TOTEM：一种用于垂直农业的低成本太阳能气雾栽培系统

《HardwareX》：TOTEM: A low-cost solar-powered aeroponic system for vertical agriculture

　　

土壤退化、淡水资源短缺和城市化日益加剧了对资源高效食品生产系统的需求。受控环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA），特别是气雾栽培，能够在减少水和养分使用的同时实现高效作物生产；然而，现有大多数系统依赖电网电力且实施成本高昂。本研究提出了TOTEM——一种开源、太阳能供电的垂直气雾栽培系统，用于能源自主的无土农业。该系统专为普遍复制而开发，其设计允许利用广泛可得的材料进行修改或扩展。系统集成了模块化堆叠架构，包括生长、储液、泵送、过滤、控制和电源单元。基于微控制器的嵌入式控制器管理灌溉周期并监测腔室温度和营养溶液液位，而光伏组件则实现了完全离网运行。该系统构建为在紧凑占地面积（0.078 m³）内支持多达24株植物，并以罗勒（Ocimum basilicum）在两个连续收获周期下进行了验证。结果表明，灌溉性能稳定、养分分布均匀，并在太阳能供电下可靠运行。生物量产出证实了该系统在连续运行条件下维持植物生长的能力。TOTEM为垂直农业提供了一个可扩展、低成本的平台，可在城市食品生产、研究和教育中应用，尤其在资源受限或离网环境中。

论文解读：TOTEM低成本太阳能气雾栽培系统的设计与验证

全球农业正面临土壤退化、淡水短缺和城市化带来的多重压力。灌溉农业约占全球淡水取用量的70%，而可用耕地持续减少。联合国粮食及农业组织估计，到2050年全球农业产量需在2012年基础上增加约50%。在此背景下，受控环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA）成为提高产量并减少资源消耗的重要途径。在无土栽培技术中，气雾栽培通过将植物根系悬垂于封闭腔室并间歇喷洒营养雾，可实现比土壤栽培减少90%–98%的用水量，同时改善根系氧合与养分吸收，因而具有最高的节水潜力。然而，现有气雾栽培系统大多依赖电网连续供电，一旦停电，根系干燥和养分缺失会迅速危及植物生存；同时商业系统成本高昂、专有封闭，且难以针对研究或资源受限场景进行改造。已有文献中的水培或气雾栽培原型多为实验性样机，缺乏详细的硬件制造文件和三维模型，也未集成可持续能源。这些硬件与能源缺口促使研究人员开发TOTEM系统。

TOTEM是一种开源、低成本、模块化、太阳能驱动的垂直气雾栽培平台，由墨西哥西北生物研究中心（CIBNOR）研制。该系统采用模块化垂直堆叠架构，依次包括生长、储液、泵送、过滤、入口-排水、控制、电源和太阳能八个功能模块，整体占地面积仅0.078 m³，最多可支持24株植物。系统使用标准PVC管件和商业电子元件构建，便于复制、替换和扩展。研究人员以罗勒（Ocimum basilicum）为模式作物，在遮荫温室条件下开展了55天栽培试验，经历两次连续收获。结果显示，系统在太阳能供电下稳定执行灌溉程序、均匀分配营养雾，并维持植物正常生长，初步验证了该集成原型的离网运行技术可行性。TOTEM的主要贡献在于提供了一套完整文档化的开源硬件平台，涵盖机械结构、液压回路、电子控制、软件固件和离网能源系统，可服务于城市食品生产、科研教学及资源匮乏地区。

在技术方法上，研究人员设计并制造了八个机械耦合的模块：生长模块为1.5 m高PVC塔，均布24个45°弯头植物座，内部竖直管道安装24个雾化喷嘴；储液模块存储营养液并配备水位传感器；泵模块采用12 V直流隔膜泵，由继电器控制；过滤模块使用AZUD MODULAR 100网式过滤器防止喷嘴堵塞；入口模块完成液压衔接；控制模块以ESP32-WROOM微控制器为核心，结合自研印刷电路板、DS18B20数字温度传感器、水位传感器、光耦和继电器，实现灌溉调度、数据采集与远程通信；电源模块含两节并联12 V–12 Ah电池和40 A MPPT充电控制器；太阳能模块由50 W多晶光伏板、镀锌钢桅杆和安装框架构成，实现完全离网供电。系统还配备基于网页的图形用户界面（GUI），可通过Wi-Fi实时监测腔室温度与营养液液位并调整灌溉参数。栽培验证采用标准叶菜营养液，以Triple 19（氮磷钾各19%并含微量元素）按1 g/L配制，灌溉周期为0.5 min开启、29.5 min关闭。

研究结果部分如下。

7. Validation and characterization（验证与表征）：通过罗勒栽培实验对系统性能进行评价。研究人员在遮荫温室中同时种植24株罗勒，环境温光条件自然变化。在55天周期内，系统持续运行并完成两次收获。试验共消耗约54 L营养液，折合每株每日0.041 L，远低于保护地（约0.6 L/株·天）和露地（约12.6 L/株·天）报道值。最终收获时，三个取样植株的平均叶面积为517.97 cm²，平均叶片数为31.33，平均株高18.8 cm，鲜叶重11.97 g，干叶重1.26 g，干物质含量约10.5%，平均相对含水量（Relative Water Content, RWC）为82.18%。系统电力需求估算为泵模块19.2 Wh/天，控制模块19.0 Wh/天，合计38.2 Wh/天，考虑0.85效率后为44.9 Wh/天。按当地最低日照时数3.9 h/天和0.70光伏衰减因子计算，50 W光伏板可提供约136.5 Wh/天，满足需求；电池组可用能量122.4 Wh，可提供约2.7天无光伏充电的自主运行时间。

7.1. Discussion（讨论）：罗勒试验证明，系统在遮荫温室条件下实现了灌溉控制、环境监测和太阳能供电的协同运行。营养液循环和间歇喷雾支持了植物存活和两次连续收获，传感器提供了可靠运行数据。最终营养液pH升至7.39，超出无土栽培常见适宜范围，反映出养分管理存在局限，有必要集成校准的pH和电导率（EC）传感器，构建闭环调节策略。所测用水量低于文献报道值，但气候、种植密度、周期和测量方法等差异使其仅作参考；三个取样植株提供的是描述性生长数据，而非全塔24个位置的变异估计。单周期试验仅表征了操作和栽培性能，长期可靠性和组件寿命尚需多周期测试。后续研究建议使用商品塔对照、随机化布位、足够生物学重复、连续水电计量以及液压监测，并记录维护和故障数据。

7.2. Conclusion（结论）：TOTEM将24位垂直栽培塔、循环低压灌溉、网式过滤、嵌入式调度与监测、光伏发电和电池储能整合为一个模块化开放硬件平台。在55天罗勒栽培期间，该原型系统按程序执行灌溉，并在遮荫温室条件下支持两次连续收获。其主要贡献在于对结构、液压、电子、软件和离网能源组件的文档化集成，并附带设计文件和分项物料清单。该实验支持了在所测条件下的技术可行性，而比较性的农艺性能和长期使用寿命仍需受控基准测试和多周期试验。自动pH与EC管理是进一步开发的重要优先方向。