教學型溫室大棚的研制

李巖舟，周 清，班彩霞，陳科余，詹 榮，鄒 明，韋敏立

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

廣西大學作為一所211類地方性院校，主要的辦學定位是立足廣西，服務廣西，服務“三農”，服務北部灣開發。本專業培養出的人才，如何能滿足廣西農業特色優勢產業機械化發展，能滿足東盟自由貿易區對廣西農機業的要求，將成為本專業培養中的重點。

由于廣西目前的農機市場主要是在東南亞，要想在該市場上具有一定的優勢，必須大力發展農機自動化控制技術。這就要求我們農業機械工程及其自動化專業的學生，除了要學習傳統的農業機械知識外，還要增加新興的機電一體化技術方面的內容。在此背景下，本專業于2006～2007學年第一學期，開設了機電一體化系統設計這門課程。

農機專業機電一體化系統設計這門課程，作為農業機械化及自動化專業大四上學期的專業選修課，是農機專業多門選修課程的一個總結。其將前面所學測試技術、電工學、微機原理以及其他機械類課程的知識進行了匯總。如何讓學生更好的理解學過的知識并學以致用，進而能自主設計機電一體化產品，成為本門課程的一個重點和難點。

通過對區內外各兄弟院校農機類專業課程的調研發現，各院校為提高學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，不約而同地通過加大實驗教學力度，來提高學生的學習效率和品質，但各院校大都采用室外實驗教學的形式進行。對于廣西大學來說，農機專業實驗教學面臨著室外實驗場地不足、設備嚴重老化的問題。所以通過大量的調研后，決定研制一款教學型溫室大棚[1]，作為農機專業機電一體化課程的實驗設備。

1 教學型溫室大棚的設計思路

傳統的溫室大棚，是農業機械中較為重要且綜合性較高的設備，由于其包含各種控制系統、執行機構及機械構架，一直為農機專業實驗教學所青睞。本專業在設施農業課程中，已開設類似實驗。學生主要通過去使用戶外的溫室大棚了解相關知識。但由于其操作控制要根據室外環境變化來進行，難以達到實時控制，學生只能停留在對溫室大棚構架和原理的了解上[2]，對其控制及細節上把握不夠，最后導致實驗變成了參觀，無助于提高學生的實踐教學。

所以，針對這一問題，有必要設計一種用于實驗教學的溫室大棚，要能滿足如下要求：

（1）占用空間盡可能小，以滿足室內教學使用；

（2）能夠模擬外界環境的變化，按照試驗需要設置環境；

（3）設置相關測量傳感器，能夠測量溫度、濕度及光照情況；

（4）設計便于操作的控制系統，收集傳感器輸入信號，輸出控制信號給驅動器。

（5）設計驅動設備，實現溫室內部環境的控制。

2 教學型溫室大棚的整體設計方案

教學型溫室大棚整體方案的設計，主要從大棚的骨架、遮陽幕系統[3]、光照控制系統、濕度控制系統、溫度控制系統等方面來進行研究[4]。

溫室的組成，首先要有一個能夠承載重荷的骨架，骨架位于跨度之間，并且在承受載荷之后，不能有過大的變形，其次還要考慮大棚的通風、采光等其他性能，從而充分發揮設施農業的優勢，減少農業生產在自然災害中的損失，提高經濟效益。

圖1為設計的溫室框架模型[5]，體積為200 cm×150 cm×150 cm，框架主體為Q235萬能角鋼，用不銹鋼螺栓連接，用PE塑料薄膜覆蓋，頂部安裝遮陽網。

圖1 溫室框架模型

教學型溫室控制系統，主要由STC12C5A60S2單片機、DHT11溫濕度傳感器、GZD-V1-15光照度變送器，LCD液晶顯示、繼電器控制模塊、報警模塊、LED指示燈、電爐加熱裝置、加濕器、排風扇、遮陽篷及熒光燈組成[6]。

其中，

STC12C5A60S2單片機，主要完成對外圍硬件的控制以及一些運算功能；

DHT11溫濕度傳感器，輸出數字信號給單片機；

GZD-V1-15光照度變送器，輸出模擬信號，經單片機內部AD轉換模塊轉換；

LCD液晶顯示，實時顯示溫濕度及光照強度值；

繼電器模塊，起隔離控制電流與工作電流作用，實現使用單片機小電流控制大電流的目的，通過繼電器控制外部電器工作，實現對溫室實時準確控制。

本系統控制原理結構框圖如圖2所示。

圖2 教學型溫室控制系統結構圖

其由分布式的數據采集與控制系統組成，外界環境模擬箱可通過人工控制，模擬外界環境變化（如溫度、濕度、光照強度等）。在模擬箱內，安裝了數據采集的傳感器，將光照變送器的輸出模擬信號和溫濕度傳感器的數字信號傳遞給單片機，單片機負責處理輸入信號并做出實時判斷，智能控制溫室內的執行機構，發生相應動作，使溫室內環境與外界環境形成負反饋，維持適合作物生長的環境條件。同時為了提升控制的靈活性，另設置了點動控制按鈕，使其更適合教學與生產要求。

3 結束語

本實驗裝置，給學生提供了一個良好的機電一體化課程的實驗平臺。通過基本驗證性實驗，給學生提供了一個機電一體化系統分析、控制和設計的學習平臺；通過實踐，使學生系統地掌握有關機電一體化技術基礎知識，培養學生綜合利用基礎知識和技能來分析和解決機電系統工程實際問題的能力；通過該綜合實驗環節，使學生掌握到先進的控制技術，通過親自動手拆裝、編程、調試，將能更好地鍛煉學生的動手能力，真正起到提高實踐能力、培養創新思維的作用。

同時實驗裝置還能用于農機專業新生入學的專業教育上，增加本院機電專業學生的實驗項目，讓同學通過對該實驗裝置的了解，激發學生對農機的興趣，樹立對農機的信心，明確未來的學習方向。

[1]張 鑫.大棚型日光溫室性能及其應用技術研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2010.

[2]郭長江，楊改云.玻璃溫室結構設計[J].鄭州輕工業學院學報，2000，（1）：65-67.

[3]劉東來.我國目前使用的溫室遮陽系統類型及性能（一）[J].設施園藝，2000，（9）：8-9.

[4]蔡啟運.溫室與大棚的設計[J].天津農業科學，1980，（02）：13-19.

[5]張安祥，孫 測，陸永強.裝配式單棟鋼管大棚的結構設計及搭建[J].浙江農村機電，2008，（4）：39-41.

[6]劉俊巖，張海輝，胡瑾，岳青，陳希同.基于ZigBee的溫室自動灌溉系統設計與實現[J]，農機化研究，2012,33（1）：111-118.