智能綠色栽培裝置設(shè)計*

朱志浩，王久中，閆星宇

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 引 言

隨著人們現(xiàn)代生活水平的逐步提高，綠色、健康、環(huán)保、便捷的生活方式越來越受到人們的重視，其中綠色新鮮、安全衛(wèi)生的蔬菜產(chǎn)品對人們的現(xiàn)代生活尤為重要。但是當(dāng)前傳統(tǒng)蔬菜種植方式一方面無法保證產(chǎn)出的蔬菜沒有農(nóng)藥殘留，另一方面需要足夠的場地、充足的時間和豐富的技術(shù)[1]。

相對于傳統(tǒng)蔬菜種植，水培蔬菜種植具有無農(nóng)藥殘留和生長周期短等特點(diǎn)。目前雖然國內(nèi)存在多款用于家庭蔬菜種植的水培裝置，但在設(shè)計上還存在較多缺陷，如采用白光燈照射導(dǎo)致蔬菜生長較慢，自動化程度不高等[2-3]。針對上述存在的問題，因此設(shè)計了一款智能綠色栽培裝置。該裝置采用自動化控制系統(tǒng)，通過PLC自動調(diào)節(jié)柜體內(nèi)部的通風(fēng)、光照、溫度及營養(yǎng)液輸送，操作簡單，設(shè)計精美，使人們既能享用到綠色新鮮的蔬菜，又能體驗(yàn)到蔬菜種植的樂趣。

1 智能綠色栽培裝置設(shè)計要求

設(shè)計一款智能綠色栽培裝置，以期達(dá)到如下目標(biāo)：

(1) 該裝置的柜體內(nèi)部設(shè)有三層栽培區(qū)，采用垂直種植，既可以充分利用室內(nèi)空間，又能夠栽培出更多種類的蔬菜。

(2) 該裝置的光照系統(tǒng)采用紅光LED植物燈和藍(lán)光LED植物燈，可以大幅縮短蔬菜的生育期，實(shí)現(xiàn)多茬種植，提高蔬菜產(chǎn)量。

(3) 該裝置的通風(fēng)系統(tǒng)利用柜體內(nèi)部蔬菜的光合作用將室內(nèi)的CO2轉(zhuǎn)換成O2，再通過出風(fēng)口輸出到室內(nèi)，形成一個人造氧吧。

(4) 該裝置整體采用半封閉式結(jié)構(gòu)，并在通風(fēng)系統(tǒng)中加入防護(hù)網(wǎng)罩和出風(fēng)口過濾網(wǎng)，可以有效阻隔外界環(huán)境的影響，保證蔬菜新鮮清潔、安全衛(wèi)生。

(5) 該裝置的控制系統(tǒng)可以通過PLC自動調(diào)節(jié)柜體內(nèi)部的通風(fēng)、光照、溫度以及營養(yǎng)液輸送，大大降低勞動強(qiáng)度，操作簡單，管理方便。

(6) 該裝置可與家居生活融為一體，既可以改善生活環(huán)境，又能夠增加生活樂趣，實(shí)現(xiàn)低碳、環(huán)保、健康的家庭生活。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

為實(shí)現(xiàn)上述預(yù)期目標(biāo)，該裝置主要分為五大部分，分別為柜體、通風(fēng)系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可以通過PLC調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)、光照系統(tǒng)和營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使柜體內(nèi)部始終處于最適宜蔬菜生長的環(huán)境。

根據(jù)項目要求，柜體內(nèi)部分為四層，其中上面三層為栽培層，用來種植葉菜類蔬菜，底下一層為儲物層，用來安放營養(yǎng)液箱、水泵和PLC等裝置。通風(fēng)系統(tǒng)中采用具有三擋調(diào)節(jié)功能的通風(fēng)扇，既可以提高柜體內(nèi)部空氣整體流通性能，又能夠調(diào)節(jié)柜體內(nèi)部溫度的高低。光照系統(tǒng)中采用最適合蔬菜生長的紅光LED植物燈和藍(lán)光LED植物燈，可以大幅縮短蔬菜的生育期，實(shí)現(xiàn)多茬種植，提高蔬菜產(chǎn)量。營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)中采用水泵輸送營養(yǎng)液，大大降低勞動強(qiáng)度?？刂葡到y(tǒng)中采用液位傳感器和溫度傳感器，液位傳感器時刻監(jiān)測柜體內(nèi)部營養(yǎng)液量的多少，溫度傳感器時刻監(jiān)測柜體內(nèi)部溫度的高低，PLC接收液位傳感器和溫度傳感器的反饋信號，及時開啟水泵向營養(yǎng)液槽增添營養(yǎng)液或通過控制通風(fēng)扇的檔位以調(diào)節(jié)柜體內(nèi)部的溫度，同時液位傳感器和溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)將實(shí)時顯示在顯示屏上，方便用戶查看和記錄。

2.2 柜 體

柜體主要由柜體外殼、柜門和自鎖式萬向輪組成。其中柜體內(nèi)部分為四層，第一層、第二層和第三層均為栽培層，主要用來安放營養(yǎng)液槽等裝置，第一層與第二層高度均為25 cm，主要用來栽培矮株葉菜類蔬菜，第三層高度為40 cm，主要用來栽培高株葉菜類蔬菜，第四層為儲物層，主要用來安放營養(yǎng)液箱、水泵和PLC等裝置。柜門采用雙層透明玻璃，既可以方便用戶觀察柜體內(nèi)部蔬菜的生長情況，又能夠阻隔柜體內(nèi)外的溫度交換。自鎖式萬向輪安裝在柜體底座的四角，方便柜體移動和固定位置。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)主要由進(jìn)風(fēng)口防護(hù)網(wǎng)罩、過濾網(wǎng)、進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、通風(fēng)扇和出風(fēng)口防護(hù)網(wǎng)罩組成。其中進(jìn)風(fēng)口防護(hù)網(wǎng)罩安裝在柜體左側(cè)的外板上，過濾網(wǎng)安裝在柜體左側(cè)的外板與內(nèi)板之間，進(jìn)風(fēng)口安裝在柜體左側(cè)的內(nèi)板上，出風(fēng)口安裝在柜體右側(cè)的內(nèi)板上，通風(fēng)扇安裝在柜體右側(cè)的外板與內(nèi)板之間，出風(fēng)口防護(hù)網(wǎng)罩安裝在柜體右側(cè)的外板上。進(jìn)風(fēng)口防護(hù)網(wǎng)罩、出風(fēng)口防護(hù)網(wǎng)罩和過濾網(wǎng)用于防止外界鼠蟲以及雜物進(jìn)入到柜體內(nèi)部。通風(fēng)扇具有三個檔位，分別為低速、中速和高速，檔位由控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)?？紤]到氣體對流的因素，所以將進(jìn)風(fēng)口布置在距離柜體底部50 cm處，出風(fēng)口布置在距離柜體頂部20 cm處，該設(shè)計一方面可以提高柜體內(nèi)部空氣整體流通性能，另一方面可以有效調(diào)節(jié)柜體內(nèi)部的溫度。

2.4 光照系統(tǒng)

光照系統(tǒng)主要由隔熱板、紅光LED植物燈和藍(lán)光LED植物燈組成。其中隔熱板分別安裝在每層營養(yǎng)液槽的下方，用來阻隔LED植物燈在工作時產(chǎn)生的熱量。紅光LED植物燈和藍(lán)光LED植物燈分別安裝在每層隔熱板的下方。查閱相關(guān)文獻(xiàn)：太陽光譜中可見光部分是植物色素吸收利用最多的光波段，其中以(400～500) nm的藍(lán)紫光和(610～720) nm的紅橙光對于光合作用貢獻(xiàn)最大[4]，紅光LED植物燈峰值波長為(660±5) nm[5-6]，藍(lán)光LED植物燈峰值波長為(440～475) nm[7-9]，紅光不僅影響植物開花、莖的伸長和種子萌發(fā)，而且還有利于碳水化合物的合成，藍(lán)光有利于植物氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素C和黃酮的積累[10]，所以最終確定選用紅光LED植物燈和藍(lán)光LED植物燈。

2.5 營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)

營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)主要由營養(yǎng)液箱、水泵、營養(yǎng)液槽、供液管、溢流管、栽培板、栽培斗和栽培棉組成。其中營養(yǎng)液箱和水泵均安裝在柜體內(nèi)部的儲物層中。營養(yǎng)液槽分別安裝在柜體內(nèi)部的栽培層上，且每個營養(yǎng)液槽上均設(shè)有溢流孔。供液管分別連接營養(yǎng)液箱和水泵，水泵和第一層營養(yǎng)液槽。溢流管分別連接第一層營養(yǎng)液槽上的溢流孔和第二層營養(yǎng)液槽，第二層營養(yǎng)液槽上的溢流孔和第三層營養(yǎng)液槽，第三層營養(yǎng)液槽上的溢流孔和營養(yǎng)液箱。栽培板安放在營養(yǎng)液槽的上方，用來栽培和固定植株。栽培斗和栽培棉配合使用，栽培斗嵌入在栽培板上的孔中，由四根斜向支柱組成，且呈錐形布置，用來安放栽培棉，每個栽培棉上設(shè)有小槽，用來安放蔬菜種子。

2.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由液位傳感器、溫度傳感器、PLC和顯示屏組成。其中液位傳感器分別安裝在營養(yǎng)液槽和營養(yǎng)液箱中，用來監(jiān)測營養(yǎng)液槽和營養(yǎng)液箱中營養(yǎng)液量的多少。溫度傳感器安裝在柜體左邊的內(nèi)板上，用來監(jiān)測柜體內(nèi)部溫度的高低。PLC安裝在柜體內(nèi)部的儲物層中，作為控制系統(tǒng)中的核心裝置，PLC可以根據(jù)液位傳感器和溫度傳感器傳來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動調(diào)節(jié)水泵的開關(guān)和通風(fēng)扇的檔位。顯示屏安裝在柜門上方的框架上，用來顯示營養(yǎng)液量、通風(fēng)扇檔位和溫度等信息，同時還可以設(shè)置和記錄各栽培層的栽培日期，為用戶提供參考信息。

3 工作過程

首先接通電源，將蔬菜種子放在栽培棉上的小槽中，其次將放有栽培棉的栽培斗嵌入在栽培板上的孔中，最后將栽培板放在營養(yǎng)液槽上，確保栽培棉下半部分浸入到營養(yǎng)液液面以下后，按下顯示屏上的開啟按鈕，此時該裝置開始正常工作。

在工作過程中，光照系統(tǒng)中的紅光LED植物燈和藍(lán)光LED植物燈亮起，24 h不間斷為下方的蔬菜提供光照。同時通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)扇轉(zhuǎn)起，室內(nèi)空氣經(jīng)過進(jìn)風(fēng)口防護(hù)網(wǎng)罩和過濾網(wǎng)的雙重過濾，順著進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入到柜體內(nèi)部，為蔬菜生長提供充足的CO2，蔬菜的光合作用將CO2轉(zhuǎn)變成O2，再通過出風(fēng)口和出風(fēng)口防護(hù)網(wǎng)罩輸出到室內(nèi)。通風(fēng)系統(tǒng)一方面提高柜體內(nèi)部空氣整體流通性能，另一方面還起到調(diào)節(jié)柜體內(nèi)溫度的作用。當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測到柜體內(nèi)部的溫度過高或過低時，信號會反饋給PLC，PLC通過調(diào)節(jié)通風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的高低使柜體內(nèi)部的溫度穩(wěn)定在一個合適的范圍，保證蔬菜正常生長，圖1為營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)原理圖。

圖1 營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)原理圖

在營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)中，當(dāng)液位傳感器監(jiān)測到任意一層營養(yǎng)液槽中的營養(yǎng)液量處于低水位時，信號會反饋給PLC，PLC啟動水泵，營養(yǎng)液通過供液管從營養(yǎng)液箱流至第一層營養(yǎng)液槽中，注滿第一層營養(yǎng)液槽后，多余的營養(yǎng)液會經(jīng)過第一層營養(yǎng)液槽上的溢流孔溢流到第二層營養(yǎng)液槽中，注滿第二層營養(yǎng)液槽后，多余的營養(yǎng)液會經(jīng)過第二層營養(yǎng)液槽上的溢流孔溢流到第三層營養(yǎng)液槽中，當(dāng)?shù)谌龑訝I養(yǎng)液槽中的液位傳感器監(jiān)測到營養(yǎng)液槽中的營養(yǎng)液量處于高水位時，信號會反饋給PLC，PLC關(guān)閉水泵，供液結(jié)束。將第三層營養(yǎng)液槽上的溢流孔通過溢流管與營養(yǎng)液箱連

接以防止第三層營養(yǎng)液槽中的液位傳感器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致營養(yǎng)液溢出到柜體內(nèi)部。隨著多次供液，營養(yǎng)液箱中的營養(yǎng)液量逐漸減少，當(dāng)液位傳感器監(jiān)測到營養(yǎng)液箱中的營養(yǎng)液量處于低水位時，信號會反饋給PLC，PLC會通過顯示屏發(fā)出警報，提示用戶及時添加營養(yǎng)液(如圖1)。待蔬菜培養(yǎng)一段時間后，用戶可以通過透明柜門觀察蔬菜的生長情況，選取成熟的蔬菜進(jìn)行食用，并補(bǔ)種需要的蔬菜種子。

4 結(jié) 語

根據(jù)設(shè)計方案，已完成裝置的組裝和試運(yùn)行，并投入到實(shí)際使用中，預(yù)期目標(biāo)基本完成。智能綠色栽培裝置采用自動化控制系統(tǒng)，通過PLC自動調(diào)節(jié)柜體內(nèi)部的通風(fēng)、光照、溫度以及營養(yǎng)液輸送，操作簡單，設(shè)計精美，不僅為家庭提供每日必需的新鮮蔬菜，體驗(yàn)農(nóng)業(yè)種植的快樂，還可作為家庭的綠色裝飾品，凈化空氣，實(shí)現(xiàn)低碳、環(huán)保、健康的家庭生活。