基于光電感應系統調控的農業大棚智能卷簾裝置開發設計

靳華偉 袁鵬林 孔明亮 徐義坤 鄢必啟

沈陽化工大學機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142

0 引言

近年來，極端天氣頻繁發生，農業生產面臨越來越嚴峻的挑戰。在這種情況下，大棚種植作為一種先進的農業生產方式，已經成為許多國家提高農業生產效率的重要手段。卷簾是農業大棚的重要組成部分。卷簾的調控可以直接影響大棚內部的溫度、濕度、光照等，從而影響作物的生長，最終影響作物產量和品質。但目前農業大棚卷簾的調控系統仍然存在很大不足，傳統的人工調控方式已經無法滿足實際生產需求，而且存在工作量大、精度不高、成本高等問題［1-2］。基于此，筆者開發設計一種基于光電感應系統調控的農業大棚智能卷簾裝置，以提高農業生產效率和生產質量。

1 基于光電感應系統調控的農業大棚智能卷簾裝置結構及工作原理

筆者開發設計的農業大棚智能卷簾裝置主要包括太陽能供電系統、光電感應模塊、溫度傳感模塊、電氣控制模塊、卷簾機械機構等5個部分，結構如圖1所示。

圖1 智能卷簾裝置結構示意圖

該裝置利用光電感應模塊和溫度傳感模塊檢測大棚內部的光照和溫度，利用太陽能供電系統進行自供電。其通過電氣控制模塊實現卷簾的自動收放和遠程控制，不僅可以根據環境變化自動調控卷簾以保持大棚內適宜的溫濕度和光照強度，還可以降低能源消耗、提高農業生產效率和質量、減少光污染等。

當裝置啟動時，太陽能供電系統向蓄電池充電，并為其他模塊提供穩定的直流電源；光電感應模塊和溫度傳感模塊分別根據外界光照強度和溫度變化產生相應信號，并輸送給電氣控制模塊；電氣控制模塊根據光電感應模塊和溫度傳感模塊輸出信號及用戶設置參數進行邏輯判斷，通過驅動芯片控制繼電器通斷來驅動直流減速機轉動；卷簾機械機構在直流減速機驅動下控制卷簾在導軌上滑行，使卷簾自動收起或放下。當光照強度低于設定閾值時，卷簾自動收起，反之卷簾則自動放下；當溫度低于設定閾值時，卷簾自動收起，反之卷簾自動放下。此外，用戶可以進行手動控制和參數設置，如開關、暫停、調節、查詢等。

2 基于光電感應系統調控的農業大棚智能卷簾裝置各模塊結構與功能

2.1 太陽能供電系統

太陽能供電系統主要由太陽能板、蓄電池、穩壓器等裝置組成。太陽能板安裝在大棚頂部，并與蓄電池、穩壓器等連接。太陽能板可將太陽能轉化為直流電，并將多余的電能儲存到蓄電池中，以便夜間或陰雨天使用。穩壓器將蓄電池輸出的不穩定直流電轉化為穩定的5 V 或12 V，并分別為其他模塊提供適合的工作電壓。該系統可以根據不同地區和不同季節的光照條件進行自適應調節，并在停電或發生故障時提供備用電源，從而保證大棚自動化系統的正常運行。此外，太陽能供電系統具有運行成本低、環境污染小、可靠性強和靈活性強等優點，不受地域和季節的限制，可以為大棚提供長期穩定的能源，從而減少對傳統能源的依賴和消耗。

2.2 光電感應模塊

光電感應模塊主要由光敏二極管、比較器等裝置組成。光敏二極管是一種利用光電效應原理產生電信號的元件，由兩個半導體材料構成一個PN 結。當PN結兩端接上外部電路時，就會在PN 結附近產生一個內建電場。當光線照射到PN 結時，會在PN 結兩側產生載流子，從而在外部電路中產生一個與光線強度成比例的光電流。光敏二極管可以實時監測大棚內部的光照強度變化，并將這些變化轉換為相應的電信號。這些電信號會被輸送到比較器中，與設定的光照強度閾值進行比較，然后輸出高低電平信號給電氣控制模塊。電氣控制模塊根據這些信號控制卷簾收起或放下，從而調節大棚內部的光照強度，為作物提供適宜的生長環境。光敏二極管的特點是其對不同波長的光線有不同的響應程度，因此可以根據需要選擇合適的光敏二極管來監測不同強度和顏色的光線。比較器是一種能夠比較兩個輸入信號大小并輸出相應結果的電路，通常由運算放大器構成。比較器的作用是將光敏二極管輸出的電信號與設定的閾值進行比較，并根據比較結果輸出高低電平信號。

2.3 溫度傳感模塊

溫度傳感模塊主要由溫敏元件、比較器等裝置組成。溫敏元件是一種隨著溫度變化而改變其物理或電學性質的元件。溫敏元件可以實時監測大棚內部的溫度變化，并將這些變化轉換為相應的電信號。這些電信號會被輸送到比較器中，與設定的溫度閾值進行比較，然后輸出高低電平信號給電氣控制模塊。電氣控制模塊根據這些信號控制卷簾收起或放下，從而調節大棚內部的溫度和濕度，為作物生長提供良好的環境條件。常見的溫敏元件有熱敏電阻、熱電偶等。熱敏電阻是一種隨著溫度變化而改變其電阻值的元件，可以用來監測較低范圍和精度的溫度變化。熱電偶是一種由兩種不同金屬材料組成的閉合回路，可以用來監測較高范圍和精度的溫度變化。在實際應用中，可以根據需要選擇合適的溫敏元件來監測不同范圍和精度的溫度變化。在溫度傳感模塊中，比較器的作用是將溫敏元件輸出的電信號與設定的閾值進行比較，并根據比較結果輸出高低電平信號。

2.4 電氣控制模塊

電氣控制模塊包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、驅動芯片、繼電器等。PLC 是一種專用于工業控制的微型計算機，具有可編程、可擴展、可監測等特點。PLC可以根據用戶編寫的程序執行各種邏輯運算和控制指令，從而實現對各種設備和過程的自動控制。在此裝置中，PLC 可以根據光敏二極管和溫敏元件輸出信號及用戶設置參數進行邏輯判斷，并通過驅動芯片控制繼電器通斷來驅動卷簾機械機構運轉，實現卷簾自動收起或放下［3］。驅動芯片是一種用于驅動繼電器或其他負載的集成電路，可以將PLC 輸出的低功率信號轉換為高功率信號，并提供過流、過壓、短路等保護功能。繼電器是一種用于實現電路開關或轉換的電控器件，其由線圈和觸點組成。當線圈通電時，繼電器就會吸引觸點閉合或斷開，從而實現對負載的控制。

2.5 卷簾機械機構

卷簾機械機構包括直流減速機、鏈條輪、鋼絲繩等部件，需要安裝在大棚頂部的兩端。直流減速機是卷簾機械機構的核心部件，在電氣控制模塊的控制下可正反轉動，帶動鏈條輪和鋼絲繩滑行，從而實現卷簾在導軌上的收放。直流減速機的特點是具有調速功能，且噪聲較小，可以通過調整電氣控制模塊中的參數調節轉速。鏈條輪和鋼絲繩則起到傳遞動力的作用。此外，用戶可以通過遠程控制器或手機App 手動控制卷簾的收放，以滿足不同的農業生產需求。

3 基于光電感應系統調控的農業大棚智能卷簾裝置應用優勢

3.1 節能環保

該裝置采用太陽能光伏板供電，將太陽能轉化為電能，既節約了非可再生資源，又減少了溫室氣體排放和環境污染。同時，該裝置可以利用蓄電池儲存多余的電能，在沒有太陽光時仍然可以正常工作，保證了系統的穩定性和可靠性。

3.2 可實現智能控制

該裝置可實時監測大棚內外部的光照強度和溫度變化，并自動控制卷簾的收放，實現大棚內部光照和溫濕度的智能調節，為作物生長提供良好的環境條件。當溫度過高或光照強度過強時，卷簾自動展開，能避免過熱和光照過強對作物造成傷害；在溫度過低或光照強度過弱時，卷簾自動關閉，以保持大棚內部的溫度和濕度適宜，保證作物的正常生長。同時，該裝置可以通過手機App 或語音助手進行遠程控制和參數設置，提升了系統的智能化水平和用戶體驗。

3.3 結構簡單輕便，易于安裝和維護

該裝置采用簡單可靠的卷簾機械機構和直流減速機驅動方式，易于安裝在大棚頂部，并且運行平穩、噪聲小、故障率低、維護方便。同時，卷簾采用雙層布料結構（在卷簾布料上下兩層之間留有一定空隙，并在空隙中注入空氣或其他氣體，利用空氣層隔離熱傳導效應，阻擋熱量的流動），有效降低了卷簾雙層布料之間的溫差，增加了卷簾的隔熱性能，并減輕了卷簾對大棚的壓力。

3.4 可提高農業生產效率

該裝置可以根據外界環境變化自動調控卷簾狀態，保持大棚內部溫度和光照適宜，為農作物的生長提供良好的環境條件。同時，該裝置可以根據不同作物的需求進行定制化設置，可提高農業生產的精細化管理水平，對于滿足日益增長的農產品需求和提高農民收入具有重要意義。

3.5 能降低運行成本

該裝置采用太陽能作為主要供電方式，無須外接電源，避免了電費等額外開支。同時，該裝置采用簡單耐用的卷簾機械機構和直流減速機驅動方式，減少了運行維護成本，對于降低大棚生產投入和提高大棚生產效益具有重要意義。實踐證明，應用該裝置可以節省30%～50%的能源投入和10%～20%的人工成本。

3.6 可擴展性強

該裝置采用模塊化設計思路，不同模塊之間通過簡單連接方式組合，易于擴展和升級。例如，可以增加溫室自動灌溉、二氧化碳濃度監測、土壤肥力監測等模塊，提高溫室生產的自動化程度［4］；可以增加視頻監控、防盜報警、語音播報等模塊，提高溫室生產的安全性和便利性［5］；可以增加數據分析、云存儲、遠程管理等模塊，提高溫室生產的智能化水平。

3.7 適用范圍廣

該裝置適用于各類作物種植，如蔬菜種植、花卉種植等。用戶可以根據不同作物的需求進行定制化設置，如對于需要較長日照時間或較高溫度的作物，可以手動延長卷簾關閉時間或提高溫度閾值等。此外，該裝置適用于不同地區的氣候環境和天氣變化，用戶可根據不同環境條件進行相應的參數設置和調節，適用范圍廣、靈活性強。

4 結語

筆者開發設計了一種基于光電感應系統調控的農業大棚智能卷簾裝置。該裝置可以實現卷簾的自動收放和遠程控制功能，不僅可以保持大棚內部環境條件適宜，提高生產效率，還可以節約資源、減少污染、降低成本。在未來的農業生產中，該裝置具有廣闊的應用前景和重要的推廣價值。