家用全自动蔬菜种植机开发与应用设计

汪蕾 华志红

（无锡职业技术学院 江苏无锡 214000）

家用全自动蔬菜种植机开发与应用设计

汪蕾 华志红

（无锡职业技术学院 江苏无锡 214000）

本论文开发设计了家用全自动蔬菜种植机（专利号：201320561823.2、专利号：201420030982.4），包括栽培结构系统、营养液循环系统、LED光照系统、智能控制系统等，其中重点描述了营养液控制系统的设计与性能分析。经过长达一年的种植应用试验，该机器可以种植出二十多种不同种类的绿叶蔬菜，真正满足了都市家庭在室内种植健康蔬菜的需求。

家用全自动蔬菜种植机；营养液循环系统；无土栽培；LED人工光照；智能家电

1 引言

目前，食品安全成为人们日益担忧的问题；现代文明及城市建设，更让人们渐渐失去了接触自然环境与植物成长的机会，生活里少了生机与朝气。

2010年，在中国的上海世博会上首次亮相低碳、智能的家庭植物工厂，它是以工业产品设计理念为参照，选用工业材质和工业控制技术，使得机器成本和能耗大大上升，市场价值不高，难以推广和普及。

本文的研究对象充分体现智能家电技术与生态农业技术的结合，选用通用材质和通用控制技术，大大降低了产品成本，使得产品具有更多的市场价值。

2 栽培结构系统的设计

家庭蔬菜种植，主要受到家庭环境、家庭空间和使用面积的限制，为了充分利用蔬菜种植空间，本机器采用层架式设计，以扩大种植面积，提高种植效率。栽培结构系统是蔬菜机的主要部件，见图1。

中国幅员辽阔，南北气候差别大，每个家庭的室内环境各不相同，为了不影响不同地区的家庭都能种植蔬菜，本机器采用封闭式箱体结构，全程温度控制，以适应寒冷的北方及炎热的南方地区，实现全天候种植。

蔬菜的生长，需要合适的环境要素，包括光、温、水、肥、气等，本机采用封闭空间设计，利用温控室内压缩机和电磁阀进行温度控制，不同的蔬菜，所需温度不同，用户可以根据蔬菜的生长习性，自由设定空间内的温度。蔬菜生长需要空气，所以栽培箱体内设计有风道，可在实现箱体温控的同时，定期更换箱体内的空气，满足蔬菜的生长需求[1]。温控室结构设计见图2。

当机器降温控制时，压缩机和轴流风机启动，蒸发器处于制冷状态，空气流经蒸发器降温，变成冷风，在轴流风扇的作用下，冷空气经过风道口进入风道，通过风道出风口对栽培层和最底层营养液箱进行降温。

当机器升温控制时，压缩机、四通阀和轴流风机启动，蒸发器处于制热状态，空气流经蒸发器升温，变成热风，再经过风道口进入风道，通过风道出风口对栽培层和底层营养液箱进行升温。

图1 蔬菜机总体框架图

图2 温控室结构布局图

3 营养液控制系统的设计与性能分析

营养液控制系统是蔬菜机最重要的系统之一，通过营养液的合理供给与循环流动，可以给蔬菜提供生长所需的养份和氧气，让蔬菜健康成长[4]。

为保证蔬菜机的种植产量，本机设计为多层架结构，每一个层架都可以种植蔬菜，以达到种植空间的最大化利用。给每一个层架合理地输送营养液，让蔬菜能够获得健康生长所必须的养分和氧气，达到预期种植效果，成为本机器能否成功的关键。营养液控制系统的设计与控制性能试验，分以下三个步骤进行。

3.1 营养液输送方式的设计与试验

营养液输送方式有多种不同的模式，最常用的有并联循环方式、串联回流方式及固定配液方式三种。并联循环方式就是通过抽吸水泵，把营养液箱内的营养液抽出来，对各层架的栽培槽进行并排式同时供液，并通过同一根回液管道统一回流，进入营养液箱，经过滤后继续循环，如图3所示。

串联回流方式就是通过抽吸泵，把营养液箱内的营养液抽到最上面的栽培槽，进行单层式供液，上层供液达到指定液位后，就自动流到下面一层，如此往复，最后流回营养液箱，经过滤后继续循环，如图4所示。

固定配液方式就是将所有栽培槽内的营养液一次性全部配好，不做循环流动，为了保证对蔬菜根系的供养，在每一个栽培槽中安装一个增

氧泵，单独供氧。

为验证三种方式对蔬菜生长造成的不同影响，以各100颗意大利生菜为例，进行定植后30天的种植试验，结果如表1。

从试验结果可以看出，采用并联循环方式的机器蔬菜生产情况最好，串联回流方式次之，固定配液方式产量最低。

在做营养液输送系统定型设计时，需要考虑成本、装配、维修、运输等多方面的因素，三种不同方式的优缺点对比如表2。

结论：考虑到结构的简洁、装配及维修的便利、水流噪音及成本等因素，兼顾蔬菜产量，参考试验数据，本机设计采用串联回流式方案。

3.2 营养液循环周期的设计与试验

营养液的输送循环时间，也就是水泵工作的时间，直接影响到营养液的供给量及根系的供氧量，特别是蔬菜根系的供氧量，会对蔬菜的健康成长造成重大影响。

从理论上讲，静止的水中溶氧量少，不能满足蔬菜根系对氧气的吸收，营养液如果能保持24小时的循环流动，蔬菜的生长效果会最好[3]。但考虑到节水（流动的营养液蒸发量大，水量消耗多）、节能以及水泵寿命的局限，考虑间歇式循环输送方式。

根据栽培槽的容积，以每次循环可以将所有栽培槽内的营养液全部更换一遍为原则，选取小功率静音水泵，本机设计10分钟可完成一次营养液的完全更换。

以下使用营养液串联回流输送模式，设置不同的循环周期，进行试验。以各100颗非洲冰花为例，进行50天的育苗及定植试验，结果如表3。

从表3可以看出，冰花在苗期对溶氧要求不高，但是在定植后，特别是在生长后期，对营养液中的溶氧要求比较高，与常规的生菜相比，冰花属于高需氧品种。

结论：考虑到机器的节能与水泵寿命，兼顾低需氧量蔬菜（生菜）与高需氧量蔬菜（非洲冰花）的兼容性，参考试验数据，本机营养液循环周期设计为10分钟开，15分钟停模式。

3.3 营养液温控范围的设计与试验

根系是蔬菜的大脑，根系的温度，直接影响着蔬菜的健康成长，所以营养液的温度控制，成为营养液控制系统中的重要部分[5]。

自然界中的植物，扎根于大地，由于大地具有自动温度调节功能，一年四季温度变化不大，所以植物在冬天不会被冻死，夏天也不会被热死，蔬菜也是一样，如果蔬菜的根系不能生长在适宜的温度下，就不能健康生长。

确定了营养液的输送方式及输送周期，最后确定营养液温控范围，以下同样用各100颗意大利生菜种植为例，进行定植后30天的种植试验，结果如表4。

从试验结果可以看出，营养液温度在15度时，蔬菜生长速度变慢，但仍然健康，在20度时生长状况最好，25度时生长也正常，但后期出现卷边现象。温度在30度时，蔬菜生长不正常，出现黄叶、枯边及生长缓慢现象。考虑到节能和效率，结合蔬菜生长情况，本机营养液温度控制在20℃。

图3 营养液并联输送示意图

图4 营养液串联回流示意图

图5 LED电路示意图

4 LED光照系统的设计

蔬菜的生长离不开光照，研究资料表明[2]，蔬菜对420～720nm范围内的光线比较敏感，对其他的光线几乎不吸收。经过试验，蔬菜生长对460nm的蓝光波段和660nm的红光波段需求较大，对520nm的绿光波段需求很少，不同的光波对蔬菜的影响如下：

420～520nm，蓝光波段，促进蔬菜叶绿素B与类胡萝卜素的合成；

520～600nm，绿光与黄光波段，提高蔬菜

根的活性，促进根系生长；

600～720nm，促进蔬菜叶绿素A的合成，增强蔬菜的新陈代谢。

本机LED植物生长灯采用多个不同波长的LED灯芯集成，使得合成光谱符合蔬菜的健康生长需要。电路组合示意如图5所示。

为加强光照强度，采用多级LED并联应用方式。经过反复的灯芯组合试验，同时考虑到不同色温的光线对人眼造成的刺激，在充分兼顾能效比的基础上，获得最佳的LED灯芯组合配比（以非洲冰花和意大利生菜培植为例），红：绿：蓝=5∶2∶3，集成封装后，灯珠发出柔和的暖白光，避免了植物工厂中使用红蓝光对人眼和室内造成的视觉冲击和光污染。

图6 智能控制系统结构框图

表1 30天的种植试验数据

表2 三种不同方式的优缺点对比

表3 50天育苗及定植试验数据

表4 意大利生菜30天种植试验数据

5 智能控制系统设计

智能控制系统由传感器、中央处理器、驱动部件及通信接口等模块组成,控制系统电路方框图如图6所示。

传感器采集机器内部不同的环境参数，经放大滤波后进行模数转换，经过CPU（中央处理器）的运算与处理，输出控制信号，驱动温控器件和其他生长环境要素控制器件，使得蔬菜在机器中能够健康成长[1]。

考虑到上述全功能机器的构造及控制的复杂性，从降低成本、提高机器可靠性和实用性的角度出发，结合蔬菜对环境的广谱适应性特征，可以省去CO2、PH、EC、湿度、照度等控制环节，利用多次反复试验总结出来的经验系数，将光照强度、营养液浓度、溶氧浓度、湿度等复杂参数标准化，保留温度控制系统，充分利用家庭室内环境洁净、通风、无突变的有利条件，大幅度降低机器的成本，提高实用性和可靠性。

6 结论

综上所述，本机通过多次试验，设计出了完善的营养液控制系统，与其他系统相配合，组成了全自动蔬菜栽培机，经过20多个生菜品种和非洲冰花等特殊品种的种植试验，取得了良好的效果，相比市场上的其他类似产品，本文研究对象能耗低、成本低。经过长达一年时间的试验，本机器产出的蔬菜无农药、无重金属、无有毒化学物质残留，无亚硝酸盐。平均每台机器每月产出绿色蔬菜（以意大利生菜为例）10公斤，基本满足一个普通家庭（三口之家）对叶菜的需求量。

[1] 杨其长，魏灵玲，刘文科，程瑞锋. 植物工厂系统与实践[M].北京：化学工业出版社，2012

[2] 崔瑾，徐志刚，邸秀茹. LED在植物设施栽培中的应用和前景[期刊论文].农业工程学报，2008

[3] 刘文科，杨其长. MFT系统进行沼液水培生菜的效果研究[期刊论文].温室园艺，2010

[4] 方慧，杨其长，魏灵玲，巫国栋，魏强. 水耕栽培营养液循环控制系统的设计与控制性能分析[期刊论文].北京农机化研究，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