家庭植物工廠的研究與應用進展

楊學坤，李小杰，蔣 曉

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院機電工程學院，北京 102208）

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，綠色生活方式近年來不斷被人們認可和追捧，健康、環(huán)保的生活理念逐漸深入人心，人們對于食品安全的關注度越來越高，對綠色果蔬的需求量越來越大，對果蔬品質的要求也越來越高。由于綠色有機蔬菜及種植體驗的需求持續(xù)上升，家庭種菜逐漸成為時尚。目前，許多家庭將陽臺作為種植場所，但存在的空間狹小、功能干涉嚴重、水電改造困難、病蟲害頻發(fā)等問題。

近年來，家庭植物工廠作為一種新興事物逐漸進入大眾視野。不僅能為人們提供健康的生活方式和新鮮安全的果蔬，還可以美化居室環(huán)境、感受田園生活，為用戶帶來良好的種植體驗，更可以使兒童更好地認識與接觸植物，感受現(xiàn)代科技魅力，豐富孩子的知識結構，培養(yǎng)他們勞動意識和習慣。對于滿足新時代都市居民對美好居住環(huán)境與綠色健康生活向往的需要具有十分重要的現(xiàn)實意義。

全面了解家庭植物工廠的技術研究進展、應用現(xiàn)狀，總結存在的瓶頸問題，以期為后續(xù)家庭植物工廠的技術研究、裝備研發(fā)和應用提供參考。

1 家庭植物工廠的系統(tǒng)結構

與人工光利用型植物工廠類似，家庭植物工廠是把植物工廠的人工光源技術、無土栽培技術和環(huán)境控制技術等核心技術集成在較小的箱式空間里，由控制系統(tǒng)對作物生長環(huán)境的空氣溫度、照度、CO2濃度，以及營養(yǎng)液的濃度、溫度、溶氧等要素進行控制，用來栽培家庭所需的植物，是一種技術集成度高、資源利用循環(huán)高效的生產(chǎn)方式[1]。

系統(tǒng)一般結構見圖1。

圖1 系統(tǒng)一般結構

相對于陽臺種植，家庭植物工廠具有以下技術優(yōu)勢[2]。①家庭植物工廠中作物的生長環(huán)境通常為全密閉式，較少受到裝置外病蟲害的侵襲，且環(huán)境因子和營養(yǎng)液供給完全自動調節(jié)，作物品質可控，提供的蔬菜新鮮、安全；②家庭植物工廠帶來的種植體驗，可以滿足都市居民親近自然的生活需求，還可以美化室內(nèi)環(huán)境、陶冶情操；③家庭植物工廠可以使都市兒童更好地認識與接觸植物，了解園藝、物聯(lián)網(wǎng)、自動控制等現(xiàn)代技術知識，激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)實踐技能和勞動習慣；④家庭植物工廠種植環(huán)境和營養(yǎng)液精確控制，采用多層種植，生產(chǎn)效率較高。

2 家庭植物工廠的技術研究現(xiàn)狀

2000年以來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對健康生活的渴望日益強烈，食品安全意識不斷提升，對安全、綠色、無公害食品的要求越來越高，家庭植物工廠逐漸走入公眾視野。植物工廠是目前設施農(nóng)業(yè)的最高級形式[3]。

2.1 人工光源技術

光是影響作物生長發(fā)育的重要要素之一。家庭植物工廠中的常用光源有熒光燈和LED燈2種類型。經(jīng)過調質處理的植物生長型熒光燈的光譜較為貼近植物光合作用的光譜吸收曲線，且成本較低、使用方便，但能耗較高、運輸過程中容易損壞[4]。近年來，隨著LED光源技術進步，與傳統(tǒng)熒光燈相比，在光譜、節(jié)能等方面具有獨特優(yōu)勢。劉文科等人[5]認為LED光源是人工光調控的理想光源，不同LED光源組成系統(tǒng)的光質可調，可以使用低壓電源，節(jié)能高效、適用范圍廣、穩(wěn)定性強、響應時間快、無污染、使用壽命長，LED照明在節(jié)能、光效方面具有很大優(yōu)勢。有研究表明，LED光源比熒光燈節(jié)能可達40%[6]。隨著LED技術的持續(xù)發(fā)展和價格的不斷降低，在家庭植物工廠中采用LED補光技術成為首選。在選擇光源時，一般從光強、光質和光照模式3個維度進行考慮。劉彤等人[7]設計的控制系統(tǒng)通過外接PWM控制信號，對LED燈的亮度進行調節(jié)。韓麗麗等人[8]應用深紫外LED技術進行營養(yǎng)液凈化。

2.2 無土栽培技術

考慮到家庭植物工廠中較高的清潔性要求，多采用非固體基質培形式，其中以“多層立體+水培”技術模式為主。霧培模式的使用相對較少。張倩倩[9]將氣霧栽培模式引入到家庭式植物工廠之中，并以生菜為例對氣霧栽培的噴霧頻率與植物生長的關系進行研究，對噴霧頻率通過試驗進行了優(yōu)化。水培技術的核心是營養(yǎng)液配方的遴選和優(yōu)化，在種植過程中根據(jù)作物的品類進行選擇，作物的外觀、味道、品質等與營養(yǎng)液的種類密切相關。家庭植物工廠的種植多以生菜等葉類蔬菜為主，多采用荷蘭園藝研究所配方、日本園試配方、日本山崎配方、華南農(nóng)業(yè)大學葉菜B配方等[10]，各個配方在實踐中表現(xiàn)出顯著的差異性，如日本園試配方在提高葉菜產(chǎn)量方面成效顯著，霍格蘭和施耐德配方有助于提高葉菜的可溶性糖、可溶性蛋白和維C含量，缺陷是硝酸鹽含量較高[11]。郭敬華等人[12]研究表明，營養(yǎng)液中Mg2+含量可顯著提高生菜產(chǎn)量最高，并降低硝酸鹽含量。

在營養(yǎng)液使用過程中，營養(yǎng)液的溶氧、消毒殺菌和自毒物質清除問題需要特別關注。目前，一般通過增氧泵來提高營養(yǎng)液中的氧含量，防止植物爛根，也可通過控制液面高度來解決；對于營養(yǎng)液的消毒殺菌，一般采用紫外線消毒、臭氧消毒、加熱消毒方式，以紫外消毒方式為主。王偉琳等人[13]對紫外線消毒機理進行了深入研究，并研制了紫外線消毒機，可以實現(xiàn)自動管理和維護。宋衛(wèi)堂等人[14]研制的紫外線-臭氧組合式營養(yǎng)液消毒機對主要微生物（細菌、真菌、放線菌）消毒效果較好，并較大幅度地提高消毒效率。宋衛(wèi)堂等人[15]研發(fā)的營養(yǎng)液加熱消毒機，對萎蔫病等病原菌都有較好的消毒效果。薛曉莉等人[16]提出了一種營養(yǎng)液微納米氣泡增氧消毒技術。對于TOC（Total organic carbon，總有機碳） 等自毒物質的消除，多采用TiO2光催化法，即利用TiO2在紫外光照射下產(chǎn)生的強烈的氧化性來降解、消除營養(yǎng)液中累積的自毒物質。邱志平[17]對TiO2光催化去除營養(yǎng)液中自毒物質的效果進行了深入研究并設計了箱式及管狀光催化系統(tǒng)。結果表明，納米TiO2光催化處理下苯甲酸、水楊酸、阿魏酸、沒食子酸、乙酸和單寧酸等6種典型的植物自毒物質均可被有效降解。

2.3 環(huán)境控制技術

植物的生長發(fā)育進程和品質與溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境因子的變化密切相關[18]，家庭植物工廠的控制結構一般包括中央處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行輸出模塊，部分家庭植物工廠引入物聯(lián)網(wǎng)技術，通過遠程通訊模塊和手機、平板電腦等終端實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能；有的系統(tǒng)還配備有攝像頭用以對植物的生長狀態(tài)和設備的運行狀態(tài)進行遠程觀察?？刂破魍ㄟ^與空調系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、光照系統(tǒng)相配合，實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行設備的自動控制，光質調節(jié)系統(tǒng)、CO2增施系統(tǒng)在家庭植物工廠中比較鮮見。劉彤、韓麗麗、韓丹等人[7-8，19]以STM32為核心處理器架構控制系統(tǒng)并基于Android平臺設計遠程監(jiān)控軟件，對溫度、CO2濃度和LED燈亮度進行分時段的獨立設置，具有較高的可靠性，而且成本較低，可以滿足實際應用的需求。

研究表明，家庭植物工廠能耗主要來源于人工光源系統(tǒng)和環(huán)境調控系統(tǒng)，高能耗是家庭植物工廠的一大短板，這需要進行環(huán)境控制模型的研究，以尋找合適的控制方式。王君等人[20]針對人工光植物工廠采用風機與空調協(xié)同降溫的節(jié)能問題進行研究，為家庭植物工廠的節(jié)能降耗提供了可以借鑒的經(jīng)驗。

3 家庭植物工廠的應用現(xiàn)狀

經(jīng)過近20年的發(fā)展，在日本、美國、荷蘭、意大利等發(fā)達國家，家庭植物工廠已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化階段，產(chǎn)業(yè)鏈較為完備，種苗、營養(yǎng)液等耗材可以很方便地取得，尤為突出。其中，日本在家庭植物工廠的技術研究最為深入、產(chǎn)業(yè)化最為成功。生菜等日本國民喜聞樂見的蔬菜可以很方便地在家庭植物工廠中進行種植，松下、三菱化學、昭和電工等知名企業(yè)均推出了各自產(chǎn)品，技術革新在持續(xù)進行[21]。2012年，日本千葉大學和松下電子共同研制的家庭植物工廠，可以種植生菜、芫菁等數(shù)十種蔬菜。2014年，日本U-ING公司推出了多款家庭植物工廠，其中GREEN FARM系列產(chǎn)品均配備有LED光源，兼具實用性和觀賞性。2017年，日本愛斯佩克株式會社（ESPEC）、牛尾（USHIO） 集團、意大利TOMATO+集團均推出了最新的家庭植物工廠產(chǎn)品。2017年9月的倫敦設計節(jié)上，宜家創(chuàng)新實驗室Space 10展示了試驗性室內(nèi)農(nóng)場LOKAL。

中國對家庭植物工廠的研究始于2010年左右，在政府的大力推動下，已取得一些成果。2010年12月5日，北京中環(huán)易達設施園藝科技有限公司舉辦“植物工廠創(chuàng)新成果發(fā)布會”，正式推出“家庭版植物工廠”，這是國內(nèi)首例家庭植物工廠[22]。2011年中國農(nóng)業(yè)科學院魏靈玲[23]、2012年北京農(nóng)業(yè)智能裝備研究中心孫剛[24]均在微型植物工廠領域做了深入研究。2012年北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司的商守海等人研制了一種適合于樓宇、家庭使用的JPWZ-1型微型植物工廠。2015年，清華大學劉彤等針對家庭植物工廠研發(fā)了一款基于Android平臺的智能監(jiān)控系統(tǒng)。2018年初，深圳市億平米農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司推出了環(huán)保LED生態(tài)種植柜。目前，市場上主流的家庭植物工廠產(chǎn)品有京東方科技集團股份有限公司（BOE） “BOE鮮活菜園”的家庭植物工廠、北京創(chuàng)康生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司“創(chuàng)康活菜”家庭植物工廠、陜西旭田光電農(nóng)業(yè)科技有限公司I-farmer家庭植物生長柜、深圳市海卓生物科技有限公司“小茁”無土栽培機等。均采用LED光源和水培技術，具有種植模式選擇功能，可以自動控制CO2濃度、濕度和溫度等環(huán)境因子，隨時監(jiān)控作物的生長情況。

4 家庭植物工廠存在的技術問題

家庭植物工廠發(fā)展迅猛，但也存在著一些突出問題亟待解決，主要有以下幾個方面。

（1）投入大、運行成本高。市場上的家庭植物工廠還處于起步階段，售價多在5萬元左右，對于中等收入家庭來講，投入偏大，性價比不高，種苗的購買成本也是不可忽略的因素。另外，后期的運行、維護成本也居高不下。

（2）能源消耗較大。目前，家庭植物工廠的總功率多數(shù)超過300 W，且因為家庭植物工廠空間狹小，隔熱效果差，又沒有對控制策略進行合理設計，極易造成設備頻繁啟動，造成設備能源消耗居高不下。

（3）栽培品種偏少。目前家庭植物工廠中栽培的作物仍以生菜為代表的葉菜為主，而像草莓、中草藥等觀賞性好、可以滿足特殊需求的品種還比較鮮見，無法滿足用戶多樣化需求。種植的品種從大型植物工廠引入，還沒有專門針對家庭植物工廠的品種篩選和培育。

（4）栽培支持缺乏。全人工光照條件下的作物生長機理尚未完全明確，導致用戶在家庭植物工廠時缺乏及時、準確的技術支持和生產(chǎn)指導，用戶又多不具備種植學科背景，導致作物生長效果和用戶種植體驗很難達到預期。

5 結語

家庭植物工廠作為人工光利用型植物工廠的一個發(fā)展方向，一經(jīng)推出就得到廣大都市居民的追捧，發(fā)展?jié)摿薮?。隨著植物工廠核心技術的不斷進步，家庭植物工廠必將迎來新的發(fā)展機遇。面對存在的問題，需要在以下4個方面加強研究：①加強對家庭植物工廠小氣候模型研究并用于控制系統(tǒng)開發(fā)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對家庭植物工廠的遠程監(jiān)控，向智能化、全自動化的方向發(fā)展；②遴選、培育茄果類（如矮化西紅柿）、草莓等兼具觀賞性和實用性的種類，鐵皮石斛等中草藥，以及富含某種微量元素（如硒）的功能蔬菜，以滿足特殊人群需求；③通過合理的功能設計、不斷的技術革新、規(guī)?；a(chǎn)來降低生產(chǎn)成本，在市場推廣過程中借鑒特殊的營銷模式，將設備成本稀釋到后續(xù)的種苗、營養(yǎng)液及設備運維中去；④充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術，提供良好的配套技術和售后服務，讓種苗和耗材訂購方便快捷，讓種植過程輕松、有趣而高效。