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气雾栽培式家庭植物工厂营养液循环与管理系统设计 杨学坤 北京农业职业学院机电工程学院 北京 102208 摘要 针对气雾栽培式家庭植物工厂生产对营养液循环及管理的要求 开发了以自吸泵 恒温机 紫外线消毒灯为执行设备的营养液循 环与管理系统 实现了对营养液EC值 pH 温度的监测以及营养液温度控制 结果表明 系统正常运行状态下 营养液温度调控平均响 应速度大于1 43 h 控制偏差小于0 4 营养液的EC值和pH均处于控制范围内 系统动作准确 性能稳定可靠 能够满足家庭植 物工厂生长所需环境要求 关键词 家庭植物工厂 营养液 自动控制 气雾栽培 中图分类号 S317 文献标识码 A 文章编号 0517 6611 2021 03 0209 05 doi 10 3969 j issn 0517 6611 2021 03 056 开放科学 资源服务 标识码 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 perance and could meet the environmental requirements for the growth of family plant plants Key words Domestic plant factories Nutrient solution Automatic control Aerosol culture 基金项目 北京农业职业学院2019年度科研项目 XY YF 19 23 作者简介 杨学坤 1981 男 山东潍坊人 副研究员 硕士 从事设 施农业装备研究 收稿日期 2020 06 12 营养液栽培 nutriculture 是一种利用营养液栽培植物的 方法 是家庭植物工厂的主要栽培方式 具有省工 节水 省 肥等优点 避免了土壤栽培经常出现的土传病害和盐类堆积 以及由此引起的连作障碍和各种病害 1 目前使用最普及 的有DFT 深液流 和气雾栽培2种栽培模式 这2种模式均 可采用封闭式营养液自动循环系统进行植物栽培的全过程 管理 在家庭植物工厂中多以深液流方式为主 气雾栽培还 较为鲜见 2 3 学者们借鉴人工光型植物工厂的设计经验 在家庭植物 工厂营养液循环与控制系统的设计方面开展了大量的研究 工作 多以单片机作为核心控制单元 采集pH EC值 液温 液位等营养液因子 如冷凝器 加热棒 泵 供液电磁阀等执 行设备实现对营养液液温 pH EC 值的调控 这些研究多基 于水培系统进行设计开发 4 7 结合家庭植物工厂生产的农 艺独特性 在借鉴前人经验的基础上 笔者设计开发了家庭 营养液循环与管理系统 实现对家庭植物工厂生产过程中影 响作物生长的温度 EC 值 pH及液位等营养液因子的监测 与控制 1 总体方案设计 1 1 控制系统总体结构 根据家庭植物工营养液循环与管 理系统功能需求 设计系统总体结构如图1所示 系统分为 主控单元 信息采集单元和执行控制单元组成 营养液信息 采集单元的各传感器采集营养液的温度 EC 值 pH及液位 信息传送到主控单元 主控单元按照控制策略通过运算 判 别后输出控制信号 通过继电器驱动自吸泵 恒温器 紫外线 消毒灯等执行设备 对营养液因子进行监测和控制 图1 营养液循环与管理系统总体结构 Fig 1 Overall structure of nutrient solution circulation and management system 系统采用MHW6070 1212 M 6AD 型触摸屏PLC一体 机作为系统控制器 集触摸屏显示和PLC 控制于一体 PLC 兼容三菱FX2N系列 采用7寸触摸屏 具有光耦隔离的12 路开关量输入和12路开关量输出 支持6路4 20 mA模拟 量信号输入 具有485 通讯口 支持 MODBU TU 通信协议 为了避免接触式液位传感器受到水垢或其他杂物影响而造 成动作失灵 系统选用 XKC Y26 V 型非接触式液位传感 器 安装于容器外壁 无需对容器开孔 不与液体直接接触 感应管壁厚度可达20 mm 不受强酸 强碱等腐蚀性液体的 腐蚀以及水垢或其他杂物影响 输出电流1 100 mA 响应时 间500 ms 误差为 1 5 mm 选用LT CG S Y 005 A0700 12 溶液EC 盐分 温度二合一传感器 输出2路4 20 mA 安徽农业科学 J Anhui Agric Sci 2021 49 3 209 213 模拟信号 溶液温度为 40 80 溶液 EC 值为 0 10 mS cm 溶液温度精度控制在 0 5 溶液EC 值精度控 制在 3 选用 D144型溶液pH传感器测量精度 精度控制 在 0 1 测量范围为0 14 1 2 系统结构 家庭植物工厂的栽培区分为上下两层 栽培 箱 图2a所示 为一个900 mm 600 mm 200 mm 的箱体 营 养液循环与控制系统由营养液箱 紫外线消毒灯 自吸泵 液 位开关 EC 值传感器 pH 值传感器 液温传感器及进水管 路 回水管路 雾化喷头等辅件构成 营养液箱用于存储营 养液 自吸泵用于从营养液箱内抽取营养液并提供系统所需 的水压 进水管路连接自吸泵与雾化喷头 并通过雾化喷头 将营养液进行雾化 使得植物根系处于雾气中而获取水肥 回水管路与栽培单元箱体相连接 将营养液重新收集回营养 液箱内 为了避免营养液箱内细菌的滋生 在营养液内设置 紫外线消毒灯 同时 为了避免系统因营养液不足引发种植 失败 在营养液箱内设置2个液位传感器 注 a 栽培箱示意图 b 营养液循环处理系统示意图 Note a Cultivation box b Nutrient solution circulating treatment system 图2 营养液循环处理系统的组成 Fig 2 Composition of nutrient solution circulating treatment system 2 硬件选型 2 1 喷头选型 气雾栽培系统中 雾化喷头是其中关键部件 之一 直接关系到设备运行效果 其选型尤为关键 喷雾角度 喷雾直径 D 喷嘴距离被喷物体的距离 H 重叠部 分的宽度 O 喷嘴间的间距 P 以及喷雾液滴大小主要指 标如图3所示 图3 雾化喷头的布置 Fig 3 Arrangement of atomizing nozzle 喷嘴按喷雾形状分为空心锥形 实心锥形 扇形 直线型 4种形式 按喷嘴个数又可分为单出口和多出口等多种形式 如图4 所示 根据设备需要选用五出口雾化喷嘴 取 170 按照喷嘴矩阵式排列的要求 可得 O D P 1 P D 槡 2 2 D 2 H tan 2 3 设喷头个数为m n m 行n列 则 喷射长度 m D m 1 O 0 7m 0 3 D 4 喷射宽度 n D n 1 O 0 7n 0 3 D 5 图4 雾化喷头的分类 Fig 4 Classification of atomizing nozzle 在该装置中 喷嘴距离被喷物体的距离H 46 mm 喷射 面积要求覆盖420 mm 800 mm 的矩形 分别将数值代入上 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 即长度方向 布置2个喷嘴 宽度方向布置1个喷嘴可满足要求 因此 选择连接螺纹为0 63 cm的五出口雾化喷头 材质为PP POM 工作压力为1 5 3 0 kg cm 2 流量为0 67 1 50 L min 出水 孔径为0 8 mm 雾滴大小为80 200 m 为了保证雾化效 果 系统设计时选择工作压力为2 5 kg cm 2 流量为 1 2 L min 即系统总流量为4 8 L min 其典型连接方式见图5所 012 安徽农业科学 2021年 示 喷头安装在三通上 三通间以47软管连接 47软管为PE 材料 内径d 支 4 mm 外径D 支 7 mm 系统所用47软管总 长度L 支 1 3 m 2 2 管道选型 管道是营养液循环的通道 通过液压系统最 高工作压力及最大通过流量来选择管路材质 内径大小和壁 厚 目前 通常采用PVC U 管材 具有较好的抗拉和抗压强 度 管壁光滑 对流体的阻力很小 其输水能力可比同等管径 的铸铁管提高20 8 具有很好的耐酸性 耐碱性 和耐腐蚀 性 不需任何防腐处理 具有良好的水密性 可直接采用粘接 或橡胶圈连接 使用和维护都很方便 管道内径按公式 6 进行计算 d 4q 系统 槡 v 6 式中 d表示管的内径 mm q 系统 为管内流量 L min q 系统 4 8 L min v 为管中营养液的流速 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 选用规格为 20的 PVC U 管材 其内径为 d 主 16 mm 外径为 D 主 20 mm 额定压力为16 3 kg cm 2 2 3 自吸泵的选型 自吸泵属自吸式离心泵 具有结构紧 凑 运行平稳 维护方便等特点 自吸泵为喷雾系统提供持 续且稳定的水压 以满足雾化喷头的工作要求 按照特性系数法 可以确定第二层种植区最末端喷头沿 程压力损失 局部压力损失和流量损失最大 为最不利喷头 其工作压力 P 0 245 kPa 流量 q 0 1 2 L min 自吸泵的供 水压力可表示如下 P 泵 P 0 P 沿程 P 局部 H 7 式中 P 沿程 表示沿程压力损失 P 局部 表示沿程压力损失 按照 自动喷水灭火系统设计规范 GB 50084 2001 局部压力 损失取沿程压力损失的20 H表示最不利喷头距离自吸泵 供水口的高程差 因此H 8 24 kPa 根据哈森威廉斯公式 P 沿程 可以表示如下 P 沿程 1 13 10 9 L d 4 871 q 系统 C 1 852 8 式中 d表示管道内径 d 支 4 mm d 主 16 mm L 表示管道长 度 L 支 1 3 m L 主 1 7 m C表示哈森 威廉姆斯系数 取C 150 q 系统 表示系统流量 q 系统 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 则泵的压力 P 泵 305 77 kPa 因此 选用 0142HD 24 60型微型隔膜水泵 功率为60 W 工作压力为 804 kPa 流量为5 L min 4分接口 2 4 贮液箱的设计 贮液箱的主要功用是贮存营养液 同时 箱体还具有散热 沉淀污物 消毒 加温等作用 贮液箱用厚 度为10 mm的雪弗板 PVC 发泡板 黏接而成 结构如图5 所示 贮液箱中间设有2个隔板 用来将吸液管与回液管隔 离开 以阻挡沉淀杂物及回液管产生的泡沫 贮液箱盖板也 用10 mm的雪弗板制造 用以安装吸液管和回液管等部件 在盖板上设有注液口 用以加注营养液 贮液箱侧面开有小 孔与大气相通 油箱侧面装有2个非接触式液位传感器 用 以指示贮液箱内液面的高度 贮液箱底部装有泄液孔并用硅 胶密封圈密封 用以在系统维护时进行排液和排污 图5 贮液箱结构示意 Fig 5 The structure of liquid storage tank 贮液箱的有效容积 即液面高度为贮液箱高度80 时的 容积 是维持系统营养液循环系统连续工作的重要保障 一 般按自吸泵的额定流量q 泵 按照以下公式进行估算 V 有效 q 泵 9 式中 V 有效 为贮液箱的有效容积 L q 泵 为自吸泵的额定流量 L min q 泵 5 L min 为与系统压力有关的经验数字 低 压系统 2 4 中压系统 5 7 高压系统 10 12 该系 统为低压系统 选 4 因此 贮液箱的有效容积 V 有效 20 L 总容积V 总 24 L 根据系统空间 确定贮液箱的外形 尺寸为400 mm 350 mm 300 mm 估算其容积为35 2 L 符合 设计要求 2 5 紫外线消毒灯的选型 无土栽培的营养液要循环使用 在使用过程中会受到腐霉菌 疫霉菌等菌类以及烟草花叶病 毒的侵入 以致番茄枯萎病 黄瓜疫病的发生 营养液的封闭 循环方式不太适合化学药剂的使用 因此 对于营养液的消 毒多采用紫外线 臭氧 加热 过滤 过氧化氢 氯气 碘等物 理消毒方法 目前以紫外消毒方式为主 其具有杀菌速度快 效率高 效果好 设备体积小 能耗低等特点 9 10 其工作原 理如下 采用波长为253 7 nm的紫外线通过光化学反应将细 菌等微小的有机体的结构破坏 从而实现杀菌灭毒的效果 在紫外线消毒过程中 营养液的流量和紫外线能量是主要的 控制指标 试验表明在流量小于18 L h 且紫外线能量密度 11249卷3期 杨学坤 气雾栽培式家庭植物工厂营养液循环与管理系统设计 大于430 mJ cm 2 时 其杀菌灭毒的效果才会显现 该设计 采用的是 TUV 水下潜水紫外线杀菌灯 图 6 其功率为 30 W 能量密度为612 mJ cm 2 在0 2 m处测得 1 W cm 2 3 6 mJ cm 2 可以满足需求 图6 紫外线消毒灯外观图 Fig 6 Appearance of ultraviolet disinfection lamp 2 6 恒温机选型 研究表明 营养液温度控制在一定范围内 对作物生长和干物质累积具有明显的促进作用 且不会影响 作物的品质 根据营养液贮液箱容积 系统选用 JMC 2 型 恒温机 图7 既可以加热 又可以制冷 功率为108 W 温度 范围可在4 30 内设置 可将营养液温度控制在设定温度 内 图7 恒温机外观图 Fig 7 Appearance of thermostat 3 软件设计 3 1 控制策略 与大型植物工厂不同的是 家庭植物工厂由 于空间狭小 无法布置A液罐 B 液罐 酸液罐 碱液罐等母 液罐 营养液的成分无法调节 营养液由用户配置完成后 按 时注入贮液箱内 系统监测到的EC 值和 pH超过控制范围 后 系统通过触摸屏和警报器向用户发出超限报警 由用户 根据系统指示进行相应工作 营养液的循环由自吸泵定时启 停来实现 启动频率为3次 时 系统通过紫外线消毒灯的定 时开关对营养液进行消毒以避免营养液中细菌的滋生 09 00 15 00开启 系统通过恒温机对营养X液液温进行调控 由于采 用气雾栽培方式 无需对营养液的溶氧进行监测和控制 3 2 程序设计 系统程序设计采用三菱电机 GX Works2 PLC软件平台 以梯形图作为编程语言 按照结构化工程的 编程方式 程序包括主程序 数据处理子程序 输出控制子 程序等部分 主程序是程序的主干 是程序的入口 其主要 的任务是设置主程序的起始点 对系统初始化 调用各子程 序 控制事件循环 当退出程序时恢复系统的原始环境 系 统运行时 首先启动主程序 然后再由主程序调用子程序和 其他组件 其流程如图8所示 图8 主程序流程 Fig 8 Main program flow 主程序完成初始化工作 进行数据采集 判断液位开关 是否有信号输入 即液位是否到达低限 如果为否 则根据 采集值与设定值的比较结果 决定是否调用输出控制子程 序 完成各种控制量的输出 如果为是 则进行液位报警 以 上流程循环往复不断执行 4 性能测试 为验证所设计家庭植物工厂营养液控制与管理性能 在北京农业职业学院机电工程学院搭建了气雾栽培式家庭 植物工厂 2019 年12月至 2020 年 3 月 在系统内进行了 生菜和苜蓿草栽培试验 在实际生长过程中验证及测试控 制系统的工作效果 营养液温度的控制范围为 21 1 pH的控制范围为 6 5 0 4 EC值的控制范围为 3 2 0 5 mS cm 生菜和苜蓿草在该系统调控下长势良好 生菜和 苜蓿草栽培效果如图9所示 4 1 液温控制 栽培室内生菜处于幼苗期 营养液温度控 制目标为 21 1 试验采集2020年1月10日00 00 24 00的试验数据 每15 min 读取1 次温度值 液温控制 试验结果如图10 所示 由图 10 可知 栽培室温度在恒温 器的控制下 营养液温度可以被控制在设定区间内 随着控 制时间的延长 营养液温度变化有所趋缓 试验表明营养液 温度调控平均响应速度大于1 43 h 控制偏差小于 0 4 控制稳定性较好 4 2 pH和EC值监测 pH 的控制范围为 6 5 0 4 EC 值的控制范围为 3 2 0 5 mS cm 试验采集12月8 30日 试验数据 每天分别在0 00 06 00 12 00 18 00 记录4 次 数值 试验期间 根据系统报警提示 分别于12月13日和 12月25日加注营养液1次 监测结果如图11所示 212 安徽农业科学 2021年 图9 栽培效果图 Fig 9 Cultivation effect 图10 液温控制试验结果 Fig 10 The results of liquid temperature control test 由图11可知 营养液的 EC 值和 pH 均处于控制范围 内 试验结果表明 EC 值超限报警动作准确 EC 值和 pH 的稳定性符合作物要求 图11 EC值和pH监测结果 Fig 11 The monitoring results of EC value and pH 5 结语 为了满足气雾栽培式家庭植物工厂作物生产需求 开 发了1套营养液循环与管理系统 实现了营养液 EC 值 pH 温度的监测以及营养液温度控制 试验结果表明所设计 系统性能可靠 因素控制平稳 达到设计指标要求 参考文献 1 刘义飞 基于LabVIEW的温室番茄雾培控制系统研究 D 北京 中国 农业科学院 2014 2 刘文科 杨其长 植物工厂LED照明应用的几点思考 J 照明工程学 报 2015 26 4 98 102 3 吴正辉 植物工厂项目业主方管理模式研究 D 杭州 浙江大学 2018 4 罗孟德 贾鹤鸣 赵文科 等 微型植物工厂营养液循环控制系统设计 J 科技创新与生产力 2017 5 70 74 5 海力怕木 农业无土栽培中营养液循环控制系统研究应用 J 北京农 业 2012 12 89 90 6 方慧 杨其长 魏灵玲 等 水耕栽培营养液循环控制系统的设计与控制 性能分析 J 农机化研究 2009 31 3 80 82 7 刘佳 无土栽培营养液循环控制系统研究 D 长春 吉林大学 2008 8 张鑫 徐帅陵 黄土中管道敷设坡度与流水冲蚀的关系 C 中国建筑 学会工程勘察分会 石油天然气勘察技术中心站 石油天然气勘察技术 中心站第二十二次技术交流会论文集 廊坊 中国建筑学会工程勘察分 会 2016 9 刘向辉 无土栽培循环营养液紫外线灭菌技术的研究 D 北京 中国农 业大学 2005 10 马万征 但琼鹏 马万敏 等 温室营养液循环利用装置及消毒效果研 究 J 东北农业科学 2019 44 1 52 56 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 上接第192页 化的重要因素是水环境 过多易造成流失 过少反应不完全 因此芒果苷和新芒果苷是可以作为知母加工和炮制过程中 的重要质量指征 监测知母的质量变化 参考文献 1 赵小勤 黄晓婧 许莉 等 知母的本草考证和产地调研 J 亚太传统医 药 2019 15 4 77 79 2 戚鹏飞 李洁 张彩霞 等 2018年甘肃省抽验知母饮片质量分析 J 甘 肃科技 2019 35 19 68 70 3 赵小勤 黄晓婧 许莉 等 知母饮片的质量分析与研究 J 中国药事 2018 32 10 1349 1353 4 黄玉瑶 张洪坤 路丽 等 一测多评法评价不同主产区春知母饮片的质 量 J 中药材 2017 40 2 387 391 5 王晓婷 闫丽 孙冬月 等 星点设计 效应面法优化知母盐制的炮制工 艺 J 中国医药科学 2018 8 3 42 46 50 6 许枬 贾天柱 中药炮制转化 提高中药饮片质量的新思路 J 中华 中医药杂志 2016 31 8 3173 3177 7 张洪坤 黄玉瑶 路丽 等 基于HPLC ELSD指纹图谱的亳州和河北知 母的聚类和判别研究 J 时珍国医国药 2017 28 11 2670 2673 8 许金凯 李卫飞 支美汝 等 以芒果苷含量考察盐炙知母的加盐方式和 盐水比 J 中华中医药杂志 2019 34 7 3238 3241 9 高慧 侯宇 贾天柱 知母盐制前后化学成分的变化 J 中成药 2009 31 10 1567 1571 10 陈万生 乔传卓 加工炮制对知母品质的影响 J 中国中药杂志 1997 22 4 212 214 11 刘敏 赵白云 赵亮 等 炮制前后知母中芒果苷和新芒果苷的含量变 化 J 第二军医大学学报 2006 27 5 528 530 12 李习平 杨梓懿 石继连 等 不同炮制方法对知母中芒果苷含量的影 响 J 时珍国医国药 2011 22 10 2502 2503 13 黄琪 贾鹏晖 吴德玲 等 知母产地加工与饮片炮制一体化工艺研究 J 中草药 2018 49 20 4760 4766 31249卷3期 杨学坤 气雾栽培式家庭植物工厂营养液循环与管理系统设计