家庭园艺中智能旋转式植物种植架的研发和应用

家庭园艺中智能旋转式植物种植架的研发和应用
寇亚平 1，滕学政 2(1. 中国农业大学 园艺学院，北京 100193；2. 山东省潍坊第一中学，山东 潍坊 261000)

我国家庭园艺是随着经济发展、城市化进程和人们对居住水平要求的提高应运而生的，是一个方兴未艾的产业。它以解决城市化进程中人与自然和谐共生的矛盾为核心，是释放城市人压力和回归自然的纽带与桥梁，是园艺园林与现代家居的有机结合，是“园艺疗法”向家庭的贴近和延伸，是响应我国“生态文明”建设的园艺产业新领域。本文分析家庭园艺的研究现状，以解决家庭园艺种植模式中存在的问题为出发点，设计一套智能旋转式植物种植架，并阐述该智能栽培装置的原理及延伸应用前景。

1  家庭园艺研究现状
传统的家庭园艺，是指在庭院中进行的园艺活动及园林景观建设，包括养花、插花及盆景等。随着我国城市化的推进，拥有庭院的市民少之又少，我国家庭园艺便演化成“家居园艺”，园艺活动主要利用阳台和室内空间，设计种植各种各样的植物，以实现既能塑造家居风格，又能绿化美化环境，还能帮助修身养性的目标。
与发达国家的家庭园艺相比，我国家庭园艺起步较晚，尚处于初级阶段。我国家庭园艺兴起的动因有3 点：(1) 工业化和城市化快速推进过程中带来的室内外环境问题，如雾霾、室内装修和家具带来的甲醛等；(2) 经济发展和居民生活水平提高，对居住条件的要求日益提高，由原来的“居者有其屋”转变成“居者优其屋”；(3) 城市居民回归自然和亲近农业的愿望所带来的都市农业发展的需求。
2008 年 1 月，中国华南地区首个面向高端客户提供家庭花园产品和服务的主题商场“友家园艺生活广州旗舰店试营业”与“2008 年中国家庭园艺生活元年”等活动，标志着中国家庭园艺产业的开启。近年来，家庭园艺在北京、上海、广州、深圳等沿海城市开始流行，政府出台《绿化管理条例》、《屋顶绿化及垂直绿化技术导则》等相关政策文件。行业协会及房地产商举办和推介的家庭绿化设计竞赛、美家园艺大赛、家庭园艺节等活动，极大提高了市民从事家庭园艺的热情。高校科研人员对家庭园艺的种植模式、消费市场、消费行为进行分析，开发了一系列科技园艺产品，使家庭园艺产品更加多样化与市场化。同时，在“科技科普”双轮驱动的政策支持下，关于家庭园艺种植活动的科技科普知识越来越容易开展，人们对家庭园艺种植的兴趣提升，形成大众参与创新创意的新局面。阳台蔬菜花卉种植研究、菜园的景观化和情趣化、无土栽培的应用 (基质的干净卫生、水培技术的研发 )、LED 及物联网等现代科技的应用、家庭园艺产品的专业性研发等，使我国家庭园艺产品越来越多，受到广大市民的喜爱，激发出更大的消费市场。

2  家庭园艺种植模式研究现状及问题
家庭园艺种植模式是家庭园艺产品的主要展现方式，受到高校、科研院所以及企业的普遍重视，家庭园艺产品的研发均基于家居环境内的园艺模式的优化而展开。目前，建筑空间外的园艺种植模式有：庭院式、屋顶式、阳台式。家居环境的种植模式主要有：台架式、一点中心式、近窗式、环绕式、节奏摆点式 。根据家庭园艺植物栽培的形式，将其划分为：盆栽式 ( 包括单株观赏的大中型植物、盆景、插花、容器种植 )、室内附种植器具的景观栽培架及室内景观园 3 种。相关的家庭园艺产品有：丰富多样的小型盆栽类、家庭种植套装类、智能花盆类、阳台种植架、室内种植墙类以及智能植物种植架等 。在家庭园艺种植模式中，由于我国市民的居住面积受限及食品安全问题的存在，阳台园艺和室内景观园的接受程度较高。利用阳台自己开展种菜、赏菜、收菜活动，可以得到安全放心的新鲜蔬菜，还可以改善居住环境、获得知识、愉悦心情、锻炼身体。特别是无土栽培技术的日渐成熟和人们更加追求环保、自然的生活，蔬菜无土栽培开始进入家庭。阳台种菜在新加坡和我国香港、台湾地区，作为生活方式早已成为常态。近几年来，国内阳台菜园也发展迅速，利用自家阳台成为一种时尚，打造阳台“一米菜园”、“一米花园”成为一种城市生活新潮流。
目前，国内家庭无土栽培主要以阳台种菜为主，提供生活便利的同时也带来新的问题。主要是受阳台朝向、阳台封闭环境、无土栽培架等方面的限制，使固定式阳台种菜存在以下弊端：(1) 阳台朝向决定光照，光照不均，不利于生长，需人为旋转无土栽培种植架；(2) 栽培架多维 PVC 管道固定式，造型有碍观瞻，不宜放置在客厅或办公室；(3) 栽培种植架体积大，调整困难；(4) 种植架内植物需人工定时浇水清理，有异味。

3  智能旋转式植物种植架的设计
相比阳台，客厅和办公室日照较弱，但四季温度变化幅度小，空间面积和硬件设备均优于阳台。但客厅和办公室美观度要求较高，一般的阳台栽培装置又不适合。为了解决以上问题，我们设计了一款能满足客厅、办公室景观要求，可以替代绿植，又能提供绿色无公害蔬菜的装置 ( 见附图 )。

注：A：智能旋转景观栽培架结构图：营养液箱 (1)，带驱动机构的立柱 (2)，营养液盘 (3)，间隔设置的多层托架 (4)，供液泵 (5)，设置在托架内的空腔 (6)，栽培孔 (7)，驱动电机 (9)，贯通腔 (10)，旋转接头 (11)，输液管 (12)，供液管 (13)，轴承 (14)，回液管 (15)。
B：智能旋转景观栽培架横向结构示意图。
旋转式景观蔬菜无土栽培装置的工作原理如下：
电机 (9) 通过传动同步带轮及同步带带动立柱(2) 旋转，从而实现连接在立柱 (2) 上的所有托架(4) 同时旋转，这样栽培孔 (7) 上栽培的蔬菜就实现了旋转，蔬菜得到的光照就均匀了。营养液储存在营养液箱 (1) 内，通过供液泵 (5) 加压经输供液管 (13)、旋转接头 (11) 和输液管 (12) 到达营养液盘 (3) 内，从营养液盘 (3) 通过连通管道(15) 到达下 1 层托架 (4) 上的栽培机构，托架 (4) 上的栽培机构连通管道 (15) 逐层连接，最底层托架(4) 上的栽培机构与贯通腔 (10) 连通，营养液最后通过贯通腔 (10) 回流到营养液箱 (1) 内，解决了蔬菜架旋转时营养液可稳定的输送、循环、回收问题。

4  智能旋转式植物种植架的应用展望
智能旋转式植物种植架，是为了解决现代家庭园艺阳台及办公室中蔬菜、花卉等植物种植中遇到的问题而设计的。该装置创新点：(1) 采用电机带动蔬菜架定时慢速旋转，保证光照均匀；(2) 采用活动组合方式，可搭配宝塔、树型等造型，种植不同蔬菜；(3) 采用营养液滴灌方式，满足生长的同时又保证环境干净、无异味。(4) 定时启动，夜间停止，节约能源，防止噪音；(5) 重点解决装置旋转和浇灌系统运行相互干涉的难题，实现正常连续浇灌。
该智能旋转式种植架除具备以上功能和创新点外，根据实际条件和需要还可以进行以下方面的扩展应用。
4.1  家庭植物微型工厂
植物工厂，又称“人工光利用型植物工厂”，是采用 LED 等为植物提供人工光源，并配备多层栽培架、循环风机、空调、CO2 施肥系统、营养液循环系统等设备的一种密闭式园艺设施栽培，主要分为大型植物工厂和微型植物工厂。微型植物工厂满足人们追求快速、自然和健康饮食方式的需求，适合家庭使用，能满足未来城市家庭园艺作物栽培的需要。本文提出的智能旋转式植物栽培种植架，只需通过简单改造，添加 LED 等人工光源，即可满足家庭植物微型工厂的需要。
4.2  智能居家园艺产品的开发
随着工业化 4.0 的提出，互联网、物联网和大数据等新一代信息技术为驱动的智能生产时代即将到来。本文中所涉及的智能旋转植物栽培种植架，可以升级为“家庭植物微型工厂”后进一步升级，通过物联网技术，实现远程管理和控制，用户可以通过网络随时随地进行在线管理、远程监控、实时操作，实现网络种花种菜的效果。
此外，在本文设计的智能旋转植物栽培种植架基础上，基于植物微型工厂理论，结合室内家电产品进行高度整合设计，结合室内景观配制、日常养护管理、种植体验等，可为现代家居提供成套的以互动、健康、环保为主题的“生态家电”产品。

5  结语
基于国内家庭园艺的兴起，针对当前家庭园艺中植物种植模式所存在的问题，本文介绍了笔者设计出的一套智能旋转式植物种植架。该装置可替换客厅、办公室、阳台中花卉蔬菜的景观无土栽培，也可用于微型家庭植物工厂，还可结合物联网技术开发智能居室园艺产品，具有延伸应用前景。