一種蜂窩型智能水培種植柜設(shè)計*

戎炯欣，李煒鏗，李大潮，曾祥蘋

(廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925)

0 引言

環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，農(nóng)藥在蔬菜生產(chǎn)中的濫用現(xiàn)象也比較普遍，多數(shù)家庭不放心市面上所出售的蔬菜，想自己種植卻沒有場地，更沒有時間管理。通過蔬菜種植柜種植蔬菜，不僅可以有效地減少病蟲害發(fā)生，減少農(nóng)藥施用量，還可以在不適合蔬菜種植的地方和季節(jié)種植出鮮嫩可口的蔬菜，滿足家庭日常所需。因此，設(shè)計一款可以放在室內(nèi)或陽臺上無需打理且種植周期短的智能室內(nèi)種菜裝置非常有必要。本文設(shè)計的蔬菜種植柜利用其蜂窩型結(jié)構(gòu)特點，可充分利用家庭較小的空間面積快速種植每日所需蔬菜，生長周期短，隨吃隨摘，同時可凈化室內(nèi)空氣、裝飾室內(nèi)環(huán)境，健康環(huán)保美觀。

1 蜂窩型種植柜外觀結(jié)構(gòu)及功能

1.1 種植柜外觀設(shè)計

本種植柜外形結(jié)構(gòu)是由若干個邊框為正六邊形的種植框疊加而成，形狀類似于蜂窩，故稱為“蜂窩型種植柜”，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該蜂窩型結(jié)構(gòu)設(shè)計充分利用了正六邊形具有無縫隙重合的穩(wěn)固特性，可將若干個種植框進(jìn)行自由組合疊加并豎立垂直放置，與傳統(tǒng)整體式方形種植柜相比，疊加式結(jié)構(gòu)在一定程度上可節(jié)約種植空間。此外，一般的家庭用品只會占用家庭空間的下半部分，而墻體的上半部分空間卻很少得到利用，而本文設(shè)計的蜂窩型種植柜因其獨(dú)特的外形結(jié)構(gòu)與輕便的設(shè)計可進(jìn)行掛墻式放置(如圖2所示)，從而有效解決了家庭中上半部分空間不被利用的問題。同時，其形狀可根據(jù)需求進(jìn)行自由組合疊加，對室內(nèi)環(huán)境也起到了裝飾美化的作用。

圖1 蜂窩型種植柜外觀結(jié)構(gòu) 圖2 蜂窩型種植柜掛墻式放置

1.2 種植柜尺寸設(shè)計

本文針對種植柜的不同用途分別設(shè)計了兩種尺寸。

(1)室內(nèi)掛壁種植裝飾類尺寸，如圖3所示。

圖3 室內(nèi)掛壁種植裝飾類尺寸

(2)室內(nèi)蔬菜種植類尺寸，如圖4所示。

圖4 室內(nèi)蔬菜種植類尺寸

1.3 種植柜功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

蜂窩型智能水培種植柜由蜂窩型柜體、供水系統(tǒng)(水箱)、種植區(qū)和控制系統(tǒng)四部分組成，如圖5所示。

圖5 單個種植框結(jié)構(gòu)

1.3.1 供水系統(tǒng)設(shè)計

因采用無土栽培技術(shù)進(jìn)行種植，故在蔬菜種植區(qū)底部裝設(shè)水箱，利用水泵將調(diào)配有營養(yǎng)液的水循環(huán)供應(yīng)到種植區(qū)；當(dāng)多個種植框進(jìn)行疊加時，水箱是由總供水系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一循環(huán)供水，各種植框接觸面上設(shè)有輸水閥門可巧妙利用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計相通，從而使輸水系統(tǒng)形成一個整體。

1.3.2 種植區(qū)設(shè)計

該種植柜的栽培基質(zhì)使用近年來興起的一種新型栽培基質(zhì)——種植海綿，其是由高分子發(fā)泡材料與一定比例的有機(jī)質(zhì)或無機(jī)質(zhì)混合發(fā)泡而成，其種植優(yōu)勢在于：

(1)疏松透氣，排水性能良好，又可維持植物生長所需的水氣比。

(2)不滋生蚊蟲，清潔衛(wèi)生，無毒無異味，不含危害人體病菌。

(3)保水保肥性能好，可減少灌溉和施肥的次數(shù)。

(4)質(zhì)量輕便，外形美觀且可塑性強(qiáng)。

2 種植柜控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為將種植框內(nèi)生長環(huán)境自動調(diào)節(jié)至蔬菜最適宜生長狀態(tài)，種植框內(nèi)配有自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為主控制器，配合溫濕度檢測控制模塊、二氧化碳檢測控制模塊和光照強(qiáng)度控制模塊協(xié)調(diào)工作，根據(jù)蔬菜種類實時調(diào)節(jié)室內(nèi)生長環(huán)境；另在種植柜上配有LCD顯示屏，可隨時監(jiān)測種植柜內(nèi)蔬菜的生長環(huán)境(如溫濕度、CO2濃度及成熟度等)；整個系統(tǒng)控制采用WiFi手機(jī)遠(yuǎn)程操控，即在手機(jī)APP上直接操作，方便快捷。該控制系統(tǒng)部分控制電路如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)部分控制電路

2.1.1 溫濕度檢測控制模塊

使用溫度傳感器檢測柜體內(nèi)的溫度情況，當(dāng)溫度低于一定下限時由單片機(jī)接收并發(fā)出指令，通過繼電器使溫控?zé)艄ぷ饕栽黾庸耋w內(nèi)的溫度；當(dāng)檢測到溫度高于一定上限時，單片機(jī)會發(fā)出指令，通過繼電器使風(fēng)扇工作，通過加快設(shè)備內(nèi)空氣流動的方式來降低柜體內(nèi)的溫度；當(dāng)溫度達(dá)到正常值時，單片機(jī)給出指令使風(fēng)扇停止運(yùn)行。邊框內(nèi)板與海綿接觸面裝有濕度傳感器，當(dāng)海綿的水分低于正常值時，將會自動打開水閥，利用水的重力特性從兩側(cè)的輸水回路向海綿供水，當(dāng)濕度到達(dá)一定值后自動關(guān)閉水閥。

2.1.2 二氧化碳檢測控制模塊

采用二氧化碳傳感器實時檢測周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，并經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)二氧化碳高于上限值時，單片機(jī)會發(fā)出指令，通過繼電器使風(fēng)扇工作，加快設(shè)備內(nèi)空氣流動以降低二氧化碳濃度；當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到設(shè)置值時風(fēng)扇自動關(guān)閉。

2.1.3 光照強(qiáng)度控制模塊

在正六邊形種植框最上方的板塊位置裝設(shè)有LED植物生長燈，由于框內(nèi)蔬菜的尾部垂向中心，種植面域呈半圓形，使用一組植物生長燈就能提供均勻且充足的光照，能有效地解決室內(nèi)種植光照系統(tǒng)的大功率耗電問題。設(shè)備內(nèi)光譜燈增設(shè)定時器并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)模塊實現(xiàn)定時控制，即根據(jù)不同蔬菜對光照時長的具體需求在手機(jī)APP上進(jìn)行控制。

2.1.4 WiFi手機(jī)遠(yuǎn)程操控模塊

WiFi手機(jī)遠(yuǎn)程操控模塊如圖7所示，WiFi模塊采用智能家居物聯(lián)網(wǎng)模塊芯片。在設(shè)計電路中，直接并聯(lián)在各個模塊的供電端，手機(jī)下載相應(yīng)的APP，通過WiFi進(jìn)行配對，實現(xiàn)對種植柜啟停、手動/自動模式切換、光照時長參數(shù)設(shè)置等項目的控制。

1-Micro USB 5.0 V供電；2-按鍵：短按開啟/關(guān)閉繼電器，長按5 s以上切換配對模式(Touch配對模式/兼容AP配對模式)；3-自鎖指示燈(綠燈)；4-繼電器閉合指示燈(紅燈)

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制程序設(shè)計流程如圖8所示。當(dāng)種植柜的電源開啟時，傳感器接收環(huán)境范圍內(nèi)的參數(shù)，最終提交給檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)通過已經(jīng)編排好的程序代碼判斷種植區(qū)域的濕度值是否處于設(shè)定區(qū)間，如果濕度低于正常值將啟動水循環(huán)程序一次，再重回檢測系統(tǒng)進(jìn)行濕度檢測；如果濕度在設(shè)定區(qū)間，判斷溫度是否高于植物種植的適應(yīng)溫度，當(dāng)環(huán)境處于高溫狀態(tài)時將啟動排氣扇同時調(diào)節(jié)溫控?zé)綦娮瑁捎诃h(huán)境溫度升高，水分有所蒸發(fā)，此時將再次判斷濕度以確保是否應(yīng)進(jìn)行第二次供水；如果內(nèi)部環(huán)境(溫濕度、CO2濃度等)滿足所有設(shè)定值時，程序結(jié)束。

圖8 控制程序流程

圖9為室內(nèi)掛壁種植裝飾類種植柜的單個種植框?qū)嵨锬Ｐ汀Ｔ摦a(chǎn)品可用手機(jī)APP或遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖9 掛壁種植裝飾類種植柜實物模型

3 結(jié)語

本文所設(shè)計的種植柜有效地解決了傳統(tǒng)種植柜在空間利用上的不足，充分利用了不易被利用的空間，便于管理的同時也改善了種植柜的外形設(shè)計，大大提高了整體的美觀性及實用性；蜂窩型種植柜利用其自由組合疊加的特點可滿足用戶不同的規(guī)格需求。操作系統(tǒng)簡單易用且具有多種控制模式，其中多個智能模塊的設(shè)計提供了種植柜的全自動種植與智能化控制。