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        一種溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置的設(shè)計

        2020-04-18 06:17:40李瑜玲楊英茹高欣娜李海杰
        湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:蝸桿溫濕度濕度

        黃 媛,李瑜玲,楊英茹,武 猛,高欣娜,李海杰

        (石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院,石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,河北 石家莊 050041)

        我國是蔬菜種植大國,蔬菜種植面積、產(chǎn)量和產(chǎn)值近些年一直穩(wěn)步增加。2017 年我國設(shè)施蔬菜面積達(dá)到333 萬hm2,預(yù)計2017—2021 年平均復(fù)合增長率1.25%,2021 年將達(dá)到413 萬hm2?,F(xiàn)階段種植蔬菜的溫室棚以大中塑料拱棚、小拱棚、網(wǎng)棚為主,以日光溫室和鋼骨架玻璃連棟智能溫室為輔。然而,蔬菜生產(chǎn)設(shè)施的簡易化不僅降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中抵御風(fēng)險的能力,同時也不符合未來蔬菜種植工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化及品牌化的趨勢?!笆濉比珖r(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃要求“推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)信息技術(shù)深化應(yīng)用,在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大力推廣溫室環(huán)境監(jiān)測、智能控制技術(shù)和裝備,重點加快水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的普及應(yīng)用”。由此可見,大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必經(jīng)之路,也是我國“十三五”期間農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃的重要任務(wù)目標(biāo)[1-2]。

        空氣溫濕度對作物生長的重要意義不言而喻,它既可以影響作物的光合、呼吸、蒸騰等生理作用,也可以影響有機(jī)物的合成和運(yùn)輸?shù)却x過程,還可以通過土溫土濕直接影響水肥的吸收和輸導(dǎo),同時與作物病蟲害的發(fā)生也有著密切聯(lián)系。因此,密切監(jiān)測設(shè)施環(huán)境空氣溫濕度是實現(xiàn)設(shè)施蔬菜智能化生產(chǎn)的重要前提。大力發(fā)展溫室環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和裝備是加快設(shè)施蔬菜生產(chǎn)智能化進(jìn)程的重要組成部分,只有掌握了實時溫室大棚生產(chǎn)環(huán)境的變化和走勢,才能及時地根據(jù)作物生長階段進(jìn)行生產(chǎn)操作和管理,為智能化生產(chǎn)提供前提條件。

        空氣溫濕度監(jiān)測設(shè)備大多采用溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,設(shè)備將溫濕度傳感器集成并吊裝在百葉窗形狀的防護(hù)箱內(nèi),使用時將監(jiān)測設(shè)備懸置在溫室內(nèi)。但是現(xiàn)有大多監(jiān)測設(shè)備采取的是傘裙式設(shè)置,且防護(hù)箱體積較小,加之沒有遮光設(shè)計,因此使用時防護(hù)箱受到太陽直射,內(nèi)部升溫快且不易散熱的情況較常見。同時,由于目前在應(yīng)用過程中對吊裝位置沒有科學(xué)統(tǒng)一的指導(dǎo)或規(guī)定,而日光溫室內(nèi)溫濕度存在分布不均的情況,如果溫、濕度傳感器安裝在一個固定位置上,就不能根據(jù)作物高度及時測定近作物周圍的空氣狀況,難以準(zhǔn)確地反映影響植株生長的空氣溫濕度。

        1 溫室大棚溫濕度監(jiān)測裝置的設(shè)計思路

        1.1 設(shè)計思路

        該研究設(shè)計一種溫室大棚溫濕度監(jiān)測設(shè)備,設(shè)備通過升降裝置安裝在溫室大棚的棚頂龍骨上,可根據(jù)要求調(diào)節(jié)設(shè)備懸掛的高度,溫濕度傳感器防護(hù)箱為豎向百葉窗,其內(nèi)部空氣流通、不易集聚,同時設(shè)計遮光傘避免太陽直射對空氣溫濕度傳感器的影響,保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

        1.2 工作原理

        該研究設(shè)計的溫室大棚溫濕度監(jiān)測設(shè)備主要包括升降裝置及監(jiān)測裝置。升降裝置包括升降箱體、卷揚(yáng)軸、卷揚(yáng)繩、中心轉(zhuǎn)軸、渦輪、蝸桿及驅(qū)動電機(jī)。升降裝置將監(jiān)測裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上,蝸桿在電機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn),從而帶動渦輪旋轉(zhuǎn),進(jìn)一步卷揚(yáng)軸轉(zhuǎn)動,實時調(diào)節(jié)監(jiān)測裝置的高度;監(jiān)測裝置包括防護(hù)箱及空氣溫濕度傳感器,防護(hù)箱頂端與升降裝置的卷揚(yáng)繩連接,防護(hù)箱頂端與底座之間設(shè)置若干個豎向的百葉窗葉片,溫度傳感器和濕度傳感器通過卡座固定安裝在防護(hù)箱的底座上;另外,監(jiān)測裝置頂端通過支撐桿設(shè)置有遮光傘。通過升降裝置和監(jiān)測裝置的配合,操作人員可根據(jù)不同作物及其不同生長階段自由調(diào)整設(shè)備的位置,收集能夠準(zhǔn)確反映植株生長環(huán)境的空氣溫濕度數(shù)據(jù),從而更好地指導(dǎo)科學(xué)研究或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

        2 溫室大棚溫濕度監(jiān)測裝置的系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 溫室大棚溫濕度調(diào)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        圖1 為溫室大棚溫濕度調(diào)控系統(tǒng),包括空氣溫濕度監(jiān)測裝置、中央處理器、空氣溫度調(diào)節(jié)器和空氣濕度調(diào)節(jié)器??諝鉁貪穸缺O(jiān)測裝置、空氣溫度調(diào)節(jié)器及空氣濕度調(diào)節(jié)器分別與中央處理器進(jìn)行電連接,空氣溫濕度監(jiān)測裝置將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給中央處理器,中央處理器根據(jù)提前編程的監(jiān)測模型分別對空氣溫度調(diào)節(jié)器和空氣濕度調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號,控制二者的啟停[3-4]。

        2.2 溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

        如圖2 所示,空氣溫濕度監(jiān)測裝置包括升降裝置及與升降裝置連接的監(jiān)測裝置。(1)升降裝置:包括升降箱體及設(shè)置在升降箱體內(nèi)的卷揚(yáng)軸、卷揚(yáng)繩、中心轉(zhuǎn)軸、渦輪、蝸桿和驅(qū)動電機(jī)。升降箱體頂端通過掛鉤懸掛在棚頂鋼骨架上,并通過緊固螺栓固定;中心轉(zhuǎn)軸兩端均通過軸承固定安裝在升降箱體兩側(cè)壁上,卷揚(yáng)軸和渦輪均套裝在中心轉(zhuǎn)軸兩端,且渦輪和卷揚(yáng)軸均與中心轉(zhuǎn)軸相對固定,蝸桿與渦輪相嚙合(圖3),驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動;卷揚(yáng)軸上設(shè)置卷揚(yáng)繩,卷揚(yáng)繩的一端與監(jiān)測裝置連接,驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動,蝸桿轉(zhuǎn)動帶動渦輪轉(zhuǎn)動,同時中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,最終帶動卷揚(yáng)軸轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)監(jiān)測裝置垂直方向上的升降。(2)監(jiān)測裝置:包括防護(hù)箱和空氣溫濕度傳感器。防護(hù)箱頂端通過支撐桿設(shè)置有遮光傘,遮光傘頂端通過連接吊環(huán)與卷揚(yáng)繩連接;遮光傘為雙層結(jié)構(gòu),兩層結(jié)構(gòu)之間通過支撐骨架連接;遮光傘上層外表面涂布有鋁制反射膜,將棚內(nèi)照射進(jìn)來的陽光反射出去,防止陽光直射防護(hù)箱;防護(hù)箱頂端與底座之間設(shè)置若干個豎向的百葉窗葉片,所有百葉窗葉片的中心點形成一個圓,每個百葉窗葉片中心點和圓心連成的半徑,與百葉窗葉片水平方向的中心軸的夾角為α(圖4),方便防護(hù)箱內(nèi)空氣流通;空氣溫濕度傳感器通過卡座固定在防護(hù)箱底座上,監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號輸出給中央處理器[5-6]。

        2.3 溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測驅(qū)動電機(jī)設(shè)計

        利用驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)卷揚(yáng)繩的升降,如圖5 所示,驅(qū)動電路中,采用驅(qū)動芯片IC1控制,驅(qū)動芯片的輸出端口OUT1和OUT2分別并接在驅(qū)動電機(jī)M 的兩端,驅(qū)動微調(diào)芯片IC1的輸入端口INT1和INT2分別連接正轉(zhuǎn)按鈕ZA 和反轉(zhuǎn)按鈕FA,正轉(zhuǎn)按鈕ZA 和反轉(zhuǎn)按鈕FA 的另一端經(jīng)提拉電阻R 連接在電源正極上。當(dāng)需要下調(diào)監(jiān)測裝置時,點按正轉(zhuǎn)按鈕ZA,則驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn),卷揚(yáng)繩下降,下降到所需位置時,松開正轉(zhuǎn)按鈕;當(dāng)需要上調(diào)監(jiān)測裝置時,點按反轉(zhuǎn)按鈕FA,驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn),卷揚(yáng)繩上升,上升至所需位置時,松開反轉(zhuǎn)按鈕,驅(qū)動電機(jī)停止工作,渦輪蝸桿自鎖,監(jiān)測裝置固定在所需位置;驅(qū)動芯片IC1為MC33886 芯片[7-9]。

        3 溫室大棚溫濕度監(jiān)測裝置的測試

        3.1 試驗地點

        該監(jiān)測裝置的性能試驗選擇在石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院趙縣實驗基地5 號溫室內(nèi)進(jìn)行,5 號溫室東西長90 m,南北跨度為8 m,內(nèi)部種植面積約為667 m2,北后墻為磚結(jié)構(gòu),南采光面為鋼支撐架構(gòu),外覆塑料薄膜,有上下兩個通風(fēng)口,外有保溫用棉被。性能試驗于2018 年8 月25—31 日越冬茬番茄苗定植后的一周內(nèi)進(jìn)行,期間溫室外溫度較高,棚內(nèi)澆了定植水,濕度較大,為保證平穩(wěn)度過緩苗期,這一階段應(yīng)加強(qiáng)溫室內(nèi)溫濕度管理,避免溫濕度過高造成死苗或引發(fā)莖基腐病。

        3.2 試驗方法

        由于試驗期間為番茄病毒病高發(fā)時段,煙草花葉病毒(TMV)、黃瓜花葉病毒(CMV)、馬鈴薯X 病毒(PVX)等能夠引起番茄發(fā)病的常見病毒可在高溫低濕環(huán)境迅速增殖,因此該試驗設(shè)定5 個傳感器每半小時采集1 次空氣溫濕度數(shù)據(jù),選取每天的最高溫度和最低濕度為有效值,通過整理計算可得每天大棚內(nèi)最高溫度和最低濕度的平均值。在番茄病毒病預(yù)警監(jiān)測中一般采用取自棚內(nèi)不同位置所測平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)警,通常認(rèn)為棚內(nèi)所設(shè)傳感器數(shù)量越多,所得平均值越具實際意義。

        選購一批北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心研制的便攜式氣象站設(shè)備,以其中的空氣溫濕度傳感器集成該研究設(shè)計的溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測設(shè)備,懸于5 號溫室種植區(qū)域的正中間,將其編號為1。另外選擇4 臺便攜式氣象站懸掛在溫室不同位置的不同高度,分別編號為2、3、4、5,其具體工作位置見表1。傳感器的 量程、精度都一致。溫度量程為-10~70 ℃,濕度量程為5%~99%RH;溫度精度為±0.5 ℃,濕度精度為±3%。

        表1 各傳感器的位置

        3.3 結(jié)果與分析

        由圖6、圖7 可知,1 號設(shè)備的空氣溫度、濕度數(shù)值與平均值更為接近,1 號設(shè)備的測量數(shù)據(jù)受安裝位置及太陽直射等因素影響最小,據(jù)此進(jìn)行科研試驗或農(nóng)事管理更為準(zhǔn)確。

        4 結(jié) 論

        該研究設(shè)計的空氣溫濕度監(jiān)測裝置與傳統(tǒng)空氣溫濕度傳感器監(jiān)測設(shè)備相比,其特點在于通過升降裝置將溫濕度監(jiān)測裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上,可根據(jù)作物高度隨時調(diào)整監(jiān)測位置;空氣溫濕度傳感器安裝在防護(hù)箱內(nèi),防護(hù)箱頂端為環(huán)形透氣柵,側(cè)壁為豎直方向的百葉窗,方便空氣流通,可以避免上升的熱空氣在防護(hù)箱內(nèi)滯留不散;同時,防護(hù)箱頂端設(shè)置雙層遮光傘,防止陽光直曬防護(hù)箱,使空氣溫濕度傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映植株真實的生長環(huán)境。該研究為今后設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化調(diào)控、智能化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。

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