移動式自動控溫型家庭園藝栽培裝置的開發(fā)

張梅 鄒承俊 馬偉

家庭園藝是指利用溫室園藝相關(guān)栽培技術(shù)，在家庭內(nèi)部的空閑空間進(jìn)行芽苗菜、葉菜和花卉等的栽培，以滿足人們對健康食物和身心休閑的雙重需求。該技術(shù)的核心是園藝栽培技術(shù)和智能栽培裝備。傳統(tǒng)的溫室園藝需要較大空間，為了更好地利用空間，家庭園藝可采用多層栽培架，即將種植盤放置在多層架子上，整個生長期都在架子上完成，利用家庭的一個角落狹小的空間即可完成種植，兼具觀賞的作用。同時，移動式結(jié)構(gòu)便于搬運(yùn)，可以充分利用太陽光進(jìn)行補(bǔ)光。此外栽培裝置還應(yīng)實現(xiàn)自動控溫，確保家庭園藝栽培處于穩(wěn)定的溫度環(huán)境，為定期采收提供保障。

裝置設(shè)計原理

栽培盤采用“上網(wǎng)盤+下托盤”的雙層結(jié)構(gòu)，上網(wǎng)盤底部有很多細(xì)孔，便于根系生長，還可以讓水滲流上來。根扎下去后，一部分根在水面上，可以進(jìn)行呼吸作用，滿足根的氣體交換;一部分根在水面下，在下托盤的水里伸長纏繞，為植物生長提供水分。

控溫系統(tǒng)為分體式結(jié)構(gòu)，包括控制器、傳感器、加溫系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)等?？刂破鞑捎?1系統(tǒng)單片機(jī)作為處理器，采用彩色數(shù)碼管模塊顯示數(shù)值，可以根據(jù)獲取的栽培盤溫度信息和預(yù)先設(shè)定的溫度閾值自動控制加溫系統(tǒng)或降溫系統(tǒng)。加溫系統(tǒng)主要是冬季使用，利用發(fā)熱絲直接對下托盤的水進(jìn)行加熱，對根部起到提溫的作用，保障冬季生長溫度;降溫系統(tǒng)主要是夏季使用，采用小型冷氣扇對栽培盤進(jìn)行降溫，冷風(fēng)能調(diào)節(jié)小范圍內(nèi)微氣候以適應(yīng)植物生長。

溫度傳感器為4～20 mA電流信號輸出，采用不銹鋼封裝。傳感器放置在下托盤中，實時測量當(dāng)前栽培盤中的水溫，可放置多組，同時采集溫度值傳輸至控溫系統(tǒng)的控制器進(jìn)行處理。

裝置設(shè)計構(gòu)造

裝置共有3層結(jié)構(gòu)，總高度為88 cm，每層高度40 cm，總寬度為66 cm（圖2）。裝置采用螺栓連接，可以根據(jù)家庭角落的具體尺寸調(diào)節(jié)。每層都為凹槽結(jié)構(gòu)，采用2 mm鋼板折彎后焊接噴塑。每層栽培盤內(nèi)部通過玻璃防水膠密封，密封后的凹槽不會漏水。從材料強(qiáng)度計算，理論最大寬度可以達(dá)到2.2 m。

控溫系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括控制器、傳感器等（圖3）?？刂破鹘油?20V交流電源，可以直接通過內(nèi)部電源模塊轉(zhuǎn)換后給傳感器通電，既可放置在栽培架上，也可固定在栽培架側(cè)面。控制器通過2組按鍵分別控制溫度范圍，左側(cè)為上閾值控制按鍵，右側(cè)為下閾值控制按鍵，中間為程序選擇模式開關(guān)，包括加溫模式、降溫模式2種。

在冬季種植豌豆苗，選擇加溫模式，開機(jī)后默認(rèn)為上次關(guān)機(jī)的溫度，通過上下箭頭將左側(cè)設(shè)定35.5℃，將右側(cè)設(shè)定28℃，然后將電熱絲按照“S”型分布在栽培盤的下托盤水里進(jìn)行加熱。水溫達(dá)到35.5℃時，自動進(jìn)入保溫狀態(tài)，直到溫度緩慢下降到28℃以下時，控制器接通電熱絲再次加熱栽培盤里的水。這就實現(xiàn)了通過控溫水培方式來培育豌豆苗。

栽培工藝設(shè)計為水培方式，首先將豌豆平鋪到下托盤，覆蓋下托盤底面積的4/5，然后加88 mL溫水（42℃），用上托盤反過來扣住，放置在栽培架上42 h，待豌豆的根長至1 cm時，將豌豆從下托盤倒入上托盤中，用鑷子逐一調(diào)整豌豆，將其平鋪到上托盤的網(wǎng)孔底板上。每個栽培盤加入160 mL溫水，將電熱絲按照“S”型直接放在下托盤的水里，彎曲5～8道確保加熱均勻，放好上托盤即可。

裝置應(yīng)用效果

在成都冬季環(huán)境采用該裝置進(jìn)行水培試驗，控溫系統(tǒng)最高溫度設(shè)定為30℃，最低溫度設(shè)定為25℃，4天內(nèi)發(fā)芽可長到2 cm，接下來豌豆苗6天內(nèi)高度可長到16 cm（圖4），此時可采收1次。通過恰當(dāng)?shù)牟シN和溫度管理，可實現(xiàn)每天采收1次。

播種可根據(jù)實際需要，連續(xù)6天，每天播種1次，采收期也將按照播種順序逐一進(jìn)行。實際試驗發(fā)現(xiàn)，水培豌豆苗每播種1次可連續(xù)收獲3次，每次每盤收獲的豌豆苗平均重量在190 g左右。第3次以后由于部分根部發(fā)霉，觀賞性不好，不再繼續(xù)收獲。

展望

家庭園藝可以保證居住的綠色環(huán)境，具有美化生活和豐富情趣的功能。在家里連續(xù)生產(chǎn)出蔬菜，對于缺少農(nóng)業(yè)知識的人來說也具有極大的滿足感，豐富了城市里生產(chǎn)健康蔬菜的途徑。同時，該系統(tǒng)成本較低，每套系統(tǒng)價格不足千元，有助于推廣至千家萬戶。系統(tǒng)采用可靠的模塊化設(shè)計，由于電路為單一功能，可根據(jù)生產(chǎn)實際靈活調(diào)節(jié)，顯著提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

*項目支持：成都地方財政專項資金項目（NASC2020KR05）。

[引用信息]張梅，鄒承俊，馬偉.溫室智能裝備系列之一百二十六 移動式自動控溫型家庭園藝栽培裝置的開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2021，41（07）：54-55.