郭 翼，張桂琴

（1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442；2.北京綠山谷芽菜有限責(zé)任公司，北京 100074）

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，住房條件也不斷改善，現(xiàn)已不再滿足“居而有其所”的簡單生活，越來越多的人渴望與大自然親密接觸，對家居環(huán)境的要求越來越高［1］。在高樓林立的城市中，普通陽臺觀賞植物已不能滿足人們對田園生活的向往［2］。陽臺蔬菜不僅可以給人們提供放心蔬菜［3］，而且還可以凈化空氣，帶來種植樂趣［4］。芽苗菜是各種谷類、豆類、樹類種子培育出可供食用的芽苗。由于生長周期短，不需要噴灑任何化學(xué)藥品，芽苗菜被認(rèn)為是一類典型的綠色食品，且其發(fā)芽過程中能夠產(chǎn)生很多活性物質(zhì)，具有一定營養(yǎng)功能［5］，已成為迅速發(fā)展的一類極富營養(yǎng)保健和經(jīng)濟(jì)價值的新興蔬菜［6］。

目前，家庭芽苗菜栽培存在以下問題：芽苗菜家庭栽培一般采用平面式栽培，在有限的空間內(nèi)栽培量少；也有一些立體栽培裝置，但都是采用多層立體栽培，外形單一，美觀性不足，主要是下層芽苗菜采光不足，造成生長不良；沒有具備灌溉水循環(huán)功能的栽培裝置，易造成爛根現(xiàn)象；芽苗菜催芽過程需人工多次清洗種子，工作量大；由于家庭環(huán)境光照不足，芽苗菜生長不良。對家庭芽苗菜栽培裝置的基本設(shè)計要求是裝置的外形美觀能夠滿足芽苗菜生長過程中對水分和光照的需求，使芽苗菜長勢良好，實現(xiàn)自動化管理，減少栽培管理的工作量，在有限的栽培空間內(nèi)實現(xiàn)較高的栽培量。

本研究設(shè)計了一種家庭芽苗菜自動化栽培裝置，采用立體式栽培，提高了栽培空間利用率；灌溉水自動循環(huán)，有效減少爛根現(xiàn)象；具有專用的催芽室，實現(xiàn)自動化催芽；具有自動化智能補(bǔ)光功能，補(bǔ)充栽培環(huán)境的光照不足，而且外形美觀、操作簡便。

1 總體設(shè)計

家庭芽苗菜自動化栽培裝置由底座、栽培架、催芽系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。底座上部用于支撐栽培架，其內(nèi)部分有4 個區(qū)域：控制區(qū)用于安裝控制器、供水區(qū)用于安裝灌溉系統(tǒng)的水箱、催芽區(qū)用于安裝催芽系統(tǒng)、儲藏區(qū)可以儲存一定量的芽苗菜種子。栽培架用于芽苗菜栽培。灌溉系統(tǒng)用于在芽苗菜生長過程中進(jìn)行灌溉。補(bǔ)光系統(tǒng)用于補(bǔ)充芽苗菜生長過程中自然光照不足?？刂葡到y(tǒng)用于控制催芽系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)自動化工作。

2 自動化栽培裝置部件的設(shè)計

2.1 底座的設(shè)計

底座為長方形箱體結(jié)構(gòu)（圖1）。上部用于支撐栽培架，其內(nèi)部分有4 個區(qū)域：控制區(qū)、供水區(qū)、催芽區(qū)及儲藏區(qū)，各區(qū)域通過隔板隔開?？刂茀^(qū)用于安裝控制系統(tǒng)的控制器。供水區(qū)用于安裝灌溉系統(tǒng)的水箱。催芽區(qū)用于安裝催芽系統(tǒng)。儲藏區(qū)可以儲存一定量的芽苗菜種子。該設(shè)計可以使灌溉系統(tǒng)的水泵和催芽系統(tǒng)的水泵直接與控制器相連，也便于催芽系統(tǒng)的水位傳感器與控制器相連。底座的后部有3 個門，控制區(qū)和儲藏區(qū)共用1 個門，供水區(qū)和催芽區(qū)各有1 個門。中間供水區(qū)的門為百葉窗式，催芽區(qū)所需的新鮮空氣可以由此進(jìn)入。催芽區(qū)的門為封閉式，保證在催芽時內(nèi)部種子避光。為便于整個栽培裝置的移動，底座下部有4 個輪子，可以輕松移動該裝置的位置，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時，通過輪子自帶的鎖定裝置使其固定。

圖1 底座結(jié)構(gòu)

2.2 栽培架的設(shè)計

栽培架由架體、栽培槽和栽培盤組成（圖2）。架體為七邊形結(jié)構(gòu)，除頂角外，每個角部安裝有一個栽培槽。架體內(nèi)部為空腔，灌溉系統(tǒng)的水管和補(bǔ)光系統(tǒng)導(dǎo)線從架體內(nèi)部穿過。架體后部有蓋子，將水管和導(dǎo)線隱藏。栽培槽共有6 個，由盛水盤和育苗盤組成，下部為盛水盤，上部為栽培盤。盛水盤底部密封側(cè)面有2 個通孔，供水孔用于安裝供水管，回水孔用于安裝回水管。供水孔位置高于回水孔的位置，回水孔高于盛水盤底部1 cm，在使用過程中保持盛水盤內(nèi)的水位為1 cm。栽培盤底部布滿通孔，用于栽培芽苗菜，栽培過程中芽苗菜的根系從各通孔處伸入下方的盛水盤內(nèi)，吸收盛水盤內(nèi)的水分。而且在育苗盤和盛水盤的最高水位之間有2 cm 的空氣層，保證芽苗菜根系生長中對空氣的需求，該設(shè)計可以有效減少爛根現(xiàn)象。

圖2 栽培架

2.3 催芽系統(tǒng)的設(shè)計

催芽是芽苗菜栽培期的一個重要階段，要求種子有充足的水分供應(yīng)，并要求在避光環(huán)境下進(jìn)行。催芽系統(tǒng)位于底座內(nèi)部，包括催芽水箱、催芽水箱供水泵、霧化器、風(fēng)機(jī)、水位傳感器、育苗盤架（圖3）。催芽水箱為箱體結(jié)構(gòu)，用于存放霧化用水。上部為開口，底部安裝霧化器，一側(cè)壁安裝水位傳感器。育苗盤架為6 層結(jié)構(gòu)，用于放置育苗盤。在催芽區(qū)的隔板上安裝風(fēng)機(jī)，在催芽過程中使外界新鮮空氣通過供水區(qū)箱門的百葉窗，在風(fēng)機(jī)的作用下，進(jìn)入催芽區(qū)使催芽區(qū)獲得新鮮空氣。將通風(fēng)的百葉窗留在供水區(qū)，保證催芽區(qū)的避光環(huán)境。

圖3 催芽系統(tǒng)

目前，超聲波霧化被認(rèn)為是霧化效果最好的方式。超聲波霧化器是通過波動和能量傳遞，在液體和空氣表面形成極大的振動穿透，從而使粒子獲得脫離液體的加速度。在超聲霧化過程中，霧化器不會對液體分子化學(xué)成分造成破壞［7］。霧化器選用超聲波霧化器，工作時可以使催芽水箱中的水霧化，使催芽區(qū)上方的育苗盤能夠保持一定的濕度，為種子萌發(fā)提供水分的供應(yīng)。由于超聲波霧化器對于工作水位有限制要求，設(shè)置水位傳感器保證超聲波霧化器的正常工作。水位傳感器用于控制催芽水箱中的水位。當(dāng)水位低于傳感器限制的最低水位，則將信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)啟動位于灌溉水箱內(nèi)的催芽供水泵，水泵從灌溉水箱內(nèi)抽取水供給催芽水箱；當(dāng)水位到達(dá)傳感器限定的最高水位，則將信號傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)關(guān)閉催芽供水泵，停止供水。該設(shè)計采用超聲波霧化催芽方式，配合風(fēng)機(jī)供給新鮮空氣，滿足種子萌發(fā)過程中對水分和空氣的需求，有效減少爛種的現(xiàn)象。

2.4 灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

芽苗菜生長階段需有充足的水分供應(yīng)，為提高家庭芽苗菜栽培的便捷性，設(shè)置自動化灌溉系統(tǒng)。灌溉系統(tǒng)由主水箱、灌溉水泵、供水主管、供水支管、回水主管、回水支管、滴頭等組成（圖4）。主水箱安裝于底座的供水區(qū)，用于存放灌溉和霧化用水。灌溉水泵用于給水加壓，使水能輸送到各栽培槽。在水泵的進(jìn)水口處設(shè)置過濾網(wǎng)，用于過濾灌溉水中的雜質(zhì)。灌溉水通過水泵加壓后，沿著供水主管流入各供水支管，再輸送到各滴頭，進(jìn)而流入各栽培槽。由于各栽培槽的高度不一，為保證各栽培槽能夠獲得均勻的水分供給，該設(shè)計采用壓力補(bǔ)償型滴頭，實現(xiàn)對各栽培槽均勻供水。每個栽培槽的回水孔處安裝有回水支管，各回水支管與回水主管相連，回水主管的出口位于主水箱內(nèi)。當(dāng)栽培槽內(nèi)的水位高于回水支管的高度，水則通過回水支管流入回水主管，進(jìn)而流入主水箱。供水主管和回水主管安裝于栽培架架體內(nèi)。灌溉水泵由控制系統(tǒng)控制，實現(xiàn)自動化定時灌溉，每天灌溉時間由用戶設(shè)置，可以設(shè)置多個灌溉時段。

圖4 灌溉系統(tǒng)

2.5 補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計

光照是影響植物生長的重要因素，為滿足芽苗菜生長階段對光照的需求，設(shè)置補(bǔ)光系統(tǒng)。補(bǔ)光系統(tǒng)由控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化補(bǔ)光。補(bǔ)光系統(tǒng)由光照傳感器、補(bǔ)光燈和導(dǎo)線組成（圖5）。LED 是以半導(dǎo)體為材料的發(fā)光二極管，可以制定特定的光譜組合和光強(qiáng)大小刺激植物光受體，從而促進(jìn)植物生長并影響植物形態(tài)以及生理過程［8］。LED 作為補(bǔ)光的光源具有質(zhì)量輕、體積小、使用壽命長，而且發(fā)熱小、亮度高、輻射低、效率高等優(yōu)點(diǎn)［9］。由于植物對可見光的吸收主要集中在藍(lán)紫區(qū)和紅橙區(qū)，因此使用紅色和藍(lán)色LED 即可培養(yǎng)植物［10］。該設(shè)計補(bǔ)光燈采用LED 植物生長燈，由紅光和藍(lán)光組成，紅光波長為660 nm、藍(lán)光波長為460 nm［11］，紅光與藍(lán)光的比例為1∶1。下部的補(bǔ)光燈安裝于栽培槽的底部，頂部的補(bǔ)光燈安裝于架體的上部。光照傳感器控制用于監(jiān)測栽培環(huán)境的光照，當(dāng)光照度低于傳感器設(shè)置的補(bǔ)光光照時，傳感器將信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制補(bǔ)光燈打開。每天補(bǔ)光時間長度由用戶設(shè)置，可以設(shè)置為2、3、4 h，當(dāng)?shù)竭_(dá)補(bǔ)光時長，則補(bǔ)光燈關(guān)閉，等待12 h 后再次啟動傳感器工作。

圖5 補(bǔ)光系統(tǒng)

2.6 控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)由控制器、顯示屏等組成，安裝于底座的控制區(qū)。控制系統(tǒng)控制灌溉系統(tǒng)自動定時灌溉；催芽系統(tǒng)水箱的自動化補(bǔ)水；補(bǔ)光系統(tǒng)補(bǔ)光燈的開啟和關(guān)閉；用戶設(shè)置系統(tǒng)的工作參數(shù)，包括定時灌溉的時間和補(bǔ)光時長等。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種家庭芽苗菜自動化栽培裝置，由底座、栽培架、催芽系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成（圖6）。家庭芽苗菜自動化栽培裝置設(shè)計完成后，根據(jù)設(shè)計結(jié)果制作的栽培裝置，對豌豆、蘿卜、香椿、葵花等多種芽苗菜進(jìn)行了家庭栽培試驗。結(jié)果表明，催芽系統(tǒng)能夠使種子出芽整齊，避免了傳統(tǒng)催芽中種子發(fā)芽不齊和爛種的問題；灌溉系統(tǒng)可以滿足芽苗菜生長階段對水分的需求，由于水循環(huán)供應(yīng)，有效減少了芽苗菜由于灌溉不足引起的生長不良和爛根現(xiàn)象；補(bǔ)光系統(tǒng)可以滿足芽苗菜對光照的需求，解決了光照不足而造成生長緩慢和長勢不一致的現(xiàn)象；控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)栽培過程中自動控制，無需人為管理，解決了家庭栽培管理工作量大的問題；該裝置的外形美觀，有效提高了栽培空間的利用率。

圖6 居家芽苗菜自動化栽培裝置