趙旖旎 王盛

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)

趙旖旎 王盛

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

針對(duì)現(xiàn)有大棚內(nèi)采用移動(dòng)式噴灌及微噴造成的水資源浪費(fèi)、噴灌設(shè)備智能化程度低和拆卸不便等問題，對(duì)機(jī)電一體化、水肥一體化等技術(shù)及模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行研究，提出了一套移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)。通過對(duì)比噴灌實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，避免了復(fù)雜的管道布置，安裝成本低；可實(shí)現(xiàn)按需噴灌、準(zhǔn)確噴灌及水肥一體化，且方便拆裝，便于適應(yīng)不同長(zhǎng)度、寬度的作業(yè)區(qū)。相比現(xiàn)有的移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)以及微噴系統(tǒng)，該系統(tǒng)節(jié)水率分別可達(dá)29.6%、18%，節(jié)水效果顯著。

節(jié)水 噴灌 機(jī)電一體化 大棚 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

我國(guó)人均水資源量?jī)H為世界平均水平的28%。而據(jù)資料顯示，2011年我國(guó)農(nóng)業(yè)年用水達(dá)3689.1億m3，占總用水量的61.3%，其中農(nóng)田灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水消耗總量的90.5%。因此節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣及發(fā)展具有重要意義。

目前主流的大棚噴灌設(shè)備：固定式噴灌系統(tǒng)出水量大，重疊區(qū)域大，水資源利用率低，固定的管道對(duì)田間其他機(jī)械有妨礙，耕種作業(yè)時(shí)易損壞管道，同時(shí)投資高，平均每畝花費(fèi)在1000元左右；移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)大多采用多個(gè)噴頭同時(shí)噴灑整片作物區(qū)的方式，導(dǎo)致重疊區(qū)域增大，增加了非作物區(qū)的噴灑；微噴灌系統(tǒng)同樣采用多噴頭噴灌，出水為霧狀，需增加噴灑時(shí)間或噴灑次數(shù)以保證植物獲得足夠的水量，澆灌時(shí)重疊區(qū)域大，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重?；诖耍覀兲岢隽艘环N移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)：（1）根據(jù)實(shí)際土壤溫濕度，按需噴灌，減少水資源浪費(fèi)；（2）單噴頭移動(dòng)式全方位噴灌，噴灑均勻，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確噴灌，提高水利用率；（3）采用水肥一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)水肥精量化，同時(shí)減少噴灑肥料用量和噴灑次數(shù)，改善生態(tài)環(huán)境。

以1：4的比例將整體裝置縮小模型如圖1所示。實(shí)際導(dǎo)軌高度為1.6m，噴頭距離地面的高度H及噴頭出水角度θ可調(diào)，從而控制其出水范圍以滿足常見的作物區(qū)寬度D，符合實(shí)際噴灌作業(yè)的壟寬要求，實(shí)現(xiàn)精確噴灌，提高水資源的利用。圖2為噴灌出水范圍的示意圖。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由噴灌模塊、傳動(dòng)模塊和水肥混合模塊三部分組成。步進(jìn)電機(jī)2和步進(jìn)電機(jī)3同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過錐齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向小車前行，完成單道噴灌，控制噴灌小車的運(yùn)動(dòng)速度v1以調(diào)節(jié)噴灑量；步進(jìn)電機(jī)1主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過同步帶帶動(dòng)噴灑小車實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成多道作物區(qū)的噴灌；控制步進(jìn)電機(jī)1的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以適應(yīng)不同的壟間距；依據(jù)作物區(qū)的不同壟寬，調(diào)整噴頭角度及高度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確噴灌；利用文丘里施肥器連接進(jìn)水管道，實(shí)現(xiàn)水肥一體化。同時(shí)，通過溫濕度傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由信號(hào)控制系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)智能按需噴灌。

3.1 噴灌模塊

圖1 實(shí)物模型圖

圖2 噴灌出水范圍示意圖

（1）噴頭移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：連接桿連接噴頭與車體，車體內(nèi)夾持板與同步帶上側(cè)固定，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴頭隨之在上方導(dǎo)軌上往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單軌道的噴灌，避免非作物區(qū)的噴灌。

（2）可伸縮噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：考慮到不同植物澆灌時(shí)力度、占地面積的不同，采取兩種方案來(lái)調(diào)節(jié)噴頭出水范圍，從而適應(yīng)不同的作業(yè)區(qū)：通過旋轉(zhuǎn)噴頭的角度，其出水錐度可調(diào)范圍為0°到90°；設(shè)計(jì)長(zhǎng)度可調(diào)的噴頭連接桿，由蝶形螺釘鎖緊定位，使其可調(diào)范圍為0—20cm，實(shí)現(xiàn)噴頭距離地面高度調(diào)節(jié)范圍為60cm—80cm進(jìn)而保證其能適應(yīng)0cm—160cm的壟地寬度，滿足現(xiàn)有實(shí)際大棚中作物區(qū)的寬度。

3.2 傳動(dòng)模塊

縱向移動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)2、步進(jìn)電機(jī)3同時(shí)帶動(dòng)兩側(cè)的錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)小車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并保證兩側(cè)小車的同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單道壟地的噴灑；橫向移動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使同步帶平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，為噴頭小車提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)多道壟地的切換。從而減少噴頭的使用數(shù)量和管道布置的復(fù)雜程度，節(jié)約成本。

3.3 水肥混合模塊

采用文丘里施肥器實(shí)現(xiàn)水與肥料的混合噴灌，根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)節(jié)噴灌時(shí)的水肥比例，改變傳統(tǒng)澆灌時(shí)澆水與施肥分開作業(yè)的方式。

4 控制模塊設(shè)計(jì)

4.1 整體方案設(shè)計(jì)

采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，設(shè)定連續(xù)噴灌及間歇噴灌兩種噴灌模式，實(shí)現(xiàn)大棚的自動(dòng)灌溉，并采用溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，低于設(shè)定的濕度值時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行噴灌。

4.2 監(jiān)測(cè)模塊

溫濕度傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中的溫濕度值，通過信號(hào)處理電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)由單片機(jī)與預(yù)設(shè)的濕度值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)定的濕度低于設(shè)定濕度，系統(tǒng)開始工作，從而實(shí)現(xiàn)按需噴灌。

4.3 鍵盤及顯示模塊

用戶進(jìn)入界面可通過鍵盤選擇噴灌模式，采用12864液晶屏對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)予以顯示；同時(shí)可設(shè)定濕度下限值、壟地總量及移動(dòng)距離，以滿足不同作物的生長(zhǎng)需求及作物區(qū)的要求。

4.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用3個(gè)57GYGH206步進(jìn)電機(jī)及其配套驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸入，并通過單片機(jī)編程控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)小車在橫縱兩個(gè)方向上的精確移動(dòng)，完成對(duì)作物區(qū)的精確噴灌。

5 結(jié)語(yǔ)

該作品主要運(yùn)用機(jī)電一體化、水肥一體化等技術(shù)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出該作品噴灌效果良好，節(jié)能減排效益顯著。并應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)，能適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境，操作、拆卸方便，擴(kuò)大了推廣范圍。

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