大棚水稻育苗自動(dòng)溫控放風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)研究

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(dòng)操作完成的現(xiàn)實(shí)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(diǎn)，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(jì)；電動(dòng)卷膜器；溫濕控制器

中圖分類號：S625.3 文獻(xiàn)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(xiàng)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(dòng)操作來完成，工作效率較低。為此，遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)時(shí)傳遞到信息處理系統(tǒng)，操控系統(tǒng)接受指令后對信息進(jìn)行分析，并控制卷膜器開閉風(fēng)口，實(shí)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(dòng)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(jìn)秧苗生長。

1.2 基本構(gòu)成

根據(jù)降溫和補(bǔ)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(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易損壞棚膜。為解放勞動(dòng)力、改善作業(yè)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)棚室溫度的自動(dòng)控制，遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了智能溫控通風(fēng)機(jī)。

智能溫控通風(fēng)裝置由開關(guān)電源、溫控器、減速電機(jī)、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(dòng)卷膜器上，通風(fēng)開口寬度約800 mm，電動(dòng)卷膜器控制長度由電機(jī)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(jī)械控制系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)兩部分。

2.1 機(jī)械控制系統(tǒng)

2.1.1 工作機(jī)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(jī)。電機(jī)固定在可伸縮管的鉸接機(jī)構(gòu)上，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置變化來改變伸縮管長度，進(jìn)而調(diào)整卷膜軸的位置。減速電機(jī)控制卷膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水稻育苗棚內(nèi)的通風(fēng)排放。

2.1.2 電動(dòng)卷膜器的特點(diǎn) 1） DC24V低電壓，避免觸電事故；2） 鋁合金機(jī)體組合，密度強(qiáng)健，不會(huì)變形；3） 使用油性齒輪方式傳送動(dòng)力，效力高，齒輪壽命長； 4） 內(nèi)設(shè)特殊鋼制作后進(jìn)行浸碳熱處理的高品質(zhì)齒輪；5） 停止時(shí)不會(huì)自動(dòng)滑下，完美的自動(dòng)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(jī)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(dòng)卷膜裝置、噴淋裝置、無線上傳及控制裝置為執(zhí)行單元，實(shí)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(jī)，單片機(jī)對信息進(jìn)行處理后，一是通過電動(dòng)卷膜裝置、噴淋裝置、報(bào)警裝置對大棚內(nèi)的溫濕度環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)查看，并進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)，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(diǎn) 溫濕控系統(tǒng)由溫濕度傳感器、LED顯示器、執(zhí)行器、報(bào)警器、單片機(jī)組成。

1） 采集溫濕度。本系統(tǒng)采用的數(shù)字式PE防護(hù)型溫濕度傳感器，是一種體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、防水、數(shù)字化、功能強(qiáng)的零件，可以將采集到的實(shí)時(shí)溫度直接以數(shù)字信號的形式傳輸給單片機(jī)，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(shí)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(shí)時(shí)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(diǎn)，采用BCD編碼方式進(jìn)行顯示，編譯命令簡單，價(jià)格低廉，且輸出精度很高。

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

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

5） GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控。GPRS能夠進(jìn)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(shí)時(shí)調(diào)取大棚環(huán)境信息，并發(fā)送控制指令，進(jìn)而有效、快速的調(diào)整溫濕度。多個(gè)大棚控制器通過一個(gè)接收發(fā)送裝置與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，GPRS接收發(fā)送裝置的無線覆蓋距離可達(dá)1 000 m。

6） 單片機(jī)。控制單元為STM32F1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(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)，包含3個(gè)12位的ADC檢測原件、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器；標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口眾多，包括2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、5個(gè)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(yùn)行、控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)。單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，對溫度傳感器輸入的16位二進(jìn)制信息進(jìn)行編程處理后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、報(bào)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(jī)，通過單片機(jī)判斷溫度是否超出預(yù)設(shè)值，同時(shí)通過LED數(shù)碼管顯示出溫度，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，并通過執(zhí)行器進(jìn)行降溫操作。

3 智能溫控通風(fēng)裝置的優(yōu)點(diǎn)

3.1 科學(xué)監(jiān)控棚內(nèi)溫度

根據(jù)水稻秧苗不同時(shí)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(dòng)監(jiān)控棚內(nèi)溫度，當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)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(shí)，棚內(nèi)溫度較低，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)風(fēng)口，可手動(dòng)強(qiáng)制開關(guān)風(fēng)口。

3.2 充分利用溫度資源

溫控機(jī)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(dá)到最佳效果。

3.3 減少生理病害

自動(dòng)開關(guān)風(fēng)口，棚內(nèi)、外空氣進(jìn)行交換，棚內(nèi)有害氣體及時(shí)排出，增加棚內(nèi)二氧化碳濃度，促進(jìn)植物進(jìn)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(jìn)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(dòng)開關(guān)風(fēng)口來控制棚內(nèi)溫度。使用該設(shè)備后，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)風(fēng)口機(jī)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(dòng)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(dòng)卷膜器是最新一代溫室卷膜通風(fēng)降溫設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)快速卷、放膜及溫室環(huán)境的自動(dòng)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(diǎn)，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(jī)能夠保證溫室高效節(jié)能，大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度和管理費(fèi)用，提高勞動(dòng)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(jī)為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模現(xiàn)代化方向發(fā)展提供必要技術(shù)支撐，對促進(jìn)水稻穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴明旭.水稻大棚秧盤育苗技術(shù)操作規(guī)程[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（3）：30-31.

[2] 董昊， 石九龍 ，劉錦高.基于STM32F103的貼片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)工程，2014（4）：158-161.

[3] 金澤浩.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技向?qū)В?014（17）：189.