氣霧栽培式家庭植物工廠設計*

楊學坤，鄭士朝

(1. 北京農業職業學院機電工程學院，北京市，102208； 2. 淮北合鳴農業裝備有限公司，安徽淮北，235000)

0 引言

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

近年來，日本、美國、荷蘭、意大利等發達國家的家庭植物工廠已經進入產業化階段，產業鏈較為完備，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達國家，但在政府的大力推動下，已取得一定的規模和成果[2]。2010年12月5日，北京某公司研發的“家庭版植物工廠”正式亮相“植物工廠創新成果發布會”[3]，魏靈玲[4]、孫剛[5]等學者分別對家庭植物工廠的系統和結構設計開展相關研究。LED補光技術以其節能、高光效等優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”模式為主，氣霧栽培模式相對較少[7-8]；王偉琳、宋衛堂[9-10]、薛曉莉[11]等對營養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，基于物聯網技術的設備控制平臺還較少，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相結合，設計開發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保障。

1 總體方案設計

家庭植物工廠結構示意圖如圖1所示。

圖1 家庭植物工廠結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of family plant factory

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

2 關鍵子系統設計

2.1 營養液循環處理系統設計

營養液循環處理系統(圖2)由貯液箱、紫外線消毒燈、自吸泵、液位開關、EC傳感器、液溫傳感器、進水管路、回水管路、霧化噴頭構成。其中，貯液箱用于存儲營養液；自吸泵用于從貯液箱內抽取營養液并提供系統所需的水壓；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，將營養液重新收集回貯液箱內；為了避免貯液箱內細菌的滋生，在貯液箱內設置紫外線消毒燈；為了避免因營養液不足引發種植失敗，在貯液箱內設置兩個液位傳感器。

氣霧栽培系統中，霧化噴頭是其中關鍵部件之一，直接關系到設備運行效果，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指標。

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，按噴嘴個數又可分為單出口和多出口等多種形式[16]。根據設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)

設噴頭個數為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，系統設計時選用工作壓力為2.5 kg/cm2，流量為1.2 L/min作為設計依據，即系統總流量為4.8 L/min。選用規格為20的PVC-U管材，其內徑為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 營養液循環處理系統的組成Fig. 3 Composition of nutrient solution circulating treatment system

2.2 環境調節控制系統設計

植物的生長發育與溫度、濕度、CO2濃度、光照等環境因子的變化密切相關，家庭植物工廠中檢測的環境因子主要有栽培室內溫度和CO2濃度、栽培室外濕度，環境調節控制系統主要由空調、風機及管道組成。

2.2.1 空調的選型

空調用以實現對栽培室內空氣溫度的調節，以滿足作物生長需求。在栽培室內人工光系統開啟時，開啟壓縮機實現降溫功能；在環境溫度過低時，開啟加熱板實現增溫功能。壓縮機根據栽培室體積、升溫速度來選擇空調的制冷量。設計目標是使得栽培室內的空氣溫度的降溫或升溫速率為1 ℃/min。

按照熱力學基本原理[17]，系統總熱負荷

Q=Q漏+Q內

(6)

式中：Q——系統總熱負荷；

Q漏——系統泄漏熱負荷；

Q內——系統內部熱負荷。

1) 系統泄漏熱負荷Q漏。系統泄漏熱負荷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——空調風進口溫度，取t1=12 ℃；

t2——空調風出口溫度，取t2=22 ℃；

t3——系統外溫度，取t3=25 ℃；

A——柜體外表面積，A=6.768 m2；

k1——柜體內表面的換熱系數，k1=10

W/(m2·℃)；

k2——柜體外表面的換熱系數，k2=1.0

W/(m2·℃)；

δ——隔熱層厚度，取δ=3×10-3m；

λ——隔熱層導熱率，查表得有機玻璃的導熱率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，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) 系統內部熱負荷Q內。家庭植物工廠栽培室內的熱負荷一般由LED燈管的熱負荷Q內_LED和風機的熱負荷Q內_風機構成。

LED燈管的熱負荷

Q內_LED=(PLED_1+PLED_2)·γ

(9)

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

PLED_2——栽培區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，取γ=0.5。

計算可得LED光源的熱負荷Q內_LED=98 W。

風機的熱負荷

Q內_風機=n風機·P風機

(10)

式中：n風機——風機數量，n風機=4；

P風機——單個風機功率，P風機=1.2 W。

計算可得風機的熱負荷Q內_風機=4.8 W。綜上可得，系統內部熱負荷Q內=Q內_LED+Q內_風機=102.8 W。

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

2.2.2 風機的選型

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

(11)

式中：Q——單臺風機風量，m3/h；

N——風機數量，臺；

VⅠ——栽培室Ⅰ體積，VⅠ=0.31 m3；

n換氣——換氣次數，n換氣=20次/h。

計算可得，總換氣量為6.2 m3/h。選用SJ4010型軸流風機，功率為1.2 W，風量為8.4 m3/h。

2.3 人工光系統設計

2.3.1 LED光源選型

從光強、光質兩個維度進行考慮。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濟性，家庭植物工廠人工光系統的光合光子通量(PPF)設計為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Ⅰ采用功率為100 W的LED光源；栽培區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Ⅰ中LED光源的光合光子通量為372.09 μmol/(m2·s)，栽培區Ⅱ中LED光源的光合光子通量為370.54 μmol/(m2·s)，滿足設計要求。

栽培區Ⅰ和栽培區Ⅱ的LED光源光譜分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

(a) 栽培區Ⅰ

(b) 栽培區Ⅱ圖4 栽培區Ⅰ和栽培區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 光源升降機構設計

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

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

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

3 控制系統設計

3.1 控制系統結構設計

控制系統由控制器、傳感器、通訊模塊、輸出控制模塊及其他輔助模塊組成(圖6)。數據采集模塊可以實現對栽培室內溫度和CO2濃度、栽培室外濕度等環境因子，營養液溫度、EC值、pH值等營養液因子及液位高度等信息采集，并將采集數據傳輸給核心處理器。控制系統通過網關模塊與物聯網平臺進行雙向通訊。主控模塊可根據數據采集模塊采集數據，按照控制策略要求通過輸出控制模塊對執行設備進行控制，也可根據移動終端應用指令對上述執行設備進行手動控制。

圖6 控制系統結構Fig. 6 Control system structure

3.2 控制系統選型

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

2) 網關模塊選用YK-G316G-B型網關模塊。實現Modbus與MQTT通訊協議的轉換。支持RS485 Modbus RTU協議和MQTT V3.1.1協議，數據上報為Json格式；支持數據定時上報及變化上報；支持遠程向從機寫入數據及遠程MQTT協議配置網關參數。

3) 液位傳感器選用XKC-Y26-V型非接觸式液位傳感器，響應時間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液的EC值和溫度，避免因EC值過高或過低、營養液溫度過低影響作物生長。系統選用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液pH值，能夠反映出營養液中氮的濃度、鉀的濃度，避免因營養液pH值過高或過低對于作物生長造成影響。系統選用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。空氣溫濕度傳感器用以采集栽培室內的溫度值和栽培室外的濕度值。系統選用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 軟件設計

1) PLC程序設計。PLC程序設計采用三菱電機GX Works2 PLC軟件平臺[20]，以梯形圖作為編程語言。按照結構化工程的編程方式，進行程序編輯，參數設定，網絡設定，程序監控、調試及在線更改，智能功能模塊設置等設計。程序包括主程序、數據處理子程序、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，進行數據采集，判斷是否收到觸摸屏或網關指令，如沒有收到，則依次向網關模塊和觸摸屏上報狀態數據，根據采集值與設定值的比較結果，決定是否調用輸出控制子程序，完成各種控制量的輸出。以上流程循環往復不斷執行。

2) 觸摸屏程序設計。觸摸屏是系統的輸入輸出設備，可以進行設備運行狀態、環境因子、營養液因子等信息的監測與控制，并可進行種植模式選擇、控制策略修改、傳感器校準等。觸摸屏軟件采用MHW觸摸屏組態軟件編寫。包括歡迎頁面、主頁面、模式選擇、專家模式等頁面，分別用于顯示設備運行狀態、環境因子、營養液因子等信息，進行種植模式的選擇等；分別建立校準界面、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、空調等設備的控制策略，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) 應用軟件設計。應用是用戶通過手機、計算機、pad等終端設備與系統進行交互的平臺。采用IoT Studio Web可視化開發工具進行應用開發[21]。包括主頁面、設備管理、系統監控和關于我們4個頁面，可以遠程實現設備運行狀態、環境因子、營養液因子等信息的監測與執行設備控制。

圖9 應用軟件界面Fig. 9 Application software interface

4 系統測試

4.1 移動終端應用交互測試

指令失效率測試結果如表1所示。

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

在瀏覽器中輸入網址www.zhnz.club，打開移動終端應用，輸入帳號和密碼，在主頁面中可以查看環境和營養液因子的數據信息、設備運行狀態。在設備管理界面中，分別模式選擇、LED-A、LED-B、自吸泵、消毒燈、空調制冷、空調制熱等指令，各測試10次、50次、100次、200次，以失效次數與測試次數的百分比作為指令失效率。可以發現，各指令運行情況良好，可以滿足控制系統應用需求，指令失效的原因可能是手機信號不穩定。

4.2 環境因子控制效果

4.2.1 環境溫度控制效果

溫度控制目標設置為21 ℃±2 ℃，控制試驗結果如圖10所示。試驗表明：栽培室溫度控制偏差小于0.3 ℃，平均響應速度大于1.24 ℃/h，控制穩定性較好。

圖10 溫度控制試驗結果Fig. 10 Temperature control test results

4.2.2 環境CO2濃度控制效果

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

圖11 CO2濃度控制試驗結果Fig. 11 CO2 concentration control test results

4.2.3 營養液溫度控制效果

營養液溫度控制目標21 ℃±1 ℃。液溫控制試驗結果如圖12所示。試驗表明：營養液溫度控制偏差小于0.4 ℃，平均響應速度大于1.43 ℃/h，控制穩定性較好。

圖12 液溫控制試驗結果Fig. 12 Test results of liquid temperature control

4.2.4 pH值和EC值監測

pH值控制范圍為6.5±0.4，EC值控制范圍為3.2±0.5 mS/cm，監測結果如圖13所示。試驗表明：EC值超限報警動作準確，EC值、pH值穩定性符合作物要求。

圖13 EC值、pH值監測試驗結果Fig. 13 EC value and pH value monitoring test results

5 結論

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展現狀及需求分析入手，按照模塊化的設計思路，綜合運用人工光源、自動控制、物聯網及氣霧栽培技術進行系統集成，對植物栽培裝置、控制系統、環境調節控制、營養液循環處理、人工光源等關鍵子系統進行設計和設備選型，設計開發一種氣霧栽培式家庭植物工廠，按照系統功能和控制策略，開發PLC程序、觸摸屏程序；選取阿里云物聯網平臺作為遠程控制平臺實現物聯網平臺與設備的遠程通訊；運用阿里云物聯網平臺Iot Studio中的Web可視化開發工具開發Web端應用，實現遠程數據監測、設備控制及系統監控。

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