溫室大棚智能除雪系統的設計與研究

王梓銘 陳秀芬

摘 要：基于對溫室大棚除雪功能運用的深入研究，研制出了“溫室大棚智能除雪系統”模型。此款智能除雪系統能夠很好地解決溫室大棚除雪不便的實際問題，可以為農業種植戶提供方便，減少因雪災但來的經濟損失。本文詳細介紹了此款溫室大棚智能除雪系統的設計與制作。

關鍵詞：溫室大棚；模型；自動除雪；使用說明

一、緒論

玻璃蔬菜溫室大棚是具有出色的保溫性能的框架結構大棚，它的出現使得人們可以吃到反季節蔬菜。從而很好的解決了人們的“菜籃子”問題。但是由于面積過大，造成骨架支撐結構不強，在大雪中容易坍塌，給國家和種植戶帶來極大的經濟損失和不便，為了抗擊雪災，人們想出了各種因對辦法來減輕雪災所帶來的損失。針對不同建筑種類的大棚，運用了各種除雪方法來清除積雪，防止因積雪過多而造成大棚的倒塌。如：（1）利用空調制熱原理除雪法。連棟溫室大棚因不易上人清雪，制熱時，制冷劑被壓縮機加壓，成為高溫高壓氣體，進入溫室內機的換熱器（此時為冷凝器），冷凝液化放熱，成為液體，同時將室內空氣加熱，從而達到提高室內溫度，并在溫室內頂部加裝暖風筒，把多個大棚連通，融化頂部積雪至溫室天溝，在天溝的頂面（須加防凍液）或下面加裝融雪管道，將天溝上的積雪融化流掉，以減輕溫室的壓力負荷，但不足之處在于建設繁瑣，成本較大，一般農業種植戶經濟無法承擔；（2）手持式吹雪機除雪法。優點是設備攜帶方便，經濟成本輕，適合小面積使用，但需人工不定時清除積雪，具有時效性，晚上不能及時使用，且只能在積雪不大，沒有成凍雪的情況下使用，運用情景較為單一；（3）使用消防水帶利用高壓沖水除雪法。該方法只適合室外溫度較高、積雪較薄的環境中使用，否則會造成積雪沖刷不凈，水被積雪阻擋，加上室外溫度低，極易出現冰凍，增加大棚頂部的壓力負荷，加大大棚倒塌的幾率；（4）撒融雪劑除雪法。氯鹽類融雪劑的融雪原理是：氯鹽類融雪劑溶于水（雪）后，溶液的冰點下降，都在零度以下。如氯化鈉溶于水后冰點在-10℃，氯化鈣在-20℃左右，醋酸鹽類可達-30℃左右。鹽的溶解使含鹽雪水的凝固點降低，因此在雪水中溶解了鹽之后就難以再形成冰塊。其原因是，融雪劑溶于水后，水中離子濃度增大，使水的液相蒸氣壓下降，但冰的固態蒸氣壓不變。為達到冰水混合物平衡共存時固液相蒸氣壓相等的狀態，冰便融化。故灑上融雪劑可以除冰雪，但是對環境的危害也是不容忽視的，特別是可能對土壤有害，對農作物的生長也可能不利；（5）溫室大棚內部燒火加溫法。通過在大棚內部放置加熱的裝置，如電爐、生火、燒碳等，但極易引發火災和一氧化碳中毒。

綜合上述各類除雪方法均有利弊。因此，現研究大棚智能除雪系統，很好的解決了此問題。此款除雪裝置添加成本低，操作便捷，能自動清除積雪，因此具有較好應用前景。

二、功能簡介

溫室大棚智能除雪系統通過壓力傳感器感知到大棚頂部積雪達到預設壓力的情況下，將信號反饋給微型電腦控制板，由控制板接通電路并發出加熱指令至電熱絲，通過電熱絲發熱進行融雪除雪工作；吹風系統作為除雪輔助，對積雪進行機械吹風除雪。以上2個系統均能實現自動與手動開啟從而達到智能除雪的功能，即解決了溫室大棚除雪不便的實際問題。

三、“溫室大棚智能除雪系統”的主要結構

四、“溫室大棚智能除雪系統”的物理原理

自動除雪系統。查文獻分析可知，當積雪達到10cm時，溫室大棚就會面臨被壓塌的風險，也就是說10cm為一個閾值，裝置最好能夠在積雪達到10cm之前就能開始工作。而壓敏電阻是一個感應壓力從而轉變自身壓力值的存在，無法直接感應雪的厚度，現需要將其兩者進行一個轉換。雪的密度變化范圍很大，新下的松軟雪的密度為0.04—0.1克/立方厘米，融雪時雪的密度可達0.6—0.7克/立方厘米，雪的平均密度為0.2—0.25克/立方厘米。現取其平均值，本模型溫室大棚單面的面積約為40cm*60cm，根據密度公式ρ=m/v，可知10cm厚的積雪質量可達6Kg，根據重力公式G=mg，其壓力為58.8N。但積雪不是單單作用于一點，而是整一個面，則我們需要重新計算薄膜壓敏電阻上感受到的壓力。測量得到薄膜面積約為20平方厘米，占比1/120，則其感受到壓力值為0.49N。即當壓敏電阻感受到壓力為0.49N時，必須啟動電路開始工作。arduino為信號處理裝置，在接收到壓敏電阻信號后，控制輸出模塊即電熱絲和風扇進行加熱和吹風，以此達到除雪功能。

五、“溫室大棚智能除雪系統”的制作方法

（1）外形材料選用強度大能見度好的AWWP材料，用廣告雕刻機切割再拼合而成。長寬高分別為50CM、30CM、35CM，屋頂斜面長度21.25CM，角度為45度。

（2）自動除雪系統。在溫室大棚的一側安裝arduino uno控制模塊及供電電池；同時將光電耦合繼電器及供電電池、穩壓模塊、吹風系統安裝于大棚頂部，將發熱電熱絲、薄膜式壓敏電阻安裝于大棚屋頂斜面處，利用3D打印技術打印出上述部件的固定支架；供電電池為9v。

（3）連接電路。

六、“溫室大棚智能除雪系統”的使用說明

（1）安裝好后，設備處于自動待機狀態。

（2）下雪時，當積雪達到一定厚度，薄膜式壓敏電阻感受大壓力變化，并將信號傳給arduino uno控制模塊。

（3）由arduino uno控制模塊發出控制指令，通過光耦合繼電器電，接通電源，自動啟動電熱絲加熱，同時運行風扇送風輔助除雪。

（4）上述功能也可以根據實際情況，選擇手動開啟除雪模式。

七、相關拓展

溫室大棚有較高性價比，廣泛應用于農業種植，今后還可以繼續開發手機APP應用軟件，集大棚頂部壓力負荷；室內、外溫度；室內空氣濕度等等實時數據。通過手機查看各類數據并控制除雪系統裝置的自動啟停功能。實現了防患于未然，讓用戶及時對設備和安全隱患進行及時處理，做到早發現早處理。同時，本除雪系統安裝維護方便，功能簡單實用，除了運用在溫室大棚方面，還可以廣泛安裝到農貿市場、工廠大型車間、老舊房屋等頂面上，解決因積雪引起的坍塌事故。

本系統是一個開元的系統，可以根據具體環境、具體條件，做出不斷調整，適應市場的各種需求。通過物聯網技術，配備無線傳感節點，每個無線傳感節點可監測各類環境參數。通過接收無線傳感匯聚節點發來的數據，進行存儲、顯示和數據管理，并以直觀的圖表和曲線方式顯示給溫室的用戶，同時根據種植植物的需求提供各種聲光報警信息和短信報警信息，實現溫室集約化、網絡化遠程管理。還能與農業專家系統平臺數據進行綜合分析，形成控制要求，使大棚控制系統完成相應控制，從而達到農作物的最優生長環境。以此提高農業生產中的培育產量和效率，成為現代化農業發展的推動力。

今后隨著科技的不斷進步，本系統還可以不斷改進，最終能實現融入到智慧城市這個大數據平臺之中。

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作者簡介：王梓銘（2006-），男，漢族，浙江湖州人，湖州市愛山小學教育集團609級學生。

指導老師：陳秀芬（1989-），女，漢族，浙江湖州人，本科，中小學二級，湖州市愛山小學教育集團，從事小學科學教學工作，任學校教研組長。