家庭智慧菜园的设计与应用

王志冉，王浚峰，3，周增产，3，马 铁，姚 涛，兰立波

（1.北京市农业机械研究所有限公司，北京 100096；2.北京市植物工厂工程技术研究中心，北京 100094；3.北京京鹏环球科技股份有限公司，北京 100094）

设施农业是农业迈向更高台阶的一种重要表现形式，现今全球随着设施农业的快速发展和荷兰模式的不断推广，越来越多的设施农业装备进入大众的视野，从小型的家庭园艺摆件到公共场所可见到的各种便利性的和观赏性的设施园艺设备，无一不属于这一领域［1-3］。在人们越发关心食品安全的时代，更加健康、安全和环保的植物种植模式也越来越受到大众的关注［4］。

植物工厂（Plant factory）的概念最早是由日本提出来的。1957年世界上第一家植物工厂诞生在丹麦，1974年日本等国也逐步发展起来［5，6］。2009年9月7日，国内第一例以智能控制为核心的植物工厂研发成功，并在长春农博园投入运行，该植物工厂是国内首个科学研究型的植物工厂［7］。2016年6月，中国科学院植物研究所和福建三安集团合资成立的福建省中科生物股份有限公司（中科三安）在福建泉州建成了世界上单体面积最大（10 000 m2）的全人工光型植物工厂［8］。近些年，植物工厂的模式逐渐走进日常生活中［9，10］，以色列人Osnat Michaeli，Erez Galonska及Guy Galonska 2013年在德国创办的Infarm将蔬菜种植柜进行了大规模的推广，在德国、瑞士、法国150家商店中安装了近300个农场，生产了大约500 000个植物。韩国LG设计了嵌入式控制形式的种植柜，包含了非循环供水（防止滋生藻类产生难闻气味）、温控、空气交换、光照等诸多系统。国内此类产品有推广先例的是陕西旭田光电农业科技有限公司，他们研发的Infarmer蔬菜种植柜，可使植物从种子到收获整个过程无需喷洒任何农药立体化地种植，最大限量地扩充种植面积，提高复种指数，目前有小范围的商用［11-14］。

基于市场需求北京农业机械所研究所设计出了第一代样机，该设备在现有大型植物工厂的技术基础下，实现了微缩版的家庭植物工厂概念，即一种微型香草人工光种植装置。它具有现代植物工厂最显著的特点，即可提供模拟环境和实现自动化种植过程，该产品尺寸大小同一般家用电器，可作为一款家用电器走进人们的日常生活，提高居家生活的品质感。同时也能够促进国内设施园艺装备产业的发展，丰富产品种类。通过前期论证和调研，为验证其实际使用效果以及便于后期的产品优化，进行了设备内相关参数的测试及种植试验，得到了相关的结论。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

家庭智慧菜园装置包括壳体、营养液箱、栽培槽、水路循环系统和自动控制系统（图1）。壳体提供主体框架并作为其他组装部件的基础，营养液箱为植物生长提供营养液，栽培槽内可定制一定数量的香草或其他合适的水培植物，水路循环系统可提供合理的灌溉方式，自动控制系统可实现植物生长全过程的自动控制和远程控制。

1.2 工作原理及过程

营养液箱内的营养液通过潜水泵及进水管路送至各层栽培槽，水泵吸水管端部安装有不锈钢过滤头，水泵抽出的水依次经过紫外线消毒灯、止逆阀和快插水路管件到达各层，为防止每层水流速度不一样，可通过调节每层进水口之前的球阀使每层进水量趋同。根据所定植植物的不同，可调节栽培槽内水位的高度，当水位越过此高度时通过回水管流回营养液箱。灌溉、补光、水循环、温度调控及新风，可通过自动控制系统实现顺序控制和时序控制，即手动和自动控制，当自动控制时，所有执行单元（包括补光灯、水泵、半导体制冷器、风扇）均可按照控制单元的命令实现开关，执行单元接收来自于云端设定好的程序指令。而云端指令可通过手机APP去实现各环节时间上的更改。

2 关键部件和关键系统的设计

2.1 壳体

家庭智慧菜园装置的壳体全部采用铝合金制成，分为上下板、立板及空腔背板，均通过螺栓连接，方便拆装组合，外观整体为矩形长方体切除垂直方向棱角，8个顶角全部采用圆弧从顶面和底面向立板及空腔背板过渡。

2.2 营养液箱

微型香草人工光种植装置的营养液箱由铝合金板折弯焊接而成，箱体固定于外部罩壳上，外部罩壳固定于壳体上，其罩壳前面板门洞下边缘折弯出凹槽，用于水箱的抽拉。水箱背部开有出水口，罩壳内顶部焊接有回水套管。

2.3 栽培槽

家庭智慧菜园的栽培槽由6061铝合金铸造而成，底部可安装植物用补光灯，栽培槽背部开有进水口和回水口，回水口处安装有水位调节闸门，通过插入不同高度的闸片，可实现栽培槽内水位的高度调节，以实现不同作物的栽培要求。栽培槽上有栽培槽盖板，每个栽培槽上对称放置两块，其材质为ABS工程塑料。

2.4 营养液循环系统

家庭智慧菜园的水路循环系统全部采用快插接头及管路，上水水路设置主路及三路分支，每路分支设置球阀，上水水路在路径中依次为过滤接头、潜水泵、紫外线消毒灯和管路；回水水路为上两层一路，底层单独一路，提高回水效率。

2.5 制冷系统

家庭智慧菜园制冷装置分为强制通风系统和压缩机制冷系统，当外界气温低于种植箱内温度时启动通风系统进行换气降温，当外界气温高于种植箱内温度时，启动压缩机进行降温。

2.6 自动控制系统

自动控制系统包含了C语言程序、控制单元、传感器、执行单元（水泵、补光灯、半导体制冷器及风扇）手机APP。系统通过写好的程序为控制单元发送指令，控制单元可控制执行单元完成制定的命令，手机APP可云端操作修改命令从而实现手动控制和自定义控制。

3 关键承重部件的受力分析及优化设计

设备中的主要承重部件包括栽培槽固定件及栽培槽盖板，栽培槽固定件主要用于固定栽培槽，受到栽培槽、营养液、栽培槽盖板及所种植的蔬菜产生的压力；栽培槽盖板由于是ABS材质，需考虑在其自重和满盘蔬菜情况下的形变量，若型变量过大，则优化其结构。在初始设计下，栽培槽固定件及栽培槽盖板的模型如图2所示。

在Solid Works中建立好栽培槽固定件及栽培槽盖板的三维模型，选择进行Simulation静应力分析，两者材料分别设置为6061铝合金和ABS工程塑料材质，将固定形式及所受载荷确定后，二者的形变如图3所示。

通过静应力分析可看出，栽培槽固定件的形变最大位移为0.027 mm，可忽略不计，而栽培槽盖板的最大形变位移为3.591 mm，有较大的的形变，因此考虑改进其结构形式。栽培槽盖板的最大形变处为一侧边中间，其余边则因为被栽培槽的边缘支撑，未有较大形变。在保证栽培槽盖板整体质量变化不大的情况下，增加形变较大一侧的强度为首选方案，可在此处底面增加具有一定厚度的支撑条，其三维结构如图4所示。

对此三维模型重新进行受力分析，分析方式与之前分析一致，图5为优化后的栽培槽盖板的受力分析，由图5可以看出，之前形变量最大处目前的最大型变量已降至0.800 mm，可以忽略不计，因此，可以采用此优化方式。

4 家庭智慧菜园测试

香草微型种植箱为香草、叶菜等营造适宜的生长环境条件的家电型装置（图6）。经种植测试可知，叶菜平均生长周期为40 d，总耗水量为63.2 L，总耗电量为72 kW·h，生菜的单颗重量150～200 g。为确定该种植柜是否能够满足植物生长，进行了温度、湿度、光照、风速、营养液EC、pH等参数测定。

4.1 测试使用仪器

表1为测试香草微型种植箱内环境参数时所用的试验仪器。

表1 试验测试仪器名称与型号

4.2 测试方法

4.2.1 温湿度测试 图7为单层种植空间平面测温点布局，每层设置5个测试点，在这15个测试点上分别悬挂1个温湿度记录仪。测试位于每个区域层内中心位置，记录种植柜内测试点温湿度变化情况。

4.2.2 种植柜内光照测试 对不同区域内的光照进行测试。测试点与温湿度测定点相同。测试项目为光照度（lx）、光合有效光量子密度PPFD［μmol/（m2·s）］。

4.2.3 营养液监测 对水箱及栽培槽内作物生长所需营养液进行监测，包括营养液EC、pH、溶氧量、液温等参数。

4.2.4 种植柜CO2浓度监测 测试关闭种植柜门一段时间后，内部二氧化碳含量、氧气含量的变化情况。

4.2.5 出风口风速测定 种植柜内共有3个出风口，测试每个进出风口的风速。

4.3 测试结果

叶菜平均生长周期为40 d，总耗水量为63.2 L，总耗电量为72 kW·h，生菜的单颗重量150～200 g。设备内温度15～25℃，相对湿度45%～65%。香草可进行多年生栽培，定期采收即可。

4.3.1 温湿度测试 自2020年12月2日0：00开始记录，2020年12月2日23：59终止记录，图8为种植柜内的温湿度变化趋势。结果表明，种植柜内的最高温度23.8℃，最低温度19.0℃，平均温度21.5℃，最大湿度64.4%，最小湿度18.5%，平均湿度58.7%。

4.3.2 种植柜内光照测试 分别测试了种植柜内的光照度与光合有效量子密度，光照度在12 000～18 000 lx，光合有效量子密度在190～230μmol/（m2·s），种植柜内光照度均能满足植物生长。图9和图10分别为相应点光照度及光合有效量子密度。

4.3.3 营养液检测状况 分别测试种植柜水箱和各层栽培槽内营养液的EC、pH、溶氧量、营养液液温和CO2浓度，测试营养液的液温21.9℃，统计情况见表2。

表2 理化参数统计

4.3.4 测试出风口的风速 分别测试进出风口的风速，出风口的风速大于进风口风速，进风口处位于种植柜内，风速适宜利于种植箱内的通风换气，增加二氧化碳含量。表3和表4分别为出风口和进风口的对应不同距离的风速统计。

表3 出风口不同距离风速统计

表4 进风口不同距离风速统计

5 结论

新型家庭种植柜为封闭式结构，由补光系统、灌溉系统、通风系统、制冷系统、栽培系统等构成。三面保温玻璃，在正常利用外界光源的同时，可保证具有相对独立的环境系统。通过栽培试验及环控测试，该产品可定植罗勒、生菜、苦菊等作物。该设备所提供的环境参数可满足叶菜的正常生长，研究成果可丰富市场上的产品种类，提高整体的技术水平，促进设施农业技术向日常生活转化。