《Inventions》：Invention of a Cutting Development Chamber with Microcontroller-Based Multiparameter Monitoring for Controlled Environment Agriculture (CEA)
编辑推荐：
本研究提出了一种用于植物营养繁殖的模块化扦插箱的设计、构建与评估，该箱体能够在40 cm × 45 cm × 15 cm的紧凑体积内同时容纳三株等距分布的植物插条。该系统集成了分布式传感技术，包括DHT22温湿度传感器、BH1750光照传感器和MQ-2气体/烟
本研究提出了一种用于植物营养繁殖的模块化扦插箱的设计、构建与评估，该箱体能够在40 cm × 45 cm × 15 cm的紧凑体积内同时容纳三株等距分布的植物插条。该系统集成了分布式传感技术，包括DHT22温湿度传感器、BH1750光照传感器和MQ-2气体/烟雾检测传感器；可编程照明系统由四块NeoPixel WS2812B灯板组成，排列成两排平行布局；以及负责处理数据、无线通信和执行基于阈值的环境变量反馈控制的ESP32微控制器。该系统连续监测四周，以表征内部叶面微气候相对于外部环境条件的变化。内部温度的周平均值范围为25.26 °C至28.71 °C，而叶面区域的相对湿度变化范围为28.99%至41.24%。照明系统提供了稳定且可重复的照度条件，周平均值最高达到111.10 lux，气体传感器则能够持续检测箱内气体浓度的瞬时变化。研究结果表明，所提出的箱体作为一种紧凑、模块化且可复制的平台，可用于未来植物扦插繁殖研究中的环境数据采集与实验控制；本研究未对生物学生根性能进行评估，因此所报告的结果主要验证了所开发原型的技术与环境性能。
研究背景、现存问题与研究意义
当代农业面临着全球人口持续增长、自然资源压力加剧以及气候变化等多重结构性挑战，这些因素共同推动了旨在提高农业生产效率与可持续性的技术策略的发展。在此背景下，精准农业与数字农业等范式应运而生，其核心是通过对环境变量的精细控制来优化作物生产。可控环境农业作为其中一项高效替代方案，能够精确调控温度、光照、相对湿度及生长环境的气体组成，已被证明能显著提升产量稳定性、大幅减少水资源消耗，并实现在城市或严苛气候条件下的植物生产。然而，现有许多栽培系统在模块化、可扩展性以及跨多个样本复制相同实验条件的能力方面存在局限，这影响了实验结果的可重复性和不同处理间的直接比较，构成了植物生理学与繁殖研究中的一个重大方法论挑战。为此，研究人员开展了一项研究，旨在开发一种能够同时容纳三个插条的紧凑型模块化CEA箱体，并通过为期四周的监测对其环境和运行表现进行评估。该研究的科学新颖性在于将结构、环境控制与监测组件集成于单一紧凑构型中，其实践意义在于为未来的受控繁殖实验提供一种可适应、可复制的平台，从而为更精确的实验工具的开发做出贡献。
关键技术方法
研究人员采用计算机辅助设计软件进行三维建模，设计了尺寸为0.40 m × 0.45 m × 0.15 m的箱体结构，其外壳由20 mm铝型材框架与亚克力面板构成。电子架构的核心是ESP32微控制器，它负责处理来自分布式传感器的数据并执行反馈控制。具体而言，系统集成了两个DHT22传感器分别监测箱内与外部环境的温度和相对湿度，一个BH1750传感器用于监测照度，以及一个MQ-2气体传感器用于安全监控。照明系统由四块WS2812B灯板组成，支持三种可编程模式。通风系统采用推拉式风扇配置，由ESP32产生的PWM信号独立控制。整个系统的构建遵循严格顺序，包括切割亚克力面板、组装铝型材框架、安装门体及集成所有电子元件。
研究结果
3.1 箱内环境条件
为验证结构原型，实验设计将自动化生长箱视为唯一的实验单元。三个插条被放置在该密闭空间内，作为生物重复样本分布在种植平面上。研究聚焦于箱体的环境和运行性能，而非插条的生物学响应。
- •
第1周（第1-7天）： 系统表现出初始稳定行为。内部温度平均值为28.71 °C，高于外部平均温度26.02 °C，表明存在由照明系统产生的持续热差。内部相对湿度平均值为41.24%，远高于外部的20.97%。照明系统平均照度为70.50 lux。MQ-2传感器平均响应值为596.63。
- •
第2周（第8-14天）： 系统保持稳定的热行为，内部温度平均值为28.60 °C，外部为25.44 °C。内部相对湿度平均值为41.13%，外部为25.81%。照明系统平均照度增至87.71 lux。MQ-2传感器平均响应值为607.32。
- •
第3周（第15-21天）： 内部温度下降至平均25.26 °C，外部为23.99 °C，热差减小。内部相对湿度平均值为29.98%，与外部值29.08%相近。照明系统达到整个实验期间的最高平均照度111.10 lux。MQ-2传感器平均响应值为623.02。
- •
第4周（第22-28天）： 系统表现出稳定的行为。内部温度平均值为26.75 °C，外部为24.50 °C。内部相对湿度平均值为28.99%，显著高于外部的18.02%。照明系统平均照度为104.32 lux。MQ-2传感器平均响应值降至344.67。
3.2 环境变量的动态行为
综合分析表明，该系统能够在根区持续饱和的条件下，为叶面区域创造一个差异化且可控的微环境。内部温度始终高于外部温度且变异性更低，显示出热缓冲效应。相对湿度从略高于外部值转变为低于外部值，表明蒸发与通风之间的平衡发生了变化。照度表现为完全受控的变量，而气体浓度则表现出高度变化的动态特征。
讨论与结论
讨论部分指出，研究结果证实了所开发的生长箱能够在连续四周的监测中产生一个差异化且可重复的叶面微环境。然而，测得的条件不应被理解为最优生根条件的证据，因为叶面相对湿度远低于通常与生根相关的高湿条件，且温度峰值有时会超出参考范围。由于未收集生根率、生根时间、根系生物量等生物学指标，因此无法确定这些条件的生物学适宜性。与先前研究相比，本箱体通过集成BH1750和MQ-2传感器以及具备蓝牙功能的ESP32微控制器，克服了以往系统缺乏定量光照和气体浓度监测的局限性。关于光照，BH1750的测量值以勒克斯为单位，不等同于光合光子通量密度，但其提供的可编程红蓝光比例（3:1）是一个重要的设计特征，相关文献已证实光谱组成会影响植物发育和生根反应。MQ-2传感器主要作为安全监控组件，用于检测与异常加热或电气故障相关的烟雾，其信号波动不能直接归因于植物的生理活动。通风管理策略基于ESP32的三态决策树，这与现代温室中广泛实施的阈值控制策略一致。从模块化设计角度看，该箱体集成了可互换的半锥形容器、可拆卸的铝型材和可更换的亚克力面板，体现了模块化和低成本的理念。
研究结论部分翻译如下：该扦插箱的开发和评估表明，所构建的原型是一个模块化、可复制且面向低成本的实验平台，旨在促进受控条件下的营养繁殖；该系统能够在0.40 m × 0.45 m × 0.15 m的紧凑体积内同时容纳三个处于独立等距位置的插条，这种配置旨在为三个样本创造可比的微气候条件，从而便于后续生物学研究中实验处理的直接比较。连续四周监测的结果表明，该系统能够在三个插条的叶面区域内产生并维持一个差异化的微环境，同时保持高于外部的内部温度、受调节的叶面相对湿度以及由四块NeoPixel WS2812B灯板提供的可编程且均匀的照度。可互换的半锥形容器、可拆卸的铝型材以及无需专用工具即可移除的可更换亚克力面板，赋予了该三插条箱区别于文献中报道的封闭商业系统的维护和适应能力。总体而言，本研究所开发的三插条箱证明了多参数传感、受控光谱照明和面向低成本的模块化设计可以集成到一个单一实验原型中，该原型能够同时为三株个体植物维持与营养繁殖相关的受监测环境条件，为未来在植物生理学、光形态建成和CEA领域的研究奠定了坚实且可扩展的技术基础。本研究的一个显著局限性是未使用生根或生长指标来评估生物学繁殖性能，也未包含对照处理。因此，当前结果应被解释为箱体的技术和环境验证，而非改良生根或植物生长的证明。未来的实验将纳入适当的对照处理和定量生物学指标，以确定箱体在不同繁殖条件下的生物学性能。
