氣霧栽培式家庭植物工廠營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng)設計 楊學坤 北京農業(yè)職業(yè)學院機電工程學院 北京 102208 摘要 針對氣霧栽培式家庭植物工廠生產(chǎn)對營養(yǎng)液循環(huán)及管理的要求 開發(fā)了以自吸泵 恒溫機 紫外線消毒燈為執(zhí)行設備的營養(yǎng)液循 環(huán)與管理系統(tǒng) 實現(xiàn)了對營養(yǎng)液EC值 pH 溫度的監(jiān)測以及營養(yǎng)液溫度控制 結果表明 系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下 營養(yǎng)液溫度調控平均響 應速度大于1 43 h 控制偏差小于0 4 營養(yǎng)液的EC值和pH均處于控制范圍內 系統(tǒng)動作準確 性能穩(wěn)定可靠 能夠滿足家庭植 物工廠生長所需環(huán)境要求 關鍵詞 家庭植物工廠 營養(yǎng)液 自動控制 氣霧栽培 中圖分類號 S317 文獻標識碼 A 文章編號 0517 6611 2021 03 0209 05 doi 10 3969 j issn 0517 6611 2021 03 056 開放科學 資源服務 標識碼 OSID Design of Nutrient Solution Circulation and Management System for Aerosol Culture Family Plant Factory YANG Xue kun School of Mechanical and Electrical Engineering Beijing Vocational College of Agriculture Beijing 102208 Abstract Aiming at the requirements of nutrient solution circulation and management in the production of aerosol culture family plant factory a nutrient solution circulation and management system with self priming pump constant temperature machine and ultraviolet disinfection lamp as the implementation equipment was developed to monitor the EC value pH and temperature of the nutrient solution and control the tempera ture of the nutrient solution The test results showed that the average response speed of nutrient solution temperature regulation was greater than 1 43 h the control deviation was less than 0 4 and the EC value and pH of the nutrient solution were within the control range The system had accurate operation stable and reliable performance and could meet the environmental requirements for the growth of family plant plants Key words Domestic plant factories Nutrient solution Automatic control Aerosol culture 基金項目 北京農業(yè)職業(yè)學院2019年度科研項目 XY YF 19 23 作者簡介 楊學坤 1981 男 山東濰坊人 副研究員 碩士 從事設 施農業(yè)裝備研究 收稿日期 2020 06 12 營養(yǎng)液栽培 nutriculture 是一種利用營養(yǎng)液栽培植物的 方法 是家庭植物工廠的主要栽培方式 具有省工 節(jié)水 省 肥等優(yōu)點 避免了土壤栽培經(jīng)常出現(xiàn)的土傳病害和鹽類堆積 以及由此引起的連作障礙和各種病害 1 目前使用最普及 的有DFT 深液流 和氣霧栽培2種栽培模式 這2種模式均 可采用封閉式營養(yǎng)液自動循環(huán)系統(tǒng)進行植物栽培的全過程 管理 在家庭植物工廠中多以深液流方式為主 氣霧栽培還 較為鮮見 2 3 學者們借鑒人工光型植物工廠的設計經(jīng)驗 在家庭植物 工廠營養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)的設計方面開展了大量的研究 工作 多以單片機作為核心控制單元 采集pH EC值 液溫 液位等營養(yǎng)液因子 如冷凝器 加熱棒 泵 供液電磁閥等執(zhí) 行設備實現(xiàn)對營養(yǎng)液液溫 pH EC 值的調控 這些研究多基 于水培系統(tǒng)進行設計開發(fā) 4 7 結合家庭植物工廠生產(chǎn)的農 藝獨特性 在借鑒前人經(jīng)驗的基礎上 筆者設計開發(fā)了家庭 營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng) 實現(xiàn)對家庭植物工廠生產(chǎn)過程中影 響作物生長的溫度 EC 值 pH及液位等營養(yǎng)液因子的監(jiān)測 與控制 1 總體方案設計 1 1 控制系統(tǒng)總體結構 根據(jù)家庭植物工營養(yǎng)液循環(huán)與管 理系統(tǒng)功能需求 設計系統(tǒng)總體結構如圖1所示 系統(tǒng)分為 主控單元 信息采集單元和執(zhí)行控制單元組成 營養(yǎng)液信息 采集單元的各傳感器采集營養(yǎng)液的溫度 EC 值 pH及液位 信息傳送到主控單元 主控單元按照控制策略通過運算 判 別后輸出控制信號 通過繼電器驅動自吸泵 恒溫器 紫外線 消毒燈等執(zhí)行設備 對營養(yǎng)液因子進行監(jiān)測和控制 圖1 營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng)總體結構 Fig 1 Overall structure of nutrient solution circulation and management system 系統(tǒng)采用MHW6070 1212 M 6AD 型觸摸屏PLC一體 機作為系統(tǒng)控制器 集觸摸屏顯示和PLC 控制于一體 PLC 兼容三菱FX2N系列 采用7寸觸摸屏 具有光耦隔離的12 路開關量輸入和12路開關量輸出 支持6路4 20 mA模擬 量信號輸入 具有485 通訊口 支持 MODBU TU 通信協(xié)議 為了避免接觸式液位傳感器受到水垢或其他雜物影響而造 成動作失靈 系統(tǒng)選用 XKC Y26 V 型非接觸式液位傳感 器 安裝于容器外壁 無需對容器開孔 不與液體直接接觸 感應管壁厚度可達20 mm 不受強酸 強堿等腐蝕性液體的 腐蝕以及水垢或其他雜物影響 輸出電流1 100 mA 響應時 間500 ms 誤差為 1 5 mm 選用LT CG S Y 005 A0700 12 溶液EC 鹽分 溫度二合一傳感器 輸出2路4 20 mA 安徽農業(yè)科學 J Anhui Agric Sci 2021 49 3 209 213 模擬信號 溶液溫度為 40 80 溶液 EC 值為 0 10 mS cm 溶液溫度精度控制在 0 5 溶液EC 值精度控 制在 3 選用 D144型溶液pH傳感器測量精度 精度控制 在 0 1 測量范圍為0 14 1 2 系統(tǒng)結構 家庭植物工廠的栽培區(qū)分為上下兩層 栽培 箱 圖2a所示 為一個900 mm 600 mm 200 mm 的箱體 營 養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)由營養(yǎng)液箱 紫外線消毒燈 自吸泵 液 位開關 EC 值傳感器 pH 值傳感器 液溫傳感器及進水管 路 回水管路 霧化噴頭等輔件構成 營養(yǎng)液箱用于存儲營 養(yǎng)液 自吸泵用于從營養(yǎng)液箱內抽取營養(yǎng)液并提供系統(tǒng)所需 的水壓 進水管路連接自吸泵與霧化噴頭 并通過霧化噴頭 將營養(yǎng)液進行霧化 使得植物根系處于霧氣中而獲取水肥 回水管路與栽培單元箱體相連接 將營養(yǎng)液重新收集回營養(yǎng) 液箱內 為了避免營養(yǎng)液箱內細菌的滋生 在營養(yǎng)液內設置 紫外線消毒燈 同時 為了避免系統(tǒng)因營養(yǎng)液不足引發(fā)種植 失敗 在營養(yǎng)液箱內設置2個液位傳感器 注 a 栽培箱示意圖 b 營養(yǎng)液循環(huán)處理系統(tǒng)示意圖 Note a Cultivation box b Nutrient solution circulating treatment system 圖2 營養(yǎng)液循環(huán)處理系統(tǒng)的組成 Fig 2 Composition of nutrient solution circulating treatment system 2 硬件選型 2 1 噴頭選型 氣霧栽培系統(tǒng)中 霧化噴頭是其中關鍵部件 之一 直接關系到設備運行效果 其選型尤為關鍵 噴霧角度 噴霧直徑 D 噴嘴距離被噴物體的距離 H 重疊部 分的寬度 O 噴嘴間的間距 P 以及噴霧液滴大小主要指 標如圖3所示 圖3 霧化噴頭的布置 Fig 3 Arrangement of atomizing nozzle 噴嘴按噴霧形狀分為空心錐形 實心錐形 扇形 直線型 4種形式 按噴嘴個數(shù)又可分為單出口和多出口等多種形式 如圖4 所示 根據(jù)設備需要選用五出口霧化噴嘴 取 170 按照噴嘴矩陣式排列的要求 可得 O D P 1 P D 槡 2 2 D 2 H tan 2 3 設噴頭個數(shù)為m n m 行n列 則 噴射長度 m D m 1 O 0 7m 0 3 D 4 噴射寬度 n D n 1 O 0 7n 0 3 D 5 圖4 霧化噴頭的分類 Fig 4 Classification of atomizing nozzle 在該裝置中 噴嘴距離被噴物體的距離H 46 mm 噴射 面積要求覆蓋420 mm 800 mm 的矩形 分別將數(shù)值代入上 述公式中 D 521 8 mm P 369 0 mm O 152 8 mm 由公式 4 和 5 可得 m 0 72 n 1 98 取m 1 n 2 即長度方向 布置2個噴嘴 寬度方向布置1個噴嘴可滿足要求 因此 選擇連接螺紋為0 63 cm的五出口霧化噴頭 材質為PP POM 工作壓力為1 5 3 0 kg cm 2 流量為0 67 1 50 L min 出水 孔徑為0 8 mm 霧滴大小為80 200 m 為了保證霧化效 果 系統(tǒng)設計時選擇工作壓力為2 5 kg cm 2 流量為 1 2 L min 即系統(tǒng)總流量為4 8 L min 其典型連接方式見圖5所 012 安徽農業(yè)科學 2021年 示 噴頭安裝在三通上 三通間以47軟管連接 47軟管為PE 材料 內徑d 支 4 mm 外徑D 支 7 mm 系統(tǒng)所用47軟管總 長度L 支 1 3 m 2 2 管道選型 管道是營養(yǎng)液循環(huán)的通道 通過液壓系統(tǒng)最 高工作壓力及最大通過流量來選擇管路材質 內徑大小和壁 厚 目前 通常采用PVC U 管材 具有較好的抗拉和抗壓強 度 管壁光滑 對流體的阻力很小 其輸水能力可比同等管徑 的鑄鐵管提高20 8 具有很好的耐酸性 耐堿性 和耐腐蝕 性 不需任何防腐處理 具有良好的水密性 可直接采用粘接 或橡膠圈連接 使用和維護都很方便 管道內徑按公式 6 進行計算 d 4q 系統(tǒng) 槡 v 6 式中 d表示管的內徑 mm q 系統(tǒng) 為管內流量 L min q 系統(tǒng) 4 8 L min v 為管中營養(yǎng)液的流速 m s 一般取 0 1 0 5 m s 取v 0 1 m s 可得 d 7 8 mm 因此 選用規(guī)格為 20的 PVC U 管材 其內徑為 d 主 16 mm 外徑為 D 主 20 mm 額定壓力為16 3 kg cm 2 2 3 自吸泵的選型 自吸泵屬自吸式離心泵 具有結構緊 湊 運行平穩(wěn) 維護方便等特點 自吸泵為噴霧系統(tǒng)提供持 續(xù)且穩(wěn)定的水壓 以滿足霧化噴頭的工作要求 按照特性系數(shù)法 可以確定第二層種植區(qū)最末端噴頭沿 程壓力損失 局部壓力損失和流量損失最大 為最不利噴頭 其工作壓力 P 0 245 kPa 流量 q 0 1 2 L min 自吸泵的供 水壓力可表示如下 P 泵 P 0 P 沿程 P 局部 H 7 式中 P 沿程 表示沿程壓力損失 P 局部 表示沿程壓力損失 按照 自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范 GB 50084 2001 局部壓力 損失取沿程壓力損失的20 H表示最不利噴頭距離自吸泵 供水口的高程差 因此H 8 24 kPa 根據(jù)哈森威廉斯公式 P 沿程 可以表示如下 P 沿程 1 13 10 9 L d 4 871 q 系統(tǒng) C 1 852 8 式中 d表示管道內徑 d 支 4 mm d 主 16 mm L 表示管道長 度 L 支 1 3 m L 主 1 7 m C表示哈森 威廉姆斯系數(shù) 取C 150 q 系統(tǒng) 表示系統(tǒng)流量 q 系統(tǒng) 4 8 L min 0 288 m 3 h 由此 可得P 支 沿程 44 35 kPa P 支 局部 8 63 kPa P 主 沿程 0 29 kPa P 主 局部 0 06 kPa 則泵的壓力 P 泵 305 77 kPa 因此 選用 0142HD 24 60型微型隔膜水泵 功率為60 W 工作壓力為 804 kPa 流量為5 L min 4分接口 2 4 貯液箱的設計 貯液箱的主要功用是貯存營養(yǎng)液 同時 箱體還具有散熱 沉淀污物 消毒 加溫等作用 貯液箱用厚 度為10 mm的雪弗板 PVC 發(fā)泡板 黏接而成 結構如圖5 所示 貯液箱中間設有2個隔板 用來將吸液管與回液管隔 離開 以阻擋沉淀雜物及回液管產(chǎn)生的泡沫 貯液箱蓋板也 用10 mm的雪弗板制造 用以安裝吸液管和回液管等部件 在蓋板上設有注液口 用以加注營養(yǎng)液 貯液箱側面開有小 孔與大氣相通 油箱側面裝有2個非接觸式液位傳感器 用 以指示貯液箱內液面的高度 貯液箱底部裝有泄液孔并用硅 膠密封圈密封 用以在系統(tǒng)維護時進行排液和排污 圖5 貯液箱結構示意 Fig 5 The structure of liquid storage tank 貯液箱的有效容積 即液面高度為貯液箱高度80 時的 容積 是維持系統(tǒng)營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)連續(xù)工作的重要保障 一 般按自吸泵的額定流量q 泵 按照以下公式進行估算 V 有效 q 泵 9 式中 V 有效 為貯液箱的有效容積 L q 泵 為自吸泵的額定流量 L min q 泵 5 L min 為與系統(tǒng)壓力有關的經(jīng)驗數(shù)字 低 壓系統(tǒng) 2 4 中壓系統(tǒng) 5 7 高壓系統(tǒng) 10 12 該系 統(tǒng)為低壓系統(tǒng) 選 4 因此 貯液箱的有效容積 V 有效 20 L 總容積V 總 24 L 根據(jù)系統(tǒng)空間 確定貯液箱的外形 尺寸為400 mm 350 mm 300 mm 估算其容積為35 2 L 符合 設計要求 2 5 紫外線消毒燈的選型 無土栽培的營養(yǎng)液要循環(huán)使用 在使用過程中會受到腐霉菌 疫霉菌等菌類以及煙草花葉病 毒的侵入 以致番茄枯萎病 黃瓜疫病的發(fā)生 營養(yǎng)液的封閉 循環(huán)方式不太適合化學藥劑的使用 因此 對于營養(yǎng)液的消 毒多采用紫外線 臭氧 加熱 過濾 過氧化氫 氯氣 碘等物 理消毒方法 目前以紫外消毒方式為主 其具有殺菌速度快 效率高 效果好 設備體積小 能耗低等特點 9 10 其工作原 理如下 采用波長為253 7 nm的紫外線通過光化學反應將細 菌等微小的有機體的結構破壞 從而實現(xiàn)殺菌滅毒的效果 在紫外線消毒過程中 營養(yǎng)液的流量和紫外線能量是主要的 控制指標 試驗表明在流量小于18 L h 且紫外線能量密度 11249卷3期 楊學坤 氣霧栽培式家庭植物工廠營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng)設計 大于430 mJ cm 2 時 其殺菌滅毒的效果才會顯現(xiàn) 該設計 采用的是 TUV 水下潛水紫外線殺菌燈 圖 6 其功率為 30 W 能量密度為612 mJ cm 2 在0 2 m處測得 1 W cm 2 3 6 mJ cm 2 可以滿足需求 圖6 紫外線消毒燈外觀圖 Fig 6 Appearance of ultraviolet disinfection lamp 2 6 恒溫機選型 研究表明 營養(yǎng)液溫度控制在一定范圍內 對作物生長和干物質累積具有明顯的促進作用 且不會影響 作物的品質 根據(jù)營養(yǎng)液貯液箱容積 系統(tǒng)選用 JMC 2 型 恒溫機 圖7 既可以加熱 又可以制冷 功率為108 W 溫度 范圍可在4 30 內設置 可將營養(yǎng)液溫度控制在設定溫度 內 圖7 恒溫機外觀圖 Fig 7 Appearance of thermostat 3 軟件設計 3 1 控制策略 與大型植物工廠不同的是 家庭植物工廠由 于空間狹小 無法布置A液罐 B 液罐 酸液罐 堿液罐等母 液罐 營養(yǎng)液的成分無法調節(jié) 營養(yǎng)液由用戶配置完成后 按 時注入貯液箱內 系統(tǒng)監(jiān)測到的EC 值和 pH超過控制范圍 后 系統(tǒng)通過觸摸屏和警報器向用戶發(fā)出超限報警 由用戶 根據(jù)系統(tǒng)指示進行相應工作 營養(yǎng)液的循環(huán)由自吸泵定時啟 停來實現(xiàn) 啟動頻率為3次 時 系統(tǒng)通過紫外線消毒燈的定 時開關對營養(yǎng)液進行消毒以避免營養(yǎng)液中細菌的滋生 09 00 15 00開啟 系統(tǒng)通過恒溫機對營養(yǎng)X液液溫進行調控 由于采 用氣霧栽培方式 無需對營養(yǎng)液的溶氧進行監(jiān)測和控制 3 2 程序設計 系統(tǒng)程序設計采用三菱電機 GX Works2 PLC軟件平臺 以梯形圖作為編程語言 按照結構化工程的 編程方式 程序包括主程序 數(shù)據(jù)處理子程序 輸出控制子 程序等部分 主程序是程序的主干 是程序的入口 其主要 的任務是設置主程序的起始點 對系統(tǒng)初始化 調用各子程 序 控制事件循環(huán) 當退出程序時恢復系統(tǒng)的原始環(huán)境 系 統(tǒng)運行時 首先啟動主程序 然后再由主程序調用子程序和 其他組件 其流程如圖8所示 圖8 主程序流程 Fig 8 Main program flow 主程序完成初始化工作 進行數(shù)據(jù)采集 判斷液位開關 是否有信號輸入 即液位是否到達低限 如果為否 則根據(jù) 采集值與設定值的比較結果 決定是否調用輸出控制子程 序 完成各種控制量的輸出 如果為是 則進行液位報警 以 上流程循環(huán)往復不斷執(zhí)行 4 性能測試 為驗證所設計家庭植物工廠營養(yǎng)液控制與管理性能 在北京農業(yè)職業(yè)學院機電工程學院搭建了氣霧栽培式家庭 植物工廠 2019 年12月至 2020 年 3 月 在系統(tǒng)內進行了 生菜和苜蓿草栽培試驗 在實際生長過程中驗證及測試控 制系統(tǒng)的工作效果 營養(yǎng)液溫度的控制范圍為 21 1 pH的控制范圍為 6 5 0 4 EC值的控制范圍為 3 2 0 5 mS cm 生菜和苜蓿草在該系統(tǒng)調控下長勢良好 生菜和 苜蓿草栽培效果如圖9所示 4 1 液溫控制 栽培室內生菜處于幼苗期 營養(yǎng)液溫度控 制目標為 21 1 試驗采集2020年1月10日00 00 24 00的試驗數(shù)據(jù) 每15 min 讀取1 次溫度值 液溫控制 試驗結果如圖10 所示 由圖 10 可知 栽培室溫度在恒溫 器的控制下 營養(yǎng)液溫度可以被控制在設定區(qū)間內 隨著控 制時間的延長 營養(yǎng)液溫度變化有所趨緩 試驗表明營養(yǎng)液 溫度調控平均響應速度大于1 43 h 控制偏差小于 0 4 控制穩(wěn)定性較好 4 2 pH和EC值監(jiān)測 pH 的控制范圍為 6 5 0 4 EC 值的控制范圍為 3 2 0 5 mS cm 試驗采集12月8 30日 試驗數(shù)據(jù) 每天分別在0 00 06 00 12 00 18 00 記錄4 次 數(shù)值 試驗期間 根據(jù)系統(tǒng)報警提示 分別于12月13日和 12月25日加注營養(yǎng)液1次 監(jiān)測結果如圖11所示 212 安徽農業(yè)科學 2021年 圖9 栽培效果圖 Fig 9 Cultivation effect 圖10 液溫控制試驗結果 Fig 10 The results of liquid temperature control test 由圖11可知 營養(yǎng)液的 EC 值和 pH 均處于控制范圍 內 試驗結果表明 EC 值超限報警動作準確 EC 值和 pH 的穩(wěn)定性符合作物要求 圖11 EC值和pH監(jiān)測結果 Fig 11 The monitoring results of EC value and pH 5 結語 為了滿足氣霧栽培式家庭植物工廠作物生產(chǎn)需求 開 發(fā)了1套營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng) 實現(xiàn)了營養(yǎng)液 EC 值 pH 溫度的監(jiān)測以及營養(yǎng)液溫度控制 試驗結果表明所設計 系統(tǒng)性能可靠 因素控制平穩(wěn) 達到設計指標要求 參考文獻 1 劉義飛 基于LabVIEW的溫室番茄霧培控制系統(tǒng)研究 D 北京 中國 農業(yè)科學院 2014 2 劉文科 楊其長 植物工廠LED照明應用的幾點思考 J 照明工程學 報 2015 26 4 98 102 3 吳正輝 植物工廠項目業(yè)主方管理模式研究 D 杭州 浙江大學 2018 4 羅孟德 賈鶴鳴 趙文科 等 微型植物工廠營養(yǎng)液循環(huán)控制系統(tǒng)設計 J 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力 2017 5 70 74 5 海力怕木 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