一体化智能水培装置

宁锌檬 谢正斌 林焕森 刘文娟 肖承兴 曾俊豪

摘 要： 蔬果类食物在中国人的饮食中不可缺少，随着城市化进程，我国面临着耕地日趋减少的问题，故本文提出一种基于现代化农业的一体化水培装置。该装置包含太阳能供电系统、培养区、输送区、中心控制系统组成，体现了节能环保、绿色健康以及农业智能化的优点。

关键词： 水培装置;太阳能;农业智能化

Abstract： It is essential that vegetables and fruits in Chinese diet.With the development of urbanization，China is facing a problem of decreasing cultivated land.Therefore，this paper proposes an integrated hydroponic device based on modern agriculture.The device consists of solar power supply system，cultivation area，transportation area，central control system，which embodies the advantages of energy saving，environmental protection，green health，and intelligent agriculture.

Key words： Hydroponic device;Solar energy;Agricultural intelligence

1 背景介紹

在中国的饮食结构中，人们对蔬果类食物的需求量巨大。在现代科技高速发展的21世纪，人们关心的问题从能否饱腹转换到食物原料是否健康绿色无污染，食物是否品相好口感佳等。

水培是运用现代工程技术的无土栽培方式，又名营养液培，其核心是将植物的根茎固定在定植篮内，根系自然长入植物营养液中。营养液代替自然土壤向植物体提供水分、营养成分等生长因子，使植物能够正常生长并完成其整个生命周期[1]。由于土地耕种受天气、季节和人力因素影响大，且近年来污染严重，土壤中存在的重金属离子、细菌以及寄生虫都可能通过土壤上种植的蔬菜进入人体，危害人体健康。而水培能够有效控制植物所需养分，满足人们对植物蔬果新鲜、营养、健康、绿色以及环保的要求。

在水培植物种植过程中，水培植物的培养基需要运输至专用的水培植物培养区进行统一种植和管理，而现有的运输包括两种方式：第一，通过人工运输，能够将水培植物培养基安全、有效和准确地输送至水培植物培养区，但人工运输增加了工作时间，降低了工作效率;第二，通过机械运输，但在运输过程中，由于存在水平方向和竖直方向上的运输，且培养基是与空气连通的开放式结构，因此，培养基容易受到颠簸致使培养基内的营养液洒出，甚至会使培养基掉落破损，无法完好地将培养基输送至水培植物培养区。为解决上述技术问题，本文提供一种水培植物输送装置，能够实现水培植物的安全、准确和有效地运输，节省工作时间，提高工作效率。

现有的水培装置中，水培植物培养基需要运输至水培装置区进行统一的生长与管控，但现有的水培装置区中培养基的陈列摆放，能够通过人力和机械运输，人力运输能够确保培养基安全、准确和稳定地放置于水培装置区内，但人力输送费时费力，不利于提高工作效率。而机械运输时，培养基在从运输机械上转移至水培装置区时，培养基容易因颠簸偏移以至于与水培装置的边角发生碰撞，不但会影响培养基的安全性，还会影响后续的培养基输送，有极大的安全隐患。为解决上述技术问题，本文提供一种水培装置，能够实现水培植物的安全、准确和有效的运输，节省工作时间，提高工作效率。

2 装置构成

2.1 太阳能供电系统

供电系统由太阳能电池组件和蓄电池组成。太阳能是一种洁净的可再生的新能源，太阳能光伏发电具有无动部件、无噪声、无污染、可靠性高等特点，为该装置提供了动力。

太阳能电池组件是该装置供电系统中的核心部分。太阳能组件将太阳的辐射能量转换为电能，为整个装置提供能源动力，并且将多余的电量存储在蓄电池中[2]。

蓄电池在光照时可以将太阳能电池组件满足装置基本运行后多余的电能储存起来，在需要的时候将电能释放出来继续提供能源动力。

2.2 培养区

由可滑动联动滚轮结构组成多层式培养区，包括培养基、照明装置、喷雾装置、循环装置、各类检测器。

培养基：在海绵块中放入待种的种子，然后将海绵块放入盛有营养液的培养基中。海绵通过浮力作用自动漂浮在水面上，这样既保证了植物不会因水太多淹没叶部而缺氧死亡，同时海绵的储水也为植物水分供给提供了保障。

照明装置：在每层的上端安装有可调节光伏灯，根据预先设定的波长调节适合植物生长的波长。

喷雾装置：在培养架设有喷雾装置，当湿敏传感器检测到空气中水分低于植物生长所需的湿度，通过主控单片机发送信号至喷雾装置，对环境进行加湿处理。

循环装置：包括混合箱、弯管、回收循环箱。混合箱位于水培架上方，其连接装有不同种元素的小模块箱，控制系统控制开关阀门控制是否需要这种营养元素，以开关阀门开启的时间长短控制营养液各种元素的含量。培养箱以弯管连接，将水分以及营养液输送到培养基中，多余的营养液将流出，储存在循环箱中，设定时间周期，循环装置启动，液体进行循环利用。多余溶液流入回收循环箱。箱中装有泵，可将营养液循环利用。循环箱中装有温度检测以及控制器。

结构如图1所示：

2.3 输送区

输送机由履带、电机、支架、万向轮、可固定轮、可自动调节丝杆构成。在传送带末端装有感应器，自动检测层结构，根据层高度丝杆可自动调节。人工将培养基放上工作区的履带上，在履带下设有压敏感应器，当压敏感应器感应到压力之后，履带自动输送培养基至培养区，通过检测层级可自动调节高度到任何层级进行输送。结构如图2所示：

2.4 中心控制系统

包括温度控制、湿度控制、光照控制、pH值控制、生长周期控制以及营养液添加循环控制。

温度控制分为环境温度控制和营养液温度控制，整个装置位于温室大棚内。温度传感器触头以热敏电阻制成。温度控制模式采用自动调节，系统根据数据库中提供的植物适宜生长温度。大棚內温度若高于最适温度，启动电机将塑料膜卷起，进行通风散热，若低于最适温度，启动加热装置升高温度。循环箱中溶液若温度低于最适温度，将启用加热装置对营养液加热进行温度提高，如温度高于最适温度则进行冷却。

湿度感应器将输出信号传送至控制器内，将电信号转化为数字信号，通过公式可计算出湿度值。系统将测定的湿度值与设定的最适温度值相比较，若湿度较低，系统控制开启喷雾器进行喷雾加湿，若适度过高，启动电机将塑料膜卷起来，进行通风除湿。湿度控制模块维持大棚内湿度适宜，为植物生长提供适宜条件。

利用照度传感器对光照进行测量，将测得的数据进行处理后返回给主控制芯片，进行自动化控制。照度传感器对于可见光频段光谱吸收后转换成电信号，根据电信号的大小对应光照度的强弱。

该利用pH传感器检测营养液pH值，自动化控制调节营养液pH值。pH传感器通过检测营养液中氢离子浓度，将化学信号转换为电信号输出，电信号经过处理转化为数字信号，再通过公式计算pH值。根据建立的数据库中植物最适生长pH值，对营养液pH值进行控制。若溶液pH高于正常生长pH值，则加入磷酸、硫酸铝、硫酸亚铁等酸性物质进行pH调节，若溶液pH低于正常生长pH值碳酸氢铵等碱性物质调节pH值。

查找植物生长周期的相关资料，将植物生长的相关信息录入主控制系统单片机，单片机中有时钟模块，系统根据设定的时间进行不同生长期的环境调整。

根据现有的资料文献查找待种植物不同生长阶段所需的营养成分及其浓度，预先在实验室配制营养液，根据数据库设定的周期控制，定时定量添加到循环液中，整个营养液循环利用。

2.5 数据库

数据库包括原始数据库和实时监测数据库。原始数据库通过网络查阅资料得到不同植物的生长参数，包括温度、湿度、pH值、光照、所需营养成分、生长周期等，录入系统中，进行相关控制操作。

根据原始数据库的相关数据调节各项参数进行蔬菜种植，对蔬菜生长数据进行实时记录，反馈给云端数据库，然后对数据进行分析，进行市场分析调研，对蔬菜的口感、营养成分以及经济等方面进行改进。同时改进系统，提升蔬菜品质，同时也为蔬菜新品种研发提供可能。通过STM32单片机收集相关数据（光照强度、温度、湿度、pH值），主控STM32单片机通过串口将数据传输到51单片机，使用51单片机将数据传输到SD存储卡中，将SD卡中的数据上传至MySQL，建立数据库。

3 优势

3.1 成本优势

装置结构简单，所用到的元器件成本较低，具有价格优势。该装置占地面积小，安装与操作操作便捷，减少了一定的人工成本。

3.2 节能环保

利用太阳能供电，降低了电能消耗。该装置进行水资源循环利用，有效解决了水的供给问题。

3.3 应用范围广泛

基于太阳能发电的一体化智能水培装置是一种集自适应培养与实时监控功能于一体的植物水培装置。该装置既可以运用于蔬菜的大批量培养种植，也可用于部分水生植物的培养，既可以运用于当季和当地的蔬菜培养，也可以运用于不同季节和不同地区的蔬菜培养，应用范围广，应用情形灵活。

3.4 智能化控制

在产业化的智能农场中应用此装置以及所配带的操作系统，可以实现大规模生产，应用了一体化智能水培技术，建设节水节地节电型智能农场。本装置的识别模块可以随时检测蔬果生长状况，即时向系统发送植物生长的相关数据。同时搭建了互联网平台，24小时实时反馈植物生长情况。

参考文献：

[1]赵琴娃.家养花卉的无土水培技术[J].农业工程技术，2019，39（32）：51-52.

[2]郗选金.太阳能电源的应用及发展前景[J].通信电源技术，2007（06）：96-97.