首頁(yè) > 新聞資訊 本文原載于Ansys Advantage：《Vertical Farming is Coming to a Store Near You》
水果和蔬菜攝入不足已成為威脅當(dāng)今人類健康的十大危害因素之一。每天攝入適量的水果和蔬菜有助于預(yù)防多種重大疾病，可以確保多種微量元素和纖維的充分?jǐn)z入，有助于取代富含飽和脂肪、糖分與鹽分的食物。
多吃農(nóng)產(chǎn)品對(duì)健康的好處是毋庸置疑的，但古語(yǔ)有云“奏庶鮮食”，是什么意思呢？即食用當(dāng)?shù)胤N植的水果和蔬菜有明顯的優(yōu)勢(shì)，水果和蔬菜采摘后越早食用好處越大，因?yàn)槭卟藦牟墒盏哪且豢唐鹁烷_始進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)流失的階段。此外，本地種植和銷售的農(nóng)產(chǎn)品，到達(dá)消費(fèi)者端的運(yùn)輸時(shí)間最短，就也減少了交通工具的污染排放。
在不久的將來(lái)，即使是沒有菜園的城市居民，也可以親手采摘新鮮的西紅柿或是生長(zhǎng)中的生菜。室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)，甚至店內(nèi)農(nóng)場(chǎng)，正在不斷滿足我們就近消費(fèi)蔬菜的需求。而半自動(dòng)垂直農(nóng)場(chǎng)，拉近了食品產(chǎn)地與消費(fèi)者的距離，并能夠提供新鮮、健康的食品。
垂直農(nóng)場(chǎng)采用特種LED燈等先進(jìn)技術(shù)幫助蔬菜生長(zhǎng)，仿真技術(shù)則能夠助力室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)照明設(shè)計(jì)優(yōu)化，打造出早收、高產(chǎn)的種植環(huán)境。
垂直農(nóng)業(yè)照明挑戰(zhàn)
設(shè)計(jì)店內(nèi)垂直農(nóng)場(chǎng)的工程師必須考慮許多光學(xué)因素。首先，對(duì)于某些特定農(nóng)作物的植株行，務(wù)必要確保適當(dāng)?shù)恼斩戎?。不同的農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的光照量不同，而且同樣的農(nóng)作物在生長(zhǎng)周期的不同階段，所需的光照量也可能會(huì)有所不同。
確保所有植株行的光照均勻性也很重要，這樣，所有的種子才能以相同的速度生長(zhǎng)。經(jīng)優(yōu)化的光照環(huán)境可減輕生產(chǎn)過(guò)程中的田間管理負(fù)擔(dān)，并支持種植戶根據(jù)需要安排采收時(shí)機(jī)。
同樣，在光譜方面，農(nóng)作物的生長(zhǎng)并不需要所有波長(zhǎng)的自然光。農(nóng)作物對(duì)紅色和藍(lán)色波段光照的反應(yīng)最好，因此，模仿陽(yáng)光的傳統(tǒng)燈具其實(shí)產(chǎn)生了不必要的能耗?？b密的光學(xué)設(shè)計(jì)有助于優(yōu)化LED燈照明，只針對(duì)必要的波長(zhǎng)投入能耗，有助于節(jié)能減排。
最后，還應(yīng)該最大限度地增加農(nóng)作物吸收的光照量。農(nóng)作物反射的光越少，它們生長(zhǎng)得就越快，也就有助于降低能耗。
仿真推進(jìn)垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展
LED燈是用于在室內(nèi)農(nóng)作物照明最高效且最為方便易用的方式。它們消耗的能量低，產(chǎn)生的熱量少，并且可優(yōu)化光照顏色以促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。為了展示如何使用Ansys SPEOS設(shè)計(jì)農(nóng)作物生長(zhǎng)LED燈陣列解決方案和仿真室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)具有 90個(gè)LED燈的通用燈陣列。根據(jù)文獻(xiàn)資料，漫射紫色光譜（不含綠光）最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)。農(nóng)作物會(huì)反射大部分綠色可見光并吸收其余光譜。因此，我們構(gòu)建的照明陣列包含45個(gè)藍(lán)色光譜的LED燈和45個(gè)紅色光譜的LED燈，結(jié)合形成紫色光譜。
垂直農(nóng)場(chǎng)等距視圖（左）和側(cè)視圖（右）
照度傳感器（左）和3D吸收（右）揭示出設(shè)計(jì)中有待改進(jìn)的短板
我們首先在農(nóng)場(chǎng)中設(shè)計(jì)種植了八行生菜植株，每行15株。每行由我們構(gòu)建的三個(gè)紫色光譜光陣列照明。
為了分析生菜的光學(xué)特性（光吸收和反射），我們使用Ansys的Portable Optical Measurement Device (OMD)對(duì)葉片樣本進(jìn)行觀測(cè)。然后，將得到的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)應(yīng)用于設(shè)計(jì)中的所有生菜植株。
之后，我們使用光仿真來(lái)測(cè)量和可視化照度均勻性，以及蔬菜對(duì)光的吸收。
我們發(fā)現(xiàn)整行的照度呈不均勻分布。然后，我們對(duì) LED燈陣列的位置、LED燈光譜和垂直農(nóng)場(chǎng)圍擋的材料進(jìn)行迭代，以生成最有效的解決方案。
垂直農(nóng)業(yè)仿真結(jié)果照亮開發(fā)前路
我們使燈具的間距更加均勻，并在LED燈陣列和生菜植株之間留出更多空間。此外，還將側(cè)方和后方的材料從透明材料（吸收）改為白色材料（漫射）。垂直農(nóng)場(chǎng)正面的材料保持透明，便于消費(fèi)者選購(gòu)農(nóng)產(chǎn)品。
后續(xù)的仿真結(jié)果顯示，照射生菜植株的光分布更加均勻，產(chǎn)生的光吸收也更均勻。
我們發(fā)現(xiàn)，前方和后方的生菜植株的光照略弱，因此它們的長(zhǎng)勢(shì)可能不如中間的生菜植株。由于仿真結(jié)果非常直觀，因此很容易確定垂直農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的地方。對(duì)于前方的生菜植株，一種可能的方法是，在前方玻璃的內(nèi)表面覆涂上一層部分反射涂層，以反射更多的光線。優(yōu)化后的系統(tǒng)就可以確保最佳產(chǎn)量和最佳能耗。
店內(nèi)直產(chǎn)的垂直農(nóng)業(yè)，正逐漸成為主流。光學(xué)仿真有助于量化和展示垂直農(nóng)場(chǎng)的效益，例如消耗更少的能源和水，以及支持特定作物的小批量種植，從而減少糧食浪費(fèi)。
（文章來(lái)源公眾號(hào)：Ansys）
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
關(guān)于億道電子
億道電子技術(shù)有限公司（英文名稱：Emdoor Electronics Technology Co.,Ltd）是國(guó)內(nèi)資深的研發(fā)工具軟件提供商，公司成立于 2002 年，面向中國(guó)廣大的制造業(yè)客戶提供研發(fā)、設(shè)計(jì)、管理過(guò)程中使用的各種軟件開發(fā)工具，致力于幫助客戶提高研發(fā)管理效率、縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提升產(chǎn)品可靠性。
20 年來(lái)，先后與 Altium、ARM、Ansys、Minitab、Green Hills、EPLAN、QT、QA Systems、MicroFocus、Visu-IT、HighTec、PLS、Ashling、MSC Software 、Autodesk、Source Insight、TeamEDA、IncrediBuild、Adobe等多家全球知名公司建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并作為他們?cè)谥袊?guó)區(qū)的主要分銷合作伙伴服務(wù)了數(shù)千家中國(guó)本土客戶，為客戶提供從芯片級(jí)開發(fā)工具、EDA 設(shè)計(jì)工具、軟件編譯以及測(cè)試工具、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具、仿真工具、電氣設(shè)計(jì)工具、以及嵌入式 GUI 工具等等。億道電子憑借多年的經(jīng)驗(yàn)積累，真正的幫助客戶實(shí)現(xiàn)了讓研發(fā)更簡(jiǎn)單、更可靠、更高效的目標(biāo)。
歡迎關(guān)注“億道電子”公眾號(hào)
了解更多研發(fā)工具軟件知識(shí)
