组合式超声波芽苗菜栽培装置的设计

郭 翼，张桂琴

（1北京农业职业学院，北京 102442；2北京绿山谷芽菜有限责任公司，北京 100074）

0 引言

随着生活水平的提高，人们愈来愈关注饮食健康，更倾向于选择营养价值高的食品。植物源蔬菜中的许多成分具有生物活性，而且可参与人体许多重要的代谢过程。但是，很多蔬菜因季节性以及地域性的限制而不能满足人们的需求。相关研究表明可食性种子发芽后可以显著提高它们的营养价值和功能[1]。芽苗菜是利用各种豆类、谷类、树类及其他植物种子或其他营养器官在适宜环境条件下发育成幼嫩的芽、苗、茎等作为食用的一种新型活体蔬菜[2]。芽苗菜自身营养丰富，属于碱性食品，部分芽苗菜更兼具一定的药用或保健价值，而且其生产过程采用水培方式，不涉及化肥、农药投入，因此被公认是一种绿色无污染、食用安全的新型蔬菜[3-4]，具有非常广阔的发展前景[5]。但是，芽苗菜栽培过程中管理工作量较大，限制了芽苗菜的推广，芽苗菜专用自动化栽培装置的研究与开发，可解决芽苗菜栽培中存在的问题，对芽苗菜的推广具有重要的意义。

通过文献检索得知，对于小型栽培装置的相关研究很多。蒋蘋等[6]设计了一种气雾栽培箱装置；陶柳等[7]设计了一种菱形阳台水培装置；徐文栋等[8]设计了一种适宜家庭蔬菜栽培的装置；朱志浩等[9]设计了一种智能绿色栽培装置；蒋宗祥等[10]设计了采用超声波雾化的新型植物气雾栽培装置；申再贺等[11]设计了可控微环境气雾立体栽培监测监控系统；张晓文等[12]设计出了叶菜立体栽培装置控制系统。

气雾栽培作为一种新型的水培方法，是将营养液雾化为小雾滴，直接喷射到植物根系表面以提供生长所需水分和养分的一种农业高新技术[13]。根系作为获取养分和水分的重要器官，其生长环境的优劣会对蔬菜的品质和产量产生重要影响。气雾栽培可以增大植物根系对水和养分的接触面积，从而提高根系对水和养分利用效率[14]。有利于提高蔬菜生长速度且有利于改善部分蔬菜品质[15]。气雾栽培具有极大的开发潜力，是解决根系水气矛盾问题的很好的一种形式[16]。气雾栽培通常比常规模式栽培植物的生长速度提高3～5倍，可有效解决水培中根系缺氧问题，传统水培导致农作物缺氧烂根，影响作物正常生长，而气雾栽培作物的根系直接裸露在空气中，根系与空气直接接触，不易发生烂根现象[17-18]。气雾栽培与水培和土壤栽培相比，生长周期更短，效率更高[19]。还具有节水、增产增效等优势[20]。

虽然栽培装置相关的研究成果较多，但组合式芽苗菜栽培的专用设备较少。目前，芽苗菜的栽培方式主要还是育苗盘单层平铺式栽培和立体多层架式栽培。如用户需要栽培量大时，采用单层平铺式栽培占地面积大，不适于居家栽培使用。立体多层架式栽培，虽然空间利用率高，但是家庭栽培中美观性欠佳。为解决芽苗菜栽培对于自动化管理的需要，本文设计了一种组合式超声波芽苗菜栽培装置。组合方式灵活，可根据栽培空间自动组合，而且采用自动化管理，在栽培过程中无须人工管理。另外，采用超声波方式进行灌溉，不仅可以满足芽苗菜对水分的需求，还能协调根系的水气供应矛盾，使芽苗菜生长速度提高，减少烂根等现象。

1 总体设计

该装置由底座、催芽系统、栽培系统、补光系统、控制系统等组成，见图1。底座用于安装控制器和催芽系统。催芽系统用于为芽苗菜种子提供催芽环境。栽培系统用于芽苗菜的栽培，由雾化箱、育苗盘、雾化器、风机、水位传感器、进水管、进水阀等组成。补光系统可为芽苗菜生长过程中补充光照。控制系统用于控制雾化器和补光灯的自动开启和关闭。

图1 组合式超声波芽苗菜栽培装置

2 零部件的设计

2.1 底座的设计

底座为箱体结构，见图2。底部有4个轮子，可以使栽培装置便于移动。前部有2个独立的箱门。底座内部通过隔板分为2部分，一部分用于安装控制器，另一部用于安装催芽系统，2部分各有独立的箱催芽系统门，在安装控制器部分的箱门上有开孔，用于安装显示屏和按钮。

图2 底座

2.2 催芽系统的设计

催芽是芽苗菜栽培初期的一个重要环节，芽苗菜种子必须经过一段时间避光的催芽阶段，才能进入见光生长阶段。催芽过程要求种子所处的环境有足够的湿度。本设计催芽系统位于底座的内部，为种子发芽提供了避光的环境，采用超声波雾化方式，使芽苗菜种子能保持足够的水分供应。催芽系统包括催芽水箱、雾化器、进水管、进水阀、水位传感器、育苗盘和支架，见图3。催芽水箱用于存放一定量的雾化用水。雾化器用于使水箱内的水雾化，以保持种子水分供应。水位传感器用于感知水箱内的水位，当水位低于雾化器工作的最低水位时，将信号传输给控制器，控制器控制进水阀打开，向催芽水箱内补水；当水位高于雾化器工作最高水位时，将信号传输给控制器，控制器控制进水阀关闭，停止向催芽水箱内补水。育苗盘内用于放置芽苗菜种子，育苗盘通过支架分隔和支撑，以使各育苗盘内的种子都能够保持足够的湿度。

图3 催芽系统

2.3 栽培系统的设计

为使本装置能够实现自由的组合，每个栽培系统结构和功能相同，用户在芽苗菜栽培过程中，可以根据需要采用一个或多个栽培系统。气雾栽培的核心设备是雾化装置，超声波雾化可有效解决了气雾栽培技术中营养液雾滴大而导致的洗根问题[21]，与现有的气雾栽培方式相比有效减小了雾滴直径、削弱了雾滴冲击力并提高了雾化的均匀度[22]。故本设计栽培系统采用超声波雾化方式满足芽苗菜对水分的需求。栽培系统由雾化箱、育苗盘、雾化器、风机、水位传感器、进水管、进水阀等组成，见图4。雾化箱用于存放雾化用水；育苗盘用于芽苗菜的生长；雾化器用于产生水雾，满足芽苗菜生长过程中对水分的需求；风机用于使雾化箱内水雾均匀分布和芽苗菜根部的通风；水位传感器采集雾化箱内的水位信号，并传用于控制系统；进水箱用于向雾化箱补水；进水阀由控制系统控制打开和关闭。

图4 栽培系统

雾化箱为长方形状，上部开口用于安装育苗盘，每个雾化箱上部可安装两个育苗盘。雾化箱的上部和下部的四角处有孔，用于在使用多个栽培系统时安装立柱。在雾化箱上部端面的中间位置各有一个孔，用于补光灯的安装。育苗盘采用底部布满通孔的芽苗菜专用育苗盘，通孔的采用3 mm×3 mm和5 mm×5 mm 2种规格，小粒种子的芽苗菜栽培可采用通孔为3 mm×3 mm育苗盘，大粒种子芽苗菜栽培可使用通孔为5 mm×5 mm的育苗盘。利用育苗盘四周的台阶，可以放置于雾化箱上部开口处。雾化器设置2个在雾化箱的两侧。雾化器采用超声波雾化器，为保证足够的雾量选用四头超声波雾化器，每个雾化箱内设置2个雾化器。雾化箱的一侧有风机，在芽苗菜栽培过程中，可使超声波雾化器产生的水雾均匀分布，以使芽苗菜能够都得充分的水分供给，同时可以使根系获得充足的空气供给。在雾化箱内部设有水位传感器，当水位低于雾化器工作最低水位时，水位传感器将信号传输给控制系统，控制系统则控制进水阀打开，自动向雾化箱内补水，当水位高于雾化器工作最高水位时，水位传感器将信号传输给系统，控制系统则控制进水阀关闭，停止向雾化箱内补水。

2.4 补光系统的设计

光是植物生长发育所需的重要环境因素、叶绿素合成的必要条件和光合作用的能量来源，可直接影响植物各种生理代谢，也是调节植物形态和生物节律等的重要生命活动信号，对植物的生物量和营养品质具有较大影响[23]。芽苗菜作为幼苗蔬菜对光环境的变化十分敏感。光照不足会造成芽苗菜呈黄化、徒长、畸形和营养物质含量少等不良现象，而光强过大则会导致芽苗菜纤维含量增多，影响口感，这些都不利于生产口感清脆、营养丰富的芽苗菜。LED灯因具有寿命长、光效率高、能耗小、体积小、质量轻、安全可靠耐用、可发射单色窄光谱、光质易于组合与调控等优点，已成为植物生长过程光调控的重要人工光源[24-25]。

为使芽苗菜在生长过程中，能够获得充足的光照，本设计设置了补光系统。补光灯采用由红光和蓝光组成为LED植物生长灯，红光波长为450 nm，蓝光波长为650 nm，红蓝光比例为1:1。由于栽培环境湿度较大，补光灯的外部采用透明塑料罩保护。根据用户的需要，补光灯安装于雾化箱的上部或下部的安装孔处。在底座的后部安装有光照传感器，采用光照数据，当光照不足时控制系统根据光照采集的数据控制补光灯打开。

2.5 控制系统的设计

控制系统用于根据水位传感器的信号控制催芽水箱和雾化箱进水阀的打开和关闭；根据光照料传感器的信号控制补光类的打开；设定每次补光的工作时间，即当补光时间达到设定时间后，自动关闭补光灯。控制系统的工作流程如图5所示。

图5 控制系统工作流程

3 栽培装置的应用

为满足用户栽培的需求，本设计可以采用多种组合方式。用户可以根据用户需要选用一个或多个栽培系统，见图6。当用户选用1个栽培系统时，其安装方式如图6(a)所示；当用户选用2个栽培系统时，其安装方式如图6(b)所示；当用户选用4个栽培系统时，其安装方式如图6(c)所示；当用户选用6个栽培系统时，其安装方式如图6(d)所示。用户可以根据自己的需求，自行组合。

图6 栽培装置的应用

4 结论

组合式超声波芽苗菜栽培装置由底座、催芽系统、栽培系统、补光系统、控制系统等组成。可以根据用户需要选用一个或多个栽培系统进行组合，组合方式灵活。该装置设计完成后，进行了样机制作，并利用样机进行了豌豆和萝卜等芽苗菜的栽培试验，结果表明：该装置采用的自动化控制系统可以实现催芽系统和栽培系统的自动供水，以及补光系统的自动补光，在栽培过程中无须人工管理。催芽系统和栽培系统采用超声波方式进行雾化，不仅可以满足芽苗菜对水分的需求，还能协调根系的水气供应矛盾，使芽苗菜发芽和生长速度提高，减少烂根等现象。该装置使芽苗菜栽培过程实现了自动化，对芽苗菜的推广具有重要的意义