技術是垂直農場成功的重要保證

 垂直農(nong) 場被越來越多的人視為(wei) 解決(jue) 全球食品生產(chan) 係統所麵臨(lin) 問題的方法之一。在接下來這篇文章中，來自維薩拉的 Antti Viitanen 將解釋在這個(ge) 快速發展的行業(ye) 中，測量和控製技術為(wei) 何會(hui) 成為(wei) 成功與(yu) 否的關(guan) 鍵。

農(nong) 業(ye) 的可持續發展挑戰

戶外農(nong) 業(ye) （牧場和農(nong) 田）占據了地球上大約一半的可居住土地。人們(men) 常說的現代農(nong) 業(ye) 方法提高了糧食產(chan) 量，降低了糧食生產(chan) 價(jia) 格。據世界銀行調查，農(nong) 業(ye) 發展是消除貧困、促進共同富裕的有力手段之一。預計到 2050 年，將有 97 億(yi) 人口需要養(yang) 活。但據估計，2021 年約有 7.68 億(yi) 人處在饑餓中。此外，農(nong) 業(ye) 、林業(ye) 和土地用途的變化產(chan) 生了約 25導致全球變暖的溫室氣體(ti) 排放量，而且農(nong) 業(ye) 還消耗了約 70 的淡水供應量。氣候變化無疑加劇了這些挑戰。 

近幾十年來，農(nong) 業(ye) 生產(chan) 的增長也讓人類付出了巨大的代價(jia) ；對環境和生物多樣性造成了損害，破壞了可持續發展。集約化畜牧業(ye) 加重了汙染程度，增加了疾病傳(chuan) 播的風險，而不斷擴大的單一作物農(nong) 田降低了生物多樣性，並且經常使用肥料和農(nong) 用化學品，從(cong) 而造成進一步的環境破壞。人們(men) 也越來越關(guan) 注農(nong) 業(ye) 對土壤健康的影響，其有害影響包括侵蝕、汙染（營養(yang) 物和殺蟲劑）、壓實、荒漠化和鹽堿化。

戶外農(nong) 業(ye) 活動具有季節性，這意味著大多數農(nong) 作物每年隻能收獲一次。全球各地的人口每年每天 24 小時都有糧食需求，因此對糧食儲(chu) 存和洲際運輸的需求很大，這嚴(yan) 重增加了農(nong) 作物的碳足跡。

農(nong) 業(ye) 對氣候變化的影響敏感，氣溫升高、幹旱、洪水和天氣都給農(nong) 民帶來了更大的風險。因此，食品和飲料行業(ye) 正在降低供應鏈中的氣候風險。他們(men) 采取的措施包括分析產(chan) 品的碳足跡，提出減少“食物裏程"的要求，並鼓勵食用當地采購的食物。水資源的減少也促進了對水足跡評估的需求，進一步促使人們(men) 降低供應鏈中的氣候風險。同時，世界上一半以上的人口居住在城市，城市化進程仍在繼續推進。

垂直農(nong) 場

將農(nong) 業(ye) 生產(chan) 轉移到室內(nei) 解決(jue) 了前麵提到的許多挑戰。例如，在任何季節都可以為(wei) 作物提供理想的生長條件，同時保護作物不受天氣變化的影響。可以循環利用水，幾乎不需要噴灑農(nong) 藥。沒有土壤或殺蟲劑汙染，因此無需清洗農(nong) 產(chan) 品，從(cong) 而進一步提高了水的使用效率。 

傳(chuan) 統的溫室和水培法曾經解決(jue) 過許多農(nong) 業(ye) 問題，但隨著城市化的推進，以及由於(yu) 城市地區土地成本高、利用率低的原因，很難解決(jue) 食物裏程挑戰。 

垂直農(nong) 場大大減少了糧食生產(chan) 的物理足跡，但由於(yu) 能源成本高，盡可能運營是確保垂直農(nong) 場財務可持續性的重要手段。如此一來，傳(chuan) 感器便發揮著重要作用。因此，Jones Food Company (JFC) 在英國現有的垂直農(nong) 場以及利德尼的大型新設施 (JFC2) 中布置了維薩拉傳(chuan) 感器，這將有可能成為(wei) 全球垂直農(nong) 場之一。

案例研究 - 英國的大型商業(ye) 垂直農(nong) 場：JFC2

JFC 成立於(yu) 2016 年，旨在利用垂直農(nong) 場的優(you) 勢，全年提供新鮮的本地農(nong) 產(chan) 品。該公司的商業(ye) 垂直農(nong) 場 (JFC1) 於(yu) 2018 年開始生產(chan) ，種植麵積為(wei) 5,000 平方米，每年可生產(chan) 150 噸新鮮農(nong) 產(chan) 品。JFC2 將大幅擴大規模，達到 15,000 平方米種植麵積和 1,000 噸年種植產(chan) 量。為(wei) 支持商業(ye) 可持續發展，該公司實施的重要策略包括：

   規模 – 大型設施提供規模化經濟以及滿足大訂單的能力。

  技術 – 為(wei) 了創造和維持理想的生長條件，需要實施監測和控製係統。

  改造利用的設施 – JFC 沒有修建新建築，而是重新利用大型冗餘(yu) 建築，避免了高昂的環境和經濟成本。例如，JFC2 以前是一家鑄造廠。

  創新 – 成立研究機構來試驗新作物和不同的生長條件。同樣，準確的監測和控製至關(guan) 重要。

JFC 在布裏斯托爾設立的創新有能力在不同條件下同時試驗十種不同的作物。“這是企業(ye) 成功的重要保障，"Justin Au 表示。“當客戶要求我們(men) 提供特定作物時，我們(men) 可以快速開展試驗，以確定該作物生長的各個(ge) 階段所需的良好生長條件。通過監測和控製係統，我們(men) 可以改變 LED 照明強度和光譜、灌溉水中的養(yang) 分，以及種植房中的溫度、濕度和二氧化碳水平。"

“為(wei) 特定作物確定良好的生長條件後，我們(men) 有信心能夠實現大規模種植，滿足客戶的要求。我們(men) 的目標是效率，與(yu) 現成產(chan) 品有力競爭(zheng) ，同時利用垂直農(nong) 場帶來的巨大可持續性優(you) 勢。"

“目前，我們(men) 種植的作物有羅勒、蒔蘿、歐芹、香菜、薄荷和細香蔥等香草類蔬菜；生菜、芝麻菜、小白菜、菠菜、甜菜、羽衣甘藍和西洋菜等沙拉類蔬菜，以及草莓等其他作物。毋庸置疑，我們(men) 通過垂直農(nong) 場實現商業(ye) 化種植的作物種類將會(hui) 繼續增加。"

JFC 的所有設施不斷循環利用水，並連續測量 pH 值和電導率，確保通過溶解肥料調節植物養(yang) 分。維薩拉傳(chuan) 感器測量溫度、濕度和二氧化碳；所有這些條件都對植物的生長有重大影響。“我們(men) 選擇維薩拉傳(chuan) 感器是為(wei) 了確保長期的準確性和可靠性，而控製係統隻有達到與(yu) 傳(chuan) 感器同樣性能水平，才能充分發揮作用。"賈斯汀解釋道。

JFC 的控製係統由工程主管 Christoph Grundmann 設計。Christoph Grundmann 擁有豐(feng) 富的經驗，包括在 BBC 和 Arqiva 從(cong) 事衛星通信工作，以及發電站控製係統的設計和實施。JFC 所有設施的監視和控製係統都運行良好，沒有出現重大停機時間。

JFC 的創新控製係統由 Luke Grundmann 編程和調試。他對維薩拉工程師讚不絕口，誇讚他們(men) 及時和主動提供支持，使用通用 USB 到 RS485 轉換器和免費軟件連接和配置其 modbus RTU 傳(chuan) 感器。“專(zhuan) 業(ye) 的編程負責人還沒到場，但即便如此，維薩拉工程師還是熟練地指導我利用現有工具完成了整個(ge) 過程，"Luke 說到。

根據之前使用穀物幹燥機控製係統的經驗，Christoph 將維薩拉傳(chuan) 感器作為(wei) 標準配置使用。他說：“在 JFC，我們(men) 設法提高農(nong) 作物種植的成本效益，但購買(mai) 低成本傳(chuan) 感器是一種得不償(chang) 失的節省行為(wei) ，會(hui) 帶來高昂的故障成本，而維薩拉傳(chuan) 感器的可靠性意味著持有成本很低。"

“傳(chuan) 感器的 MODBUS 通信功能也很重要，這節省了大量的安裝時間和成本，而且意味著將來可以快速簡單地實施任何更改。"

JFC 設施的溫度和濕度由單獨的 HVAC 係統控製，但 Christoph 說道：“JFC1 的 HVAC 自帶傳(chuan) 感器，我們(men) 把它換成了維薩拉傳(chuan) 感器。在 JFC2，我們(men) 將使用維薩拉傳(chuan) 感器來檢查和驗證 HVAC 係統的測量結果，並在必要時進行幹預。"

JFC2 將於(yu) 2023 年夏季迎來收獲。它采用 15 層設計，因此每英畝(mu) 的產(chan) 量會(hui) 提高 15 倍。新設施的屋頂全部覆蓋太陽能電池板，100 采用可再生能源。該設施將收集和過濾雨水，並且水的回收利用率將達到近 95。

為(wei) 了充分提高 JFC2 生長條件的效率，整個(ge) 設施將由維薩拉傳(chuan) 感器網絡進行監測。該網絡中包括：46 個(ge) 濕度/溫度傳(chuan) 感器；12 個(ge) 二氧化碳傳(chuan) 感器；10 個(ge) 溫度/濕度/二氧化碳傳(chuan) 感器；2 個(ge) 大氣壓力傳(chuan) 感器和 1 個(ge) 維薩拉 WXT 530 係列多參數氣象站。

維薩拉的 Antti Viitanen 對該監測係統評價(jia) 道：“這些傳(chuan) 感器的準確性和可靠性對於(yu) 和持續地按需管理植物生長條件至關(guan) 重要，因為(wei) 準確的測量有助於(yu) 充分提高作物產(chan) 量、避免浪費並限度地降低成本。"

總結

垂直農(nong) 場相對於(yu) 傳(chuan) 統方法的主要優(you) 勢幾乎都與(yu) 可持續發展有關(guan) 。土壤和生物多樣性不受損害；溫室氣體(ti) 排放量大大降低；用水效率顯著提高，避免不必要的蒸發蒸騰、鑽孔枯竭或浸出。空間得到有效利用，以必要地適應城市環境，並減少食物裏程。重要的是，無論天氣或季節如何，每天都能供應新鮮農(nong) 產(chan) 品。盡管如此，不斷上升的糧食生產(chan) 成本意味著新垂直農(nong) 場能否成功運營，將取決(jue) 於(yu) 能否有效監測和控製投入，因此一個(ge) 高品質的傳(chuan) 感器至關(guan) 重要。

Christoph 計劃未來通過各種舉(ju) 措進一步提升 JFC 的可持續發展水平，例如利用厭氧發酵產(chan) 生的二氧化碳，使用可厭氧發酵的可堆肥生長介質等。他還在評估維薩拉傳(chuan) 感器計算得出的露點輸出，以確定這能否成為(wei) 更智能的方式控製 HVAC 係統。此外，在維薩拉專(zhuan) 家的幫助下，他還在研究內(nei) 部和外部環境的焓值測量，以確定有效的 HVAC 再循環（新鮮空氣比）。