大棚水稻育苗自動溫控放風裝置的設計研究

聶影　安鶴峰　章慧全　田家治

摘要：針對水稻育苗大棚的卷膜和放膜主要靠人工手動操作完成的現實問題，研制智能溫控通風裝置。介紹溫控器智能控制卷膜器開閉風口的原理及方法，詳述智能溫控通風裝置主要部件的原理、組成及特點，為水稻秧苗生長創造適宜的生長環境。

關鍵詞：智能溫控放風裝置；大棚；設計；電動卷膜器；溫濕控制器

中圖分類號：S625.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0023-04

水稻是遼寧省僅次于玉米的第二大糧食作物，常年種植面積保持在60萬hm2左右，占全省糧食總播種面積的17%左右；稻谷總產量約450萬t，占糧食總產量的23%左右。水稻種植技術主要有直播和育秧移栽兩種，現階段以水稻育秧栽培技術為主。大棚溫度是決定棚內水稻秧苗生長發育的一項重要環境因素。在水稻育苗過程中，大棚內的溫度變化快且分布不均勻，對水稻秧苗生長影響很大。目前，全省水稻育苗大棚的卷膜和放膜主要延用手動操作來完成，工作效率較低。為此，遼寧省農業機械化研究所研制出一種高智能溫控通風裝置，可根據水稻秧苗不同生長時期的溫度要求設定溫度，使水稻秧苗營養生長和生殖生長更合理。

1 智能溫控放風裝置的基本構成

1.1 工作原理

根據水稻秧苗在不同時期、不同生長階段對溫度的需要，設定適宜溫度。通過溫度傳感器將棚內信息實時傳遞到信息處理系統，操控系統接受指令后對信息進行分析，并控制卷膜器開閉風口，實現溫室內溫度的改變，為水稻秧苗提供良好的生長環境。智能溫控放風裝置具有自動降溫功能，不僅能夠保持理想的室內溫度，而且通過空氣交換把棚內的有毒氣體排出去，吸收新鮮的室外空氣，增加棚內二氧化碳的濃度，促進秧苗生長。

1.2 基本構成

根據降溫和補充二氧化碳等需要，大棚前坡覆蓋薄膜下部及上部均設置通風帶。傳統人工扒縫放風方法費時費力且容易損壞棚膜。為解放勞動力、改善作業環境、實現棚室溫度的自動控制，遼寧省農業機械化研究所研制了智能溫控通風機。

智能溫控通風裝置由開關電源、溫控器、減速電機、固定鉸接裝置、伸縮導向器、卷膜軸等組成（如圖1所示）。待卷薄膜上側固定在壓膜線上，下側卷在長軸上（用塑料卡箍卡牢），長軸的一端連在電動卷膜器上，通風開口寬度約800 mm，電動卷膜器控制長度由電機功率決定（見表1）。

2 智能溫控放風裝置的結構

智能溫控通風裝置主要分機械控制系統與智能控制系統兩部分。

2.1 機械控制系統

2.1.1 工作機理 在水稻育苗大棚端面側壁適當位置，在卷膜軸端部聯接減速電機。電機固定在可伸縮管的鉸接機構上，通過電機轉動位置變化來改變伸縮管長度，進而調整卷膜軸的位置。減速電機控制卷膜軸轉動，實現水稻育苗棚內的通風排放。

2.1.2 電動卷膜器的特點 1） DC24V低電壓，避免觸電事故；2） 鋁合金機體組合，密度強健，不會變形；3） 使用油性齒輪方式傳送動力，效力高，齒輪壽命長； 4） 內設特殊鋼制作后進行浸碳熱處理的高品質齒輪；5） 停止時不會自動滑下，完美的自動剎住功能； 6） 使用高級密封墊，有效防止雨水滲入；7） 設有透氣孔；8） 機體殼防銹、鍍鋅處理后噴塑處理。

2.2 智能溫濕控制系統

2.2.1 工作原理 系統以STM32微控制器為控制核心，以溫濕度傳感器為檢測單元，以電動卷膜裝置、噴淋裝置、無線上傳及控制裝置為執行單元，實現智能溫濕度的控制。溫濕度傳感器采集到大棚內空氣溫濕度和土壤溫濕度后，發送給單片機，單片機對信息進行處理后，一是通過電動卷膜裝置、噴淋裝置、報警裝置對大棚內的溫濕度環境進行實時監控；二是通過無線聯網裝置上傳環境數據，供用戶隨時查看，并進行實時調整控制。溫濕控制系統的工作流程及工作原理如圖2所示。

由水稻大棚秧盤育苗技術操作規程得知：播種后到小苗1.5葉前主要提溫保濕，這時要堵好大棚作業通道，排除棚外溝內的積水，以提高棚內溫度；棚室溫度控制在28～30 ℃為宜，棚內溫度不超過32 ℃，一般不需要通風。1.5片葉以后外界氣溫比較高，大棚內增溫較快，需要通風煉苗。白天溫度應控制在25～30 ℃；2.5葉后至插秧期的溫度保持在22～25 ℃，夜間溫度10 ℃以上時，可晝夜通風煉苗，這樣有利于小苗均衡增長。

2.2.2 結構及特點 溫濕控系統由溫濕度傳感器、LED顯示器、執行器、報警器、單片機組成。

1） 采集溫濕度。本系統采用的數字式PE防護型溫濕度傳感器，是一種體積小、抗干擾能力強、精度高、防水、數字化、功能強的零件，可以將采集到的實時溫度直接以數字信號的形式傳輸給單片機，不需要額外的A/D轉換。溫濕度傳感器的溫度測量范圍為-40.0～123.8 ℃， -10～80 ℃的測量精度為±0.5 ℃，濕度0～100% RH的測量精度為±4.5%RH，響應時間8 s（tau63%），功耗80 μW。

2） LED顯示。采用五組數碼管顯示，其中四組四段數碼管用于兩路溫度、濕度的顯示，反饋大棚內溫度及濕度的實時狀態；一組八段數碼管用于顯示設置代碼及相應參數。數碼管具有低耗能、壽命長、對使用環境要求低等特點，采用BCD編碼方式進行顯示，編譯命令簡單，價格低廉，且輸出精度很高。

3） 執行機構。執行機構主要包括繼電器、電機限位控制器、電機、噴淋等裝置。其有效對控制器發出的指令進行相應操作，實現放風降溫、噴淋降溫等功能。當大棚溫度達到設置上限時，控制單元發出指令：卷膜電機正轉卷起棚膜至上限位停止，通過放風進行降溫、噴淋進行降溫。大棚溫度降到設置的下限溫度時，卷膜電機反轉到下限位，同時噴淋裝置停止作業。土壤濕度低于下限值時，噴淋裝置進行噴淋作業，直到土壤濕度達到上限值時，停止噴淋作業。

4） 報警器。報警器對控制單元采集到的實時溫濕度與設定的上下限溫度進行比較，若超過設定的限值，發出指令給報警器，使其進行聲光報警。

5） GPRS遠程監控。GPRS能夠進行高速數據處理，以分組的形式將數據發送到終端，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術。系統通過流量卡聯入GPRS網絡，發送信息至服務器，用戶可實時調取大棚環境信息，并發送控制指令，進而有效、快速的調整溫濕度。多個大棚控制器通過一個接收發送裝置與服務器進行數據交換，GPRS接收發送裝置的無線覆蓋距離可達1 000 m。

6） 單片機?？刂茊卧獮镾TM32F1系列的32位內核處理器。其內部使用高性能ARM Cortex-M3的RISC內核，內置高速存儲器（64KB的SRAM和512KB的FM），工作頻率為70 MHz；豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設，包含3個12位的ADC檢測原件、4個通用16位定時器和2個PWM定時器；標準和先進的通信接口眾多，包括2個I2C、3個SPI、2個I2S、1個SDIO、5個USART。此系列芯片具有低電壓、低功耗、集成度高、體積小、可靠性高、結構簡單、使用方便、穩定運行、控制功能強等特點。單片機作為數據處理單元，對溫度傳感器輸入的16位二進制信息進行編程處理后，對數據進行顯示、報警及控制，并通過C語言編寫命令來完成各種控制。本系統的控制流程如圖3所示。溫度傳感器采集大棚空氣溫濕度以及土壤溫濕度傳輸給單片機，通過單片機判斷溫度是否超出預設值，同時通過LED數碼管顯示出溫度，報警器發出警報，并通過執行器進行降溫操作。

3 智能溫控通風裝置的優點

3.1 科學監控棚內溫度

根據水稻秧苗不同時期、不同生長階段，設定棚內適宜溫度后，該設備可自動監控棚內溫度，當溫度高于或低于設定溫度時，自動開關風口，保證棚內的溫度相對穩定，為水稻秧苗提供理想的生長環境。遇到連陰雨（雪）天氣及早晨需要通風時，棚內溫度較低，無法實現自動開關風口，可手動強制開關風口。

3.2 充分利用溫度資源

溫控機可將溫差控制在±1 ℃范圍內，使植物營養生長和生殖生長更合理，積溫和養分達到最佳效果。

3.3 減少生理病害

自動開關風口，棚內、外空氣進行交換，棚內有害氣體及時排出，增加棚內二氧化碳濃度，促進植物進行光合作用。棚內溫度相對穩定，作物生長環境適宜，提高抗病能力。避免驟降或驟升引起的高溫或低溫對秧苗生長的影響，從而減少生理病害，降低農藥、化肥的投入，進而降低生產成本。

3.4 提高農業生產效率

傳統降溫方式是工作人員寸步不離在現場看守，通過人工手動開關風口來控制棚內溫度。使用該設備后，可實現開關風口機械化作業，使棚內溫度始終保持在理想狀態，省工、省力，把農民從繁重勞動中解放出來，促使農業向更高層次發展。

4 結論

電動卷膜器是最新一代溫室卷膜通風降溫設備，可實現快速卷、放膜及溫室環境的自動控制。它具有重量輕、輸出扭矩大、輸出自鎖、行程調節精度高、調節范圍大、防雨水、防結露及耗電量低等特點，適用于不同氣候條件，是現代日光溫室的最佳選擇。智能溫控機能夠保證溫室高效節能，大幅度降低勞動強度和管理費用，提高勞動生產率，減少生理病害，從而使綜合效益顯著提高。智能溫控通風機為設施農業生產向標準化、規?，F代化方向發展提供必要技術支撐，對促進水稻穩產、高產具有重要意義。

參考文獻

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