家庭植物工廠的研究與應用進展

楊學坤，李小杰，蔣 曉

（北京農業職業學院機電工程學院，北京 102208）

隨著經濟社會的高速發展，綠色生活方式近年來不斷被人們認可和追捧，健康、環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，感受現代科技魅力，豐富孩子的知識結構，培養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境與綠色健康生活向往的需要具有十分重要的現實意義。

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

1 家庭植物工廠的系統結構

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，由控制系統對作物生長環境的空氣溫度、照度、CO2濃度，以及營養液的濃度、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、資源利用循環高效的生產方式[1]。

系統一般結構見圖1。

圖1 系統一般結構

相對于陽臺種植，家庭植物工廠具有以下技術優勢[2]。①家庭植物工廠中作物的生長環境通常為全密閉式，較少受到裝置外病蟲害的侵襲，且環境因子和營養液供給完全自動調節，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，還可以美化室內環境、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、物聯網、自動控制等現代技術知識，激發學習興趣，培養實踐技能和勞動習慣；④家庭植物工廠種植環境和營養液精確控制，采用多層種植，生產效率較高。

2 家庭植物工廠的技術研究現狀

2000年以來，隨著社會經濟的高速發展，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業的最高級形式[3]。

2.1 人工光源技術

光是影響作物生長發育的重要要素之一。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，與傳統熒光燈相比，在光譜、節能等方面具有獨特優勢。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光源組成系統的光質可調，可以使用低壓電源，節能高效、適用范圍廣、穩定性強、響應時間快、無污染、使用壽命長，LED照明在節能、光效方面具有很大優勢。有研究表明，LED光源比熒光燈節能可達40%[6]。隨著LED技術的持續發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]設計的控制系統通過外接PWM控制信號，對LED燈的亮度進行調節。韓麗麗等人[8]應用深紫外LED技術進行營養液凈化。

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化。水培技術的核心是營養液配方的遴選和優化，在種植過程中根據作物的品類進行選擇，作物的外觀、味道、品質等與營養液的種類密切相關。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、華南農業大學葉菜B配方等[10]，各個配方在實踐中表現出顯著的差異性，如日本園試配方在提高葉菜產量方面成效顯著，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，營養液中Mg2+含量可顯著提高生菜產量最高，并降低硝酸鹽含量。

在營養液使用過程中，營養液的溶氧、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，可以實現自動管理和維護。宋衛堂等人[14]研制的紫外線-臭氧組合式營養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。宋衛堂等人[15]研發的營養液加熱消毒機，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在紫外光照射下產生的強烈的氧化性來降解、消除營養液中累積的自毒物質。邱志平[17]對TiO2光催化去除營養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。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 環境控制技術

植物的生長發育進程和品質與溫度、濕度、CO2濃度等環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、數據采集模塊、執行輸出模塊，部分家庭植物工廠引入物聯網技術，通過遠程通訊模塊和手機、平板電腦等終端實現遠程監控功能；有的系統還配備有攝像頭用以對植物的生長狀態和設備的運行狀態進行遠程觀察?？刂破魍ㄟ^與空調系統、通風系統、光照系統相配合，實現對環境數據的采集和執行設備的自動控制，光質調節系統、CO2增施系統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并基于Android平臺設計遠程監控軟件，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和環境調控系統，高能耗是家庭植物工廠的一大短板，這需要進行環境控制模型的研究，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同降溫的節能問題進行研究，為家庭植物工廠的節能降耗提供了可以借鑒的經驗。

3 家庭植物工廠的應用現狀

經過近20年的發展，在日本、美國、荷蘭、意大利等發達國家，家庭植物工廠已經進入產業化階段，產業鏈較為完備，種苗、營養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、產業化最為成功。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均推出了各自產品，技術革新在持續進行[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品。2017年9月的倫敦設計節上，宜家創新實驗室Space 10展示了試驗性室內農場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，北京中環易達設施園藝科技有限公司舉辦“植物工廠創新成果發布會”，正式推出“家庭版植物工廠”，這是國內首例家庭植物工廠[22]。2011年中國農業科學院魏靈玲[23]、2012年北京農業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了一款基于Android平臺的智能監控系統。2018年初，深圳市億平米農業科技發展有限公司推出了環保LED生態種植柜。目前，市場上主流的家庭植物工廠產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、北京創康生態農業科技有限公司“創康活菜”家庭植物工廠、陜西旭田光電農業科技有限公司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、濕度和溫度等環境因子，隨時監控作物的生長情況。

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展方向，一經推出就得到廣大都市居民的追捧，發展潛力巨大。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開發，通過物聯網技術實現對家庭植物工廠的遠程監控，向智能化、全自動化的方向發展；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?；a來降低生產成本，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的種苗、營養液及設備運維中去；④充分利用“互聯網+”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。