多光譜智能種植園藝機設計與應用

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

隨著城市居民對生活環(huán)境質(zhì)量需求的不斷提升，“陽臺種植”“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、技術相對容易掌握，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、智能控制技術的家庭園藝設備逐漸增多，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)模化與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的企業(yè)較少，缺少相應的服務團隊及專業(yè)組織，無法滿足購買者的需求。家庭園藝設備智能化、家電化是未來發(fā)展的趨勢，家庭園藝設備可以在有限的空間滿足人們對家居裝飾、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。同時，家電化將增加個性化設計，完善產(chǎn)品研發(fā)及售后服務，滿足人們對綠色生活的向往，未來智能園藝機可以像電視、空調(diào)等家居產(chǎn)品進入消費者生活，發(fā)展空間和潛在市場巨大。

多光譜智能種植園藝機，是一款智能化的種植設備，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立控制，滿足多種類種植探索；占地不足0.5 m2，陽臺或室內(nèi)的一個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，兼具科學趣味和觀賞性。這款多光譜智能種植園藝機由鄢陵建業(yè)綠色基地、河南智圣普電子技術有限公司、河南農(nóng)業(yè)大學園藝學院三方共同研制。文章主要介紹該設備的設計與應用效果。

設計目標和工作原理

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，智能種植園藝機根據(jù)種植作物種類不同，可以設定多個補光策略，按組、分時對作物進行補光，光源由紅光、藍光和全光譜白光帶組成，使用者可以通過設置參數(shù)來控制光譜的組成。在同一設備上可以分層種植多種作物，每層可以設置不同的光質(zhì)與補光策略，并隨著作物品種與生長階段的變化，動態(tài)地調(diào)整補光配方，模擬自然光的變化，使光始終能促進作物的最佳成長。

設備中的光照組，每一層都有獨立的地址可以接受指令，指令中包含有對每個通道的光強控制的內(nèi)容，通過控制每一通道的光強達到控制光強影響光質(zhì)的目的。通過人機交互界面輸入目標值，嵌入式系統(tǒng)根據(jù)輸入形成文件，以FAT 格式存儲于EEPROM 中，這份文件被讀取應用于該組的輸出控制上，每一組都有獨立的文件，所以各分區(qū)可以獨立運行不同的策略，實現(xiàn)了分區(qū)控制。光學性能參數(shù)為紅光波長665 nm，藍光波長445 nm，全光譜白色光。每層的光強獨立可調(diào)，每個通道的光強獨立可調(diào)，紅光可達到25 W，172 μmol/（m2.s），藍光、全光譜可達到33.4 W，230 μmol/（m2.s），三種光譜可任意組合。

園藝機的電路由一張主控板卡與多張專用功能的板卡組成，通過總線進行數(shù)字化信息交換，完成數(shù)據(jù)采集、運算與控制功能，整機由一條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，相對于常見的恒壓驅(qū)動，它可以進行無級亮度調(diào)整，同時效率提升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。

設計構造

園藝機結構部分主要由鋁、鐵、塑料組成，在保證足夠的機械強度時，控制了整機的重量（＜60 kg），表面以噴塑工藝處理，形成致密的保護層，長久耐用。園藝機擁有米白色外觀，簡潔大方，601 系列機長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。設備是可拆解設計，拆解運輸，可節(jié)省45%的運輸空間，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 個種植孔，層間高度可調(diào)整，以適應不同高度的植株（圖1）。

圖1 智能種植園藝機結構設計/mm

園藝機配套的APP 可對設備的運行參數(shù)進行設置、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 與設備的連接，也不需要APP 繼續(xù)運行。操作客戶端支持多名用戶連接同一臺設備，對自己管理的區(qū)域進行控制，相互間不需要同步。

光譜工作參數(shù)調(diào)節(jié)

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

圖2 光質(zhì)與光強可任意調(diào)節(jié)（同一型號設備的不同運行狀態(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)設定間歇式工作周期，水泵運行有運行時長和間隔時長兩個參數(shù)，例如運行時長為10 min，間隔時長為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會，工作期間肥水潮汐式地由最上一層進入，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)，同時使空氣得以交換，富含氧氣的空氣進入水槽中系，同時設置有少水警告，缺水自動報警。

應用效果

智能種植園藝機集合了無土栽培技術、陽臺農(nóng)業(yè)、綠色種植等多種理念，設計團隊根據(jù)市場需求不斷改良升級，在國內(nèi)家庭用戶進行大范圍推廣，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)與光強智能控制，讓植物與人和諧共處，多達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，體驗先進的農(nóng)業(yè)科技，感悟植物生長的奧妙，動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、長壽花可進行扦插培育，1 周即可長出新的根系。智能種植園藝機適合安置在家庭的客廳、陽臺上，方便用戶隨時采摘。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 以上強光照，即白光、紅光參數(shù)調(diào)節(jié)至220～255 μmol/（m2.s），藍光60～120 μmol/（m2.s），光照總時長9～11 h，除強光照時間段外，早晚開啟和結束時間可設置0.5～1 h 的日出日落模式模擬自然光變化，其中紅藍光比例在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現(xiàn)田園夢想的最佳途徑，人們對美好生活的標準也越來越高，多光譜智能種植園藝機不僅可以美化生活環(huán)境、豐富生活情趣，還可以探索光對植物生長的影響，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融合了LED 補光技術、信息化技術、生物技術，設計團隊致力于都市農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)品研究開發(fā)與推廣，可應用領域廣泛，發(fā)展前景良好。可應用領域包括以下5 個：①家庭陽臺。實現(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。提供對各輸出參數(shù)強大精確的控制手段，同時能在種植參考面達到500 μmol/（m2.s）的光合光量子通量密度下，滿足對各種作物展開光質(zhì)與光強的探索與研究的需求。

圖4 應用領域