垂直農場被越來越多的人視為解決全球食品生產系統所面臨問題的方法之一。在接下來這篇文章中，來自維薩拉的 Antti Viitanen 將解釋在這個快速發展的行業中，測量和控制技術為何會成為成功與否的關鍵。

農業的可持續發展挑戰

戶外農業（牧場和農田）占據了地球上大約一半的可居住土地。人們常說的現代農業方法提高了糧食產量，降低了糧食生產價格。據世界銀行調查，農業發展是消除貧困、促進共同富裕的有力手段之一。預計到 2050 年，將有 97 億人口需要養活。但據估計，2021 年約有 7.68 億人處在饑餓中。此外，農業、林業和土地用途的變化產生了約 25導致全球變暖的溫室氣體排放量，而且農業還消耗了約 70 的淡水供應量。氣候變化無疑加劇了這些挑戰。 

近幾十年來，農業生產的增長也讓人類付出了巨大的代價；對環境和生物多樣性造成了損害，破壞了可持續發展。集約化畜牧業加重了污染程度，增加了疾病傳播的風險，而不斷擴大的單一作物農田降低了生物多樣性，并且經常使用肥料和農用化學品，從而造成進一步的環境破壞。人們也越來越關注農業對土壤健康的影響，其有害影響包括侵蝕、污染（營養物和殺蟲劑）、壓實、荒漠化和鹽堿化。

戶外農業活動具有季節性，這意味著大多數農作物每年只能收獲一次。全球各地的人口每年每天 24 小時都有糧食需求，因此對糧食儲存和洲際運輸的需求很大，這嚴重增加了農作物的碳足跡。

農業對氣候變化的影響敏感，氣溫升高、干旱、洪水和天氣都給農民帶來了更大的風險。因此，食品和飲料行業正在降低供應鏈中的氣候風險。他們采取的措施包括分析產品的碳足跡，提出減少“食物里程"的要求，并鼓勵食用當地采購的食物。水資源的減少也促進了對水足跡評估的需求，進一步促使人們降低供應鏈中的氣候風險。同時，世界上一半以上的人口居住在城市，城市化進程仍在繼續推進。

垂直農場

將農業生產轉移到室內解決了前面提到的許多挑戰。例如，在任何季節都可以為作物提供理想的生長條件，同時保護作物不受天氣變化的影響。可以循環利用水，幾乎不需要噴灑農藥。沒有土壤或殺蟲劑污染，因此無需清洗農產品，從而進一步提高了水的使用效率。 

傳統的溫室和水培法曾經解決過許多農業問題，但隨著城市化的推進，以及由于城市地區土地成本高、利用率低的原因，很難解決食物里程挑戰。 

垂直農場大大減少了糧食生產的物理足跡，但由于能源成本高，盡可能運營是確保垂直農場財務可持續性的重要手段。如此一來，傳感器便發揮著重要作用。因此，Jones Food Company (JFC) 在英國現有的垂直農場以及利德尼的大型新設施 (JFC2) 中布置了維薩拉傳感器，這將有可能成為全球垂直農場之一。

案例研究 - 英國的大型商業垂直農場：JFC2

JFC 成立于 2016 年，旨在利用垂直農場的優勢，全年提供新鮮的本地農產品。該公司的商業垂直農場 (JFC1) 于 2018 年開始生產，種植面積為 5,000 平方米，每年可生產 150 噸新鮮農產品。JFC2 將大幅擴大規模，達到 15,000 平方米種植面積和 1,000 噸年種植產量。為支持商業可持續發展，該公司實施的重要策略包括：

   規模 – 大型設施提供規模化經濟以及滿足大訂單的能力。

  技術 – 為了創造和維持理想的生長條件，需要實施監測和控制系統。

  改造利用的設施 – JFC 沒有修建新建筑，而是重新利用大型冗余建筑，避免了高昂的環境和經濟成本。例如，JFC2 以前是一家鑄造廠。

  創新 – 成立研究機構來試驗新作物和不同的生長條件。同樣，準確的監測和控制至關重要。

JFC 在布里斯托爾設立的創新有能力在不同條件下同時試驗十種不同的作物。“這是企業成功的重要保障，"Justin Au 表示。“當客戶要求我們提供特定作物時，我們可以快速開展試驗，以確定該作物生長的各個階段所需的良好生長條件。通過監測和控制系統，我們可以改變 LED 照明強度和光譜、灌溉水中的養分，以及種植房中的溫度、濕度和二氧化碳水平。"

“為特定作物確定良好的生長條件后，我們有信心能夠實現大規模種植，滿足客戶的要求。我們的目標是效率，與現成產品有力競爭，同時利用垂直農場帶來的巨大可持續性優勢。"

“目前，我們種植的作物有羅勒、蒔蘿、歐芹、香菜、薄荷和細香蔥等香草類蔬菜；生菜、芝麻菜、小白菜、菠菜、甜菜、羽衣甘藍和西洋菜等沙拉類蔬菜，以及草莓等其他作物。毋庸置疑，我們通過垂直農場實現商業化種植的作物種類將會繼續增加。"

JFC 的所有設施不斷循環利用水，并連續測量 pH 值和電導率，確保通過溶解肥料調節植物養分。維薩拉傳感器測量溫度、濕度和二氧化碳；所有這些條件都對植物的生長有重大影響。“我們選擇維薩拉傳感器是為了確保長期的準確性和可靠性，而控制系統只有達到與傳感器同樣性能水平，才能充分發揮作用。"賈斯汀解釋道。

JFC 的控制系統由工程主管 Christoph Grundmann 設計。Christoph Grundmann 擁有豐富的經驗，包括在 BBC 和 Arqiva 從事衛星通信工作，以及發電站控制系統的設計和實施。JFC 所有設施的監視和控制系統都運行良好，沒有出現重大停機時間。

JFC 的創新控制系統由 Luke Grundmann 編程和調試。他對維薩拉工程師贊不絕口，夸贊他們及時和主動提供支持，使用通用 USB 到 RS485 轉換器和免費軟件連接和配置其 modbus RTU 傳感器。“專業的編程負責人還沒到場，但即便如此，維薩拉工程師還是熟練地指導我利用現有工具完成了整個過程，"Luke 說到。

根據之前使用谷物干燥機控制系統的經驗，Christoph 將維薩拉傳感器作為標準配置使用。他說：“在 JFC，我們設法提高農作物種植的成本效益，但購買低成本傳感器是一種得不償失的節省行為，會帶來高昂的故障成本，而維薩拉傳感器的可靠性意味著持有成本很低。"

“傳感器的 MODBUS 通信功能也很重要，這節省了大量的安裝時間和成本，而且意味著將來可以快速簡單地實施任何更改。"

JFC 設施的溫度和濕度由單獨的 HVAC 系統控制，但 Christoph 說道：“JFC1 的 HVAC 自帶傳感器，我們把它換成了維薩拉傳感器。在 JFC2，我們將使用維薩拉傳感器來檢查和驗證 HVAC 系統的測量結果，并在必要時進行干預。"

JFC2 將于 2023 年夏季迎來收獲。它采用 15 層設計，因此每英畝的產量會提高 15 倍。新設施的屋頂全部覆蓋太陽能電池板，100 采用可再生能源。該設施將收集和過濾雨水，并且水的回收利用率將達到近 95。

為了充分提高 JFC2 生長條件的效率，整個設施將由維薩拉傳感器網絡進行監測。該網絡中包括：46 個濕度/溫度傳感器；12 個二氧化碳傳感器；10 個溫度/濕度/二氧化碳傳感器；2 個大氣壓力傳感器和 1 個維薩拉 WXT 530 系列多參數氣象站。

維薩拉的 Antti Viitanen 對該監測系統評價道：“這些傳感器的準確性和可靠性對于和持續地按需管理植物生長條件至關重要，因為準確的測量有助于充分提高作物產量、避免浪費并限度地降低成本。"

總結

垂直農場相對于傳統方法的主要優勢幾乎都與可持續發展有關。土壤和生物多樣性不受損害；溫室氣體排放量大大降低；用水效率顯著提高，避免不必要的蒸發蒸騰、鉆孔枯竭或浸出。空間得到有效利用，以必要地適應城市環境，并減少食物里程。重要的是，無論天氣或季節如何，每天都能供應新鮮農產品。盡管如此，不斷上升的糧食生產成本意味著新垂直農場能否成功運營，將取決于能否有效監測和控制投入，因此一個高品質的傳感器至關重要。

Christoph 計劃未來通過各種舉措進一步提升 JFC 的可持續發展水平，例如利用厭氧發酵產生的二氧化碳，使用可厭氧發酵的可堆肥生長介質等。他還在評估維薩拉傳感器計算得出的露點輸出，以確定這能否成為更智能的方式控制 HVAC 系統。此外，在維薩拉專家的幫助下，他還在研究內部和外部環境的焓值測量，以確定有效的 HVAC 再循環（新鮮空氣比）。