一种智能家庭式植物工厂的创新设计

曾祥河 雷 涛 林光耀 黄庆安 何金成

（福建农林大学，福建福州350000）

0 引言

“植物工厂”的概念最早出现在20世纪40年代，植物工厂的诞生反映出了社会需求同生产力的不对等，许多自然因素影响着产量而人为无法控制[1]。通过控制植物工厂内部的各项指标可达到一个适合且高产的环境，但与此同时，高能耗也成为了很大的一个阻止其发展的因素。基于这一问题，本次植物工厂研究旨在减少能耗与提高经济效益，使植物工厂更加普及。

1 整体与各模块机构设计

1.1 整体机构设计

一种具有智能环境调控功能的家庭式植物培养箱控制系统设计，包括培养箱环境的智能检测与调控以及提高太阳光利用率的太阳光跟踪系统。智能型家庭植物工厂，箱体尺寸为70 cm×40 cm×135 cm，基本材料为2020铝型材[2]。柜体的底层内安装检测和显示系统、营养配置桶和水泵（图1中A位置）；利用其背面夹层内设置的供液管和回液管，构成一个闭合的水流回路，可输送营养液和所需水；柜体最底部设有4个自由滑动的轮子，移动方便（图2）。

图1 机构整体3D示意图

图2 机构正视图

1.1.1 箱体环境控制原理

植物培养箱的控制系统可以实时检测箱内的环境温度、湿度以及光照强度变化，显示在LCD屏上，当温度、湿度超出设定范围时，控制中心处理数据并发出控制信号控制执行器的运行。通过顶部安装的喷雾设备和箱体侧面的散热装置，可以在需要时及时地调控箱体的内环境，实时监控植物生长的条件。

1.1.2 节能补光设计

能耗大是人工光式植物工厂不能市场普及的一个原因，因此本机构创新发明一种太阳光跟踪系统，其原理是根据白天太阳光直射角度的变化计算，然后通过控制系统控制植物生长平台摆动一定的角度迎合、充分吸收太阳光，当光照强度小于设定范围，就会启动自动补光系统。

1.2 控制模块设计

1.2.1 种植板同步摆动设计

该家庭式植物培养箱的设计，包括培养箱种植板的同步功能，其特征在于：利用铰链和双头连杆，加上两边采用一对10 cm光轴（将会安装在图3中①位置）和轴承座在垂直方向上配合，以达到稳定种植板和使其旋转的目的，实现多块板的同时同步绕轴旋转。

图3 种植板同步摆动原理图

1.2.2 实现层间运动的动力传输设计

培养箱每层下底面通过铰链连接连杆，通过曲柄连杆机构传动传递底部步进电机的旋转动力（如图4底层机构所示，连接销和通气孔位于机构侧面，图中未标出），控制步进电机的转速与转向。创新设计双头连接杆，使种植板之间互相连接，同步传动至全部种植板，最终使种植板能够一起同步追随太阳光，实现太阳光的最大利用率，节约能源。

图4 培养箱实施例的结构示意图

2 主要零部件分析与实施方式

2.1 箱体内补光的光源选择

经文献查找，LED的光谱波长范围正好适合植物光合作用所能吸收的光谱范围，LED灯能耗低、效率高、寿命长，而且安装方便[3]。所以箱体内部补光光源采用LED灯，采用红蓝5:2、红白1:1、红蓝3:2等模式。

2.2 种植板的旋转运动实施

图5所示为种植板外框架的下表面45°转向的俯视图，图中光轴为左右各一个的其中之一，受力F为种植板重力的一半，即G/2。通过左右两光轴的支承作用使种植板得以托物旋转。通过锁紧轴套中的细小螺钉，使光轴与种植板紧密配合，带动光轴旋转，从而实现种植板运动。

图5 种植板外框架俯视图

3 项目特色及创新点

3.1 项目特色

家庭式植物工厂通过光电结合、机电一体化，各种传感器（如温度传感器、光学传感器等）与电路控制的连接以及单片机等现代设备作为核心对各个程序机构之间的准确控制三个方面的综合应用，使得其内的环境质量检测与调节变得自动化，而且更加准确。

3.2 项目创新点

本设备可通过控制系统有时序地控制植物生长平台转动一定的角度[4]，迎合太阳光的直射，相比传统植物工厂能更加充分地吸收太阳能，增强光照利用率，在让植物茁壮成长的同时节能减排。

4 结语

本次对于植物工厂的创新改进旨在利用机械的改造和电子、传感器方面的控制提高能源的利用率和收益。植物工厂是人类解除自然约束、实现作物高产的一项利器，其在不浪费自然资源和低成本的普及方向不断地创新和进步必将造福于人类。