張 暉，閆蕊潔，陳克亭（.鄢陵建業(yè)綠色基地建設(shè)有限公司，河南許昌 4600；.河南智圣普電子技術(shù)有限公司，鄭州 45000）

隨著城市居民對(duì)生活環(huán)境質(zhì)量需求的不斷提升，“陽臺(tái)種植”“盆栽蔬菜”“立體植物墻”“植物相框”等家庭園藝越來越受到城市居民的青睞，家庭園藝也在向科技化、創(chuàng)新化方向發(fā)展。目前，家庭園藝以陽臺(tái)園藝為主，多采用基質(zhì)栽培、容器栽培、管道種植架等無土種植方式，部分采用水培模式，以利用自然光源為主，成本低、技術(shù)相對(duì)容易掌握，但不適合室內(nèi)種植，受氣候環(huán)境影響較大。近年來，采用光譜調(diào)控、智能控制技術(shù)的家庭園藝設(shè)備逐漸增多，以水培、多層立體種植為主，但多數(shù)還處于小規(guī)模嘗試或中試階段，專業(yè)從事該方面研究及開發(fā)的人員較少，規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的企業(yè)較少，缺少相應(yīng)的服務(wù)團(tuán)隊(duì)及專業(yè)組織，無法滿足購買者的需求。家庭園藝設(shè)備智能化、家電化是未來發(fā)展的趨勢，家庭園藝設(shè)備可以在有限的空間滿足人們對(duì)家居裝飾、環(huán)境綠化和食用安全的需求，不需要使用者具備專業(yè)的種植技術(shù)。同時(shí)，家電化將增加個(gè)性化設(shè)計(jì)，完善產(chǎn)品研發(fā)及售后服務(wù)，滿足人們對(duì)綠色生活的向往，未來智能園藝機(jī)可以像電視、空調(diào)等家居產(chǎn)品進(jìn)入消費(fèi)者生活，發(fā)展空間和潛在市場巨大。

多光譜智能種植園藝機(jī)，是一款智能化的種植設(shè)備，它為作物提供適宜的光照、營養(yǎng)，使作物在人工可控的環(huán)境中茂盛成長。多層種植空間可分層獨(dú)立控制，滿足多種類種植探索；占地不足0.5 m2，陽臺(tái)或室內(nèi)的一個(gè)角落即可滿足生長空間；水培循環(huán)種植，清潔、綠色、安全無污染；智能APP 操作方便，多種光譜組合方式自由調(diào)試，兼具科學(xué)趣味和觀賞性。這款多光譜智能種植園藝機(jī)由鄢陵建業(yè)綠色基地、河南智圣普電子技術(shù)有限公司、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院三方共同研制。文章主要介紹該設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果。

設(shè)計(jì)目標(biāo)和工作原理

光是植物生長的必要條件，不同的作物在不同生長階段需要不同的光，智能種植園藝機(jī)根據(jù)種植作物種類不同，可以設(shè)定多個(gè)補(bǔ)光策略，按組、分時(shí)對(duì)作物進(jìn)行補(bǔ)光，光源由紅光、藍(lán)光和全光譜白光帶組成，使用者可以通過設(shè)置參數(shù)來控制光譜的組成。在同一設(shè)備上可以分層種植多種作物，每層可以設(shè)置不同的光質(zhì)與補(bǔ)光策略，并隨著作物品種與生長階段的變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)整補(bǔ)光配方，模擬自然光的變化，使光始終能促進(jìn)作物的最佳成長。

設(shè)備中的光照組，每一層都有獨(dú)立的地址可以接受指令，指令中包含有對(duì)每個(gè)通道的光強(qiáng)控制的內(nèi)容，通過控制每一通道的光強(qiáng)達(dá)到控制光強(qiáng)影響光質(zhì)的目的。通過人機(jī)交互界面輸入目標(biāo)值，嵌入式系統(tǒng)根據(jù)輸入形成文件，以FAT 格式存儲(chǔ)于EEPROM 中，這份文件被讀取應(yīng)用于該組的輸出控制上，每一組都有獨(dú)立的文件，所以各分區(qū)可以獨(dú)立運(yùn)行不同的策略，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)控制。光學(xué)性能參數(shù)為紅光波長665 nm，藍(lán)光波長445 nm，全光譜白色光。每層的光強(qiáng)獨(dú)立可調(diào)，每個(gè)通道的光強(qiáng)獨(dú)立可調(diào)，紅光可達(dá)到25 W，172 μmol/（m2.s），藍(lán)光、全光譜可達(dá)到33.4 W，230 μmol/（m2.s），三種光譜可任意組合。

園藝機(jī)的電路由一張主控板卡與多張專用功能的板卡組成，通過總線進(jìn)行數(shù)字化信息交換，完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算與控制功能，整機(jī)由一條4芯電纜完成所有板卡間的連接。燈具采用智能恒流驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于常見的恒壓驅(qū)動(dòng)，它可以進(jìn)行無級(jí)亮度調(diào)整，同時(shí)效率提升30%。燈具采用48 V的低電壓，即使在潮濕的環(huán)境中，仍可給使用者可靠的安全保證。

設(shè)計(jì)構(gòu)造

園藝機(jī)結(jié)構(gòu)部分主要由鋁、鐵、塑料組成，在保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，控制了整機(jī)的重量（＜60 kg），表面以噴塑工藝處理，形成致密的保護(hù)層，長久耐用。園藝機(jī)擁有米白色外觀，簡潔大方，601 系列機(jī)長0.8 m、寬0.4 m、高1.75 m，總種植面積1.6 m2，單層僅占地0.32 m2，極大地節(jié)省了空間。設(shè)備是可拆解設(shè)計(jì)，拆解運(yùn)輸，可節(jié)省45%的運(yùn)輸空間，且安裝便捷，一般5 層種植槽，層間高度17.8 cm，種植槽高度6.2 cm，120 個(gè)種植孔，層間高度可調(diào)整，以適應(yīng)不同高度的植株（圖1）。

圖1 智能種植園藝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/mm

園藝機(jī)配套的APP 可對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、查看，快速地輸入、修改所需要的參數(shù)，一旦參數(shù)配置完成，便不再需要APP 與設(shè)備的連接，也不需要APP 繼續(xù)運(yùn)行。操作客戶端支持多名用戶連接同一臺(tái)設(shè)備，對(duì)自己管理的區(qū)域進(jìn)行控制，相互間不需要同步。

光譜工作參數(shù)調(diào)節(jié)

每層燈光對(duì)應(yīng)1 組參數(shù)設(shè)置，可獨(dú)立控制，每組燈光可分時(shí)間段進(jìn)行調(diào)節(jié)（圖2）。不同的層可進(jìn)行分組管理，例如，整個(gè)設(shè)備種植同品種或種類作物，作物對(duì)光譜要求一致，則可以把所有的層分配到一個(gè)組中，所有在這個(gè)組中的層即有統(tǒng)一的輸出。調(diào)光參數(shù)數(shù)據(jù)范圍為0～255 μmol/（m2.s），可進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。

圖2 光質(zhì)與光強(qiáng)可任意調(diào)節(jié)（同一型號(hào)設(shè)備的不同運(yùn)行狀態(tài)）

水循環(huán)工作參數(shù)調(diào)節(jié)

整體水培種植模式，種植盤營養(yǎng)液循環(huán)設(shè)定間歇式工作周期，水泵運(yùn)行有運(yùn)行時(shí)長和間隔時(shí)長兩個(gè)參數(shù)，例如運(yùn)行時(shí)長為10 min，間隔時(shí)長為40 min，表示水泵工作10 min，停止40 min 后再次工作10 min，以此循環(huán)工作，所有層共用一套水循環(huán)參數(shù)。每層種植槽曲線型分布，增加了肥水的流動(dòng)性，在非工作期間，液體從水槽中排出，根部暴露在空氣中，讓作物有充分吸收氧氣的機(jī)會(huì)，工作期間肥水潮汐式地由最上一層進(jìn)入，逐層循環(huán)后由第五層排出到底箱的水槽中，形成一條線的閉路水循環(huán)，同時(shí)使空氣得以交換，富含氧氣的空氣進(jìn)入水槽中系，同時(shí)設(shè)置有少水警告，缺水自動(dòng)報(bào)警。

應(yīng)用效果

智能種植園藝機(jī)集合了無土栽培技術(shù)、陽臺(tái)農(nóng)業(yè)、綠色種植等多種理念，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)市場需求不斷改良升級(jí)，在國內(nèi)家庭用戶進(jìn)行大范圍推廣，除國內(nèi)市場外，還出口到加拿大、以色列等國家。

智能種植園藝機(jī)作物生長全程一目了然，種植的果蔬天然、無添加劑，無農(nóng)藥、激素和人工合成化肥殘留的危害，綠色健康，讓人安全放心。光質(zhì)與光強(qiáng)智能控制，讓植物與人和諧共處，多達(dá)65536 種光的組合，有你喜歡的，也有植物喜歡的，在家即可享受現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能科技生活，且耗電量低，每天只需要1～2 度電，還能夠開展家庭兒童農(nóng)業(yè)科普，寓教于樂，體驗(yàn)先進(jìn)的農(nóng)業(yè)科技，感悟植物生長的奧妙，動(dòng)手的快樂和收獲的喜悅。

可種植品種豐富，用戶已成功種植有芹菜、羅馬生菜、芥菜、韭菜、雪里紅、冰菜和油麥菜等30余種蔬菜，草莓等水果，還有紅掌、多肉、鳳梨、婚禮吊蘭、綠蘿、蕨類植物等花卉綠植（圖3）。一般葉菜類種植，播種4～6 周可采收，綠植花卉類如綠蘿、長壽花可進(jìn)行扦插培育，1 周即可長出新的根系。智能種植園藝機(jī)適合安置在家庭的客廳、陽臺(tái)上，方便用戶隨時(shí)采摘。以奶油小白菜種植為例，采用種植孔播種，5 月5 日播種，5 月28 日采收，單層可收獲586 g，制作蔬菜沙拉或直接生食口感翠爽、健康安全。小白菜綠葉生長期需保持每天7 h 以上強(qiáng)光照，即白光、紅光參數(shù)調(diào)節(jié)至220～255 μmol/（m2.s），藍(lán)光60～120 μmol/（m2.s），光照總時(shí)長9～11 h，除強(qiáng)光照時(shí)間段外，早晚開啟和結(jié)束時(shí)間可設(shè)置0.5～1 h 的日出日落模式模擬自然光變化，其中紅藍(lán)光比例在4:1 與3:1 之間更適合葉菜類生長。

圖3 種植效果

發(fā)展前景

家庭園藝是都市居民實(shí)現(xiàn)田園夢想的最佳途徑，人們對(duì)美好生活的標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，多光譜智能種植園藝機(jī)不僅可以美化生活環(huán)境、豐富生活情趣，還可以探索光對(duì)植物生長的影響，感受農(nóng)業(yè)科技的魅力，為都市居民提供新的健康食品生產(chǎn)方式，為生活融入綠色氣息。

多光譜智能種植園藝機(jī)融合了LED 補(bǔ)光技術(shù)、信息化技術(shù)、生物技術(shù)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)致力于都市農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)品研究開發(fā)與推廣，可應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，發(fā)展前景良好?？蓱?yīng)用領(lǐng)域包括以下5 個(gè)：①家庭陽臺(tái)。實(shí)現(xiàn)廚房園藝，為居民提供健康的食材，清新的氧氣，優(yōu)美的生活環(huán)境（圖4a）。②辦公場所。美化工作環(huán)境，提高工作效率。③商業(yè)場所。保持綠植的旺盛生命力，營造良好的休閑、購物環(huán)境（圖4b），打造植物工廠、城市菜園進(jìn)行盈利。④教育。讓居民可以直觀探索生命奧秘。⑤科研。提供對(duì)各輸出參數(shù)強(qiáng)大精確的控制手段，同時(shí)能在種植參考面達(dá)到500 μmol/（m2.s）的光合光量子通量密度下，滿足對(duì)各種作物展開光質(zhì)與光強(qiáng)的探索與研究的需求。

圖4 應(yīng)用領(lǐng)域