移動式大棚智能噴灌系統

趙旖旎 王盛

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

移動式大棚智能噴灌系統

趙旖旎 王盛

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

針對現有大棚內采用移動式噴灌及微噴造成的水資源浪費、噴灌設備智能化程度低和拆卸不便等問題，對機電一體化、水肥一體化等技術及模塊化設計思想進行研究，提出了一套移動式大棚智能噴灌系統。通過對比噴灌實驗，實驗數據表明：該系統操作簡便，避免了復雜的管道布置，安裝成本低；可實現按需噴灌、準確噴灌及水肥一體化，且方便拆裝，便于適應不同長度、寬度的作業區。相比現有的移動式噴灌系統以及微噴系統，該系統節水率分別可達29.6%、18%，節水效果顯著。

節水 噴灌 機電一體化 大棚 系統設計

1 引言

我國人均水資源量僅為世界平均水平的28%。而據資料顯示，2011年我國農業年用水達3689.1億m3，占總用水量的61.3%，其中農田灌溉用水占農業用水消耗總量的90.5%。因此節水灌溉技術的推廣及發展具有重要意義。

目前主流的大棚噴灌設備：固定式噴灌系統出水量大，重疊區域大，水資源利用率低，固定的管道對田間其他機械有妨礙，耕種作業時易損壞管道，同時投資高，平均每畝花費在1000元左右；移動式噴灌系統大多采用多個噴頭同時噴灑整片作物區的方式，導致重疊區域增大，增加了非作物區的噴灑；微噴灌系統同樣采用多噴頭噴灌，出水為霧狀，需增加噴灑時間或噴灑次數以保證植物獲得足夠的水量，澆灌時重疊區域大，水資源浪費嚴重。基于此，我們提出了一種移動式大棚智能噴灌系統。

2 設計方案

該系統：（1）根據實際土壤溫濕度，按需噴灌，減少水資源浪費；（2）單噴頭移動式全方位噴灌，噴灑均勻，能實現準確噴灌，提高水利用率；（3）采用水肥一體化技術實現水肥精量化，同時減少噴灑肥料用量和噴灑次數，改善生態環境。

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

3 機械結構設計

移動式大棚智能噴灌系統機械結構部分由噴灌模塊、傳動模塊和水肥混合模塊三部分組成。步進電機2和步進電機3同步轉動，通過錐齒輪傳動實現橫向小車前行，完成單道噴灌，控制噴灌小車的運動速度v1以調節噴灑量；步進電機1主軸轉動，通過同步帶帶動噴灑小車實現往復運動，完成多道作物區的噴灌；控制步進電機1的轉動速度以適應不同的壟間距；依據作物區的不同壟寬，調整噴頭角度及高度，實現準確噴灌；利用文丘里施肥器連接進水管道，實現水肥一體化。同時，通過溫濕度傳感器的實時監測，由信號控制系統工作，實現智能按需噴灌。

3.1 噴灌模塊

圖1 實物模型圖

圖2 噴灌出水范圍示意圖

（1）噴頭移動結構設計：連接桿連接噴頭與車體，車體內夾持板與同步帶上側固定，當電機帶動同步帶運動時，噴頭隨之在上方導軌上往返運動，實現單軌道的噴灌，避免非作物區的噴灌。

（2）可伸縮噴頭結構設計：考慮到不同植物澆灌時力度、占地面積的不同，采取兩種方案來調節噴頭出水范圍，從而適應不同的作業區：通過旋轉噴頭的角度，其出水錐度可調范圍為0°到90°；設計長度可調的噴頭連接桿，由蝶形螺釘鎖緊定位，使其可調范圍為0—20cm，實現噴頭距離地面高度調節范圍為60cm—80cm進而保證其能適應0cm—160cm的壟地寬度，滿足現有實際大棚中作物區的寬度。

3.2 傳動模塊

縱向移動時，步進電機2、步進電機3同時帶動兩側的錐齒輪轉動，從而驅動小車車輪轉動，并保證兩側小車的同步移動，實現單道壟地的噴灑；橫向移動時，步進電機1帶動同步帶輪轉動，從而使同步帶平穩運動，為噴頭小車提供動力，實現多道壟地的切換。從而減少噴頭的使用數量和管道布置的復雜程度，節約成本。

3.3 水肥混合模塊

采用文丘里施肥器實現水與肥料的混合噴灌，根據實際需要，調節噴灌時的水肥比例，改變傳統澆灌時澆水與施肥分開作業的方式。

4 控制模塊設計

4.1 整體方案設計

采用STC89C52單片機為控制核心，設定連續噴灌及間歇噴灌兩種噴灌模式，實現大棚的自動灌溉，并采用溫濕度傳感器實時檢測，低于設定的濕度值時啟動系統進行噴灌。

4.2 監測模塊

溫濕度傳感器能實時監測土壤中的溫濕度值，通過信號處理電路將模擬信號轉換為數字信號，再經由單片機與預設的濕度值進行比較，當測定的濕度低于設定濕度，系統開始工作，從而實現按需噴灌。

4.3 鍵盤及顯示模塊

用戶進入界面可通過鍵盤選擇噴灌模式，采用12864液晶屏對系統工作狀態予以顯示；同時可設定濕度下限值、壟地總量及移動距離，以滿足不同作物的生長需求及作物區的要求。

4.4 步進電機驅動模塊

采用3個57GYGH206步進電機及其配套驅動器實現動力輸入，并通過單片機編程控制步進電機的轉動量，實現小車在橫縱兩個方向上的精確移動，完成對作物區的精確噴灌。

5 結語

該作品主要運用機電一體化、水肥一體化等技術，由實驗數據可以得出該作品噴灌效果良好，節能減排效益顯著。并應用了模塊化設計，能適應不同作業環境，操作、拆卸方便，擴大了推廣范圍。

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