涉及傳感器、機器人和數(shù)據(jù)分析的垂直農(nóng)場技術(shù)分析

作者： Paul Pickering

垂直農(nóng)場向世人描繪了一副誘人的愿景：沒有使用殺蟲劑的新鮮食物、產(chǎn)量的增加、用水量的減少、城市內(nèi)空置城區(qū)的合理利用等。要實現(xiàn)這一美好的愿景，需要對光照、溫度、用水和營養(yǎng)輸送進行精確地控制，這就涉及到大量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括傳感器、機器人和數(shù)據(jù)分析。

垂直農(nóng)場的技術(shù)

金色的麥田在微風中搖曳生姿，這是傳統(tǒng)農(nóng)場所展示的田園風光，而垂直農(nóng)場則更像一個工廠（圖1）。這項技術(shù)正在迅速發(fā)生改變：商業(yè)垂直農(nóng)場是資金密集型產(chǎn)業(yè)，在啟動之初便需要投入數(shù)百萬美元，當然，它還要面對來自溫室農(nóng)場及其他室內(nèi)農(nóng)場的激烈競爭。

圖1：垂直農(nóng)場在工廠式的環(huán)境中使用技術(shù)來保證產(chǎn)品的質(zhì)量

從苗圃播種到收割，垂直農(nóng)場在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)都使用了技術(shù)，如圖2所：

圖2：技術(shù)可以協(xié)助改善室內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)

從自動播種機到存放作物盆的苗圃機器人，大型室內(nèi)種植戶使用了各種各樣的自動化設(shè)備。由于室內(nèi)農(nóng)業(yè)仍是小市場，目前鮮有專門的相關(guān)設(shè)備，所以，垂直農(nóng)場主通常采用來自其他行業(yè)的先進技術(shù)。

氣候控制

加熱、通風和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)通過控制溫度、濕度、二氧化碳(CO2)水平、空氣流動和過濾等，可以為作物生長創(chuàng)造最佳的環(huán)境。當大氣中二氧化碳的濃度超過百萬分之四百（400ppm）時，作物的生長速度會更快：垂直農(nóng)場中，二氧化碳的濃度接近1000ppm。

氣候控制系統(tǒng)的控制范圍十分廣泛，從基本的風扇和加熱器，到多功能控制系統(tǒng)，均有覆蓋。多功能控制系統(tǒng)還集成了最新的冷卻裝置、紅外線和紫外線殺菌技術(shù)。對于任何農(nóng)場，系統(tǒng)是否處于最佳狀態(tài)取決于以下幾個因素：當?shù)氐姆ㄒ?guī)、農(nóng)場的規(guī)模、類型和位置、作物類型，當然，還有預算。在篩選系統(tǒng)時，通常需要在資本支出(CapEx)和運營支出(OpEx)之間進行一個權(quán)衡：造價高的系統(tǒng)往往更高效，運營成本也更低。

光照

傳統(tǒng)的農(nóng)場可以獲取充足的陽光，相比之下，垂直農(nóng)場則使用人工照明來促進作物更快地生長，且其能源成本是預算中最大的項目之一。

通常，許多垂直農(nóng)場使用熒光燈照明，因為熒光燈照明相對便宜，但是LED燈效率更高，即使是同樣的能量輸出，功耗也不過其60%。LED在技術(shù)上占有優(yōu)勢：其光亮可以進行精確控制，且不會發(fā)射大量的紅外輻射(熱量)，還可以靠近作物放置以保持光吸收的最佳效果。LED是光譜和強度的最佳組合，使每一種作物能享有最節(jié)能的光合作用。

例如，日本的Mirai使用了17500個LED燈，為各種作物提供了生長所需的精確波長。據(jù)Mirai所述，新系統(tǒng)使功耗降低了40%，且產(chǎn)量提高了50%。

從長遠來看，由于有機LED(OLED)使用了有機化合物來生成光照，研究人員預測，其最終將成為一種更經(jīng)濟、更有效的選擇。

監(jiān)測和控制

由于垂直農(nóng)場是一個封閉的環(huán)境，農(nóng)場主采取了嚴格的措施來消滅害蟲、花粉或病毒。這一預防措施同樣適用于人類：在進入Mirai的“綠色房間”前，工人們必須先沐浴清洗，并換上已消毒的工作服。

垂直農(nóng)場并不將土壤作為將營養(yǎng)物質(zhì)傳輸至植物根部的媒介，而是使用：

水培法：作物生長在營養(yǎng)豐富的水盆里，或
霧培法：對作物的根部定期噴灑含有水分和養(yǎng)分的薄霧。

對于這兩種方法，操作人員都將對作物所有的宏觀和微量營養(yǎng)元素進行監(jiān)控(圖3)。與常規(guī)操作不同的是，作物蒸發(fā)到大氣中的水分并沒有流失。垂直農(nóng)場的空調(diào)系統(tǒng)可以恢復98%蒸發(fā)的水分。

圖3：垂直農(nóng)場控制著生長過程的方方面面，從燈光的布置，到根系的營養(yǎng)等均有覆蓋（來源：Aerofarms）

嚴格的監(jiān)測和控制可以收獲良好的效果：垂直農(nóng)場不必再使用殺蟲劑、除草劑或殺真菌劑；且在18天內(nèi)便可以完成豐收，相比傳統(tǒng)的農(nóng)場，時間周期縮短了一半。而相比傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品，垂直種植的作物含有更多的維生素和礦物質(zhì)：Mirai聲稱，他們所種植生菜的貝塔胡蘿卜素含量是傳統(tǒng)生菜的10倍多，維生素C、鈣、鎂的含量是傳統(tǒng)生菜的2倍。此外，生菜不需要進行清洗便可以直接烹飪，且在烹飪時可以鎖住95%的營養(yǎng)成分，而普通的生菜通常只能保持60%的營養(yǎng)成分。

機器人

垂直農(nóng)場的下一個階段便是大幅削減成本，甚至減少人力投入，因此，機器人和無人機的投入量正與日俱增。在日本京都，SPREAD公司的“科技農(nóng)場”剛剛破土動工。這個預計每天將生產(chǎn)3萬棵生菜的工廠造價17500萬美元，預計在2018年完工。

據(jù)TechInsider所述，該農(nóng)場將使用機器人進行播種、灑水、修剪及收割，這些機器人類似于“全副武裝的傳送帶”。與其現(xiàn)有的Kameoka工廠相比，Techno農(nóng)場將使勞動力成本削減50%，能源成本降低30%。

無人機可以替代大部分的人力，以進行大面積區(qū)域的監(jiān)控。該行業(yè)的供應(yīng)商正在引進一種輕型無人機，將適合監(jiān)測大型室內(nèi)農(nóng)場的作物生長條件：如英特爾的AeroDrone，即一款無人機開發(fā)平臺，涵括無線控制器和英特爾的RealSense攝像頭。

大數(shù)據(jù)的作用

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，數(shù)據(jù)分析主要為農(nóng)民提供有關(guān)作物生長的現(xiàn)有數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。這些信息通過儀器和設(shè)備直接獲取，或通過衛(wèi)星和GPS跟蹤系統(tǒng)間接獲取。數(shù)據(jù)指標包括土壤質(zhì)量和濕度、降雨量、化肥和殺蟲劑使用量及作物產(chǎn)量。

最先進的垂直農(nóng)場則將數(shù)據(jù)收集和分析視作商業(yè)模式中的關(guān)鍵元素，并雇傭了許多數(shù)據(jù)科學家和工程師，其就如農(nóng)學家和植物生物學扮演的重要角色一樣。例如，Aerofarms在一個生長周期中，對收集的數(shù)據(jù)進行了1萬多次的測量。該公司利用這些數(shù)據(jù)來提高產(chǎn)量和質(zhì)量，同時也降低了成本，使垂直農(nóng)場相比傳統(tǒng)農(nóng)場更具競爭優(yōu)勢。

總結(jié)

垂直農(nóng)場在類似工廠的環(huán)境中，大量地使用技術(shù)來種植作物。就像傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，工人和管理者監(jiān)控和控制作物生長的各個方面，以最大限度地提高產(chǎn)量，并確保產(chǎn)品質(zhì)量的始終如一。數(shù)據(jù)的收集將在改善未來幾代“產(chǎn)品”的質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。

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