王 東,楊 杰,高 強(qiáng)

(1.重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,重慶 408000; 2.重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人工智能學(xué)院,重慶 408000)

0 引言

反季作物備受人們喜愛,但傳統(tǒng)種植方式無法滿足要求,而溫室大棚能創(chuàng)造出適合作物生長的最佳環(huán)境,且不受季節(jié)、地域限制,有利于提高作物產(chǎn)量。近年來使用溫室大棚種植反季花卉、蔬菜等越來越多,因此對溫室大棚的需求也越來越大,對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起到了非常重要的作用[1]。溫室大棚是利用保溫材料將某一空間密封形成封閉空間實(shí)現(xiàn)內(nèi)外隔離的生產(chǎn)環(huán)境,通過技術(shù)手段調(diào)控內(nèi)部溫濕度等環(huán)境參數(shù)保證作物最佳生長環(huán)境,而結(jié)構(gòu)、調(diào)控方式直接決定了溫室大棚的建設(shè)成本、使用成本、使用壽命及使用效果[2-3]。因此,設(shè)計(jì)合理的溫室大棚物理結(jié)構(gòu)顯得非常重要。針對此問題,提出一種基于可擴(kuò)展遮陽棚結(jié)構(gòu)的復(fù)合溫室大棚,可根據(jù)大棚面積進(jìn)行擴(kuò)展建設(shè),降低大棚制造難度和成本,同時(shí)利用濕簾和風(fēng)機(jī)能快速調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù),滿足作物生長的需要。

1 溫室大棚總體方案設(shè)計(jì)

溫室大棚需要調(diào)節(jié)的環(huán)境參數(shù)主要有溫度、濕度、光照等,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試,溫室大棚內(nèi)濕度會隨著溫度升高而變化,春夏秋光照對溫度的影響極大,而冬天主要利用溫室大棚的保溫功能配合暖風(fēng)機(jī)對溫室進(jìn)行升溫[4]。因此,總體設(shè)計(jì)方案是利用有機(jī)材料制造溫室大棚,頂面加裝遮陽棚對室內(nèi)光照進(jìn)行調(diào)節(jié),使用暖風(fēng)機(jī)、濕簾和風(fēng)機(jī)對室內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié),配合基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守[5]。其整體示意如圖1所示。

1.風(fēng)機(jī);2.可伸縮遮陽棚;3.濕簾;4.水泵;5.水池圖1 溫室大棚總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 溫室大棚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體方案,溫室大棚內(nèi)部溫度、濕度、光照的調(diào)控主要采用復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn),即使用強(qiáng)制通風(fēng)、水簾蒸發(fā)吸熱和遮陽棚遮光等手段進(jìn)行組合的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)控,能夠根據(jù)當(dāng)前的天氣情況選擇部分或全部的調(diào)控手段對其進(jìn)行調(diào)控,以達(dá)到更優(yōu)控制。為了提高溫室大棚的生產(chǎn)效益,其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)具備容易生產(chǎn)、使用成本低、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。

2.1 溫室大棚溫濕度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室大棚內(nèi)的溫濕度需要根據(jù)當(dāng)前的氣候進(jìn)行調(diào)節(jié),在夏季氣溫較高時(shí)要降溫,在冬季溫度較低時(shí)需要增加大棚內(nèi)的溫度。常用的夏季降溫手段一般采用濕簾配合風(fēng)機(jī)、遮陽系統(tǒng)遮陽的方式進(jìn)行,為了能夠更好地降溫,郭江濤[6]研究了干幕墻對溫室大棚內(nèi)環(huán)境的影響,在濕簾的前方加一級干幕簾能使?jié)窈煹慕禍匦阅茱@著提高,但成本會隨之增加。為了控制成本,直接使用濕簾配合風(fēng)機(jī)和遮陽棚遮陽的方式實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)的溫度和濕度控制。

從圖1可知,右側(cè)的濕簾開啟時(shí),將有常溫的水從上方向下流,利用濕簾增加水的表面積,而左側(cè)的風(fēng)機(jī)向外排風(fēng),降低了內(nèi)部的空氣壓力,強(qiáng)制右側(cè)室外空氣從濕簾的孔洞中流向室內(nèi),從而加速濕簾上水的蒸發(fā),達(dá)到降低內(nèi)部空氣溫度和增加內(nèi)部濕度的目的。

為了減少外部的昆蟲、細(xì)小的落葉等異物進(jìn)入濕簾的孔洞,造成堵塞,在濕簾的外部覆蓋一層紗網(wǎng)進(jìn)行保護(hù),同時(shí)還在外面再增加一層薄膜進(jìn)行密封,減少在不使用時(shí)灰塵等進(jìn)入。在使用濕簾時(shí),該薄膜能夠自動打開,以便外部空氣能夠進(jìn)入溫室內(nèi)部,而在停止使用時(shí),能自動關(guān)閉。薄膜窗開啟和關(guān)閉的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

其工作原理是:當(dāng)需要開啟濕簾時(shí),打開薄膜窗,以便外界空氣能夠進(jìn)入到溫室內(nèi),此時(shí)只需要啟動電動卷膜器電機(jī)正轉(zhuǎn),驅(qū)動卷軸轉(zhuǎn)動,由于薄膜上方固定在濕簾的邊緣,下方固定在卷軸上,此時(shí)卷軸旋轉(zhuǎn),將薄膜纏繞在卷軸上,將會帶動卷軸向上移動。為了防止驅(qū)動電機(jī)和卷軸左右運(yùn)動設(shè)置了導(dǎo)向軸,實(shí)現(xiàn)了卷軸旋轉(zhuǎn)在收起薄膜時(shí)自動沿導(dǎo)向軸向上運(yùn)動。如果要關(guān)閉薄膜窗,則只需要電動卷膜器向相反的方向運(yùn)動,卷軸在自重的作用下會向下運(yùn)動,從而將薄膜窗關(guān)閉。

1.電動卷膜器電機(jī);2.導(dǎo)向軸;3.濕簾界限;4.薄膜;5.濕簾;6.卷軸圖2 薄膜窗開閉原理圖

大棚內(nèi)溫度的提升由熱風(fēng)機(jī)提供熱量,在冬季,環(huán)境溫度較低時(shí),啟動熱風(fēng)機(jī),當(dāng)溫度高于環(huán)境溫度一定值或風(fēng)機(jī)內(nèi)部保護(hù)溫度時(shí),停止熱風(fēng)機(jī)加熱。

控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、濕簾水泵的啟動和停止、遮陽棚的開啟和關(guān)閉,即可達(dá)到內(nèi)部溫濕度的調(diào)節(jié),配合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和相應(yīng)的專家系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度的自動調(diào)節(jié)。

2.2 溫室大棚可擴(kuò)展遮陽棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)在夏季光照強(qiáng)烈時(shí),能夠利用打開(展開)遮陽棚對強(qiáng)光進(jìn)行適當(dāng)遮擋,配合風(fēng)機(jī)和濕簾快速調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度和濕度;而在秋冬季光照較弱時(shí),關(guān)閉(收攏)遮陽棚,提高室內(nèi)的光照強(qiáng)度,從而更快實(shí)現(xiàn)升溫。因此,在溫室大棚頂部設(shè)計(jì)的遮陽棚需要具備打開和關(guān)閉功能,在需要降低光照強(qiáng)度時(shí)打開,遮擋強(qiáng)烈的陽光,而在冬季,需要陽光時(shí),完全關(guān)閉,讓盡可能多的陽光射入大棚內(nèi)。

由于溫室大棚的面積較大,不可能使用整個(gè)遮陽棚來遮擋大棚內(nèi)的光線,需要將大棚分割成多塊,但由此將會給制造和控制帶來不便,因此需要設(shè)計(jì)一套方便生產(chǎn)制造和控制的遮陽棚結(jié)構(gòu)。

遮擋系統(tǒng)采用伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3a所示,遮陽棚被劃分成多個(gè)寬度相同的區(qū)域,遮陽布一端被固定在支架上,另一端固定在牽引桿上,當(dāng)牽引桿左右移動時(shí),能夠控制遮陽布伸縮,實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉遮陽棚的功能。牽引桿的運(yùn)動由下方的牽引軸驅(qū)動,齒條和牽引軸固定在一起,因此,當(dāng)齒條被齒輪驅(qū)動左右移動時(shí),牽引軸也會因此而左右移動,從而帶動遮陽布的開啟和關(guān)閉。

如圖3b所示,每一根牽引軸上均有一套齒輪齒條機(jī)構(gòu),由于齒輪軸實(shí)際只是一根光軸,因此只需要通過增加齒輪軸的長度,在齒條位置安裝對應(yīng)的傳動齒輪就可以向前后兩個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展,該結(jié)構(gòu)僅需一套蝸輪蝸桿減速箱驅(qū)動器作為動力部分驅(qū)動齒輪軸旋轉(zhuǎn)即可。同理,由于牽引軸每根也可以向左右進(jìn)行延伸,因此遮陽棚的左右寬度也可以進(jìn)行擴(kuò)展,需要將總的長度做成每一個(gè)遮陽棚區(qū)域尺寸的整數(shù)倍,但是應(yīng)著重考慮驅(qū)動系統(tǒng)的功率和設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。

為提高牽引軸、牽引桿的運(yùn)動靈活性,在支架上方設(shè)計(jì)一套滾輪支撐結(jié)構(gòu),讓牽引軸能夠在滾輪上進(jìn)行滾動,降低運(yùn)動時(shí)的摩擦阻力,提高運(yùn)動靈活性,同時(shí)降低噪聲。為保證牽引桿運(yùn)動到極限位置能夠自動停止,避免機(jī)件的損壞,在其中一個(gè)牽引桿的兩個(gè)極限位置安裝行程開關(guān),運(yùn)動到位后能夠自動斷開驅(qū)動電機(jī)的電源,從而自動停止,又能夠保證控制系統(tǒng)能控制其向相反的方向運(yùn)動。

1.支架;2.遮陽布;3.牽引桿;4.齒條;5.齒輪;6.牽引軸;7.齒輪軸;8.減速箱驅(qū)動器圖3 遮陽棚結(jié)構(gòu)示意圖

3 溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了降低管理人員的工作強(qiáng)度,為溫室大棚設(shè)計(jì)了基于遠(yuǎn)距離無線電的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),能對溫室大棚的溫度、濕度、光照和土壤濕度等進(jìn)行監(jiān)測,并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器供管理人員查看。李明等[7]用ZigBee和RS485傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境等的監(jiān)測,向鵬俊[8]用WIFI結(jié)合Onenet實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)儲存。但是ZigBee和WIFI都存在傳輸距離短的問題,因此本項(xiàng)目的監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)配合溫濕度傳感器、光照傳感器等對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集,然后選擇了具有超強(qiáng)抗干擾的遠(yuǎn)距離無線電(LoRa)技術(shù),利用時(shí)分多址和競爭訪問相結(jié)合的方式傳輸?shù)街行幕?并由中心基站通過WIFI將數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到遠(yuǎn)程MQTT服務(wù)器[9-12],并存儲到數(shù)據(jù)庫供用戶進(jìn)行查詢,其架構(gòu)如圖4所示。

為了方便采集模塊的布署,采集模塊采用電池供電,因此必須降低系統(tǒng)的功耗。數(shù)據(jù)采集模塊每隔10 min采集一次數(shù)據(jù),并通過無線上傳到網(wǎng)關(guān),其余時(shí)間休眠以降低系統(tǒng)功耗和利于其電池供電。其實(shí)際布署如圖5所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖5 采集模塊部署圖

4 實(shí)例測試

4.1 溫室大棚機(jī)械結(jié)構(gòu)測試實(shí)例

根據(jù)本設(shè)計(jì)方案制作的溫室大棚測試實(shí)例按照圖3俯視布局,以機(jī)械制圖的方位為準(zhǔn),前后分為3個(gè)區(qū)域,左右分為5個(gè)區(qū)域,共計(jì)15個(gè)區(qū)域的遮陽棚。根據(jù)結(jié)構(gòu)原理可知,結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的元件以桿狀零件(實(shí)際為金屬水管和型材制作)為主,強(qiáng)度和剛性較低,能夠承受的扭矩有限,而遮陽棚的面積很大,運(yùn)動阻力較大,因此,在設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)時(shí),需要考慮各零件所承受的扭矩。同時(shí),由于遮陽棚中主要的運(yùn)動是牽引軸的軸向運(yùn)動和牽引桿的橫向運(yùn)動,為了避免遮陽布在運(yùn)動過程中被撕裂,以及在運(yùn)動過程中齒輪軸由于長度較長,各牽引軸因制造、安裝精度誤差引起驅(qū)動阻力不均而造成該軸的扭轉(zhuǎn)彈性變形增大,牽引軸的運(yùn)動速度應(yīng)盡量慢,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)速度為1 m·min-1,經(jīng)計(jì)算,選擇0.55 kW的電機(jī)即可滿足要求,實(shí)際溫室大棚如圖6所示。

經(jīng)實(shí)際測試,溫室大棚結(jié)構(gòu)遮陽棚運(yùn)行平穩(wěn)、順暢,達(dá)到了預(yù)期目的。

圖6 遮陽棚實(shí)物圖

4.2 溫室大棚溫濕度調(diào)節(jié)測試

本測試的主要目的是考察溫室大棚內(nèi)部的溫濕度調(diào)節(jié)能力,主要測試為:當(dāng)溫室大棚內(nèi)溫度較低時(shí),開啟暖風(fēng)機(jī)溫室內(nèi)的溫度變化情況和當(dāng)溫室大棚因日光照射溫度升高時(shí),開啟濕簾和遮陽棚等,檢測溫室大棚內(nèi)溫濕度的變化速度。

4.2.1 升溫情況測試

冬季氣溫較低時(shí)啟動熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行室內(nèi)增溫,室內(nèi)溫度高于室外5 ℃或熱風(fēng)機(jī)內(nèi)溫度到達(dá)45 ℃時(shí)停止。通過監(jiān)測,溫室內(nèi)外的溫濕度如圖7所示。

圖7 溫室大棚內(nèi)、外環(huán)境溫濕度監(jiān)測圖

從圖7可以看出,光照強(qiáng)度較高時(shí),溫室內(nèi)溫度能夠迅速上升,同時(shí)濕度也隨溫度的上升而下降,因此,當(dāng)冬季需要快速升溫時(shí),應(yīng)全部關(guān)閉(收攏)遮陽棚,讓更過多光照進(jìn)入溫室大棚。而夏季需要防止因光照太強(qiáng),導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高過快,可提前開啟(展開)遮陽棚,同時(shí)開啟水簾和風(fēng)機(jī),使內(nèi)部溫度保持在設(shè)定的目標(biāo)值。

根據(jù)圖7繪制出溫室內(nèi)和溫室外的最低溫度及溫差對比如圖8所示。

圖8 溫室內(nèi)外監(jiān)測點(diǎn)最低溫度對比圖

從圖8中可以看出,室內(nèi)的最低氣溫比室外一般會高3～5 ℃。說明內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對大棚內(nèi)溫度的提升。

4.2.2 降溫調(diào)節(jié)情況測試

由于測試時(shí)處于春季(2月21日),環(huán)境溫度不高,為了模擬夏季高溫天氣時(shí)迅速降低大棚內(nèi)的溫度,選擇天氣晴朗的正午,當(dāng)大棚內(nèi)的溫度急劇上升時(shí),完全開啟(展開)遮陽棚,開啟濕簾,風(fēng)機(jī)設(shè)置到最大速度,模擬降低室內(nèi)溫度。具體測試數(shù)據(jù)如表1和圖9所示。在正午12:00,室外氣溫18 ℃,室內(nèi)花盆旁溫度為23 ℃,離地約3 m的支架旁溫度為32 ℃,濕度為44%,此時(shí)開啟濕簾、風(fēng)機(jī)(設(shè)置到最大轉(zhuǎn)速)、遮陽棚。通過查看溫濕度曲線,經(jīng)過1.5 h后,花盆旁溫度下降至15 ℃,降低了8 ℃,低于同期的室外溫度19 ℃,比外部溫度降溫約4 ℃,而支架旁的溫度急劇下降至19 ℃,濕度增高到90%,光照數(shù)值快速下降。由此可見，本方案對調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度及光照等有效。

表1 溫濕度測試對比表

5 結(jié)語

利用可擴(kuò)展思想設(shè)計(jì)溫室大棚結(jié)構(gòu),配合濕簾和風(fēng)機(jī)組成的復(fù)合溫室大棚具有以下特點(diǎn):

1)利用遮陽棚對溫室大棚的光照進(jìn)行遮擋,配合濕簾和風(fēng)機(jī),能夠有效降低溫室內(nèi)的溫濕度,測試條件下對比室外降低4 ℃,濕度快速提升至90%,而利用熱風(fēng)機(jī)在冬天能實(shí)現(xiàn)對溫室大棚進(jìn)行增溫3～5 ℃;

2)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展遮陽棚,結(jié)構(gòu)簡單,擴(kuò)展容易,能有效降低控制難度,有利于溫室大棚的推廣,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。