叠加式智能化小型植物工厂 ——客厅菜(花) 园研发项目
可行性研究报告
目录
一、立项的背景和意义…………………………………………………1
（一）背景………………………………………………………………1
（二）意义………………………………………………………………2
二、国内外研究现状和发展趋势………………………………………3
（一）国际上的发展概况………………………………………………3
（二）国内的研究现状…………………………………………………4
（三）生产和推广中存在的问题………………………………………5
（四）适宜家庭种植的小型化植物工厂………………………………5
三、项目研究开发内容和技术关键及主要创新点……………………5
（一）开发内
（二）采取技术方案及关键……………………………………………6
（三）主要创新点………………………………………………………8
四、项目预期目标………………………………………………………9
（一）技术指标…………………………………………………………9
（二）经济指标…………………………………………………………10
（三）产业化前景………………………………………………………10
五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解………………11
（一）实施方案…………………………………………………………11
（二）技术路线…………………………………………………………15
（三）组织方式…………………………………………………………16
（四）课题分
六、计划进度安排………………………………………………………16
七、现有工作基础和条件………………………………………………17
（一）项目承担单位情况………………………………………………17
（二）申报国家专利及获奖情况………………………………………18
（三）产品开发情况……………………………………………………18
（四）媒体报道情况……………………………………………………18
（五）室内植物种植系统的企业标准已成功备案……………………18
（六）现有实验、检测设备仪器情况。………………………………18
（七）实验场地情况……………………………………………………19
八、经费预算……………………………………………………………19
一、立项的背景和意义
（一）研发叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园是在经过大量的技术和市场调研的基础上提出来的：
1、粮食蔬菜等农产品价格持续上涨
蔬菜等粮农产品的价格一直受到全球各方的关注，近日联合国粮农组织警示：世界面临粮食价格冲击。
联合国粮农组织日前发布的报告显示，全球食品价格指数在2010年12月达到了215，为近20年来的最高点。该组织预计，2011年全球食品价格可能进一步上涨，因此对各国提出粮食安全警告。
据了解，此前在很多发展中国家出现的食品价格大幅上涨的现象，在很多发达国家也相继出现。比如2010年美国的玉米价格上涨了50%，大豆价格上涨了34%。
蔬菜的价格每年都在上涨，大蒜、生姜价格的波动在一段时间甚至成倍的上升，老百姓的菜篮子显得很有点摇摇晃晃地拎不稳。
2、食品安全存在隐忧
对于农产品农药残留问题一直受到老百姓的关注，不少群众反映，最怕蔬菜中有农药残留，每次买回菜，都得又洗又泡好多遍。为有效保障菜篮子安全，让群众吃上“放心菜”，已刻不容缓。
3、耕地面积日益减少
随着工业化和城市化进程的加快，我国耕地面积在日益减
少，已经降到了18亿亩的警戒线，人均耕地面积才一亩多一点。提高单位面积的耕地作物产物、实行立体式的种植以及利用家庭庭院、室内种植等，已经成为各国优先发展的技术。
4、种植正在成为城市居民的一种消费时尚
种植绿色植物，包括蔬菜、花卉，不仅是吃和观赏，还可以得到身体的锻炼，以及得到空气净化、供应新鲜氧气，这被很多城市居民认识并采用。而在室内种植，在家庭客厅里种植，更是可以达到天然氧吧的效果，这是种植的最高境界。
（二）研发针对家庭的叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，有着重要的经济和社会意义：
1、从国家层面上来说，是一种战略技术储备
解决吃的问题，一直是国家关心的涉及千家万户民生的大事。许多发达国家，都投入大量的资金来研究种植技术，提高单位面积的产量，以及保持在不同的季节和气候条件下的生产。植物的室内种植，是种植技术皇冠上的明珠，在植物工业化生产上的突破和技术推广应用，可以为国家解决老百姓在吃的问题上的担忧。叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，是大规模蔬菜植物工厂的雏形，其开发成功并得到推广，将为进一步开发规模化植物工厂积累经验，为未来储备技术。
2、开创新的行业，带动地方经济的发展
叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，是一种全新的设计理念和产品理念，该产品一旦开发成功，必将引起植
物种植行业革命性的改变。前几年，有一家河南的企业开发出了把黄豆研磨并煮熟叫豆浆机的产品，起初，这种小家电并不起眼，只有很少的家庭购买使用。而正是这种小家电，在三鹿奶粉事件出来后，人们开始对奶制品不信任，转而改吃现磨现煮的新鲜豆浆，豆浆机一跃而成为家电行业的新秀，开创了一个新的行业，全行业年产值在100亿以上的。相信家庭化植物工厂，也将开创出一个新的行业，带动地方经济的发展
3、提供清洁、无污染的绿色蔬菜，家庭居民得到自给自足 叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，产量高，生产周期短，使用清洁环保的肥料，在无污染的环境下生长，耗电量少，家庭化生产，可以满足或部分满足家庭数口人吃菜，而且无农药残留的担忧，无疑将成为许多居民家庭的选择。
4、在家庭里种植，既是一种锻炼身体的方式，又是一个天然的氧吧
利用叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，种植蔬菜花卉等各种植物，既可以体验农业劳动，得到身体锻炼，还可以在植物的光合作用下，提供氧气，净化空气，对人们的身体健康是一举多得。普及和推广室内种植，将大大有利于国民体质的提高，可谓利国利民！
5、有巨大的市场容量，具有良好的经济效益
目前家庭住房改善很快，大户型的住房已经有较高的比例。在新居室装修时，设计占用一定的面积进行室内种植，将成为
许多居民的选择。据测算，全国住上150—200平方面积的家庭有上千万，向这些大户型住房家庭推荐使用，将是一个十分可观的市场，市场价值数十个亿。
二、国内外研究现状和发展趋势
（一）植物工厂在国际上的发展概况
1957年世界上第一家植物工厂诞生在丹麦，1974年日本等国也逐步发展起来。美国犹他州立大学试验用植物工厂种植小麦，全生育期不到2月，一年可收获4－5次。20世纪60年代初次进行植物工厂的试验，并开始推广。1964年奥地利开始试验一种塔式植物工厂（高30米、面积5000平方米）。该国鲁斯纳公司的塔式植物工厂已在北欧、俄罗斯、中东国家采用。奥地利的一家番茄工厂，工作人员仅30人，平均日产番茄 13.7吨，成本只有露地的60％。1971年丹麦也建成了绿叶菜工厂，快速生产独行菜、鸭儿芹、莴苣等。1974年日本建成一座电子计算机调控的花卉蔬菜工厂，该厂由1栋2层的楼房（830平方米）和两栋栽培温室（每栋800平方米）构成，在一年内生产两茬金香、两茬垄民花、一茬番茄，做到周年生产。至1998年，日本已有用于研究展示、生产的植物工厂近 40个，其中生产用植物工厂17个。
植物工厂是国际上公认的设施农业最高级发展阶段，是一种技术高度密集、不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。
（二）植物工厂在国内的研究现状
国内有以中国农科院等研究机构研制的植物工厂。该植物工厂由植物苗工厂和蔬菜工厂两部分组成，以节能植物生长灯和LED 为人工光源，采用制冷-加热双向调温控湿、光照-CO 2耦联光合调控、营养液（EC 、pH 、DO 和液温等）在线检测与控制、环境数据采集与自动控制等13个相互关联的控制子系统，可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、CO 2浓度以及营养液等环境
要素进行自动监控，实现智能化管理。其中的植物苗工厂由双列五层育苗架组成，种苗均匀健壮，品质好，单位面积育苗效率可达常规育苗的40倍以上；蔬菜工厂采用五层栽培床立体种植，所栽培的叶用莴苣从定植到采收仅用16-18天时间，比常规栽培周期缩短40%，单位面积产量为露地栽培的25倍以上，产品清洁无污染，商品价值高。
（三）植物工厂在生产和推广中存在的问题
尽管植物工厂在产量和效率方面具有优点突出，但存在的问题也同样明显，就是设备复杂、成本高昂，而且运作成本更高，在一定程度上影响了它的推广。
一个封闭式的植物工厂，如果配备补光、空调、二氧化碳供给、湿度调节以及自动控制的系统，每个平方的投资将达到数万元上，一个200平方面积的植物工厂，造价将达到上千万元。
而这样的植物工厂，运作成本将更高，一般电费为每天每平方2千瓦时。
成本问题，导致植物工厂一时很难普及和推广，限制了其产业化。
（四）适宜家庭种植的小型化植物工厂将得到优先发展 台湾和日本的一些研究机构以及国内的中国农科院、丽水市农科院等研究机构，开始研发针对家庭使用的小型化植物工厂，认为家庭型蔬菜植物工厂，可以得到植物氧气释放与吸收二氧化碳的交换，也是一种很好的休闲、锻炼方式，其吃菜的经济性让位于第二位，适宜于较高层次的家庭以及军队潜艇、海岛、边防部队战士吃菜需要，因而有很大的市场潜力，有可能得到优先发展。
三、项目研究开发内容和技术关键及主要创新点
（一）开发内容
本项目的目的是研发一种新型叠加式、智能化、节能环保型小型植物工厂——客厅菜(花) 园。主要研究内容包括：
1. 根据不同植物（蔬菜、花卉等）光合作用光谱曲线、光合作用补偿点和光合作用饱和点等特点，研究基于LED 光源的不同植物室内补光技术方案，包括LED 波长的选择和配比，LED 灯珠数量等参数的确定。
2. 智能LED 室内补光系统的技术设计、试制及测试，包括LED 配光仿真与设计、电子电路设计、恒流源驱动电路设计、散热系统设计；各系统的加工与测试。
3. 叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园的设计
与开发：包括框架结构和外观设计、补光灯安装和高度调节结构设计、水培循环系统设计和智能控制系统设计。
4. 叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园的智能清洁栽培专家系统的建立：研究不同蔬菜、花卉的光照管理技术、清洁栽培技术，建立智能清洁栽培专家系统。
5. 制定叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园的产品技术标准并备案。
6. 叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园的规模化生产与市场推广。
（二）采取技术方案及关键
1. 不同植物补光参数的确定，包括植物光合作用吸收光谱和光合补偿点和光合饱和点的确定。
选择代表性室内种植蔬菜、花卉品种，测定其不同生育期叶片的吸收光谱曲线和叶片色素的吸收光谱曲线，为补光灯配光曲线提供依据。
选择代表性室内种植蔬菜、花卉品种，采用光合速率测定仪，测定不同植物的光合补偿点和光合饱和点，为补光灯光强确定提供依据。
2．智能LED 植物补光系统的研制与测试：
2.1智能 LED植物补光灯光谱特性研究：针对不同植物、不同生育期的吸收光谱特点，选择红光（中心波长660nm 和中心波长640nm ）、蓝光（中心波长460nm ）、以及白光等不同的LED
光源，研制出适合不同植物、不同生育期的补光曲线。调整LED 灯珠的数量和光强，使其光照强度高于植物的光合补偿点并且低于光合饱和点，以获得最佳的补光效果。
2.2 智能LED 植物补光灯配光系统设计与仿真：LED 植物补光灯是由多组不同波长的LED 组成，为了实现对植物的均匀照射，必须对LED 植物补光灯进行二次配光设计，通过对不同波长LED 空间的合理布局，并采用菲尼尔透镜、折射透镜等光学设计，实现LED 植物补光灯不同波长光源和整体光照的均匀分配。并对补光灯照射均匀性采用Solid 软件仿真和测试。
2.3 智能LED 补光系统驱动电路设计：由于用于室内植物补光系统需要多个不同色光的LED 排列组合起来，不同的LED 驱动电压不同，但是驱动电流一致（对1W 大功率LED 其驱动电流都是350mA ），因此，LED 的驱动电路需要采用恒流驱动。多个LED 的连接形式采用混联的方式连接：先并联后串联、先串联后并联、交叉阵列等不同连接方式，选择具有可靠性高，总体效率高，驱动器设计制造方便的连接方式用于本项目设计。
恒流驱动电路的设计与制造：针对本项目室内栽培的特点，恒流源的输入为工频交流电源，而输出电源要求为安全电压以下的直流电源。本项目拟通过对电源转换器、稳压器、恒流芯片进行比较，研发出适合本项目特点的LED 驱动电路。恒流驱动电路的效率大于90%，功率因子大于90%，采用PWM 进行光强调节，调光比大于1：100.
2.4 智能LED 补光系统散热技术设计：LED 工作时，80%的能量转换为热能，使芯片结温升高。如果不能及时散去，会加速器件老化，甚至造成LED 永久失效。因此，LED 光源系统必须解决散热问题。通过比较不同散热材料的热阻，选择合适的散热材料并加工成合适的外形，用于本项目LED 补光系统的散热。通过测试，LED 结温不超过60°C 。
3. 智能控制系统设计与制造：智能控制系统由嵌入式未处理器、液晶显示屏、触摸式操作按钮等部分组成。包括光照系统控制、循环系统控制、智能栽培系统控制等功能模块。光照控制系统对LED 补光系统的光照时间、光强、光谱等进行智能控制，以满足不同植物生长需要；循环控制系统对气泵的开关时间进行控制；智能栽培专家系统预存不同植物不同生长期的光照、水肥管理技术参数，为用户提供一键式技术支持。
4．叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园的结构设计、系统集成。
叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园的结构采用轻型型材，组合式、叠加式的结构设计，具有外观结构美观、占地空间小、容量大、补光灯高度和角度可调等特点。
5. 智能清洁栽培技术专家系统研究：针对不同植物室内栽培的特点，研究水培、砂培等不同清洁栽培方式下的光、水、肥、气、温度的智能管理方案，构建智能清洁栽培技术专家系统，预存于智能控制系统中，为用户提供一键式技术服务。
6. 技术关键：
智能LED 补光系统的设计，包括光谱特征研究、均匀配光光学设计、驱动电路设计和散热设计。
（三）主要创新点
1、优化产品性能，降低成本，使产品具有实用性：本研究课题叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，是根据城市家庭居室条件来设计的，大大降低了成本，存在着较高的性价比。因为现代家庭室内，在有人居住的环境，总有温度调控设施，冬天有暖气和空调，夏天有冷空调，这和植物生长的环境很相似或很适合，因此简化了温度调控。二氧化碳的供给，则是利用家庭人口的呼吸所排放的气体。
这样，无论是生产制作成本，还是运作成本，都有相当的降低，存在很大的经济性，在商业化上，大大地前进了一步。
2、智能化的LED 补光系统，具有针对性补光、均匀补光、补光效率高，安全可靠的优点。系统选用了植物可以充分吸收的介于460——660nm 波长的红光和蓝光，按一定的比例配成植物补光灯。这个波长的光，被植物大部分吸收，光能转换非常高。另外，LED 节能、环保、使用寿命长，而且其发出的光为冷光，可以近距离对植物进行补光，大大地增加了补光效果。
3、智能化的控制系统，具有自动化程度高，预存的智能清洁栽培技术专家系统为客户提供一键式技术支持，解决了城市工薪阶层和中小学生缺乏实际栽培管理技术的困难。
四、项目预期目标（主要技术经济指标、应用或产业化前景）
（一）技术指标
1. 研制出叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，包括智能LED 补光系统、智能循环系统、智能清洁栽培专家系统、嵌入式微处理器智能控制系统和叠加式组合结构的设计和生产。
2. 智能LED 补光系统光谱曲线与植物光合吸收光谱曲线吻合度大于80%；光照均匀度大于85%；光电转换效率大于90%；
3. 智能LED 补光系统补光效率与对照光源（日光灯、白炽灯）相比，效率提高50以上；
4. 叠加外观结构具有可拆卸、自由组合、占地小、空间利用效率高的有点。
5. 叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园中试产品各技术参数达到合企业标准要求。
（二）经济指标
至项目完成时完成销售额30万元、项目完成后一年内完成销售300万元，利润60万元，税金10万元，完成第二年销售800万元，利润200万元，税金60万元，第三年销售2000万元，利润500万元，税金150万元。
通过三年市场培育后，预期年产值销售可以过亿。
另外，项目完成后三年，可以提供50个以上的就业岗位。
（三）产业化前景
市场是创造出来的。前几年，河南九阳公司开发出了把黄豆研磨并煮熟的产品，叫豆浆机。起初，这种小家电并不起眼，只有很少的家庭购买使用，并在一定的时期成为中高消费层次的奢侈品。而正是这种小家电，在三鹿奶粉事件出来后，人们开始对奶制品不信任，转而改吃现磨现煮的新鲜豆浆，豆浆机一跃而占据市场，成为家电行业的新秀，全行业做到了年100亿以上的产值，以致以前对豆浆机看不起的家电行业老大美的公司以及国际赫赫有名的直销企业安利公司也纷纷入行，来分享豆浆机这块蛋糕。
叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，是一种全新的产品，其强烈的创新理念，必将被市场所接受，在良好的市场策划和推广下会拥有巨大的市场潜力。
叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园采用立体式的架构，可以实现自动补光、供气，方便、实用，蔬菜生长周期短，既能满足家庭数口人吃菜的需要，或者补充，也可以在家庭里体验种植，进行身体锻炼，并提供新鲜空气，增强舒适度。
叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园销售的对象是：1、城市居民家庭：作为蔬菜、花卉种植的设备，也可以作为休闲、锻炼的活动方式，以及增进身体健康的天然氧吧；2、
科研机构：作为植物补光和种植的实验设备；3、政府部门和植物园：作为政府植物观光园和旅游观光园、休闲农场的模型；4、教师、学生：作为教具和试验田。
客厅菜（花）园在销售通路上，跟着家居市场走。新房子装修，先要进行设计，将客厅菜（花）园放在客厅或者其它居室，与装修风格一体化，购买客厅菜（花）园，是新房子装修预算的一部分。客厅菜（花）园作为新的时尚家居，可以代替生态鱼缸，作为室内客厅的绿色景观，可以实现日常蔬菜所需，这块市场前景巨大。
客厅菜（花）园对北方家庭尤其适宜。因为北方天气寒冷，气候干燥，到了冬天在野外很难见到绿色植物，蔬菜的价格也特别贵。而在家庭室内，大都有暖气，温度在20度，非常适宜蔬菜植物种植。
以城市大户型住房家庭来看，全国目前住上150—200平方以上的家庭有1200万户，如果5%的家庭使用叠加式智能化小型植物工厂——客厅菜（花）园，市场占有率达到30%，那就是18万套的需求量，按照每套2000元的价格，就有3.6亿的产值、销售。
五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解
（一）实施方案
1、LED 光源的组合配比
① LED组波长的选择
红光选择640nm 、660nm 、670nm ，蓝光选择460nm 、470nm 、480nm ，按照不同组合，模拟组合光谱与植物吸收光谱相似性对比，确定最佳的补光波长方案。
② LED组红、蓝光的配比选择
对于叶菜类，红光与蓝光的配比选择2:1、3:1、1:1,进行实验，模拟组合光谱与叶菜类植物吸收光谱相似性对比，并通过叶菜种植实验对比实际种植效果，最终确定对于叶菜类的最佳红、蓝光配比方案。
对于花果类，红光与蓝光的配比选择8:1、6:1、5:1,进行实验，模拟组合光谱与花果类植物吸收光谱相似性对比，并通过花果类植物种植实验对比实际种植效果，最终确定对于花果类的最佳红、蓝光配比方案。
③ LED光源组功率的选择
选择8W 12W 24W 三种功率实验，对比不同光强度对不同品种植物需求的关系。通过测量不同功率LED 补光灯的光强度，并参考不同植物的光合作用补偿点和饱和点，理论推算不同植物合适的功率。再通过将以上三种功率，分别种植叶菜类和花果类，比较选择实际最佳功率。
2、核心控制系统设计、试制及测试
控制系统要实现对补光系统和循环系统的控制，功能框图如下：
首先根据以上设计要求和原理框图，设计不同功能模块（包
括IN 模块、LCD 模块、POWER 模块、IC 模块、OUT 模块等），再将个模块组合在一个电子线路系统中，再通过模拟仿真，检测电路并查找异常问题，纠错完善系统。待电子线路正常运作之后，再设计CPU 控制程序，软件设计完成后，再通过仿真确认。然后制版打样，测试，并根据要求不断完善系统。
3、客厅菜（花）园的设计与开发
①客厅菜（花）园水培系统及水培管的设计与制作。 水培管长度在30cm-200cm 范围内确定最佳长度，主要参考循环系统功率等因素。直径在5cm-20cm 范围内确定最佳，并选择一种无毒透明或半透明的PVC 或PC 或PP 材料，保证植物种植绿色无污染。且外壁上应设置水位标示刻度，以方便观察培养管内营养液量。通孔直径为2cm-10cm ，孔间距为5cm-15cm ，培养兜底部进入水培管内的深度为6cm-16cm ，网格间距5mm-10mm ，具体根据对常见蔬菜、花卉的根茎直径统计和总结，定一个最佳尺寸。水培管的底部设置一个固定装置，可以做成凹槽，该凹槽与底座上的凸条配合安装，凹槽的宽度为1cm-5cm ，深度1-5cm 。具体根据框架和外观等综合因素而定。（如下图所示）
② 客厅菜（花）园循环系统的设计与制作
循环系统目的是为了培养管内溶液均匀搅拌，并定期活动营养液，防止植物根部腐烂，可以设计成通气和液体循环两种方式，具体根据实际种植效果对比和操作便捷性选择最佳的循
环方式。
③ 客厅菜（花）园补光灯安装与设计
需按照补光均匀性和光强度要求设计高度调节结构，高度调节范围在17cm~35cm左右。
确定最佳的补光灯固定位置，保证在一定高度范围内的光照均匀性。
④ 客厅菜（花）园外观设计与制作安装
客厅菜（花）园针对家庭用户在客厅使用，需要安装客厅装潢的美观要求设计出现代时尚的外观，并需要将以上功能模块和部件的和谐整合在一起，而且要满足方便拆装、运输、组合等优点。
4、客厅菜（花）园的智能栽培技术的研究
针对不同蔬菜、花卉的光照要求和植物管理技术，对比总结在室内蔬菜、花卉种植的特点。对比在客厅菜（花）园上栽培植物与在室外或温室栽培的效果，包括成熟周期、营养成分、病虫害等。
5、总体设备性能测试与技术标准制定
制定包括产品外壳质量、装配质量、外观质量、使用性能、电气性能、老化性能的设备检测标准和技术质量要求。 （二）技术路线：
（三）组织方式：