基于“乾坤板”的家庭芽苗菜智能种植实践

摘要：本文基于乾坤板智能种植系统基础套件，在家庭阳台开展了芽苗菜的智能种植实践。作者在学习芽苗菜生长需求的基础上，搭建了可进行硬件编程自动调控“光—温—水”的微环境调控装置，而后选用麻豌豆、油葵等品种进行了人工种植与智能种植实践。在芽苗菜种植实践中，综合运用了信息科技、生物学的相关理论和试验知识，实现了使用图形化硬件编程自动调控种植微环境，并收获了劳动成果。

关键词：综合实践；芽苗菜；智能种植；跨学科；乾坤板

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）08-0056-04

种植实践初衷

在《中小学综合实践活动课程指导纲要》的指导下[1-2]，笔者所在学校提供了多种主题的综合实践活动，其中2023年5月班级微课堂开展的“意立方”微型农场科普讲座介绍了在家智能种植的相关知识。笔者因为在信息科技课上学习过图形化编程，同时对植物生长光合作用也有了解，加上有搭建智能种植系统的基础硬件支持和家长鼓励，于是，计划在阳台开展智能种植实践。根据农学指导教师的建议，笔者选择了生长周期大约为1周的芽苗菜作为种植品种，希望能通过智能种植实践，实际运用所学的信息科技、自然、探究等课程的理论知识，种出可以供家人享用的新鲜芽苗菜。为了实现上述芽苗菜家庭种植，笔者查阅了芽苗菜种植技术的相关文献，确定选择麻豌豆、油葵作为主要种植品种，基于乾坤板基础套件，参考其智慧农业扩展板进行了芽苗菜智能种植系统功能模块的选择与搭建、硬件编程，并于2023年和2024年进行了两轮包括人工种植和智能种植的对比实践。

种植条件准备

芽苗菜的种植过程包括种植环境准备、选种、浸种催芽、播种、黑暗培养、见光培养和采收几大步骤。有研究表明，生长环境（如温度、光照、养分等）对芽苗的生长发育和营养品质有着重要影响。[3]相较于自然环境生长，人工培养过程中的室内环境可以提供适当的培养基质、水分、光照和生长因子，更有利于控制芽苗菜品质，且使其生长不受季节影响。芽苗菜可以直接用清水水培，也可以采用培养基种植，本次种植实践主要采用清水种植。芽苗菜种植不需要强光照，但是播种密度、光照强度等因素也会对芽苗的生长产生一定影响。[3]不同光质（如红光、蓝光、白光、绿光、紫外光等）对芽苗菜的生长发育和物质代谢有不同影响。温湿度对种子萌发和芽苗生长影响很大，因此需要根据不同品种种子的萌发要求，选择适合的催芽温湿度和生长温度。此外，营养物质的供应也是培育芽苗菜的关键，特别在见光培养期，需要水、肥、气配合，大、中、微量元素均衡，同时通过添加部分微量元素可以种植出功能性芽苗菜，如通过补充硒种植出富硒芽苗菜。在本次芽苗菜家庭智能种植过程中，在见光培养期就添加了少量海藻水溶肥。

根据芽苗菜生长微环境及光、温、水、肥、气调控的需要，笔者基于乾坤板智慧农业扩展板搭建了如图1所示的智能种植系统[4]，它是由种植架、智能种植微环境感知系统、控制系统和执行系统组成。种植架由金属管材通过连接件拼装成框架，传感、控制和执行部件依附种植架和保温袋或泡沫箱放置，整体形成一个可封闭避光和保温、能自动调节种植环境的空间。传感单元包括光敏传感器、温湿度传感器、水温传感器、水位传感器，收集的环境信息通过IO口连接至乾坤板主控芯片。控制系统硬件基于乾坤板基础套件开发，软件基于图像化程序开发工具mind+开发，主要用于实现芽苗菜生长周期中光、温、水的调节，本次实践过程中未涉及肥自动调控。控制系统根据传感系统传感的环境信息，判断植物当前所处环境的状态，并控制补光灯、风扇、水泵和喷雾等设备开关，让植物生长环境处于最佳的光照、温度和水肥状态。种植系统通过APP进行控制，手机与控制系统通过蓝牙通信，控制系统还通过WIFI连接至TinyDB，实现传感数据的网络数据库存储和调用，智能种植APP采用APP inventor开发。

家庭种植实践

1.种植实践过程

笔者在家庭阳台进行了全人工种植和智能种植的芽苗菜种植实践。在进行种植环境准备、选种、浸种催芽、播种过程后，主要对比了黑暗培养和见光培养在全人工种植和智能种植上的效果。

①泡种：两次都是先将种子用40℃左右的热水冲洗，挑选出空壳和霉变种子，然后将选好的种子浸泡入40℃热水，敞开放置于室内，任其自然冷却，浸泡12小时后，种子吸水膨胀，并有白芽露出，即可进行播种。

②播种：将种子平铺在育苗盘上，保证种子不重叠，间隙均匀，上面再盖上湿润的育苗纸，然后将育苗盘放置在盛有清水的托盘里，水的深度正好与育苗盘接触，稍留缝隙。

③培养：在进行人工种植时，每天早、中、晚在育苗纸上喷水，保持纸张湿润但不积水。前两天在黑暗培养时用不透光的布遮住种植架，待白色根长出后，绿芽开始生长，当芽苗长至2～3厘米高时，改为见光培养的方式，去掉遮光布，去除覆盖在上面的纸，将苗放置在弱光处，逐渐增加光照，但避免直接暴晒阳光。根部扎在下面的纸上，托盘底部留水，每天更换一次水。在封闭种植箱内，根据设定的程序进行喷雾、补水、补光，后期的微量水溶肥为手动补充。

④采收：大约经过6～10天的培养，芽苗可长至15～20厘米，这时便可采收。本次人工种植在2023年10月份，气温适宜，豌豆苗从播种到15cm高采收用时一共8天。智能种植在2024年3月初，所在地区气温在3～13℃之间，温度偏低，但是在温控系统工作下，从播种到15厘米高采收用时7天。

2.技术应用实践

在智能种植过程中，运用到多学科的知识，包括自然、生物学中的种子萌发、光合作用，信息科技的图形化编程的分支语句、循环结构，还有物理中的温度、湿度、水位传感原理等。经过实践笔者发现了诸多技术需求，包括小容量低功耗喷雾、芽苗菜补光方案、智能种植微环境自动控制、智能种植物联网技术选择等。这些通过相关文献调查都能找到合适的解决方案。笔者在实践过程中，采用超声雾化原理进行喷雾，用种苗培育的红蓝白LED补光灯进行见光培养，参考乾坤板智慧农业板进行微环境传感与调控，采用蓝牙技术实现乾坤板主控板与手机的通信。下面，笔者以超声雾化和图形化编程为例来说明技术应用的实践。

在种芽菜培养期间，水是最为重要的生长条件之一。为了保持整个生长环境有一定的湿度，保持芽体的湿润，以及根系部分能够接触到足够的水分，需要根据湿度和水位及时进行补水，补水的方式直接影响芽苗菜的吸收，常规的方式是顶部喷水、根系部分灌水。喷水目前多采用高压水泵方案。为了使得喷水出现雾化效果，要求水压要高，一般要采用2～5米以上扬程的水泵，这样的水泵在家庭环境中使用存在功耗和噪音都大的问题。本文基于小规模种植补水容量少的要求，利用超声雾化原理，采用如图2所示的超声波微孔雾化片进行雾化补水，对环境湿度调控、补水的效果明显优于水泵，并且功耗非常小。超声波微孔雾化片是通过环形压电陶瓷与一个微孔网片贴合而形成的超声雾化装置，其是利用压电陶瓷的径向伸缩振动带动微孔网片（一般为不锈钢、钛合金等金属薄片）的轴向振动，然后微孔网片将其一侧的液体吸收并穿过微孔喷射出去，由于微孔很多孔径很小（一般为5～10微米），被微孔网筛出去的微小液滴也就形成了液雾。网孔一侧有一根吸水棉棒，在压电陶瓷上施加一定超声频率的PMW（Pulse Width Modulation）脉冲波驱动，就实现了良好的雾化效果。

实践采用Mind+图形化编程平台实现如图3所示的自动种植程序的功能，下页图4左边示意了mind+编程调试界面，该部分调用了平台中乾坤板编程固件，使用了连接无线网络热点、配置TinyDB数据库、读取温湿度传感器模块、通过端口控制风扇，以及循环、条件等逻辑语句，实现了基于设定温湿度的风扇控制。图4右边示意了采用App inventor开发的简单控制界面，利用安卓手机，可实时显示温度、湿度等传感量，并可以手动启停系统。

种植收获体会

通过两次种植实践，笔者采收了自己种植的芽苗菜，并供家人享用。在芽苗菜种植实践过程中笔者学习了具体的芽苗菜种植技术，运用了生物、信息科技等多门课程的知识来解决问题。第一次实践智能种植，虽然只是简单实现了人工种植的自动化复现过程，但是通过对芽苗菜种植技术和智能控制技术的亲身体验，激发出了创新的想法，如选用超声雾化技术进行补水。同时这次实践也为后续进一步提升种植系统功能、完善种植效果提出了优化思路，如：添加摄像头监控植物生长状态，实现远程可视种植；量化记录培养过程中的传感和控制状态数据，尝试不同品种，采取水培、基质培等不同种植模式，并对比不同的光、水、肥方案，形成最佳的家庭芽苗菜种植方案。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部．教育部关于印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》的通知[EB/OL]．http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616.html.

[2]上海教育新闻网.关于中小学综合实践活动课程的思考[EB/OL].http：//www.shedunews.com/zhuanti/con/2020-06/03/content_2255.html.

[3]吴志伟.苦荞芽苗菜培养条件的优化及其品质分析[D].成都：成都大学，2021.

[4]胡岳，王自珍，袁伟，等.智能种植科普与综合实践平台设计[J].中国信息技术教育，2024（02）：74-77.

基金项目：①国家自然科学基金科技活动专项项目“基于产教融合理念的智能种养农工交叉科普平台开发与推广”（项目编号：52242705）；②湖南省首届基础教育教学改革研究项目“面向家校社协同育人‘智能种植’跨学科学习课程开发与实施研究”（项目编号：Y20230099）；③长沙市教育科学“十四五”规划课题“基于家校社联动的中学劳动实践活动实施路径研究”（项目编号：CJKZH202210）；④上海市“科技创新行动计划”农业科技领域项目“模块化高能效智能垂直农场关键系统研发集成及产业化推广”（项目编号：23N21900200）。