楊學(xué)坤，鄭士朝

(1. 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，北京市，102208； 2. 淮北合鳴農(nóng)業(yè)裝備有限公司，安徽淮北，235000)

0 引言

家庭植物工廠因方便、美觀、經(jīng)濟等特性，成為智能家居的新產(chǎn)品。氣霧栽培作物具有生長快、產(chǎn)量高的特點，較常規(guī)無土栽培更加實用和高效[1]。

近年來，日本、美國、荷蘭、意大利等發(fā)達國家的家庭植物工廠已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化階段，產(chǎn)業(yè)鏈較為完備，普通消費者可以便捷地從零售渠道獲得種子、營養(yǎng)液、栽培用具和各種耗材。中國對家庭植物工廠的研究略晚于發(fā)達國家，但在政府的大力推動下，已取得一定的規(guī)模和成果[2]。2010年12月5日，北京某公司研發(fā)的“家庭版植物工廠”正式亮相“植物工廠創(chuàng)新成果發(fā)布會”[3]，魏靈玲[4]、孫剛[5]等學(xué)者分別對家庭植物工廠的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計開展相關(guān)研究。LED補光技術(shù)以其節(jié)能、高光效等優(yōu)勢成為家庭植物工廠光源的首選[6]；栽培方式以“多層立體+水培技術(shù)”模式為主，氣霧栽培模式相對較少[7-8]；王偉琳、宋衛(wèi)堂[9-10]、薛曉莉[11]等對營養(yǎng)液的消毒殺菌問題開展研究，紫外線消毒、臭氧消毒、加熱是常用的消毒方式。這些家庭植物工廠，多數(shù)存在投入大、運行成本高、栽培品種偏少、栽培支持缺乏等問題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備控制平臺還較少，氣霧栽培式家庭植物工廠也較為鮮見[12-15]。

將自動控制及氣霧栽培技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)一種氣霧栽培式家庭植物工廠，為家庭種植提供可靠的裝備與技術(shù)保障。

1 總體方案設(shè)計

家庭植物工廠結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 家庭植物工廠結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of family plant factory

家庭植物工廠整機分為栽培區(qū)(Ⅰ、Ⅱ)、設(shè)備區(qū)。栽培區(qū)由箱體、多孔種植板、進水管路、回水管路、霧化噴頭、風(fēng)扇、LED光源組成。栽培區(qū)Ⅰ的LED光源具有升降機構(gòu)，可根據(jù)植物生長高度自行進行高度調(diào)節(jié)，可用于栽培果菜；栽培區(qū)Ⅱ的LED光源與柜體固定，用于栽培葉菜；設(shè)備區(qū)設(shè)置在柜體底部，由貯液箱、紫外線消毒燈(位于貯液箱內(nèi))、自吸泵、空調(diào)系統(tǒng)、液位傳感器(位于貯液箱內(nèi))、風(fēng)扇等組成。設(shè)備控制器及驅(qū)動裝置設(shè)置于柜體側(cè)面，用戶可以通過觸摸屏或者移動終端應(yīng)用對設(shè)備進行控制。

2 關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 營養(yǎng)液循環(huán)處理系統(tǒng)設(shè)計

營養(yǎng)液循環(huán)處理系統(tǒng)(圖2)由貯液箱、紫外線消毒燈、自吸泵、液位開關(guān)、EC傳感器、液溫傳感器、進水管路、回水管路、霧化噴頭構(gòu)成。其中，貯液箱用于存儲營養(yǎng)液；自吸泵用于從貯液箱內(nèi)抽取營養(yǎng)液并提供系統(tǒng)所需的水壓；進水管路連接自吸泵與霧化噴頭，并通過霧化噴頭將營養(yǎng)液進行霧化，使得植物根系處于霧氣中獲取水肥。回水管路與栽培單元箱體相連接，將營養(yǎng)液重新收集回貯液箱內(nèi)；為了避免貯液箱內(nèi)細菌的滋生，在貯液箱內(nèi)設(shè)置紫外線消毒燈；為了避免因營養(yǎng)液不足引發(fā)種植失敗，在貯液箱內(nèi)設(shè)置兩個液位傳感器。

氣霧栽培系統(tǒng)中，霧化噴頭是其中關(guān)鍵部件之一，直接關(guān)系到設(shè)備運行效果，噴霧角度θ、噴霧直徑D、噴嘴距離被噴物體的距離H、重疊部分的寬度O、噴嘴間的間距P以及噴霧液滴大小是主要技術(shù)指標(biāo)。

圖2 霧化噴頭的布置Fig. 2 Arrangement of atomizing nozzle

噴嘴按噴霧形狀分為空心錐形、實心錐形、扇形、直線型四種形式，按噴嘴個數(shù)又可分為單出口和多出口等多種形式[16]。根據(jù)設(shè)備需要選用五出口霧化噴嘴，取θ=170°。按照噴嘴矩陣式排列的要求

O=D-P

(1)

(2)

D=2H·tan(θ/2)

(3)

設(shè)噴頭個數(shù)為m×n(m行n列)，則

噴射長度=m·D-(m-1)·O

≈(0.7m+0.3)·D

(4)

噴射寬度=n·D-(n-1)·O

≈(0.7n+0.3)·D

(5)

本裝置中，噴嘴距離被噴物體的距離H=46 mm，噴射面積要求覆蓋420 mm×800 mm的矩形。分別將數(shù)值代入上述公式中，D=521.8 mm，P=369.0 mm，O=152.8 mm。由式(4)和式(5)可得，m=0.72，n=1.98，取m=1，n=2，即長度方向布置2個噴嘴，寬度方向布置1個噴嘴可滿足要求。因此，選擇五出口霧化噴頭，材質(zhì)為PP+POM，工作壓力為1.5～3.0 kg/cm2，流量為0.67～1.5 L/min，出水孔徑為0.8 mm，霧滴大小約為80～200 μm。為保證霧化效果，系統(tǒng)設(shè)計時選用工作壓力為2.5 kg/cm2，流量為1.2 L/min作為設(shè)計依據(jù)，即系統(tǒng)總流量為4.8 L/min。選用規(guī)格為20的PVC-U管材，其內(nèi)徑為d主=16 mm，外徑為D主=20 mm，額定壓力為16.3 kg/cm2；選用0142HD-24-60型微型隔膜水泵，功率為60 W，工作壓力為8.2 kg/cm2，流量為5 L/min；選用功率為30 W的水下潛水紫外線殺菌燈，能量密度為612 mJ/cm2。

圖3 營養(yǎng)液循環(huán)處理系統(tǒng)的組成Fig. 3 Composition of nutrient solution circulating treatment system

2.2 環(huán)境調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計

植物的生長發(fā)育與溫度、濕度、CO2濃度、光照等環(huán)境因子的變化密切相關(guān)，家庭植物工廠中檢測的環(huán)境因子主要有栽培室內(nèi)溫度和CO2濃度、栽培室外濕度，環(huán)境調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)主要由空調(diào)、風(fēng)機及管道組成。

2.2.1 空調(diào)的選型

空調(diào)用以實現(xiàn)對栽培室內(nèi)空氣溫度的調(diào)節(jié)，以滿足作物生長需求。在栽培室內(nèi)人工光系統(tǒng)開啟時，開啟壓縮機實現(xiàn)降溫功能；在環(huán)境溫度過低時，開啟加熱板實現(xiàn)增溫功能。壓縮機根據(jù)栽培室體積、升溫速度來選擇空調(diào)的制冷量。設(shè)計目標(biāo)是使得栽培室內(nèi)的空氣溫度的降溫或升溫速率為1 ℃/min。

按照熱力學(xué)基本原理[17]，系統(tǒng)總熱負荷

Q=Q漏+Q內(nèi)

(6)

式中：Q——系統(tǒng)總熱負荷；

Q漏——系統(tǒng)泄漏熱負荷；

Q內(nèi)——系統(tǒng)內(nèi)部熱負荷。

1) 系統(tǒng)泄漏熱負荷Q漏。系統(tǒng)泄漏熱負荷Q漏由隔熱層造成的泄漏熱負荷Q漏_隔和開門造成的泄漏熱負荷Q漏_開兩部分組成。

(7)

式中：t1——空調(diào)風(fēng)進口溫度，取t1=12 ℃；

t2——空調(diào)風(fēng)出口溫度，取t2=22 ℃；

t3——系統(tǒng)外溫度，取t3=25 ℃；

A——柜體外表面積，A=6.768 m2；

k1——柜體內(nèi)表面的換熱系數(shù)，k1=10

W/(m2·℃)；

k2——柜體外表面的換熱系數(shù)，k2=1.0

W/(m2·℃)；

δ——隔熱層厚度，取δ=3×10-3m；

λ——隔熱層導(dǎo)熱率，查表得有機玻璃的導(dǎo)熱率λ=0.18 W/(m·℃)。

計算可得Q漏_隔=178.9 W。

(8)

式中：V總——栽培室Ⅰ和Ⅱ的總體積，V總=0.97 m3；

ρ——空氣密度，ρ=1.225 kg/m3；

Δh——進入栽培室內(nèi)空氣達到栽培室柜體溫度時其降溫降濕焓差值，查表可得飽和空氣24 ℃時的焓值為72.01 kJ/kg，16 ℃時的焓值為44.8 kJ/kg，計算可得Δh=27.3 kJ/kg；

i——開門次數(shù)，2次/h。

計算可得Q漏_開=18.0 W。綜上可得，Q漏=Q漏_隔+Q漏_開=196.9 W。

2) 系統(tǒng)內(nèi)部熱負荷Q內(nèi)。家庭植物工廠栽培室內(nèi)的熱負荷一般由LED燈管的熱負荷Q內(nèi)_LED和風(fēng)機的熱負荷Q內(nèi)_風(fēng)機構(gòu)成。

LED燈管的熱負荷

Q內(nèi)_LED=(PLED_1+PLED_2)·γ

(9)

式中：PLED_1——栽培區(qū)Ⅰ的LED光源的功率，PLED_1=100 W；

PLED_2——栽培區(qū)Ⅱ的LED光源的功率，PLED_2=96 W；

γ——LED光源位置對于熱負荷的影響系數(shù)，取γ=0.5。

計算可得LED光源的熱負荷Q內(nèi)_LED=98 W。

風(fēng)機的熱負荷

Q內(nèi)_風(fēng)機=n風(fēng)機·P風(fēng)機

(10)

式中：n風(fēng)機——風(fēng)機數(shù)量，n風(fēng)機=4；

P風(fēng)機——單個風(fēng)機功率，P風(fēng)機=1.2 W。

計算可得風(fēng)機的熱負荷Q內(nèi)_風(fēng)機=4.8 W。綜上可得，系統(tǒng)內(nèi)部熱負荷Q內(nèi)=Q內(nèi)_LED+Q內(nèi)_風(fēng)機=102.8 W。

綜合計算可得系統(tǒng)總熱負荷Q=Q漏+Q內(nèi)=299.7 W。出于可靠性和穩(wěn)定性考慮，增加10%的安全余量，即系統(tǒng)的設(shè)計熱負荷為329.7 W。系統(tǒng)選用QD65型壓縮機，功率360 W，制冷量為600 W。

2.2.2 風(fēng)機的選型

風(fēng)機用以實現(xiàn)對栽培室內(nèi)空氣與外界空氣換氣，以滿足栽培室內(nèi)溫度、CO2濃度等環(huán)境因子需求，根據(jù)栽培室的體積、換氣頻率(次/h)按照式(11)來選擇[18]。

(11)

式中：Q——單臺風(fēng)機風(fēng)量，m3/h；

N——風(fēng)機數(shù)量，臺；

VⅠ——栽培室Ⅰ體積，VⅠ=0.31 m3；

n換氣——換氣次數(shù)，n換氣=20次/h。

計算可得，總換氣量為6.2 m3/h。選用SJ4010型軸流風(fēng)機，功率為1.2 W，風(fēng)量為8.4 m3/h。

2.3 人工光系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 LED光源選型

從光強、光質(zhì)兩個維度進行考慮。一般來說，家庭植物工廠中栽培作物的光合光子通量(PPF)為500～700 μmol/(m2·s)，考慮到家庭植物工廠的經(jīng)濟性，家庭植物工廠人工光系統(tǒng)的光合光子通量(PPF)設(shè)計為350 μmol/(m2·s)左右；研究表明，家庭植物工廠作物采用波長為620～680 nm紅光和波長為400～500 nm的藍光按照6∶1到7∶1進行配比的光源最適合其生長[19]。栽培區(qū)Ⅰ采用功率為100 W的LED光源；栽培區(qū)Ⅱ采用4只24 W的T5型LED植物生長燈，間距0.1 m；試驗測得，在距離葉片0.3 m處，栽培區(qū)Ⅰ中LED光源的光合光子通量為372.09 μmol/(m2·s)，栽培區(qū)Ⅱ中LED光源的光合光子通量為370.54 μmol/(m2·s)，滿足設(shè)計要求。

栽培區(qū)Ⅰ和栽培區(qū)Ⅱ的LED光源光譜分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

(a) 栽培區(qū)Ⅰ

(b) 栽培區(qū)Ⅱ圖4 栽培區(qū)Ⅰ和栽培區(qū)Ⅱ的LED光源的光譜圖Fig. 4 Spectra of LED light sources in cultivation area I and II

2.3.2 光源升降機構(gòu)設(shè)計

光源升降機構(gòu)設(shè)計用以實現(xiàn)LED光源隨作物高度變化的自動升降。目前用以實現(xiàn)升降的機構(gòu)主要有鏈條式、電動推桿、鋼絲繩式升降機構(gòu)3種。分析發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩式升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本也較高，且為撓性傳動穩(wěn)定性差，在傳動過程中會造成光源晃動，進而引起光電開關(guān)信號不穩(wěn)定。鏈條式和電動推桿式升降機構(gòu)均可以買到組件，價格適中，但電動推桿式升降機構(gòu)，在回縮后縱向尺寸較大，故而采用鏈條式升降機構(gòu)(圖5)。

圖5 鏈條式光源升降機構(gòu)Fig. 5 Chain type light source lifting mechanism

鏈條式升降機構(gòu)由電動機、控制板、減速箱、鏈條、鏈輪、殼體、行程開關(guān)等組成，在下降過程中，控制板接收到下降信號后，控制電機啟動，經(jīng)過減速箱之后將動力傳給鏈輪，鏈輪的轉(zhuǎn)動帶動鏈條向外伸出，在鏈條伸出的過程中，殼體內(nèi)部的鏈條越來越短，當(dāng)縮短到行程開關(guān)處時，行程開關(guān)上的壓片與鏈條分離，控制板接收到行程開關(guān)信號后控制電機關(guān)閉，鏈條停止運動，完成下降操作；在上升過程中，電機反向轉(zhuǎn)動，鏈輪反向轉(zhuǎn)動，帶動鏈條收回，實現(xiàn)上升。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、通訊模塊、輸出控制模塊及其他輔助模塊組成(圖6)。數(shù)據(jù)采集模塊可以實現(xiàn)對栽培室內(nèi)溫度和CO2濃度、栽培室外濕度等環(huán)境因子，營養(yǎng)液溫度、EC值、pH值等營養(yǎng)液因子及液位高度等信息采集，并將采集數(shù)據(jù)傳輸給核心處理器。控制系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺進行雙向通訊。主控模塊可根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，按照控制策略要求通過輸出控制模塊對執(zhí)行設(shè)備進行控制，也可根據(jù)移動終端應(yīng)用指令對上述執(zhí)行設(shè)備進行手動控制。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 6 Control system structure

3.2 控制系統(tǒng)選型

1) 控制器采用MHW6070-1212 MR-6AD型觸摸屏PLC一體機作為系統(tǒng)控制器。具有光耦隔離的12路開關(guān)量輸入和12路開關(guān)量輸出；支持6路4～20 mA模擬量信號輸入，具有485通訊口，支持MODBU RTU通信協(xié)議。

2) 網(wǎng)關(guān)模塊選用YK-G316G-B型網(wǎng)關(guān)模塊。實現(xiàn)Modbus與MQTT通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。支持RS485 Modbus RTU協(xié)議和MQTT V3.1.1協(xié)議，數(shù)據(jù)上報為Json格式；支持?jǐn)?shù)據(jù)定時上報及變化上報；支持遠程向從機寫入數(shù)據(jù)及遠程MQTT協(xié)議配置網(wǎng)關(guān)參數(shù)。

3) 液位傳感器選用XKC-Y26-V型非接觸式液位傳感器，響應(yīng)時間500 ms，誤差±1.5 mm。

4) EC和液溫傳感器。EC和液溫傳感器用以指示營養(yǎng)液的EC值和溫度，避免因EC值過高或過低、營養(yǎng)液溫度過低影響作物生長。系統(tǒng)選用LT-CG-S/Y-005-A0700-12溶液EC(鹽分)、溫度二合一傳感器，輸出2路4～20 mA模擬信號，測量范圍：溶液溫度-40 ℃～80 ℃、溶液EC值0～10 mS/cm，測量精度：溶液溫度±0.5 ℃、溶液EC±3%。

5) pH傳感器的選型。溶液pH傳感器用以采集營養(yǎng)液pH值，能夠反映出營養(yǎng)液中氮的濃度、鉀的濃度，避免因營養(yǎng)液pH值過高或過低對于作物生長造成影響。系統(tǒng)選用MH-CG-T/R-06-C082溶液pH傳感器，4～20 mA模擬信號輸出，測量精度：±0.1，測量范圍：0～14。

6) 空氣溫濕度傳感器?？諝鉁貪穸葌鞲衅饔靡圆杉耘嗍覂?nèi)的溫度值和栽培室外的濕度值。系統(tǒng)選用LT-CG-S/D-005-A0000-12型分體式空氣溫濕度傳感器，測量精度高，互換性好，免標(biāo)定。2路4～20 mA模擬信號輸出，測量范圍：空氣溫度-40 ℃～80 ℃、空氣濕度0～100%RH，測量精度：空氣溫度±0.5 ℃、空氣濕度±3%RH。

7) CO2濃度傳感器。CO2濃度傳感器用以采集栽培室內(nèi)的CO2濃度值，避免因CO2濃度過低對作物光合作用造成不良影響。系統(tǒng)選用LT-CG-S/D-005-A0500-H-12-V1.2型CO2濃度傳感器，1路4～20 mA模擬信號輸出，測量范圍0～0.2%。

3.3 軟件設(shè)計

1) PLC程序設(shè)計。PLC程序設(shè)計采用三菱電機GX Works2 PLC軟件平臺[20]，以梯形圖作為編程語言。按照結(jié)構(gòu)化工程的編程方式，進行程序編輯，參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，程序監(jiān)控、調(diào)試及在線更改，智能功能模塊設(shè)置等設(shè)計。程序包括主程序、數(shù)據(jù)處理子程序、通訊子程序、輸出控制子程序等部分。主程序流程如圖7所示。

主程序完成初始化工作，進行數(shù)據(jù)采集，判斷是否收到觸摸屏或網(wǎng)關(guān)指令，如沒有收到，則依次向網(wǎng)關(guān)模塊和觸摸屏上報狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集值與設(shè)定值的比較結(jié)果，決定是否調(diào)用輸出控制子程序，完成各種控制量的輸出。以上流程循環(huán)往復(fù)不斷執(zhí)行。

2) 觸摸屏程序設(shè)計。觸摸屏是系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備，可以進行設(shè)備運行狀態(tài)、環(huán)境因子、營養(yǎng)液因子等信息的監(jiān)測與控制，并可進行種植模式選擇、控制策略修改、傳感器校準(zhǔn)等。觸摸屏軟件采用MHW觸摸屏組態(tài)軟件編寫。包括歡迎頁面、主頁面、模式選擇、專家模式等頁面，分別用于顯示設(shè)備運行狀態(tài)、環(huán)境因子、營養(yǎng)液因子等信息，進行種植模式的選擇等；分別建立校準(zhǔn)界面、壓縮機模式、LED模式、自吸泵模式等窗口，分別用于進行傳感器的校準(zhǔn)、空調(diào)等設(shè)備的控制策略，如圖8所示。

圖7 主程序流程圖Fig. 7 Main program flow chart

(a) 觸摸屏主頁面

(b) 專家模式頁面圖8 觸摸屏界面Fig. 8 Touch screen interface

3) 應(yīng)用軟件設(shè)計。應(yīng)用是用戶通過手機、計算機、pad等終端設(shè)備與系統(tǒng)進行交互的平臺。采用IoT Studio Web可視化開發(fā)工具進行應(yīng)用開發(fā)[21]。包括主頁面、設(shè)備管理、系統(tǒng)監(jiān)控和關(guān)于我們4個頁面，可以遠程實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)、環(huán)境因子、營養(yǎng)液因子等信息的監(jiān)測與執(zhí)行設(shè)備控制。

圖9 應(yīng)用軟件界面Fig. 9 Application software interface

4 系統(tǒng)測試

4.1 移動終端應(yīng)用交互測試

指令失效率測試結(jié)果如表1所示。

表1 指令失效率測試Tab. 1 Instruction failure rate test %

在瀏覽器中輸入網(wǎng)址www.zhnz.club，打開移動終端應(yīng)用，輸入帳號和密碼，在主頁面中可以查看環(huán)境和營養(yǎng)液因子的數(shù)據(jù)信息、設(shè)備運行狀態(tài)。在設(shè)備管理界面中，分別模式選擇、LED-A、LED-B、自吸泵、消毒燈、空調(diào)制冷、空調(diào)制熱等指令，各測試10次、50次、100次、200次，以失效次數(shù)與測試次數(shù)的百分比作為指令失效率?？梢园l(fā)現(xiàn)，各指令運行情況良好，可以滿足控制系統(tǒng)應(yīng)用需求，指令失效的原因可能是手機信號不穩(wěn)定。

4.2 環(huán)境因子控制效果

4.2.1 環(huán)境溫度控制效果

溫度控制目標(biāo)設(shè)置為21 ℃±2 ℃，控制試驗結(jié)果如圖10所示。試驗表明：栽培室溫度控制偏差小于0.3 ℃，平均響應(yīng)速度大于1.24 ℃/h，控制穩(wěn)定性較好。

圖10 溫度控制試驗結(jié)果Fig. 10 Temperature control test results

4.2.2 環(huán)境CO2濃度控制效果

CO2濃度控制目標(biāo)≥0.05%。CO2濃度控制試驗結(jié)果如圖11所示。試驗表明：栽培室CO2濃度控制偏差小于0.002 4%，平均響應(yīng)速度大于0.005 2%/h，控制穩(wěn)定性符合要求。

圖11 CO2濃度控制試驗結(jié)果Fig. 11 CO2 concentration control test results

4.2.3 營養(yǎng)液溫度控制效果

營養(yǎng)液溫度控制目標(biāo)21 ℃±1 ℃。液溫控制試驗結(jié)果如圖12所示。試驗表明：營養(yǎng)液溫度控制偏差小于0.4 ℃，平均響應(yīng)速度大于1.43 ℃/h，控制穩(wěn)定性較好。

圖12 液溫控制試驗結(jié)果Fig. 12 Test results of liquid temperature control

4.2.4 pH值和EC值監(jiān)測

pH值控制范圍為6.5±0.4，EC值控制范圍為3.2±0.5 mS/cm，監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。試驗表明：EC值超限報警動作準(zhǔn)確，EC值、pH值穩(wěn)定性符合作物要求。

圖13 EC值、pH值監(jiān)測試驗結(jié)果Fig. 13 EC value and pH value monitoring test results

5 結(jié)論

以氣霧栽培式家庭植物工廠為研究對象，從家庭植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析入手，按照模塊化的設(shè)計思路，綜合運用人工光源、自動控制、物聯(lián)網(wǎng)及氣霧栽培技術(shù)進行系統(tǒng)集成，對植物栽培裝置、控制系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)節(jié)控制、營養(yǎng)液循環(huán)處理、人工光源等關(guān)鍵子系統(tǒng)進行設(shè)計和設(shè)備選型，設(shè)計開發(fā)一種氣霧栽培式家庭植物工廠，按照系統(tǒng)功能和控制策略，開發(fā)PLC程序、觸摸屏程序；選取阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為遠程控制平臺實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺與設(shè)備的遠程通訊；運用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺Iot Studio中的Web可視化開發(fā)工具開發(fā)Web端應(yīng)用，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備控制及系統(tǒng)監(jiān)控。

試驗結(jié)果表明，環(huán)境溫度控制偏差小于0.3 ℃，平均響應(yīng)速度大于1.24 ℃/h；CO2濃度控制偏差小于0.002 4%，平均響應(yīng)速度大于0.005 2%/h。營養(yǎng)液溫度控制偏差小于0.4 ℃，平均響應(yīng)速度大于1.43 ℃/h。移動終端應(yīng)用交互測試符合要求。下一步，將繼續(xù)開展植物工廠小環(huán)境氣候模型構(gòu)建和產(chǎn)量模型研究，為環(huán)境因子的優(yōu)化控制和營養(yǎng)液的遴選配制提供理論支撐。