家庭园艺中智能旋转式植物种植架的研发和应用.pdf

-219- 中国园艺文摘  2018 年第 1 期 家庭园艺中智能旋转式植物种植架的研发和应用 寇亚平 1 ，滕学政 2 (1.中国农业大学 园艺学院，北京 100193；2.山东省潍坊第一中学，山东 潍坊 261000) 摘 要： 文章分析国内家庭园艺兴起的原因及现状，针对当前家庭园艺中植物种植模式所存在的问题， 设计出一套智能旋转式植物种植架。该装置可替换客厅、办公室、阳台中花卉蔬菜的景观无土栽培， 也可用于微型家庭植物工厂，还可结合物联网技术开发智能居室园艺产品。 关键词：家庭园艺；无土栽培；种植模式；植物工厂；智能居室 我国家庭园艺是随着经济发展、城市化进程和人 们对居住水平要求的提高应运而生的，是一个方兴未 艾的产业 1 。它以解决城市化进程中人与自然和谐共 生的矛盾为核心，是释放城市人压力和回归自然的纽 带与桥梁，是园艺园林与现代家居的有机结合，是 “园艺疗法”向家庭的贴近和延伸，是响应我国 “生 态文明”建设的园艺产业新领域 2-4 。本文分析家庭 园艺的研究现状，以解决家庭园艺种植模式中存在的 问题为出发点，设计一套智能旋转式植物种植架，并 阐述该智能栽培装置的原理及延伸应用前景。 1 家庭园艺研究现状 传统的家庭园艺，是指在庭院中进行的园艺活动 及园林景观建设，包括养花、插花及盆景等。随着我 国城市化的推进，拥有庭院的市民少之又少，我国家 庭园艺便演化成 “家居园艺” ，园艺活动主要利用阳台 和室内空间，设计种植各种各样的植物，以实现既能 塑造家居风格，又能绿化美化环境，还能帮助修身养 性的目标 5 。 与发达国家的家庭园艺相比，我国家庭园艺起步 较晚，尚处于初级阶段。我国家庭园艺兴起的动因有 3点：(1)工业化和城市化快速推进过程中带来的室 内外环境问题，如雾霾、室内装修和家具带来的甲醛 等；(2)经济发展和居民生活水平提高，对居住条件 的要求日益提高，由原来的 “居者有其屋”转变成 “居 者优其屋”；(3)城市居民回归自然和亲近农业的愿 望所带来的都市农业发展的需求。 2008年1月，中国华南地区首个面向高端客户 提供家庭花园产品和服务的主题商场 “友家园艺生活 广州旗舰店试营业”与 “2008年中国家庭园艺生活元 年”等活动，标志着中国家庭园艺产业的开启 6 。近 年来，家庭园艺在北京、上海、广州、深圳等沿海城 第一作者简介：寇亚平（1988-），女，博士，助教；主要 从事观赏植物遗传育种研究。  市开始流行，政府出台 绿化管理条例 、 屋顶绿化 及垂直绿化技术导则等相关政策文件。行业协会及 房地产商举办和推介的家庭绿化设计竞赛、美家园艺 大赛、家庭园艺节等活动，极大提高了市民从事家 庭园艺的热情 4,7 。高校科研人员对家庭园艺的种植 模式、消费市场、消费行为进行分析，开发了一系列 科技园艺产品，使家庭园艺产品更加多样化与市场 化 8-12 。同时，在“科技科普”双轮驱动的政策支持下， 关于家庭园艺种植活动的科技科普知识越来越容易开 展，人们对家庭园艺种植的兴趣提升，形成大众参与 创新创意的新局面。阳台蔬菜花卉种植研究、菜园的 景观化和情趣化、无土栽培的应用(基质的干净卫生、 水培技术的研发)、LED及物联网等现代科技的应用、 家庭园艺产品的专业性研发等，使我国家庭园艺产品 越来越多，受到广大市民的喜爱，激发出更大的消费 市场。 2 家庭园艺种植模式研究现状及问题 家庭园艺种植模式是家庭园艺产品的主要展现方 式，受到高校、科研院所以及企业的普遍重视，家庭 园艺产品的研发均基于家居环境内的园艺模式的优化 而展开。目前，建筑空间外的园艺种植模式有：庭 院式、屋顶式、阳台式 2 。家居环境的种植模式主要 有：台架式、一点中心式、近窗式、环绕式、节奏摆 点式 13,14 。根据家庭园艺植物栽培的形式，将其划分 为：盆栽式(包括单株观赏的大中型植物、盆景、插 花、容器种植)、室内附种植器具的景观栽培架及室 内景观园3种。相关的家庭园艺产品有：丰富多样的 小型盆栽类、家庭种植套装类、智能花盆类、阳台种 植架、室内种植墙类以及智能植物种植架等 14 。 在家庭园艺种植模式中，由于我国市民的居住面 积受限及食品安全问题的存在，阳台园艺和室内景观 园的接受程度较高。利用阳台自己开展种菜、赏菜、 收菜活动，可以得到安全放心的新鲜蔬菜，还可以改 善居住环境、获得知识、愉悦心情、锻炼身体。特别 是无土栽培技术的日渐成熟和人们更加追求环保、自 -220- 然的生活，蔬菜无土栽培开始进入家庭。阳台种菜在 新加坡和我国香港、台湾地区，作为生活方式早已成 为常态。近几年来，国内阳台菜园也发展迅速，利用 自家阳台成为一种时尚，打造阳台 “一米菜园” 、 “一 米花园”成为一种城市生活新潮流。 目前，国内家庭无土栽培主要以阳台种菜为主， 提供生活便利的同时也带来新的问题。主要是受阳台 朝向、阳台封闭环境、无土栽培架等方面的限制，使 固定式阳台种菜存在以下弊端：(1)阳台朝向决定光 照，光照不均，不利于生长，需人为旋转无土栽培种 植架；(2)栽培架多维PVC管道固定式，造型有碍观 瞻，不宜放置在客厅或办公室；(3)栽培种植架体积 大，调整困难；(4)种植架内植物需人工定时浇水清 理，有异味。 3 智能旋转式植物种植架的设计  相比阳台，客厅和办公室日照较弱，但四季温度 变化幅度小，空间面积和硬件设备均优于阳台。但客 厅和办公室美观度要求较高，一般的阳台栽培装置又 不适合。为了解决以上问题，我们设计了一款能满足 客厅、办公室景观要求，可以替代绿植，又能提供绿 色无公害蔬菜的装置(见附图)。 附图 智能旋转景观栽培架设计结构图 注：A：智能旋转景观栽培架结构图：营养液箱(1)，带驱动机构 的立柱(2)，营养液盘(3)，间隔设置的多层托架(4)，供液泵(5)， 设置在托架内的空腔(6)，栽培孔(7)，驱动电机(9)，贯通腔(10)， 旋转接头(11)，输液管(12)，供液管(13)，轴承(14)，回液管(15)。 B：智能旋转景观栽培架横向结构示意图。 旋转式景观蔬菜无土栽培装置的工作原理如下： 电机(9)通过传动同步带轮及同步带带动立柱  (2)旋转，从而实现连接在立柱(2)上的所有托架  (4)同时旋转，这样栽培孔(7)上栽培的蔬菜就实现了 旋转，蔬菜得到的光照就均匀了。 营养液储存在营养液箱(1)内，通过供液泵(5)加 压经输供液管(13)、旋转接头(11)和输液管(12)到 达营养液盘(3)内，从营养液盘(3)通过连通管道  (15)到达下1层托架(4)上的栽培机构，托架(4)上 的栽培机构连通管道(15)逐层连接，最底层托架  (4)上的栽培机构与贯通腔(10)连通，营养液最后通 过贯通腔(10)回流到营养液箱(1)内，解决了蔬菜架 旋转时营养液可稳定的输送、循环、回收问题。 4 智能旋转式植物种植架的应用展望 智能旋转式植物种植架，是为了解决现代家庭园 艺阳台及办公室中蔬菜、花卉等植物种植中遇到的 问题而设计的。该装置创新点：(1)采用电机带动蔬 菜架定时慢速旋转，保证光照均匀；(2)采用活动组 合方式，可搭配宝塔、树型等造型，种植不同蔬菜；  (3)采用营养液滴灌方式，满足生长的同时又保证环 境干净、无异味。(4)定时启动，夜间停止，节约能 源，防止噪音；(5)重点解决装置旋转和浇灌系统运 行相互干涉的难题，实现正常连续浇灌。 该智能旋转式种植架除具备以上功能和创新点 外，根据实际条件和需要还可以进行以下方面的扩展 应用。 4.1 家庭植物微型工厂 植物工厂，又称 “人工光利用型植物工厂” ，是采 用LED等为植物提供人工光源，并配备多层栽培架、 循环风机、空调、CO 2 施肥系统、营养液循环系统等 设备的一种密闭式园艺设施栽培 15-17 ，主要分为大 型植物工厂和微型植物工厂。微型植物工厂满足人们 追求快速、自然和健康饮食方式的需求，适合家庭使 用，能满足未来城市家庭园艺作物栽培的需要。本文 提出的智能旋转式植物栽培种植架，只需通过简单改 造，添加LED等人工光源，即可满足家庭植物微型 工厂的需要。 4.2 智能居家园艺产品的开发 随着工业化4.0的提出，互联网、物联网和大数 据等新一代信息技术为驱动的智能生产时代即将到 来。本文中所涉及的智能旋转植物栽培种植架，可以 升级为 “家庭植物微型工厂”后进一步升级，通过物 联网技术，实现远程管理和控制，用户可以通过网络 随时随地进行在线管理、远程监控、实时操作，实现 网络种花种菜的效果。 此外，在本文设计的智能旋转植物栽培种植架基 础上，基于植物微型工厂理论，结合室内家电产品进 行高度整合设计，结合室内景观配制、日常养护管 理、种植体验等，可为现代家居提供成套的以互动、 健康、环保为主题的“生态家电”产品。 5 结语 基于国内家庭园艺的兴起，针对当前家庭园艺中 植物种植模式所存在的问题，本文介绍了笔者设计出 的一套智能旋转式植物种植架。该装置可替换客厅、 办公室、阳台中花卉蔬菜的景观无土栽培，也可用于 -221- 中国园艺文摘  2018 年第 1 期 微型家庭植物工厂，还可结合物联网技术开发智能居 室园艺产品，具有延伸应用前景。 参考文献： 1 段云,白燕枫.家庭园艺一个正在兴起的市场J.中 国花卉园艺,2007,11(21):8-11. 2 周颖.我国城市家庭园艺模式研究D.长沙:中南林业 大学,2015. 3 刘洋.邯郸市家庭园艺现状及种植模式研究D.邯郸: 河北工程大学,2017. 4 唐雪松.成都市阳台园艺种植模式研究D.成都:四川 农业大学,2012 5 陈思妤,王辉,王云萍等.家居园艺研究现状及发展趋势 J.中国园艺文摘,2015,(6):50-51. 6 王捷.“友家花园生活”引领中国家庭园艺走向产业花 J.中国花卉园艺,2008,35(1):26-27. 7 吴芳林.家庭园艺一个充满魅力挑战的市场J.园林,  2009,35(7):14-17. 8 王正银.阳台楼顶蔬菜容器栽培J.中国农学通报,  1998,(4):72-73. 9 陆宇菲.杭州市家庭园艺经营与消费市场调研分析D. 杭州:浙江农林大学,2010. 10 陈琢.基于低碳温室技术的居室园艺系统研究与设计 D.齐齐哈尔:齐齐哈尔大学,2013. 11 曹丽平.基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 D.杭州:浙江农林大学,2014. 12 宋倩,周锦业,刘菲等.面向现代城市家庭园艺消费 行为的科普教育调查分析J.热带农业科学,2017,  37(7):112-118. 13 李春华.城市家庭园艺模式分析J.现代园艺,2017,  (6):126-127. 14 马宁,鲍顺淑.家庭园艺发展现状J.温室园艺,2016,  (2):65-67. 15 Kozai T, Ohyama K, ChunC. 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