一體化智能水培裝置

寧鋅檬 謝正斌 林煥森 劉文娟 肖承興 曾俊豪

摘 要： 蔬果類食物在中國人的飲食中不可缺少，隨著城市化進(jìn)程，我國面臨著耕地日趨減少的問題，故本文提出一種基于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一體化水培裝置。該裝置包含太陽能供電系統(tǒng)、培養(yǎng)區(qū)、輸送區(qū)、中心控制系統(tǒng)組成，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保、綠色健康以及農(nóng)業(yè)智能化的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 水培裝置;太陽能;農(nóng)業(yè)智能化

Abstract： It is essential that vegetables and fruits in Chinese diet.With the development of urbanization，China is facing a problem of decreasing cultivated land.Therefore，this paper proposes an integrated hydroponic device based on modern agriculture.The device consists of solar power supply system，cultivation area，transportation area，central control system，which embodies the advantages of energy saving，environmental protection，green health，and intelligent agriculture.

Key words： Hydroponic device;Solar energy;Agricultural intelligence

1 背景介紹

在中國的飲食結(jié)構(gòu)中，人們對蔬果類食物的需求量巨大。在現(xiàn)代科技高速發(fā)展的21世紀(jì)，人們關(guān)心的問題從能否飽腹轉(zhuǎn)換到食物原料是否健康綠色無污染，食物是否品相好口感佳等。

水培是運(yùn)用現(xiàn)代工程技術(shù)的無土栽培方式，又名營養(yǎng)液培，其核心是將植物的根莖固定在定植籃內(nèi)，根系自然長入植物營養(yǎng)液中。營養(yǎng)液代替自然土壤向植物體提供水分、營養(yǎng)成分等生長因子，使植物能夠正常生長并完成其整個(gè)生命周期[1]。由于土地耕種受天氣、季節(jié)和人力因素影響大，且近年來污染嚴(yán)重，土壤中存在的重金屬離子、細(xì)菌以及寄生蟲都可能通過土壤上種植的蔬菜進(jìn)入人體，危害人體健康。而水培能夠有效控制植物所需養(yǎng)分，滿足人們對植物蔬果新鮮、營養(yǎng)、健康、綠色以及環(huán)保的要求。

在水培植物種植過程中，水培植物的培養(yǎng)基需要運(yùn)輸至專用的水培植物培養(yǎng)區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一種植和管理，而現(xiàn)有的運(yùn)輸包括兩種方式：第一，通過人工運(yùn)輸，能夠?qū)⑺嘀参锱囵B(yǎng)基安全、有效和準(zhǔn)確地輸送至水培植物培養(yǎng)區(qū)，但人工運(yùn)輸增加了工作時(shí)間，降低了工作效率;第二，通過機(jī)械運(yùn)輸，但在運(yùn)輸過程中，由于存在水平方向和豎直方向上的運(yùn)輸，且培養(yǎng)基是與空氣連通的開放式結(jié)構(gòu)，因此，培養(yǎng)基容易受到顛簸致使培養(yǎng)基內(nèi)的營養(yǎng)液灑出，甚至?xí)古囵B(yǎng)基掉落破損，無法完好地將培養(yǎng)基輸送至水培植物培養(yǎng)區(qū)。為解決上述技術(shù)問題，本文提供一種水培植物輸送裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)水培植物的安全、準(zhǔn)確和有效地運(yùn)輸，節(jié)省工作時(shí)間，提高工作效率。

現(xiàn)有的水培裝置中，水培植物培養(yǎng)基需要運(yùn)輸至水培裝置區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一的生長與管控，但現(xiàn)有的水培裝置區(qū)中培養(yǎng)基的陳列擺放，能夠通過人力和機(jī)械運(yùn)輸，人力運(yùn)輸能夠確保培養(yǎng)基安全、準(zhǔn)確和穩(wěn)定地放置于水培裝置區(qū)內(nèi)，但人力輸送費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于提高工作效率。而機(jī)械運(yùn)輸時(shí)，培養(yǎng)基在從運(yùn)輸機(jī)械上轉(zhuǎn)移至水培裝置區(qū)時(shí)，培養(yǎng)基容易因顛簸偏移以至于與水培裝置的邊角發(fā)生碰撞，不但會影響培養(yǎng)基的安全性，還會影響后續(xù)的培養(yǎng)基輸送，有極大的安全隱患。為解決上述技術(shù)問題，本文提供一種水培裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)水培植物的安全、準(zhǔn)確和有效的運(yùn)輸，節(jié)省工作時(shí)間，提高工作效率。

2 裝置構(gòu)成

2.1 太陽能供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由太陽能電池組件和蓄電池組成。太陽能是一種潔凈的可再生的新能源，太陽能光伏發(fā)電具有無動部件、無噪聲、無污染、可靠性高等特點(diǎn)，為該裝置提供了動力。

太陽能電池組件是該裝置供電系統(tǒng)中的核心部分。太陽能組件將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，為整個(gè)裝置提供能源動力，并且將多余的電量存儲在蓄電池中[2]。

蓄電池在光照時(shí)可以將太陽能電池組件滿足裝置基本運(yùn)行后多余的電能儲存起來，在需要的時(shí)候?qū)㈦娔茚尫懦鰜砝^續(xù)提供能源動力。

2.2 培養(yǎng)區(qū)

由可滑動聯(lián)動滾輪結(jié)構(gòu)組成多層式培養(yǎng)區(qū)，包括培養(yǎng)基、照明裝置、噴霧裝置、循環(huán)裝置、各類檢測器。

培養(yǎng)基：在海綿塊中放入待種的種子，然后將海綿塊放入盛有營養(yǎng)液的培養(yǎng)基中。海綿通過浮力作用自動漂浮在水面上，這樣既保證了植物不會因水太多淹沒葉部而缺氧死亡，同時(shí)海綿的儲水也為植物水分供給提供了保障。

照明裝置：在每層的上端安裝有可調(diào)節(jié)光伏燈，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的波長調(diào)節(jié)適合植物生長的波長。

噴霧裝置：在培養(yǎng)架設(shè)有噴霧裝置，當(dāng)濕敏傳感器檢測到空氣中水分低于植物生長所需的濕度，通過主控單片機(jī)發(fā)送信號至噴霧裝置，對環(huán)境進(jìn)行加濕處理。

循環(huán)裝置：包括混合箱、彎管、回收循環(huán)箱?；旌舷湮挥谒嗉苌戏?，其連接裝有不同種元素的小模塊箱，控制系統(tǒng)控制開關(guān)閥門控制是否需要這種營養(yǎng)元素，以開關(guān)閥門開啟的時(shí)間長短控制營養(yǎng)液各種元素的含量。培養(yǎng)箱以彎管連接，將水分以及營養(yǎng)液輸送到培養(yǎng)基中，多余的營養(yǎng)液將流出，儲存在循環(huán)箱中，設(shè)定時(shí)間周期，循環(huán)裝置啟動，液體進(jìn)行循環(huán)利用。多余溶液流入回收循環(huán)箱。箱中裝有泵，可將營養(yǎng)液循環(huán)利用。循環(huán)箱中裝有溫度檢測以及控制器。

結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.3 輸送區(qū)

輸送機(jī)由履帶、電機(jī)、支架、萬向輪、可固定輪、可自動調(diào)節(jié)絲桿構(gòu)成。在傳送帶末端裝有感應(yīng)器，自動檢測層結(jié)構(gòu)，根據(jù)層高度絲桿可自動調(diào)節(jié)。人工將培養(yǎng)基放上工作區(qū)的履帶上，在履帶下設(shè)有壓敏感應(yīng)器，當(dāng)壓敏感應(yīng)器感應(yīng)到壓力之后，履帶自動輸送培養(yǎng)基至培養(yǎng)區(qū)，通過檢測層級可自動調(diào)節(jié)高度到任何層級進(jìn)行輸送。結(jié)構(gòu)如圖2所示：

2.4 中心控制系統(tǒng)

包括溫度控制、濕度控制、光照控制、pH值控制、生長周期控制以及營養(yǎng)液添加循環(huán)控制。

溫度控制分為環(huán)境溫度控制和營養(yǎng)液溫度控制，整個(gè)裝置位于溫室大棚內(nèi)。溫度傳感器觸頭以熱敏電阻制成。溫度控制模式采用自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中提供的植物適宜生長溫度。大棚內(nèi)溫度若高于最適溫度，啟動電機(jī)將塑料膜卷起，進(jìn)行通風(fēng)散熱，若低于最適溫度，啟動加熱裝置升高溫度。循環(huán)箱中溶液若溫度低于最適溫度，將啟用加熱裝置對營養(yǎng)液加熱進(jìn)行溫度提高，如溫度高于最適溫度則進(jìn)行冷卻。

濕度感應(yīng)器將輸出信號傳送至控制器內(nèi)，將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過公式可計(jì)算出濕度值。系統(tǒng)將測定的濕度值與設(shè)定的最適溫度值相比較，若濕度較低，系統(tǒng)控制開啟噴霧器進(jìn)行噴霧加濕，若適度過高，啟動電機(jī)將塑料膜卷起來，進(jìn)行通風(fēng)除濕。濕度控制模塊維持大棚內(nèi)濕度適宜，為植物生長提供適宜條件。

利用照度傳感器對光照進(jìn)行測量，將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后返回給主控制芯片，進(jìn)行自動化控制。照度傳感器對于可見光頻段光譜吸收后轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)電信號的大小對應(yīng)光照度的強(qiáng)弱。

該利用pH傳感器檢測營養(yǎng)液pH值，自動化控制調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH值。pH傳感器通過檢測營養(yǎng)液中氫離子濃度，將化學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，電信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過公式計(jì)算pH值。根據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫中植物最適生長pH值，對營養(yǎng)液pH值進(jìn)行控制。若溶液pH高于正常生長pH值，則加入磷酸、硫酸鋁、硫酸亞鐵等酸性物質(zhì)進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，若溶液pH低于正常生長pH值碳酸氫銨等堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)pH值。

查找植物生長周期的相關(guān)資料，將植物生長的相關(guān)信息錄入主控制系統(tǒng)單片機(jī)，單片機(jī)中有時(shí)鐘模塊，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行不同生長期的環(huán)境調(diào)整。

根據(jù)現(xiàn)有的資料文獻(xiàn)查找待種植物不同生長階段所需的營養(yǎng)成分及其濃度，預(yù)先在實(shí)驗(yàn)室配制營養(yǎng)液，根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)定的周期控制，定時(shí)定量添加到循環(huán)液中，整個(gè)營養(yǎng)液循環(huán)利用。

2.5 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫包括原始數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。原始數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)查閱資料得到不同植物的生長參數(shù)，包括溫度、濕度、pH值、光照、所需營養(yǎng)成分、生長周期等，錄入系統(tǒng)中，進(jìn)行相關(guān)控制操作。

根據(jù)原始數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行蔬菜種植，對蔬菜生長數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，反饋給云端數(shù)據(jù)庫，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行市場分析調(diào)研，對蔬菜的口感、營養(yǎng)成分以及經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)改進(jìn)系統(tǒng)，提升蔬菜品質(zhì)，同時(shí)也為蔬菜新品種研發(fā)提供可能。通過STM32單片機(jī)收集相關(guān)數(shù)據(jù)（光照強(qiáng)度、溫度、濕度、pH值），主控STM32單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?1單片機(jī)，使用51單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊D存儲卡中，將SD卡中的數(shù)據(jù)上傳至MySQL，建立數(shù)據(jù)庫。

3 優(yōu)勢

3.1 成本優(yōu)勢

裝置結(jié)構(gòu)簡單，所用到的元器件成本較低，具有價(jià)格優(yōu)勢。該裝置占地面積小，安裝與操作操作便捷，減少了一定的人工成本。

3.2 節(jié)能環(huán)保

利用太陽能供電，降低了電能消耗。該裝置進(jìn)行水資源循環(huán)利用，有效解決了水的供給問題。

3.3 應(yīng)用范圍廣泛

基于太陽能發(fā)電的一體化智能水培裝置是一種集自適應(yīng)培養(yǎng)與實(shí)時(shí)監(jiān)控功能于一體的植物水培裝置。該裝置既可以運(yùn)用于蔬菜的大批量培養(yǎng)種植，也可用于部分水生植物的培養(yǎng)，既可以運(yùn)用于當(dāng)季和當(dāng)?shù)氐氖卟伺囵B(yǎng)，也可以運(yùn)用于不同季節(jié)和不同地區(qū)的蔬菜培養(yǎng)，應(yīng)用范圍廣，應(yīng)用情形靈活。

3.4 智能化控制

在產(chǎn)業(yè)化的智能農(nóng)場中應(yīng)用此裝置以及所配帶的操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，應(yīng)用了一體化智能水培技術(shù)，建設(shè)節(jié)水節(jié)地節(jié)電型智能農(nóng)場。本裝置的識別模塊可以隨時(shí)檢測蔬果生長狀況，即時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送植物生長的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)搭建了互聯(lián)網(wǎng)平臺，24小時(shí)實(shí)時(shí)反饋植物生長情況。

參考文獻(xiàn)：

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