涉及传感器、机器人和数据分析的垂直农场技术分析

作者： Paul Pickering

垂直农场向世人描绘了一副诱人的愿景：没有使用杀虫剂的新鲜食物、产量的增加、用水量的减少、城市内空置城区的合理利用等。要实现这一美好的愿景，需要对光照、温度、用水和营养输送进行精确地控制，这就涉及到大量的物联网技术，包括传感器、机器人和数据分析。

垂直农场的技术

金色的麦田在微风中摇曳生姿，这是传统农场所展示的田园风光，而垂直农场则更像一个工厂（图1）。这项技术正在迅速发生改变：商业垂直农场是资金密集型产业，在启动之初便需要投入数百万美元，当然，它还要面对来自温室农场及其他室内农场的激烈竞争。

图1：垂直农场在工厂式的环境中使用技术来保证产品的质量

从苗圃播种到收割，垂直农场在农业生产的每一个环节都使用了技术，如图2所：

图2：技术可以协助改善室内农业生产的每个环节

从自动播种机到存放作物盆的苗圃机器人，大型室内种植户使用了各种各样的自动化设备。由于室内农业仍是小市场，目前鲜有专门的相关设备，所以，垂直农场主通常采用来自其他行业的先进技术。

气候控制

加热、通风和空调(HVAC)系统通过控制温度、湿度、二氧化碳(CO2)水平、空气流动和过滤等，可以为作物生长创造最佳的环境。当大气中二氧化碳的浓度超过百万分之四百（400ppm）时，作物的生长速度会更快：垂直农场中，二氧化碳的浓度接近1000ppm。

气候控制系统的控制范围十分广泛，从基本的风扇和加热器，到多功能控制系统，均有覆盖。多功能控制系统还集成了最新的冷却装置、红外线和紫外线杀菌技术。对于任何农场，系统是否处于最佳状态取决于以下几个因素：当地的法规、农场的规模、类型和位置、作物类型，当然，还有预算。在筛选系统时，通常需要在资本支出(CapEx)和运营支出(OpEx)之间进行一个权衡：造价高的系统往往更高效，运营成本也更低。

光照

传统的农场可以获取充足的阳光，相比之下，垂直农场则使用人工照明来促进作物更快地生长，且其能源成本是预算中最大的项目之一。

通常，许多垂直农场使用荧光灯照明，因为荧光灯照明相对便宜，但是LED灯效率更高，即使是同样的能量输出，功耗也不过其60%。LED在技术上占有优势：其光亮可以进行精确控制，且不会发射大量的红外辐射(热量)，还可以靠近作物放置以保持光吸收的最佳效果。LED是光谱和强度的最佳组合，使每一种作物能享有最节能的光合作用。

例如，日本的Mirai使用了17500个LED灯，为各种作物提供了生长所需的精确波长。据Mirai所述，新系统使功耗降低了40%，且产量提高了50%。

从长远来看，由于有机LED(OLED)使用了有机化合物来生成光照，研究人员预测，其最终将成为一种更经济、更有效的选择。

监测和控制

由于垂直农场是一个封闭的环境，农场主采取了严格的措施来消灭害虫、花粉或病毒。这一预防措施同样适用于人类：在进入Mirai的“绿色房间”前，工人们必须先沐浴清洗，并换上已消毒的工作服。

垂直农场并不将土壤作为将营养物质传输至植物根部的媒介，而是使用：

水培法：作物生长在营养丰富的水盆里，或
雾培法：对作物的根部定期喷洒含有水分和养分的薄雾。

对于这两种方法，操作人员都将对作物所有的宏观和微量营养元素进行监控(图3)。与常规操作不同的是，作物蒸发到大气中的水分并没有流失。垂直农场的空调系统可以恢复98%蒸发的水分。

图3：垂直农场控制着生长过程的方方面面，从灯光的布置，到根系的营养等均有覆盖（来源：Aerofarms）

严格的监测和控制可以收获良好的效果：垂直农场不必再使用杀虫剂、除草剂或杀真菌剂；且在18天内便可以完成丰收，相比传统的农场，时间周期缩短了一半。而相比传统的农产品，垂直种植的作物含有更多的维生素和矿物质：Mirai声称，他们所种植生菜的贝塔胡萝卜素含量是传统生菜的10倍多，维生素C、钙、镁的含量是传统生菜的2倍。此外，生菜不需要进行清洗便可以直接烹饪，且在烹饪时可以锁住95%的营养成分，而普通的生菜通常只能保持60%的营养成分。

机器人

垂直农场的下一个阶段便是大幅削减成本，甚至减少人力投入，因此，机器人和无人机的投入量正与日俱增。在日本京都，SPREAD公司的“科技农场”刚刚破土动工。这个预计每天将生产3万棵生菜的工厂造价17500万美元，预计在2018年完工。

据TechInsider所述，该农场将使用机器人进行播种、洒水、修剪及收割，这些机器人类似于“全副武装的传送带”。与其现有的Kameoka工厂相比，Techno农场将使劳动力成本削减50%，能源成本降低30%。

无人机可以替代大部分的人力，以进行大面积区域的监控。该行业的供应商正在引进一种轻型无人机，将适合监测大型室内农场的作物生长条件：如英特尔的AeroDrone，即一款无人机开发平台，涵括无线控制器和英特尔的RealSense摄像头。

大数据的作用

在传统农业中，数据分析主要为农民提供有关作物生长的现有数据和历史数据。这些信息通过仪器和设备直接获取，或通过卫星和GPS跟踪系统间接获取。数据指标包括土壤质量和湿度、降雨量、化肥和杀虫剂使用量及作物产量。

最先进的垂直农场则将数据收集和分析视作商业模式中的关键元素，并雇佣了许多数据科学家和工程师，其就如农学家和植物生物学扮演的重要角色一样。例如，Aerofarms在一个生长周期中，对收集的数据进行了1万多次的测量。该公司利用这些数据来提高产量和质量，同时也降低了成本，使垂直农场相比传统农场更具竞争优势。

总结

垂直农场在类似工厂的环境中，大量地使用技术来种植作物。就像传统的生产线，工人和管理者监控和控制作物生长的各个方面，以最大限度地提高产量，并确保产品质量的始终如一。数据的收集将在改善未来几代“产品”的质量方面发挥重要作用。

更多有关垂直农场的资讯，请访问：Mouser塑造智慧城市的网站。