溫室園藝 2020 03 9 數(shù)字溫室 本 劃 期 Special Planning 溫室設(shè)備與 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 環(huán)境控制計(jì)算機(jī) Greenhouse actuators sensors setpoints AI 植物護(hù)理 AI 算法 輸入 關(guān)于氣候 灌溉與植物 的控制設(shè)置 輸出 現(xiàn)實(shí)的氣候 灌溉 測(cè)量的作物參數(shù)等 屋頂通風(fēng) 人工光源 黃瓜植株 傳感 器與 信息 灌溉 CO 2 加熱 幕布 溫室園藝 2020 03 10 本 期 策 劃 Special Planning 數(shù)字溫室 數(shù)字化生產(chǎn)植物工廠的構(gòu)建 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 07 001 設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn) 近年來(lái) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 自 動(dòng)化裝備技術(shù) 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及 人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展 極 大地推動(dòng)了設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù) 的發(fā)展 與大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相比 設(shè)施農(nóng)業(yè)具有生產(chǎn)空間固定 生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定 作業(yè)條件 人為干預(yù)便利的特點(diǎn) 有利于 推廣使用先進(jìn)的工業(yè)裝備技術(shù) 和計(jì)算機(jī)技術(shù) 這已被以荷蘭 為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)先進(jìn)國(guó) 家所證明 設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)中 的數(shù)字化代表的是利用計(jì)算機(jī) 對(duì)設(shè)施生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)控制 并 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理 如圖 1 所示 設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn) 主要包含作業(yè)控制數(shù)字化 生 產(chǎn)管理數(shù)字化和品質(zhì)管理數(shù)字 化 其中作業(yè)控制數(shù)字化是核 心執(zhí)行內(nèi)容 其含義是利用先 進(jìn)的生產(chǎn)裝備進(jìn)行生產(chǎn) 在計(jì) 算機(jī)的控制下進(jìn)行環(huán)境調(diào)控 水肥供給 作業(yè)對(duì)象搬運(yùn)等作 業(yè) 生產(chǎn)管理數(shù)字化是對(duì)生產(chǎn) 對(duì)象 生產(chǎn)人員及環(huán)境條件 等生產(chǎn)要素進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理 目的是快速掌握生產(chǎn)裝備的 運(yùn)行合理性 準(zhǔn)確核算生產(chǎn)成 本 擴(kuò)大生產(chǎn)的可預(yù)見性 品 質(zhì)管理數(shù)字化是數(shù)字化生產(chǎn) 對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的重要改變 內(nèi)容 其目的是針對(duì)種植對(duì)象 的成品甚至是種植過(guò)程中的 表型形態(tài)和品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè) 存 儲(chǔ) 比對(duì) 結(jié)合實(shí)際實(shí)施的種 植環(huán)境 水肥條件等的生產(chǎn)效 果 合理修改環(huán)境 水肥等生 產(chǎn)要素 力求達(dá)到高產(chǎn) 高品 質(zhì)生產(chǎn) 最終達(dá)到生產(chǎn) 效益 最優(yōu)化 圖 2 進(jìn)一步說(shuō)明了設(shè)施生 產(chǎn)的作業(yè)控制數(shù)字化 該圖表 明其主要控制對(duì)象是針對(duì)種植 對(duì)象實(shí)施的溫濕度 光照 水 肥 二氧化碳?xì)庹{(diào) 病蟲害植 保等重要生產(chǎn)要素 根據(jù)圖 2 的流程 設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)作業(yè) 是在種植對(duì)象生長(zhǎng)模型的指導(dǎo) 下 合理管控各個(gè)生產(chǎn)要素 力求達(dá)到生產(chǎn)產(chǎn)品的高產(chǎn) 高 品質(zhì)生產(chǎn) 另外 對(duì)于設(shè)施數(shù) 字化生產(chǎn) 通過(guò)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)字 化品質(zhì)管理 向植物生長(zhǎng)模型 反饋生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù) 配合生產(chǎn) 要素的數(shù)字化控制 使系統(tǒng)具 備對(duì)生產(chǎn)模型合理性監(jiān)測(cè) 環(huán) 境因素自調(diào)節(jié)等功能 對(duì)于設(shè) 施生產(chǎn)數(shù)字化作業(yè) 必須具有 一個(gè)關(guān)鍵條件 即種植對(duì)象的 生長(zhǎng)模型 先進(jìn)設(shè)施作業(yè)裝備 系統(tǒng)中 如果沒(méi)有植物生長(zhǎng)模 型或是模型不合理 生產(chǎn)雖可 進(jìn)行 但是都將無(wú)法達(dá)到理想 效果 傳統(tǒng)設(shè)施生產(chǎn)都是依靠 種植者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn) 但是 近年植物表型研究的各類成果 表明 人工的經(jīng)驗(yàn)難以深達(dá)植 物生長(zhǎng)機(jī)理的優(yōu)化層面 需通 過(guò)數(shù)字化的表型研究獲取植物 生長(zhǎng)模型才能達(dá)到生產(chǎn)效果 這也正是國(guó)內(nèi)大部分溫室生產(chǎn) 的產(chǎn)量難以比擬國(guó)外高水平種 植模式下產(chǎn)量的原因 因此 結(jié)構(gòu)合理的設(shè)施 先進(jìn)的裝備 系統(tǒng)僅僅是設(shè)施生產(chǎn)數(shù)字化的 基礎(chǔ) 而高產(chǎn) 高品質(zhì)生產(chǎn)的 設(shè)施數(shù)字化作業(yè) 作業(yè)控制數(shù)字化 生產(chǎn)管理數(shù)字化 品質(zhì)管理數(shù)字化 設(shè)施生產(chǎn)數(shù)字化作業(yè) 數(shù)字化作業(yè)控制 高產(chǎn)高品質(zhì)生產(chǎn) 數(shù)字化品質(zhì)管理 植物生長(zhǎng)模型 溫濕度 光照 水肥 氣調(diào) 植保 圖 1 設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)的基本構(gòu)成 圖 2 設(shè)施生產(chǎn)數(shù)字化作業(yè)的基本流程 溫室園藝 2020 03 11 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 靈魂是要具備優(yōu)化 合理的種 植對(duì)象生長(zhǎng)模型 這還需要大 量的深入研究工作 數(shù)字化生產(chǎn)植物工廠的 構(gòu)建 基于以上設(shè)施數(shù)字化生 產(chǎn)的基本理念 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 結(jié)合溫室生產(chǎn)構(gòu)建了植物工廠 立體栽培葉菜 種苗智能生產(chǎn) 系統(tǒng) 圖 3 該智能系統(tǒng)可 進(jìn)行溫度 濕度 光照 營(yíng)養(yǎng) 液供給 品質(zhì)檢測(cè) 操作人員 作業(yè)管理 種植板自動(dòng)立體輸 送 精量播種等調(diào)節(jié)和作業(yè) 智能系統(tǒng)主要由植物工廠結(jié)構(gòu) 單元 溫濕度控制單元 光環(huán) 境控制單元 水肥一體化供給 單元 品質(zhì)檢測(cè)單元 操作人 員管理單元 自動(dòng)化生產(chǎn)裝備 單元 控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理 單元構(gòu)成 根據(jù)以上植物工廠數(shù)字化 生產(chǎn)的構(gòu)架 目前華南農(nóng)業(yè)大 學(xué)植物工廠在逐步實(shí)施各項(xiàng)數(shù) 字化生產(chǎn)內(nèi)容 已開始進(jìn)行水 培葉菜及蔬菜種苗的生產(chǎn)試驗(yàn) 及相關(guān)科學(xué)研究 圖 4 具 體實(shí)施結(jié)果如下 植物工廠內(nèi)部環(huán)境通過(guò) 工業(yè)空調(diào)自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部溫度與 相對(duì)濕度 調(diào)節(jié)介質(zhì)采用側(cè)墻 橫向通風(fēng)形式 內(nèi)部不同位置 及不同層高設(shè)置多點(diǎn)溫 濕度 傳感器 數(shù)據(jù)通過(guò)環(huán)境參數(shù)無(wú) 線發(fā)射器發(fā)送到控制系統(tǒng) 為 便于生產(chǎn)人員及時(shí)監(jiān)控 快速 反應(yīng)控制環(huán)境 控制系統(tǒng)采用 手機(jī) APP 監(jiān)控 圖 5 為溫濕 度監(jiān)控系統(tǒng)裝置及控制界面 該 APP 監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)通過(guò) Wi Fi 上網(wǎng)查看植物工廠內(nèi)部 各點(diǎn)的溫 濕度情況 具有遠(yuǎn) 程報(bào)警功能 并且系統(tǒng)通過(guò)云 端記錄的溫 濕度歷史參數(shù) 可便捷地繪制 顯示各時(shí)段的 溫 濕度變化曲線 為分析生 產(chǎn)狀況提供了有效歷史數(shù)據(jù) 如圖6 所示 營(yíng)養(yǎng)液參 數(shù)監(jiān)控同樣采用 APP 監(jiān) 控 圖 4 種植工廠中種植的葉菜和蔬菜種苗 奶油生菜 芥藍(lán) 紅腳芥藍(lán) 辣椒種苗 植物工廠基本功能 植物工廠立體育苗對(duì)象 植物工廠立體栽培種苗智能生產(chǎn)系統(tǒng) 控溫 控濕 營(yíng)養(yǎng)液 人工光 人工光 通風(fēng)機(jī) 清水灌 母液灌 水肥一體化系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)智能裝備控制與生產(chǎn)管理系統(tǒng) 溫度傳感器 濕度傳感器 蔬菜種苗 水果種苗 花卉種苗 通風(fēng) 種苗移植機(jī) 種苗品質(zhì) 檢測(cè)相機(jī) 長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)相機(jī) 穴盤 自動(dòng) 輸出機(jī) 穴盤 自動(dòng) 輸入機(jī) 穴盤信息 采集相機(jī) 輸出輸送帶 輸入輸送帶 精量播種機(jī) 勞動(dòng)力條碼管理 圖 3 數(shù)字化生產(chǎn)植物工廠構(gòu)架 溫室園藝 2020 03 12 本 期 策 劃 Special Planning 數(shù)字溫室 通過(guò) Wi Fi 上網(wǎng)查看植物工廠 營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)情況 營(yíng)養(yǎng)液監(jiān)控 也采用多點(diǎn)參數(shù)監(jiān)控 具有遠(yuǎn) 程報(bào)警功能 系統(tǒng)實(shí)時(shí)在手機(jī) APP 上顯示營(yíng)養(yǎng)液的 EC pH 和營(yíng)養(yǎng)液溫度 具有依據(jù)云端 記錄數(shù)據(jù)繪制 顯示各時(shí)段的 EC pH 以及營(yíng)養(yǎng)液溫度變化 曲線功能 光源是植物工廠進(jìn)行栽培 生產(chǎn)的重要因素 該植物工廠 光源為紅 藍(lán) 白 3 通道 如 圖 7 所示 光源系統(tǒng)可通過(guò)手 機(jī) APP 監(jiān)控光源的光照強(qiáng)度 并可依據(jù)不同的栽培單元 分 別設(shè)定 3 通道的光照強(qiáng)度和光 照時(shí)間 植物工廠為合理利用栽培 空間 提高運(yùn)營(yíng)效益 多采用 高密度立體栽培 當(dāng)立體栽培 達(dá)到一定規(guī)模 依靠人工搬運(yùn) 種植板已無(wú)法滿足規(guī)模化生產(chǎn) 需求 該植物工廠采用種植板 自動(dòng)輸送裝備系統(tǒng) 完成種植 板的立體輸送 該輸送系統(tǒng)主 要由種植板輸入輸出升降機(jī)和 種植板推送升降機(jī)組成 如圖 8 所示 種植板輸入時(shí) 由輸 入輸出升降機(jī)端送入不同立體 栽培架不同層 種植板輸出時(shí) 首先推送機(jī)在欲輸出的立體栽 培架的層內(nèi)將種植板推送至輸 入輸出端 配合種植板輸入輸 出升降機(jī)將種植板輸出 通過(guò) 設(shè)定輸入 輸出種植板數(shù)量及 位置 可實(shí)現(xiàn)種植板的自動(dòng)輸 入輸出作業(yè) 圖 9 為通過(guò)機(jī)器視覺(jué)考察 不同光照條件下該植物工廠種 植對(duì)象的表型特征 可用來(lái)建 立種植對(duì)象的光照模型 進(jìn)行 種植對(duì)象的品質(zhì)監(jiān)測(cè) 圖 5 環(huán)境參數(shù)監(jiān)控 環(huán)境參數(shù)無(wú)線發(fā)射器 環(huán)境參數(shù)監(jiān)控界面 單點(diǎn)溫度變化曲線 單點(diǎn)相對(duì)濕度變化曲線 圖 6 營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)監(jiān)控 營(yíng)養(yǎng)液監(jiān)控界面 單點(diǎn) EC 變化曲線 單點(diǎn) pH 變化曲線 單點(diǎn)夜溫變化曲線 溫室園藝 2020 03 13 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 核算生產(chǎn)成本 力求高產(chǎn) 高 品質(zhì)生產(chǎn) 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn) 效益最 優(yōu)化 最終達(dá)到與露地 溫室 相比具有效益優(yōu)勢(shì)的水平 據(jù) 此 我國(guó)植物工廠數(shù)字化生產(chǎn) 還有很長(zhǎng)的路要走 本文植物 工廠也僅僅探索了一些數(shù)字化 生產(chǎn)的基本功能 并且在各單 元控制系統(tǒng)整合與單元間數(shù)字 文件傳輸協(xié)調(diào)方面還需要進(jìn)一 步探索與努力 項(xiàng)目支持 國(guó)家十三五重點(diǎn) 研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 溫室水培葉菜 智能化生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備研發(fā) 2017YFD0701504 廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng) 目 植物工廠立體育苗生 產(chǎn)智能裝備研究與示范 2019B020222004 廣 東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵 技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目 2019KJ131 作者簡(jiǎn)介 辜松 男 教授 研 究方向 設(shè)施園藝智能裝備 圖 7 光照參數(shù)監(jiān)控 紅 藍(lán) 白三色光條同時(shí)照射的狀況 光照參數(shù)監(jiān)控界面 光照通道設(shè)定界面 圖 8 種植板立體輸送裝備 種植板輸出入輸出升降機(jī) 種植板推送升降機(jī) 種植板輸出 種植板輸入 圖 9 種植對(duì)象品質(zhì)檢測(cè) 品質(zhì)檢測(cè)對(duì)象 基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)不同光環(huán)境下表型特征 結(jié)束語(yǔ) 植物工廠常被認(rèn)為是在密 閉空調(diào)維護(hù)內(nèi) 植物在人工給 予生長(zhǎng)所需溫濕度 光照及營(yíng) 養(yǎng)等條件下進(jìn)行的生產(chǎn) 這僅 僅是早期植物工廠 擺脫自然 生長(zhǎng)環(huán)境的最基本要求 這樣 的生產(chǎn)條件僅適用于科學(xué)研究 與試驗(yàn) 無(wú)法在競(jìng)爭(zhēng)激烈的商 業(yè)市場(chǎng)下生產(chǎn)運(yùn)營(yíng) 植物工廠 利用數(shù)字化人工智能技術(shù) 基 于自動(dòng)化生產(chǎn)裝備實(shí)現(xiàn)高效規(guī) ?；a(chǎn) 基于植物生長(zhǎng)模型 通過(guò)計(jì)算機(jī)智能技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn) 環(huán)境因素控制 優(yōu)化生產(chǎn)管理