環形居家蔬菜立體栽培裝置設計

郭 翼， 張桂琴

（1. 北京農業職業學院，北京 102442； 2. 北京綠山谷芽菜有限責任公司，北京 100074）

0 引言

我國家庭園藝是隨著經濟發展、城市化進程和人們對居住水平要求的提高應運而生的，是一個方興未艾的產業。它以解決城市化進程中人與自然和諧共生的矛盾為核心，是釋放城市人壓力和回歸自然的紐帶與橋梁[1]。家庭園藝是集環保、低碳、食用、觀賞、美化、娛樂和科普為一體的現代都市農業生活[2]。陽臺蔬菜是現代家庭園藝生活的一部分，也是都市家庭休閑的一種重要方式[3]。陽臺蔬菜主要是指利用城市樓房中的陽臺、天臺及院子對蔬菜進行種植[4]。它既可以滿足人們能夠在快節奏的城市生活中食用綠色無公害蔬菜的要求，同時也能夠使人們享受到種植帶來的樂趣[5]。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、創新化方向發展[6]。芽苗菜是用作物種子或其他繁殖材料，在黑暗或弱光照環境中培養出的可食用的嫩芽苗、嫩梢、芽球及幼莖[7]。芽苗菜周期較短，不需要施肥料、不用農藥即可獲得較好效果，屬于真正的綠色無公害食品[8]。為了實現把陽臺變成豐產的菜園，且滿足陽臺景觀化效果，根據陽臺空間布局，合理設計蔬菜栽培裝置變得尤為重要[9]。由于空間的局限性，伴隨人們對居家環境干凈衛生的要求，很多的陽臺蔬菜已經趨向于無土化，更加適宜人們目前的生活需求[10]。近年來，針對陽臺作物專用的種植技術和裝備研究也取得一定進展，出現了城市家庭蔬菜栽培裝置、新型立體栽培裝置、智能綠色栽培裝置、葉菜立體栽培裝置、裝配式立體栽培共生裝置、陽臺型魚菜共生裝置及無土立體栽培系統等研究成果[11-18]。

分析上述文獻中設計的栽培裝置可知，現有的研究成果結構一般比較復雜，栽培裝置制作成本高。為解決了居家蔬菜栽培對于實用性和經濟性的現實需求，在借鑒上述栽培裝置設計經驗的基礎上，從葉類蔬菜和芽苗類蔬菜生長周期短、易于管理、特別適用于陽臺種植的特點出發，設計了一種重點用于葉類蔬菜和芽苗類蔬菜栽培的環形居家蔬菜立體栽培裝置。其外形美觀、空間利用率高、操作簡便，能夠利用互聯網，實現灌溉和施肥作業遠程控制，可以使居民擺脫經常性管理的困擾。該裝置不僅適用于水培蔬菜，而且適用于基質栽培蔬菜，可以用于多種葉類蔬菜和芽苗類蔬菜的栽培。同時，通過居室內蔬菜栽培形成獨特的植物景觀，可作為居家綠色裝飾之用，易于在居家蔬菜栽培領域進行推廣。

1 總體結構及工作方式

環型居家蔬菜立體栽培裝置由主體結構、灌溉及施肥系統、控制系統等組成，如圖1 所示。主體結構用于連接安裝各部件，灌溉及施肥系統用于蔬菜灌溉和施肥，控制系統用于控制灌溉和施肥系統的工作。

圖1 環型居家蔬菜立體栽培裝置Fig. 1 Circular stereoscopic household vegetable cultivation device

工作時，首先將栽培的蔬菜以盆栽的形式放入栽培槽內，或將芽苗菜種子以育苗盤的形式放于栽培槽內。然后在水箱內裝入灌溉用水，在肥料罐內裝入液體肥料。當需要灌溉時，利用手機APP 打開水泵控制端，水泵從水箱吸水，通過供水主管道和支管道向栽培槽內供水。當栽培槽內的水位到達回水管限定的高度后，多余的水從回水管道流回水箱，保持栽培槽內有一定量的水。當采用盆栽形式栽培蔬菜時，栽培盆內的栽培基質，利用毛細作用，從栽培槽內吸取水分，供蔬菜生長。當以育苗盤形式栽培芽苗類蔬菜時，芽苗菜的根系生長從育苗盤的篩孔伸入栽培槽內吸收水分，供芽苗菜生長。若需結束灌溉，可直接利用手機APP關閉灌溉系統。當需要給蔬菜施肥時，利用手機APP打開控制器的肥料泵控制端，肥料泵從肥料罐內吸收液體肥料，并注入供水管道，肥料隨灌溉水流入各栽培槽內，實現施肥操作。

2 零部件設計

2.1 主體結構

主體結構由底座、栽培架、栽培槽和地輪組成，如圖2 所示。為滿足居家蔬菜栽培對于栽培裝置外形美觀的需求，本設計底座采用半圓形結構，栽培架采用圓環形結構，栽培槽采用圓柱形。本栽培裝置一是造型美觀，符合大眾的審美；二是采用立體栽培方式，提高了空間利用率，同時所栽培的蔬菜能夠很好地接受陽光，滿足蔬菜生長對于光照的需求。

圖2 主體結構Fig. 2 Main structure

底座為中空結構，內部用于安裝灌溉及施肥系統水箱、水泵、肥料箱和肥料泵，以及控制系統的控制器。栽培架采用中空鋼管焊接而成，鋼管可以噴涂多種顏色，適用于不同用戶審美的需求。鋼管的內部中空部分用于安裝灌溉和施肥系統的主管道，支管道則從栽培槽相應位置的開孔穿出。在栽培架的6 個對稱的位置有6 個栽培槽。栽培槽為圓盤，每個栽培槽與栽培架對應的位置有2 個通孔，上方的通孔用于灌溉和施肥系統的供水支管道穿入，下方的通孔用于安裝回水支管。為簡化結構，降低制造成本，栽培槽以焊接的形式與栽培架連接。底座底部安裝有4 個地輪，便于裝置移動。

2.2 灌溉及施肥系統

灌溉及施肥系統由水箱、水泵、供水管道、滴頭、回水管道、肥料罐、肥料泵和輸肥管道等組成，如圖3所示。水箱用于存放灌溉用水，安裝于底座內部，截面為扁圓形。水泵用于給水箱內的水加壓，并輸送至供水管道。由于灌溉水循環利用，回流入水箱的灌溉水中，可能會含有雜質，水泵采用帶有過濾器的潛水泵，可過濾灌溉水中的雜質，防止供水管道及滴頭的堵塞。供水管道由供水主管和供水支管組成，供水主管與水泵連接，使水輸送到各供水支管。供水主管安裝于栽培架的內部，供水支管從各栽培槽相應位置穿出。滴頭安裝于各供水支管的末端，由于各滴頭的安裝高度不同，會產生壓力差，造成供水不均勻，本設計采用壓力補償型的滴頭，可保證各栽培槽內的供水均勻。回水管道包括回水支管和回水主管。回水支管一端通過接頭連接各栽培槽，另一端與回水主管連接。栽培槽內的水位到達所限定的高度后，灌溉水會從回水支管流入回水主管，回水主管的出口放置在水箱內，各支管從栽培槽內回流的水沿回水主管流回水箱。肥料罐用于存放液體肥料。肥料泵為潛水泵，安裝于肥料罐內，肥料泵通過輸肥管道與供水主管相連，當肥料泵工作時，可以將肥料罐內的肥料輸送至供水主管，肥料隨灌溉水一起從各滴頭輸入栽培槽內。

圖3 灌溉及施肥系統Fig. 3 Irrigation and fertilization system

2.3 控制系統

采用網絡遠程控制器作為控制系統，控制系統工作流程如圖4 所示。用戶可通過手機APP 或小程序實現遠程的灌溉和施肥。控制器采用兩路控制器，一路用于控制水泵的開啟和關閉，另一路用于控制肥料泵的開啟和關閉。

圖4 控制系統工作流程Fig. 4 Work flow of control system

3 樣機試驗

依據上述設計結果制作了環形居家蔬菜立體栽培裝置的樣機。利用樣機進行了豌豆芽苗菜、蕎麥芽苗菜、蕓松芽苗菜等多種芽苗菜的種植試驗。試驗栽培時間為2021 年6 月13-21 日。管理便捷度、觀賞性和用戶綜合滿意度指標采用用戶調查方法采集，5 分為最佳。試驗結果如表1 所示。結果表明：能夠滿足芽苗菜的栽培要求，生長情況良好，從平均苗高和單位面積鮮質量指標看，栽培效果優于普通立體栽培裝置；管理便捷度、觀賞性、用戶綜合滿意度也優于普通立體栽培裝置。

表1 芽苗菜栽培試驗Tab. 1 sprout cultivation test

4 結束語

環形居家蔬菜立體栽培裝置外形美觀、空間利用率高、操作簡便，利用互聯網可實現灌溉和施肥作業遠程控制。適用于居家水培和基質栽培多種葉類和芽苗類蔬菜的栽培；可形成獨特的植物景觀，可作為綠色裝飾之用；易于在居家蔬菜栽培領域進行推廣。