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代化農業的一體化水培裝置。該裝置包含太陽能供電系統、培養區、輸送區、中心控制系統組成，體現了節能環保、綠色健康以及農業智能化的優點。

關鍵詞： 水培裝置;太陽能;農業智能化

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

在中國的飲食結構中，人們對蔬果類食物的需求量巨大。在現代科技高速發展的21世紀，人們關心的問題從能否飽腹轉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。

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

在水培植物種植過程中，水培植物的培養基需要運輸至專用的水培植物培養區進行統一種植和管理，而現有的運輸包括兩種方式：第一，通過人工運輸，能夠將水培植物培養基安全、有效和準確地輸送至水培植物培養區，但人工運輸增加了工作時間，降低了工作效率;第二，通過機械運輸，但在運輸過程中，由于存在水平方向和豎直方向上的運輸，且培養基是與空氣連通的開放式結構，因此，培養基容易受到顛簸致使培養基內的營養液灑出，甚至會使培養基掉落破損，無法完好地將培養基輸送至水培植物培養區。為解決上述技術問題，本文提供一種水培植物輸送裝置，能夠實現水培植物的安全、準確和有效地運輸，節省工作時間，提高工作效率。

現有的水培裝置中，水培植物培養基需要運輸至水培裝置區進行統一的生長與管控，但現有的水培裝置區中培養基的陳列擺放，能夠通過人力和機械運輸，人力運輸能夠確保培養基安全、準確和穩定地放置于水培裝置區內，但人力輸送費時費力，不利于提高工作效率。而機械運輸時，培養基在從運輸機械上轉移至水培裝置區時，培養基容易因顛簸偏移以至于與水培裝置的邊角發生碰撞，不但會影響培養基的安全性，還會影響后續的培養基輸送，有極大的安全隱患。為解決上述技術問題，本文提供一種水培裝置，能夠實現水培植物的安全、準確和有效的運輸，節省工作時間，提高工作效率。

2 裝置構成

2.1 太陽能供電系統

供電系統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，太陽能光伏發電具有無動部件、無噪聲、無污染、可靠性高等特點，為該裝置提供了動力。

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

蓄電池在光照時可以將太陽能電池組件滿足裝置基本運行后多余的電能儲存起來，在需要的時候將電能釋放出來繼續提供能源動力。

2.2 培養區

由可滑動聯動滾輪結構組成多層式培養區，包括培養基、照明裝置、噴霧裝置、循環裝置、各類檢測器。

培養基：在海綿塊中放入待種的種子，然后將海綿塊放入盛有營養液的培養基中。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節光伏燈，根據預先設定的波長調節適合植物生長的波長。

噴霧裝置：在培養架設有噴霧裝置，當濕敏傳感器檢測到空氣中水分低于植物生長所需的濕度，通過主控單片機發送信號至噴霧裝置，對環境進行加濕處理。

循環裝置：包括混合箱、彎管、回收循環箱。混合箱位于水培架上方，其連接裝有不同種元素的小模塊箱，控制系統控制開關閥門控制是否需要這種營養元素，以開關閥門開啟的時間長短控制營養液各種元素的含量。培養箱以彎管連接，將水分以及營養液輸送到培養基中，多余的營養液將流出，儲存在循環箱中，設定時間周期，循環裝置啟動，液體進行循環利用。多余溶液流入回收循環箱。箱中裝有泵，可將營養液循環利用。循環箱中裝有溫度檢測以及控制器。

結構如圖1所示：

2.3 輸送區

輸送機由履帶、電機、支架、萬向輪、可固定輪、可自動調節絲桿構成。在傳送帶末端裝有感應器，自動檢測層結構，根據層高度絲桿可自動調節。人工將培養基放上工作區的履帶上，在履帶下設有壓敏感應器，當壓敏感應器感應到壓力之后，履帶自動輸送培養基至培養區，通過檢測層級可自動調節高度到任何層級進行輸送。結構如圖2所示：

2.4 中心控制系統

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液添加循環控制。

溫度控制分為環境溫度控制和營養液溫度控制，整個裝置位于溫室大棚內。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節，系統根據數據庫中提供的植物適宜生長溫度。大棚內溫度若高于最適溫度，啟動電機將塑料膜卷起，進行通風散熱，若低于最適溫度，啟動加熱裝置升高溫度。循環箱中溶液若溫度低于最適溫度，將啟用加熱裝置對營養液加熱進行溫度提高，如溫度高于最適溫度則進行冷卻。

濕度感應器將輸出信號傳送至控制器內，將電信號轉化為數字信號，通過公式可計算出濕度值。系統將測定的濕度值與設定的最適溫度值相比較，若濕度較低，系統控制開啟噴霧器進行噴霧加濕，若適度過高，啟動電機將塑料膜卷起來，進行通風除濕。濕度控制模塊維持大棚內濕度適宜，為植物生長提供適宜條件。

利用照度傳感器對光照進行測量，將測得的數據進行處理后返回給主控制芯片，進行自動化控制。照度傳感器對于可見光頻段光譜吸收后轉換成電信號，根據電信號的大小對應光照度的強弱。

該利用pH傳感器檢測營養液pH值，自動化控制調節營養液pH值。pH傳感器通過檢測營養液中氫離子濃度，將化學信號轉換為電信號輸出，電信號經過處理轉化為數字信號，再通過公式計算pH值。根據建立的數據庫中植物最適生長pH值，對營養液pH值進行控制。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進行pH調節，若溶液pH低于正常生長pH值碳酸氫銨等堿性物質調節pH值。

查找植物生長周期的相關資料，將植物生長的相關信息錄入主控制系統單片機，單片機中有時鐘模塊，系統根據設定的時間進行不同生長期的環境調整。

根據現有的資料文獻查找待種植物不同生長階段所需的營養成分及其濃度，預先在實驗室配制營養液，根據數據庫設定的周期控制，定時定量添加到循環液中，整個營養液循環利用。

2.5 數據庫

數據庫包括原始數據庫和實時監測數據庫。原始數據庫通過網絡查閱資料得到不同植物的生長參數，包括溫度、濕度、pH值、光照、所需營養成分、生長周期等，錄入系統中，進行相關控制操作。

根據原始數據庫的相關數據調節各項參數進行蔬菜種植，對蔬菜生長數據進行實時記錄，反饋給云端數據庫，然后對數據進行分析，進行市場分析調研，對蔬菜的口感、營養成分以及經濟等方面進行改進。同時改進系統，提升蔬菜品質，同時也為蔬菜新品種研發提供可能。通過STM32單片機收集相關數據（光照強度、溫度、濕度、pH值），主控STM32單片機通過串口將數據傳輸到51單片機，使用51單片機將數據傳輸到SD存儲卡中，將SD卡中的數據上傳至MySQL，建立數據庫。

3 優勢

3.1 成本優勢

裝置結構簡單，所用到的元器件成本較低，具有價格優勢。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 節能環保

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

3.3 應用范圍廣泛

基于太陽能發電的一體化智能水培裝置是一種集自適應培養與實時監控功能于一體的植物水培裝置。該裝置既可以運用于蔬菜的大批量培養種植，也可用于部分水生植物的培養，既可以運用于當季和當地的蔬菜培養，也可以運用于不同季節和不同地區的蔬菜培養，應用范圍廣，應用情形靈活。

3.4 智能化控制

在產業化的智能農場中應用此裝置以及所配帶的操作系統，可以實現大規模生產，應用了一體化智能水培技術，建設節水節地節電型智能農場。本裝置的識別模塊可以隨時檢測蔬果生長狀況，即時向系統發送植物生長的相關數據。同時搭建了互聯網平臺，24小時實時反饋植物生長情況。

參考文獻：

[1]趙琴娃.家養花卉的無土水培技術[J].農業工程技術，2019，39（32）：51-52.

[2]郗選金.太陽能電源的應用及發展前景[J].通信電源技術，2007（06）：96-97.