一種智能家庭式植物工廠的創新設計

曾祥河 雷 濤 林光耀 黃慶安 何金成

（福建農林大學，福建福州350000）

0 引言

“植物工廠”的概念最早出現在20世紀40年代，植物工廠的誕生反映出了社會需求同生產力的不對等，許多自然因素影響著產量而人為無法控制[1]。通過控制植物工廠內部的各項指標可達到一個適合且高產的環境，但與此同時，高能耗也成為了很大的一個阻止其發展的因素。基于這一問題，本次植物工廠研究旨在減少能耗與提高經濟效益，使植物工廠更加普及。

1 整體與各模塊機構設計

1.1 整體機構設計

一種具有智能環境調控功能的家庭式植物培養箱控制系統設計，包括培養箱環境的智能檢測與調控以及提高太陽光利用率的太陽光跟蹤系統。智能型家庭植物工廠，箱體尺寸為70 cm×40 cm×135 cm，基本材料為2020鋁型材[2]。柜體的底層內安裝檢測和顯示系統、營養配置桶和水泵（圖1中A位置）；利用其背面夾層內設置的供液管和回液管，構成一個閉合的水流回路，可輸送營養液和所需水；柜體最底部設有4個自由滑動的輪子，移動方便（圖2）。

圖1 機構整體3D示意圖

圖2 機構正視圖

1.1.1 箱體環境控制原理

植物培養箱的控制系統可以實時檢測箱內的環境溫度、濕度以及光照強度變化，顯示在LCD屏上，當溫度、濕度超出設定范圍時，控制中心處理數據并發出控制信號控制執行器的運行。通過頂部安裝的噴霧設備和箱體側面的散熱裝置，可以在需要時及時地調控箱體的內環境，實時監控植物生長的條件。

1.1.2 節能補光設計

能耗大是人工光式植物工廠不能市場普及的一個原因，因此本機構創新發明一種太陽光跟蹤系統，其原理是根據白天太陽光直射角度的變化計算，然后通過控制系統控制植物生長平臺擺動一定的角度迎合、充分吸收太陽光，當光照強度小于設定范圍，就會啟動自動補光系統。

1.2 控制模塊設計

1.2.1 種植板同步擺動設計

該家庭式植物培養箱的設計，包括培養箱種植板的同步功能，其特征在于：利用鉸鏈和雙頭連桿，加上兩邊采用一對10 cm光軸（將會安裝在圖3中①位置）和軸承座在垂直方向上配合，以達到穩定種植板和使其旋轉的目的，實現多塊板的同時同步繞軸旋轉。

圖3 種植板同步擺動原理圖

1.2.2 實現層間運動的動力傳輸設計

培養箱每層下底面通過鉸鏈連接連桿，通過曲柄連桿機構傳動傳遞底部步進電機的旋轉動力（如圖4底層機構所示，連接銷和通氣孔位于機構側面，圖中未標出），控制步進電機的轉速與轉向。創新設計雙頭連接桿，使種植板之間互相連接，同步傳動至全部種植板，最終使種植板能夠一起同步追隨太陽光，實現太陽光的最大利用率，節約能源。

圖4 培養箱實施例的結構示意圖

2 主要零部件分析與實施方式

2.1 箱體內補光的光源選擇

經文獻查找，LED的光譜波長范圍正好適合植物光合作用所能吸收的光譜范圍，LED燈能耗低、效率高、壽命長，而且安裝方便[3]。所以箱體內部補光光源采用LED燈，采用紅藍5:2、紅白1:1、紅藍3:2等模式。

2.2 種植板的旋轉運動實施

圖5所示為種植板外框架的下表面45°轉向的俯視圖，圖中光軸為左右各一個的其中之一，受力F為種植板重力的一半，即G/2。通過左右兩光軸的支承作用使種植板得以托物旋轉。通過鎖緊軸套中的細小螺釘，使光軸與種植板緊密配合，帶動光軸旋轉，從而實現種植板運動。

圖5 種植板外框架俯視圖

3 項目特色及創新點

3.1 項目特色

家庭式植物工廠通過光電結合、機電一體化，各種傳感器（如溫度傳感器、光學傳感器等）與電路控制的連接以及單片機等現代設備作為核心對各個程序機構之間的準確控制三個方面的綜合應用，使得其內的環境質量檢測與調節變得自動化，而且更加準確。

3.2 項目創新點

本設備可通過控制系統有時序地控制植物生長平臺轉動一定的角度[4]，迎合太陽光的直射，相比傳統植物工廠能更加充分地吸收太陽能，增強光照利用率，在讓植物茁壯成長的同時節能減排。

4 結語

本次對于植物工廠的創新改進旨在利用機械的改造和電子、傳感器方面的控制提高能源的利用率和收益。植物工廠是人類解除自然約束、實現作物高產的一項利器，其在不浪費自然資源和低成本的普及方向不斷地創新和進步必將造福于人類。