家庭智慧菜園的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王志冉，王浚峰，3，周增產(chǎn)，3，馬 鐵，姚 濤，蘭立波

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

設(shè)施農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)邁向更高臺階的一種重要表現(xiàn)形式，現(xiàn)今全球隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和荷蘭模式的不斷推廣，越來越多的設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備進(jìn)入大眾的視野，從小型的家庭園藝擺件到公共場所可見到的各種便利性的和觀賞性的設(shè)施園藝設(shè)備，無一不屬于這一領(lǐng)域［1-3］。在人們越發(fā)關(guān)心食品安全的時(shí)代，更加健康、安全和環(huán)保的植物種植模式也越來越受到大眾的關(guān)注［4］。

植物工廠（Plant factory）的概念最早是由日本提出來的。1957年世界上第一家植物工廠誕生在丹麥，1974年日本等國也逐步發(fā)展起來［5，6］。2009年9月7日，國內(nèi)第一例以智能控制為核心的植物工廠研發(fā)成功，并在長春農(nóng)博園投入運(yùn)行，該植物工廠是國內(nèi)首個(gè)科學(xué)研究型的植物工廠［7］。2016年6月，中國科學(xué)院植物研究所和福建三安集團(tuán)合資成立的福建省中科生物股份有限公司（中科三安）在福建泉州建成了世界上單體面積最大（10 000 m2）的全人工光型植物工廠［8］。近些年，植物工廠的模式逐漸走進(jìn)日常生活中［9，10］，以色列人Osnat Michaeli，Erez Galonska及Guy Galonska 2013年在德國創(chuàng)辦的Infarm將蔬菜種植柜進(jìn)行了大規(guī)模的推廣，在德國、瑞士、法國150家商店中安裝了近300個(gè)農(nóng)場，生產(chǎn)了大約500 000個(gè)植物。韓國LG設(shè)計(jì)了嵌入式控制形式的種植柜，包含了非循環(huán)供水（防止滋生藻類產(chǎn)生難聞氣味）、溫控、空氣交換、光照等諸多系統(tǒng)。國內(nèi)此類產(chǎn)品有推廣先例的是陜西旭田光電農(nóng)業(yè)科技有限公司，他們研發(fā)的Infarmer蔬菜種植柜，可使植物從種子到收獲整個(gè)過程無需噴灑任何農(nóng)藥立體化地種植，最大限量地?cái)U(kuò)充種植面積，提高復(fù)種指數(shù)，目前有小范圍的商用［11-14］。

基于市場需求北京農(nóng)業(yè)機(jī)械所研究所設(shè)計(jì)出了第一代樣機(jī)，該設(shè)備在現(xiàn)有大型植物工廠的技術(shù)基礎(chǔ)下，實(shí)現(xiàn)了微縮版的家庭植物工廠概念，即一種微型香草人工光種植裝置。它具有現(xiàn)代植物工廠最顯著的特點(diǎn)，即可提供模擬環(huán)境和實(shí)現(xiàn)自動化種植過程，該產(chǎn)品尺寸大小同一般家用電器，可作為一款家用電器走進(jìn)人們的日常生活，提高居家生活的品質(zhì)感。同時(shí)也能夠促進(jìn)國內(nèi)設(shè)施園藝裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，豐富產(chǎn)品種類。通過前期論證和調(diào)研，為驗(yàn)證其實(shí)際使用效果以及便于后期的產(chǎn)品優(yōu)化，進(jìn)行了設(shè)備內(nèi)相關(guān)參數(shù)的測試及種植試驗(yàn)，得到了相關(guān)的結(jié)論。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

家庭智慧菜園裝置包括殼體、營養(yǎng)液箱、栽培槽、水路循環(huán)系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)（圖1）。殼體提供主體框架并作為其他組裝部件的基礎(chǔ)，營養(yǎng)液箱為植物生長提供營養(yǎng)液，栽培槽內(nèi)可定制一定數(shù)量的香草或其他合適的水培植物，水路循環(huán)系統(tǒng)可提供合理的灌溉方式，自動控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)植物生長全過程的自動控制和遠(yuǎn)程控制。

1.2 工作原理及過程

營養(yǎng)液箱內(nèi)的營養(yǎng)液通過潛水泵及進(jìn)水管路送至各層栽培槽，水泵吸水管端部安裝有不銹鋼過濾頭，水泵抽出的水依次經(jīng)過紫外線消毒燈、止逆閥和快插水路管件到達(dá)各層，為防止每層水流速度不一樣，可通過調(diào)節(jié)每層進(jìn)水口之前的球閥使每層進(jìn)水量趨同。根據(jù)所定植植物的不同，可調(diào)節(jié)栽培槽內(nèi)水位的高度，當(dāng)水位越過此高度時(shí)通過回水管流回營養(yǎng)液箱。灌溉、補(bǔ)光、水循環(huán)、溫度調(diào)控及新風(fēng)，可通過自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)順序控制和時(shí)序控制，即手動和自動控制，當(dāng)自動控制時(shí)，所有執(zhí)行單元（包括補(bǔ)光燈、水泵、半導(dǎo)體制冷器、風(fēng)扇）均可按照控制單元的命令實(shí)現(xiàn)開關(guān)，執(zhí)行單元接收來自于云端設(shè)定好的程序指令。而云端指令可通過手機(jī)APP去實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)時(shí)間上的更改。

2 關(guān)鍵部件和關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 殼體

家庭智慧菜園裝置的殼體全部采用鋁合金制成，分為上下板、立板及空腔背板，均通過螺栓連接，方便拆裝組合，外觀整體為矩形長方體切除垂直方向棱角，8個(gè)頂角全部采用圓弧從頂面和底面向立板及空腔背板過渡。

2.2 營養(yǎng)液箱

微型香草人工光種植裝置的營養(yǎng)液箱由鋁合金板折彎焊接而成，箱體固定于外部罩殼上，外部罩殼固定于殼體上，其罩殼前面板門洞下邊緣折彎出凹槽，用于水箱的抽拉。水箱背部開有出水口，罩殼內(nèi)頂部焊接有回水套管。

2.3 栽培槽

家庭智慧菜園的栽培槽由6061鋁合金鑄造而成，底部可安裝植物用補(bǔ)光燈，栽培槽背部開有進(jìn)水口和回水口，回水口處安裝有水位調(diào)節(jié)閘門，通過插入不同高度的閘片，可實(shí)現(xiàn)栽培槽內(nèi)水位的高度調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)不同作物的栽培要求。栽培槽上有栽培槽蓋板，每個(gè)栽培槽上對稱放置兩塊，其材質(zhì)為ABS工程塑料。

2.4 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

家庭智慧菜園的水路循環(huán)系統(tǒng)全部采用快插接頭及管路，上水水路設(shè)置主路及三路分支，每路分支設(shè)置球閥，上水水路在路徑中依次為過濾接頭、潛水泵、紫外線消毒燈和管路；回水水路為上兩層一路，底層單獨(dú)一路，提高回水效率。

2.5 制冷系統(tǒng)

家庭智慧菜園制冷裝置分為強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)和壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，當(dāng)外界氣溫低于種植箱內(nèi)溫度時(shí)啟動通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行換氣降溫，當(dāng)外界氣溫高于種植箱內(nèi)溫度時(shí)，啟動壓縮機(jī)進(jìn)行降溫。

2.6 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)包含了C語言程序、控制單元、傳感器、執(zhí)行單元（水泵、補(bǔ)光燈、半導(dǎo)體制冷器及風(fēng)扇）手機(jī)APP。系統(tǒng)通過寫好的程序?yàn)榭刂茊卧l(fā)送指令，控制單元可控制執(zhí)行單元完成制定的命令，手機(jī)APP可云端操作修改命令從而實(shí)現(xiàn)手動控制和自定義控制。

3 關(guān)鍵承重部件的受力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)備中的主要承重部件包括栽培槽固定件及栽培槽蓋板，栽培槽固定件主要用于固定栽培槽，受到栽培槽、營養(yǎng)液、栽培槽蓋板及所種植的蔬菜產(chǎn)生的壓力；栽培槽蓋板由于是ABS材質(zhì)，需考慮在其自重和滿盤蔬菜情況下的形變量，若型變量過大，則優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。在初始設(shè)計(jì)下，栽培槽固定件及栽培槽蓋板的模型如圖2所示。

在Solid Works中建立好栽培槽固定件及栽培槽蓋板的三維模型，選擇進(jìn)行Simulation靜應(yīng)力分析，兩者材料分別設(shè)置為6061鋁合金和ABS工程塑料材質(zhì)，將固定形式及所受載荷確定后，二者的形變?nèi)鐖D3所示。

通過靜應(yīng)力分析可看出，栽培槽固定件的形變最大位移為0.027 mm，可忽略不計(jì)，而栽培槽蓋板的最大形變位移為3.591 mm，有較大的的形變，因此考慮改進(jìn)其結(jié)構(gòu)形式。栽培槽蓋板的最大形變處為一側(cè)邊中間，其余邊則因?yàn)楸辉耘嗖鄣倪吘壷?，未有較大形變。在保證栽培槽蓋板整體質(zhì)量變化不大的情況下，增加形變較大一側(cè)的強(qiáng)度為首選方案，可在此處底面增加具有一定厚度的支撐條，其三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

對此三維模型重新進(jìn)行受力分析，分析方式與之前分析一致，圖5為優(yōu)化后的栽培槽蓋板的受力分析，由圖5可以看出，之前形變量最大處目前的最大型變量已降至0.800 mm，可以忽略不計(jì)，因此，可以采用此優(yōu)化方式。

4 家庭智慧菜園測試

香草微型種植箱為香草、葉菜等營造適宜的生長環(huán)境條件的家電型裝置（圖6）。經(jīng)種植測試可知，葉菜平均生長周期為40 d，總耗水量為63.2 L，總耗電量為72 kW·h，生菜的單顆重量150～200 g。為確定該種植柜是否能夠滿足植物生長，進(jìn)行了溫度、濕度、光照、風(fēng)速、營養(yǎng)液EC、pH等參數(shù)測定。

4.1 測試使用儀器

表1為測試香草微型種植箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)時(shí)所用的試驗(yàn)儀器。

表1 試驗(yàn)測試儀器名稱與型號

4.2 測試方法

4.2.1 溫濕度測試 圖7為單層種植空間平面測溫點(diǎn)布局，每層設(shè)置5個(gè)測試點(diǎn)，在這15個(gè)測試點(diǎn)上分別懸掛1個(gè)溫濕度記錄儀。測試位于每個(gè)區(qū)域?qū)觾?nèi)中心位置，記錄種植柜內(nèi)測試點(diǎn)溫濕度變化情況。

4.2.2 種植柜內(nèi)光照測試 對不同區(qū)域內(nèi)的光照進(jìn)行測試。測試點(diǎn)與溫濕度測定點(diǎn)相同。測試項(xiàng)目為光照度（lx）、光合有效光量子密度PPFD［μmol/（m2·s）］。

4.2.3 營養(yǎng)液監(jiān)測 對水箱及栽培槽內(nèi)作物生長所需營養(yǎng)液進(jìn)行監(jiān)測，包括營養(yǎng)液EC、pH、溶氧量、液溫等參數(shù)。

4.2.4 種植柜CO2濃度監(jiān)測 測試關(guān)閉種植柜門一段時(shí)間后，內(nèi)部二氧化碳含量、氧氣含量的變化情況。

4.2.5 出風(fēng)口風(fēng)速測定 種植柜內(nèi)共有3個(gè)出風(fēng)口，測試每個(gè)進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)速。

4.3 測試結(jié)果

葉菜平均生長周期為40 d，總耗水量為63.2 L，總耗電量為72 kW·h，生菜的單顆重量150～200 g。設(shè)備內(nèi)溫度15～25℃，相對濕度45%～65%。香草可進(jìn)行多年生栽培，定期采收即可。

4.3.1 溫濕度測試 自2020年12月2日0：00開始記錄，2020年12月2日23：59終止記錄，圖8為種植柜內(nèi)的溫濕度變化趨勢。結(jié)果表明，種植柜內(nèi)的最高溫度23.8℃，最低溫度19.0℃，平均溫度21.5℃，最大濕度64.4%，最小濕度18.5%，平均濕度58.7%。

4.3.2 種植柜內(nèi)光照測試 分別測試了種植柜內(nèi)的光照度與光合有效量子密度，光照度在12 000～18 000 lx，光合有效量子密度在190～230μmol/（m2·s），種植柜內(nèi)光照度均能滿足植物生長。圖9和圖10分別為相應(yīng)點(diǎn)光照度及光合有效量子密度。

4.3.3 營養(yǎng)液檢測狀況 分別測試種植柜水箱和各層栽培槽內(nèi)營養(yǎng)液的EC、pH、溶氧量、營養(yǎng)液液溫和CO2濃度，測試營養(yǎng)液的液溫21.9℃，統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 理化參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.3.4 測試出風(fēng)口的風(fēng)速 分別測試進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)速，出風(fēng)口的風(fēng)速大于進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，進(jìn)風(fēng)口處位于種植柜內(nèi)，風(fēng)速適宜利于種植箱內(nèi)的通風(fēng)換氣，增加二氧化碳含量。表3和表4分別為出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口的對應(yīng)不同距離的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)。

表3 出風(fēng)口不同距離風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

表4 進(jìn)風(fēng)口不同距離風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

新型家庭種植柜為封閉式結(jié)構(gòu)，由補(bǔ)光系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)等構(gòu)成。三面保溫玻璃，在正常利用外界光源的同時(shí)，可保證具有相對獨(dú)立的環(huán)境系統(tǒng)。通過栽培試驗(yàn)及環(huán)控測試，該產(chǎn)品可定植羅勒、生菜、苦菊等作物。該設(shè)備所提供的環(huán)境參數(shù)可滿足葉菜的正常生長，研究成果可豐富市場上的產(chǎn)品種類，提高整體的技術(shù)水平，促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)向日常生活轉(zhuǎn)化。