气雾栽培是一种全新的栽培模式, 整合了互联网+生物技术、工业技术、计算机控制等技术;解决大量的人工成本、水肥成本, 并收获高品质的瓜果蔬菜等, 将是未来高效农业模式中最为先进、对植物生长潜能开发最为有效的栽培模式。

近年来，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。

目前，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,设计开发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。

气雾栽培系统主要由营养池 (罐) 、检测传感器 (EC、pH、DO和液温等) 、循环水泵、过滤器、消毒装置、电磁阀、连接管路、栽培床、自动控制装置等组成;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生产系统。

一、总体设计思路

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。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。

二、家庭植物工厂系统设计

（一）硬件

1、栽培箱为一个900mm×600mm×200mm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。

2、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。

3、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。

4、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。

（二）软件

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。

系统程序设计采用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。

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。