靳華偉 袁鵬林 孔明亮 徐義坤 鄢必啟

沈陽化工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142

0 引言

近年來，極端天氣頻繁發(fā)生，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在這種情況下，大棚種植作為一種先進的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，已經(jīng)成為許多國家提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要手段。卷簾是農(nóng)業(yè)大棚的重要組成部分。卷簾的調(diào)控可以直接影響大棚內(nèi)部的溫度、濕度、光照等，從而影響作物的生長，最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。但目前農(nóng)業(yè)大棚卷簾的調(diào)控系統(tǒng)仍然存在很大不足，傳統(tǒng)的人工調(diào)控方式已經(jīng)無法滿足實際生產(chǎn)需求，而且存在工作量大、精度不高、成本高等問題［1-2］。基于此，筆者開發(fā)設(shè)計一種基于光電感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控的農(nóng)業(yè)大棚智能卷簾裝置，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

1 基于光電感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控的農(nóng)業(yè)大棚智能卷簾裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

筆者開發(fā)設(shè)計的農(nóng)業(yè)大棚智能卷簾裝置主要包括太陽能供電系統(tǒng)、光電感應(yīng)模塊、溫度傳感模塊、電氣控制模塊、卷簾機械機構(gòu)等5個部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能卷簾裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置利用光電感應(yīng)模塊和溫度傳感模塊檢測大棚內(nèi)部的光照和溫度，利用太陽能供電系統(tǒng)進行自供電。其通過電氣控制模塊實現(xiàn)卷簾的自動收放和遠程控制，不僅可以根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)控卷簾以保持大棚內(nèi)適宜的溫濕度和光照強度，還可以降低能源消耗、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量、減少光污染等。

當(dāng)裝置啟動時，太陽能供電系統(tǒng)向蓄電池充電，并為其他模塊提供穩(wěn)定的直流電源；光電感應(yīng)模塊和溫度傳感模塊分別根據(jù)外界光照強度和溫度變化產(chǎn)生相應(yīng)信號，并輸送給電氣控制模塊；電氣控制模塊根據(jù)光電感應(yīng)模塊和溫度傳感模塊輸出信號及用戶設(shè)置參數(shù)進行邏輯判斷，通過驅(qū)動芯片控制繼電器通斷來驅(qū)動直流減速機轉(zhuǎn)動；卷簾機械機構(gòu)在直流減速機驅(qū)動下控制卷簾在導(dǎo)軌上滑行，使卷簾自動收起或放下。當(dāng)光照強度低于設(shè)定閾值時，卷簾自動收起，反之卷簾則自動放下；當(dāng)溫度低于設(shè)定閾值時，卷簾自動收起，反之卷簾自動放下。此外，用戶可以進行手動控制和參數(shù)設(shè)置，如開關(guān)、暫停、調(diào)節(jié)、查詢等。

2 基于光電感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控的農(nóng)業(yè)大棚智能卷簾裝置各模塊結(jié)構(gòu)與功能

2.1 太陽能供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能板、蓄電池、穩(wěn)壓器等裝置組成。太陽能板安裝在大棚頂部，并與蓄電池、穩(wěn)壓器等連接。太陽能板可將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，并將多余的電能儲存到蓄電池中，以便夜間或陰雨天使用。穩(wěn)壓器將蓄電池輸出的不穩(wěn)定直流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的5 V 或12 V，并分別為其他模塊提供適合的工作電壓。該系統(tǒng)可以根據(jù)不同地區(qū)和不同季節(jié)的光照條件進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并在停電或發(fā)生故障時提供備用電源，從而保證大棚自動化系統(tǒng)的正常運行。此外，太陽能供電系統(tǒng)具有運行成本低、環(huán)境污染小、可靠性強和靈活性強等優(yōu)點，不受地域和季節(jié)的限制，可以為大棚提供長期穩(wěn)定的能源，從而減少對傳統(tǒng)能源的依賴和消耗。

2.2 光電感應(yīng)模塊

光電感應(yīng)模塊主要由光敏二極管、比較器等裝置組成。光敏二極管是一種利用光電效應(yīng)原理產(chǎn)生電信號的元件，由兩個半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個PN 結(jié)。當(dāng)PN結(jié)兩端接上外部電路時，就會在PN 結(jié)附近產(chǎn)生一個內(nèi)建電場。當(dāng)光線照射到PN 結(jié)時，會在PN 結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生載流子，從而在外部電路中產(chǎn)生一個與光線強度成比例的光電流。光敏二極管可以實時監(jiān)測大棚內(nèi)部的光照強度變化，并將這些變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。這些電信號會被輸送到比較器中，與設(shè)定的光照強度閾值進行比較，然后輸出高低電平信號給電氣控制模塊。電氣控制模塊根據(jù)這些信號控制卷簾收起或放下，從而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部的光照強度，為作物提供適宜的生長環(huán)境。光敏二極管的特點是其對不同波長的光線有不同的響應(yīng)程度，因此可以根據(jù)需要選擇合適的光敏二極管來監(jiān)測不同強度和顏色的光線。比較器是一種能夠比較兩個輸入信號大小并輸出相應(yīng)結(jié)果的電路，通常由運算放大器構(gòu)成。比較器的作用是將光敏二極管輸出的電信號與設(shè)定的閾值進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高低電平信號。

2.3 溫度傳感模塊

溫度傳感模塊主要由溫敏元件、比較器等裝置組成。溫敏元件是一種隨著溫度變化而改變其物理或電學(xué)性質(zhì)的元件。溫敏元件可以實時監(jiān)測大棚內(nèi)部的溫度變化，并將這些變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。這些電信號會被輸送到比較器中，與設(shè)定的溫度閾值進行比較，然后輸出高低電平信號給電氣控制模塊。電氣控制模塊根據(jù)這些信號控制卷簾收起或放下，從而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部的溫度和濕度，為作物生長提供良好的環(huán)境條件。常見的溫敏元件有熱敏電阻、熱電偶等。熱敏電阻是一種隨著溫度變化而改變其電阻值的元件，可以用來監(jiān)測較低范圍和精度的溫度變化。熱電偶是一種由兩種不同金屬材料組成的閉合回路，可以用來監(jiān)測較高范圍和精度的溫度變化。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要選擇合適的溫敏元件來監(jiān)測不同范圍和精度的溫度變化。在溫度傳感模塊中，比較器的作用是將溫敏元件輸出的電信號與設(shè)定的閾值進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高低電平信號。

2.4 電氣控制模塊

電氣控制模塊包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、驅(qū)動芯片、繼電器等。PLC 是一種專用于工業(yè)控制的微型計算機，具有可編程、可擴展、可監(jiān)測等特點。PLC可以根據(jù)用戶編寫的程序執(zhí)行各種邏輯運算和控制指令，從而實現(xiàn)對各種設(shè)備和過程的自動控制。在此裝置中，PLC 可以根據(jù)光敏二極管和溫敏元件輸出信號及用戶設(shè)置參數(shù)進行邏輯判斷，并通過驅(qū)動芯片控制繼電器通斷來驅(qū)動卷簾機械機構(gòu)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)卷簾自動收起或放下［3］。驅(qū)動芯片是一種用于驅(qū)動繼電器或其他負(fù)載的集成電路，可以將PLC 輸出的低功率信號轉(zhuǎn)換為高功率信號，并提供過流、過壓、短路等保護功能。繼電器是一種用于實現(xiàn)電路開關(guān)或轉(zhuǎn)換的電控器件，其由線圈和觸點組成。當(dāng)線圈通電時，繼電器就會吸引觸點閉合或斷開，從而實現(xiàn)對負(fù)載的控制。

2.5 卷簾機械機構(gòu)

卷簾機械機構(gòu)包括直流減速機、鏈條輪、鋼絲繩等部件，需要安裝在大棚頂部的兩端。直流減速機是卷簾機械機構(gòu)的核心部件，在電氣控制模塊的控制下可正反轉(zhuǎn)動，帶動鏈條輪和鋼絲繩滑行，從而實現(xiàn)卷簾在導(dǎo)軌上的收放。直流減速機的特點是具有調(diào)速功能，且噪聲較小，可以通過調(diào)整電氣控制模塊中的參數(shù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。鏈條輪和鋼絲繩則起到傳遞動力的作用。此外，用戶可以通過遠程控制器或手機App 手動控制卷簾的收放，以滿足不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。

3 基于光電感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控的農(nóng)業(yè)大棚智能卷簾裝置應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 節(jié)能環(huán)保

該裝置采用太陽能光伏板供電，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，既節(jié)約了非可再生資源，又減少了溫室氣體排放和環(huán)境污染。同時，該裝置可以利用蓄電池儲存多余的電能，在沒有太陽光時仍然可以正常工作，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 可實現(xiàn)智能控制

該裝置可實時監(jiān)測大棚內(nèi)外部的光照強度和溫度變化，并自動控制卷簾的收放，實現(xiàn)大棚內(nèi)部光照和溫濕度的智能調(diào)節(jié)，為作物生長提供良好的環(huán)境條件。當(dāng)溫度過高或光照強度過強時，卷簾自動展開，能避免過熱和光照過強對作物造成傷害；在溫度過低或光照強度過弱時，卷簾自動關(guān)閉，以保持大棚內(nèi)部的溫度和濕度適宜，保證作物的正常生長。同時，該裝置可以通過手機App 或語音助手進行遠程控制和參數(shù)設(shè)置，提升了系統(tǒng)的智能化水平和用戶體驗。

3.3 結(jié)構(gòu)簡單輕便，易于安裝和維護

該裝置采用簡單可靠的卷簾機械機構(gòu)和直流減速機驅(qū)動方式，易于安裝在大棚頂部，并且運行平穩(wěn)、噪聲小、故障率低、維護方便。同時，卷簾采用雙層布料結(jié)構(gòu)（在卷簾布料上下兩層之間留有一定空隙，并在空隙中注入空氣或其他氣體，利用空氣層隔離熱傳導(dǎo)效應(yīng)，阻擋熱量的流動），有效降低了卷簾雙層布料之間的溫差，增加了卷簾的隔熱性能，并減輕了卷簾對大棚的壓力。

3.4 可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率

該裝置可以根據(jù)外界環(huán)境變化自動調(diào)控卷簾狀態(tài)，保持大棚內(nèi)部溫度和光照適宜，為農(nóng)作物的生長提供良好的環(huán)境條件。同時，該裝置可以根據(jù)不同作物的需求進行定制化設(shè)置，可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化管理水平，對于滿足日益增長的農(nóng)產(chǎn)品需求和提高農(nóng)民收入具有重要意義。

3.5 能降低運行成本

該裝置采用太陽能作為主要供電方式，無須外接電源，避免了電費等額外開支。同時，該裝置采用簡單耐用的卷簾機械機構(gòu)和直流減速機驅(qū)動方式，減少了運行維護成本，對于降低大棚生產(chǎn)投入和提高大棚生產(chǎn)效益具有重要意義。實踐證明，應(yīng)用該裝置可以節(jié)省30%～50%的能源投入和10%～20%的人工成本。

3.6 可擴展性強

該裝置采用模塊化設(shè)計思路，不同模塊之間通過簡單連接方式組合，易于擴展和升級。例如，可以增加溫室自動灌溉、二氧化碳濃度監(jiān)測、土壤肥力監(jiān)測等模塊，提高溫室生產(chǎn)的自動化程度［4］；可以增加視頻監(jiān)控、防盜報警、語音播報等模塊，提高溫室生產(chǎn)的安全性和便利性［5］；可以增加數(shù)據(jù)分析、云存儲、遠程管理等模塊，提高溫室生產(chǎn)的智能化水平。

3.7 適用范圍廣

該裝置適用于各類作物種植，如蔬菜種植、花卉種植等。用戶可以根據(jù)不同作物的需求進行定制化設(shè)置，如對于需要較長日照時間或較高溫度的作物，可以手動延長卷簾關(guān)閉時間或提高溫度閾值等。此外，該裝置適用于不同地區(qū)的氣候環(huán)境和天氣變化，用戶可根據(jù)不同環(huán)境條件進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和調(diào)節(jié)，適用范圍廣、靈活性強。

4 結(jié)語

筆者開發(fā)設(shè)計了一種基于光電感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控的農(nóng)業(yè)大棚智能卷簾裝置。該裝置可以實現(xiàn)卷簾的自動收放和遠程控制功能，不僅可以保持大棚內(nèi)部環(huán)境條件適宜，提高生產(chǎn)效率，還可以節(jié)約資源、減少污染、降低成本。在未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，該裝置具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的推廣價值。