家用全自動蔬菜種植機開發與應用設計

汪蕾 華志紅

（無錫職業技術學院 江蘇無錫 214000）

家用全自動蔬菜種植機開發與應用設計

汪蕾 華志紅

（無錫職業技術學院 江蘇無錫 214000）

本論文開發設計了家用全自動蔬菜種植機（專利號：201320561823.2、專利號：201420030982.4），包括栽培結構系統、營養液循環系統、LED光照系統、智能控制系統等，其中重點描述了營養液控制系統的設計與性能分析。經過長達一年的種植應用試驗，該機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種植健康蔬菜的需求。

家用全自動蔬菜種植機；營養液循環系統；無土栽培；LED人工光照；智能家電

1 引言

目前，食品安全成為人們日益擔憂的問題；現代文明及城市建設，更讓人們漸漸失去了接觸自然環境與植物成長的機會，生活里少了生機與朝氣。

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，它是以工業產品設計理念為參照，選用工業材質和工業控制技術，使得機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智能家電技術與生態農業技術的結合，選用通用材質和通用控制技術，大大降低了產品成本，使得產品具有更多的市場價值。

2 栽培結構系統的設計

家庭蔬菜種植，主要受到家庭環境、家庭空間和使用面積的限制，為了充分利用蔬菜種植空間，本機器采用層架式設計，以擴大種植面積，提高種植效率。栽培結構系統是蔬菜機的主要部件，見圖1。

中國幅員遼闊，南北氣候差別大，每個家庭的室內環境各不相同，為了不影響不同地區的家庭都能種植蔬菜，本機器采用封閉式箱體結構，全程溫度控制，以適應寒冷的北方及炎熱的南方地區，實現全天候種植。

蔬菜的生長，需要合適的環境要素，包括光、溫、水、肥、氣等，本機采用封閉空間設計，利用溫控室內壓縮機和電磁閥進行溫度控制，不同的蔬菜，所需溫度不同，用戶可以根據蔬菜的生長習性，自由設定空間內的溫度。蔬菜生長需要空氣，所以栽培箱體內設計有風道，可在實現箱體溫控的同時，定期更換箱體內的空氣，滿足蔬菜的生長需求[1]。溫控室結構設計見圖2。

當機器降溫控制時，壓縮機和軸流風機啟動，蒸發器處于制冷狀態，空氣流經蒸發器降溫，變成冷風，在軸流風扇的作用下，冷空氣經過風道口進入風道，通過風道出風口對栽培層和最底層營養液箱進行降溫。

當機器升溫控制時，壓縮機、四通閥和軸流風機啟動，蒸發器處于制熱狀態，空氣流經蒸發器升溫，變成熱風，再經過風道口進入風道，通過風道出風口對栽培層和底層營養液箱進行升溫。

圖1 蔬菜機總體框架圖

圖2 溫控室結構布局圖

3 營養液控制系統的設計與性能分析

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

為保證蔬菜機的種植產量，本機設計為多層架結構，每一個層架都可以種植蔬菜，以達到種植空間的最大化利用。給每一個層架合理地輸送營養液，讓蔬菜能夠獲得健康生長所必須的養分和氧氣，達到預期種植效果，成為本機器能否成功的關鍵。營養液控制系統的設計與控制性能試驗，分以下三個步驟進行。

3.1 營養液輸送方式的設計與試驗

營養液輸送方式有多種不同的模式，最常用的有并聯循環方式、串聯回流方式及固定配液方式三種。并聯循環方式就是通過抽吸水泵，把營養液箱內的營養液抽出來，對各層架的栽培槽進行并排式同時供液，并通過同一根回液管道統一回流，進入營養液箱，經過濾后繼續循環，如圖3所示。

串聯回流方式就是通過抽吸泵，把營養液箱內的營養液抽到最上面的栽培槽，進行單層式供液，上層供液達到指定液位后，就自動流到下面一層，如此往復，最后流回營養液箱，經過濾后繼續循環，如圖4所示。

固定配液方式就是將所有栽培槽內的營養液一次性全部配好，不做循環流動，為了保證對蔬菜根系的供養，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，進行定植后30天的種植試驗，結果如表1。

從試驗結果可以看出，采用并聯循環方式的機器蔬菜生產情況最好，串聯回流方式次之，固定配液方式產量最低。

在做營養液輸送系統定型設計時，需要考慮成本、裝配、維修、運輸等多方面的因素，三種不同方式的優缺點對比如表2。

結論：考慮到結構的簡潔、裝配及維修的便利、水流噪音及成本等因素，兼顧蔬菜產量，參考試驗數據，本機設計采用串聯回流式方案。

3.2 營養液循環周期的設計與試驗

營養液的輸送循環時間，也就是水泵工作的時間，直接影響到營養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，營養液如果能保持24小時的循環流動，蔬菜的生長效果會最好[3]。但考慮到節水（流動的營養液蒸發量大，水量消耗多）、節能以及水泵壽命的局限，考慮間歇式循環輸送方式。

根據栽培槽的容積，以每次循環可以將所有栽培槽內的營養液全部更換一遍為原則，選取小功率靜音水泵，本機設計10分鐘可完成一次營養液的完全更換。

以下使用營養液串聯回流輸送模式，設置不同的循環周期，進行試驗。以各100顆非洲冰花為例，進行50天的育苗及定植試驗，結果如表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，對營養液中的溶氧要求比較高，與常規的生菜相比，冰花屬于高需氧品種。

結論：考慮到機器的節能與水泵壽命，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，參考試驗數據，本機營養液循環周期設計為10分鐘開，15分鐘停模式。

3.3 營養液溫控范圍的設計與試驗

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，所以營養液的溫度控制，成為營養液控制系統中的重要部分[5]。

自然界中的植物，扎根于大地，由于大地具有自動溫度調節功能，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。

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

從試驗結果可以看出，營養液溫度在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，但后期出現卷邊現象。溫度在30度時，蔬菜生長不正常，出現黃葉、枯邊及生長緩慢現象。考慮到節能和效率，結合蔬菜生長情況，本機營養液溫度控制在20℃。

圖3 營養液并聯輸送示意圖

圖4 營養液串聯回流示意圖

圖5 LED電路示意圖

4 LED光照系統的設計

蔬菜的生長離不開光照，研究資料表明[2]，蔬菜對420～720nm范圍內的光線比較敏感，對其他的光線幾乎不吸收。經過試驗，蔬菜生長對460nm的藍光波段和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，藍光波段，促進蔬菜葉綠素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，促進根系生長；

600～720nm，促進蔬菜葉綠素A的合成，增強蔬菜的新陳代謝。

本機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。

為加強光照強度，采用多級LED并聯應用方式。經過反復的燈芯組合試驗，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=5∶2∶3，集成封裝后，燈珠發出柔和的暖白光，避免了植物工廠中使用紅藍光對人眼和室內造成的視覺沖擊和光污染。

圖6 智能控制系統結構框圖

表1 30天的種植試驗數據

表2 三種不同方式的優缺點對比

表3 50天育苗及定植試驗數據

表4 意大利生菜30天種植試驗數據

5 智能控制系統設計

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

傳感器采集機器內部不同的環境參數，經放大濾波后進行模數轉換，經過CPU（中央處理器）的運算與處理，輸出控制信號，驅動溫控器件和其他生長環境要素控制器件，使得蔬菜在機器中能夠健康成長[1]。

考慮到上述全功能機器的構造及控制的復雜性，從降低成本、提高機器可靠性和實用性的角度出發，結合蔬菜對環境的廣譜適應性特征，可以省去CO2、PH、EC、濕度、照度等控制環節，利用多次反復試驗總結出來的經驗系數，將光照強度、營養液濃度、溶氧濃度、濕度等復雜參數標準化，保留溫度控制系統，充分利用家庭室內環境潔凈、通風、無突變的有利條件，大幅度降低機器的成本，提高實用性和可靠性。

6 結論

綜上所述，本機通過多次試驗，設計出了完善的營養液控制系統，與其他系統相配合，組成了全自動蔬菜栽培機，經過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品，本文研究對象能耗低、成本低。經過長達一年時間的試驗，本機器產出的蔬菜無農藥、無重金屬、無有毒化學物質殘留，無亞硝酸鹽。平均每臺機器每月產出綠色蔬菜（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. 植物工廠系統與實踐[M].北京：化學工業出版社，2012

[2] 崔瑾，徐志剛，邸秀茹. LED在植物設施栽培中的應用和前景[期刊論文].農業工程學報，2008

[3] 劉文科，楊其長. MFT系統進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. 水耕栽培營養液循環控制系統的設計與控制性能分析[期刊論文].北京農機化研究，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