綠色低碳背景下智能種植產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究

摘要：在大健康戰(zhàn)略背景下，綠色低碳發(fā)展和人與自然和諧共生已成為重要研究課題，其中城市居民對(duì)綠色健康生活方式的追求尤為突出。文章主要研究智能果蔬種植產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，調(diào)研國(guó)內(nèi)外智能種植產(chǎn)品現(xiàn)狀，分析其優(yōu)劣，再結(jié)合果蔬植被的生長(zhǎng)特性、種植模式和環(huán)境影響等因素，對(duì)智能種植產(chǎn)品可行性進(jìn)行調(diào)查研究。此外，結(jié)合當(dāng)代家庭結(jié)構(gòu)特征，分析家庭種植的本質(zhì)需求，通過對(duì)我國(guó)智能果蔬種植產(chǎn)品的現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)研究，深入分析如何將模塊化和智能技術(shù)嵌入種植產(chǎn)品中，并提出智能果蔬種植產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新路徑，旨在貫徹綠色健康理念，增強(qiáng)公眾的綠色環(huán)保意識(shí)，為綠色健康生活提供新路徑。

關(guān)鍵詞：家庭用戶；果蔬種植；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；智能化

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2024）21-00-03

1 研究背景及現(xiàn)狀

1.1 研究背景

綠色低碳是指降低碳排放量，減少環(huán)境污染的綠色生活與生產(chǎn)方式，是一種健康的生活方式與理念。隨著科技的快速發(fā)展，人類生活質(zhì)量顯著提升，人口數(shù)量顯著增長(zhǎng)，這一發(fā)展趨勢(shì)使人們對(duì)生活品質(zhì)提出更高要求，其中健康飲食成為關(guān)注重點(diǎn)。果蔬作為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢扇钡氖澄锕┙o，在保障居民營(yíng)養(yǎng)健康方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但當(dāng)前果蔬種植受到環(huán)境污染、農(nóng)藥殘余等諸多因素的影響，危害著居民的健康。如今，人們對(duì)家庭種植的需求激增，開始追求果蔬儲(chǔ)備充足的生活，以防出現(xiàn)緊急情況而導(dǎo)致食物短缺。在這一環(huán)境下，家庭果蔬智能設(shè)備迎來(lái)了廣闊市場(chǎng)。

1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)外智能種植設(shè)備發(fā)展成熟且應(yīng)用廣泛，早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)開始使用植物工廠技術(shù)［1］，到了20世紀(jì)下半葉種植范圍逐漸擴(kuò)大，種類增多，植物生長(zhǎng)、培育、防護(hù)逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管控。

隨著科技的進(jìn)步，我國(guó)智能種植行業(yè)開始迅速發(fā)展并呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)，涌現(xiàn)出許多典型的智能種植設(shè)備，如智能種植艙、無(wú)土栽培機(jī)、懶人種植盆、種植袋，等等。國(guó)內(nèi)外智能種植設(shè)備不斷升級(jí)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師、工程技術(shù)人員開始將智能技術(shù)與作物栽培相結(jié)合，開發(fā)出了更多功能齊全的智能種植設(shè)備。

2 綠色種植條件分析

2.1 種植要素

果蔬種植的基本要素是氣溫、太陽(yáng)光線、水、大氣和土壤。

氣溫不僅是影響植被發(fā)展的基礎(chǔ)要素，也是限制植物分布的關(guān)鍵。氣溫的變化會(huì)干擾植株的正常生長(zhǎng)，會(huì)威脅植株的開花結(jié)果，因此一個(gè)特定區(qū)域的植株無(wú)法在環(huán)境差異較大的其他地方順利成長(zhǎng)。太陽(yáng)光線是影響植被正常新陳代謝的另一個(gè)重要因素。光合作用是植株成長(zhǎng)的必要條件，太陽(yáng)光是植株正常生長(zhǎng)的必要能源。水是地球上所有生物生存的基礎(chǔ)，可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，使其細(xì)胞得到充足的養(yǎng)分，從而使植物的枝葉變得茂盛。大氣是一切綠色植物生長(zhǎng)所必需的物質(zhì)，空氣中含有大量二氧化碳，它既是光合作用的原料，也是綠色植物呼吸作用的重要來(lái)源。土壤是植株生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，不僅有助于創(chuàng)造溫暖、濕潤(rùn)的環(huán)境，還能保證根系的穩(wěn)定。

2.2 種植方式

果蔬的栽培方式主要有兩種，分別是無(wú)土栽培和有土栽培。

無(wú)土栽培［2］，即使用各種介質(zhì)，如皓石、水、砂礫等作為植被根系的基質(zhì)，從而固定植株，使植物根部能夠直接接觸到營(yíng)養(yǎng)液。這種種植方法的精確性和可控性較強(qiáng)，確保了作物的高產(chǎn)，但對(duì)資本投入、設(shè)備配置以及技術(shù)方面的要求都相對(duì)較高［3］。

有土栽培作為人類數(shù)千年來(lái)一直沿用的傳統(tǒng)種植方式，有著顯著的成本優(yōu)勢(shì)。植物主要依賴土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)滿足其生長(zhǎng)需求，因此土壤是植物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源。有土栽培方式雖然產(chǎn)量沒有固定的保障，但適用種植地區(qū)廣，所以仍然是目前最主要的種植方式。

2.3 種植環(huán)境

在大多數(shù)城市中，人們種植果蔬的環(huán)境多為陽(yáng)臺(tái)和半封閉陽(yáng)臺(tái)，有窗戶和圍欄，其用途一般都是晾曬衣物、種植植物、休息娛樂等。城市家庭主要是三到五口之家，通常是兩代或三代人共同居住。陽(yáng)臺(tái)面積通常在3～10平方米之間，由于地域不同、陽(yáng)臺(tái)朝向不一，照射到陽(yáng)臺(tái)的光線也會(huì)有所不同。

果蔬種植方法主要有地面平鋪、陽(yáng)臺(tái)擺放、墻面掛置和種植架堆疊等多種方式，用于種植的容器主要包括花盆、塑料瓶、泡沫箱、塑料種菜箱和種植袋等。在種植果蔬時(shí)，人們通常會(huì)考慮陽(yáng)臺(tái)的朝向和日照時(shí)間等因素，其中葉菜類蔬果是最受歡迎的種植類型，但由于陽(yáng)臺(tái)的面積有限，其不能滿足一個(gè)五口家庭的食用需求。

2.4 現(xiàn)代家用種植技術(shù)

現(xiàn)代家用種植智能產(chǎn)品應(yīng)用的技術(shù)包括LED光照控制系統(tǒng)、驅(qū)蚊燈照控制系統(tǒng)、抽水澆灌系統(tǒng)、總控制系統(tǒng)、藍(lán)牙連接系統(tǒng)和屏幕顯示系統(tǒng)。

LED光照系統(tǒng)主要用于控制照射植被和機(jī)身的光線能量，因此需要將光照系統(tǒng)置于產(chǎn)品上部；供水系統(tǒng)由于重量較大，需要置于產(chǎn)品底部，這樣有助于保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，防止移動(dòng)。驅(qū)蚊燈照控制系統(tǒng)需要吸引蚊蟲，因而需要放置在產(chǎn)品中間，便于吸引蚊蟲，并能有效照射到作物側(cè)面，保證效果最大化。抽水澆灌系統(tǒng)需要及時(shí)補(bǔ)充作物生長(zhǎng)所需的水分，可以通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操縱，也可以在機(jī)身上進(jìn)行手動(dòng)控制，科學(xué)控制水量，更好地滿足作物生長(zhǎng)需求。

基于智能化需求，種植產(chǎn)品的顯示系統(tǒng)集成了多種傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)，同時(shí)支持藍(lán)牙連接功能。這種設(shè)計(jì)使用戶能夠直觀了解種植環(huán)境和作物生長(zhǎng)狀態(tài)，讓用戶更加省心且快速掌握信息。

3 智能種植產(chǎn)品可行性分析

3.1 模塊化種植

模塊化種植對(duì)于當(dāng)代城市家庭來(lái)說(shuō)有著諸多優(yōu)勢(shì)，適合新手種植家庭。模塊化種植產(chǎn)品不僅可以節(jié)約室內(nèi)空間，還可以根據(jù)每個(gè)模塊定制不同的蔬菜類型。模塊化種植的果蔬數(shù)量多，能夠滿足城市家庭每日果蔬需求，并且模塊化方便拆卸且可堆疊，能夠解決目前市面上智能種植產(chǎn)品的數(shù)量問題，滿足大家庭和小家庭的個(gè)性化需求。在模塊化設(shè)計(jì)下，相同部件的模塊相同，能減少模具制作成本，并且使用者可以根據(jù)其需求進(jìn)行排列組合。種植方式可分為有土栽培和無(wú)土栽培兩種，種植模塊也可以分為根莖植物模塊、水生植物模塊、綠葉植物模塊、菌菇種植模塊等，十分契合城市家庭所需。

3.2 無(wú)土栽培種植

無(wú)土栽培需要營(yíng)養(yǎng)液、水、種植皿、光照［4］，而在陽(yáng)臺(tái)種植作物則會(huì)面臨光照不足的困境。很多人認(rèn)為陽(yáng)臺(tái)或窗戶朝南就能得到充足的光照，但現(xiàn)實(shí)并非如此，只靠小陽(yáng)臺(tái)或小窗戶很難得到充足的光照。除了太陽(yáng)的直射光，散射光也能為植物提供全方位光照，植物葉子的生長(zhǎng)方式通常呈環(huán)狀排列，能夠更有效地捕捉光線。因此，僅依賴一面窗戶提供的陽(yáng)光往往會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)不均，出現(xiàn)傾斜或陰面發(fā)育不良的情況。陽(yáng)臺(tái)或窗戶能提供的光照不僅不均勻，時(shí)長(zhǎng)也得不到保障，同時(shí)還存在樓間距不足造成的遮擋等問題，因此人工光源至關(guān)重要。許多植被需要補(bǔ)光，如今的智能無(wú)土種植設(shè)備、植物工廠、智能花盆等都會(huì)在頂部設(shè)計(jì)LED光源產(chǎn)品，為植被補(bǔ)充足夠的光源，讓植被的生長(zhǎng)速度變快，從而增加產(chǎn)量，縮短種植周期。

3.3 有土栽培種植

有土栽培種植需要土壤、水分和光照，當(dāng)前市面上針對(duì)有土栽培的種植產(chǎn)品，需要具備儲(chǔ)水和蓄水功能。例如，種植盆在底部設(shè)置蓄水盆，在蓄水盆中部設(shè)置種植層，再通過吸水棉棒將水吸入種植盆內(nèi)，這樣可以避免因外出忘記澆水而導(dǎo)致植被枯死的情況，增加存活概率且方便實(shí)用。

3.4 自循環(huán)體系

擁有自循環(huán)體系的智能果蔬種植產(chǎn)品，可以通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)使用空間最大化和占地面積最小化。通過LED燈實(shí)現(xiàn)人工補(bǔ)充光照，幫助植被生長(zhǎng)。設(shè)置水土分離的兩種容器，一種專門蓄水且可以查看水量，一種專門盛放無(wú)土栽培皿和有土種植土壤，這樣可以使種植過程更加干凈整潔，減少細(xì)菌滋生問題。再在頂部設(shè)置倒水口，通過電力系統(tǒng)和噴霧頭在作物上方補(bǔ)充水分，幫助作物更好地生長(zhǎng)。另外，可以通過機(jī)身開關(guān)和智能手機(jī)App進(jìn)行終端控制，實(shí)現(xiàn)一體化種植。

4 智能種植產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 設(shè)計(jì)原則

家庭智能果蔬種植產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)原則，綜合考慮產(chǎn)品的功能、用途、屬性、材質(zhì)等。第一，實(shí)用性原則。由于家庭果蔬種植產(chǎn)品是為了種植果蔬而被發(fā)明出來(lái)，因此必須具有實(shí)用性，而不是脫離實(shí)際無(wú)法栽培。第二，美觀性原則。家庭果蔬種植產(chǎn)品放置在室內(nèi)且占有一定面積，隨著人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)室內(nèi)裝修與陳設(shè)的要求也在變高，因此種植產(chǎn)品必須具有美觀性。產(chǎn)品的外觀不僅會(huì)影響消費(fèi)者的購(gòu)買欲望，也會(huì)推進(jìn)產(chǎn)品造型的變革。第三，安全性原則。作為智能種植產(chǎn)品，設(shè)備需要經(jīng)常運(yùn)行與維護(hù)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理規(guī)劃電路及相關(guān)電子設(shè)置，防止意外事故的發(fā)生，保障使用者的安全。

4.2 種植原理

家庭智能果蔬種植產(chǎn)品［5］適用于多年齡段用戶，用戶可以根據(jù)自身需求對(duì)有土栽培和無(wú)土栽培兩種模塊進(jìn)行分配組合。種植過程中不可避免會(huì)招致一些飛蟲，為了防止室內(nèi)環(huán)境污染與植被受到損傷，設(shè)置驅(qū)蚊燈可以幫助解決飛蟲問題，幫助植物更好地生長(zhǎng)。由于陽(yáng)臺(tái)朝向的關(guān)系，植被所需的陽(yáng)光不足，因此需要補(bǔ)充額外的光照來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng)。當(dāng)光照不足時(shí)，可以通過人造LED燈為植被提供光照，促進(jìn)光合作用，縮短生長(zhǎng)周期［6］。

4.3 設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)有的種植產(chǎn)品外觀較為簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單易上手。除此之外，它們大多數(shù)價(jià)格低廉，能夠量產(chǎn)并普及使用。從市場(chǎng)調(diào)研到產(chǎn)品設(shè)計(jì)，再到測(cè)試并批量生產(chǎn)，是一件產(chǎn)品開發(fā)需要經(jīng)歷的流程。如今，產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有智能化、功能多元化、造型美觀化的趨勢(shì)，根據(jù)文中對(duì)現(xiàn)有種植產(chǎn)品的研究分析，開發(fā)新型種植產(chǎn)品時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：第一，產(chǎn)品智能化。產(chǎn)品應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)現(xiàn)智能化。智能化是指產(chǎn)品應(yīng)該具備監(jiān)測(cè)能力、識(shí)別能力、遠(yuǎn)程操控能力、聯(lián)系能力、通知能力等，方便使用者輕松識(shí)別設(shè)備情況，并且直接通過手機(jī)用戶端進(jìn)行操控。第二，產(chǎn)品功能多元化。現(xiàn)有種植產(chǎn)品的很多功能都需要使用者的介入，因此，新型種植產(chǎn)品應(yīng)該實(shí)現(xiàn)功能多元化，最大限度解放人的雙手，實(shí)現(xiàn)真正的人性化和智能化。第三，產(chǎn)品造型美觀化。傳統(tǒng)的種植產(chǎn)品往往為單一的長(zhǎng)方形造型，沒有考慮到人們的審美需求，粗制簡(jiǎn)陋，不能滿足當(dāng)今人們的審美需求。因此，新型種植產(chǎn)品可以打破常規(guī)，采用圓形等其他造型，實(shí)現(xiàn)空間最大化，線條流暢簡(jiǎn)潔，迎合當(dāng)今產(chǎn)品的造型趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以綠色低碳理念為切入點(diǎn)，旨在通過家庭智能果蔬種植產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，幫助家庭用戶高效種植果蔬作物，確保家庭獲得穩(wěn)定、健康的果蔬供給，提升生活品質(zhì)。針對(duì)家庭果蔬種植中的常見問題，本文提出模塊化設(shè)計(jì)思路，通過可擴(kuò)展的種植層結(jié)構(gòu)最大限度利用空間，提高產(chǎn)量。這一設(shè)計(jì)研究為家庭果蔬種植提供了創(chuàng)新解決方案，既響應(yīng)了綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，又促進(jìn)了綠色種植新業(yè)態(tài)的形成與發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：李鄭潔 （2003—） ，女，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)方法與理論。