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家用智能蔬菜种植机开发与应用
陈素娟，朱佳鑫，陈国元，王鹏凯，乐恺安，丁玉勤
（苏州农业职业技术学院，江苏苏州 215008）
随着城市化进程加快，人们离绿色生产也越来越远，为了丰富人们的业余生活，家庭园艺越来越多地进入了千家万户，传统的家庭种养殖多为花鸟鱼绿化盆栽等观赏性动植物。近几年，企业开发的家庭种植机产品已陆续进入市场，如深圳卒子、郑州麦佳等农业科技公司蔬菜种植机，价格相对较高，同时因缺乏相应的种植技术，担心种植不成功等，因而制约了消费者的购买热情。
本项目为 2017 年江苏省大学生实践创新项目，拟通过家用智能化种植机的开发以及对种植机技术的剖析，使家庭自行 DIY 智能化种植机，从而推广室内或阳台叶菜类蔬菜水培种植技术。家庭智能化种植机的开发，由于采用水培技术、智能化管理、立体种植，可根据家庭内种植场所来调节其高度和宽度，充分利用了空间，又满足了家庭参与种植和管理的乐趣。叶菜类蔬菜柔嫩且含水量高，不耐贮运，易腐烂变质，而在家中自行生产，则可随采随食，鲜美而有营养，可作为家庭蔬菜的补充。这种种植模式除家庭种植外，还可以推广至宾馆、咖啡厅、农家乐等，既美化环境，又能供客户现场采摘食用。
1 产品设计
家用智能种植机适用场所为城市普通家庭、宾馆或咖啡厅的室内，采用水培种植技术，多层立体种植，营养液智能化循环管理，同时温光自动化控制的栽培装置。主要包括：栽培架、营养液循环系统和温光控制系统组成。
1.1 栽培架
栽培架主要有种植的框架、栽培槽和定植板组成。框架多用 2020 欧标铝型材料，要求坚固耐用。框架结构如图所示，一般长 80~100cm 高，宽 26~40cm，总高150~180cm。架子最下层一般为 50~60cm 高的柜式结构，打开柜门后可在内部安放贮液箱。上部共设计 3~5层栽培床，栽培床的深度 4~5cm，层间距 18~33cm。栽培床是种植机的重要组成部分之一，可用 3mm 厚的PVC 或 ABS 板材胶合而成，也可在内部增加分隔板，增加营养液的紊流性，减少营养液流动的死角框架结。定植板通常采用 5mm 的 ABS 板材，根据栽培床的大小进行裁剪，使其正好覆盖在栽培床上。定植板上通常开直径 2.5cm 定植孔 2~3 排，孔距 12cm 左右，以保证中间孔间距，周边和两头的定植孔距边缘可适当缩小为原则，使其整齐而美观。
1.2 营养液及循环系统
1.2.1 营养液。营养液为叶菜的生长提供矿物质元素，因此也是栽培中的关键技术。在家庭栽培中营养液的用量较少，建议选购有品牌的高浓度水溶性无土栽培肥料，如上海永通化工的无土栽培肥料。以上海永通的无土栽培肥料为例，配制 1t 营养液，需要添加无土栽培 A、B 肥各 1kg，以后可根据营养液消耗量，按上述比例配好后进行补充。配制时，A、B 2 种肥料不能同时在一个容器内溶解，因为浓度过大容易产生沉淀，所以应先将贮液箱放入 50%的水，溶解相应量的 A 肥（根据预定配制营养液的量），然后将水位加至 80%，另外用少量水溶解 B 肥，再慢慢倒入贮液箱中，边倒边搅拌，最后将水加到预定配制的刻度线。
随着叶菜的生长，营养液的酸碱度也会发生改变，通常以酸碱度在 6.5~7.0 之间为好。如果酸碱度发生改变时，例如过酸，可添加 10%氢氧化钾水溶液；如过碱，可添加磷酸溶液加以调节。
1.2.2 营养液循环系统。主要包括：水泵、输水和回水管路、定时器以及贮液箱组成。
水泵选用扬程 1.8~2m，功率 40W 左右，出水量20L 左右的小型潜水泵就可。输水管路可选择与水泵出水口相匹配的软管或硬管，安装在支架的内侧，直接为顶层的栽培床输送营养液。回水管则设置在输水管口斜对面的支架附近，便于回水管能顺支架通到下一层的栽培床中，依次安装回水管，最后将营养液加收到贮液箱中，再通过水泵输送到项进行下一个循环。除上述单个进水管和回水管外，也可以按照上述原理设计双进水管和双回水管。回水管的回水口一般要求高于栽培床的底面 1~2cm，以保证水泵在不工作时栽培床内仍保留一定的营养液。
定时器是控制水泵按要求进行工作的装置，它可以单独设置，也可与智能管理系统组合在一起。设置定时器时应把握好以下原则：设定水泵工作时间时，营养液不从栽培床中溢出，水泵停止工作时间应保证栽培床中的营养液能充分地回流到贮液箱中；此外也要考虑到贮箱液的容积大小，抽水时始终要保持贮液箱中留有 1/3~1/2 的营养液量。贮液箱设置在栽培架下部，以密闭不见光为好。贮液箱的容积至少要在栽培床内营养液总量的 1 倍以上，过小则容易引起营养液温度、浓度等的变化，管理较困难。此外，可在贮液箱的箱壁上做好刻度，轻松地了解叶菜生长过程中营养液的消耗量，以便于及时补充。
1.3 温光控制系统
温光控制系统主要用于营养液液温控制和光照的补充。对于一般的叶菜来说，液温在 23℃左右，较有利于根系的生长发育和对营养的吸收，液温过高或过低都会对根系的发育产生影响。液温过高时，可用冰袋进行降温；液温过低时，可用四氟加热管进行加温。在阳台上种植，可以很好地利用自然光照，但在室内种植或遇到连续的阴雨天时，则容易引起光照不足。为了满足植物对光照的需求，在每一层上增加补光灯，补光灯通常选择适合叶菜类蔬菜生的长条形 LED植物照明灯，每层设计 2~3 根，每根功率 32W 左右。补光应根据天气情况、温度情况和幼苗生长情况综合分析，简言之，在气温等较适合叶菜生长，而此时光照不足成为主要抑制生长因子时就可进行补光了，补光时间一般为每天 8 小时左右。
2 日常生产
2.1 秧苗培育
叶菜类蔬菜水培一般采用无土育苗，即用基质育苗或水培育苗。基质育苗一般用珍珠岩或蛭石，装盘时基质量为盘容积的 2/3，刮平后将种子撒播其上，再盖上 1cm 的基质，淋水后放置在 20℃左右的条件下，并保持一定湿度促进发芽。待两片子叶开展后，将种苗轻轻拔出，移至直径 2.5cm 的柱状海绵上，放置在 105 穴的穴盘内继续培育。同时将穴盘放置在营养液内，营养液的高度淹没 1/3 海绵，营养液浓度为工作液的 1/2，待秧苗长到 3~4 片真叶时，定植至智能化种植机上。也可以直接将种子播在海绵播种孔内，保持一定的湿度，待种子出苗后，补充营养液，待秧苗长至 3~4 片真叶时，定植。
2.2 秧苗定植
叶菜类蔬菜秧苗达到 3 叶 1 心时就可以定植了。定植时，先将栽培槽清洗干净，消毒，然后将配制的营养液放置栽培槽内。盖上定植板，将幼苗连同海绵一起放入定植孔，注意一定要使幼苗的根系垂直悬挂在营养中，以防止缺水死苗。刚定植时，幼苗的根系较短，可将营养液液位调高，以利于根系的吸收；随着根系的不断生长，营养液液位逐渐下降至 1cm 左右。
2.3 日常维护
家用智能蔬菜种植机采用了智能化管理系统，因此日常维护较为简单，主要是观察叶菜生长是否正常（叶色的浓淡、生长速度、根系情况等）；循环供液系统工作是否正常；营养液量减少情况及是否需要补充；用pH 试纸检查营养液的 pH 值，一旦发现变化较大，及时调整；检查补光系统能否正常工作；如果有条件的话，可以在贮液箱中安装 1 支 10W 左右的紫外灯，对营养液进行消毒，减少病害的发生。
2.4 适时采收
叶菜类蔬菜采收标准比较宽泛，当植物长到一定大小时即可采摘、食用，新鲜美味。采摘时，应将植株连根一起从定植孔中取出，并将断根从营养液中清理干净，尽量减少断根落在营养中。一般叶菜类蔬菜定植后30 天左右就可以收获了，每年叶菜类蔬菜可以种植8~10 茬。
3 总结
随着人们生活水平的提高，种植食用型蔬菜为代表的家庭园艺也应运而生，但空间、环境、技术的制约，抑制了人们的生产兴趣。家用智能化种植机的开发应用，解决了家庭园艺种植的烦恼，采用水培技术、智能化管理、立体种植，既美化了环境，又能提供优质的蔬菜产品，提高了空间的利用率，培养了种植乐趣，同时又能提供鲜美的叶菜类蔬菜满足家庭或客户的需求，如能走进千家万户，市场前景一定很好。
