聶影　安鶴峰　章慧全　田家治

摘要：針對水稻育苗大棚的卷膜和放膜主要靠人工手動操作完成的現(xiàn)實問題，研制智能溫控通風(fēng)裝置。介紹溫控器智能控制卷膜器開閉風(fēng)口的原理及方法，詳述智能溫控通風(fēng)裝置主要部件的原理、組成及特點，為水稻秧苗生長創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能溫控放風(fēng)裝置；大棚；設(shè)計；電動卷膜器；溫濕控制器

中圖分類號：S625.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0023-04

水稻是遼寧省僅次于玉米的第二大糧食作物，常年種植面積保持在60萬hm2左右，占全省糧食總播種面積的17%左右；稻谷總產(chǎn)量約450萬t，占糧食總產(chǎn)量的23%左右。水稻種植技術(shù)主要有直播和育秧移栽兩種，現(xiàn)階段以水稻育秧栽培技術(shù)為主。大棚溫度是決定棚內(nèi)水稻秧苗生長發(fā)育的一項重要環(huán)境因素。在水稻育苗過程中，大棚內(nèi)的溫度變化快且分布不均勻，對水稻秧苗生長影響很大。目前，全省水稻育苗大棚的卷膜和放膜主要延用手動操作來完成，工作效率較低。為此，遼寧省農(nóng)業(yè)機械化研究所研制出一種高智能溫控通風(fēng)裝置，可根據(jù)水稻秧苗不同生長時期的溫度要求設(shè)定溫度，使水稻秧苗營養(yǎng)生長和生殖生長更合理。

1 智能溫控放風(fēng)裝置的基本構(gòu)成

1.1 工作原理

根據(jù)水稻秧苗在不同時期、不同生長階段對溫度的需要，設(shè)定適宜溫度。通過溫度傳感器將棚內(nèi)信息實時傳遞到信息處理系統(tǒng)，操控系統(tǒng)接受指令后對信息進行分析，并控制卷膜器開閉風(fēng)口，實現(xiàn)溫室內(nèi)溫度的改變，為水稻秧苗提供良好的生長環(huán)境。智能溫控放風(fēng)裝置具有自動降溫功能，不僅能夠保持理想的室內(nèi)溫度，而且通過空氣交換把棚內(nèi)的有毒氣體排出去，吸收新鮮的室外空氣，增加棚內(nèi)二氧化碳的濃度，促進秧苗生長。

1.2 基本構(gòu)成

根據(jù)降溫和補充二氧化碳等需要，大棚前坡覆蓋薄膜下部及上部均設(shè)置通風(fēng)帶。傳統(tǒng)人工扒縫放風(fēng)方法費時費力且容易損壞棚膜。為解放勞動力、改善作業(yè)環(huán)境、實現(xiàn)棚室溫度的自動控制，遼寧省農(nóng)業(yè)機械化研究所研制了智能溫控通風(fēng)機。

智能溫控通風(fēng)裝置由開關(guān)電源、溫控器、減速電機、固定鉸接裝置、伸縮導(dǎo)向器、卷膜軸等組成（如圖1所示）。待卷薄膜上側(cè)固定在壓膜線上，下側(cè)卷在長軸上（用塑料卡箍卡牢），長軸的一端連在電動卷膜器上，通風(fēng)開口寬度約800 mm，電動卷膜器控制長度由電機功率決定（見表1）。

2 智能溫控放風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)

智能溫控通風(fēng)裝置主要分機械控制系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)兩部分。

2.1 機械控制系統(tǒng)

2.1.1 工作機理 在水稻育苗大棚端面?zhèn)缺谶m當(dāng)位置，在卷膜軸端部聯(lián)接減速電機。電機固定在可伸縮管的鉸接機構(gòu)上，通過電機轉(zhuǎn)動位置變化來改變伸縮管長度，進而調(diào)整卷膜軸的位置。減速電機控制卷膜軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水稻育苗棚內(nèi)的通風(fēng)排放。

2.1.2 電動卷膜器的特點 1） DC24V低電壓，避免觸電事故；2） 鋁合金機體組合，密度強健，不會變形；3） 使用油性齒輪方式傳送動力，效力高，齒輪壽命長； 4） 內(nèi)設(shè)特殊鋼制作后進行浸碳熱處理的高品質(zhì)齒輪；5） 停止時不會自動滑下，完美的自動剎住功能； 6） 使用高級密封墊，有效防止雨水滲入；7） 設(shè)有透氣孔；8） 機體殼防銹、鍍鋅處理后噴塑處理。

2.2 智能溫濕控制系統(tǒng)

2.2.1 工作原理 系統(tǒng)以STM32微控制器為控制核心，以溫濕度傳感器為檢測單元，以電動卷膜裝置、噴淋裝置、無線上傳及控制裝置為執(zhí)行單元，實現(xiàn)智能溫濕度的控制。溫濕度傳感器采集到大棚內(nèi)空氣溫濕度和土壤溫濕度后，發(fā)送給單片機，單片機對信息進行處理后，一是通過電動卷膜裝置、噴淋裝置、報警裝置對大棚內(nèi)的溫濕度環(huán)境進行實時監(jiān)控；二是通過無線聯(lián)網(wǎng)裝置上傳環(huán)境數(shù)據(jù)，供用戶隨時查看，并進行實時調(diào)整控制。溫濕控制系統(tǒng)的工作流程及工作原理如圖2所示。

由水稻大棚秧盤育苗技術(shù)操作規(guī)程得知：播種后到小苗1.5葉前主要提溫保濕，這時要堵好大棚作業(yè)通道，排除棚外溝內(nèi)的積水，以提高棚內(nèi)溫度；棚室溫度控制在28～30 ℃為宜，棚內(nèi)溫度不超過32 ℃，一般不需要通風(fēng)。1.5片葉以后外界氣溫比較高，大棚內(nèi)增溫較快，需要通風(fēng)煉苗。白天溫度應(yīng)控制在25～30 ℃；2.5葉后至插秧期的溫度保持在22～25 ℃，夜間溫度10 ℃以上時，可晝夜通風(fēng)煉苗，這樣有利于小苗均衡增長。

2.2.2 結(jié)構(gòu)及特點 溫濕控系統(tǒng)由溫濕度傳感器、LED顯示器、執(zhí)行器、報警器、單片機組成。

1） 采集溫濕度。本系統(tǒng)采用的數(shù)字式PE防護型溫濕度傳感器，是一種體積小、抗干擾能力強、精度高、防水、數(shù)字化、功能強的零件，可以將采集到的實時溫度直接以數(shù)字信號的形式傳輸給單片機，不需要額外的A/D轉(zhuǎn)換。溫濕度傳感器的溫度測量范圍為-40.0～123.8 ℃， -10～80 ℃的測量精度為±0.5 ℃，濕度0～100% RH的測量精度為±4.5%RH，響應(yīng)時間8 s（tau63%），功耗80 μW。

2） LED顯示。采用五組數(shù)碼管顯示，其中四組四段數(shù)碼管用于兩路溫度、濕度的顯示，反饋大棚內(nèi)溫度及濕度的實時狀態(tài)；一組八段數(shù)碼管用于顯示設(shè)置代碼及相應(yīng)參數(shù)。數(shù)碼管具有低耗能、壽命長、對使用環(huán)境要求低等特點，采用BCD編碼方式進行顯示，編譯命令簡單，價格低廉，且輸出精度很高。

3） 執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)主要包括繼電器、電機限位控制器、電機、噴淋等裝置。其有效對控制器發(fā)出的指令進行相應(yīng)操作，實現(xiàn)放風(fēng)降溫、噴淋降溫等功能。當(dāng)大棚溫度達到設(shè)置上限時，控制單元發(fā)出指令：卷膜電機正轉(zhuǎn)卷起棚膜至上限位停止，通過放風(fēng)進行降溫、噴淋進行降溫。大棚溫度降到設(shè)置的下限溫度時，卷膜電機反轉(zhuǎn)到下限位，同時噴淋裝置停止作業(yè)。土壤濕度低于下限值時，噴淋裝置進行噴淋作業(yè)，直到土壤濕度達到上限值時，停止噴淋作業(yè)。

4） 報警器。報警器對控制單元采集到的實時溫濕度與設(shè)定的上下限溫度進行比較，若超過設(shè)定的限值，發(fā)出指令給報警器，使其進行聲光報警。

5） GPRS遠程監(jiān)控。GPRS能夠進行高速數(shù)據(jù)處理，以分組的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)。系統(tǒng)通過流量卡聯(lián)入GPRS網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送信息至服務(wù)器，用戶可實時調(diào)取大棚環(huán)境信息，并發(fā)送控制指令，進而有效、快速的調(diào)整溫濕度。多個大棚控制器通過一個接收發(fā)送裝置與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，GPRS接收發(fā)送裝置的無線覆蓋距離可達1 000 m。

6） 單片機?？刂茊卧獮镾TM32F1系列的32位內(nèi)核處理器。其內(nèi)部使用高性能ARM Cortex-M3的RISC內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲器（64KB的SRAM和512KB的FM），工作頻率為70 MHz；豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)，包含3個12位的ADC檢測原件、4個通用16位定時器和2個PWM定時器；標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口眾多，包括2個I2C、3個SPI、2個I2S、1個SDIO、5個USART。此系列芯片具有低電壓、低功耗、集成度高、體積小、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、穩(wěn)定運行、控制功能強等特點。單片機作為數(shù)據(jù)處理單元，對溫度傳感器輸入的16位二進制信息進行編程處理后，對數(shù)據(jù)進行顯示、報警及控制，并通過C語言編寫命令來完成各種控制。本系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。溫度傳感器采集大棚空氣溫濕度以及土壤溫濕度傳輸給單片機，通過單片機判斷溫度是否超出預(yù)設(shè)值，同時通過LED數(shù)碼管顯示出溫度，報警器發(fā)出警報，并通過執(zhí)行器進行降溫操作。

3 智能溫控通風(fēng)裝置的優(yōu)點

3.1 科學(xué)監(jiān)控棚內(nèi)溫度

根據(jù)水稻秧苗不同時期、不同生長階段，設(shè)定棚內(nèi)適宜溫度后，該設(shè)備可自動監(jiān)控棚內(nèi)溫度，當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定溫度時，自動開關(guān)風(fēng)口，保證棚內(nèi)的溫度相對穩(wěn)定，為水稻秧苗提供理想的生長環(huán)境。遇到連陰雨（雪）天氣及早晨需要通風(fēng)時，棚內(nèi)溫度較低，無法實現(xiàn)自動開關(guān)風(fēng)口，可手動強制開關(guān)風(fēng)口。

3.2 充分利用溫度資源

溫控機可將溫差控制在±1 ℃范圍內(nèi)，使植物營養(yǎng)生長和生殖生長更合理，積溫和養(yǎng)分達到最佳效果。

3.3 減少生理病害

自動開關(guān)風(fēng)口，棚內(nèi)、外空氣進行交換，棚內(nèi)有害氣體及時排出，增加棚內(nèi)二氧化碳濃度，促進植物進行光合作用。棚內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，作物生長環(huán)境適宜，提高抗病能力。避免驟降或驟升引起的高溫或低溫對秧苗生長的影響，從而減少生理病害，降低農(nóng)藥、化肥的投入，進而降低生產(chǎn)成本。

3.4 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率

傳統(tǒng)降溫方式是工作人員寸步不離在現(xiàn)場看守，通過人工手動開關(guān)風(fēng)口來控制棚內(nèi)溫度。使用該設(shè)備后，可實現(xiàn)開關(guān)風(fēng)口機械化作業(yè)，使棚內(nèi)溫度始終保持在理想狀態(tài)，省工、省力，把農(nóng)民從繁重勞動中解放出來，促使農(nóng)業(yè)向更高層次發(fā)展。

4 結(jié)論

電動卷膜器是最新一代溫室卷膜通風(fēng)降溫設(shè)備，可實現(xiàn)快速卷、放膜及溫室環(huán)境的自動控制。它具有重量輕、輸出扭矩大、輸出自鎖、行程調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)范圍大、防雨水、防結(jié)露及耗電量低等特點，適用于不同氣候條件，是現(xiàn)代日光溫室的最佳選擇。智能溫控機能夠保證溫室高效節(jié)能，大幅度降低勞動強度和管理費用，提高勞動生產(chǎn)率，減少生理病害，從而使綜合效益顯著提高。智能溫控通風(fēng)機為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?，F(xiàn)代化方向發(fā)展提供必要技術(shù)支撐，對促進水稻穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要意義。

參考文獻

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