王志冉，王浚峰，3，周增產，3，馬 鐵，姚 濤，蘭立波

（1.北京市農業(yè)機械研究所有限公司，北京 100096；2.北京市植物工廠工程技術研究中心，北京 100094；3.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094）

設施農業(yè)是農業(yè)邁向更高臺階的一種重要表現形式，現今全球隨著設施農業(yè)的快速發(fā)展和荷蘭模式的不斷推廣，越來越多的設施農業(yè)裝備進入大眾的視野，從小型的家庭園藝擺件到公共場所可見到的各種便利性的和觀賞性的設施園藝設備，無一不屬于這一領域［1-3］。在人們越發(fā)關心食品安全的時代，更加健康、安全和環(huán)保的植物種植模式也越來越受到大眾的關注［4］。

植物工廠（Plant factory）的概念最早是由日本提出來的。1957年世界上第一家植物工廠誕生在丹麥，1974年日本等國也逐步發(fā)展起來［5，6］。2009年9月7日，國內第一例以智能控制為核心的植物工廠研發(fā)成功，并在長春農博園投入運行，該植物工廠是國內首個科學研究型的植物工廠［7］。2016年6月，中國科學院植物研究所和福建三安集團合資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單體面積最大（10 000 m2）的全人工光型植物工廠［8］。近些年，植物工廠的模式逐漸走進日常生活中［9，10］，以色列人Osnat Michaeli，Erez Galonska及Guy Galonska 2013年在德國創(chuàng)辦的Infarm將蔬菜種植柜進行了大規(guī)模的推廣，在德國、瑞士、法國150家商店中安裝了近300個農場，生產了大約500 000個植物。韓國LG設計了嵌入式控制形式的種植柜，包含了非循環(huán)供水（防止滋生藻類產生難聞氣味）、溫控、空氣交換、光照等諸多系統(tǒng)。國內此類產品有推廣先例的是陜西旭田光電農業(yè)科技有限公司，他們研發(fā)的Infarmer蔬菜種植柜，可使植物從種子到收獲整個過程無需噴灑任何農藥立體化地種植，最大限量地擴充種植面積，提高復種指數，目前有小范圍的商用［11-14］。

基于市場需求北京農業(yè)機械所研究所設計出了第一代樣機，該設備在現有大型植物工廠的技術基礎下，實現了微縮版的家庭植物工廠概念，即一種微型香草人工光種植裝置。它具有現代植物工廠最顯著的特點，即可提供模擬環(huán)境和實現自動化種植過程，該產品尺寸大小同一般家用電器，可作為一款家用電器走進人們的日常生活，提高居家生活的品質感。同時也能夠促進國內設施園藝裝備產業(yè)的發(fā)展，豐富產品種類。通過前期論證和調研，為驗證其實際使用效果以及便于后期的產品優(yōu)化，進行了設備內相關參數的測試及種植試驗，得到了相關的結論。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

家庭智慧菜園裝置包括殼體、營養(yǎng)液箱、栽培槽、水路循環(huán)系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)（圖1）。殼體提供主體框架并作為其他組裝部件的基礎，營養(yǎng)液箱為植物生長提供營養(yǎng)液，栽培槽內可定制一定數量的香草或其他合適的水培植物，水路循環(huán)系統(tǒng)可提供合理的灌溉方式，自動控制系統(tǒng)可實現植物生長全過程的自動控制和遠程控制。

1.2 工作原理及過程

營養(yǎng)液箱內的營養(yǎng)液通過潛水泵及進水管路送至各層栽培槽，水泵吸水管端部安裝有不銹鋼過濾頭，水泵抽出的水依次經過紫外線消毒燈、止逆閥和快插水路管件到達各層，為防止每層水流速度不一樣，可通過調節(jié)每層進水口之前的球閥使每層進水量趨同。根據所定植植物的不同，可調節(jié)栽培槽內水位的高度，當水位越過此高度時通過回水管流回營養(yǎng)液箱。灌溉、補光、水循環(huán)、溫度調控及新風，可通過自動控制系統(tǒng)實現順序控制和時序控制，即手動和自動控制，當自動控制時，所有執(zhí)行單元（包括補光燈、水泵、半導體制冷器、風扇）均可按照控制單元的命令實現開關，執(zhí)行單元接收來自于云端設定好的程序指令。而云端指令可通過手機APP去實現各環(huán)節(jié)時間上的更改。

2 關鍵部件和關鍵系統(tǒng)的設計

2.1 殼體

家庭智慧菜園裝置的殼體全部采用鋁合金制成，分為上下板、立板及空腔背板，均通過螺栓連接，方便拆裝組合，外觀整體為矩形長方體切除垂直方向棱角，8個頂角全部采用圓弧從頂面和底面向立板及空腔背板過渡。

2.2 營養(yǎng)液箱

微型香草人工光種植裝置的營養(yǎng)液箱由鋁合金板折彎焊接而成，箱體固定于外部罩殼上，外部罩殼固定于殼體上，其罩殼前面板門洞下邊緣折彎出凹槽，用于水箱的抽拉。水箱背部開有出水口，罩殼內頂部焊接有回水套管。

2.3 栽培槽

家庭智慧菜園的栽培槽由6061鋁合金鑄造而成，底部可安裝植物用補光燈，栽培槽背部開有進水口和回水口，回水口處安裝有水位調節(jié)閘門，通過插入不同高度的閘片，可實現栽培槽內水位的高度調節(jié)，以實現不同作物的栽培要求。栽培槽上有栽培槽蓋板，每個栽培槽上對稱放置兩塊，其材質為ABS工程塑料。

2.4 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

家庭智慧菜園的水路循環(huán)系統(tǒng)全部采用快插接頭及管路，上水水路設置主路及三路分支，每路分支設置球閥，上水水路在路徑中依次為過濾接頭、潛水泵、紫外線消毒燈和管路；回水水路為上兩層一路，底層單獨一路，提高回水效率。

2.5 制冷系統(tǒng)

家庭智慧菜園制冷裝置分為強制通風系統(tǒng)和壓縮機制冷系統(tǒng)，當外界氣溫低于種植箱內溫度時啟動通風系統(tǒng)進行換氣降溫，當外界氣溫高于種植箱內溫度時，啟動壓縮機進行降溫。

2.6 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)包含了C語言程序、控制單元、傳感器、執(zhí)行單元（水泵、補光燈、半導體制冷器及風扇）手機APP。系統(tǒng)通過寫好的程序為控制單元發(fā)送指令，控制單元可控制執(zhí)行單元完成制定的命令，手機APP可云端操作修改命令從而實現手動控制和自定義控制。

3 關鍵承重部件的受力分析及優(yōu)化設計

設備中的主要承重部件包括栽培槽固定件及栽培槽蓋板，栽培槽固定件主要用于固定栽培槽，受到栽培槽、營養(yǎng)液、栽培槽蓋板及所種植的蔬菜產生的壓力；栽培槽蓋板由于是ABS材質，需考慮在其自重和滿盤蔬菜情況下的形變量，若型變量過大，則優(yōu)化其結構。在初始設計下，栽培槽固定件及栽培槽蓋板的模型如圖2所示。

在Solid Works中建立好栽培槽固定件及栽培槽蓋板的三維模型，選擇進行Simulation靜應力分析，兩者材料分別設置為6061鋁合金和ABS工程塑料材質，將固定形式及所受載荷確定后，二者的形變如圖3所示。

通過靜應力分析可看出，栽培槽固定件的形變最大位移為0.027 mm，可忽略不計，而栽培槽蓋板的最大形變位移為3.591 mm，有較大的的形變，因此考慮改進其結構形式。栽培槽蓋板的最大形變處為一側邊中間，其余邊則因為被栽培槽的邊緣支撐，未有較大形變。在保證栽培槽蓋板整體質量變化不大的情況下，增加形變較大一側的強度為首選方案，可在此處底面增加具有一定厚度的支撐條，其三維結構如圖4所示。

對此三維模型重新進行受力分析，分析方式與之前分析一致，圖5為優(yōu)化后的栽培槽蓋板的受力分析，由圖5可以看出，之前形變量最大處目前的最大型變量已降至0.800 mm，可以忽略不計，因此，可以采用此優(yōu)化方式。

4 家庭智慧菜園測試

香草微型種植箱為香草、葉菜等營造適宜的生長環(huán)境條件的家電型裝置（圖6）。經種植測試可知，葉菜平均生長周期為40 d，總耗水量為63.2 L，總耗電量為72 kW·h，生菜的單顆重量150～200 g。為確定該種植柜是否能夠滿足植物生長，進行了溫度、濕度、光照、風速、營養(yǎng)液EC、pH等參數測定。

4.1 測試使用儀器

表1為測試香草微型種植箱內環(huán)境參數時所用的試驗儀器。

表1 試驗測試儀器名稱與型號

4.2 測試方法

4.2.1 溫濕度測試 圖7為單層種植空間平面測溫點布局，每層設置5個測試點，在這15個測試點上分別懸掛1個溫濕度記錄儀。測試位于每個區(qū)域層內中心位置，記錄種植柜內測試點溫濕度變化情況。

4.2.2 種植柜內光照測試 對不同區(qū)域內的光照進行測試。測試點與溫濕度測定點相同。測試項目為光照度（lx）、光合有效光量子密度PPFD［μmol/（m2·s）］。

4.2.3 營養(yǎng)液監(jiān)測 對水箱及栽培槽內作物生長所需營養(yǎng)液進行監(jiān)測，包括營養(yǎng)液EC、pH、溶氧量、液溫等參數。

4.2.4 種植柜CO2濃度監(jiān)測 測試關閉種植柜門一段時間后，內部二氧化碳含量、氧氣含量的變化情況。

4.2.5 出風口風速測定 種植柜內共有3個出風口，測試每個進出風口的風速。

4.3 測試結果

葉菜平均生長周期為40 d，總耗水量為63.2 L，總耗電量為72 kW·h，生菜的單顆重量150～200 g。設備內溫度15～25℃，相對濕度45%～65%。香草可進行多年生栽培，定期采收即可。

4.3.1 溫濕度測試 自2020年12月2日0：00開始記錄，2020年12月2日23：59終止記錄，圖8為種植柜內的溫濕度變化趨勢。結果表明，種植柜內的最高溫度23.8℃，最低溫度19.0℃，平均溫度21.5℃，最大濕度64.4%，最小濕度18.5%，平均濕度58.7%。

4.3.2 種植柜內光照測試 分別測試了種植柜內的光照度與光合有效量子密度，光照度在12 000～18 000 lx，光合有效量子密度在190～230μmol/（m2·s），種植柜內光照度均能滿足植物生長。圖9和圖10分別為相應點光照度及光合有效量子密度。

4.3.3 營養(yǎng)液檢測狀況 分別測試種植柜水箱和各層栽培槽內營養(yǎng)液的EC、pH、溶氧量、營養(yǎng)液液溫和CO2濃度，測試營養(yǎng)液的液溫21.9℃，統(tǒng)計情況見表2。

表2 理化參數統(tǒng)計

4.3.4 測試出風口的風速 分別測試進出風口的風速，出風口的風速大于進風口風速，進風口處位于種植柜內，風速適宜利于種植箱內的通風換氣，增加二氧化碳含量。表3和表4分別為出風口和進風口的對應不同距離的風速統(tǒng)計。

表3 出風口不同距離風速統(tǒng)計

表4 進風口不同距離風速統(tǒng)計

5 結論

新型家庭種植柜為封閉式結構，由補光系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)等構成。三面保溫玻璃，在正常利用外界光源的同時，可保證具有相對獨立的環(huán)境系統(tǒng)。通過栽培試驗及環(huán)控測試，該產品可定植羅勒、生菜、苦菊等作物。該設備所提供的環(huán)境參數可滿足葉菜的正常生長，研究成果可豐富市場上的產品種類，提高整體的技術水平，促進設施農業(yè)技術向日常生活轉化。