家用全自動蔬菜種植機(jī)開發(fā)與應(yīng)用設(shè)計

汪蕾 華志紅

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇無錫 214000）

家用全自動蔬菜種植機(jī)開發(fā)與應(yīng)用設(shè)計

汪蕾 華志紅

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇無錫 214000）

本論文開發(fā)設(shè)計了家用全自動蔬菜種植機(jī)（專利號：201320561823.2、專利號：201420030982.4），包括栽培結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、LED光照系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等，其中重點描述了營養(yǎng)液控制系統(tǒng)的設(shè)計與性能分析。經(jīng)過長達(dá)一年的種植應(yīng)用試驗，該機(jī)器可以種植出二十多種不同種類的綠葉蔬菜，真正滿足了都市家庭在室內(nèi)種植健康蔬菜的需求。

家用全自動蔬菜種植機(jī)；營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)；無土栽培；LED人工光照；智能家電

1 引言

目前，食品安全成為人們?nèi)找鎿?dān)憂的問題；現(xiàn)代文明及城市建設(shè)，更讓人們漸漸失去了接觸自然環(huán)境與植物成長的機(jī)會，生活里少了生機(jī)與朝氣。

2010年，在中國的上海世博會上首次亮相低碳、智能的家庭植物工廠，它是以工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計理念為參照，選用工業(yè)材質(zhì)和工業(yè)控制技術(shù)，使得機(jī)器成本和能耗大大上升，市場價值不高，難以推廣和普及。

本文的研究對象充分體現(xiàn)智能家電技術(shù)與生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合，選用通用材質(zhì)和通用控制技術(shù)，大大降低了產(chǎn)品成本，使得產(chǎn)品具有更多的市場價值。

2 栽培結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計

家庭蔬菜種植，主要受到家庭環(huán)境、家庭空間和使用面積的限制，為了充分利用蔬菜種植空間，本機(jī)器采用層架式設(shè)計，以擴(kuò)大種植面積，提高種植效率。栽培結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是蔬菜機(jī)的主要部件，見圖1。

中國幅員遼闊，南北氣候差別大，每個家庭的室內(nèi)環(huán)境各不相同，為了不影響不同地區(qū)的家庭都能種植蔬菜，本機(jī)器采用封閉式箱體結(jié)構(gòu)，全程溫度控制，以適應(yīng)寒冷的北方及炎熱的南方地區(qū)，實現(xiàn)全天候種植。

蔬菜的生長，需要合適的環(huán)境要素，包括光、溫、水、肥、氣等，本機(jī)采用封閉空間設(shè)計，利用溫控室內(nèi)壓縮機(jī)和電磁閥進(jìn)行溫度控制，不同的蔬菜，所需溫度不同，用戶可以根據(jù)蔬菜的生長習(xí)性，自由設(shè)定空間內(nèi)的溫度。蔬菜生長需要空氣，所以栽培箱體內(nèi)設(shè)計有風(fēng)道，可在實現(xiàn)箱體溫控的同時，定期更換箱體內(nèi)的空氣，滿足蔬菜的生長需求[1]。溫控室結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。

當(dāng)機(jī)器降溫控制時，壓縮機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)啟動，蒸發(fā)器處于制冷狀態(tài)，空氣流經(jīng)蒸發(fā)器降溫，變成冷風(fēng)，在軸流風(fēng)扇的作用下，冷空氣經(jīng)過風(fēng)道口進(jìn)入風(fēng)道，通過風(fēng)道出風(fēng)口對栽培層和最底層營養(yǎng)液箱進(jìn)行降溫。

當(dāng)機(jī)器升溫控制時，壓縮機(jī)、四通閥和軸流風(fēng)機(jī)啟動，蒸發(fā)器處于制熱狀態(tài)，空氣流經(jīng)蒸發(fā)器升溫，變成熱風(fēng)，再經(jīng)過風(fēng)道口進(jìn)入風(fēng)道，通過風(fēng)道出風(fēng)口對栽培層和底層營養(yǎng)液箱進(jìn)行升溫。

圖1 蔬菜機(jī)總體框架圖

圖2 溫控室結(jié)構(gòu)布局圖

3 營養(yǎng)液控制系統(tǒng)的設(shè)計與性能分析

營養(yǎng)液控制系統(tǒng)是蔬菜機(jī)最重要的系統(tǒng)之一，通過營養(yǎng)液的合理供給與循環(huán)流動，可以給蔬菜提供生長所需的養(yǎng)份和氧氣，讓蔬菜健康成長[4]。

為保證蔬菜機(jī)的種植產(chǎn)量，本機(jī)設(shè)計為多層架結(jié)構(gòu)，每一個層架都可以種植蔬菜，以達(dá)到種植空間的最大化利用。給每一個層架合理地輸送營養(yǎng)液，讓蔬菜能夠獲得健康生長所必須的養(yǎng)分和氧氣，達(dá)到預(yù)期種植效果，成為本機(jī)器能否成功的關(guān)鍵。營養(yǎng)液控制系統(tǒng)的設(shè)計與控制性能試驗，分以下三個步驟進(jìn)行。

3.1 營養(yǎng)液輸送方式的設(shè)計與試驗

營養(yǎng)液輸送方式有多種不同的模式，最常用的有并聯(lián)循環(huán)方式、串聯(lián)回流方式及固定配液方式三種。并聯(lián)循環(huán)方式就是通過抽吸水泵，把營養(yǎng)液箱內(nèi)的營養(yǎng)液抽出來，對各層架的栽培槽進(jìn)行并排式同時供液，并通過同一根回液管道統(tǒng)一回流，進(jìn)入營養(yǎng)液箱，經(jīng)過濾后繼續(xù)循環(huán)，如圖3所示。

串聯(lián)回流方式就是通過抽吸泵，把營養(yǎng)液箱內(nèi)的營養(yǎng)液抽到最上面的栽培槽，進(jìn)行單層式供液，上層供液達(dá)到指定液位后，就自動流到下面一層，如此往復(fù)，最后流回營養(yǎng)液箱，經(jīng)過濾后繼續(xù)循環(huán)，如圖4所示。

固定配液方式就是將所有栽培槽內(nèi)的營養(yǎng)液一次性全部配好，不做循環(huán)流動，為了保證對蔬菜根系的供養(yǎng)，在每一個栽培槽中安裝一個增

氧泵，單獨供氧。

為驗證三種方式對蔬菜生長造成的不同影響，以各100顆意大利生菜為例，進(jìn)行定植后30天的種植試驗，結(jié)果如表1。

從試驗結(jié)果可以看出，采用并聯(lián)循環(huán)方式的機(jī)器蔬菜生產(chǎn)情況最好，串聯(lián)回流方式次之，固定配液方式產(chǎn)量最低。

在做營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)定型設(shè)計時，需要考慮成本、裝配、維修、運(yùn)輸?shù)榷喾矫娴囊蛩兀N不同方式的優(yōu)缺點對比如表2。

結(jié)論：考慮到結(jié)構(gòu)的簡潔、裝配及維修的便利、水流噪音及成本等因素，兼顧蔬菜產(chǎn)量，參考試驗數(shù)據(jù)，本機(jī)設(shè)計采用串聯(lián)回流式方案。

3.2 營養(yǎng)液循環(huán)周期的設(shè)計與試驗

營養(yǎng)液的輸送循環(huán)時間，也就是水泵工作的時間，直接影響到營養(yǎng)液的供給量及根系的供氧量，特別是蔬菜根系的供氧量，會對蔬菜的健康成長造成重大影響。

從理論上講，靜止的水中溶氧量少，不能滿足蔬菜根系對氧氣的吸收，營養(yǎng)液如果能保持24小時的循環(huán)流動，蔬菜的生長效果會最好[3]。但考慮到節(jié)水（流動的營養(yǎng)液蒸發(fā)量大，水量消耗多）、節(jié)能以及水泵壽命的局限，考慮間歇式循環(huán)輸送方式。

根據(jù)栽培槽的容積，以每次循環(huán)可以將所有栽培槽內(nèi)的營養(yǎng)液全部更換一遍為原則，選取小功率靜音水泵，本機(jī)設(shè)計10分鐘可完成一次營養(yǎng)液的完全更換。

以下使用營養(yǎng)液串聯(lián)回流輸送模式，設(shè)置不同的循環(huán)周期，進(jìn)行試驗。以各100顆非洲冰花為例，進(jìn)行50天的育苗及定植試驗，結(jié)果如表3。

從表3可以看出，冰花在苗期對溶氧要求不高，但是在定植后，特別是在生長后期，對營養(yǎng)液中的溶氧要求比較高，與常規(guī)的生菜相比，冰花屬于高需氧品種。

結(jié)論：考慮到機(jī)器的節(jié)能與水泵壽命，兼顧低需氧量蔬菜（生菜）與高需氧量蔬菜（非洲冰花）的兼容性，參考試驗數(shù)據(jù)，本機(jī)營養(yǎng)液循環(huán)周期設(shè)計為10分鐘開，15分鐘停模式。

3.3 營養(yǎng)液溫控范圍的設(shè)計與試驗

根系是蔬菜的大腦，根系的溫度，直接影響著蔬菜的健康成長，所以營養(yǎng)液的溫度控制，成為營養(yǎng)液控制系統(tǒng)中的重要部分[5]。

自然界中的植物，扎根于大地，由于大地具有自動溫度調(diào)節(jié)功能，一年四季溫度變化不大，所以植物在冬天不會被凍死，夏天也不會被熱死，蔬菜也是一樣，如果蔬菜的根系不能生長在適宜的溫度下，就不能健康生長。

確定了營養(yǎng)液的輸送方式及輸送周期，最后確定營養(yǎng)液溫控范圍，以下同樣用各100顆意大利生菜種植為例，進(jìn)行定植后30天的種植試驗，結(jié)果如表4。

從試驗結(jié)果可以看出，營養(yǎng)液溫度在15度時，蔬菜生長速度變慢，但仍然健康，在20度時生長狀況最好，25度時生長也正常，但后期出現(xiàn)卷邊現(xiàn)象。溫度在30度時，蔬菜生長不正常，出現(xiàn)黃葉、枯邊及生長緩慢現(xiàn)象?？紤]到節(jié)能和效率，結(jié)合蔬菜生長情況，本機(jī)營養(yǎng)液溫度控制在20℃。

圖3 營養(yǎng)液并聯(lián)輸送示意圖

圖4 營養(yǎng)液串聯(lián)回流示意圖

圖5 LED電路示意圖

4 LED光照系統(tǒng)的設(shè)計

蔬菜的生長離不開光照，研究資料表明[2]，蔬菜對420～720nm范圍內(nèi)的光線比較敏感，對其他的光線幾乎不吸收。經(jīng)過試驗，蔬菜生長對460nm的藍(lán)光波段和660nm的紅光波段需求較大，對520nm的綠光波段需求很少，不同的光波對蔬菜的影響如下：

420～520nm，藍(lán)光波段，促進(jìn)蔬菜葉綠素B與類胡蘿卜素的合成；

520～600nm，綠光與黃光波段，提高蔬菜

根的活性，促進(jìn)根系生長；

600～720nm，促進(jìn)蔬菜葉綠素A的合成，增強(qiáng)蔬菜的新陳代謝。

本機(jī)LED植物生長燈采用多個不同波長的LED燈芯集成，使得合成光譜符合蔬菜的健康生長需要。電路組合示意如圖5所示。

為加強(qiáng)光照強(qiáng)度，采用多級LED并聯(lián)應(yīng)用方式。經(jīng)過反復(fù)的燈芯組合試驗，同時考慮到不同色溫的光線對人眼造成的刺激，在充分兼顧能效比的基礎(chǔ)上，獲得最佳的LED燈芯組合配比（以非洲冰花和意大利生菜培植為例），紅：綠：藍(lán)=5∶2∶3，集成封裝后，燈珠發(fā)出柔和的暖白光，避免了植物工廠中使用紅藍(lán)光對人眼和室內(nèi)造成的視覺沖擊和光污染。

圖6 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 30天的種植試驗數(shù)據(jù)

表2 三種不同方式的優(yōu)缺點對比

表3 50天育苗及定植試驗數(shù)據(jù)

表4 意大利生菜30天種植試驗數(shù)據(jù)

5 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

智能控制系統(tǒng)由傳感器、中央處理器、驅(qū)動部件及通信接口等模塊組成,控制系統(tǒng)電路方框圖如圖6所示。

傳感器采集機(jī)器內(nèi)部不同的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)放大濾波后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過CPU（中央處理器）的運(yùn)算與處理，輸出控制信號，驅(qū)動溫控器件和其他生長環(huán)境要素控制器件，使得蔬菜在機(jī)器中能夠健康成長[1]。

考慮到上述全功能機(jī)器的構(gòu)造及控制的復(fù)雜性，從降低成本、提高機(jī)器可靠性和實用性的角度出發(fā)，結(jié)合蔬菜對環(huán)境的廣譜適應(yīng)性特征，可以省去CO2、PH、EC、濕度、照度等控制環(huán)節(jié)，利用多次反復(fù)試驗總結(jié)出來的經(jīng)驗系數(shù)，將光照強(qiáng)度、營養(yǎng)液濃度、溶氧濃度、濕度等復(fù)雜參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，保留溫度控制系統(tǒng)，充分利用家庭室內(nèi)環(huán)境潔凈、通風(fēng)、無突變的有利條件，大幅度降低機(jī)器的成本，提高實用性和可靠性。

6 結(jié)論

綜上所述，本機(jī)通過多次試驗，設(shè)計出了完善的營養(yǎng)液控制系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)相配合，組成了全自動蔬菜栽培機(jī)，經(jīng)過20多個生菜品種和非洲冰花等特殊品種的種植試驗，取得了良好的效果，相比市場上的其他類似產(chǎn)品，本文研究對象能耗低、成本低。經(jīng)過長達(dá)一年時間的試驗，本機(jī)器產(chǎn)出的蔬菜無農(nóng)藥、無重金屬、無有毒化學(xué)物質(zhì)殘留，無亞硝酸鹽。平均每臺機(jī)器每月產(chǎn)出綠色蔬菜（以意大利生菜為例）10公斤，基本滿足一個普通家庭（三口之家）對葉菜的需求量。

[1] 楊其長，魏靈玲，劉文科，程瑞鋒. 植物工廠系統(tǒng)與實踐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012

[2] 崔瑾，徐志剛，邸秀茹. LED在植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用和前景[期刊論文].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008

[3] 劉文科，楊其長. MFT系統(tǒng)進(jìn)行沼液水培生菜的效果研究[期刊論文].溫室園藝，2010

[4] 方慧，楊其長，魏靈玲，巫國棟，魏強(qiáng). 水耕栽培營養(yǎng)液循環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計與控制性能分析[期刊論文].北京農(nóng)機(jī)化研究，2009

[5] 高辻正基. 完全制御型植物工場[M]東京：オ一ム社，2007

The design on automatic vegetable planting appliance

WANG Le HUA Zhihong
(Wuxi institute of technology Wuxi 214000)

The research objective of this paper is automatic vegetable planting appliance. This paper describes the machine’s working principle and main structure. The automatic vegetable planting appliance is a system intergration equipment combined with the following four technologies: intelligence appliance technology; soilless culture; LED; ecological environment control technology,among these structures this article emphasizes the design of nutrient solution loop system. We have filed two invention model patent applications. The patent application numbers are 201320561823.2/201420030982.4. After one year’s experiment we have planted over twenty categories of vegetables. The creative outputs of the appliance are vegetables which can meet the needs of cultivating vegetables indoors in the urban dwellings.

Automatic vegetable planting appliance; The nutrient solution loop system; Soilless culture; LED; Intellgience appliance