一種溫室大棚空氣溫濕度監測裝置的設計

黃 媛，李瑜玲，楊英茹，武 猛，高欣娜，李海杰

（石家莊市農林科學研究院，石家莊市農業信息化工程技術研究中心，河北 石家莊 050041）

我國是蔬菜種植大國，蔬菜種植面積、產量和產值近些年一直穩步增加。2017 年我國設施蔬菜面積達到333 萬hm2，預計2017—2021 年平均復合增長率1.25%，2021 年將達到413 萬hm2。現階段種植蔬菜的溫室棚以大中塑料拱棚、小拱棚、網棚為主，以日光溫室和鋼骨架玻璃連棟智能溫室為輔。然而，蔬菜生產設施的簡易化不僅降低了農業生產過程中抵御風險的能力，同時也不符合未來蔬菜種植工廠化、標準化及品牌化的趨勢。“十三五”全國農業農村信息化發展規劃要求“推進設施農業信息技術深化應用，在設施農業領域大力推廣溫室環境監測、智能控制技術和裝備，重點加快水肥一體化智能灌溉系統的普及應用”。由此可見，大力發展設施農業生產智能化是農業產業化發展的必經之路，也是我國“十三五”期間農業農村發展規劃的重要任務目標[1-2]。

空氣溫濕度對作物生長的重要意義不言而喻，它既可以影響作物的光合、呼吸、蒸騰等生理作用，也可以影響有機物的合成和運輸等代謝過程，還可以通過土溫土濕直接影響水肥的吸收和輸導，同時與作物病蟲害的發生也有著密切聯系。因此，密切監測設施環境空氣溫濕度是實現設施蔬菜智能化生產的重要前提。大力發展溫室環境監測技術和裝備是加快設施蔬菜生產智能化進程的重要組成部分，只有掌握了實時溫室大棚生產環境的變化和走勢，才能及時地根據作物生長階段進行生產操作和管理，為智能化生產提供前提條件。

空氣溫濕度監測設備大多采用溫濕度傳感器進行數據采集，設備將溫濕度傳感器集成并吊裝在百葉窗形狀的防護箱內，使用時將監測設備懸置在溫室內。但是現有大多監測設備采取的是傘裙式設置，且防護箱體積較小，加之沒有遮光設計，因此使用時防護箱受到太陽直射，內部升溫快且不易散熱的情況較常見。同時，由于目前在應用過程中對吊裝位置沒有科學統一的指導或規定，而日光溫室內溫濕度存在分布不均的情況，如果溫、濕度傳感器安裝在一個固定位置上，就不能根據作物高度及時測定近作物周圍的空氣狀況，難以準確地反映影響植株生長的空氣溫濕度。

1 溫室大棚溫濕度監測裝置的設計思路

1.1 設計思路

該研究設計一種溫室大棚溫濕度監測設備，設備通過升降裝置安裝在溫室大棚的棚頂龍骨上，可根據要求調節設備懸掛的高度，溫濕度傳感器防護箱為豎向百葉窗，其內部空氣流通、不易集聚，同時設計遮光傘避免太陽直射對空氣溫濕度傳感器的影響，保證監測數據的準確性。

1.2 工作原理

該研究設計的溫室大棚溫濕度監測設備主要包括升降裝置及監測裝置。升降裝置包括升降箱體、卷揚軸、卷揚繩、中心轉軸、渦輪、蝸桿及驅動電機。升降裝置將監測裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上，蝸桿在電機的帶動下旋轉，從而帶動渦輪旋轉，進一步卷揚軸轉動，實時調節監測裝置的高度；監測裝置包括防護箱及空氣溫濕度傳感器，防護箱頂端與升降裝置的卷揚繩連接，防護箱頂端與底座之間設置若干個豎向的百葉窗葉片，溫度傳感器和濕度傳感器通過卡座固定安裝在防護箱的底座上；另外，監測裝置頂端通過支撐桿設置有遮光傘。通過升降裝置和監測裝置的配合，操作人員可根據不同作物及其不同生長階段自由調整設備的位置，收集能夠準確反映植株生長環境的空氣溫濕度數據，從而更好地指導科學研究或農業生產。

2 溫室大棚溫濕度監測裝置的系統設計

2.1 溫室大棚溫濕度調控系統整體結構設計

圖1 為溫室大棚溫濕度調控系統，包括空氣溫濕度監測裝置、中央處理器、空氣溫度調節器和空氣濕度調節器。空氣溫濕度監測裝置、空氣溫度調節器及空氣濕度調節器分別與中央處理器進行電連接，空氣溫濕度監測裝置將采集到的溫濕度數據傳輸給中央處理器，中央處理器根據提前編程的監測模型分別對空氣溫度調節器和空氣濕度調節器發出控制信號，控制二者的啟停[3-4]。

2.2 溫室大棚空氣溫濕度監測裝置關鍵部件設計

如圖2 所示，空氣溫濕度監測裝置包括升降裝置及與升降裝置連接的監測裝置。（1）升降裝置：包括升降箱體及設置在升降箱體內的卷揚軸、卷揚繩、中心轉軸、渦輪、蝸桿和驅動電機。升降箱體頂端通過掛鉤懸掛在棚頂鋼骨架上，并通過緊固螺栓固定；中心轉軸兩端均通過軸承固定安裝在升降箱體兩側壁上，卷揚軸和渦輪均套裝在中心轉軸兩端，且渦輪和卷揚軸均與中心轉軸相對固定，蝸桿與渦輪相嚙合（圖3），驅動電機驅動蝸桿轉動；卷揚軸上設置卷揚繩，卷揚繩的一端與監測裝置連接，驅動電機驅動蝸桿轉動，蝸桿轉動帶動渦輪轉動，同時中心轉軸轉動，最終帶動卷揚軸轉動，實現監測裝置垂直方向上的升降。（2）監測裝置：包括防護箱和空氣溫濕度傳感器。防護箱頂端通過支撐桿設置有遮光傘，遮光傘頂端通過連接吊環與卷揚繩連接；遮光傘為雙層結構，兩層結構之間通過支撐骨架連接；遮光傘上層外表面涂布有鋁制反射膜，將棚內照射進來的陽光反射出去，防止陽光直射防護箱；防護箱頂端與底座之間設置若干個豎向的百葉窗葉片，所有百葉窗葉片的中心點形成一個圓，每個百葉窗葉片中心點和圓心連成的半徑，與百葉窗葉片水平方向的中心軸的夾角為α（圖4），方便防護箱內空氣流通；空氣溫濕度傳感器通過卡座固定在防護箱底座上，監測的數據信號輸出給中央處理器[5-6]。

2.3 溫室大棚空氣溫濕度監測驅動電機設計

利用驅動電機驅動渦輪蝸桿轉動，實現卷揚繩的升降，如圖5 所示，驅動電路中，采用驅動芯片IC1控制，驅動芯片的輸出端口OUT1和OUT2分別并接在驅動電機M 的兩端，驅動微調芯片IC1的輸入端口INT1和INT2分別連接正轉按鈕ZA 和反轉按鈕FA，正轉按鈕ZA 和反轉按鈕FA 的另一端經提拉電阻R 連接在電源正極上。當需要下調監測裝置時，點按正轉按鈕ZA，則驅動電機正轉，卷揚繩下降，下降到所需位置時，松開正轉按鈕；當需要上調監測裝置時，點按反轉按鈕FA，驅動電機反轉，卷揚繩上升，上升至所需位置時，松開反轉按鈕，驅動電機停止工作，渦輪蝸桿自鎖，監測裝置固定在所需位置；驅動芯片IC1為MC33886 芯片[7-9]。

3 溫室大棚溫濕度監測裝置的測試

3.1 試驗地點

該監測裝置的性能試驗選擇在石家莊市農林科學研究院趙縣實驗基地5 號溫室內進行，5 號溫室東西長90 m，南北跨度為8 m，內部種植面積約為667 m2，北后墻為磚結構，南采光面為鋼支撐架構，外覆塑料薄膜，有上下兩個通風口，外有保溫用棉被。性能試驗于2018 年8 月25—31 日越冬茬番茄苗定植后的一周內進行，期間溫室外溫度較高，棚內澆了定植水，濕度較大，為保證平穩度過緩苗期，這一階段應加強溫室內溫濕度管理，避免溫濕度過高造成死苗或引發莖基腐病。

3.2 試驗方法

由于試驗期間為番茄病毒病高發時段，煙草花葉病毒（TMV）、黃瓜花葉病毒（CMV）、馬鈴薯X 病毒（PVX）等能夠引起番茄發病的常見病毒可在高溫低濕環境迅速增殖，因此該試驗設定5 個傳感器每半小時采集1 次空氣溫濕度數據，選取每天的最高溫度和最低濕度為有效值，通過整理計算可得每天大棚內最高溫度和最低濕度的平均值。在番茄病毒病預警監測中一般采用取自棚內不同位置所測平均值進行數據分析和預警，通常認為棚內所設傳感器數量越多，所得平均值越具實際意義。

選購一批北京農業信息技術研究中心研制的便攜式氣象站設備，以其中的空氣溫濕度傳感器集成該研究設計的溫室大棚空氣溫濕度監測設備，懸于5 號溫室種植區域的正中間，將其編號為1。另外選擇4 臺便攜式氣象站懸掛在溫室不同位置的不同高度，分別編號為2、3、4、5，其具體工作位置見表1。傳感器的 量程、精度都一致。溫度量程為-10～70 ℃，濕度量程為5%～99%RH；溫度精度為±0.5 ℃，濕度精度為±3%。

表1 各傳感器的位置

3.3 結果與分析

由圖6、圖7 可知，1 號設備的空氣溫度、濕度數值與平均值更為接近，1 號設備的測量數據受安裝位置及太陽直射等因素影響最小，據此進行科研試驗或農事管理更為準確。

4 結 論

該研究設計的空氣溫濕度監測裝置與傳統空氣溫濕度傳感器監測設備相比，其特點在于通過升降裝置將溫濕度監測裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上，可根據作物高度隨時調整監測位置；空氣溫濕度傳感器安裝在防護箱內，防護箱頂端為環形透氣柵，側壁為豎直方向的百葉窗，方便空氣流通，可以避免上升的熱空氣在防護箱內滯留不散；同時，防護箱頂端設置雙層遮光傘，防止陽光直曬防護箱，使空氣溫濕度傳感器監測到的數據能準確地反映植株真實的生長環境。該研究為今后設施農業精準化調控、智能化生產打下了基礎。