辦公室智能立體種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董 微，李秀剛，蘭立波，馬 鐵，周增產(chǎn)，李寶安

(1.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094； 2.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京 100096；3.北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

0 引言

立體無(wú)土栽培以人工創(chuàng)造的作物根系環(huán)境取代了土壤環(huán)境，可以有效解決傳統(tǒng)土壤栽培中難以解決的水分、空氣和養(yǎng)分供應(yīng)的矛盾，使作物根系處于最適宜的環(huán)境條件下，從而充分發(fā)揮作物的增產(chǎn)潛力，達(dá)到提高單位面積產(chǎn)量、提早或延后蔬菜供應(yīng)期、增加生產(chǎn)茬次和培育壯苗的目的，利于自動(dòng)化、工廠化生產(chǎn)[1-4]。

目前，關(guān)于工廠化立體種植裝置的報(bào)道比較多，但適用于辦公場(chǎng)所的立體種植系統(tǒng)鮮有相關(guān)報(bào)道[5-10]。本文以北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司與北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司共建的辦公室智能立體種植系統(tǒng)項(xiàng)目作為實(shí)例，闡述辦公室智能立體種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)組成

辦公室智能立體種植系統(tǒng)由栽培系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)組成(圖1)。辦公室智能立體種植系統(tǒng)是一種智能微生態(tài)系統(tǒng)，可以對(duì)光照、營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行智能調(diào)控，該系統(tǒng)配置了4G通訊模塊和攝像頭，可進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。

1.頂層栽培架 2.攝像頭 3.熒光燈 4.栽培槽定植板 5.栽培槽 6.營(yíng)養(yǎng)液箱 7.腳輪圖1 辦公室智能立體種植系統(tǒng)側(cè)面示意Fig.1 Side diagram of office intelligent stereoscopic planting system

2 栽培系統(tǒng)

栽培系統(tǒng)由栽培架、栽培槽、栽培定植板和熒光燈組成，共有4層栽培槽，每層栽培槽的上方安裝了兩支熒光燈，燈管長(zhǎng)度600 mm，直徑為T5，可為栽培區(qū)域內(nèi)的植物補(bǔ)光。栽培槽上方安裝栽培槽定植板，可防止?fàn)I養(yǎng)液循環(huán)時(shí)濺出及營(yíng)養(yǎng)液暴露于燈光下變質(zhì)。栽培架底部安裝帶鎖萬(wàn)向腳輪，可輕松將種植系統(tǒng)移放至辦公室內(nèi)任意地點(diǎn)。栽培架及栽培槽的材質(zhì)為不銹鋼，栽培槽定植板的材質(zhì)為PVC。

3 營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)由營(yíng)養(yǎng)液箱、營(yíng)養(yǎng)液消毒器、供液管路、供液閥門、回液插芯和回液管路等組成(圖2)。營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)采用多層集中定時(shí)供液，各層獨(dú)立控制流量的營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)方式。營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)的供液管路安裝于左側(cè)栽培架內(nèi)，回液管路安裝于右側(cè)栽培架內(nèi)。營(yíng)養(yǎng)液箱安裝于4層栽培槽的下方，營(yíng)養(yǎng)液箱外側(cè)安裝拉手，便于營(yíng)養(yǎng)液箱的拉取。在營(yíng)養(yǎng)液箱內(nèi)配好營(yíng)養(yǎng)液后，可通過(guò)智能控制系統(tǒng)定時(shí)與栽培區(qū)各層栽培槽內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)，以達(dá)到營(yíng)養(yǎng)液消毒及營(yíng)養(yǎng)均衡供應(yīng)的目的。

1.供液閥門 2.回液插芯 3.回液管路 4.營(yíng)養(yǎng)液箱 5.供液管路圖2 營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)Fig.2 Nutrient solution circulation system

在循環(huán)過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)營(yíng)養(yǎng)液消毒器、供液管路給各層栽培槽提供新鮮潔凈的營(yíng)養(yǎng)液，各層栽培槽內(nèi)原有的營(yíng)養(yǎng)液則可通過(guò)回液管路回流到營(yíng)養(yǎng)液箱內(nèi)進(jìn)行加營(yíng)養(yǎng)、增氧氣和消毒處理，以備下一次循環(huán)使用。另外，各層栽培槽內(nèi)還設(shè)置了供液閥門和回液插芯，可有效控制各層栽培槽營(yíng)養(yǎng)液的供液速度和液面高度。

4 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)由EC傳感器、pH值傳感器、液位傳感器、控制器執(zhí)行器、4G通訊模塊和攝像頭等組成。在辦公室智能立體種植系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)智能控制系統(tǒng)可以為作物提供適宜光照、合理比例的營(yíng)養(yǎng)液(圖3)。通過(guò)4G通訊模塊和攝像頭，操作者可通過(guò)智能控制系統(tǒng)手機(jī)APP，觀察栽植植物的生長(zhǎng)情況，遠(yuǎn)程調(diào)控人工光補(bǔ)光、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)等操作的執(zhí)行。智能控制系統(tǒng)中的EC、pH值和液位傳感器用于檢測(cè)營(yíng)養(yǎng)液中可溶性鹽的濃度、酸堿度及營(yíng)養(yǎng)液容積，為營(yíng)養(yǎng)液配置提供必要參數(shù)依據(jù)。

圖3 手機(jī)APP控制界面Fig.3 APP control interface

5 應(yīng)用情況

辦公室智能立體種植系統(tǒng)于2020年投入使用，目前使用狀況良好(圖4)。據(jù)測(cè)試，辦公室智能立體種植系統(tǒng)光強(qiáng)可達(dá)11 094 Lx，滿足蔬菜生長(zhǎng)需要；營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)可進(jìn)行定時(shí)循環(huán)，滿足種植蔬菜不同生長(zhǎng)時(shí)期的需求。

圖4 辦公室智能立體種植系統(tǒng)樣機(jī)Fig.4 Office intelligent stereoscopic planting system

辦公室智能立體種植系統(tǒng)不僅在辦公空間里增加了勃勃生機(jī)，使辦公空間充滿了活力，而且還美化了辦公環(huán)境，使人們身心愉悅，進(jìn)而提高工作效率。它將室外的環(huán)境搬入到室內(nèi)之中，讓大自然的氣息充斥其中。人們?cè)诠ぷ髦鄬?duì)這些植物的呵護(hù)不僅促進(jìn)了員工的心理健康，舒緩工作壓力，而且訪客來(lái)此也會(huì)被賞心悅目的綠色感染。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用了智能化與種植裝置相結(jié)合的方式，利用辦公室空間特點(diǎn)，量身定制辦公室智能立體種植系統(tǒng)，將人與自然的良好關(guān)系延伸到辦公空間中。辦公室智能立體種植系統(tǒng)是一種智能微生態(tài)系統(tǒng)，可以對(duì)光照、營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行智能調(diào)控。辦公室智能立體種植系統(tǒng)不僅美化了辦公環(huán)境，吸收辦公環(huán)境中的CO2，放出O2，而且還可以提供安全、衛(wèi)生和綠色的蔬菜。