郭 翼，張桂琴

（1北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442；2北京綠山谷芽菜有限責(zé)任公司，北京 100074）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們愈來(lái)愈關(guān)注飲食健康，更傾向于選擇營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的食品。植物源蔬菜中的許多成分具有生物活性，而且可參與人體許多重要的代謝過(guò)程。但是，很多蔬菜因季節(jié)性以及地域性的限制而不能滿足人們的需求。相關(guān)研究表明可食性種子發(fā)芽后可以顯著提高它們的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和功能[1]。芽苗菜是利用各種豆類(lèi)、谷類(lèi)、樹(shù)類(lèi)及其他植物種子或其他營(yíng)養(yǎng)器官在適宜環(huán)境條件下發(fā)育成幼嫩的芽、苗、莖等作為食用的一種新型活體蔬菜[2]。芽苗菜自身營(yíng)養(yǎng)豐富，屬于堿性食品，部分芽苗菜更兼具一定的藥用或保健價(jià)值，而且其生產(chǎn)過(guò)程采用水培方式，不涉及化肥、農(nóng)藥投入，因此被公認(rèn)是一種綠色無(wú)污染、食用安全的新型蔬菜[3-4]，具有非常廣闊的發(fā)展前景[5]。但是，芽苗菜栽培過(guò)程中管理工作量較大，限制了芽苗菜的推廣，芽苗菜專(zhuān)用自動(dòng)化栽培裝置的研究與開(kāi)發(fā)，可解決芽苗菜栽培中存在的問(wèn)題，對(duì)芽苗菜的推廣具有重要的意義。

通過(guò)文獻(xiàn)檢索得知，對(duì)于小型栽培裝置的相關(guān)研究很多。蔣蘋(píng)等[6]設(shè)計(jì)了一種氣霧栽培箱裝置；陶柳等[7]設(shè)計(jì)了一種菱形陽(yáng)臺(tái)水培裝置；徐文棟等[8]設(shè)計(jì)了一種適宜家庭蔬菜栽培的裝置；朱志浩等[9]設(shè)計(jì)了一種智能綠色栽培裝置；蔣宗祥等[10]設(shè)計(jì)了采用超聲波霧化的新型植物氣霧栽培裝置；申再賀等[11]設(shè)計(jì)了可控微環(huán)境氣霧立體栽培監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)；張曉文等[12]設(shè)計(jì)出了葉菜立體栽培裝置控制系統(tǒng)。

氣霧栽培作為一種新型的水培方法，是將營(yíng)養(yǎng)液霧化為小霧滴，直接噴射到植物根系表面以提供生長(zhǎng)所需水分和養(yǎng)分的一種農(nóng)業(yè)高新技術(shù)[13]。根系作為獲取養(yǎng)分和水分的重要器官，其生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)劣會(huì)對(duì)蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響。氣霧栽培可以增大植物根系對(duì)水和養(yǎng)分的接觸面積，從而提高根系對(duì)水和養(yǎng)分利用效率[14]。有利于提高蔬菜生長(zhǎng)速度且有利于改善部分蔬菜品質(zhì)[15]。氣霧栽培具有極大的開(kāi)發(fā)潛力，是解決根系水氣矛盾問(wèn)題的很好的一種形式[16]。氣霧栽培通常比常規(guī)模式栽培植物的生長(zhǎng)速度提高3～5倍，可有效解決水培中根系缺氧問(wèn)題，傳統(tǒng)水培導(dǎo)致農(nóng)作物缺氧爛根，影響作物正常生長(zhǎng)，而氣霧栽培作物的根系直接裸露在空氣中，根系與空氣直接接觸，不易發(fā)生爛根現(xiàn)象[17-18]。氣霧栽培與水培和土壤栽培相比，生長(zhǎng)周期更短，效率更高[19]。還具有節(jié)水、增產(chǎn)增效等優(yōu)勢(shì)[20]。

雖然栽培裝置相關(guān)的研究成果較多，但組合式芽苗菜栽培的專(zhuān)用設(shè)備較少。目前，芽苗菜的栽培方式主要還是育苗盤(pán)單層平鋪式栽培和立體多層架式栽培。如用戶需要栽培量大時(shí)，采用單層平鋪式栽培占地面積大，不適于居家栽培使用。立體多層架式栽培，雖然空間利用率高，但是家庭栽培中美觀性欠佳。為解決芽苗菜栽培對(duì)于自動(dòng)化管理的需要，本文設(shè)計(jì)了一種組合式超聲波芽苗菜栽培裝置。組合方式靈活，可根據(jù)栽培空間自動(dòng)組合，而且采用自動(dòng)化管理，在栽培過(guò)程中無(wú)須人工管理。另外，采用超聲波方式進(jìn)行灌溉，不僅可以滿足芽苗菜對(duì)水分的需求，還能協(xié)調(diào)根系的水氣供應(yīng)矛盾，使芽苗菜生長(zhǎng)速度提高，減少爛根等現(xiàn)象。

1 總體設(shè)計(jì)

該裝置由底座、催芽系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，見(jiàn)圖1。底座用于安裝控制器和催芽系統(tǒng)。催芽系統(tǒng)用于為芽苗菜種子提供催芽環(huán)境。栽培系統(tǒng)用于芽苗菜的栽培，由霧化箱、育苗盤(pán)、霧化器、風(fēng)機(jī)、水位傳感器、進(jìn)水管、進(jìn)水閥等組成。補(bǔ)光系統(tǒng)可為芽苗菜生長(zhǎng)過(guò)程中補(bǔ)充光照。控制系統(tǒng)用于控制霧化器和補(bǔ)光燈的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉。

圖1 組合式超聲波芽苗菜栽培裝置

2 零部件的設(shè)計(jì)

2.1 底座的設(shè)計(jì)

底座為箱體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。底部有4個(gè)輪子，可以使栽培裝置便于移動(dòng)。前部有2個(gè)獨(dú)立的箱門(mén)。底座內(nèi)部通過(guò)隔板分為2部分，一部分用于安裝控制器，另一部用于安裝催芽系統(tǒng)，2部分各有獨(dú)立的箱催芽系統(tǒng)門(mén)，在安裝控制器部分的箱門(mén)上有開(kāi)孔，用于安裝顯示屏和按鈕。

圖2 底座

2.2 催芽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

催芽是芽苗菜栽培初期的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，芽苗菜種子必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間避光的催芽階段，才能進(jìn)入見(jiàn)光生長(zhǎng)階段。催芽過(guò)程要求種子所處的環(huán)境有足夠的濕度。本設(shè)計(jì)催芽系統(tǒng)位于底座的內(nèi)部，為種子發(fā)芽提供了避光的環(huán)境，采用超聲波霧化方式，使芽苗菜種子能保持足夠的水分供應(yīng)。催芽系統(tǒng)包括催芽水箱、霧化器、進(jìn)水管、進(jìn)水閥、水位傳感器、育苗盤(pán)和支架，見(jiàn)圖3。催芽水箱用于存放一定量的霧化用水。霧化器用于使水箱內(nèi)的水霧化，以保持種子水分供應(yīng)。水位傳感器用于感知水箱內(nèi)的水位，當(dāng)水位低于霧化器工作的最低水位時(shí)，將信號(hào)傳輸給控制器，控制器控制進(jìn)水閥打開(kāi)，向催芽水箱內(nèi)補(bǔ)水；當(dāng)水位高于霧化器工作最高水位時(shí)，將信號(hào)傳輸給控制器，控制器控制進(jìn)水閥關(guān)閉，停止向催芽水箱內(nèi)補(bǔ)水。育苗盤(pán)內(nèi)用于放置芽苗菜種子，育苗盤(pán)通過(guò)支架分隔和支撐，以使各育苗盤(pán)內(nèi)的種子都能夠保持足夠的濕度。

圖3 催芽系統(tǒng)

2.3 栽培系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為使本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自由的組合，每個(gè)栽培系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相同，用戶在芽苗菜栽培過(guò)程中，可以根據(jù)需要采用一個(gè)或多個(gè)栽培系統(tǒng)。氣霧栽培的核心設(shè)備是霧化裝置，超聲波霧化可有效解決了氣霧栽培技術(shù)中營(yíng)養(yǎng)液霧滴大而導(dǎo)致的洗根問(wèn)題[21]，與現(xiàn)有的氣霧栽培方式相比有效減小了霧滴直徑、削弱了霧滴沖擊力并提高了霧化的均勻度[22]。故本設(shè)計(jì)栽培系統(tǒng)采用超聲波霧化方式滿足芽苗菜對(duì)水分的需求。栽培系統(tǒng)由霧化箱、育苗盤(pán)、霧化器、風(fēng)機(jī)、水位傳感器、進(jìn)水管、進(jìn)水閥等組成，見(jiàn)圖4。霧化箱用于存放霧化用水；育苗盤(pán)用于芽苗菜的生長(zhǎng)；霧化器用于產(chǎn)生水霧，滿足芽苗菜生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)水分的需求；風(fēng)機(jī)用于使霧化箱內(nèi)水霧均勻分布和芽苗菜根部的通風(fēng)；水位傳感器采集霧化箱內(nèi)的水位信號(hào)，并傳用于控制系統(tǒng)；進(jìn)水箱用于向霧化箱補(bǔ)水；進(jìn)水閥由控制系統(tǒng)控制打開(kāi)和關(guān)閉。

圖4 栽培系統(tǒng)

霧化箱為長(zhǎng)方形狀，上部開(kāi)口用于安裝育苗盤(pán)，每個(gè)霧化箱上部可安裝兩個(gè)育苗盤(pán)。霧化箱的上部和下部的四角處有孔，用于在使用多個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)安裝立柱。在霧化箱上部端面的中間位置各有一個(gè)孔，用于補(bǔ)光燈的安裝。育苗盤(pán)采用底部布滿通孔的芽苗菜專(zhuān)用育苗盤(pán)，通孔的采用3 mm×3 mm和5 mm×5 mm 2種規(guī)格，小粒種子的芽苗菜栽培可采用通孔為3 mm×3 mm育苗盤(pán)，大粒種子芽苗菜栽培可使用通孔為5 mm×5 mm的育苗盤(pán)。利用育苗盤(pán)四周的臺(tái)階，可以放置于霧化箱上部開(kāi)口處。霧化器設(shè)置2個(gè)在霧化箱的兩側(cè)。霧化器采用超聲波霧化器，為保證足夠的霧量選用四頭超聲波霧化器，每個(gè)霧化箱內(nèi)設(shè)置2個(gè)霧化器。霧化箱的一側(cè)有風(fēng)機(jī)，在芽苗菜栽培過(guò)程中，可使超聲波霧化器產(chǎn)生的水霧均勻分布，以使芽苗菜能夠都得充分的水分供給，同時(shí)可以使根系獲得充足的空氣供給。在霧化箱內(nèi)部設(shè)有水位傳感器，當(dāng)水位低于霧化器工作最低水位時(shí)，水位傳感器將信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)則控制進(jìn)水閥打開(kāi)，自動(dòng)向霧化箱內(nèi)補(bǔ)水，當(dāng)水位高于霧化器工作最高水位時(shí)，水位傳感器將信號(hào)傳輸給系統(tǒng)，控制系統(tǒng)則控制進(jìn)水閥關(guān)閉，停止向霧化箱內(nèi)補(bǔ)水。

2.4 補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的重要環(huán)境因素、葉綠素合成的必要條件和光合作用的能量來(lái)源，可直接影響植物各種生理代謝，也是調(diào)節(jié)植物形態(tài)和生物節(jié)律等的重要生命活動(dòng)信號(hào)，對(duì)植物的生物量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)具有較大影響[23]。芽苗菜作為幼苗蔬菜對(duì)光環(huán)境的變化十分敏感。光照不足會(huì)造成芽苗菜呈黃化、徒長(zhǎng)、畸形和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量少等不良現(xiàn)象，而光強(qiáng)過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致芽苗菜纖維含量增多，影響口感，這些都不利于生產(chǎn)口感清脆、營(yíng)養(yǎng)豐富的芽苗菜。LED燈因具有壽命長(zhǎng)、光效率高、能耗小、體積小、質(zhì)量輕、安全可靠耐用、可發(fā)射單色窄光譜、光質(zhì)易于組合與調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，已成為植物生長(zhǎng)過(guò)程光調(diào)控的重要人工光源[24-25]。

為使芽苗菜在生長(zhǎng)過(guò)程中，能夠獲得充足的光照，本設(shè)計(jì)設(shè)置了補(bǔ)光系統(tǒng)。補(bǔ)光燈采用由紅光和藍(lán)光組成為L(zhǎng)ED植物生長(zhǎng)燈，紅光波長(zhǎng)為450 nm，藍(lán)光波長(zhǎng)為650 nm，紅藍(lán)光比例為1:1。由于栽培環(huán)境濕度較大，補(bǔ)光燈的外部采用透明塑料罩保護(hù)。根據(jù)用戶的需要，補(bǔ)光燈安裝于霧化箱的上部或下部的安裝孔處。在底座的后部安裝有光照傳感器，采用光照數(shù)據(jù)，當(dāng)光照不足時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)光照采集的數(shù)據(jù)控制補(bǔ)光燈打開(kāi)。

2.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)用于根據(jù)水位傳感器的信號(hào)控制催芽水箱和霧化箱進(jìn)水閥的打開(kāi)和關(guān)閉；根據(jù)光照料傳感器的信號(hào)控制補(bǔ)光類(lèi)的打開(kāi)；設(shè)定每次補(bǔ)光的工作時(shí)間，即當(dāng)補(bǔ)光時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)光燈?？刂葡到y(tǒng)的工作流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)工作流程

3 栽培裝置的應(yīng)用

為滿足用戶栽培的需求，本設(shè)計(jì)可以采用多種組合方式。用戶可以根據(jù)用戶需要選用一個(gè)或多個(gè)栽培系統(tǒng)，見(jiàn)圖6。當(dāng)用戶選用1個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)，其安裝方式如圖6(a)所示；當(dāng)用戶選用2個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)，其安裝方式如圖6(b)所示；當(dāng)用戶選用4個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)，其安裝方式如圖6(c)所示；當(dāng)用戶選用6個(gè)栽培系統(tǒng)時(shí)，其安裝方式如圖6(d)所示。用戶可以根據(jù)自己的需求，自行組合。

圖6 栽培裝置的應(yīng)用

4 結(jié)論

組合式超聲波芽苗菜栽培裝置由底座、催芽系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成?？梢愿鶕?jù)用戶需要選用一個(gè)或多個(gè)栽培系統(tǒng)進(jìn)行組合，組合方式靈活。該裝置設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了樣機(jī)制作，并利用樣機(jī)進(jìn)行了豌豆和蘿卜等芽苗菜的栽培試驗(yàn)，結(jié)果表明：該裝置采用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)催芽系統(tǒng)和栽培系統(tǒng)的自動(dòng)供水，以及補(bǔ)光系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)光，在栽培過(guò)程中無(wú)須人工管理。催芽系統(tǒng)和栽培系統(tǒng)采用超聲波方式進(jìn)行霧化，不僅可以滿足芽苗菜對(duì)水分的需求，還能協(xié)調(diào)根系的水氣供應(yīng)矛盾，使芽苗菜發(fā)芽和生長(zhǎng)速度提高，減少爛根等現(xiàn)象。該裝置使芽苗菜栽培過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，對(duì)芽苗菜的推廣具有重要的意義