基于溫室大棚除雪骨架結構的研究

張海燕，王文博

（山東華宇工學院，山東 德州 253000）

0 引言

科技高速發展，我國的經濟水平和國際社會地位都在不斷的進步和提高，人們對生活質量的要求也越來越高。因此，許多人們希望在一年四季內都能吃到新鮮優質的蔬菜瓜果，人們的這一需求促進了蔬菜大棚的進步和發展。以蔬菜大棚為代表的現代農業設施在現代化農業生產中發揮著巨大的作用。我國北方地區，冬季經常會有降雪，積雪影響大棚的透光性、保溫性，不僅對大棚內部植物的正常生長產生不良影響，積雪過厚時甚至會壓垮大棚，造成巨大的經濟損失。不僅增加了農民勞動成本，浪費了人力資源，而且很難達到預期的效果。因此，為了減小農業投入成本并實現高效農業生產的科學化，推動我國農業的發展，大力發展大棚設施與相應的溫室工程，科學合理地調節大棚內溫度、濕度以及二氧化碳的含量，便大棚內形成有利于蔬菜、水果生長的環境，是大棚蔬菜和水果早熟、優質高效益的重要環節。鑒于此，筆者設計了一種涉及農業溫室大棚骨架，解決了現有的溫室大棚清雪困難，積雪對溫室大棚的危害的問題。

1 溫室大棚設計背景及簡介

1.1 背景技術

溫室大棚是起源于蔬菜、花卉保護地栽培的一種建筑設置。發展到現在，它已經被廣泛地應用于植物及動物生產等領域。在植物生產方面，它不但大量用于蔬菜、花卉的栽培，而且也用于苗木、水果以及藥材生產的過程。在栽培方式上，它既適合一般地栽方式，又可采用盆栽、栽培床栽培方式，還適用于現代化的多層立體栽培、無土栽培甚至植物工廠化栽培等栽培方式。

在我國的北方地區，冬季經常會有降雪，積雪影響大棚的透光性、保溫性，不僅對大棚內部植物的正常生長產生不良影響，積雪過厚時甚至會壓垮大棚，造成巨大的經濟損失[1]。目前溫室大棚的除雪多為人工手動作業，不僅工作強度太大，而且效率不高，除雪時間過長，棚膜有變形破損的危險，針對上述的問題進行了深入的研究，設計了一種農業溫室大棚骨架，解決了現有的溫室大棚清雪困難，積雪對溫室大棚的危害的問題。

1.2 項目簡介

該大棚骨架包括一對結構相同的底架臺，一對底架臺上安裝有支撐結構以及收集結構，支撐結構上安裝有輔助支撐結構、監測結構以及溫度調節結構；支撐結構主要包括：若干個結構相同的n 型支撐架、若干個結構相同的支撐柱以及頂部固定桿[2]。本項目的有益效果是，通過對大棚結構的設計，將棚頂的積雪消融滑落，使植物的生長不會因為光照而影響。其次滑落的積雪融水進行回收利用，利用溫濕度傳感器等各種元件實施檢測，進行澆灌作物，對資源的合理利用，使菜農增收增產。

2 大棚骨架的整體及各部分結構設計

2.1 整體結構設計

該種溫室大棚包括栽種槽、雪水收集系統、溫控系統、輔助照明系統及濕度檢測控制系統；栽種槽設于地面或做成隔屏狀，供栽種植物；將冰雪融水收集到供水系統通過檢測自動適時適量供給水分；溫控系統包括排風扇、熱風扇、溫度感應器及恒溫系統控制箱等，以適時調節溫度；輔助照明系統包用于無日光時提供照明，使植物進行光合作用，溫度控制系統配合排風扇而調節濕度及降低室內溫度。

2.2 結構設計及工作原理

如圖1 所示，當密封透明塑膠布22 外側上有大量積雪時，使用者操控一對控制板26，通過控制板26 控制兩對小型驅動機17 運作，帶動兩對小型驅動機17 上的一對升降桿14 轉動，一對升降桿14 轉動帶動其上的若干個升降齒輪15 轉動，通過升降齒輪15 與升降圓弧卡條16 齒輪嚙合，使得升降齒輪15向上或向下移動[3]，通過控制板26 控制小型驅動機17 的轉動方向，使得升降齒輪15 與升降圓弧卡條16 配合，使得若干個固定塊10 向上移動，同時帶動插裝于固定塊10 上升降凹槽12 內的側壁支撐桿11，結構如圖4 所示，通過側壁支撐桿11 內設置的電熱絲21 加熱，使得貼附于側壁支撐桿11 上的密封透明塑膠布22 受熱，同時通過密封透明塑膠布22將熱量傳遞給貼附于密封透明塑膠布22 上的積雪受熱潤滑，貼附于密封透明塑膠布22 上的積雪潤滑，使得摩擦力減小，從而使得積雪順著融化后的積雪一起流下，流到底架臺1 上收集水槽9 內，通過收集水槽9 內的防護網8 對落下的積雪進行過濾，避免了有石頭子落入收集水槽9 內，堵塞了收集水槽9上的L 型引流管6[4]，通過支撐柱3 以及底架臺1 上的溫度傳感器19 以及濕度傳感器20 監控大棚內的溫度以及濕度，溫度傳感器19 將監測信息傳遞給控制板26，當發現大棚底端溫度低于一定溫度時，控制板26 控制輔助支撐結構下降，同時控制電熱絲21加熱，從而在大棚的底端進行加熱，當濕度傳感器20監測到大棚內過于干燥時，控制板26 接收到濕度傳感器20 傳來的信息低于正常濕度時，通過控制板26控制電磁閥門7 開啟以及防凍加熱管28 加熱積雪，將積雪融化，循環利用收集水槽9 內的積雪。之后通過L 型引流管6 引流到大棚內，通過固定塊10 上的移動凹槽24 內的移動球25，使得固定塊10 在上下移動時與密封透明塑膠布22 的摩擦系數降低，避免了固定塊10 上下移動時磨損密封透明塑膠布22。

圖1 大棚骨架整體結構

2.3 部分結構設計

2.3.1 雪水循環回收系統

棚膜表面的雨雪水收集比較方便，但是大多數的菜農未考慮這部分雨雪水的利用。較為廉價的水資源浪費還會造成溫室的局部缺水。在該骨架的結構設計中把水資源充分的利用了起來，在棚前順棚修好傾斜的集水槽，在棚壁附近有蓄水池，收集棚面上的水，在棚內安裝節水灌溉滴灌設備。具體結構主要包括：一對結構相同的L 型引流管6 以及電磁閥門7；一對底架臺1 上分別開設有收集水槽9，內分別設置有防護網8 對落下的積雪進行過濾，避免了有石頭子落入收集水槽內，堵塞了收集水槽上的L型引流管6，L 型引流管分別插裝于收集水槽9 上，電磁閥門7 分別安裝于L 型引流管6 上，結構如圖2所示。

圖2 雪水收集循環系統（序號同上）

2.3.2 系統的檢測結構——濕度傳感器

在大棚內種植作物，溫度和濕度是衡量大棚的重要指標。大棚內的大多數作物發生疾病的最大障礙就是溫度、濕度失控引起的，為了促進溫室棚內各種作物的健康成長，增加收成，需要及時調節棚內的濕度和溫度。溫濕度傳感器是檢測和傳遞棚內溫度、濕度的電子儀器，也是目前智慧農業中應用范圍最廣的一類傳感器，在農業大棚中為空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器兩種。

在該結構設計中主要特指的是空氣溫濕度傳感器，棚內使用溫濕度傳感器可以實時檢測促進作物的生長，運用溫濕度傳感器進行檢測控制，可以有效防止出現棚內空氣溫度及土地的干裂、洪澇。不僅如此，還可以通過了解農作物，得知它所需的濕度環境。當濕度數據超標時，通過濕度傳感器發出信號并聯動排濕設備，實現智能控制，極大地方便了人們的生活。在設計的檢測系統中若干個結構相同的溫度傳感器19 以及濕度傳感器20，結構如圖3 所示。通過支撐柱以及底架臺1 上的溫度傳感器19 以及濕度傳感器20 監控大棚內的溫度以及濕度，溫度傳感器19 將監測信息傳遞給控制板26，當發現大棚底端溫度低于一定溫度時，控制板26 控制輔助支撐結構下降，同時控制電熱絲21 加熱，從而在大棚的底端進行加熱，當濕度傳感器20 監測到大棚內過于干燥時，控制板26 接收到濕度傳感器20 傳來的信息低于正常濕度時，通過控制板26 控制電磁閥門7 開啟以及防凍加熱管28 加熱積雪，將積雪融化，啟動聯動設施智能灌溉，滿足農作物對水的需求，當溫濕度傳感器感覺土壤中水分充足的時候就給灌溉系統一個停止供水的信號[5]，從而實現灌溉系統的自動化，在不浪費水資源的情況下滿足了農作物的需要。

圖3 監測系統（序號同上）

3 結論

隨著現代農業生產技術迅猛發展，大棚化種植被廣泛應用。溫室大棚在現今的農業生產中己占據越來越重要的地位。為了更好地滿足作物的生長條件，提高溫室大棚內蔬菜的產量，具有智能化、數據化、遠程控制等特點。在電腦或者手機上就可以及時掌握棚內溫度、土壤濕度、CO2濃度和光照強度等參數，并進行實時測控，從而實現溫室大棚科學、數字化、高效率的管理。

本文完成了溫室大棚除雪骨架進行結構設計及部分結構研究，對大棚內的作物生長溫度及土壤和空氣溫濕度的檢測、調控，使大棚環境得到了良好的控制。通過溫濕度傳感器控制器等各種元件相互配合將棚上積雪清除、冰雪融水收集并利用，實現智能控制，切實增加農作物的產量，極大地方便了人們的生活，具有一定的使用價值。