智能绿色栽培装置设计*

朱志浩，王久中，闫星宇

(天津职业技术师范大学，天津 300222)

0 引 言

随着人们现代生活水平的逐步提高，绿色、健康、环保、便捷的生活方式越来越受到人们的重视，其中绿色新鲜、安全卫生的蔬菜产品对人们的现代生活尤为重要。但是当前传统蔬菜种植方式一方面无法保证产出的蔬菜没有农药残留，另一方面需要足够的场地、充足的时间和丰富的技术[1]。

相对于传统蔬菜种植，水培蔬菜种植具有无农药残留和生长周期短等特点。目前虽然国内存在多款用于家庭蔬菜种植的水培装置，但在设计上还存在较多缺陷，如采用白光灯照射导致蔬菜生长较慢，自动化程度不高等[2-3]。针对上述存在的问题，因此设计了一款智能绿色栽培装置。该装置采用自动化控制系统，通过PLC自动调节柜体内部的通风、光照、温度及营养液输送，操作简单，设计精美，使人们既能享用到绿色新鲜的蔬菜，又能体验到蔬菜种植的乐趣。

1 智能绿色栽培装置设计要求

设计一款智能绿色栽培装置，以期达到如下目标：

(1) 该装置的柜体内部设有三层栽培区，采用垂直种植，既可以充分利用室内空间，又能够栽培出更多种类的蔬菜。

(2) 该装置的光照系统采用红光LED植物灯和蓝光LED植物灯，可以大幅缩短蔬菜的生育期，实现多茬种植，提高蔬菜产量。

(3) 该装置的通风系统利用柜体内部蔬菜的光合作用将室内的CO2转换成O2，再通过出风口输出到室内，形成一个人造氧吧。

(4) 该装置整体采用半封闭式结构，并在通风系统中加入防护网罩和出风口过滤网，可以有效阻隔外界环境的影响，保证蔬菜新鲜清洁、安全卫生。

(5) 该装置的控制系统可以通过PLC自动调节柜体内部的通风、光照、温度以及营养液输送，大大降低劳动强度，操作简单，管理方便。

(6) 该装置可与家居生活融为一体，既可以改善生活环境，又能够增加生活乐趣，实现低碳、环保、健康的家庭生活。

2 总体设计

2.1 设计思路

为实现上述预期目标，该装置主要分为五大部分，分别为柜体、通风系统、光照系统、营养液输送系统和控制系统。控制系统可以通过PLC调整通风系统、光照系统和营养液输送系统的工作状态，使柜体内部始终处于最适宜蔬菜生长的环境。

根据项目要求，柜体内部分为四层，其中上面三层为栽培层，用来种植叶菜类蔬菜，底下一层为储物层，用来安放营养液箱、水泵和PLC等装置。通风系统中采用具有三挡调节功能的通风扇，既可以提高柜体内部空气整体流通性能，又能够调节柜体内部温度的高低。光照系统中采用最适合蔬菜生长的红光LED植物灯和蓝光LED植物灯，可以大幅缩短蔬菜的生育期，实现多茬种植，提高蔬菜产量。营养液输送系统中采用水泵输送营养液，大大降低劳动强度。控制系统中采用液位传感器和温度传感器，液位传感器时刻监测柜体内部营养液量的多少，温度传感器时刻监测柜体内部温度的高低，PLC接收液位传感器和温度传感器的反馈信号，及时开启水泵向营养液槽增添营养液或通过控制通风扇的档位以调节柜体内部的温度，同时液位传感器和温度传感器的监测数据将实时显示在显示屏上，方便用户查看和记录。

2.2 柜 体

柜体主要由柜体外壳、柜门和自锁式万向轮组成。其中柜体内部分为四层，第一层、第二层和第三层均为栽培层，主要用来安放营养液槽等装置，第一层与第二层高度均为25 cm，主要用来栽培矮株叶菜类蔬菜，第三层高度为40 cm，主要用来栽培高株叶菜类蔬菜，第四层为储物层，主要用来安放营养液箱、水泵和PLC等装置。柜门采用双层透明玻璃，既可以方便用户观察柜体内部蔬菜的生长情况，又能够阻隔柜体内外的温度交换。自锁式万向轮安装在柜体底座的四角，方便柜体移动和固定位置。

2.3 通风系统

通风系统主要由进风口防护网罩、过滤网、进风口、出风口、通风扇和出风口防护网罩组成。其中进风口防护网罩安装在柜体左侧的外板上，过滤网安装在柜体左侧的外板与内板之间，进风口安装在柜体左侧的内板上，出风口安装在柜体右侧的内板上，通风扇安装在柜体右侧的外板与内板之间，出风口防护网罩安装在柜体右侧的外板上。进风口防护网罩、出风口防护网罩和过滤网用于防止外界鼠虫以及杂物进入到柜体内部。通风扇具有三个档位，分别为低速、中速和高速，档位由控制系统自动调节。考虑到气体对流的因素，所以将进风口布置在距离柜体底部50 cm处，出风口布置在距离柜体顶部20 cm处，该设计一方面可以提高柜体内部空气整体流通性能，另一方面可以有效调节柜体内部的温度。

2.4 光照系统

光照系统主要由隔热板、红光LED植物灯和蓝光LED植物灯组成。其中隔热板分别安装在每层营养液槽的下方，用来阻隔LED植物灯在工作时产生的热量。红光LED植物灯和蓝光LED植物灯分别安装在每层隔热板的下方。查阅相关文献：太阳光谱中可见光部分是植物色素吸收利用最多的光波段，其中以(400～500) nm的蓝紫光和(610～720) nm的红橙光对于光合作用贡献最大[4]，红光LED植物灯峰值波长为(660±5) nm[5-6]，蓝光LED植物灯峰值波长为(440～475) nm[7-9]，红光不仅影响植物开花、茎的伸长和种子萌发，而且还有利于碳水化合物的合成，蓝光有利于植物氨基酸、蛋白质、维生素C和黄酮的积累[10]，所以最终确定选用红光LED植物灯和蓝光LED植物灯。

2.5 营养液输送系统

营养液输送系统主要由营养液箱、水泵、营养液槽、供液管、溢流管、栽培板、栽培斗和栽培棉组成。其中营养液箱和水泵均安装在柜体内部的储物层中。营养液槽分别安装在柜体内部的栽培层上，且每个营养液槽上均设有溢流孔。供液管分别连接营养液箱和水泵，水泵和第一层营养液槽。溢流管分别连接第一层营养液槽上的溢流孔和第二层营养液槽，第二层营养液槽上的溢流孔和第三层营养液槽，第三层营养液槽上的溢流孔和营养液箱。栽培板安放在营养液槽的上方，用来栽培和固定植株。栽培斗和栽培棉配合使用，栽培斗嵌入在栽培板上的孔中，由四根斜向支柱组成，且呈锥形布置，用来安放栽培棉，每个栽培棉上设有小槽，用来安放蔬菜种子。

2.6 控制系统

控制系统主要由液位传感器、温度传感器、PLC和显示屏组成。其中液位传感器分别安装在营养液槽和营养液箱中，用来监测营养液槽和营养液箱中营养液量的多少。温度传感器安装在柜体左边的内板上，用来监测柜体内部温度的高低。PLC安装在柜体内部的储物层中，作为控制系统中的核心装置，PLC可以根据液位传感器和温度传感器传来的监测数据，自动调节水泵的开关和通风扇的档位。显示屏安装在柜门上方的框架上，用来显示营养液量、通风扇档位和温度等信息，同时还可以设置和记录各栽培层的栽培日期，为用户提供参考信息。

3 工作过程

首先接通电源，将蔬菜种子放在栽培棉上的小槽中，其次将放有栽培棉的栽培斗嵌入在栽培板上的孔中，最后将栽培板放在营养液槽上，确保栽培棉下半部分浸入到营养液液面以下后，按下显示屏上的开启按钮，此时该装置开始正常工作。

在工作过程中，光照系统中的红光LED植物灯和蓝光LED植物灯亮起，24 h不间断为下方的蔬菜提供光照。同时通风系统中的通风扇转起，室内空气经过进风口防护网罩和过滤网的双重过滤，顺着进风口进入到柜体内部，为蔬菜生长提供充足的CO2，蔬菜的光合作用将CO2转变成O2，再通过出风口和出风口防护网罩输出到室内。通风系统一方面提高柜体内部空气整体流通性能，另一方面还起到调节柜体内温度的作用。当温度传感器监测到柜体内部的温度过高或过低时，信号会反馈给PLC，PLC通过调节通风扇转速的高低使柜体内部的温度稳定在一个合适的范围，保证蔬菜正常生长，图1为营养液输送系统原理图。

图1 营养液输送系统原理图

在营养液输送系统中，当液位传感器监测到任意一层营养液槽中的营养液量处于低水位时，信号会反馈给PLC，PLC启动水泵，营养液通过供液管从营养液箱流至第一层营养液槽中，注满第一层营养液槽后，多余的营养液会经过第一层营养液槽上的溢流孔溢流到第二层营养液槽中，注满第二层营养液槽后，多余的营养液会经过第二层营养液槽上的溢流孔溢流到第三层营养液槽中，当第三层营养液槽中的液位传感器监测到营养液槽中的营养液量处于高水位时，信号会反馈给PLC，PLC关闭水泵，供液结束。将第三层营养液槽上的溢流孔通过溢流管与营养液箱连

接以防止第三层营养液槽中的液位传感器出现故障而导致营养液溢出到柜体内部。随着多次供液，营养液箱中的营养液量逐渐减少，当液位传感器监测到营养液箱中的营养液量处于低水位时，信号会反馈给PLC，PLC会通过显示屏发出警报，提示用户及时添加营养液(如图1)。待蔬菜培养一段时间后，用户可以通过透明柜门观察蔬菜的生长情况，选取成熟的蔬菜进行食用，并补种需要的蔬菜种子。

4 结 语

根据设计方案，已完成装置的组装和试运行，并投入到实际使用中，预期目标基本完成。智能绿色栽培装置采用自动化控制系统，通过PLC自动调节柜体内部的通风、光照、温度以及营养液输送，操作简单，设计精美，不仅为家庭提供每日必需的新鲜蔬菜，体验农业种植的快乐，还可作为家庭的绿色装饰品，净化空气，实现低碳、环保、健康的家庭生活。