智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

魏相飛 何銳 張剛 劉向遠(yuǎn)

摘? 要 智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室以皖西學(xué)院校級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)——智能照明與顯示工程技術(shù)中心為依托，與六安地區(qū)的產(chǎn)學(xué)研合作企業(yè)合作，開展植物工廠自動(dòng)補(bǔ)光方面的研究。依托電氣與光電工程學(xué)院的電氣自動(dòng)化和光源與照明兩個(gè)專業(yè)，相關(guān)專業(yè)的教師和學(xué)生都可融入該創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，其專業(yè)技能在該創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室中可以得到最大限度發(fā)揮。各專業(yè)之間可以很好地融合，發(fā)揮各自的專業(yè)特長(zhǎng)，通力合作，為學(xué)生參加自動(dòng)控制、光電、照明設(shè)計(jì)相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽提供保障。

關(guān)鍵詞 智能化植物工廠;創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè);大學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

中圖分類號(hào)：G482? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）20-0016-03

Intelligent Plant Factory Maker Lab Construction//WEI Xiang-fei， HE Rui， ZHANG Gang， LIU Xiangyuan

Abstract The intelligent plant factory creates guest laboratory with

the innovation platform of West Anhui University school level science

and technology Intelligent Lighting and Display Engineering Tech-nology Center， and cooperation with the industry and research and

research cooperation enterprises in Lu'an area to carry out research

on auto lighting in plant. Depending on the electrical and Electrical Engineering Institute's electrical automation and lighting and ligh-ting two specialties， teachers and students of related specialties can be integrated into the creation laboratory， and their professional skills

can be maximally played in the creation of the guest laboratory. Va-rious majors can be well integrated， play their own professional ex-pertise， cooperate fully， to provide support for students to participate in automatic control， photoelectric， lighting design related discip-lines competition.

Key words intelligent plant factory; maker laboratory; innovation and entrepreneurship; innovation team of college students

1 引言

智能化植物工廠采用各種照明燈具（如LED、熒光燈、日光燈或白熾燈等光源）為植物提供光合作用所需的光照，并配備風(fēng)機(jī)、空調(diào)、自動(dòng)施肥系統(tǒng)、自動(dòng)噴灌系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)植物生長(zhǎng)所需的水分、溫度、CO2等進(jìn)行自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)[1-2]。與傳統(tǒng)的戶外種植方式、溫室大棚或者塑料大棚比，智能化植物工廠能夠精確調(diào)控溫度、濕度、水分和CO2濃度，防止外界不可調(diào)控的氣候和環(huán)境變化對(duì)植物生長(zhǎng)的不利影響，能夠像工廠一樣，常年批量生長(zhǎng)植物。

日本在植物工廠的研究和應(yīng)用方面起步較早，早在2009年就在相關(guān)高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了植物工廠技術(shù)的研發(fā)，掀起一場(chǎng)植物工廠建設(shè)的熱潮[3]。雖然中國(guó)對(duì)植物工廠的研究起步比較晚，但發(fā)展迅速，已經(jīng)有多家企業(yè)開展了植物工廠的建設(shè)并開始運(yùn)營(yíng)。尤其是最近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，德國(guó)在2013年率先提出工業(yè)4.0的概念，工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入以物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)為驅(qū)動(dòng)的智能制造時(shí)代[4]。

在智能制造時(shí)代，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈中研發(fā)與設(shè)計(jì)制造、生產(chǎn)與制造、營(yíng)銷與服務(wù)之間的界限被打破，企業(yè)的生產(chǎn)效率可以得到極大提高，生產(chǎn)更加具有針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品的私人定制，生產(chǎn)成本可以得到有效控制，能夠快速地對(duì)消費(fèi)者的需求做出反應(yīng)[4-5]。

智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室依托皖西學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院的電氣自動(dòng)化和光源與照明兩個(gè)專業(yè)，有很好的專業(yè)依托，相關(guān)專業(yè)的教師和學(xué)生都可融入該創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，其專業(yè)技能在該創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室中可以得到最大限度的發(fā)揮。各專業(yè)之間可以很好地融合，發(fā)揮各自的專業(yè)特長(zhǎng)，通力合作，將會(huì)獲得很好的鍛煉效果。因此，該創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室將為電氣與光電工程學(xué)院相關(guān)專業(yè)的學(xué)生提供一個(gè)交流和訓(xùn)練的平臺(tái)，不僅能夠產(chǎn)出一批專利成果，更為學(xué)生參加自動(dòng)控制、光電、照明設(shè)計(jì)相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽提供基礎(chǔ)。

以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為主題，以研究性學(xué)習(xí)和各類競(jìng)賽為抓手，建成智能化控制的植物生長(zhǎng)工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，使其成為開源、創(chuàng)新、協(xié)作、共享的智造平臺(tái);依托創(chuàng)客模式，構(gòu)建技能學(xué)習(xí)、實(shí)踐的環(huán)境，激發(fā)創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。開展智能控制植物生長(zhǎng)環(huán)境的研究工作，包括植物生長(zhǎng)燈具的開發(fā)與設(shè)計(jì)、植物生長(zhǎng)條件的智能化控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)光、自動(dòng)控溫、自動(dòng)調(diào)濕、自動(dòng)調(diào)節(jié)CO2濃度等。設(shè)計(jì)植物生長(zhǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，形成一批專利成果，建設(shè)一支專業(yè)和年級(jí)層次合理的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)、實(shí)踐、探究、創(chuàng)新的平臺(tái)。

2 階段目標(biāo)

植物工廠雖然可以對(duì)溫度、CO2濃度、空氣濕度、土壤溫度、光照強(qiáng)度及所需波段的光照進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，但有些生產(chǎn)環(huán)節(jié)（如種植和收獲過程以及對(duì)病蟲害的防治等）仍然需要大量人工，所以這些環(huán)節(jié)需要設(shè)計(jì)相關(guān)機(jī)械來完成。雖然自動(dòng)化程度提高了，但生產(chǎn)成本仍然居高不下，因此，如何降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，是智能化植物工廠亟待解決的難題。本實(shí)驗(yàn)室擬采用六安地區(qū)的特色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物（如霍山石斛、白芨等名貴中草藥）作為目標(biāo)培養(yǎng)對(duì)象。

初期目標(biāo)? 完成創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室人員分工和配置工作，完成植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室硬件部分的搭建工作，包括植物生長(zhǎng)燈具和智能化控制模塊的搭建工作，讓學(xué)生初步了解影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵要素，完成植物生長(zhǎng)燈具的設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制模塊的搭建。

中期目標(biāo)? 根據(jù)不同植物對(duì)光、溫度、二氧化碳濃度等的需求，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)光、自動(dòng)調(diào)溫和自動(dòng)調(diào)節(jié)CO2濃度，實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)的自動(dòng)化控制，并且能夠模擬自然生長(zhǎng)環(huán)境，讓學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出完整的智能化植物生長(zhǎng)系統(tǒng)，產(chǎn)出一批具有實(shí)用價(jià)值的成果。

終極目標(biāo)? 為學(xué)生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，為自動(dòng)控制、光電、照明設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)競(jìng)賽提供智力保障;完成智能化植物生長(zhǎng)工廠的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的自動(dòng)化控制，能夠固定產(chǎn)出一批包括專利在內(nèi)的有實(shí)用價(jià)值的成果;形成一支老生帶新生的創(chuàng)新梯隊(duì)，為學(xué)生營(yíng)造注重創(chuàng)意和創(chuàng)新的、面向體驗(yàn)的、智慧的創(chuàng)新平臺(tái)。

3 智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃

在原有LED封裝實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室和智能照明與顯示工程技術(shù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施上，配備智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)中心，其中包括創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)、作品展示區(qū)、創(chuàng)新設(shè)備存放區(qū)三個(gè)部分。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)：主要配備教學(xué)實(shí)驗(yàn)器材如投影儀、電腦等電子設(shè)備，同時(shí)提供智能化植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)箱，擺放相關(guān)的植物，并做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

作品展示區(qū)：主要是學(xué)生設(shè)計(jì)的各種自動(dòng)控制系統(tǒng)等相關(guān)作品，各種植物標(biāo)本，學(xué)生的獲獎(jiǎng)作品、獲獎(jiǎng)證書，歷屆團(tuán)隊(duì)成員情況及培訓(xùn)、參賽的照片。

教學(xué)設(shè)備存放區(qū)：主要是3D打印機(jī)、電機(jī)、控制器、電源、機(jī)器手臂、各式傳感器（數(shù)十種）等。

針對(duì)植物生長(zhǎng)所需，設(shè)計(jì)各種智能控制系統(tǒng)，滿足以下兩個(gè)研究任務(wù)。

1）溫室小氣候環(huán)境調(diào)控技術(shù)。溫室內(nèi)作物的生長(zhǎng)發(fā)育與其所處的小氣候環(huán)境緊密相關(guān)。環(huán)境因子包括溫度、相對(duì)濕度、光輻射強(qiáng)度和CO2濃度等，要想為作物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，就需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)各環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。針對(duì)霍山石斛、六安瓜片（蝙蝠洞）等大別山農(nóng)業(yè)資源，通過自動(dòng)控制模擬自然環(huán)境，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量。

2）植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)。依托皖西學(xué)院光源與照明專業(yè)及校級(jí)工程技術(shù)中心——智能照明與顯示工程技術(shù)中心，聯(lián)合學(xué)校的產(chǎn)學(xué)研合作企業(yè)開展研究，如六安名家匯科技股份有限公司、安徽世林照明股份有限公司、安徽科發(fā)信息科技有限公司等企業(yè)。研究?jī)?nèi)容主要包括：遵循農(nóng)作物生長(zhǎng)的自然規(guī)律，通過調(diào)節(jié)燈光滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中對(duì)光元素需求，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)等手段，獲得優(yōu)化的方案，建立自動(dòng)控制補(bǔ)光系統(tǒng)。

3）師資隊(duì)伍建設(shè)。加強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與創(chuàng)業(yè)就業(yè)指導(dǎo)教師隊(duì)伍建設(shè)，根據(jù)創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室所需的技術(shù)領(lǐng)域，合理組合教師，建立新型團(tuán)隊(duì)體制，教師跨學(xué)科、跨學(xué)院組建，打破學(xué)科和專業(yè)壁壘，建立合理的考核評(píng)價(jià)體制。目前該團(tuán)隊(duì)包括光源與照明專業(yè)、光電信息科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、機(jī)器人工程等學(xué)科專業(yè)的教師，且年齡結(jié)構(gòu)和職稱結(jié)構(gòu)合理，并邀請(qǐng)部分企業(yè)專家全程參與智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和學(xué)生的指導(dǎo)工作;及時(shí)了解行業(yè)動(dòng)態(tài)，以學(xué)科競(jìng)賽為抓手，積極組織學(xué)生參加全國(guó)、安徽省和六安市的學(xué)科競(jìng)賽。

4）大學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)。制定智能化植物工廠創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)管理制度，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)既是學(xué)生的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，也是教師開辟的第二課堂，其組織管理辦法既不同于課堂，也不同于一般的學(xué)生社團(tuán)和協(xié)會(huì)，不像課堂一樣死板，又不像協(xié)會(huì)一樣來去自由，要讓學(xué)生本著興趣為先、任務(wù)為重的理念在團(tuán)隊(duì)中開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練活動(dòng)。因此，制定相關(guān)的管理制度非常重要，一方面要吸引學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新團(tuán)隊(duì);另一方面要嚴(yán)格把關(guān)，采用“嚴(yán)進(jìn)嚴(yán)訓(xùn)”的制度，建立一支高質(zhì)量的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

5）實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度建設(shè)。建立完善的獎(jiǎng)懲機(jī)制，學(xué)生發(fā)表學(xué)術(shù)論文、申請(qǐng)專利、參加學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)等創(chuàng)新成果要按照相應(yīng)的成果層次予以明確的獎(jiǎng)勵(lì)。同時(shí)，每個(gè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)年初要制訂明確的工作計(jì)劃，年終要按照計(jì)劃進(jìn)行考核，考核不過關(guān)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目?jī)效懲罰，嚴(yán)重的將被淘汰。

4 依托智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室解決大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中的主要問題

解決目前沒有優(yōu)質(zhì)作品參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽的問題? 目前，各種專業(yè)相關(guān)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽非常多，無論對(duì)學(xué)生還是對(duì)學(xué)校宣傳都是一個(gè)很好的平臺(tái)，但目前我們學(xué)校能夠參加相關(guān)競(jìng)賽并獲獎(jiǎng)的人數(shù)比較少，主要問題就是缺乏前期的積累，沒有學(xué)生在校期間進(jìn)行專門的訓(xùn)練和準(zhǔn)備工作。

解決為參加競(jìng)賽臨時(shí)拼湊隊(duì)伍，水平不高，缺乏專業(yè)教師指導(dǎo)的問題? 目前，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽綜合性強(qiáng)，需要各個(gè)專業(yè)的學(xué)生合作完成，而很多參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽的隊(duì)伍是臨時(shí)拼湊的，沒有成熟的成果和作品。該平臺(tái)的建設(shè)將解決此問題。

解決學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)匱乏的問題? 由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和指導(dǎo)教師不足，很多學(xué)生雖然想?yún)⒓觿?chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，但沒有一個(gè)良好的平臺(tái)。該項(xiàng)目的建設(shè)將為相關(guān)專業(yè)的學(xué)生提供一個(gè)良好的平臺(tái)。

5 結(jié)語

通過智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，可以讓學(xué)生有更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室能夠有效組合各相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，為專利成果的獲取和參加相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽提供保障;通過項(xiàng)目階段運(yùn)行和各項(xiàng)創(chuàng)意活動(dòng)的開展，形成多項(xiàng)創(chuàng)新創(chuàng)意產(chǎn)品，培育出能參加全國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、物聯(lián)網(wǎng)大賽、專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽并且能夠取得好成績(jī)的創(chuàng)新型學(xué)生團(tuán)隊(duì)。智能化植物工廠創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)殡姎庾詣?dòng)化和光源與照明專業(yè)的學(xué)生提供適合自己專業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新平臺(tái)，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能大大提高，科研思維得到訓(xùn)練，自主創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)，預(yù)計(jì)會(huì)有一批學(xué)生申報(bào)各級(jí)各類科技作品獎(jiǎng)和科創(chuàng)課題，具有廣泛的社會(huì)效益。■

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