智能化植物工厂创客实验室建设

魏相飞 何锐 张刚 刘向远

摘  要 智能化植物工厂创客实验室以皖西学院校级科技创新平台——智能照明与显示工程技术中心为依托，与六安地区的产学研合作企业合作，开展植物工厂自动补光方面的研究。依托电气与光电工程学院的电气自动化和光源与照明两个专业，相关专业的教师和学生都可融入该创客实验室，其专业技能在该创客实验室中可以得到最大限度发挥。各专业之间可以很好地融合，发挥各自的专业特长，通力合作，为学生参加自动控制、光电、照明设计相关的学科竞赛提供保障。

关键词 智能化植物工厂;创客实验室;创新创业;大学生创新团队

中图分类号：G482    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）20-0016-03

Intelligent Plant Factory Maker Lab Construction//WEI Xiang-fei， HE Rui， ZHANG Gang， LIU Xiangyuan

Abstract The intelligent plant factory creates guest laboratory with

the innovation platform of West Anhui University school level science

and technology Intelligent Lighting and Display Engineering Tech-nology Center， and cooperation with the industry and research and

research cooperation enterprises in Lu'an area to carry out research

on auto lighting in plant. Depending on the electrical and Electrical Engineering Institute's electrical automation and lighting and ligh-ting two specialties， teachers and students of related specialties can be integrated into the creation laboratory， and their professional skills

can be maximally played in the creation of the guest laboratory. Va-rious majors can be well integrated， play their own professional ex-pertise， cooperate fully， to provide support for students to participate in automatic control， photoelectric， lighting design related discip-lines competition.

Key words intelligent plant factory; maker laboratory; innovation and entrepreneurship; innovation team of college students

1 引言

智能化植物工廠采用各种照明灯具（如LED、荧光灯、日光灯或白炽灯等光源）为植物提供光合作用所需的光照，并配备风机、空调、自动施肥系统、自动喷灌系统等设备对植物生长所需的水分、温度、CO2等进行自动控制和自动调节[1-2]。与传统的户外种植方式、温室大棚或者塑料大棚比，智能化植物工厂能够精确调控温度、湿度、水分和CO2浓度，防止外界不可调控的气候和环境变化对植物生长的不利影响，能够像工厂一样，常年批量生长植物。

日本在植物工厂的研究和应用方面起步较早，早在2009年就在相关高校和研究机构进行了植物工厂技术的研发，掀起一场植物工厂建设的热潮[3]。虽然中国对植物工厂的研究起步比较晚，但发展迅速，已经有多家企业开展了植物工厂的建设并开始运营。尤其是最近几年随着物联网技术的兴起，德国在2013年率先提出工业4.0的概念，工业生产进入以物联网和大数据等技术为驱动的智能制造时代[4]。

在智能制造时代，传统产业链中研发与设计制造、生产与制造、营销与服务之间的界限被打破，企业的生产效率可以得到极大提高，生产更加具有针对性，实现生产产品的私人定制，生产成本可以得到有效控制，能够快速地对消费者的需求做出反应[4-5]。

智能化植物工厂创客实验室依托皖西学院电气与光电工程学院的电气自动化和光源与照明两个专业，有很好的专业依托，相关专业的教师和学生都可融入该创客实验室，其专业技能在该创客实验室中可以得到最大限度的发挥。各专业之间可以很好地融合，发挥各自的专业特长，通力合作，将会获得很好的锻炼效果。因此，该创客实验室将为电气与光电工程学院相关专业的学生提供一个交流和训练的平台，不仅能够产出一批专利成果，更为学生参加自动控制、光电、照明设计相关的学科竞赛提供基础。

以创新创业为主题，以研究性学习和各类竞赛为抓手，建成智能化控制的植物生长工厂创客实验室，使其成为开源、创新、协作、共享的智造平台;依托创客模式，构建技能学习、实践的环境，激发创新、创造能力。开展智能控制植物生长环境的研究工作，包括植物生长灯具的开发与设计、植物生长条件的智能化控制，实现自动补光、自动控温、自动调湿、自动调节CO2浓度等。设计植物生长自动控制系统，培养学生的创新创业能力，形成一批专利成果，建设一支专业和年级层次合理的创新团队，为学生提供学习、实践、探究、创新的平台。

2 阶段目标

植物工厂虽然可以对温度、CO2浓度、空气湿度、土壤温度、光照强度及所需波段的光照进行自动调控，但有些生产环节（如种植和收获过程以及对病虫害的防治等）仍然需要大量人工，所以这些环节需要设计相关机械来完成。虽然自动化程度提高了，但生产成本仍然居高不下，因此，如何降低成本、提高经济效益，是智能化植物工厂亟待解决的难题。本实验室拟采用六安地区的特色经济产物（如霍山石斛、白芨等名贵中草药）作为目标培养对象。

初期目标  完成创客实验室人员分工和配置工作，完成植物生长实验室硬件部分的搭建工作，包括植物生长灯具和智能化控制模块的搭建工作，让学生初步了解影响植物生长的关键要素，完成植物生长灯具的设计和自动控制模块的搭建。

中期目标  根据不同植物对光、温度、二氧化碳浓度等的需求，通过自动控制系统，实现自动补光、自动调温和自动调节CO2浓度，实现植物生长的自动化控制，并且能够模拟自然生长环境，让学生能够设计出完整的智能化植物生长系统，产出一批具有实用价值的成果。

终极目标  为学生提供创新创业平台，为自动控制、光电、照明设计等相关专业竞赛提供智力保障;完成智能化植物生长工厂的建设，实现对植物生长环境的自动化控制，能够固定产出一批包括专利在内的有实用价值的成果;形成一支老生带新生的创新梯队，为学生营造注重创意和创新的、面向体验的、智慧的创新平台。

3 智能化植物工厂创客实验室建设规划

在原有LED封装实训实验室和智能照明与显示工程技术中心的基础设施上，配备智能化植物工厂创客实验中心，其中包括创新实验区、作品展示区、创新设备存放区三个部分。

教学实验区：主要配备教学实验器材如投影仪、电脑等电子设备，同时提供智能化植物生长实验箱，摆放相关的植物，并做对比实验。

作品展示区：主要是学生设计的各种自动控制系统等相关作品，各种植物标本，学生的获奖作品、获奖证书，历届团队成员情况及培训、参赛的照片。

教学设备存放区：主要是3D打印机、电机、控制器、电源、机器手臂、各式传感器（数十种）等。

针对植物生长所需，设计各种智能控制系统，满足以下两个研究任务。

1）温室小气候环境调控技术。温室内作物的生长发育与其所处的小气候环境紧密相关。环境因子包括温度、相对湿度、光辐射强度和CO2浓度等，要想为作物提供适宜的生长环境，就需要实时、准确地对各环境因子进行监测和控制。针对霍山石斛、六安瓜片（蝙蝠洞）等大别山农业资源，通过自动控制模拟自然环境，提高农产品的品质和产量。

2）植物补光控制系统。依托皖西学院光源与照明专业及校级工程技术中心——智能照明与显示工程技术中心，联合学校的产学研合作企业开展研究，如六安名家汇科技股份有限公司、安徽世林照明股份有限公司、安徽科发信息科技有限公司等企业。研究内容主要包括：遵循农作物生长的自然规律，通过调节灯光满足农作物生长过程中对光元素需求，通过自动调节光的强度、波长等手段，获得优化的方案，建立自动控制补光系统。

3）师资队伍建设。加强创新创业教育与创业就业指导教师队伍建设，根据创客实验室所需的技术领域，合理组合教师，建立新型团队体制，教师跨学科、跨学院组建，打破学科和专业壁垒，建立合理的考核评价体制。目前该团队包括光源与照明专业、光电信息科学与技术、计算机、自动控制、机器人工程等学科专业的教师，且年龄结构和职称结构合理，并邀请部分企业专家全程参与智能化植物工厂创客实验室的建设和学生的指导工作;及时了解行业动态，以学科竞赛为抓手，积极组织学生参加全国、安徽省和六安市的学科竞赛。

4）大学生创新团队建设。制定智能化植物工厂创新团队管理制度，创新团队既是学生的创新团队，也是教师开辟的第二课堂，其组织管理办法既不同于课堂，也不同于一般的学生社团和协会，不像课堂一样死板，又不像协会一样来去自由，要让学生本着兴趣为先、任务为重的理念在团队中开展创新创业训练活动。因此，制定相关的管理制度非常重要，一方面要吸引学生进入创新团队;另一方面要严格把关，采用“严进严训”的制度，建立一支高质量的创新团队。

5）实验室规章制度建设。建立完善的奖惩机制，学生发表学术论文、申请专利、参加学科竞赛获奖等创新成果要按照相应的成果层次予以明确的奖励。同时，每个创新团队年初要制订明确的工作计划，年终要按照计划进行考核，考核不过关要进行适当的绩效惩罚，严重的将被淘汰。

4 依托智能化植物工厂创客实验室解决大学生创新创业中的主要问题

解决目前没有优质作品参加创新创业竞赛的问题  目前，各种专业相关的创新创业竞赛非常多，无论对学生还是对学校宣传都是一个很好的平台，但目前我们学校能够参加相关竞赛并获奖的人数比较少，主要问题就是缺乏前期的积累，没有学生在校期间进行专门的训练和准备工作。

解决为参加竞赛临时拼凑队伍，水平不高，缺乏专业教师指导的问题  目前，创新创业竞赛综合性强，需要各个专业的学生合作完成，而很多参加创新创业竞赛的队伍是临时拼凑的，没有成熟的成果和作品。该平台的建设将解决此问题。

解决学生创新创业平台匮乏的问题  由于实验场地和指导教师不足，很多学生虽然想参加创新创业训练项目，但没有一个良好的平台。该项目的建设将为相关专业的学生提供一个良好的平台。

5 结语

通过智能化植物工厂创客实验室，可以让学生有更多的实践机会，提高学生的动手能力和创新能力。创客实验室能够有效组合各相关专业的学生进行创新创业训练，为专利成果的获取和参加相关学科竞赛提供保障;通過项目阶段运行和各项创意活动的开展，形成多项创新创意产品，培育出能参加全国“互联网+”大赛、物联网大赛、专业学科竞赛并且能够取得好成绩的创新型学生团队。智能化植物工厂创客实验室能够为电气自动化和光源与照明专业的学生提供适合自己专业发展的创新平台，使学生的实验技能大大提高，科研思维得到训练，自主创新能力得到培养，预计会有一批学生申报各级各类科技作品奖和科创课题，具有广泛的社会效益。■

参考文献

[1]Kozai T， Ohyama K， Chun C. Commercialized  closed

systems with artificial lighting for plant produc-tion[J].Acta Horticulturae，2006（711）：61-70.

[2]杨其长.植物工厂的发展策略[J].科技导报，2014（10）：

20-24.

[3]丁纯，李君扬.德国“工业4.0”：内容、动因与前景及其启示[J].德国研究，2014（4）：49-66.

[5]王喜文.工业4.0：智能工业[J].物联网技术，2013（12）：

3-4.

[6]高星海.工业4.0背景下的新思维[J].航空制造技术，

2014（18）：30-33.

[4]常彬.工业4.0：智能化工厂与生产[J].化工管理，

2013（21）：21-25.