基于“乾坤板”的家庭芽苗菜智能種植實踐

摘要：本文基于乾坤板智能種植系統基礎套件，在家庭陽臺開展了芽苗菜的智能種植實踐。作者在學習芽苗菜生長需求的基礎上，搭建了可進行硬件編程自動調控“光—溫—水”的微環境調控裝置，而后選用麻豌豆、油葵等品種進行了人工種植與智能種植實踐。在芽苗菜種植實踐中，綜合運用了信息科技、生物學的相關理論和試驗知識，實現了使用圖形化硬件編程自動調控種植微環境，并收獲了勞動成果。

關鍵詞：綜合實踐；芽苗菜；智能種植；跨學科；乾坤板

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）08-0056-04

種植實踐初衷

在《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》的指導下[1-2]，筆者所在學校提供了多種主題的綜合實踐活動，其中2023年5月班級微課堂開展的“意立方”微型農場科普講座介紹了在家智能種植的相關知識。筆者因為在信息科技課上學習過圖形化編程，同時對植物生長光合作用也有了解，加上有搭建智能種植系統的基礎硬件支持和家長鼓勵，于是，計劃在陽臺開展智能種植實踐。根據農學指導教師的建議，筆者選擇了生長周期大約為1周的芽苗菜作為種植品種，希望能通過智能種植實踐，實際運用所學的信息科技、自然、探究等課程的理論知識，種出可以供家人享用的新鮮芽苗菜。為了實現上述芽苗菜家庭種植，筆者查閱了芽苗菜種植技術的相關文獻，確定選擇麻豌豆、油葵作為主要種植品種，基于乾坤板基礎套件，參考其智慧農業擴展板進行了芽苗菜智能種植系統功能模塊的選擇與搭建、硬件編程，并于2023年和2024年進行了兩輪包括人工種植和智能種植的對比實踐。

種植條件準備

芽苗菜的種植過程包括種植環境準備、選種、浸種催芽、播種、黑暗培養、見光培養和采收幾大步驟。有研究表明，生長環境（如溫度、光照、養分等）對芽苗的生長發育和營養品質有著重要影響。[3]相較于自然環境生長，人工培養過程中的室內環境可以提供適當的培養基質、水分、光照和生長因子，更有利于控制芽苗菜品質，且使其生長不受季節影響。芽苗菜可以直接用清水水培，也可以采用培養基種植，本次種植實踐主要采用清水種植。芽苗菜種植不需要強光照，但是播種密度、光照強度等因素也會對芽苗的生長產生一定影響。[3]不同光質（如紅光、藍光、白光、綠光、紫外光等）對芽苗菜的生長發育和物質代謝有不同影響。溫濕度對種子萌發和芽苗生長影響很大，因此需要根據不同品種種子的萌發要求，選擇適合的催芽溫濕度和生長溫度。此外，營養物質的供應也是培育芽苗菜的關鍵，特別在見光培養期，需要水、肥、氣配合，大、中、微量元素均衡，同時通過添加部分微量元素可以種植出功能性芽苗菜，如通過補充硒種植出富硒芽苗菜。在本次芽苗菜家庭智能種植過程中，在見光培養期就添加了少量海藻水溶肥。

根據芽苗菜生長微環境及光、溫、水、肥、氣調控的需要，筆者基于乾坤板智慧農業擴展板搭建了如圖1所示的智能種植系統[4]，它是由種植架、智能種植微環境感知系統、控制系統和執行系統組成。種植架由金屬管材通過連接件拼裝成框架，傳感、控制和執行部件依附種植架和保溫袋或泡沫箱放置，整體形成一個可封閉避光和保溫、能自動調節種植環境的空間。傳感單元包括光敏傳感器、溫濕度傳感器、水溫傳感器、水位傳感器，收集的環境信息通過IO口連接至乾坤板主控芯片。控制系統硬件基于乾坤板基礎套件開發，軟件基于圖像化程序開發工具mind+開發，主要用于實現芽苗菜生長周期中光、溫、水的調節，本次實踐過程中未涉及肥自動調控。控制系統根據傳感系統傳感的環境信息，判斷植物當前所處環境的狀態，并控制補光燈、風扇、水泵和噴霧等設備開關，讓植物生長環境處于最佳的光照、溫度和水肥狀態。種植系統通過APP進行控制，手機與控制系統通過藍牙通信，控制系統還通過WIFI連接至TinyDB，實現傳感數據的網絡數據庫存儲和調用，智能種植APP采用APP inventor開發。

家庭種植實踐

1.種植實踐過程

筆者在家庭陽臺進行了全人工種植和智能種植的芽苗菜種植實踐。在進行種植環境準備、選種、浸種催芽、播種過程后，主要對比了黑暗培養和見光培養在全人工種植和智能種植上的效果。

①泡種：兩次都是先將種子用40℃左右的熱水沖洗，挑選出空殼和霉變種子，然后將選好的種子浸泡入40℃熱水，敞開放置于室內，任其自然冷卻，浸泡12小時后，種子吸水膨脹，并有白芽露出，即可進行播種。

②播種：將種子平鋪在育苗盤上，保證種子不重疊，間隙均勻，上面再蓋上濕潤的育苗紙，然后將育苗盤放置在盛有清水的托盤里，水的深度正好與育苗盤接觸，稍留縫隙。

③培養：在進行人工種植時，每天早、中、晚在育苗紙上噴水，保持紙張濕潤但不積水。前兩天在黑暗培養時用不透光的布遮住種植架，待白色根長出后，綠芽開始生長，當芽苗長至2～3厘米高時，改為見光培養的方式，去掉遮光布，去除覆蓋在上面的紙，將苗放置在弱光處，逐漸增加光照，但避免直接暴曬陽光。根部扎在下面的紙上，托盤底部留水，每天更換一次水。在封閉種植箱內，根據設定的程序進行噴霧、補水、補光，后期的微量水溶肥為手動補充。

④采收：大約經過6～10天的培養，芽苗可長至15～20厘米，這時便可采收。本次人工種植在2023年10月份，氣溫適宜，豌豆苗從播種到15cm高采收用時一共8天。智能種植在2024年3月初，所在地區氣溫在3～13℃之間，溫度偏低，但是在溫控系統工作下，從播種到15厘米高采收用時7天。

2.技術應用實踐

在智能種植過程中，運用到多學科的知識，包括自然、生物學中的種子萌發、光合作用，信息科技的圖形化編程的分支語句、循環結構，還有物理中的溫度、濕度、水位傳感原理等。經過實踐筆者發現了諸多技術需求，包括小容量低功耗噴霧、芽苗菜補光方案、智能種植微環境自動控制、智能種植物聯網技術選擇等。這些通過相關文獻調查都能找到合適的解決方案。筆者在實踐過程中，采用超聲霧化原理進行噴霧，用種苗培育的紅藍白LED補光燈進行見光培養，參考乾坤板智慧農業板進行微環境傳感與調控，采用藍牙技術實現乾坤板主控板與手機的通信。下面，筆者以超聲霧化和圖形化編程為例來說明技術應用的實踐。

在種芽菜培養期間，水是最為重要的生長條件之一。為了保持整個生長環境有一定的濕度，保持芽體的濕潤，以及根系部分能夠接觸到足夠的水分，需要根據濕度和水位及時進行補水，補水的方式直接影響芽苗菜的吸收，常規的方式是頂部噴水、根系部分灌水。噴水目前多采用高壓水泵方案。為了使得噴水出現霧化效果，要求水壓要高，一般要采用2～5米以上揚程的水泵，這樣的水泵在家庭環境中使用存在功耗和噪音都大的問題。本文基于小規模種植補水容量少的要求，利用超聲霧化原理，采用如圖2所示的超聲波微孔霧化片進行霧化補水，對環境濕度調控、補水的效果明顯優于水泵，并且功耗非常小。超聲波微孔霧化片是通過環形壓電陶瓷與一個微孔網片貼合而形成的超聲霧化裝置，其是利用壓電陶瓷的徑向伸縮振動帶動微孔網片（一般為不銹鋼、鈦合金等金屬薄片）的軸向振動，然后微孔網片將其一側的液體吸收并穿過微孔噴射出去，由于微孔很多孔徑很小（一般為5～10微米），被微孔網篩出去的微小液滴也就形成了液霧。網孔一側有一根吸水棉棒，在壓電陶瓷上施加一定超聲頻率的PMW（Pulse Width Modulation）脈沖波驅動，就實現了良好的霧化效果。

實踐采用Mind+圖形化編程平臺實現如圖3所示的自動種植程序的功能，下頁圖4左邊示意了mind+編程調試界面，該部分調用了平臺中乾坤板編程固件，使用了連接無線網絡熱點、配置TinyDB數據庫、讀取溫濕度傳感器模塊、通過端口控制風扇，以及循環、條件等邏輯語句，實現了基于設定溫濕度的風扇控制。圖4右邊示意了采用App inventor開發的簡單控制界面，利用安卓手機，可實時顯示溫度、濕度等傳感量，并可以手動啟停系統。

種植收獲體會

通過兩次種植實踐，筆者采收了自己種植的芽苗菜，并供家人享用。在芽苗菜種植實踐過程中筆者學習了具體的芽苗菜種植技術，運用了生物、信息科技等多門課程的知識來解決問題。第一次實踐智能種植，雖然只是簡單實現了人工種植的自動化復現過程，但是通過對芽苗菜種植技術和智能控制技術的親身體驗，激發出了創新的想法，如選用超聲霧化技術進行補水。同時這次實踐也為后續進一步提升種植系統功能、完善種植效果提出了優化思路，如：添加攝像頭監控植物生長狀態，實現遠程可視種植；量化記錄培養過程中的傳感和控制狀態數據，嘗試不同品種，采取水培、基質培等不同種植模式，并對比不同的光、水、肥方案，形成最佳的家庭芽苗菜種植方案。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部．教育部關于印發《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》的通知[EB/OL]．http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616.html.

[2]上海教育新聞網.關于中小學綜合實踐活動課程的思考[EB/OL].http：//www.shedunews.com/zhuanti/con/2020-06/03/content_2255.html.

[3]吳志偉.苦蕎芽苗菜培養條件的優化及其品質分析[D].成都：成都大學，2021.

[4]胡岳，王自珍，袁偉，等.智能種植科普與綜合實踐平臺設計[J].中國信息技術教育，2024（02）：74-77.

基金項目：①國家自然科學基金科技活動專項項目“基于產教融合理念的智能種養農工交叉科普平臺開發與推廣”（項目編號：52242705）；②湖南省首屆基礎教育教學改革研究項目“面向家校社協同育人‘智能種植’跨學科學習課程開發與實施研究”（項目編號：Y20230099）；③長沙市教育科學“十四五”規劃課題“基于家校社聯動的中學勞動實踐活動實施路徑研究”（項目編號：CJKZH202210）；④上海市“科技創新行動計劃”農業科技領域項目“模塊化高能效智能垂直農場關鍵系統研發集成及產業化推廣”（項目編號：23N21900200）。