組合式超聲波芽苗菜栽培裝置的設(shè)計(jì)

郭 翼，張桂琴

（1北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442；2北京綠山谷芽菜有限責(zé)任公司，北京 100074）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們愈來(lái)愈關(guān)注飲食健康，更傾向于選擇營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的食品。植物源蔬菜中的許多成分具有生物活性，而且可參與人體許多重要的代謝過(guò)程。但是，很多蔬菜因季節(jié)性以及地域性的限制而不能滿足人們的需求。相關(guān)研究表明可食性種子發(fā)芽后可以顯著提高它們的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和功能[1]。芽苗菜是利用各種豆類、谷類、樹類及其他植物種子或其他營(yíng)養(yǎng)器官在適宜環(huán)境條件下發(fā)育成幼嫩的芽、苗、莖等作為食用的一種新型活體蔬菜[2]。芽苗菜自身營(yíng)養(yǎng)豐富，屬于堿性食品，部分芽苗菜更兼具一定的藥用或保健價(jià)值，而且其生產(chǎn)過(guò)程采用水培方式，不涉及化肥、農(nóng)藥投入，因此被公認(rèn)是一種綠色無(wú)污染、食用安全的新型蔬菜[3-4]，具有非常廣闊的發(fā)展前景[5]。但是，芽苗菜栽培過(guò)程中管理工作量較大，限制了芽苗菜的推廣，芽苗菜專用自動(dòng)化栽培裝置的研究與開發(fā)，可解決芽苗菜栽培中存在的問(wèn)題，對(duì)芽苗菜的推廣具有重要的意義。

通過(guò)文獻(xiàn)檢索得知，對(duì)于小型栽培裝置的相關(guān)研究很多。蔣蘋等[6]設(shè)計(jì)了一種氣霧栽培箱裝置；陶柳等[7]設(shè)計(jì)了一種菱形陽(yáng)臺(tái)水培裝置；徐文棟等[8]設(shè)計(jì)了一種適宜家庭蔬菜栽培的裝置；朱志浩等[9]設(shè)計(jì)了一種智能綠色栽培裝置；蔣宗祥等[10]設(shè)計(jì)了采用超聲波霧化的新型植物氣霧栽培裝置；申再賀等[11]設(shè)計(jì)了可控微環(huán)境氣霧立體栽培監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)；張曉文等[12]設(shè)計(jì)出了葉菜立體栽培裝置控制系統(tǒng)。

氣霧栽培作為一種新型的水培方法，是將營(yíng)養(yǎng)液霧化為小霧滴，直接噴射到植物根系表面以提供生長(zhǎng)所需水分和養(yǎng)分的一種農(nóng)業(yè)高新技術(shù)[13]。根系作為獲取養(yǎng)分和水分的重要器官，其生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)劣會(huì)對(duì)蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響。氣霧栽培可以增大植物根系對(duì)水和養(yǎng)分的接觸面積，從而提高根系對(duì)水和養(yǎng)分利用效率[14]。有利于提高蔬菜生長(zhǎng)速度且有利于改善部分蔬菜品質(zhì)[15]。氣霧栽培具有極大的開發(fā)潛力，是解決根系水氣矛盾問(wèn)題的很好的一種形式[16]。氣霧栽培通常比常規(guī)模式栽培植物的生長(zhǎng)速度提高3～5倍，可有效解決水培中根系缺氧問(wèn)題，傳統(tǒng)水培導(dǎo)致農(nóng)作物缺氧爛根，影響作物正常生長(zhǎng)，而氣霧栽培作物的根系直接裸露在空氣中，根系與空氣直接接觸，不易發(fā)生爛根現(xiàn)象[17-18]。氣霧栽培與水培和土壤栽培相比，生長(zhǎng)周期更短，效率更高[19]。還具有節(jié)水、增產(chǎn)增效等優(yōu)勢(shì)[20]。

雖然栽培裝置相關(guān)的研究成果較多，但組合式芽苗菜栽培的專用設(shè)備較少。目前，芽苗菜的栽培方式主要還是育苗盤單層平鋪式栽培和立體多層架式栽培。如用戶需要栽培量大時(shí)，采用單層平鋪式栽培占地面積大，不適于居家栽培使用。立體多層架式栽培，雖然空間利用率高，但是家庭栽培中美觀性欠佳。為解決芽苗菜栽培對(duì)于自動(dòng)化管理的需要，本文設(shè)計(jì)了一種組合式超聲波芽苗菜栽培裝置。組合方式靈活，可根據(jù)栽培空間自動(dòng)組合，而且采用自動(dòng)化管理，在栽培過(guò)程中無(wú)須人工管理。另外，采用超聲波方式進(jìn)行灌溉，不僅可以滿足芽苗菜對(duì)水分的需求，還能協(xié)調(diào)根系的水氣供應(yīng)矛盾，使芽苗菜生長(zhǎng)速度提高，減少爛根等現(xiàn)象。

1 總體設(shè)計(jì)

該裝置由底座、催芽系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，見圖1。底座用于安裝控制器和催芽系統(tǒng)。催芽系統(tǒng)用于為芽苗菜種子提供催芽環(huán)境。栽培系統(tǒng)用于芽苗菜的栽培，由霧化箱、育苗盤、霧化器、風(fēng)機(jī)、水位傳感器、進(jìn)水管、進(jìn)水閥等組成。補(bǔ)光系統(tǒng)可為芽苗菜生長(zhǎng)過(guò)程中補(bǔ)充光照?？刂葡到y(tǒng)用于控制霧化器和補(bǔ)光燈的自動(dòng)開啟和關(guān)閉。

圖1 組合式超聲波芽苗菜栽培裝置

2 零部件的設(shè)計(jì)

2.1 底座的設(shè)計(jì)

底座為箱體結(jié)構(gòu)，見圖2。底部有4個(gè)輪子，可以使栽培裝置便于移動(dòng)。前部有2個(gè)獨(dú)立的箱門。底座內(nèi)部通過(guò)隔板分為2部分，一部分用于安裝控制器，另一部用于安裝催芽系統(tǒng)，2部分各有獨(dú)立的箱催芽系統(tǒng)門，在安裝控制器部分的箱門上有開孔，用于安裝顯示屏和按鈕。

圖2 底座

2.2 催芽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

催芽是芽苗菜栽培初期的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，芽苗菜種子必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間避光的催芽階段，才能進(jìn)入見光生長(zhǎng)階段。催芽過(guò)程要求種子所處的環(huán)境有足夠的濕度。本設(shè)計(jì)催芽系統(tǒng)位于底座的內(nèi)部，為種子發(fā)芽提供了避光的環(huán)境，采用超聲波霧化方式，使芽苗菜種子能保持足夠的水分供應(yīng)。催芽系統(tǒng)包括催芽水箱、霧化器、進(jìn)水管、進(jìn)水閥、水位傳感器、育苗盤和支架，見圖3。催芽水箱用于存放一定量的霧化用水。霧化器用于使水箱內(nèi)的水霧化，以保持種子水分供應(yīng)。水位傳感器用于感知水箱內(nèi)的水位，當(dāng)水位低于霧化器工作的最低水位時(shí)，將信號(hào)傳輸給控制器，控制器控制進(jìn)水閥打開，向催芽水箱內(nèi)補(bǔ)水；當(dāng)水位高于霧化器工作最高水位時(shí)，將信號(hào)傳輸給控制器，控制器控制進(jìn)水閥關(guān)閉，停止向催芽水箱內(nèi)補(bǔ)水。育苗盤內(nèi)用于放置芽苗菜種子，育苗盤通過(guò)支架分隔和支撐，以使各育苗盤內(nèi)的種子都能夠保持足夠的濕度。

圖3 催芽系統(tǒng)

2.3 栽培系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為使本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自由的組合，每個(gè)栽培系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相同，用戶在芽苗菜栽培過(guò)程中，可以根據(jù)需要采用一個(gè)或多個(gè)栽培系統(tǒng)。氣霧栽培的核心設(shè)備是霧化裝置，超聲波霧化可有效解決了氣霧栽培技術(shù)中營(yíng)養(yǎng)液霧滴大而導(dǎo)致的洗根問(wèn)題[21]，與現(xiàn)有的氣霧栽培方式相比有效減小了霧滴直徑、削弱了霧滴沖擊力并提高了霧化的均勻度[22]。故本設(shè)計(jì)栽培系統(tǒng)采用超聲波霧化方式滿足芽苗菜對(duì)水分的需求。栽培系統(tǒng)由霧化箱、育苗盤、霧化器、風(fēng)機(jī)、水位傳感器、進(jìn)水管、進(jìn)水閥等組成，見圖4。霧化箱用于存放霧化用水；育苗盤用于芽苗菜的生長(zhǎng)；霧化器用于產(chǎn)生水霧，滿足芽苗菜生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)水分的需求；風(fēng)機(jī)用于使霧化箱內(nèi)水霧均勻分布和芽苗菜根部的通風(fēng)；水位傳感器采集霧化箱內(nèi)的水位信號(hào)，并傳用于控制系統(tǒng)；進(jìn)水箱用于向霧化箱補(bǔ)水；進(jìn)水閥由控制系統(tǒng)控制打開和關(guān)閉。

圖4 栽培系統(tǒng)

霧化箱為長(zhǎng)方形狀，上部開口用于安裝育苗盤，每個(gè)霧化箱上部可安裝兩個(gè)育苗盤。霧化箱的上部和下部的四角處有孔，用于在使用多個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)安裝立柱。在霧化箱上部端面的中間位置各有一個(gè)孔，用于補(bǔ)光燈的安裝。育苗盤采用底部布滿通孔的芽苗菜專用育苗盤，通孔的采用3 mm×3 mm和5 mm×5 mm 2種規(guī)格，小粒種子的芽苗菜栽培可采用通孔為3 mm×3 mm育苗盤，大粒種子芽苗菜栽培可使用通孔為5 mm×5 mm的育苗盤。利用育苗盤四周的臺(tái)階，可以放置于霧化箱上部開口處。霧化器設(shè)置2個(gè)在霧化箱的兩側(cè)。霧化器采用超聲波霧化器，為保證足夠的霧量選用四頭超聲波霧化器，每個(gè)霧化箱內(nèi)設(shè)置2個(gè)霧化器。霧化箱的一側(cè)有風(fēng)機(jī)，在芽苗菜栽培過(guò)程中，可使超聲波霧化器產(chǎn)生的水霧均勻分布，以使芽苗菜能夠都得充分的水分供給，同時(shí)可以使根系獲得充足的空氣供給。在霧化箱內(nèi)部設(shè)有水位傳感器，當(dāng)水位低于霧化器工作最低水位時(shí)，水位傳感器將信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)則控制進(jìn)水閥打開，自動(dòng)向霧化箱內(nèi)補(bǔ)水，當(dāng)水位高于霧化器工作最高水位時(shí)，水位傳感器將信號(hào)傳輸給系統(tǒng)，控制系統(tǒng)則控制進(jìn)水閥關(guān)閉，停止向霧化箱內(nèi)補(bǔ)水。

2.4 補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的重要環(huán)境因素、葉綠素合成的必要條件和光合作用的能量來(lái)源，可直接影響植物各種生理代謝，也是調(diào)節(jié)植物形態(tài)和生物節(jié)律等的重要生命活動(dòng)信號(hào)，對(duì)植物的生物量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)具有較大影響[23]。芽苗菜作為幼苗蔬菜對(duì)光環(huán)境的變化十分敏感。光照不足會(huì)造成芽苗菜呈黃化、徒長(zhǎng)、畸形和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量少等不良現(xiàn)象，而光強(qiáng)過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致芽苗菜纖維含量增多，影響口感，這些都不利于生產(chǎn)口感清脆、營(yíng)養(yǎng)豐富的芽苗菜。LED燈因具有壽命長(zhǎng)、光效率高、能耗小、體積小、質(zhì)量輕、安全可靠耐用、可發(fā)射單色窄光譜、光質(zhì)易于組合與調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，已成為植物生長(zhǎng)過(guò)程光調(diào)控的重要人工光源[24-25]。

為使芽苗菜在生長(zhǎng)過(guò)程中，能夠獲得充足的光照，本設(shè)計(jì)設(shè)置了補(bǔ)光系統(tǒng)。補(bǔ)光燈采用由紅光和藍(lán)光組成為L(zhǎng)ED植物生長(zhǎng)燈，紅光波長(zhǎng)為450 nm，藍(lán)光波長(zhǎng)為650 nm，紅藍(lán)光比例為1:1。由于栽培環(huán)境濕度較大，補(bǔ)光燈的外部采用透明塑料罩保護(hù)。根據(jù)用戶的需要，補(bǔ)光燈安裝于霧化箱的上部或下部的安裝孔處。在底座的后部安裝有光照傳感器，采用光照數(shù)據(jù)，當(dāng)光照不足時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)光照采集的數(shù)據(jù)控制補(bǔ)光燈打開。

2.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)用于根據(jù)水位傳感器的信號(hào)控制催芽水箱和霧化箱進(jìn)水閥的打開和關(guān)閉；根據(jù)光照料傳感器的信號(hào)控制補(bǔ)光類的打開；設(shè)定每次補(bǔ)光的工作時(shí)間，即當(dāng)補(bǔ)光時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)光燈?？刂葡到y(tǒng)的工作流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)工作流程

3 栽培裝置的應(yīng)用

為滿足用戶栽培的需求，本設(shè)計(jì)可以采用多種組合方式。用戶可以根據(jù)用戶需要選用一個(gè)或多個(gè)栽培系統(tǒng)，見圖6。當(dāng)用戶選用1個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)，其安裝方式如圖6(a)所示；當(dāng)用戶選用2個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)，其安裝方式如圖6(b)所示；當(dāng)用戶選用4個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)，其安裝方式如圖6(c)所示；當(dāng)用戶選用6個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)，其安裝方式如圖6(d)所示。用戶可以根據(jù)自己的需求，自行組合。

圖6 栽培裝置的應(yīng)用

4 結(jié)論

組合式超聲波芽苗菜栽培裝置由底座、催芽系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成?？梢愿鶕?jù)用戶需要選用一個(gè)或多個(gè)栽培系統(tǒng)進(jìn)行組合，組合方式靈活。該裝置設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了樣機(jī)制作，并利用樣機(jī)進(jìn)行了豌豆和蘿卜等芽苗菜的栽培試驗(yàn)，結(jié)果表明：該裝置采用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)催芽系統(tǒng)和栽培系統(tǒng)的自動(dòng)供水，以及補(bǔ)光系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)光，在栽培過(guò)程中無(wú)須人工管理。催芽系統(tǒng)和栽培系統(tǒng)采用超聲波方式進(jìn)行霧化，不僅可以滿足芽苗菜對(duì)水分的需求，還能協(xié)調(diào)根系的水氣供應(yīng)矛盾，使芽苗菜發(fā)芽和生長(zhǎng)速度提高，減少爛根等現(xiàn)象。該裝置使芽苗菜栽培過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，對(duì)芽苗菜的推廣具有重要的意義