CN112379714A - 一种数据驱动的植物工厂精准环控系统及方法 - Google Patents

一种数据驱动的植物工厂精准环控系统及方法 Download PDF

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仝宇欣
王敏娟
曹大伟
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Abstract

本发明公开一种数据驱动的植物工厂精准环控系统及方法,属于设施农业工程领域,本系统包括环境控制服务器、数据显示屏、环控用热泵、栽培系统和条件参数检测系统;该栽培系统包括栽培架、人工光源、营养液循环系统及水泵;该条件参数检测系统包括室内外温湿度传感器、室内外二氧化碳浓度传感器、增施二氧化碳流量计、热泵室内机进出口温湿度传感器、热泵室内机出风口风量传感器、热泵冷凝水水位计、营养液槽水位计、热泵耗电功率仪、人工光源耗电功率仪和水泵耗电功率仪。本发明可以实时监控资源利用效率、植物冠层光合速率和蒸腾速率、植物生长指标,便于及时调整、优化出环境调控参数,进行精准环境调控。

Description

一种数据驱动的植物工厂精准环控系统及方法
技术领域
本发明属于设施农业工程领域,具体涉及一种数据驱动的植物工厂精准环控系统及方法。
背景技术
近年来,植物工厂技术发展迅速,密闭性较好的植物工厂使得室内环境综合调控成为可能。但是,影响植物生长的环境因子(光、温、湿、气等)较多,并且不同品种其优化环境参数不同,即使是同一品种,在不同的生育阶段其所需的优化环境参数亦不同。因此,为了探清植物的各种优化参数,需要花费大量时间、人力和物力进行试验研究。另外,各环境因子对植物的交互作用也非常复杂,每一个环境因子发生变动均会引起植物相应生物学效应变化。为了更好地、及时地了解环境调控对植物生长发育尤其是对产量的影响,需要开发出一种更方便、快捷的方法。
发明内容
本发明的目的是公开一种数据驱动的植物工厂精准环控系统及方法,可以实时监控投入资源(光、电、CO2等)利用效率,监控植物冠层光合速率和蒸腾速率、植物长势等植物冠层植物生长指标,便于及时调整、优化出环境调控参数,进行精准环境调控。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种数据驱动的植物工厂精准环控系统,用于密闭性植物工厂,包括环境控制服务器和与该环境控制服务器相连接的数据显示屏、环控用热泵、栽培系统和条件参数检测系统;其中,该热泵和栽培系统与密闭性植物工厂配套,该热泵用于室内温湿度和风速调控,该栽培系统包括栽培架、人工光源、营养液循环系统及水泵,人工光源用于室内光环境调控,水泵用于营养液循环;该条件参数检测系统包括室内外温湿度传感器、室内外二氧化碳浓度传感器、增施二氧化碳流量计、热泵室内机进出口温湿度传感器、热泵室内机出风口风量传感器、热泵冷凝水水位计、营养液槽水位计、热泵耗电功率仪、人工光源耗电功率仪和水泵耗电功率仪。
进一步地,环境控制服务器还连接一连续监测用摄像机,用于监视植物生长状态。
进一步地,连续监测用摄像机包括RGB相机、热成像相机、近红外成像相机中的一种或多种;其中,RGB相机用于采集波长为400-700nm的灰度图像或彩色图像信息,热成像相机用于采集波长为8000-14000nm的灰度图像和IR反射值信息,近红外成像相机用于采集波长为900-1700nm的灰度图像信息。
一种数据驱动的植物工厂精准环控方法,基于上述系统,包括以下步骤:
环境控制服务器从条件参数检测系统的室内外温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、增施二氧化碳流量计、热泵室内机进出口温湿度传感器、热泵室内机出风口风量传感器、热泵冷凝水水位计、营养液槽水位计、热泵耗电功率仪、人工光源耗电功率仪和水泵耗电功率仪获取条件参数,该条件参数包括室内外温湿度、室内外二氧化碳浓度、增施二氧化碳流量、热泵室内机进出口温湿度、热泵室内机出风口风量、热泵冷凝水水位、营养液槽水位、热泵耗电功率、人工光源耗电功率和水泵耗电功率;
环境控制服务器根据获取的条件参数和植物的生理信息进行数据处理,计算植物工厂投入资源(光、电、CO2等)利用效率和植物生理生长参数,该资源利用效率包括热泵能量利用效率、植物增施二氧化碳利用效率、水分利用效率和人工光源电能利用效率;植物生理生长参数包括冠层净光合速率和植物冠层蒸腾速率;
环境控制服务器调控热泵、增施二氧化碳流量计和人工光源等的工作状态,确保上述植物生长参数处于一预设的范围内。
进一步地,环境控制服务器从连续监测用摄像机获取植物的图像信息,并从图像中提取植物的生理信息。
进一步地,连续监测用摄像机包括RGB相机、热成像相机、近红外成像相机中的一个或多个;其中,
RGB相机用于采集波长为400-700nm的灰度图像或彩色图像信息,从中提取植物的株高、叶面积、叶型、产量性状、种子形态、投影面积、绝对生长率(GR)、相对生长率(RGR)、伸长速率等信息;
热成像相机用于采集波长为8000-14000nm的灰度图像和IR反射值信息,从中获取GAI、冠层覆盖度、冠层温度、冠层温度下降差、含水量、水分利用效率、病虫害等信息;
近红外成像相机用于采集波长为900-1700nm的灰度图像信息,从中提取水分在植物体内的分布情况,用来获取植株叶片水分状态以及干旱耐受性信息。
进一步地,环境控制服务器针对各项条件参数的室内外温湿度、二氧化碳浓度、增施二氧化碳流量等分别设有一参数波动范围,通过控制热泵、增施二氧化碳流量计等来使各项条件参数处于所述参数波动范围内。
进一步地,环境控制服务器计算热泵能量利用效率的步骤包括:
根据获取的热泵室内机进出口温湿度,计算热泵室内机进风口焓值iinlet和出风口焓值ioutlet
根据获取的热泵室内机出风口风量m、热泵室内机进风口焓值iinlet和出风口焓值ioutlet,计算热泵能量利用效率,计算式子如下:
Figure BDA0002807731970000031
其中,Whp为热泵耗电量。
进一步地,环境控制服务器计算植物冠层净光合速率的步骤包括:
根据获取的室内外二氧化碳浓度Cin和Cout,计算二氧化碳逸散速率CL,计算式子如下:
Figure BDA0002807731970000032
其中,Kc为标准状态下二氧化碳的密度1.96kg·m–3,N为植物工厂换气次数,V为植物工厂体积,A为栽培面积;
根据t0时获取的室内二氧化碳浓度Ct0,t1时获取的室内二氧化碳浓度Ct1,计算室内二氧化碳浓度变化速率CΔ,计算式子如下:
Figure BDA0002807731970000033
根据获取的增施二氧化碳流量计算二氧化碳施肥速率Cs
根据CL、CΔ、Cs计算植物冠层净光合速率Pn,计算式子如下:
Pn=Cs+CL+CΔ+Cw
其中,Cw为工人呼吸所产生的二氧化碳速率,50g h-1
进一步地,环境控制服务器计算植物增施二氧化碳利用效率的步骤包括:
根据获取的室内外二氧化碳浓度Cin和Cout,计算二氧化碳逸散速率CL,计算式子如下:
Figure BDA0002807731970000034
其中,Kc为标准状态下二氧化碳的密度1.96kg·m–3,N为植物工厂换气次数,V为植物工厂体积,A为栽培面积;
根据t0时获取的室内二氧化碳浓度Ct0,t1时获取的室内二氧化碳浓度Ct1,计算室内二氧化碳浓度变化速率CΔ,计算式子如下:
Figure BDA0002807731970000035
根据获取的增施二氧化碳流量计算二氧化碳施肥速率Cs
根据CL、CΔ、Cs计算植物增施二氧化碳利用效率Ec,计算式子如下:
Figure BDA0002807731970000041
其中,Cw为工人呼吸所产生的二氧化碳速率,50g h-1
进一步地,环境控制服务器计算植物冠层蒸腾速率的步骤包括:
根据获取的热泵冷凝水水位计算热泵冷凝水的回收量,进而计算水蒸气冷凝回收速率We
根据获取的室内外温湿度的室内空气含湿量AHin和室外空气含湿量AHout,计算室内外水蒸气交换速率WL,计算式子如下:
WL=Kw·N·V·(AHin-AHout),
其中,Kw为标准状态下水蒸汽的密度,kg/m3;N为植物工厂换气次数;V为植物工厂体积;
根据在t0时刻测得的室内空气含湿量AHt0和在t1时刻测得的室内空气含湿量AHt1,计算室内水蒸气变化速率WΔ,计算式子如下:
Figure BDA0002807731970000042
根据We、WL、WΔ计算植物冠层蒸腾速率WT,计算式子如下:
WT=We+WL+WΔ
进一步地,环境控制服务器计算水分利用效率的步骤包括:
根据获取的营养液槽水位数据计算单位时间和单位栽培面积需要灌溉水量Wi和单位时间和单位栽培面积营养液槽内剩余的水量Wr
根据Wi、Wr和WT计算水分利用效率Ew,计算式子如下:
Figure BDA0002807731970000043
本发明可以实时监控光、电、CO2等的利用效率,监控植物冠层光合速率和蒸腾速率、植物长势等植物冠层植物生长指标,便于及时调整、优化出环境调控参数,进行精准环境调控。
附图说明
图1是本发明的一种数据驱动的植物工厂精准环控系统结构图。
图2是植物工厂内温度、热泵出风口风量和热泵耗电量随时间变化图。
图3是热泵能量利用效率(COP)随室内外环境及时间变化图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案能更明显易懂,特举实施例并结合附图详细说明如下。
本实施例公开一种数据驱动的植物工厂精准环控系统,用于密闭性植物工厂,构成如图1所示,包括环境控制服务器(搭载环境控制软件)和与该环境控制服务器相连接的数据显示屏、连续监测用摄像机、环控用热泵、栽培系统和条件参数检测系统;该热泵和栽培系统与密闭性植物工厂配套,其中,热泵用于室内温湿度和风速调控,该栽培系统包括栽培架、人工光源、营养液循环系统和水泵,人工光源用于室内光环境调控,水泵用于营养液循环;该条件参数检测系统包括室内外温湿度传感器、室内外二氧化碳浓度传感器、增施二氧化碳流量计、热泵室内机进出口温湿度传感器、热泵室内机出风口风量传感器、热泵冷凝水水位计、营养液槽水位计、热泵耗电功率仪、人工光源耗电功率仪和水泵耗电功率仪。
本实施例还公开一种数据驱动的植物工厂精准环控方法,基于上述系统,包括以下步骤:
环境控制服务器从条件参数检测系统的室内外温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、增施二氧化碳流量计、热泵室内机进出口温湿度传感器、热泵室内机出风口风量传感器、热泵冷凝水水位计、营养液槽水位计、热泵耗电功率仪、人工光源耗电功率仪和水泵耗电功率仪获取条件参数,该条件参数包括室内外温湿度、室内外二氧化碳浓度、增施二氧化碳流量、热泵室内机进出口温湿度、热泵室内机出风口风量、热泵冷凝水水位、营养液槽水位、热泵耗电功率、人工光源耗电功率和水泵耗电功率;
环境控制服务器根据获取的条件参数和植物的生理信息进行数据处理,计算植物工厂投入资源(光、电、CO2等)利用效率和植物生理生长参数,该资源利用效率包括热泵能量利用效率、植物增施二氧化碳利用效率、水分利用效率和人工光源电能利用效率;植物生理生长参数包括冠层净光合速率和植物冠层蒸腾速率。
环境控制服务器调控热泵、增施二氧化碳流量计和人工光源等的工作状态,确保上述植物生长参数处于一预设的范围内。
一、热泵能量利用效率计算
单个空气源热泵性能系数(COP)可用定义法进行计算:
Figure BDA0002807731970000051
式中,m为热泵室内机出风口风量,kg/s;iinlet为热泵室内机进风口焓值,kJ/kg;ioutlet为热泵室内机出风口焓值,kJ/kg;Whp为热泵耗电量,W。
二、植物工厂植物冠层光合净速率和植物增施二氧化碳利用效率计算
植物工厂内由于植物的光合作用,CO2消耗较快,在不进行CO2施肥的情况下,室内CO2浓度会在较短的时间内(约30分钟)下降至100μmol mol-1以下,从而限制了植物的光合。因此,CO2施肥是保证植物工厂高效高产的一个很重要的调控措施。增施CO2往往会使室内CO2浓度(Cin)高于室外CO2浓度(Cout),不可避免会导致CO2逸散。植物工厂CO2平衡主要受CO2施肥速率(Cs,kg h-1),CO2逸散速率(CL,kg h-1),植物CO2净吸收速率(Pn,kg h-1),室内CO2浓度变化速率(CΔ,kg h-1)和工人呼吸所产生的CO2速率(Cw,50g h-1)等影响。植物工厂CO2平衡方程可表达为:
Cs+CL+Pn+CΔ+Cw=0
Cs可以由CO2质量流量计测算获得,Pn即植物冠层净光合速率,CL可由植物工厂换气次数和室内外CO2浓度计算获得:
Figure BDA0002807731970000061
式中,Kc为标准状态下CO2的密度,1.96kg·m–3;N为植物工厂换气次数,h-1;V为植物工厂体积,m3;A为栽培面积,m2;Cin为室内CO2浓度,μmol mol-1;Cout为室外CO2浓度,μmolmol-1
室内CO2浓度变化速率计算公式为:
Figure BDA0002807731970000062
式中,Ct1为时间为t1时室内CO2浓度,μmol mol-1;Ct0为时间为t0时室内CO2浓度,μmol mol-1
1、植物冠层净光合速率计算
Pn=Cs+CL+CΔ+Cw
2、植物增施CO2利用效率计算
植物工厂增施CO2利用效率(Ec)计算如下:
Figure BDA0002807731970000063
三、植物工厂植物冠层蒸腾速率和水分利用效率计算
由植物工厂水分平衡方程可知:
Ws+WL+We+WT+WΔ=0
其中,Ws为土壤和营养液的蒸发速率,kg·m-2·h-1;WL为围护结构缝隙和通风引起的水蒸气逸散速率,kg·m-2·h-1;We为水蒸气冷凝回收速率,kg·m-2·h-1;WT为植物的蒸腾速率,kg·m-2·h-1;WΔ为设施内水蒸气变化速率,kg·m-2·h-1
1、植物工厂植物冠层蒸腾速率计算
植物工厂基本使用营养液栽培,不用考虑土壤蒸发,营养液采用封闭式循环系统,因此,Ws可以忽略不计,另外,由于气密性较好,换气次数小,室内外水蒸气交换量小,基本也不需要考虑WL,如需考虑,计算可先列入。因此,植物工厂植物冠层蒸腾速率可由加湿或除湿设备热泵的水蒸气冷凝回收速率(We)、室内外水蒸气交换速率(WL)和室内空气中水蒸气变化变化速率(WΔ)计算得知,具体计算公式如下:
Figure BDA0002807731970000071
其中,Kw为标准状态下水蒸汽的密度,kg/m3;N为植物工厂换气次数,h-1;V为植物工厂体积,m3;AHin为室内空气含湿量,kg/kg(DA);AHout为室外空气含湿量,kg/kg(DA);AHt1为时间为t1时室内空气含湿量,kg/kg(DA);AHt0为时间为t0时室内空气含湿量,kg/kg(DA)。
2、植物工厂水分利用效率计算
植物工厂水分利用效率定义为植物吸收利用的水分与实际灌溉水量之比。植物工厂一般需要进行热泵降温,降温同时会产生冷凝水,可以收集进行循环再利用,因此,实际灌水量应该是灌水量减去回收利用的量。植物根系吸收水分后,95%以上的水分在蒸腾作用下又以水蒸气的形式逸散到空气中,植物工厂内水分利用效率可用下式表示。
Figure BDA0002807731970000072
式中,Ew为水分利用效率;Wi为单位时间和单位栽培面积需要灌溉水量,kg·m-2·h-1;Wr为单位时间和单位栽培面积营养液槽内剩余的水,kg·m-2·h-1
以下以热泵的能量利用效率为例,介绍当环境变化时,控制系统最终反映形式。
植物工厂换气次数为0.02次·h-1,建筑面积为400m2,室内体积为1429.1m3,采用多层营养液栽培。植物工厂设置7台空气源热泵,每台热泵(LSEYP10FD,Daikin,Industries.Ltd,Japan;热泵制冷和制热能力为154kW和179kW)。室内外温湿度和热泵室内机进出口温湿度传感器(SHT-71,Sensirion AG,Switzerland)。热泵、人工光源、水泵等消耗电量功率仪(kWm8115,Panasonic Electric Works,Japan);热泵室内机出风口风量传感器(MODEL 6531,Kanomax,Co.Japan)。
则植物工厂内温湿度和热泵耗电量随时间变化如图2所示。
由式子
Figure BDA0002807731970000073
可计算热泵能量利用效率如图3所示。
同样,当室内外环境、植物或设定环境参数发生变化时,植物冠层光合速率和蒸腾速率、和水、电和CO2等的利用效率通过显示屏即可实施反应出各种变化带来的影响,从而可以快速、及时调整、优化出环境调控参数,进行精准环境调控。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制,本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,本发明的保护范围以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种数据驱动的植物工厂精准环控系统,用于密闭性植物工厂,其特征在于,包括环境控制服务器和与该环境控制服务器相连接的数据显示屏、环控用热泵、栽培系统和条件参数检测系统;其中,该热泵和栽培系统与密闭性植物工厂配套,该热泵用于室内温湿度和风速调控,该栽培系统包括栽培架、人工光源、营养液循环系统及水泵,人工光源用于室内光环境调控,水泵用于营养液循环;该条件参数检测系统包括室内外温湿度传感器、室内外二氧化碳浓度传感器、增施二氧化碳流量计、热泵室内机进出口温湿度传感器、热泵室内机出风口风量传感器、热泵冷凝水水位计、营养液槽水位计、热泵耗电功率仪、人工光源耗电功率仪和水泵耗电功率仪。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,环境控制服务器还连接一连续监测用摄像机,该连续监测用摄像机包括RGB相机、热成像相机、近红外成像相机中的一种或多种。
3.一种数据驱动的植物工厂精准环控方法,基于权利要求1所述的系统,其特征在于,包括以下步骤:
环境控制服务器从条件参数检测系统的室内外温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、增施二氧化碳流量计、热泵室内机进出口温湿度传感器、热泵室内机出风口风量传感器、热泵冷凝水水位计、营养液槽水位计、热泵耗电功率仪、人工光源耗电功率仪和水泵耗电功率仪获取条件参数,该条件参数包括室内外温湿度、室内外二氧化碳浓度、增施二氧化碳流量、热泵室内机进出口温湿度、热泵室内机出风口风量、热泵冷凝水水位、营养液槽水位、热泵耗电功率、人工光源耗电功率和水泵耗电功率;
环境控制服务器根据获取的条件参数和植物的生理信息进行数据处理,计算植物工厂投入资源利用效率和植物生理生长参数,该资源利用效率包括热泵能量利用效率、植物增施二氧化碳利用效率、水分利用效率和人工光源电能利用效率;植物生理生长参数包括冠层净光合速率和植物冠层蒸腾速率;
环境控制服务器调控热泵、增施二氧化碳流量计和人工光源的工作状态,确保上述植物生长参数处于一预设的范围内。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,环境控制服务器从连续监测用摄像机获取植物的图像信息,并从图像中提取植物的生理信息。
5.如权利要求3所述的方法,其特征在于,环境控制服务器针对各项条件参数的室内外温湿度、二氧化碳浓度、增施二氧化碳流量、热泵室内机进出口温湿度、热泵室内机出风口风量、热泵耗电功率、人工光源耗电功率和水泵耗电功率分别设有一参数波动范围,通过控制栽培系统的热泵、人工光源和水泵的工作状态来使各项条件参数处于所述参数波动范围内。
6.如权利要求3所述的方法,其特征在于,环境控制服务器计算热泵能量利用效率的步骤包括:
根据获取的热泵室内机进出口温湿度,计算热泵室内机进风口焓值iinlet和出风口焓值ioutlet
根据获取的热泵室内机出风口风量m、热泵室内机进风口焓值iinlet和出风口焓值ioutlet,计算热泵能量利用效率,计算式子如下:
Figure FDA0002807731960000021
其中,Whp为热泵耗电量。
7.如权利要求3所述的方法,其特征在于,环境控制服务器计算植物冠层净光合速率的步骤包括:
根据获取的室内外二氧化碳浓度Cin和Cout,计算二氧化碳逸散速率CL,计算式子如下:
Figure FDA0002807731960000022
其中,Kc为标准状态下二氧化碳的密度1.96kg·m–3,N为植物工厂换气次数,V为植物工厂体积,A为栽培面积;
根据t0时获取的室内二氧化碳浓度Ct0,t1时获取的室内二氧化碳浓度Ct1,计算室内二氧化碳浓度变化速率CΔ,计算式子如下:
Figure FDA0002807731960000023
根据获取的增施二氧化碳流量计算二氧化碳施肥速率Cs
根据CL、CΔ、Cs计算植物冠层净光合速率Pn,计算式子如下:
Pn=Cs+CL+CΔ+Cw
其中,Cw为工人呼吸所产生的二氧化碳速率,50g h-1
8.如权利要求3所述的方法,其特征在于,环境控制服务器计算植物增施二氧化碳利用效率的步骤包括:
根据获取的室内外二氧化碳浓度Cin和Cout,计算二氧化碳逸散速率CL,计算式子如下:
Figure FDA0002807731960000024
其中,Kc为标准状态下二氧化碳的密度1.96kg·m–3,N为植物工厂换气次数,V为植物工厂体积,A为栽培面积;
根据t0时获取的室内二氧化碳浓度Ct0,t1时获取的室内二氧化碳浓度Ct1,计算室内二氧化碳浓度变化速率CΔ,计算式子如下:
Figure FDA0002807731960000031
根据获取的增施二氧化碳流量计算二氧化碳施肥速率Cs
根据CL、CΔ、Cs计算植物增施二氧化碳利用效率Ec,计算式子如下:
Figure FDA0002807731960000032
其中,Cw为工人呼吸所产生的二氧化碳速率,50g h-1
9.如权利要求3所述的方法,其特征在于,环境控制服务器计算植物冠层蒸腾速率的步骤包括:
根据获取的热泵冷凝水水位计算热泵冷凝水的回收量,进而计算水蒸气冷凝回收速率We
根据获取的室内外温湿度的室内空气含湿量AHin和室外空气含湿量AHout,计算室内外水蒸气交换速率WL,计算式子如下:
WL=Kw·N·V·(AHin-AHout),
其中,Kw为标准状态下水蒸汽的密度,1000kg/m3;N为植物工厂换气次数;V为植物工厂体积;
根据在t0时刻测得的室内空气含湿量AHt0和在t1时刻测得的室内空气含湿量AHt1,计算室内水蒸气变化速率WΔ,计算式子如下:
Figure FDA0002807731960000033
根据We、WL、WΔ计算植物冠层蒸腾速率WT,计算式子如下:
WT=We+WL+WΔ
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,环境控制服务器计算水分利用效率的步骤包括:
根据获取的营养液槽水位数据计算单位时间和单位栽培面积需要灌溉水量Wi和单位时间和单位栽培面积营养液槽内剩余的水量Wr
根据Wi、Wr和WT计算水分利用效率Ew,计算式子如下:
Figure FDA0002807731960000034
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022183555A1 (zh) * 2021-03-01 2022-09-09 今蜂智慧农业科技(泰安)有限公司 一种植物工厂化种植系统及运行方法
CN117075547A (zh) * 2023-08-15 2023-11-17 上海市农业科学院 一种植物工厂生菜栽培环境优化调控方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117075547B (zh) * 2023-08-15 2024-03-12 上海市农业科学院 一种植物工厂生菜栽培环境优化调控方法

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