多光谱智能种植园艺机设计与应用

张 晖，闫蕊洁，陈克亭（.鄢陵建业绿色基地建设有限公司，河南许昌 4600；.河南智圣普电子技术有限公司，郑州 45000）

随着城市居民对生活环境质量需求的不断提升，“阳台种植”“盆栽蔬菜”“立体植物墙”“植物相框”等家庭园艺越来越受到城市居民的青睐，家庭园艺也在向科技化、创新化方向发展。目前，家庭园艺以阳台园艺为主，多采用基质栽培、容器栽培、管道种植架等无土种植方式，部分采用水培模式，以利用自然光源为主，成本低、技术相对容易掌握，但不适合室内种植，受气候环境影响较大。近年来，采用光谱调控、智能控制技术的家庭园艺设备逐渐增多，以水培、多层立体种植为主，但多数还处于小规模尝试或中试阶段，专业从事该方面研究及开发的人员较少，规模化与产业化开发的企业较少，缺少相应的服务团队及专业组织，无法满足购买者的需求。家庭园艺设备智能化、家电化是未来发展的趋势，家庭园艺设备可以在有限的空间满足人们对家居装饰、环境绿化和食用安全的需求，不需要使用者具备专业的种植技术。同时，家电化将增加个性化设计，完善产品研发及售后服务，满足人们对绿色生活的向往，未来智能园艺机可以像电视、空调等家居产品进入消费者生活，发展空间和潜在市场巨大。

多光谱智能种植园艺机，是一款智能化的种植设备，它为作物提供适宜的光照、营养，使作物在人工可控的环境中茂盛成长。多层种植空间可分层独立控制，满足多种类种植探索；占地不足0.5 m2，阳台或室内的一个角落即可满足生长空间；水培循环种植，清洁、绿色、安全无污染；智能APP 操作方便，多种光谱组合方式自由调试，兼具科学趣味和观赏性。这款多光谱智能种植园艺机由鄢陵建业绿色基地、河南智圣普电子技术有限公司、河南农业大学园艺学院三方共同研制。文章主要介绍该设备的设计与应用效果。

设计目标和工作原理

光是植物生长的必要条件，不同的作物在不同生长阶段需要不同的光，智能种植园艺机根据种植作物种类不同，可以设定多个补光策略，按组、分时对作物进行补光，光源由红光、蓝光和全光谱白光带组成，使用者可以通过设置参数来控制光谱的组成。在同一设备上可以分层种植多种作物，每层可以设置不同的光质与补光策略，并随着作物品种与生长阶段的变化，动态地调整补光配方，模拟自然光的变化，使光始终能促进作物的最佳成长。

设备中的光照组，每一层都有独立的地址可以接受指令，指令中包含有对每个通道的光强控制的内容，通过控制每一通道的光强达到控制光强影响光质的目的。通过人机交互界面输入目标值，嵌入式系统根据输入形成文件，以FAT 格式存储于EEPROM 中，这份文件被读取应用于该组的输出控制上，每一组都有独立的文件，所以各分区可以独立运行不同的策略，实现了分区控制。光学性能参数为红光波长665 nm，蓝光波长445 nm，全光谱白色光。每层的光强独立可调，每个通道的光强独立可调，红光可达到25 W，172 μmol/（m2.s），蓝光、全光谱可达到33.4 W，230 μmol/（m2.s），三种光谱可任意组合。

园艺机的电路由一张主控板卡与多张专用功能的板卡组成，通过总线进行数字化信息交换，完成数据采集、运算与控制功能，整机由一条4芯电缆完成所有板卡间的连接。灯具采用智能恒流驱动，相对于常见的恒压驱动，它可以进行无级亮度调整，同时效率提升30%。灯具采用48 V的低电压，即使在潮湿的环境中，仍可给使用者可靠的安全保证。

设计构造

园艺机结构部分主要由铝、铁、塑料组成，在保证足够的机械强度时，控制了整机的重量（＜60 kg），表面以喷塑工艺处理，形成致密的保护层，长久耐用。园艺机拥有米白色外观，简洁大方，601 系列机长0.8 m、宽0.4 m、高1.75 m，总种植面积1.6 m2，单层仅占地0.32 m2，极大地节省了空间。设备是可拆解设计，拆解运输，可节省45%的运输空间，且安装便捷，一般5 层种植槽，层间高度17.8 cm，种植槽高度6.2 cm，120 个种植孔，层间高度可调整，以适应不同高度的植株（图1）。

图1 智能种植园艺机结构设计/mm

园艺机配套的APP 可对设备的运行参数进行设置、查看，快速地输入、修改所需要的参数，一旦参数配置完成，便不再需要APP 与设备的连接，也不需要APP 继续运行。操作客户端支持多名用户连接同一台设备，对自己管理的区域进行控制，相互间不需要同步。

光谱工作参数调节

每层灯光对应1 组参数设置，可独立控制，每组灯光可分时间段进行调节（图2）。不同的层可进行分组管理，例如，整个设备种植同品种或种类作物，作物对光谱要求一致，则可以把所有的层分配到一个组中，所有在这个组中的层即有统一的输出。调光参数数据范围为0～255 μmol/（m2.s），可进行精确的调节。

图2 光质与光强可任意调节（同一型号设备的不同运行状态）

水循环工作参数调节

整体水培种植模式，种植盘营养液循环设定间歇式工作周期，水泵运行有运行时长和间隔时长两个参数，例如运行时长为10 min，间隔时长为40 min，表示水泵工作10 min，停止40 min 后再次工作10 min，以此循环工作，所有层共用一套水循环参数。每层种植槽曲线型分布，增加了肥水的流动性，在非工作期间，液体从水槽中排出，根部暴露在空气中，让作物有充分吸收氧气的机会，工作期间肥水潮汐式地由最上一层进入，逐层循环后由第五层排出到底箱的水槽中，形成一条线的闭路水循环，同时使空气得以交换，富含氧气的空气进入水槽中系，同时设置有少水警告，缺水自动报警。

应用效果

智能种植园艺机集合了无土栽培技术、阳台农业、绿色种植等多种理念，设计团队根据市场需求不断改良升级，在国内家庭用户进行大范围推广，除国内市场外，还出口到加拿大、以色列等国家。

智能种植园艺机作物生长全程一目了然，种植的果蔬天然、无添加剂，无农药、激素和人工合成化肥残留的危害，绿色健康，让人安全放心。光质与光强智能控制，让植物与人和谐共处，多达65536 种光的组合，有你喜欢的，也有植物喜欢的，在家即可享受现代农业智能科技生活，且耗电量低，每天只需要1～2 度电，还能够开展家庭儿童农业科普，寓教于乐，体验先进的农业科技，感悟植物生长的奥妙，动手的快乐和收获的喜悦。

可种植品种丰富，用户已成功种植有芹菜、罗马生菜、芥菜、韭菜、雪里红、冰菜和油麦菜等30余种蔬菜，草莓等水果，还有红掌、多肉、凤梨、婚礼吊兰、绿萝、蕨类植物等花卉绿植（图3）。一般叶菜类种植，播种4～6 周可采收，绿植花卉类如绿萝、长寿花可进行扦插培育，1 周即可长出新的根系。智能种植园艺机适合安置在家庭的客厅、阳台上，方便用户随时采摘。以奶油小白菜种植为例，采用种植孔播种，5 月5 日播种，5 月28 日采收，单层可收获586 g，制作蔬菜沙拉或直接生食口感翠爽、健康安全。小白菜绿叶生长期需保持每天7 h 以上强光照，即白光、红光参数调节至220～255 μmol/（m2.s），蓝光60～120 μmol/（m2.s），光照总时长9～11 h，除强光照时间段外，早晚开启和结束时间可设置0.5～1 h 的日出日落模式模拟自然光变化，其中红蓝光比例在4:1 与3:1 之间更适合叶菜类生长。

图3 种植效果

发展前景

家庭园艺是都市居民实现田园梦想的最佳途径，人们对美好生活的标准也越来越高，多光谱智能种植园艺机不仅可以美化生活环境、丰富生活情趣，还可以探索光对植物生长的影响，感受农业科技的魅力，为都市居民提供新的健康食品生产方式，为生活融入绿色气息。

多光谱智能种植园艺机融合了LED 补光技术、信息化技术、生物技术，设计团队致力于都市农业科技产品研究开发与推广，可应用领域广泛，发展前景良好。可应用领域包括以下5 个：①家庭阳台。实现厨房园艺，为居民提供健康的食材，清新的氧气，优美的生活环境（图4a）。②办公场所。美化工作环境，提高工作效率。③商业场所。保持绿植的旺盛生命力，营造良好的休闲、购物环境（图4b），打造植物工厂、城市菜园进行盈利。④教育。让居民可以直观探索生命奥秘。⑤科研。提供对各输出参数强大精确的控制手段，同时能在种植参考面达到500 μmol/（m2.s）的光合光量子通量密度下，满足对各种作物展开光质与光强的探索与研究的需求。

图4 应用领域