、時(shí)間）、風(fēng)力、二氧化碳濃度（也可測其他氣體濃度）、溶解氧含量、葉面水份等200多種傳感器，其中溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度是最主要的幾種農(nóng)業(yè)用傳感器。

  系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)方面采取了多種制式，遠(yuǎn)程通訊采用3G無線網(wǎng)絡(luò)，近距離傳輸采取無線ZigBee模式，保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      本系統(tǒng)主要是人工光利用型植物工廠，它是在完全密閉可控的環(huán)境下彩人工光源和營養(yǎng)液栽培技術(shù)，在幾乎不受外界氣候條件影響的環(huán)境下，進(jìn)行植物周年生產(chǎn)的一種方式，主要特征如下：

1、  建筑結(jié)構(gòu)為全封閉式，密閉性強(qiáng)，屋頂及墻壁材料不透光，隔熱性較好；

2、  只利用人工光源，光源特性較好，如LED燈；

3、  采用植物在線檢測和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，對(duì)植物生長過程進(jìn)行連續(xù)檢測和信息處理；

4、  采用營養(yǎng)液栽培方式，完全不用土壤甚至基質(zhì)；

5、  可以有效地抑制害蟲和病原微生物的侵入，在不使用農(nóng)藥的前提下實(shí)現(xiàn)無污染生產(chǎn)；

6、  對(duì)設(shè)施內(nèi)光照、溫度、濕度、CO2濃度以及營養(yǎng)液等要素違約金可進(jìn)行精密控制，明、暗期長短可任意調(diào)節(jié)、植物生長較穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)周年均衡生產(chǎn)；

7、  系統(tǒng)技術(shù)裝備和設(shè)施建設(shè)費(fèi)用高，能源消耗大，運(yùn)行成本較高，因此當(dāng)前階段適合高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的農(nóng)作物生產(chǎn)。

       在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，植物工廠以外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及各功能單元為基礎(chǔ)，通過營養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)、多層立體栽培系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)和凈化系統(tǒng)、CO2氣肥釋放系統(tǒng)、人工光源系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成，全天候保障工廠的運(yùn)行與智能化管理。