環(huán)形居家蔬菜立體栽培裝置設(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

我國(guó)家庭園藝是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程和人們對(duì)居住水平要求的提高應(yīng)運(yùn)而生的，是一個(gè)方興未艾的產(chǎn)業(yè)。它以解決城市化進(jìn)程中人與自然和諧共生的矛盾為核心，是釋放城市人壓力和回歸自然的紐帶與橋梁[1]。家庭園藝是集環(huán)保、低碳、食用、觀賞、美化、娛樂(lè)和科普為一體的現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)生活[2]。陽(yáng)臺(tái)蔬菜是現(xiàn)代家庭園藝生活的一部分，也是都市家庭休閑的一種重要方式[3]。陽(yáng)臺(tái)蔬菜主要是指利用城市樓房中的陽(yáng)臺(tái)、天臺(tái)及院子對(duì)蔬菜進(jìn)行種植[4]。它既可以滿足人們能夠在快節(jié)奏的城市生活中食用綠色無(wú)公害蔬菜的要求，同時(shí)也能夠使人們享受到種植帶來(lái)的樂(lè)趣[5]。家庭園藝越來(lái)越受到城市居民的青睞，家庭園藝也在向科技化、創(chuàng)新化方向發(fā)展[6]。芽苗菜是用作物種子或其他繁殖材料，在黑暗或弱光照環(huán)境中培養(yǎng)出的可食用的嫩芽苗、嫩梢、芽球及幼莖[7]。芽苗菜周期較短，不需要施肥料、不用農(nóng)藥即可獲得較好效果，屬于真正的綠色無(wú)公害食品[8]。為了實(shí)現(xiàn)把陽(yáng)臺(tái)變成豐產(chǎn)的菜園，且滿足陽(yáng)臺(tái)景觀化效果，根據(jù)陽(yáng)臺(tái)空間布局，合理設(shè)計(jì)蔬菜栽培裝置變得尤為重要[9]。由于空間的局限性，伴隨人們對(duì)居家環(huán)境干凈衛(wèi)生的要求，很多的陽(yáng)臺(tái)蔬菜已經(jīng)趨向于無(wú)土化，更加適宜人們目前的生活需求[10]。近年來(lái)，針對(duì)陽(yáng)臺(tái)作物專用的種植技術(shù)和裝備研究也取得一定進(jìn)展，出現(xiàn)了城市家庭蔬菜栽培裝置、新型立體栽培裝置、智能綠色栽培裝置、葉菜立體栽培裝置、裝配式立體栽培共生裝置、陽(yáng)臺(tái)型魚菜共生裝置及無(wú)土立體栽培系統(tǒng)等研究成果[11-18]。

分析上述文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的栽培裝置可知，現(xiàn)有的研究成果結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，栽培裝置制作成本高。為解決了居家蔬菜栽培對(duì)于實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的現(xiàn)實(shí)需求，在借鑒上述栽培裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從葉類蔬菜和芽苗類蔬菜生長(zhǎng)周期短、易于管理、特別適用于陽(yáng)臺(tái)種植的特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種重點(diǎn)用于葉類蔬菜和芽苗類蔬菜栽培的環(huán)形居家蔬菜立體栽培裝置。其外形美觀、空間利用率高、操作簡(jiǎn)便，能夠利用互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)灌溉和施肥作業(yè)遠(yuǎn)程控制，可以使居民擺脫經(jīng)常性管理的困擾。該裝置不僅適用于水培蔬菜，而且適用于基質(zhì)栽培蔬菜，可以用于多種葉類蔬菜和芽苗類蔬菜的栽培。同時(shí)，通過(guò)居室內(nèi)蔬菜栽培形成獨(dú)特的植物景觀，可作為居家綠色裝飾之用，易于在居家蔬菜栽培領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作方式

環(huán)型居家蔬菜立體栽培裝置由主體結(jié)構(gòu)、灌溉及施肥系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。主體結(jié)構(gòu)用于連接安裝各部件，灌溉及施肥系統(tǒng)用于蔬菜灌溉和施肥，控制系統(tǒng)用于控制灌溉和施肥系統(tǒng)的工作。

圖1 環(huán)型居家蔬菜立體栽培裝置Fig. 1 Circular stereoscopic household vegetable cultivation device

工作時(shí)，首先將栽培的蔬菜以盆栽的形式放入栽培槽內(nèi)，或?qū)⒀棵绮朔N子以育苗盤的形式放于栽培槽內(nèi)。然后在水箱內(nèi)裝入灌溉用水，在肥料罐內(nèi)裝入液體肥料。當(dāng)需要灌溉時(shí)，利用手機(jī)APP 打開水泵控制端，水泵從水箱吸水，通過(guò)供水主管道和支管道向栽培槽內(nèi)供水。當(dāng)栽培槽內(nèi)的水位到達(dá)回水管限定的高度后，多余的水從回水管道流回水箱，保持栽培槽內(nèi)有一定量的水。當(dāng)采用盆栽形式栽培蔬菜時(shí)，栽培盆內(nèi)的栽培基質(zhì)，利用毛細(xì)作用，從栽培槽內(nèi)吸取水分，供蔬菜生長(zhǎng)。當(dāng)以育苗盤形式栽培芽苗類蔬菜時(shí)，芽苗菜的根系生長(zhǎng)從育苗盤的篩孔伸入栽培槽內(nèi)吸收水分，供芽苗菜生長(zhǎng)。若需結(jié)束灌溉，可直接利用手機(jī)APP關(guān)閉灌溉系統(tǒng)。當(dāng)需要給蔬菜施肥時(shí)，利用手機(jī)APP打開控制器的肥料泵控制端，肥料泵從肥料罐內(nèi)吸收液體肥料，并注入供水管道，肥料隨灌溉水流入各栽培槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)施肥操作。

2 零部件設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)由底座、栽培架、栽培槽和地輪組成，如圖2 所示。為滿足居家蔬菜栽培對(duì)于栽培裝置外形美觀的需求，本設(shè)計(jì)底座采用半圓形結(jié)構(gòu)，栽培架采用圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，栽培槽采用圓柱形。本栽培裝置一是造型美觀，符合大眾的審美；二是采用立體栽培方式，提高了空間利用率，同時(shí)所栽培的蔬菜能夠很好地接受陽(yáng)光，滿足蔬菜生長(zhǎng)對(duì)于光照的需求。

圖2 主體結(jié)構(gòu)Fig. 2 Main structure

底座為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部用于安裝灌溉及施肥系統(tǒng)水箱、水泵、肥料箱和肥料泵，以及控制系統(tǒng)的控制器。栽培架采用中空鋼管焊接而成，鋼管可以噴涂多種顏色，適用于不同用戶審美的需求。鋼管的內(nèi)部中空部分用于安裝灌溉和施肥系統(tǒng)的主管道，支管道則從栽培槽相應(yīng)位置的開孔穿出。在栽培架的6 個(gè)對(duì)稱的位置有6 個(gè)栽培槽。栽培槽為圓盤，每個(gè)栽培槽與栽培架對(duì)應(yīng)的位置有2 個(gè)通孔，上方的通孔用于灌溉和施肥系統(tǒng)的供水支管道穿入，下方的通孔用于安裝回水支管。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低制造成本，栽培槽以焊接的形式與栽培架連接。底座底部安裝有4 個(gè)地輪，便于裝置移動(dòng)。

2.2 灌溉及施肥系統(tǒng)

灌溉及施肥系統(tǒng)由水箱、水泵、供水管道、滴頭、回水管道、肥料罐、肥料泵和輸肥管道等組成，如圖3所示。水箱用于存放灌溉用水，安裝于底座內(nèi)部，截面為扁圓形。水泵用于給水箱內(nèi)的水加壓，并輸送至供水管道。由于灌溉水循環(huán)利用，回流入水箱的灌溉水中，可能會(huì)含有雜質(zhì)，水泵采用帶有過(guò)濾器的潛水泵，可過(guò)濾灌溉水中的雜質(zhì)，防止供水管道及滴頭的堵塞。供水管道由供水主管和供水支管組成，供水主管與水泵連接，使水輸送到各供水支管。供水主管安裝于栽培架的內(nèi)部，供水支管從各栽培槽相應(yīng)位置穿出。滴頭安裝于各供水支管的末端，由于各滴頭的安裝高度不同，會(huì)產(chǎn)生壓力差，造成供水不均勻，本設(shè)計(jì)采用壓力補(bǔ)償型的滴頭，可保證各栽培槽內(nèi)的供水均勻?；厮艿腊ɑ厮Ч芎突厮鞴??；厮Ч芤欢送ㄟ^(guò)接頭連接各栽培槽，另一端與回水主管連接。栽培槽內(nèi)的水位到達(dá)所限定的高度后，灌溉水會(huì)從回水支管流入回水主管，回水主管的出口放置在水箱內(nèi)，各支管從栽培槽內(nèi)回流的水沿回水主管流回水箱。肥料罐用于存放液體肥料。肥料泵為潛水泵，安裝于肥料罐內(nèi)，肥料泵通過(guò)輸肥管道與供水主管相連，當(dāng)肥料泵工作時(shí)，可以將肥料罐內(nèi)的肥料輸送至供水主管，肥料隨灌溉水一起從各滴頭輸入栽培槽內(nèi)。

圖3 灌溉及施肥系統(tǒng)Fig. 3 Irrigation and fertilization system

2.3 控制系統(tǒng)

采用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制器作為控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。用戶可通過(guò)手機(jī)APP 或小程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的灌溉和施肥?？刂破鞑捎脙陕房刂破?，一路用于控制水泵的開啟和關(guān)閉，另一路用于控制肥料泵的開啟和關(guān)閉。

圖4 控制系統(tǒng)工作流程Fig. 4 Work flow of control system

3 樣機(jī)試驗(yàn)

依據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果制作了環(huán)形居家蔬菜立體栽培裝置的樣機(jī)。利用樣機(jī)進(jìn)行了豌豆芽苗菜、蕎麥芽苗菜、蕓松芽苗菜等多種芽苗菜的種植試驗(yàn)。試驗(yàn)栽培時(shí)間為2021 年6 月13-21 日。管理便捷度、觀賞性和用戶綜合滿意度指標(biāo)采用用戶調(diào)查方法采集，5 分為最佳。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。結(jié)果表明：能夠滿足芽苗菜的栽培要求，生長(zhǎng)情況良好，從平均苗高和單位面積鮮質(zhì)量指標(biāo)看，栽培效果優(yōu)于普通立體栽培裝置；管理便捷度、觀賞性、用戶綜合滿意度也優(yōu)于普通立體栽培裝置。

表1 芽苗菜栽培試驗(yàn)Tab. 1 sprout cultivation test

4 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)形居家蔬菜立體栽培裝置外形美觀、空間利用率高、操作簡(jiǎn)便，利用互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)灌溉和施肥作業(yè)遠(yuǎn)程控制。適用于居家水培和基質(zhì)栽培多種葉類和芽苗類蔬菜的栽培；可形成獨(dú)特的植物景觀，可作為綠色裝飾之用；易于在居家蔬菜栽培領(lǐng)域進(jìn)行推廣。