May-akda: Jing Zhao，Zengchan Zhou，Yunlong Bu, atbp. Source Media：Agricultural Engineering Technology (greenhouse horticulture)

Pinagsasama ng pabrika ng halaman ang modernong industriya, biotechnology, nutrient hydroponics at information technology para ipatupad ang mataas na katumpakan na kontrol sa mga salik sa kapaligiran sa pasilidad. Ito ay ganap na nakapaloob, may mababang mga kinakailangan sa nakapalibot na kapaligiran, nagpapaikli sa panahon ng pag-aani ng halaman, nakakatipid ng tubig at pataba, at sa mga bentahe ng non-pestisidyo na produksyon at walang pagtatapon ng basura, ang kahusayan sa paggamit ng lupa ng unit ay 40 hanggang 108 beses na iyon. ng open field production. Kabilang sa mga ito, ang intelligent na artipisyal na pinagmumulan ng liwanag at ang liwanag na regulasyon sa kapaligiran ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel sa kahusayan ng produksyon nito.

Bilang isang mahalagang pisikal na kadahilanan sa kapaligiran, ang liwanag ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa pag-regulate ng paglaki ng halaman at metabolismo ng materyal. "Ang isa sa mga pangunahing tampok ng pabrika ng halaman ay ang buong artipisyal na pinagmumulan ng liwanag at ang pagsasakatuparan ng matalinong regulasyon ng liwanag na kapaligiran" ay naging isang pangkalahatang pinagkasunduan sa industriya.

Ang pangangailangan ng mga halaman para sa liwanag

Ang liwanag ay ang tanging mapagkukunan ng enerhiya ng photosynthesis ng halaman. Ang intensity ng liwanag, kalidad ng liwanag (spectrum) at panaka-nakang pagbabago ng liwanag ay may malalim na epekto sa paglago at pag-unlad ng mga pananim, kung saan ang intensity ng liwanag ay may pinakamalaking epekto sa photosynthesis ng halaman.

■ Light intensity

Maaaring baguhin ng intensity ng liwanag ang morpolohiya ng mga pananim, tulad ng pamumulaklak, haba ng internode, kapal ng tangkay, at laki at kapal ng dahon. Ang mga kinakailangan ng mga halaman para sa light intensity ay maaaring nahahati sa light-loving, medium-light-loving, at low-light-tolerant na mga halaman. Ang mga gulay ay karamihan sa mga halaman na mahilig sa liwanag, at ang kanilang mga light compensation point at light saturation point ay medyo mataas. Sa mga pabrika ng artipisyal na ilaw na halaman, ang mga nauugnay na kinakailangan ng mga pananim para sa intensity ng liwanag ay isang mahalagang batayan para sa pagpili ng mga artipisyal na pinagmumulan ng liwanag. Ang pag-unawa sa mga kinakailangan sa liwanag ng iba't ibang mga halaman ay mahalaga para sa pagdidisenyo ng mga artipisyal na pinagmumulan ng liwanag, Ito ay lubos na kinakailangan upang mapabuti ang pagganap ng produksyon ng system.

■ Banayad na kalidad

Ang pamamahagi ng ilaw na kalidad (spectral) ay mayroon ding mahalagang impluwensya sa photosynthesis at morphogenesis ng halaman (Larawan 1). Ang liwanag ay bahagi ng radiation, at ang radiation ay isang electromagnetic wave. Ang mga electromagnetic wave ay may mga katangian ng alon at mga katangian ng quantum (particle). Ang quantum ng liwanag ay tinatawag na photon sa larangan ng hortikultura. Ang radiation na may wavelength range na 300~800nm ​​ay tinatawag na physiologically active radiation ng mga halaman; at ang radiation na may wavelength range na 400~700nm ay tinatawag na photosynthetically active radiation (PAR) ng mga halaman.

Ang chlorophyll at carotenes ay ang dalawang pinakamahalagang pigment sa photosynthesis ng halaman. Ipinapakita ng Figure 2 ang spectral absorption spectrum ng bawat photosynthetic pigment, kung saan ang chlorophyll absorption spectrum ay puro sa pula at asul na banda. Ang sistema ng pag-iilaw ay batay sa parang multo na mga pangangailangan ng mga pananim upang artipisyal na madagdagan ang liwanag, upang maisulong ang photosynthesis ng mga halaman.

■ photoperiod
Ang ugnayan sa pagitan ng photosynthesis at photomorphogenesis ng mga halaman at haba ng araw (o photoperiod time) ay tinatawag na photoperiodity ng mga halaman. Ang photoperiodity ay malapit na nauugnay sa mga oras ng liwanag, na tumutukoy sa oras na ang pananim ay na-irradiated ng liwanag. Ang iba't ibang mga pananim ay nangangailangan ng isang tiyak na bilang ng mga oras ng liwanag upang makumpleto ang photoperiod upang mamukadkad at mamunga. Ayon sa iba't ibang mga photoperiod, maaari itong hatiin sa mahabang araw na pananim, tulad ng repolyo, atbp., na nangangailangan ng higit sa 12-14h light hours sa isang tiyak na yugto ng paglaki nito; ang mga pananim na panandaliang araw, tulad ng mga sibuyas, soybeans, atbp., ay nangangailangan ng mas mababa sa 12-14h Oras ng pag-iilaw; ang mga pananim na medium-sun, tulad ng mga pipino, kamatis, paminta, atbp., ay maaaring mamulaklak at mamunga sa ilalim ng mas mahaba o mas maikling sikat ng araw.
Kabilang sa tatlong elemento ng kapaligiran, ang intensity ng liwanag ay isang mahalagang batayan para sa pagpili ng mga artipisyal na pinagmumulan ng liwanag. Sa kasalukuyan, maraming mga paraan upang ipahayag ang intensity ng liwanag, pangunahin kasama ang sumusunod na tatlo.
（1）Ang pag-iilaw ay tumutukoy sa density ng ibabaw ng maliwanag na pagkilos ng bagay (maliwanag na pagkilos ng bagay sa bawat unit area) na natanggap sa iluminado na eroplano, sa lux (lx).

（2）Photosynthetically active radiation, PAR，Yunit：W/m²。

（3）Ang photosynthetically effective photon flux density PPFD o PPF ay ang bilang ng photosynthetically effective radiation na umaabot o dumadaan sa unit time at unit area, unit：μmol/(m²·s)。 Pangunahing tumutukoy sa light intensity na 400~700nm direktang nauugnay sa photosynthesis. Ito rin ang pinakakaraniwang ginagamit na light intensity indicator sa larangan ng produksyon ng halaman.

Pagsusuri ng light source ng tipikal na pandagdag na sistema ng liwanag
Ang artificial light supplement ay para pataasin ang intensity ng liwanag sa target na lugar o pahabain ang light time sa pamamagitan ng pag-install ng supplement light system para matupad ang light demand ng mga halaman. Sa pangkalahatan, ang supplementary light system ay kinabibilangan ng supplementary light equipment, circuits at control system nito. Ang mga karagdagang pinagmumulan ng liwanag ay pangunahing kinabibilangan ng ilang karaniwang uri gaya ng mga incandescent lamp, fluorescent lamp, metal halide lamp, high-pressure sodium lamp at LED. Dahil sa mababang electrical at optical na kahusayan ng mga lamp na maliwanag na maliwanag, mababang kahusayan sa enerhiya ng photosynthetic at iba pang mga pagkukulang, ito ay inalis ng merkado, kaya ang artikulong ito ay hindi gumagawa ng isang detalyadong pagsusuri.

■ Fluorescent lamp
Ang mga fluorescent lamp ay nabibilang sa uri ng mga low-pressure na gas discharge lamp. Ang glass tube ay puno ng mercury vapor o inert gas, at ang panloob na dingding ng tubo ay pinahiran ng fluorescent powder. Ang liwanag na kulay ay nag-iiba sa fluorescent na materyal na pinahiran sa tubo. Ang mga fluorescent lamp ay may magandang spectral performance, mataas na makinang na kahusayan, mababang power, mas mahabang buhay (12000h) kumpara sa mga incandescent lamp, at medyo mura ang halaga. Dahil ang fluorescent lamp mismo ay naglalabas ng mas kaunting init, maaari itong malapit sa mga halaman para sa pag-iilaw at angkop para sa tatlong-dimensional na paglilinang. Gayunpaman, ang spectral na layout ng fluorescent lamp ay hindi makatwiran. Ang pinakakaraniwang paraan sa mundo ay ang pagdaragdag ng mga reflector upang mapakinabangan ang epektibong mga bahagi ng pinagmumulan ng liwanag ng mga pananim sa lugar ng paglilinang. Ang Japanese adv-agri company ay nakabuo din ng bagong uri ng pandagdag na pinagmumulan ng liwanag na HEFL. Ang HEFL ay talagang kabilang sa kategorya ng mga fluorescent lamp. Ito ang pangkalahatang termino para sa mga cold cathode fluorescent lamp (CCFL) at external electrode fluorescent lamp (EEFL), at ito ay isang mixed electrode fluorescent lamp. Ang HEFL tube ay lubhang manipis, na may diameter na halos 4mm lamang, at ang haba ay maaaring iakma mula 450mm hanggang 1200mm ayon sa mga pangangailangan ng paglilinang. Ito ay isang pinahusay na bersyon ng maginoo na fluorescent lamp.

■ Metal halide lamp
Ang metal halide lamp ay isang high-intensity discharge lamp na maaaring pukawin ang iba't ibang elemento upang makagawa ng iba't ibang wavelength sa pamamagitan ng pagdaragdag ng iba't ibang metal halides (tin bromide, sodium iodide, atbp.) sa discharge tube batay sa isang high-pressure na mercury lamp. Ang mga halogen lamp ay may mataas na makinang na kahusayan, mataas na kapangyarihan, magandang kulay ng liwanag, mahabang buhay, at malaking spectrum. Gayunpaman, dahil ang makinang na kahusayan ay mas mababa kaysa sa mataas na presyon ng sodium lamp, at ang buhay ay mas maikli kaysa sa mataas na presyon ng sodium lamp, ito ay kasalukuyang ginagamit lamang sa ilang pabrika ng halaman.

■ High pressure sodium lamp
Ang mga high-pressure sodium lamp ay kabilang sa uri ng high-pressure gas discharge lamp. Ang high-pressure sodium lamp ay isang high-efficiency lamp kung saan ang high-pressure sodium vapor ay pinupunan sa discharge tube, at isang maliit na halaga ng xenon (Xe) at mercury metal halide ay idinagdag. Dahil ang mataas na presyon ng sodium lamp ay may mataas na electro-optical conversion na kahusayan na may mas mababang gastos sa pagmamanupaktura, ang mataas na presyon ng sodium lamp ay kasalukuyang pinakamalawak na ginagamit sa paggamit ng pandagdag na ilaw sa mga pasilidad ng agrikultura. Gayunpaman, dahil sa mga pagkukulang ng mababang kahusayan ng photosynthetic sa kanilang spectrum, mayroon silang mga pagkukulang ng mababang kahusayan ng enerhiya. Sa kabilang banda, ang mga spectral na bahagi na ibinubuga ng mga high-pressure sodium lamp ay pangunahing nakakonsentra sa dilaw-orange na light band, na kulang sa pula at asul na spectra na kinakailangan para sa paglago ng halaman.

■ Light emitting diode
Bilang isang bagong henerasyon ng mga pinagmumulan ng liwanag, ang mga light-emitting diode (LED) ay may maraming pakinabang tulad ng mas mataas na electro-optical conversion na kahusayan, adjustable spectrum, at mataas na kahusayan sa photosynthetic. Ang LED ay maaaring maglabas ng monochromatic na ilaw na kailangan para sa paglago ng halaman. Kung ikukumpara sa mga ordinaryong fluorescent lamp at iba pang pandagdag na pinagmumulan ng liwanag, ang LED ay may mga pakinabang ng pagtitipid ng enerhiya, proteksyon sa kapaligiran, mahabang buhay, monochromatic na ilaw, malamig na pinagmumulan ng liwanag at iba pa. Sa karagdagang pagpapabuti ng electro-optical na kahusayan ng mga LED at ang pagbabawas ng mga gastos na dulot ng scale effect, ang LED grow lighting system ay magiging pangunahing kagamitan para sa pagdaragdag ng liwanag sa mga pasilidad ng agrikultura. Bilang resulta, ang mga LED grow light ay inilapat sa 99.9% na mga pabrika ng halaman.

Sa pamamagitan ng paghahambing, ang mga katangian ng iba't ibang pandagdag na pinagmumulan ng liwanag ay malinaw na mauunawaan, tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 1.

Mobile lighting device
Ang intensity ng liwanag ay malapit na nauugnay sa paglago ng mga pananim. Ang tatlong-dimensional na paglilinang ay kadalasang ginagamit sa mga pabrika ng halaman. Gayunpaman, dahil sa limitasyon ng istraktura ng mga cultivation racks, ang hindi pantay na distribusyon ng liwanag at temperatura sa pagitan ng mga rack ay makakaapekto sa ani ng mga pananim at ang panahon ng pag-aani ay hindi magkakasabay. Ang isang kumpanya sa Beijing ay matagumpay na nakabuo ng isang manual lifting light supplement device (HPS lighting fixture at LED grow lighting fixture) noong 2010. Ang prinsipyo ay upang paikutin ang drive shaft at ang winder na naayos dito sa pamamagitan ng pag-alog ng hawakan upang paikutin ang maliit na film reel upang makamit ang layunin ng pagbawi at pag-unwinding ng wire rope. Ang wire rope ng grow light ay konektado sa winding wheel ng elevator sa pamamagitan ng maraming set ng reversing wheels, upang makamit ang epekto ng pagsasaayos ng taas ng grow light. Noong 2017, ang nabanggit na kumpanya ay nagdisenyo at bumuo ng isang bagong mobile light supplement device, na maaaring awtomatikong ayusin ang taas ng light supplement sa real time ayon sa mga pangangailangan sa paglago ng crop. Naka-install na ngayon ang adjustment device sa 3-layer light source lifting type three-dimensional cultivation rack. Ang tuktok na layer ng aparato ay ang antas na may pinakamahusay na kondisyon ng liwanag, kaya nilagyan ito ng mga high-pressure na sodium lamp; ang gitnang layer at ang ilalim na layer ay nilagyan ng LED grow lights at isang lifting adjustment system. Maaari nitong awtomatikong ayusin ang taas ng grow light upang magbigay ng angkop na kapaligiran sa pag-iilaw para sa mga pananim.

Kung ikukumpara sa mobile light supplement device na iniakma para sa three-dimensional cultivation, ang Netherlands ay bumuo ng isang horizontally movable LED grow light supplement light device. Upang maiwasan ang impluwensya ng anino ng grow light sa paglaki ng mga halaman sa araw, ang grow light system ay maaaring itulak sa magkabilang gilid ng bracket sa pamamagitan ng teleskopiko na slide sa pahalang na direksyon, upang ang araw ay ganap na irradiated sa mga halaman; sa maulap at maulan na araw na walang sinag ng araw, Itulak ang grow light system sa gitna ng bracket para pantay na mapuno ng liwanag ng grow light system ang mga halaman; ilipat ang grow light system nang pahalang sa pamamagitan ng slide sa bracket, iwasan ang madalas na disassembly at pagtanggal ng grow light system, at bawasan ang labor intensity ng mga empleyado, kaya epektibong mapabuti ang kahusayan sa trabaho.

Mga ideya sa disenyo ng karaniwang grow light system
Hindi mahirap makita mula sa disenyo ng mobile lighting supplementary device na ang disenyo ng supplementary lighting system ng pabrika ng halaman ay karaniwang kumukuha ng light intensity, light quality at photoperiod parameters ng iba't ibang panahon ng paglago ng crop bilang pangunahing nilalaman ng disenyo. , umaasa sa intelligent na sistema ng kontrol upang ipatupad, pagkamit ng sukdulang layunin ng pagtitipid ng enerhiya at mataas na ani.

Sa kasalukuyan, ang disenyo at pagtatayo ng pandagdag na ilaw para sa mga madahong gulay ay unti-unting nahihinog. Halimbawa, ang mga madahong gulay ay maaaring hatiin sa apat na yugto: yugto ng punla, kalagitnaan ng paglaki, huli na paglaki, at yugto ng pagtatapos; Ang mga prutas-gulay ay nahahati sa yugto ng punla, yugto ng paglaki ng halaman, yugto ng pamumulaklak, at yugto ng pag-aani. Mula sa mga katangian ng supplemental light intensity, ang light intensity sa seedling stage ay dapat na bahagyang mas mababa, sa 60~200 μmol/(m²·s), at pagkatapos ay unti-unting tumaas. Ang mga madahong gulay ay maaaring umabot ng hanggang 100~200 μmol/(m²·s), at ang mga prutas na gulay ay maaaring umabot sa 300~500 μmol/(m²·s) upang matiyak ang light intensity na kinakailangan ng photosynthesis ng halaman sa bawat panahon ng paglago at matugunan ang mga pangangailangan ng mataas na ani; Sa mga tuntunin ng kalidad ng liwanag, ang ratio ng pula sa asul ay napakahalaga. Upang mapataas ang kalidad ng mga punla at maiwasan ang labis na paglaki sa yugto ng punla, ang ratio ng pula sa asul ay karaniwang itinatakda sa mababang antas [(1~2):1], at pagkatapos ay unti-unting binabawasan upang matugunan ang mga pangangailangan ng halaman. magaan na morpolohiya. Ang ratio ng pula sa asul sa madahong mga gulay ay maaaring itakda sa (3~6):1. Para sa photoperiod, katulad ng intensity ng liwanag, dapat itong magpakita ng isang trend ng pagtaas sa extension ng panahon ng paglago, upang ang mga madahong gulay ay magkaroon ng mas maraming photosynthetic na oras para sa photosynthesis. Magiging mas kumplikado ang disenyo ng light supplement ng mga prutas at gulay. Bilang karagdagan sa mga nabanggit na batayang batas, dapat nating pagtuunan ng pansin ang pagtatakda ng photoperiod sa panahon ng pamumulaklak, at ang pamumulaklak at pamumunga ng mga gulay ay dapat isulong, upang hindi maging backfire.

Ito ay nagkakahalaga ng pagbanggit na ang liwanag na formula ay dapat isama ang pagtatapos ng paggamot para sa mga setting ng liwanag na kapaligiran. Halimbawa, ang tuluy-tuloy na light supplementation ay maaaring lubos na mapahusay ang ani at kalidad ng hydroponic leafy vegetable seedlings, o gumamit ng UV treatment para makabuluhang mapabuti ang mga sprouts at leafy vegetables (lalo na purple Leaves at red leaf lettuce) nutritional quality.

Bilang karagdagan sa pag-optimize ng light supplementation para sa mga piling pananim, ang light source control system ng ilang pabrika ng artipisyal na light plant ay mabilis ding umunlad sa mga nakalipas na taon. Ang control system na ito ay karaniwang batay sa B/S structure. Ang remote control at awtomatikong kontrol ng mga salik sa kapaligiran tulad ng temperatura, halumigmig, liwanag, at konsentrasyon ng CO2 sa panahon ng paglaki ng mga pananim ay naisasakatuparan sa pamamagitan ng WIFI, at kasabay nito, ang isang paraan ng produksyon na hindi pinaghihigpitan ng mga panlabas na kondisyon ay naisasakatuparan. Ang ganitong uri ng intelligent supplementary light system ay gumagamit ng LED grow light fixture bilang pandagdag na pinagmumulan ng liwanag, na sinamahan ng remote intelligent control system, maaaring matugunan ang mga pangangailangan ng wavelength illumination ng halaman, ay partikular na angkop para sa light-controlled na kapaligiran sa paglilinang ng halaman, at mahusay na matugunan ang pangangailangan sa merkado .

Pangwakas na pananalita
Ang mga pabrika ng halaman ay itinuturing na isang mahalagang paraan upang malutas ang mapagkukunan ng mundo, populasyon at mga problema sa kapaligiran sa ika-21 siglo, at isang mahalagang paraan upang makamit ang self-sufficiency ng pagkain sa mga high-tech na proyekto sa hinaharap. Bilang isang bagong uri ng pamamaraan ng produksyon ng agrikultura, ang mga pabrika ng halaman ay nasa yugto pa rin ng pag-aaral at paglago, at higit na pansin at pananaliksik ang kailangan. Inilalarawan ng artikulong ito ang mga katangian at bentahe ng mga karaniwang pandagdag na paraan ng pag-iilaw sa mga pabrika ng halaman, at ipinakilala ang mga ideya sa disenyo ng mga tipikal na sistema ng pandagdag na pag-iilaw ng pananim. Ito ay hindi mahirap hanapin sa pamamagitan ng paghahambing, upang makayanan ang mahinang ilaw na dulot ng masamang panahon tulad ng patuloy na maulap at manipis na ulap at upang matiyak ang mataas at matatag na produksyon ng mga pananim sa pasilidad, ang LED Grow light source na kagamitan ay pinakanaaayon sa kasalukuyang pag-unlad. uso.

Ang hinaharap na direksyon ng pag-unlad ng mga pabrika ng halaman ay dapat tumuon sa mga bagong high-precision, murang mga sensor, malayuang nakokontrol, adjustable spectrum lighting device system at expert control system. Kasabay nito, ang hinaharap na mga pabrika ng halaman ay patuloy na uunlad tungo sa mura, matalino, at umaangkop sa sarili. Ang paggamit at pagpapasikat ng LED grow light source ay nagbibigay ng garantiya para sa high-precision na kontrol sa kapaligiran ng mga pabrika ng halaman. Ang regulasyon sa kapaligiran ng liwanag ng LED ay isang kumplikadong proseso na kinasasangkutan ng komprehensibong regulasyon ng kalidad ng liwanag, intensity ng liwanag, at photoperiod. Ang mga nauugnay na eksperto at iskolar ay kailangang magsagawa ng malalim na pananaliksik, na nagpo-promote ng LED supplementary lighting sa mga pabrika ng artipisyal na ilaw na halaman.