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第11卷 第2期 农 业 工 程 Vol 11 No 2 2021年2月 Agricultural Engineering Feb 2021 收稿日期 2020 11 06 修回日期 2021 01 15 基金项目 重庆市农业科学院绩效激励引导专项项目 项目编号 cqaas2019jxjl09 蔬菜工厂化育苗智能物流技术装备研发与应用 项目编号 cstc2020jscx msxmX0034 作者简介 郑吉澍 工程师 研究方向 农业工程 E mail 313711145 qq com 邓顺华 通信作者 工程师 研究方向 农业物联网 E mail 362395225 qq com 在线投稿 www d1ae com 旋转立体栽培架补光系统设计 郑吉澍 1 2 3 邓顺华 1 2 3 李佩原 1 2 3 徐 郑 4 刘 飞 1 2 3 1 重庆市农业科学院 重庆 401329 2 重庆市工厂化农业研发中心协同创新中心 重庆 401329 3 重庆市农业设施与智能化装备工程技术研究中心 重庆 401329 4 重庆市潼南区农业科技投资 集团 有限公司 重庆 402679 摘 要 随着乡村振兴的大力推进 设施农业也迎来了其迅猛发展的黄金时期 植物工厂作为设施农业的重要组成部 分 在现代农业工程中占有举足轻重的地位 然而 传统植物工厂里的温室和大棚 由于受到阴雨 雾霾和雨雪等自 然天气的影响 时常让植物出现许多缺光并发症 基于此 研制了一款基于旋转栽培架的补光设备 旨在通过补光使 旋转栽培架上的植物避免由于光照不均匀所导致的打蔫 发黄和生长期延长等现象 同时也为同类补光设备的研制提 供理论指导与技术借鉴 关键词 植物工厂 旋转栽培架 自动化 补光设备 中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 2095 1795 2021 02 0111 06 Design on Supplementary Lighting System of otary Three Dimensional Cultivation Frame ZHENG Jishu 1 2 3 DENG Shunhua 1 2 3 LI Peiyuan 1 2 3 XU Zheng 4 LIU Fei 1 2 3 1 Chongqing Academy of Agricultural Sciences Chongqing 401329 China 2 Chongqing Factory Agricultural D and Collaborative Innovation Center Chongqing 401329 China 3 Chongqing Engineering esearch Center of Agricultural Facilities and Intelligent Equipment Chongqing 401329 China 4 Chongqing Tongnan Agricultural Science and Technology Investment Group Co Ltd Chongqing 402679 China Abstract With vigorous promotion of the strategy for rural vitalization facility agriculture has also ushered in a golden age of rapid development As an important part of facility agriculture plant factory plays an important role in modern agricultural engi neering However due to influence of natural weather such as overcast rain haze rain and snow greenhouse in traditional plant factories often makes plants lack of light and causes diseases Because of this problem a supplementary lighting equip ment was developed based on rotary cultivation frame which aimed to prevent plants on rotary cultivation frame from wilting yellowing and prolonging growth period caused by uneven light and also provided theoretical guidance and technical reference for development of same kind of supplementary lighting equipment Keywords plant factory rotary cultivation frame automation supplementary lighting equipment 0 引言 幼苗的外形特征 光合作用和物质积累均与光照 密不可分 1 4 大量研究发现 光照强度可以影响幼 苗的芽 根鲜质量及生长状况 光质影响幼苗光形态 建成 叶绿素合成 碳氮代谢及品质 5 6 不同植物 有不同的光周期 光照时间影响着植物的生长发育 调节光周期 能够有效调节植物生长发育 7 植物工厂里的植物 由于光照不足会导致枯萎 发焉等缺光并发症 通过人工干预可以延长植物光照 时间或者弥补光照条件不足 8 为解决这一现状 林超辉等 9 开展了夜间补光对水稻温室育秧的试验 研究 结果表明 适当的夜间补光可以有效提高秧苗 品质 徐立清 10 开展了均匀化育苗研究平台的设计 与试验 结果表明 即使在不同的LED光照条件下 也可培育出长势均匀的幼苗 刘庆鑫等 11 开展了植 物工厂多层立体栽培补光对生菜产量和品质的影响研 究 结果表明 补光能使不同层的植物光照更加均 匀 同时还可以促进植物体内干物质积累 并能显著 提高生菜产量和品质 史维东等 12 开展了微型植物 农业工程 设计制造及理论研究 工厂补光控制系统设计研究 意在设计一款能根据不 同植物的需求来设置最适合光照强度 并通过单片机 和光照强度传感器来进行反馈调节 以达到调节光照 强度的目的 上述研究在当光照不足的情况下 对植物进行补 光以提高植物的光照时间上取得了一定的成果 但对 于植物工厂中旋转栽培架的补光却不完全适用 旋转 栽培架是运动的故不能简单地将补光灯置于植物上 方 基于以上问题 本文开发一款适用于植物工厂中 旋转栽培架的自动补光设备 该设备能自动将补光灯 放置于栽培槽上方 当补光完成后又能将补光灯收 回 以便于下一组栽培槽的补光 该设备与 PLC 连 接实现了自动化补光 更重要的是该设备的研发为植 物工厂无人化补光奠定了基础 同时也为后续同类产 品的研发提供理论基础和技术借鉴 在以温室为主题的太阳光和人工光源并用型植物 工厂中 人工补光是延长植物光照时间或弥补光照条 件不足的有效方式 1 总体结构设计及工作原理 1 1 总体结构 旋转栽培架由主支架 斜支架 底部支架 斜拉 杆 栽培槽 链轮 链条 减速机 水轮机和计数传 感器等组成 补光设备由铝型材 轴承座 主轴 补 光灯支架 补光灯 从动齿轮 主动齿轮 电机底 座 链条和位置传感器等组成 旋转栽培架补光设备结构如图1 所示 整个补光 设备含有5 根主轴 每一根轴上布置3 组灯管 每组 5 根灯管 轴的一端安装双排齿轮 各轴之间通过链 条两两连接 电机的轴上安装1 个台齿轮 台齿轮与 双排齿轮之间通过链条连接 补光灯支架上安装灯卡 和基板 并通过铆钉与支架连接在一起 补光灯通过 灯卡安装在支架上 整个补光设备利用30 mm 30 mm的铝型材与旋转栽培架的主支架相连接 1 2 工作原理 当旋转栽培架停止旋转后 电机旋转并带动主动 轮 链条和从动轮转动 从动轮转动并带动补光灯主 轴转动 从而使补光灯支架由竖直状态变为水平状 态 且正好处于栽培槽的正上方 当完成补光后 电 机反向旋转 从而带动主轴转动 补光灯支架由水平 状态变成竖直状态 完成本轮补光后 栽培槽继续转 动 当旋转栽培架旋转时 补光灯处于竖直状态 不 会与栽培架发生碰撞 当第6 个栽培槽到达第1 个栽 培槽的初始位置时 通过电气控制系统控制电磁阀来 关闭阀门 以达到使栽培槽停止转动的目的 电机转 动使补光灯支架位于栽培槽的上方 从而依次循环往 复进行补光 1 5 号栽培槽 2 4 号栽培槽 3 3 号栽培槽 4 链条 5 假双 排齿轮 6 2 号栽培槽 7 补光支架 8 补光灯 9 根茎植物 10 1 号栽培槽 11 电机 12 电机底座 图1 旋转栽培架补光设备结构 Fig 1 Structural of light supplementary equipment for rotary cultivation frame 1 3 技术参数 旋转栽培架自动化补光设备主要技术参数如表1 所示 表1 自动化补光设备技术参数 Tab 1 Technical parameters of automatic lighting equipment 项目 参数 补光灯支架转动速度 r min 1 1 85 外形尺寸 mm 3 3 720 793 2 390 配套动力 24 DC 80 W 旋转所需时间补光灯 10s T8 灯管 LED 2 主要零部件设计与分析 2 1 主轴 主轴是补光灯设备的核心部件 在补光灯翻转过 程中 主要受到灯具重力和电机旋转扭力的作用 由 于整个旋转栽培架横向跨度较大 超过3 m 如果 采用实心轴就会增加轴的质量 从而加重电机的负 荷 基于此 为减小轴的质量 主轴由两部分组成 一部分为空心方管 一部分为实心轴 方管尺寸为 30 mm 30 mm 2 990 mm 厚度2 5 mm 材质为 211 郑吉澍 等 旋转立体栽培架补光系统设计 Q235 在方管的两端嵌套 2 根实心轴 分别为轴 1 和轴2 实心轴的端部做成方形插入方管中 并采用 螺栓进行固定 轴1 与轴承座相连接 其端部与齿轮 连接 轴2 与另一轴承座相连 主轴结构如图2 所 示 1 轴1 2 空心方管 3 轴2 图2 主轴结构 Fig 2 Structure of main shaft 2 2 电机 补光设备的主轴在运转过程中主要受到补光灯重 力和补光灯支架重力的作用 由于每层补光灯由3 列 15 根灯管组成 每只灯管质量 0 3 kg M 灯 22 5 kg 补光灯支架6 根 每根质量0 2 kg M 支架 6 kg 故 M 总 28 5 kg 由灯具和支架产生的扭矩为 T 1 GL 71 25 N m 式中 G 重力 N L 力臂 m 考虑安全系数为 1 1 则产生的力矩为 T 78 375 N m 由于补光设备在整个运行过程中只需要完成90 的正反转 故经综合考虑 选用 DC 24 V 功率100 W 扭矩80 N m的卷膜电机 2 3 链轮 链轮主要用于传递运动和动力 通过大小不同 齿轮的组合以实现改变传动比的目的 本次补光灯 支架要求的转速较低 完成竖直状态到水平状态的 转动要求5 10 s 由于电机转速3 r min 18 s 则补光灯支架转速为0 3 3 0 r min 由于旋转栽 培架空间紧凑 不宜使用较大的双排齿轮 基于 此 经过分析 采用3 分12 齿和3 分20 齿的齿轮 进行连接 链轮传动比 i Z 2 Z 1 1 6 式中 Z 1 主动轮齿数 取值12 Z 2 从动轮齿数 取值20 补光灯旋转速度v 1 875 r min 11 25 s 补光灯支架完成整个反转需要时间t 8 s 2 4 电气控制系统 自适应补光设备控制系统采用 PLC 为控制器 采用光合有效辐射传感器实现对光照数据采集 结合 种植的叶菜光需求量控制补光灯开启数量 进行补光 灯自适应调节 每个旋转栽培架补光层数为5 层 每 层分布15 根灯管 每个栽培架包含75 根灯管 每根 灯管14 W 每个架子1 050 W 通过旋转栽培架的旋 转完成所有栽培槽的分时补光 2 4 1 控制系统硬件 控制系统 PLC 采用西门子 SMA T 系列的 ST20 人机交互设备选用 MCGS 的 TPC1071Gi 采用 P OFINET接口与栽培架控制系统和 HIMI 通信 通 过EM DT32 和 EM QT16 对输入 输出口进行扩展 电气控制系统控制柜布局如图3 所示 部分电路如图 4 所示 图3 电气控制系统控制柜布局 Fig 3 Layout of control cabinet of electrical control system 图4 电气控制系统部分电路 Fig 4 Circuit of electrical control system 2 4 2 PLC程序 PLC控制程序涉及与旋转立体栽培架通信 补光 灯架控制 补光灯开关和传感器数值读取等 系统上 电完成后 判断是否有补光计划 没有补光计划则将 311 农业工程 设计制造及理论研究 补光灯架收起 有补光计划则读取有效光合辐射传感 器值 通过对数值分析 判断是否需要开启补光并对 补光灯架是否放下进行判断 如果需要补光则放下补 光灯架 如果不需要补光则收起补光灯架 如此循 环 实现补光灯及灯架的自动控制 电气控制系统 PLC程序流程如图5 所示 图5 电气控制系统PLC程序流程 Fig 5 PLC program flow chart of electrical control system 2 4 3 触摸屏控制程序 为了便于管理和操作 系统设置有人机交互界 面 包含系统登录界面 补光灯运行状态显示界 面 补光灯架状态显示界面 自动参数设置界面和 历史数据显示界面等 登录界面是为了防止非工作 人员误操作 需输入用户名 密码登录 补光灯运 行状态显示界面 图6 实时显示每个栽培架上的 每一组 LED 灯的当前运行状态 当前 LED 处于开 启状态时 前面的状态灯显示为绿色 当处于关闭 状态时 前面的状态灯显示为红色 界面设置有对 应的开启关闭按钮 当处于手动操作模式时 点击 对应的按钮便可以实现LED灯的开启 关闭控制操 作 LED灯架运行状态显示界面实时显示每个栽培 架上的LED灯架的当前运行状态 界面上设置有正 转 停止和反转按钮 设有上到位 下到位状态显 示 当灯架收起到位时 上到位指示灯显示为绿 色 当灯架放下到位时 下到位状态显示为绿色 当按下正转按钮时 灯架开始放下 当按下反转按 钮时 灯架开始收起 自动参数设置界面包含补光 时间段设置 叶菜需光亮设置和偏差设置等 历史 数据则显示传感器数据历史值 图6 补光灯运行状态显示界面 Fig 6 Operation status display interface of fill light 2 5 主轴受力分析 主轴是补光设备主要的受力部件 其结构强度的 高低直接影响补光能否顺利进行 对主轴的强度分析 是至关重要的 应用Solidworks中的 simulation 插件对补光设备 主轴进行受力分析时 按如下步骤进行 创建新算 例 应用材料 添加约束 施加载荷 划分网格 运行分析和分析结果 13 补光设备主轴选用的材料 是Q235 对补光设备主轴的两端添加约束 然后对 主轴添加均布载荷50 N 对模型划分网格 网格划 分按照表2 的数据进行 网格划分完成后 运行计 算并得出应力 应变和位移的图像 如图7 9 所 示 根据应力应变和位移图像可以看出 轴的受力载 荷都在合理区间范围内 能够满足受力的要求 表2 模型划分网格 Tab 2 Mesh model 雅克比点 单元大小 mm 公差 mm 单元数 节数 4 点 15 74 0 78 15 728 28 124 图7 应力分布 Fig 7 Stress distribution 3 试验结果与分析 按照上述设计 通过加工试制 安装在重庆市工 厂化农业研发中心进行试验 并测定了补光各层栽培 411 郑吉澍 等 旋转立体栽培架补光系统设计 图8 位移分布 Fig 8 Displacement distribution 图9 应变分布 Fig 9 Strain distribution 图10 PA 测定 Fig 10 PA determination 槽的PA 光合有效辐射 photosynthetically active ra diation 光照分布 图10 采用 LI CO250 型手持 式PA 传感器测定 距离补光灯10 cm 处的叶面位 置PA 为391 mol m 2 s 距补光灯30 cm处的 定植盘位置PA 为215 mol m 2 s 通过HOBO对自然光照和基于本补光系统的各 层栽培槽 PA 随时间变化情况测定 采集周期 5 min 自然光照和人工补光情况下各层平均 PPFD 光合量子通量密度 Photosynthetic Photon Flux Den sity PPFD日积累量如表3 所示 按照每日补光9 h 每次补光5 层 栽培架共15 槽 相当于平均每层 补光时间3 h 则人工补光情况下每日 PPFD 日积累 量为自然光照情况下PPFD日积累量的4 5 倍 表3 自然光与人工补光情况下各层PPFD Tab 3 PPFD of each layer under natural light and artificial supplementary light 层数 1 2 3 4 5 自然光 平均PPFD umol m 2 s 1 26 29 19 25 21 14 17 24 15 71 PPFD日积累量 mol m 2 0 85 0 62 0 68 0 56 0 51 补光 平均PPFD umol m 2 s 1 283 46 298 03 231 93 225 63 199 61 PPFD日积累量 mol m 2 3 06 3 22 2 50 2 44 2 16 4 结论 本文通过前期调研与试验 确定了补光设备的灯 架尺寸 大小 高度和补光控制系统阈值等相关参 数 设计并研制了一款用于植物工厂中旋转栽培架的 补光设备 并详细介绍了可起落的 LED 补光灯架和 LED补光控制系统 控制系统依据传感器数值与栽 培叶菜需光量自动控制补光灯架起落 开起不同补光 灯数量进行补光 保障叶菜的正常生长 通过试验 系统能自动根据叶菜种植调整补光灯数量 最大提高 PPFD日积累量为自然光照情况下的4 5 倍 参考文献 1 徐立青 高建敏 崔永杰 均匀化育苗研究平台的设计与试验 J 农机化研究 2017 39 4 88 92 97 XU Liqing GAO Jianmin CUI Yongjie Design and experiment of research platform for uniform seedlings J Journal of Agricultural Mechanization esearch 2017 39 4 88 92 97 2 马稚昱 辜松 罗锡文 不同光质对嫁接砧木下胚轴生长的影 响 J 农机化研究 2010 32 11 185 187 192 MA Zhiyu GU Song LUO Xiwen Effect of illumination with dif ferent light source on the hypocotyl of rootstock seedlings J Jour nal of Agricultural Mechanization esearch 2010 32 11 185 511 农业工程 设计制造及理论研究 187 192 3 范志强 余霞 王军 不同光强对油菜叶片生理活性的影响 J 安徽农学通报 2008 14 20 26 27 39 FAN Zhiqiang YU Xia WANG Jun Effect of light intensity on leave physiological activity of Brassica campestris L J Anhui Agricultural Science Bulletin 2008 14 20 26 27 39 4 高芳云 王芳 郑汉文 等 不同光质 LED 灯育苗对设施番 茄生长及产量的影响 J 长江蔬菜 2015 14 54 55 GAO Fangyun WANG Fang ZHENG Hanwen et al Effects of using different led lights to raise seedlings on growth and yield of fa cility tomato J Journal of Changjiang Vegetables 2015 14 54 55 5 OY A SAHOO D T IPATHY B C Light hormone interaction in the red light induced suppression of photomorphogenesis in rice seedlings J Protoplasma 2016 253 2 393 402 6 OZAKI Y KATO NOGUCHI H Effects of benzoxazinoids in wheat residues may inhibit the germination growth and gibberellin induced amylase activity in rice J Acta Physiologiae Plantarum 2016 38 1 1 5 7 徐格格 光环境调控对植物生长发育的影响 J 生物技术世 界 2015 12 214 8 张喜娟 来永才 孟英 等 红蓝光源 LED 在水稻立体化育 秧模式中的应用研究 J 作物杂志 2014 5 122 128 ZHANG Xijuan LAI Yongcai MENG Ying et al The applica tion of red and blue LED light source in tridimensional rice seedlings mode J Crops 2014 5 122 128 9 林超辉 马旭 黄冠 等 水稻温室立体育秧夜间补光技术试 验研究 J 农机化研究 2016 38 5 208 212 LIN Chaohui MA Xu HUANG Guan et al Experimental study of the night lighting technology on the greenhouse stereoscopic rice seedling nursing J Journal of Agricultural Mechanization e search 2016 38 5 208 212 10 徐立青 均匀化育苗平台的研制与试验研究 D 杨凌 西北 农林科技大学 2016 XU Liqing Development and experimental study of platform for uni form seedlings D Yangling Northwest A F University 2016 11 刘庆鑫 方慧 李宗耕 等 自然光植物工厂多层立体栽培补 光对生菜产量和品质的影响 J 中国农业大学学报 2019 24 1 92 99 LIU Qingxin FANG Hui LI Zonggeng et al Effects of in creased stereo multi layer artificial light in natural light plant factory on yield and quality of lettuce J Journal of China Agricultural University 2019 24 1 92 99 12 史维东 贾鹤鸣 朱传旭 等 微型植物工厂补光控制系统设 计 J 科技创新与生产力 2017 8 102 104 SHI Weidong JIA Heming ZHU Chuanxu et al Design of light control system for micro plant factory J Taiyuan Science and Technology 2017 8 102 104 13 潘世强 操子夫 赵婉宁 等 基于 SolidWorks玉米秸秆打捆 机的设计 J 中国农机化学报 2016 37 6 31 34 PAN Shiqiang COU Zifu ZHAO Wanning et al Design on corn straw bundling machine based on SolidWorks J Journal of Chi nese Agricultural Mechanization 2016 37 6 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 殗 殗 殗 殗 31 34 行业动态 浙江省农业担保联盟成立 近日 浙江省农业担保联盟成立 据介绍 建立农担联盟是提升为农金融服务工作的一个新 举措和新抓手 将更好把各方力量和资源积聚起 来 相互弥补短板 发挥各自优势 通过合作实 现 1 1 2 的效果 联盟成立后 将重点 围绕 优化一套机制 推进一项试点 建好一 个平台 3 个方面开展工作 通过建立培训交 流 业务协同及总结宣传机制 促进会员间信息 共享 建立起由当地政府 合作银行和省市县农 担公司各方体系共建 风险分散的金融支农服务 机制 以数字农担建设为主轴 建设新型农业经 营主体信用评价体系 打造担保业务数字化应用 平台 提高银担合作业务效率 首批成员单位由浙江省农合联及下辖机构 全省政策性涉农担保机构 农业产业协会等组 成 按照 政策主导 自愿参与 平等互利 合作共建 和 虚拟化机构 实质性运作 的 原则建设 联盟的成立是浙江省农业担保领域的 一件大事 标志着浙江政银担合作 政策性农担 体系建设 三位一体 信用合作工作迈入一个 新的阶段 下一步 联盟将与政府部门 农合联系统 产业协会 重点农业企业和银行等金融机构紧密 联系在一起 有效促进信息和资源在创新链 产 业链高效运转 加快提升农业融资担保的数字化 建设和服务水平 有力支撑全省融资畅通工程和 乡村振兴 梁亚洲 611