移动式自动控温型家庭园艺栽培装置的开发

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张梅邹承俊马伟

家庭园艺是指利用温室园艺相关栽培技术，在家庭内部的空闲空间进行芽苗菜、叶菜和花卉等的栽培，以满足人们对健康食物和身心休闲的双重需求。该技术的核心是园艺栽培技术和智能栽培装备。传统的温室园艺需要较大空间，为了更好地利用空间，家庭园艺可采用多层栽培架，即将种植盘放置在多层架子上，整个生长期都在架子上完成，利用家庭的一个角落狭小的空间即可完成种植，兼具欣赏的作用。同时，移动式结构便于搬运，可以充分利用太阳光进行补光。此外栽培装置还应实现自动控温，确保家庭园艺栽培处于稳定的温度环境，为定期采收提供保障。

装置设计原理

栽培盘采用“上网盘+下托盘〞的双层结构，上网盘底部有好多细孔，便于根系生长，还可以让水渗流上来。根扎下去后，一部分根在水面上，可以进行呼吸作用，满足根的气体交换;一部分根在水面下，在下托盘的水里伸长缠绕，为植物生长提供水分。

控温系统为分体式结构，包括操纵器、传感器、加温系统、降温系统等。操纵器采用51系统单片机作为处理器，采用彩色数码管模块显示数值，可以根据获取的栽培盘温度信息和预先设定的温度阈值自动操纵加温系统或降温系统。加温系统主要是冬季使用，利用发热丝直接对下托盘的水进行加热，对根部起到提温的作用，保障冬季生长温度;降温系统主要是夏季使用，采用小型冷气扇对栽培盘进行降温，冷风能调理小范围内微气候以适应植物生长。

温度传感器为4～20mA电流信号输出，采用不锈钢封装。传感器放置在下托盘中，实时测量当前栽培盘中的水温，可放置多组，同时采集温度值传输至控温系统的操纵器进行处理。

装置设计构造

装置共有3层结构，总高度为88cm，每层高度40cm，总宽度为66cm（图2）。装置采用螺栓连接，可以根据家庭角落的具体尺寸调理。每层都为凹槽结构，采用2mm钢板折弯后焊接喷塑。每层栽培盘内部通过玻璃防水胶密封，密封后的凹槽不会漏水。从材料强度计算，理论最大宽度可以达到2.2m。

控温系统采用模块化设计，包括操纵器、传感器等（图3）。操纵器接通220V交流电源，可以直接通过内部电源模块转换后给传感器通电，既可放置在栽培架上，也可固定在栽培架侧面。操纵器通过2组按键分别操纵温度范围，左侧为上阈值操纵按键，右侧为下阈值操纵按键，中间为程序选择模式开关，包括加温模式、降温模式2种。

在冬季种植豌豆苗，选择加温模式，开机后默认为上次关机的温度，通过上下箭头将左侧设定35.5℃，将右侧设定28℃，然后将电热丝依照“S〞型分布在栽培盘的下托盘水里进行加热。水温达到35.5℃时，自动进入保温状态，直到温度缓慢下降到28℃以下时，操纵器接通电热丝再次加热栽培盘里的水。这就实现了通过控温水培方式来培育豌豆苗。

栽培工艺设计为水培方式，首先将豌豆平铺到下托盘，覆盖下托盘底面积的4/5，然后加88mL温水（42℃），用上托盘反过来扣住，放置在栽培架上42h，待豌豆的根长至1cm时，将豌豆从下托盘倒入上托盘中，用镊子逐一调整豌豆，将其平铺到上托盘的网孔底板上。每个栽培盘参与160mL温水，将电热丝依照“S〞型直接放在下托盘的水里，弯曲5～8道确保加热均匀，放好上托盘即可。

装置应用效果

在成都冬季环境采用该装置进行水培试验，控温系统最高温度设定为30℃，最低温度设定为25℃，4天内发芽可长到2cm，接下来豌豆苗6天内高度可长到16cm（图4），此时可采收1次。通过恰当的播种和温度管理，可实现每天采收1次。

播种可根据实际需要，连续6天，每天播种1次，采收期也将依照播种顺序逐一进行。实际试验发现，水培豌豆苗每播种1次可连续收获3次，每次每盘收获的豌豆苗平均重量在190g左右。第3次以后由于部分根部发霉，欣赏性不好，不再继续收获。

展望

家庭园艺可以保证居住的绿色环境，具有美化生活和丰富情趣的功能。在家里连续生产出蔬菜，对于缺少農业知识的人来说也具有极大的满足感，丰富了城市里生产健康蔬菜的途径。同时，该系统成本较低，每套系统价格不足千元，有助于推广至千家万户。系统采用可靠的模块化设计，由于电路为单一功能，可根据生产实际灵活调理，显著提升系统稳定性。

*工程支持：成都地方财政专项资金工程（NASC20