【摘要】集装箱植物工厂是一种自动化程度高、不受外界环境限制的微型植物工厂。本文介绍了集装箱植物工厂的外部结构、栽培系统、补光系统、环境控制系统、智能控制系统和远程操作系统，并通过2茬的生产测试，2种叶菜品种生长周期均比日光温室作业短，单株产量比日光温室作业高、生长速度快，生长性能更加稳定。
前言
植物工厂可以大幅提高单位土地利用率、产出率和经济效益，自动化程度高，具有生产计划性，使农产品安全无污染，生产操作省力等特点。在极端恶劣的环境条件进行生产，有利于摆脱资源与环境的限制，实现农业的可持续发展。因此，植物工厂被认为是21世纪解决世界资源、人口和环境问题的重要途径，也是未来高科技工程(如航天工程、海洋探索过程)中实现食物自给的重要途径。目前，仅有日本、美国和荷兰等少数发达国家掌握这项技术，中国的发展还在起步阶段。
微型植物工厂是将植物工厂的技术进一步浓缩，集成在一个很小密闭的空间里，通过智能自动控制系统调控植物生长的环境，为作物提供适宜的光照、温度、湿度环境，以及合理比例的营养液。集装箱型植物工厂是微型植物工厂的一种代表形式。箱体全部由铁皮包裹，便于运输，密闭的环境可以使内部种植环境与外界环境隔离。本文针对北京京东方能源科技有限公司研发的集装箱植物工厂做了相关介绍，分析探讨该集装箱植物工厂的内外部结构特点和物联网远程控制技术。
集装箱植物工厂结构集装箱箱体结构
集装箱植物工厂由集装箱外壳、栽培系统、环境调控系统、营养液循环系统、物联网远程操控系统等组成，实物如图1所示。常用的规格为40尺集装箱植物工厂，内径：12024mmx2352 mmx2390 mm(图la)；20尺集装箱植物工厂的内径：5898 mm x 2352 mm x 2390 mm(图1b)，或者依使用者需求定做尺寸。壳体为标准规格的集装箱，集装箱内壁先贴一层石棉隔热层，外面再贴一层彩钢板，使墙体更加美观，同时有助于箱体的保温和生产中墙体的清洁。升、降温系统主要采用空调来调控，搭配新风系统，保障内部空气的流通性。
栽培种植结构
栽培系统采用方便拆卸的铝合金栽培层架(图2a)，栽培架一般为4层式结构；外箱和种植板为PVC发泡板，利用内设卡扣将其固定在栽培层架上，方便拆卸、视觉美观。每层栽培空间上方布置有LED植物灯条，下方布置栽培槽，栽培槽为管道式，采用上下分体式栽培槽，每一层又独立分为3条栽培槽(图2b)，每层的回水管设置滤网和水位控制阀，这种设计避免了残根和杂物堵塞管道，还可以调整栽培槽的水位。栽培槽上盖有栽培板，并留有栽培孔，一般一组栽培架一层设置36个定植孔，其中最下层设置一次分苗栽培板，共有192个定植孔(图2c)。
供液系统分为营养液循环系统和自动配肥系统。一个集装箱植物工厂只需一套配肥系统，共设置A、B、C体积为20L的3个母液桶，母液桶内部设置自动搅拌装置。根据中控系统的进液量控制，自动将适当的母液打入下方的总液箱(图3)，再由总液箱输送到每个栽培架下方的贮液槽中。
营养液循环系统主要由营养液贮液槽、循环泵、营养液供液管路、营养液回液管路等装置组成，主要功能是使营养液在栽培槽中循环流动。列栽培架下各有2个贮液槽贮液槽内的循环泵可将营养液供给到上部栽培架植物，保证植物的正常生长，营养液再经过过滤孔流回贮液槽。贮液槽内设置有高、低水位液位器和EC、pH、温度传感器，进水、进液、出水口，可以自动控制补液量、补液浓度和补水量。
补光系统结构
光质会影响植物的生物合成，光配方的变化会影响蔬菜化学成分的含量1-4。UV-A可诱导生菜田的花青素积累；蓝光可增加番茄花青素的含量(,同时可增加生菜和小松菜中的的抗坏血酸含量；红光还可使生菜中的类酚类物质增长6%；不同的R/FR比会使在一些物种中花青素含量降低179]。经过光学试验，该集装箱使用的LED灯的红光波段为660nm，蓝光波段为450nm，光谱分布见图4，具体光参数和电参数见表1。为了满足种植架种植空间的充分应用，植物照明设备需选择防水性能好，安装方便，空间占用体积小的条形灯类别。LED灯可根据植物生长需求与光合反应吸收相符合的特性光谱提供不同波长的单色光。该集装箱使用的LED灯条采用合理红蓝光配比，柔和白光的视觉设计，不会刺激人眼。
环境调控系统结构
每种作物都有自己适合的生长环境，苣科植物喜凉，最适温度为 18~22℃。叶菜种植集装箱白天可将温度控制在15~26℃；夜间控制在10~18℃最适温度为10~15℃，尽量保证昼夜温差6~10℃。集装箱植物工厂的环境控制系统主要利用空调、排风扇的作用，空调控制温度、湿度变化；风机、排气扇促进内部空气流通，通风散热；CO2，装置可调节室内气体变化。
有数据显示，在外界空气温度允许的情况下，利用风机引进外界低温空气降温，通过减少空调的运行时间，特别是在低制冷负荷下的运行时间，可以增加其节能效果，降低其运行成本。与仅利用空调进行植物工厂内温度调控相比，利用风机和空调协同降温方法，明期能耗减少了36.6%~82.0%，暗期能耗减少了16.3%~64.2%。
集装箱植物工厂智能控制系统
智能控制系统
智能控制系统由各控制参数的传感器及各种智能设备连接起来，以计算机系统为核心，实现数据监测采集，信息反馈工作命令控制执行。本集装箱植物工厂智能系统主要用于植物工厂内环境的调控，包括温度、湿度的实时监测，并根据目标温度调节制冷、供暖湿度，实现营养液分层循环、定时供液，能够按照设定时间自动控制LED 光源的闭合与断开，实现不同光照周期的转换、自动配肥和营养液循环灌溉控制2。自动控制系统主要包括控制器、传感器(温湿度、液位)和触摸操作屏(图5)。
物联网远程 APP 端操作系统
环境控制和信息技术在可控环境农业生产中的广泛应用是获得优质作物产品和降低生产成本的基础手段和一项必不可少的核心技术3。集装箱植物工厂物联网平台是基于植物工厂集装箱设备的远程监控平台，对接植物工厂生产需求，便于员工远程控制集装箱开关和参数，远程监控集装箱环境数据，方便生产管理。其功能有远程监管、远程控制、多对多管理。远程监管可通过移动设备远程查看集装箱环境数据和开关时间以及时长；远程控制可通过传感器反馈环境参数信息，远程控制集装箱营养液循环、环控、LED灯等设备的参数设置；多对多管理，集装箱设备支持多用户监控管理，同时用户也可以监管多个集装箱设备，物联网远程APP端系统界面见图6，系统构架图见图7。
集装箱植物工厂生产性能测试
京东方植物工厂栽培测试蔬菜主要以叶菜为主，有苣科植物“奶油生菜”、十字花科植物“广东菜心”。通过2个生长周期的试验，得到表2所示数据。由试验数据可知，栽培间温湿度稳定，可以控制在温度精度±1℃，湿度精度±3%的范围内。另外，由温、湿度数据也可看出白天的温度要略高于设定值，夜间湿度也要略高于设定值。白天外界阳光的作用再加之补光灯的散热，会适当抵消空调的制冷效果，夜间环境的湿度较大，并且为了大环境的保温效果，换气频率会低一些，所以夜间换气除湿效果会比白天差一些。
京东方集装箱植物工厂栽培的2种叶菜品种生长周期均比日光温室作业短，单株产量比日光温室作业高、生长速度快。选取“奶油生菜”和“菜心”各2kg进行营养成分检测，检测结果如表3所示。其中水培蔬菜的亚硝酸盐含量达标，蛋白质、可溶性糖、总膳食纤维含量均高于日光温室的同等作物。
结束语
与其他植物工厂相比，集装箱植物工厂以标准集装箱作为基本生产单元，具有内部配套环境设施、栽培设施、智能控制系统，且方便移动，能够进行更好的环境管控。内部栽培架可根据空间的大小，设置成4层或者5层结构，同时可拆卸和可移动的设置方便了客户对栽培结构的调整。环境控制系统采用空调和风机共同协调温度的技术，方便更换模式，更加节能。光照条件根据植物生长灯的光谱需求，完全满足植物的生长周期对光的需求；智能控制系统和远程操控系统，为多对多管理提供了更加便捷的途径。经过数月的运行测试，2茬的栽培试验的检测，表明蔬菜所需的气候环境和营养液环境可以控制在有效控制范围内，蔬菜长势良好，产量可观，蔬菜品质指标均高于日光温室种植的蔬菜。由此可见集装箱植物工厂可以稳定生产出高品质蔬菜。
来源：《农业工程技术》
作者：孙朝华 李 开 徐海军 秦 清
