智能微噴噴灌設備的設計

□ 吳 慧 □ 張海振

1.九州職業技術學院 機電與汽車工程學院 江蘇徐州 221116 2.江蘇美正電子科技有限公司 江蘇徐州 221113

1 設計背景

隨著現代農業化生產的發展,溫室環境中的作物生產與智能灌溉已經普及,提高灌溉水利用效率成為學者們重點關注的課題。 微噴是在噴灌與滴灌的基礎上總結改進后形成的一種先進技術。微噴噴灌設備利用低壓水泵和管道系統供水,在低壓水流的作用下,微型霧化噴頭將水噴射到空中,并散成細小霧滴,噴灑在作物枝葉上或樹冠下。與噴灌形式相比,微噴更為省水,而且霧滴細小,適應性更強。微噴技術除了向植物提供水分,提高土壤含水量外,還可以對農作物生長環境的濕度進行調節,起到調節小氣候的作用。因此,開發低成本、節水、節能的微噴噴灌設備具有經濟價值和社會意義。

目前,現有應用的微噴管通常鋪設在地面上或架設在支架上。由于不同作物的株高、種植行距、莖葉密集程度不同,微噴噴射幅寬和噴灑均勻度受到很大影響。另一方面,微噴噴灌設備水量不能自動控制,只能根據操作人員的主觀意愿進行噴灌,噴灌效果不佳。對此,需要設計一種能夠適應作物不同生長時期株高和莖葉密集程度變化,自動調節噴灌范圍的智能微噴噴灌設備。

針對上述微噴噴灌設備存在的問題,筆者設計了智能微噴噴灌設備,能夠根據作物生長環境濕度,適應作物不同生長時期株高和莖葉密集程度變化,自動調整噴灌范圍進行微噴,并可以對環境濕度實時監測。

2 結構設計

智能微噴噴灌設備總體結構如圖1所示,由供水系統和智能微噴噴灌支架組成。供水系統由微噴管道、安裝在微噴管道上的微噴頭、與微噴管道連接的水泵組成,為微噴噴灌提供水源。智能微噴噴灌支架包括導軌、支撐機構、伸縮機構、安裝在伸縮機構端部的濕度傳感器。支撐機構由支撐桿、弧形安裝架、安裝在支撐桿端部的主動齒輪、伺服電機組成?；⌒伟惭b架的下側設有與主動齒輪相嚙合的齒紋,弧形安裝架的上側設有U形支架。微噴管道布置在U形支架內,實現微噴管道與弧形安裝架同步移動。根據作物的生長期,當需要調整噴灌范圍時,智能控制系統啟動伺服電機,驅動主動齒輪轉動。隨著主動齒輪的轉動,弧形安裝架與上方的微噴管道一起移動,微噴管道位置發生變化,從而實現對噴灌范圍的調整。

3 智能微噴噴灌支架設計

3.1 支撐機構

支撐機構結構如圖2所示?；⌒伟惭b架的截面為 H形結構,包括立板、弧形側板、弧形底板。齒紋設置在弧形底板上,弧形底板的兩端設有限位塊,限位塊可限定整個弧形安裝架的移動范圍,從而實現對微噴管道移動范圍的控制。

支撐桿頂端設有L形滑塊,弧形側板上設有與 L形滑塊相配合的滑槽。設置L形滑塊和滑槽,可以進一步保證弧形安裝架移動的穩定性。

為了使弧形安裝架在移動過程中根據需要固定在某一位置,在L形滑塊上設置定位孔,弧形側板上設置固定孔,當弧形安裝架移動至某一位置時,將定位銷插在定位孔和固定孔之間,實現固定。這一結構設計可以在拓寬弧形安裝架移動角度的同時,保證弧形安裝架的穩定性,避免發生弧形安裝架突然移動的情況。

考慮到作物會越長越高,茂盛的枝葉影響對作物的有效噴灌,設計了高度能夠調節的支撐桿。支撐桿包括上支撐桿和下支撐桿。上支撐桿側壁上安裝有第一傘齒輪,第一傘齒輪的齒輪軸穿過上支撐桿的側壁連接轉盤。下支撐桿連接螺紋桿,螺紋桿的頂端安裝與第一傘齒輪嚙合的第二傘齒輪。轉動轉盤,第二傘齒輪隨之轉動,第一傘齒輪在第二傘齒輪的帶動下轉動,與第一傘齒輪連接的螺紋桿相對下支撐桿向上移動,從而帶動上支撐桿向上移動,實現對整個支撐桿高度的調節,以此滿足作物噴灌的需求。

▲圖2 支撐機構結構

3.2 伸縮機構

作物在不同生長期,株高和莖葉密集程度變化,將影響智能微噴噴灌設備環境濕度采集的準確性。針對這一問題,可以通過調節伸縮機構電動伸縮桿的長度,實現檢測范圍的調整。電動伸縮桿上端安裝有濕度傳感器,隨著電動伸縮桿長度的變化,濕度傳感器檢測范圍可以調整,進而滿足作物不同生長期濕度檢測精度的要求。

4 智能控制系統設計

智能微噴噴灌設備配置的濕度傳感器實時檢測作物所處環境的濕度情況,并將信號發送至可編程序控制器?？删幊绦蚩刂破鹘涍^處理分析,在需要時啟動水泵。伺服電機驅動主動齒輪轉動,微噴管道位置隨之發生變化,從而實現對作物噴灌的調整。伸縮機構電動伸縮桿的長度可以調整,適應濕度傳感器檢測范圍。通過不同位置濕度檢測數值的分析,確定噴灌調整范圍。當需要針對作物根莖和葉單獨進行噴灌時,也可以通過調整弧形安裝架的位置實現。當微噴管道的一端處于最低點時,可以對作物根莖進行噴灌。當微噴管道的一端處于最高點時,可以對作物的葉進行噴灌。

作物不同生長期對水量需求不同,需要隨時調整噴灌范圍和噴灌水量。當環境濕度低于作物需求時,可編程序控制器的比較模塊輸出高電平,繼電器吸合,補水設備電路導通,啟動水泵開始工作。隨著土壤中含水量的提高,濕度提高,達到設定的閾值時,比較模塊輸出低電平,繼電器斷開,補水設備的電路斷路,水泵停止補水。

5 結束語

筆者設計的智能微噴噴灌設備能夠調節微噴管道與作物之間的距離和位置。微噴管道安裝在智能微噴噴灌支架上,通過調整噴灌范圍,可以適應作物不同生長期株高和莖葉密集程度變化對水分的要求。濕度傳感器可實時采集作物所處環境的濕度情況,智能微噴噴灌設備根據需要進行噴灌。可以對微噴情況進行實時監測,避免出現過噴的情況。智能微噴噴灌設備的設計可以助力現代農業生產的發展,具有實用價值。