家庭芽苗菜自动化栽培装置的设计

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）

随着中国经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，住房条件也不断改善，现已不再满足“居而有其所”的简单生活，越来越多的人渴望与大自然亲密接触，对家居环境的要求越来越高［1］。在高楼林立的城市中，普通阳台观赏植物已不能满足人们对田园生活的向往［2］。阳台蔬菜不仅可以给人们提供放心蔬菜［3］，而且还可以净化空气，带来种植乐趣［4］。芽苗菜是各种谷类、豆类、树类种子培育出可供食用的芽苗。由于生长周期短，不需要喷洒任何化学药品，芽苗菜被认为是一类典型的绿色食品，且其发芽过程中能够产生很多活性物质，具有一定营养功能［5］，已成为迅速发展的一类极富营养保健和经济价值的新兴蔬菜［6］。

目前，家庭芽苗菜栽培存在以下问题：芽苗菜家庭栽培一般采用平面式栽培，在有限的空间内栽培量少；也有一些立体栽培装置，但都是采用多层立体栽培，外形单一，美观性不足，主要是下层芽苗菜采光不足，造成生长不良；没有具备灌溉水循环功能的栽培装置，易造成烂根现象；芽苗菜催芽过程需人工多次清洗种子，工作量大；由于家庭环境光照不足，芽苗菜生长不良。对家庭芽苗菜栽培装置的基本设计要求是装置的外形美观能够满足芽苗菜生长过程中对水分和光照的需求，使芽苗菜长势良好，实现自动化管理，减少栽培管理的工作量，在有限的栽培空间内实现较高的栽培量。

本研究设计了一种家庭芽苗菜自动化栽培装置，采用立体式栽培，提高了栽培空间利用率；灌溉水自动循环，有效减少烂根现象；具有专用的催芽室，实现自动化催芽；具有自动化智能补光功能，补充栽培环境的光照不足，而且外形美观、操作简便。

1 总体设计

家庭芽苗菜自动化栽培装置由底座、栽培架、催芽系统、灌溉系统、补光系统和控制系统等组成。底座上部用于支撑栽培架，其内部分有4 个区域：控制区用于安装控制器、供水区用于安装灌溉系统的水箱、催芽区用于安装催芽系统、储藏区可以储存一定量的芽苗菜种子。栽培架用于芽苗菜栽培。灌溉系统用于在芽苗菜生长过程中进行灌溉。补光系统用于补充芽苗菜生长过程中自然光照不足。控制系统用于控制催芽系统、灌溉系统、补光系统自动化工作。

2 自动化栽培装置部件的设计

2.1 底座的设计

底座为长方形箱体结构（图1）。上部用于支撑栽培架，其内部分有4 个区域：控制区、供水区、催芽区及储藏区，各区域通过隔板隔开。控制区用于安装控制系统的控制器。供水区用于安装灌溉系统的水箱。催芽区用于安装催芽系统。储藏区可以储存一定量的芽苗菜种子。该设计可以使灌溉系统的水泵和催芽系统的水泵直接与控制器相连，也便于催芽系统的水位传感器与控制器相连。底座的后部有3 个门，控制区和储藏区共用1 个门，供水区和催芽区各有1 个门。中间供水区的门为百叶窗式，催芽区所需的新鲜空气可以由此进入。催芽区的门为封闭式，保证在催芽时内部种子避光。为便于整个栽培装置的移动，底座下部有4 个轮子，可以轻松移动该装置的位置，当到达指定位置时，通过轮子自带的锁定装置使其固定。

图1 底座结构

2.2 栽培架的设计

栽培架由架体、栽培槽和栽培盘组成（图2）。架体为七边形结构，除顶角外，每个角部安装有一个栽培槽。架体内部为空腔，灌溉系统的水管和补光系统导线从架体内部穿过。架体后部有盖子，将水管和导线隐藏。栽培槽共有6 个，由盛水盘和育苗盘组成，下部为盛水盘，上部为栽培盘。盛水盘底部密封侧面有2 个通孔，供水孔用于安装供水管，回水孔用于安装回水管。供水孔位置高于回水孔的位置，回水孔高于盛水盘底部1 cm，在使用过程中保持盛水盘内的水位为1 cm。栽培盘底部布满通孔，用于栽培芽苗菜，栽培过程中芽苗菜的根系从各通孔处伸入下方的盛水盘内，吸收盛水盘内的水分。而且在育苗盘和盛水盘的最高水位之间有2 cm 的空气层，保证芽苗菜根系生长中对空气的需求，该设计可以有效减少烂根现象。

图2 栽培架

2.3 催芽系统的设计

催芽是芽苗菜栽培期的一个重要阶段，要求种子有充足的水分供应，并要求在避光环境下进行。催芽系统位于底座内部，包括催芽水箱、催芽水箱供水泵、雾化器、风机、水位传感器、育苗盘架（图3）。催芽水箱为箱体结构，用于存放雾化用水。上部为开口，底部安装雾化器，一侧壁安装水位传感器。育苗盘架为6 层结构，用于放置育苗盘。在催芽区的隔板上安装风机，在催芽过程中使外界新鲜空气通过供水区箱门的百叶窗，在风机的作用下，进入催芽区使催芽区获得新鲜空气。将通风的百叶窗留在供水区，保证催芽区的避光环境。

图3 催芽系统

目前，超声波雾化被认为是雾化效果最好的方式。超声波雾化器是通过波动和能量传递，在液体和空气表面形成极大的振动穿透，从而使粒子获得脱离液体的加速度。在超声雾化过程中，雾化器不会对液体分子化学成分造成破坏［7］。雾化器选用超声波雾化器，工作时可以使催芽水箱中的水雾化，使催芽区上方的育苗盘能够保持一定的湿度，为种子萌发提供水分的供应。由于超声波雾化器对于工作水位有限制要求，设置水位传感器保证超声波雾化器的正常工作。水位传感器用于控制催芽水箱中的水位。当水位低于传感器限制的最低水位，则将信号传递给控制系统，控制系统启动位于灌溉水箱内的催芽供水泵，水泵从灌溉水箱内抽取水供给催芽水箱；当水位到达传感器限定的最高水位，则将信号传给控制系统，控制系统关闭催芽供水泵，停止供水。该设计采用超声波雾化催芽方式，配合风机供给新鲜空气，满足种子萌发过程中对水分和空气的需求，有效减少烂种的现象。

2.4 灌溉系统的设计

芽苗菜生长阶段需有充足的水分供应，为提高家庭芽苗菜栽培的便捷性，设置自动化灌溉系统。灌溉系统由主水箱、灌溉水泵、供水主管、供水支管、回水主管、回水支管、滴头等组成（图4）。主水箱安装于底座的供水区，用于存放灌溉和雾化用水。灌溉水泵用于给水加压，使水能输送到各栽培槽。在水泵的进水口处设置过滤网，用于过滤灌溉水中的杂质。灌溉水通过水泵加压后，沿着供水主管流入各供水支管，再输送到各滴头，进而流入各栽培槽。由于各栽培槽的高度不一，为保证各栽培槽能够获得均匀的水分供给，该设计采用压力补偿型滴头，实现对各栽培槽均匀供水。每个栽培槽的回水孔处安装有回水支管，各回水支管与回水主管相连，回水主管的出口位于主水箱内。当栽培槽内的水位高于回水支管的高度，水则通过回水支管流入回水主管，进而流入主水箱。供水主管和回水主管安装于栽培架架体内。灌溉水泵由控制系统控制，实现自动化定时灌溉，每天灌溉时间由用户设置，可以设置多个灌溉时段。

图4 灌溉系统

2.5 补光系统的设计

光照是影响植物生长的重要因素，为满足芽苗菜生长阶段对光照的需求，设置补光系统。补光系统由控制系统实现自动化补光。补光系统由光照传感器、补光灯和导线组成（图5）。LED 是以半导体为材料的发光二极管，可以制定特定的光谱组合和光强大小刺激植物光受体，从而促进植物生长并影响植物形态以及生理过程［8］。LED 作为补光的光源具有质量轻、体积小、使用寿命长，而且发热小、亮度高、辐射低、效率高等优点［9］。由于植物对可见光的吸收主要集中在蓝紫区和红橙区，因此使用红色和蓝色LED 即可培养植物［10］。该设计补光灯采用LED 植物生长灯，由红光和蓝光组成，红光波长为660 nm、蓝光波长为460 nm［11］，红光与蓝光的比例为1∶1。下部的补光灯安装于栽培槽的底部，顶部的补光灯安装于架体的上部。光照传感器控制用于监测栽培环境的光照，当光照度低于传感器设置的补光光照时，传感器将信号传递给控制系统，控制系统控制补光灯打开。每天补光时间长度由用户设置，可以设置为2、3、4 h，当到达补光时长，则补光灯关闭，等待12 h 后再次启动传感器工作。

图5 补光系统

2.6 控制系统的设计

控制系统由控制器、显示屏等组成，安装于底座的控制区。控制系统控制灌溉系统自动定时灌溉；催芽系统水箱的自动化补水；补光系统补光灯的开启和关闭；用户设置系统的工作参数，包括定时灌溉的时间和补光时长等。

3 结论

本研究设计了一种家庭芽苗菜自动化栽培装置，由底座、栽培架、催芽系统、灌溉系统、补光系统和控制系统等组成（图6）。家庭芽苗菜自动化栽培装置设计完成后，根据设计结果制作的栽培装置，对豌豆、萝卜、香椿、葵花等多种芽苗菜进行了家庭栽培试验。结果表明，催芽系统能够使种子出芽整齐，避免了传统催芽中种子发芽不齐和烂种的问题；灌溉系统可以满足芽苗菜生长阶段对水分的需求，由于水循环供应，有效减少了芽苗菜由于灌溉不足引起的生长不良和烂根现象；补光系统可以满足芽苗菜对光照的需求，解决了光照不足而造成生长缓慢和长势不一致的现象；控制系统能够实现栽培过程中自动控制，无需人为管理，解决了家庭栽培管理工作量大的问题；该装置的外形美观，有效提高了栽培空间的利用率。

图6 居家芽苗菜自动化栽培装置