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研究生：	鄭志玄 Cheng, Chih-Hsuan
論文名稱：	自動化LED植物工廠 Automatic LED Plant Factory
指導教授：	周榮華 Chou, J. H.
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 工程科學系碩士在職專班 Department of Engineering Science (on the job class)
論文出版年：	2011
畢業學年度：	99
語文別：	中文
論文頁數：	80
中文關鍵詞：	植物工廠、田口實驗設計法、高功率發光二極體
外文關鍵詞：	Plant Factory, Taguchi Method, High-power LED
相關次數：	點閱：174 下載：36
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摘要
植物工廠為台灣精緻化農業的未來趨勢，植物工廠具備了無農藥的使用需求、低硝酸鹽殘留、循環式水資源利用、積體化種植增加產量…等優點。但一座有規模的植物工廠造價卻是相當不斐。
本研究之目的為建立一低建置成本的植物工廠，並且可以達到目前植物工廠基本的五項需求，(I)種植作業標準化；(II)種植產量最大化；(III)種植品質最大化；(IV)種植節能最大化及(V)種植作業自動化。
為達上述目的，本研究以田口實驗設計優化植株生長因子、不均勻光場實驗設計量化環境生長因子及養液中斷實驗設計減量植株硝酸鹽濃度三種實驗設計法，輔以自行研發之LED燈源高度調控自動化設備，克服植物工廠高建置成本問題。
驗證結果顯示每一植株僅以兩顆高功率發光二極體(紅、藍光LED各一顆)即可於幼苗移植後21天培育成功，同時也成功培育多種不同品種之萵苣，以低建置成本及有系統的種植方法實現自動化LED植物工廠。

Abstract
Plant factory is the trend of Taiwan’s future dedicated agriculture. The advantages of plant factory include pesticide-free, low-residual nitrate, economic water usage, and integrated cultivation for productivity increase, etc. However, it’s costly to build a sizable LED plant factory.
The purpose of this study it to build plant factory with lower cost and reach current plant factory’s five basic requirements, namely, (I) standardization of plant process; (II) maximization of plant productivity; (III) maximization of plant quality; (IV) maximization of energy saving and (V) plant automation,
To achieve the above goals, this research used Taguchi method, non-uniform light environment and nutrient interruption for plant growth; applied self-development automation equipment to overcome high implementation cost of plant factory.
The results show that several types of lettuce are cultivated successfully by only two high-power LED, (one red LED & one blue LED per plant) within 21 days. In other words, the goal of building economic automatic LED plant factory with low cost is achieved.

目   錄
摘要-------------------------------------------------------I
英文摘要---------------------------------------------------II
誌謝-----------------------------------------------------III
符號說明---------------------------------------------------IV
目錄-------------------------------------------------------V
圖目錄---------------------------------------------------VII
表目錄--------------------------------------------------	XI
第一章	研究目的----------------------------------------	1
1.1  前言-----------------------------------------------	1
1.2  植物工廠的優、缺點-----------------------------------	1
1.3  植物工廠人工光源種類及比較----------------------------	2
1.4  研究目的-------------------------------------------	3
1.5  研究架構-------------------------------------------	6	
第二章 文獻回顧------------------------------------------	7
2.1  植物人工光源種類(Light Type)之探討-------------------	8
2.2  光量(Light Intensity)對植物生長之影響----------------	11
2.3  光質(Light Quality)對植物生長之影響------------------	15
2.4  光週期(Light Photoperiod)對植物之影響----------------	17
2.5  文獻探討分析與本研究實驗設計之改善---------------------	19
第三章 實驗方法與討論-------------------------------------	21
3.1  使用田口實驗設計法建立植物生長資料庫-------------------	22
3.2  應用階梯實驗進行光質、光量對植物生長之影響--------------	35
3.3  應用養液中斷法降低硝酸鹽濃度之實驗方法-----------------	48
3.4  應用NI-Lab VIEW達成種植自動化實驗方法-----------------	55
第四章 結論與建議-----------------------------------------	72
4.1  結論-----------------------------------------------	72
4.2  建議-----------------------------------------------	73
參考文獻	------------------------------------------------75

圖 目 錄
圖1.1.1  植物工廠三大系統架構圖---------------------------	1
圖1.4.1  本研究自動化LED植物工廠的五項需求示意圖------------	3
圖1.4.2  植株生長空間保留產生之光源問題示意圖---------------	5
圖1.5.1  自動化LED植物工廠研究架構圖-自動化LED植------------	6
圖2.1.1  LED應用於植物人工光源之演進-----------------------	9
圖2.1.2  LED相較於其他人工光源之效率比較-------------------	9
圖2.1.3  LED相較於其他人工光源之使用壽命比較----------------	10
圖2.2.1  光合作用速率及氣孔傳導率與光量成正比---------------	11
圖2.2.2  萵苣葉片數於高、低光量培育下之比較-----------------	12
圖2.2.3  萵苣乾重於高、低光量培育下之比較-------------------	12
圖2.2.4  植株硝酸鹽及醣類濃度之比較圖----------------------	13
圖2.3.1  典型的植物葉綠體色素吸收光譜圖--------------------	15
圖2.3.2  光線與葉綠體反應後，綠光之穿透或反射---------------	15
圖2.4.1  草莓葉片上及下之光譜分佈比較圖--------------------	18
圖2.4.2  紅光LED於草莓葉面下進行補光示意圖-----------------	18
圖2.4.3  補光法及黑暗中斷法之控制示意圖--------------------	19
圖3.1.1  補本研究之整體實驗架構流程圖----------------------	21
圖3.1.2  本實驗所用之紅光(Red)及藍光(Royal Blue)LED光譜分佈圖	23
圖3.1.3  本實驗所用之紅光(Red)及藍光(Royal Blue)LED電壓及電流	23
圖3.1.4  以田口實驗法建立生長資料庫之整體實驗步驟流程圖------	24
圖3.1.5  育苗L9田口實驗法之硬體架構圖----------------------	25
圖3.1.6  育苗L9田口實驗法之樣品培育為置圖------------------	26
圖3.1.7  育苗L9田口實驗法之組別與樣品放置圖	----------------26
圖3.1.8  依據L9田口實驗法之設定，培育十天之幼苗上視圖	--------27
圖3.1.9  依據L9田口實驗法之設定，培育十天之幼苗全貌----------	27
圖3.1.10 幼苗L9田口實驗植株重量因子反應圖------------------	29
圖3.1.11 依據幼苗L9優化因子所培育之育成L9樣本來源-----------	29
圖3.1.12 依據L9田口實驗之設定，育成十四天之植株側視圖----------30
圖3.1.13 依據L9田口實驗之設定，育成十四天之植株全貌----------	31
圖3.1.14 植株成長L9田口實驗植株重量因子反應圖---------------	32
圖3.1.15 育苗及育成植株重量因子反應比較圖-------------------	33
圖3.1.16 育苗及育成植株第二次實驗因子修正建議圖-------------	34
圖3.2.1  階梯式實驗設計法整體實驗步驟圖--------------------	35
圖3.2.2  建立光源資料庫之實際量測圖------------------------	36
圖3.2.3  藍光LED之光源資料庫------------------------------	36
圖3.2.4  紅光LED之光源資料庫------------------------------	37
圖3.2.5  階梯式實驗架構圖---------------------------------	37
圖3.2.6  階梯式實驗所需之不均勻光源組合--------------------	38
圖3.2.7  階梯式實驗中幼苗培育之位置圖----------------------	38
圖3.2.8  不均勻光質生長環境示意圖--------------------------	39
圖3.2.9  不均勻光質生長環境階梯實驗圖----------------------	39
圖3.2.10 應用光源資料庫所規劃出之不均勻光源生長環境----------	40
圖3.2.11 階梯實驗十四天培育後五組植株之全貌-----------------	43
圖3.2.12 階梯式實驗植株培育前後之照片比較-------------------	43
圖3.2.13 階梯式實驗水耕液每日水耕液電導度記錄趨勢圖----------	44
圖3.2.14 階梯式實驗水耕液每日水耕液酸鹼值記錄趨勢圖----------	44
圖3.2.15 水耕液電導度變化量與最終植株平均鮮重之散佈圖	----------45
圖3.2.16 水耕液酸鹼值變化量與最終植株平均鮮重之散佈圖----------46
圖3.2.17 LED燈源高度與每組最終植株平均鮮重之散佈圖----------	46
圖3.2.18 以每組九株植物之鮮種所繪製之盒鬚圖-------------------47
圖3.2.19 階梯式實驗植株每兩日生長高度之等高線記錄圖-----------47
圖3.3.1  養液中斷法降低硝酸鹽含量整體實驗流程圖--------------49
圖3.3.2  秤取25公克植株重量示意圖--------------------------50
圖3.3.3  使用果汁機對植株進行攪碎動作-----------------------50
圖3.3.4  以硝酸鹽試紙量測植株硝酸鹽濃度示意圖----------------51
圖3.3.5  硝酸鹽濃度判別比色標準圖--------------------------	51
圖3.3.6  降低硝酸鹽濃度實驗之每日濃度整理直方圖--------------53
圖3.3.7  不同生長階段養液濃度調控示意圖---------------------54
圖3.4.1  種植自動化設備整體實驗架構圖-----------------------56
圖3.4.2  燈源高度傳動模組架構圖----------------------------57
圖3.4.3  本研究所使用之紅外線偵測器-------------------------58
圖3.4.4  美商國家儀器所生產之DAQ-6008數據擷取硬體設備--------58
圖3.4.5  本研究紅外線偵測器之軟體設定-----------------------59
圖3.4.6  自動化燈源系統軟硬體整合架構圖---------------------59
圖3.4.7  獨立型LED燈具之原型圖-----------------------------60
圖3.4.8  兩套直流電源供應系統以調配不同之紅、藍光比例需求------60
圖3.4.9  本研究自動化控制硬體設施架構圖---------------------61
圖3.4.10 美商Vernier公司所生產之電導度計-------------------	61
圖3.4.11 美商Vernier公司所生產之酸鹼度計-------------------	62
圖3.4.12 本研究水耕養液之軟體設定--------------------------	62
圖3.4.13 自動化水耕養液之軟體設定--------------------------	63
圖3.4.14 本研究所使用之生長監控系統	--------------------------64
圖3.4.15 驗證實驗中植株種植之規劃圖	--------------------------65
圖3.4.16 由燈源高度及可控電路調控出所需之光量及光質------------65
圖4.4.17 驗證實驗中生長影像監控系統之生長記錄圖-------------	66
圖3.4.18 真實驗證實驗中不同種類植株之照片整理---------------	67
圖4.4.19 驗證實驗中連續24小時照射培育十四天開花之青江菜------	67
圖3.4.20 幼苗時其無效光源照射之能源浪費--------------------	68
圖3.4.21 傳統批式水耕養液調控方法--------------------------	69
圖3.4.22 自動化養液系統於不同生長階段調控示意圖-------------	70
圖3.4.23 驗證實驗種植編號3紅蘿蔓之鮮重秤取圖	----------------71
圖4.2.1 未來精進型水耕液調控系統示意圖---------------------	73
圖4.2.2 高經濟型作物草莓之LED育苗與育成----------------------74

表目錄
表2.1.1  本研究參考文獻中植株種類整理表--------------------	7
表2.1.2  本研究參考文獻中人工光源種類之整理表---------------	8
表2.1.3  Bula等人與 Hammer等人所培育之萵苣比較表-----------	10
表2.1.4  Hoenecke等人以不同之光量光質培育萵苣整理表---------	11
表2.2.1  白鶴芋鮮重於三種不同光量下培育六十天之比較結果------	13
表2.2.2  三種不同生長光量需求之植物種類整理-----------------	14
表2.2.3  紅、藍光LED單位轉換常數表------------------------	14
表2.3.1  本研究所提及之文獻中最佳生長條件紅、藍光比之整理-----	16
表2.5.1  本研究針對文獻分析後所提出之改善方法整理表----------	19
表3.1.1  田口實驗設計法中之設備及材料----------------------	22
表3.1.2  培育健康幼苗之L9田口實驗設計表--------------------	24
表3.1.3  幼苗L9田口實驗各組之平均值及標準偏差---------------	28
表3.1.4  幼苗L9田口實驗植株重量因子反應表------------------	28
表3.1.5  植株育成之L9田口實驗設計表------------------------	30
表3.1.6  植株育成L9田口實驗各組之平均值及標準偏差-----------	31
表3.1.7  植株成長L9田口實驗植株重量因子反應表---------------	32
表3.2.1  階梯式實驗數據收集整理表---------------------------41
表3.2.2  階梯式實驗每日水耕液電導度數據收集整理表------------	41
表3.2.3  階梯式實驗每日水耕液酸鹼值數據收集整理表------------	41
表3.2.4  階梯式實驗每兩日植株生長高度數據收集整理表----------	42
表3.2.5  階梯式實驗最終植株鮮重數據整理表-------------------	42
表3.3.1  降低硝酸鹽濃度實驗之設備與材料--------------------	48
表3.3.2  降低硝酸鹽濃度實驗數據收集表----------------------	49
表3.3.3  降低硝酸鹽濃度實驗之每日數據收集整理表-------------	52
表3.3.4  歐盟2001年公告修訂蔬菜中硝酸鹽之最大限量標準--------	53
表3.4.1  種植自動化實驗之設備與材料	--------------------------56
表3.4.2  本研究燈源與T5燈源系統燈具及電力成本比較表------------71

                                    

參考文獻
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