一種智能家庭式植物工廠的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

曾祥河 雷 濤 林光耀 黃慶安 何金成

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建福州350000）

0 引言

“植物工廠”的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代，植物工廠的誕生反映出了社會(huì)需求同生產(chǎn)力的不對(duì)等，許多自然因素影響著產(chǎn)量而人為無法控制[1]。通過控制植物工廠內(nèi)部的各項(xiàng)指標(biāo)可達(dá)到一個(gè)適合且高產(chǎn)的環(huán)境，但與此同時(shí)，高能耗也成為了很大的一個(gè)阻止其發(fā)展的因素?；谶@一問題，本次植物工廠研究旨在減少能耗與提高經(jīng)濟(jì)效益，使植物工廠更加普及。

1 整體與各模塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種具有智能環(huán)境調(diào)控功能的家庭式植物培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括培養(yǎng)箱環(huán)境的智能檢測(cè)與調(diào)控以及提高太陽光利用率的太陽光跟蹤系統(tǒng)。智能型家庭植物工廠，箱體尺寸為70 cm×40 cm×135 cm，基本材料為2020鋁型材[2]。柜體的底層內(nèi)安裝檢測(cè)和顯示系統(tǒng)、營養(yǎng)配置桶和水泵（圖1中A位置）；利用其背面夾層內(nèi)設(shè)置的供液管和回液管，構(gòu)成一個(gè)閉合的水流回路，可輸送營養(yǎng)液和所需水；柜體最底部設(shè)有4個(gè)自由滑動(dòng)的輪子，移動(dòng)方便（圖2）。

圖1 機(jī)構(gòu)整體3D示意圖

圖2 機(jī)構(gòu)正視圖

1.1.1 箱體環(huán)境控制原理

植物培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)箱內(nèi)的環(huán)境溫度、濕度以及光照強(qiáng)度變化，顯示在LCD屏上，當(dāng)溫度、濕度超出設(shè)定范圍時(shí)，控制中心處理數(shù)據(jù)并發(fā)出控制信號(hào)控制執(zhí)行器的運(yùn)行。通過頂部安裝的噴霧設(shè)備和箱體側(cè)面的散熱裝置，可以在需要時(shí)及時(shí)地調(diào)控箱體的內(nèi)環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)控植物生長的條件。

1.1.2 節(jié)能補(bǔ)光設(shè)計(jì)

能耗大是人工光式植物工廠不能市場(chǎng)普及的一個(gè)原因，因此本機(jī)構(gòu)創(chuàng)新發(fā)明一種太陽光跟蹤系統(tǒng)，其原理是根據(jù)白天太陽光直射角度的變化計(jì)算，然后通過控制系統(tǒng)控制植物生長平臺(tái)擺動(dòng)一定的角度迎合、充分吸收太陽光，當(dāng)光照強(qiáng)度小于設(shè)定范圍，就會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)光系統(tǒng)。

1.2 控制模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 種植板同步擺動(dòng)設(shè)計(jì)

該家庭式植物培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)，包括培養(yǎng)箱種植板的同步功能，其特征在于：利用鉸鏈和雙頭連桿，加上兩邊采用一對(duì)10 cm光軸（將會(huì)安裝在圖3中①位置）和軸承座在垂直方向上配合，以達(dá)到穩(wěn)定種植板和使其旋轉(zhuǎn)的目的，實(shí)現(xiàn)多塊板的同時(shí)同步繞軸旋轉(zhuǎn)。

圖3 種植板同步擺動(dòng)原理圖

1.2.2 實(shí)現(xiàn)層間運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力傳輸設(shè)計(jì)

培養(yǎng)箱每層下底面通過鉸鏈連接連桿，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)傳遞底部步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力（如圖4底層機(jī)構(gòu)所示，連接銷和通氣孔位于機(jī)構(gòu)側(cè)面，圖中未標(biāo)出），控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙頭連接桿，使種植板之間互相連接，同步傳動(dòng)至全部種植板，最終使種植板能夠一起同步追隨太陽光，實(shí)現(xiàn)太陽光的最大利用率，節(jié)約能源。

圖4 培養(yǎng)箱實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖

2 主要零部件分析與實(shí)施方式

2.1 箱體內(nèi)補(bǔ)光的光源選擇

經(jīng)文獻(xiàn)查找，LED的光譜波長范圍正好適合植物光合作用所能吸收的光譜范圍，LED燈能耗低、效率高、壽命長，而且安裝方便[3]。所以箱體內(nèi)部補(bǔ)光光源采用LED燈，采用紅藍(lán)5:2、紅白1:1、紅藍(lán)3:2等模式。

2.2 種植板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)施

圖5所示為種植板外框架的下表面45°轉(zhuǎn)向的俯視圖，圖中光軸為左右各一個(gè)的其中之一，受力F為種植板重力的一半，即G/2。通過左右兩光軸的支承作用使種植板得以托物旋轉(zhuǎn)。通過鎖緊軸套中的細(xì)小螺釘，使光軸與種植板緊密配合，帶動(dòng)光軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)種植板運(yùn)動(dòng)。

圖5 種植板外框架俯視圖

3 項(xiàng)目特色及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 項(xiàng)目特色

家庭式植物工廠通過光電結(jié)合、機(jī)電一體化，各種傳感器（如溫度傳感器、光學(xué)傳感器等）與電路控制的連接以及單片機(jī)等現(xiàn)代設(shè)備作為核心對(duì)各個(gè)程序機(jī)構(gòu)之間的準(zhǔn)確控制三個(gè)方面的綜合應(yīng)用，使得其內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)與調(diào)節(jié)變得自動(dòng)化，而且更加準(zhǔn)確。

3.2 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)備可通過控制系統(tǒng)有時(shí)序地控制植物生長平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度[4]，迎合太陽光的直射，相比傳統(tǒng)植物工廠能更加充分地吸收太陽能，增強(qiáng)光照利用率，在讓植物茁壯成長的同時(shí)節(jié)能減排。

4 結(jié)語

本次對(duì)于植物工廠的創(chuàng)新改進(jìn)旨在利用機(jī)械的改造和電子、傳感器方面的控制提高能源的利用率和收益。植物工廠是人類解除自然約束、實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的一項(xiàng)利器，其在不浪費(fèi)自然資源和低成本的普及方向不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步必將造福于人類。