垂直農(nóng)場被越來越多的人視為解決全球食品生產(chǎn)系統(tǒng)所面臨問題的方法之一。在接下來這篇文章中，來自維薩拉的 Antti Viitanen 將解釋在這個(gè)快速發(fā)展的行業(yè)中，測量和控制技術(shù)為何會(huì)成為成功與否的關(guān)鍵。

農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)

戶外農(nóng)業(yè)（牧場和農(nóng)田）占據(jù)了地球上大約一半的可居住土地。人們常說的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方法提高了糧食產(chǎn)量，降低了糧食生產(chǎn)價(jià)格。據(jù)世界銀行調(diào)查，農(nóng)業(yè)發(fā)展是消除貧困、促進(jìn)共同富裕的有力手段之一。預(yù)計(jì)到 2050 年，將有 97 億人口需要養(yǎng)活。但據(jù)估計(jì)，2021 年約有 7.68 億人處在饑餓中。此外，農(nóng)業(yè)、林業(yè)和土地用途的變化產(chǎn)生了約 25導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體排放量，而且農(nóng)業(yè)還消耗了約 70 的淡水供應(yīng)量。氣候變化無疑加劇了這些挑戰(zhàn)。 

近幾十年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增長也讓人類付出了巨大的代價(jià)；對環(huán)境和生物多樣性造成了損害，破壞了可持續(xù)發(fā)展。集約化畜牧業(yè)加重了污染程度，增加了疾病傳播的風(fēng)險(xiǎn)，而不斷擴(kuò)大的單一作物農(nóng)田降低了生物多樣性，并且經(jīng)常使用肥料和農(nóng)用化學(xué)品，從而造成進(jìn)一步的環(huán)境破壞。人們也越來越關(guān)注農(nóng)業(yè)對土壤健康的影響，其有害影響包括侵蝕、污染（營養(yǎng)物和殺蟲劑）、壓實(shí)、荒漠化和鹽堿化。

戶外農(nóng)業(yè)活動(dòng)具有季節(jié)性，這意味著大多數(shù)農(nóng)作物每年只能收獲一次。全球各地的人口每年每天 24 小時(shí)都有糧食需求，因此對糧食儲存和洲際運(yùn)輸?shù)男枨蠛艽螅@嚴(yán)重增加了農(nóng)作物的碳足跡。

農(nóng)業(yè)對氣候變化的影響敏感，氣溫升高、干旱、洪水和天氣都給農(nóng)民帶來了更大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，食品和飲料行業(yè)正在降低供應(yīng)鏈中的氣候風(fēng)險(xiǎn)。他們采取的措施包括分析產(chǎn)品的碳足跡，提出減少“食物里程"的要求，并鼓勵(lì)食用當(dāng)?shù)夭少彽氖澄铩ＫY源的減少也促進(jìn)了對水足跡評估的需求，進(jìn)一步促使人們降低供應(yīng)鏈中的氣候風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，世界上一半以上的人口居住在城市，城市化進(jìn)程仍在繼續(xù)推進(jìn)。

垂直農(nóng)場

將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)解決了前面提到的許多挑戰(zhàn)。例如，在任何季節(jié)都可以為作物提供理想的生長條件，同時(shí)保護(hù)作物不受天氣變化的影響?？梢匝h(huán)利用水，幾乎不需要噴灑農(nóng)藥。沒有土壤或殺蟲劑污染，因此無需清洗農(nóng)產(chǎn)品，從而進(jìn)一步提高了水的使用效率。 

傳統(tǒng)的溫室和水培法曾經(jīng)解決過許多農(nóng)業(yè)問題，但隨著城市化的推進(jìn)，以及由于城市地區(qū)土地成本高、利用率低的原因，很難解決食物里程挑戰(zhàn)。 

垂直農(nóng)場大大減少了糧食生產(chǎn)的物理足跡，但由于能源成本高，盡可能運(yùn)營是確保垂直農(nóng)場財(cái)務(wù)可持續(xù)性的重要手段。如此一來，傳感器便發(fā)揮著重要作用。因此，Jones Food Company (JFC) 在英國現(xiàn)有的垂直農(nóng)場以及利德尼的大型新設(shè)施 (JFC2) 中布置了維薩拉傳感器，這將有可能成為全球垂直農(nóng)場之一。

案例研究 - 英國的大型商業(yè)垂直農(nóng)場：JFC2

JFC 成立于 2016 年，旨在利用垂直農(nóng)場的優(yōu)勢，全年提供新鮮的本地農(nóng)產(chǎn)品。該公司的商業(yè)垂直農(nóng)場 (JFC1) 于 2018 年開始生產(chǎn)，種植面積為 5,000 平方米，每年可生產(chǎn) 150 噸新鮮農(nóng)產(chǎn)品。JFC2 將大幅擴(kuò)大規(guī)模，達(dá)到 15,000 平方米種植面積和 1,000 噸年種植產(chǎn)量。為支持商業(yè)可持續(xù)發(fā)展，該公司實(shí)施的重要策略包括：

   規(guī)模 – 大型設(shè)施提供規(guī)模化經(jīng)濟(jì)以及滿足大訂單的能力。

  技術(shù) – 為了創(chuàng)造和維持理想的生長條件，需要實(shí)施監(jiān)測和控制系統(tǒng)。

  改造利用的設(shè)施 – JFC 沒有修建新建筑，而是重新利用大型冗余建筑，避免了高昂的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本。例如，JFC2 以前是一家鑄造廠。

  創(chuàng)新 – 成立研究機(jī)構(gòu)來試驗(yàn)新作物和不同的生長條件。同樣，準(zhǔn)確的監(jiān)測和控制至關(guān)重要。

JFC 在布里斯托爾設(shè)立的創(chuàng)新有能力在不同條件下同時(shí)試驗(yàn)十種不同的作物。“這是企業(yè)成功的重要保障，"Justin Au 表示?！爱?dāng)客戶要求我們提供特定作物時(shí)，我們可以快速開展試驗(yàn)，以確定該作物生長的各個(gè)階段所需的良好生長條件。通過監(jiān)測和控制系統(tǒng)，我們可以改變 LED 照明強(qiáng)度和光譜、灌溉水中的養(yǎng)分，以及種植房中的溫度、濕度和二氧化碳水平。"

“為特定作物確定良好的生長條件后，我們有信心能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模種植，滿足客戶的要求。我們的目標(biāo)是效率，與現(xiàn)成產(chǎn)品有力競爭，同時(shí)利用垂直農(nóng)場帶來的巨大可持續(xù)性優(yōu)勢。"

“目前，我們種植的作物有羅勒、蒔蘿、歐芹、香菜、薄荷和細(xì)香蔥等香草類蔬菜；生菜、芝麻菜、小白菜、菠菜、甜菜、羽衣甘藍(lán)和西洋菜等沙拉類蔬菜，以及草莓等其他作物。毋庸置疑，我們通過垂直農(nóng)場實(shí)現(xiàn)商業(yè)化種植的作物種類將會(huì)繼續(xù)增加。"

JFC 的所有設(shè)施不斷循環(huán)利用水，并連續(xù)測量 pH 值和電導(dǎo)率，確保通過溶解肥料調(diào)節(jié)植物養(yǎng)分。維薩拉傳感器測量溫度、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?！拔覀冞x擇維薩拉傳感器是為了確保長期的準(zhǔn)確性和可靠性，而控制系統(tǒng)只有達(dá)到與傳感器同樣性能水平，才能充分發(fā)揮作用。"賈斯汀解釋道。

JFC 的控制系統(tǒng)由工程主管 Christoph Grundmann 設(shè)計(jì)。Christoph Grundmann 擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，包括在 BBC 和 Arqiva 從事衛(wèi)星通信工作，以及發(fā)電站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。JFC 所有設(shè)施的監(jiān)視和控制系統(tǒng)都運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)重大停機(jī)時(shí)間。

JFC 的創(chuàng)新控制系統(tǒng)由 Luke Grundmann 編程和調(diào)試。他對維薩拉工程師贊不絕口，夸贊他們及時(shí)和主動(dòng)提供支持，使用通用 USB 到 RS485 轉(zhuǎn)換器和免費(fèi)軟件連接和配置其 modbus RTU 傳感器?！皩I(yè)的編程負(fù)責(zé)人還沒到場，但即便如此，維薩拉工程師還是熟練地指導(dǎo)我利用現(xiàn)有工具完成了整個(gè)過程，"Luke 說到。

根據(jù)之前使用谷物干燥機(jī)控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，Christoph 將維薩拉傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)配置使用。他說：“在 JFC，我們設(shè)法提高農(nóng)作物種植的成本效益，但購買低成本傳感器是一種得不償失的節(jié)省行為，會(huì)帶來高昂的故障成本，而維薩拉傳感器的可靠性意味著持有成本很低。"

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

JFC 設(shè)施的溫度和濕度由單獨(dú)的 HVAC 系統(tǒng)控制，但 Christoph 說道：“JFC1 的 HVAC 自帶傳感器，我們把它換成了維薩拉傳感器。在 JFC2，我們將使用維薩拉傳感器來檢查和驗(yàn)證 HVAC 系統(tǒng)的測量結(jié)果，并在必要時(shí)進(jìn)行干預(yù)。"

JFC2 將于 2023 年夏季迎來收獲。它采用 15 層設(shè)計(jì)，因此每英畝的產(chǎn)量會(huì)提高 15 倍。新設(shè)施的屋頂全部覆蓋太陽能電池板，100 采用可再生能源。該設(shè)施將收集和過濾雨水，并且水的回收利用率將達(dá)到近 95。

為了充分提高 JFC2 生長條件的效率，整個(gè)設(shè)施將由維薩拉傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測。該網(wǎng)絡(luò)中包括：46 個(gè)濕度/溫度傳感器；12 個(gè)二氧化碳傳感器；10 個(gè)溫度/濕度/二氧化碳傳感器；2 個(gè)大氣壓力傳感器和 1 個(gè)維薩拉 WXT 530 系列多參數(shù)氣象站。

維薩拉的 Antti Viitanen 對該監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)道：“這些傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性對于和持續(xù)地按需管理植物生長條件至關(guān)重要，因?yàn)闇?zhǔn)確的測量有助于充分提高作物產(chǎn)量、避免浪費(fèi)并限度地降低成本。"

總結(jié)

垂直農(nóng)場相對于傳統(tǒng)方法的主要優(yōu)勢幾乎都與可持續(xù)發(fā)展有關(guān)。土壤和生物多樣性不受損害；溫室氣體排放量大大降低；用水效率顯著提高，避免不必要的蒸發(fā)蒸騰、鉆孔枯竭或浸出。空間得到有效利用，以必要地適應(yīng)城市環(huán)境，并減少食物里程。重要的是，無論天氣或季節(jié)如何，每天都能供應(yīng)新鮮農(nóng)產(chǎn)品。盡管如此，不斷上升的糧食生產(chǎn)成本意味著新垂直農(nóng)場能否成功運(yùn)營，將取決于能否有效監(jiān)測和控制投入，因此一個(gè)高品質(zhì)的傳感器至關(guān)重要。

Christoph 計(jì)劃未來通過各種舉措進(jìn)一步提升 JFC 的可持續(xù)發(fā)展水平，例如利用厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳，使用可厭氧發(fā)酵的可堆肥生長介質(zhì)等。他還在評估維薩拉傳感器計(jì)算得出的露點(diǎn)輸出，以確定這能否成為更智能的方式控制 HVAC 系統(tǒng)。此外，在維薩拉專家的幫助下，他還在研究內(nèi)部和外部環(huán)境的焓值測量，以確定有效的 HVAC 再循環(huán)（新鮮空氣比）。