基于可擴展遮陽棚結構的復合溫室大棚設計

王 東,楊 杰,高 強

(1.重慶工貿職業技術學院 智能制造學院,重慶 408000; 2.重慶工貿職業技術學院 人工智能學院,重慶 408000)

0 引言

反季作物備受人們喜愛,但傳統種植方式無法滿足要求,而溫室大棚能創造出適合作物生長的最佳環境,且不受季節、地域限制,有利于提高作物產量。近年來使用溫室大棚種植反季花卉、蔬菜等越來越多,因此對溫室大棚的需求也越來越大,對促進國民經濟的快速發展起到了非常重要的作用[1]。溫室大棚是利用保溫材料將某一空間密封形成封閉空間實現內外隔離的生產環境,通過技術手段調控內部溫濕度等環境參數保證作物最佳生長環境,而結構、調控方式直接決定了溫室大棚的建設成本、使用成本、使用壽命及使用效果[2-3]。因此,設計合理的溫室大棚物理結構顯得非常重要。針對此問題,提出一種基于可擴展遮陽棚結構的復合溫室大棚,可根據大棚面積進行擴展建設,降低大棚制造難度和成本,同時利用濕簾和風機能快速調節溫室內的環境參數,滿足作物生長的需要。

1 溫室大棚總體方案設計

溫室大棚需要調節的環境參數主要有溫度、濕度、光照等,根據實驗測試,溫室大棚內濕度會隨著溫度升高而變化,春夏秋光照對溫度的影響極大,而冬天主要利用溫室大棚的保溫功能配合暖風機對溫室進行升溫[4]。因此,總體設計方案是利用有機材料制造溫室大棚,頂面加裝遮陽棚對室內光照進行調節,使用暖風機、濕簾和風機對室內溫度和濕度進行調節,配合基于無線傳感網絡的監控系統,可實現對溫室大棚的遠程監控和無人值守[5]。其整體示意如圖1所示。

1.風機;2.可伸縮遮陽棚;3.濕簾;4.水泵;5.水池圖1 溫室大棚總體結構示意圖

2 溫室大棚機械結構設計

根據總體方案,溫室大棚內部溫度、濕度、光照的調控主要采用復合技術實現,即使用強制通風、水簾蒸發吸熱和遮陽棚遮光等手段進行組合的方式實現調控,能夠根據當前的天氣情況選擇部分或全部的調控手段對其進行調控,以達到更優控制。為了提高溫室大棚的生產效益,其設計的結構應具備容易生產、使用成本低、易于擴展的特點。

2.1 溫室大棚溫濕度控制系統結構設計

溫室大棚內的溫濕度需要根據當前的氣候進行調節,在夏季氣溫較高時要降溫,在冬季溫度較低時需要增加大棚內的溫度。常用的夏季降溫手段一般采用濕簾配合風機、遮陽系統遮陽的方式進行,為了能夠更好地降溫,郭江濤[6]研究了干幕墻對溫室大棚內環境的影響,在濕簾的前方加一級干幕簾能使濕簾的降溫性能顯著提高,但成本會隨之增加。為了控制成本,直接使用濕簾配合風機和遮陽棚遮陽的方式實現對大棚內的溫度和濕度控制。

從圖1可知,右側的濕簾開啟時,將有常溫的水從上方向下流,利用濕簾增加水的表面積,而左側的風機向外排風,降低了內部的空氣壓力,強制右側室外空氣從濕簾的孔洞中流向室內,從而加速濕簾上水的蒸發,達到降低內部空氣溫度和增加內部濕度的目的。

為了減少外部的昆蟲、細小的落葉等異物進入濕簾的孔洞,造成堵塞,在濕簾的外部覆蓋一層紗網進行保護,同時還在外面再增加一層薄膜進行密封,減少在不使用時灰塵等進入。在使用濕簾時,該薄膜能夠自動打開,以便外部空氣能夠進入溫室內部,而在停止使用時,能自動關閉。薄膜窗開啟和關閉的結構原理如圖2所示。

其工作原理是:當需要開啟濕簾時,打開薄膜窗,以便外界空氣能夠進入到溫室內,此時只需要啟動電動卷膜器電機正轉,驅動卷軸轉動,由于薄膜上方固定在濕簾的邊緣,下方固定在卷軸上,此時卷軸旋轉,將薄膜纏繞在卷軸上,將會帶動卷軸向上移動。為了防止驅動電機和卷軸左右運動設置了導向軸,實現了卷軸旋轉在收起薄膜時自動沿導向軸向上運動。如果要關閉薄膜窗,則只需要電動卷膜器向相反的方向運動,卷軸在自重的作用下會向下運動,從而將薄膜窗關閉。

1.電動卷膜器電機;2.導向軸;3.濕簾界限;4.薄膜;5.濕簾;6.卷軸圖2 薄膜窗開閉原理圖

大棚內溫度的提升由熱風機提供熱量,在冬季,環境溫度較低時,啟動熱風機,當溫度高于環境溫度一定值或風機內部保護溫度時,停止熱風機加熱。

控制風機的轉速、濕簾水泵的啟動和停止、遮陽棚的開啟和關閉,即可達到內部溫濕度的調節,配合環境監測系統和相應的專家系統即可實現環境溫濕度的自動調節。

2.2 溫室大棚可擴展遮陽棚結構設計

為了實現在夏季光照強烈時,能夠利用打開(展開)遮陽棚對強光進行適當遮擋,配合風機和濕簾快速調節溫室內的溫度和濕度;而在秋冬季光照較弱時,關閉(收攏)遮陽棚,提高室內的光照強度,從而更快實現升溫。因此,在溫室大棚頂部設計的遮陽棚需要具備打開和關閉功能,在需要降低光照強度時打開,遮擋強烈的陽光,而在冬季,需要陽光時,完全關閉,讓盡可能多的陽光射入大棚內。

由于溫室大棚的面積較大,不可能使用整個遮陽棚來遮擋大棚內的光線,需要將大棚分割成多塊,但由此將會給制造和控制帶來不便,因此需要設計一套方便生產制造和控制的遮陽棚結構。

遮擋系統采用伸縮結構設計,其結構示意圖如圖3a所示,遮陽棚被劃分成多個寬度相同的區域,遮陽布一端被固定在支架上,另一端固定在牽引桿上,當牽引桿左右移動時,能夠控制遮陽布伸縮,實現打開和關閉遮陽棚的功能。牽引桿的運動由下方的牽引軸驅動,齒條和牽引軸固定在一起,因此,當齒條被齒輪驅動左右移動時,牽引軸也會因此而左右移動,從而帶動遮陽布的開啟和關閉。

如圖3b所示,每一根牽引軸上均有一套齒輪齒條機構,由于齒輪軸實際只是一根光軸,因此只需要通過增加齒輪軸的長度,在齒條位置安裝對應的傳動齒輪就可以向前后兩個方向進行擴展,該結構僅需一套蝸輪蝸桿減速箱驅動器作為動力部分驅動齒輪軸旋轉即可。同理,由于牽引軸每根也可以向左右進行延伸,因此遮陽棚的左右寬度也可以進行擴展,需要將總的長度做成每一個遮陽棚區域尺寸的整數倍,但是應著重考慮驅動系統的功率和設計的機構強度。

為提高牽引軸、牽引桿的運動靈活性,在支架上方設計一套滾輪支撐結構,讓牽引軸能夠在滾輪上進行滾動,降低運動時的摩擦阻力,提高運動靈活性,同時降低噪聲。為保證牽引桿運動到極限位置能夠自動停止,避免機件的損壞,在其中一個牽引桿的兩個極限位置安裝行程開關,運動到位后能夠自動斷開驅動電機的電源,從而自動停止,又能夠保證控制系統能控制其向相反的方向運動。

1.支架;2.遮陽布;3.牽引桿;4.齒條;5.齒輪;6.牽引軸;7.齒輪軸;8.減速箱驅動器圖3 遮陽棚結構示意圖

3 溫室大棚監測系統方案設計

為了降低管理人員的工作強度,為溫室大棚設計了基于遠距離無線電的環境監測系統,能對溫室大棚的溫度、濕度、光照和土壤濕度等進行監測,并將相關數據上傳到遠程服務器供管理人員查看。李明等[7]用ZigBee和RS485傳感網絡實現對環境等的監測,向鵬俊[8]用WIFI結合Onenet實現了環境參數的監測和數據儲存。但是ZigBee和WIFI都存在傳輸距離短的問題,因此本項目的監測系統采用STM32單片機配合溫濕度傳感器、光照傳感器等對環境參數進行采集,然后選擇了具有超強抗干擾的遠距離無線電(LoRa)技術,利用時分多址和競爭訪問相結合的方式傳輸到中心基站,并由中心基站通過WIFI將數據統一上傳到遠程MQTT服務器[9-12],并存儲到數據庫供用戶進行查詢,其架構如圖4所示。

為了方便采集模塊的布署,采集模塊采用電池供電,因此必須降低系統的功耗。數據采集模塊每隔10 min采集一次數據,并通過無線上傳到網關,其余時間休眠以降低系統功耗和利于其電池供電。其實際布署如圖5所示。

圖4 監測系統架構圖

圖5 采集模塊部署圖

4 實例測試

4.1 溫室大棚機械結構測試實例

根據本設計方案制作的溫室大棚測試實例按照圖3俯視布局,以機械制圖的方位為準,前后分為3個區域,左右分為5個區域,共計15個區域的遮陽棚。根據結構原理可知,結構中設計的元件以桿狀零件(實際為金屬水管和型材制作)為主,強度和剛性較低,能夠承受的扭矩有限,而遮陽棚的面積很大,運動阻力較大,因此,在設計其結構時,需要考慮各零件所承受的扭矩。同時,由于遮陽棚中主要的運動是牽引軸的軸向運動和牽引桿的橫向運動,為了避免遮陽布在運動過程中被撕裂,以及在運動過程中齒輪軸由于長度較長,各牽引軸因制造、安裝精度誤差引起驅動阻力不均而造成該軸的扭轉彈性變形增大,牽引軸的運動速度應盡量慢,本項目設計速度為1 m·min-1,經計算,選擇0.55 kW的電機即可滿足要求,實際溫室大棚如圖6所示。

經實際測試,溫室大棚結構遮陽棚運行平穩、順暢,達到了預期目的。

圖6 遮陽棚實物圖

4.2 溫室大棚溫濕度調節測試

本測試的主要目的是考察溫室大棚內部的溫濕度調節能力,主要測試為:當溫室大棚內溫度較低時,開啟暖風機溫室內的溫度變化情況和當溫室大棚因日光照射溫度升高時,開啟濕簾和遮陽棚等,檢測溫室大棚內溫濕度的變化速度。

4.2.1 升溫情況測試

冬季氣溫較低時啟動熱風機進行室內增溫,室內溫度高于室外5 ℃或熱風機內溫度到達45 ℃時停止。通過監測,溫室內外的溫濕度如圖7所示。

圖7 溫室大棚內、外環境溫濕度監測圖

從圖7可以看出,光照強度較高時,溫室內溫度能夠迅速上升,同時濕度也隨溫度的上升而下降,因此,當冬季需要快速升溫時,應全部關閉(收攏)遮陽棚,讓更過多光照進入溫室大棚。而夏季需要防止因光照太強,導致內部溫度升高過快,可提前開啟(展開)遮陽棚,同時開啟水簾和風機,使內部溫度保持在設定的目標值。

根據圖7繪制出溫室內和溫室外的最低溫度及溫差對比如圖8所示。

圖8 溫室內外監測點最低溫度對比圖

從圖8中可以看出,室內的最低氣溫比室外一般會高3～5 ℃。說明內部的溫度調節系統能夠實現對大棚內溫度的提升。

4.2.2 降溫調節情況測試

由于測試時處于春季(2月21日),環境溫度不高,為了模擬夏季高溫天氣時迅速降低大棚內的溫度,選擇天氣晴朗的正午,當大棚內的溫度急劇上升時,完全開啟(展開)遮陽棚,開啟濕簾,風機設置到最大速度,模擬降低室內溫度。具體測試數據如表1和圖9所示。在正午12:00,室外氣溫18 ℃,室內花盆旁溫度為23 ℃,離地約3 m的支架旁溫度為32 ℃,濕度為44%,此時開啟濕簾、風機(設置到最大轉速)、遮陽棚。通過查看溫濕度曲線,經過1.5 h后,花盆旁溫度下降至15 ℃,降低了8 ℃,低于同期的室外溫度19 ℃,比外部溫度降溫約4 ℃,而支架旁的溫度急劇下降至19 ℃,濕度增高到90%,光照數值快速下降。由此可見，本方案對調節溫室大棚內的溫度、濕度及光照等有效。

表1 溫濕度測試對比表

5 結語

利用可擴展思想設計溫室大棚結構,配合濕簾和風機組成的復合溫室大棚具有以下特點:

1)利用遮陽棚對溫室大棚的光照進行遮擋,配合濕簾和風機,能夠有效降低溫室內的溫濕度,測試條件下對比室外降低4 ℃,濕度快速提升至90%,而利用熱風機在冬天能實現對溫室大棚進行增溫3～5 ℃;

2)設計的可擴展遮陽棚,結構簡單,擴展容易,能有效降低控制難度,有利于溫室大棚的推廣,具有較強的實用價值。