日光溫室通風系統的設計與實現

2015-10-21 19:33:34劉林等

山東農業科學 2015年5期

劉林等

摘要：針對傳統溫室通風方式費事費力且存在安全隱患或卷軸因受力不均易折斷的問題，設計了一種日光溫室通風系統。該系統主要由電機、支架、滾軸、卷繩、卷軸和控制器等組成，通過采用多路“平拉”的通風結構，采用手動、遙控、短信和自動方式控制通風口薄膜的開啟范圍，實現快速降溫和降濕。該系統安全可靠，提高了勞動生產率，具有很高的市場推廣價值。

關鍵詞：日光溫室；通風；遙控；短信；自動控制

中圖分類號：S625.3文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2015）05-0115-04

Design and Implementation of Intelligent Greenhouse Ventilation System

Liu Lin1， Hou Jialin1，2*，Jiang Bin3

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China；

2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments， Taian 271018， China；

3.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China）

AbstractTroublesome， not security and easy break of rolling shaft due to uneven stress were the main problems present in the ventilation system of traditional greenhouse. For these problems， an intelligent greenhouse ventilation system was designed in this paper. It was composed of motor， bracket， roller， coiled rope reel and controller， etc. Through the manual method， remote control， text messages and automatic ways to control the size of air vent， and by the multiplex rope-pulling structure， rapid cooling and dehumidifying could be achieved in greenhouse. In conclusion， this system was safe and reliable to improve labor productivity， so it had higher value of market popularization.

Key wordsGreenhouse； Ventilation； Remote control； Text message； Automatic control

日光溫室在農業發展中意義重大，它使反季節蔬菜成為可能，不僅能大幅提高農作物的成活率，還縮短了農作物的生長周期。通風換氣是溫室生產管理中的一項重要任務，是將溫室內污濁的空氣直接排至室外，或經過凈化處理，使室內空氣環境符合衛生標準。普通的日光溫室，通常會在溫室上側和下側預留兩個通風口。

常見開啟通風的方式為人工手搖和電機卷膜。使用手搖方式，用戶必須爬到溫室頂端，既費事費力，又存在安全隱患；使用電機卷膜方式，雖節省了人力，但因電機安裝在溫室一側，運行時易使卷軸受力不均而折斷。針對上述問題，本試驗設計了一種智能型日光溫室通風系統，其中多線路“平拉”的通風結構解決了卷軸因受力不均易折斷的問題。系統根據預先設定的溫濕度閾值啟動電機，控制通風口的大小，實現快速通風降溫、降濕和換氣的目的，不僅可節省人力，提高勞動生產率，還有利于加快傳統農業向現代農業的轉變。

1機械結構設計

如圖1所示，該日光溫室通風系統主要由電機、支架、滾軸、卷繩、卷軸和控制器組成。電機安裝在支架上，支架與溫室底部固定在一起，使電機固定在溫室內不能移動。電機的另一端與滾軸通過齒輪和鏈條實現機械轉動。滾軸通過軸承連接在溫室兩端，并通過軸承與支架進行連接，滾軸可以沿軸心轉動，但不能上下移動。卷繩一端順時針繞在滾軸上，另一端逆時針繞在滾軸上，繞過滑輪，與卷軸固定。根據滾軸的長度，卷繩可以繞多路，使滾軸沿著溫室墻體受到的拉力均勻。轉動滾軸，在卷繩的帶動下，卷軸拉動塑料薄膜前后移動，完成通風口的開和關。電機選用能耗低、性能優越、振動小、噪音低和節能高的交流220 V減速電機。系統采用齒輪和鏈條傳動的方式帶動滾軸旋轉，增大了輸出扭矩。支架和滾軸、卷軸分別由角鐵和無縫鋼管焊接而成，為能滿足不同尺寸溫室通風的需要和方便安裝，支架、滾軸和卷軸長度可以依據實際溫室尺寸加工。

2控制器的設計

控制器主要由傳感器、stm32單片機、人機交互界面、遙控器、GSM模塊和電機驅動等組成（見圖2）。其中，傳感器可以測量溫室內外的溫度和濕度；人機交互界面主要由鍵盤和屏幕組成，用于預先設定上、下限閾值和顯示當前的溫濕度信息；電機驅動主要由三極管、繼電器和交流接觸器組成，用于直流弱電驅動交流強電。控制器通過手動、遙控、短信和自動四種方式對溫室通風系統進行控制。

2.1開啟通風口endprint

電機正轉，通過齒輪和鏈條將動力傳遞給滾軸，滾軸正轉，帶動卷繩轉動，固定在卷繩上的卷軸在卷繩拉力的作用下將通風口打開。

2.2關閉通風口

電機反轉，通過齒輪和鏈條將動力傳遞給滾軸，滾軸反轉，帶動卷繩轉動，固定在卷繩上的卷軸在卷繩拉力的作用下將通風口關閉。

3具體操作方式

3.1手動控制

用戶可以在現場進行手動控制，如圖3所示，SB1、KM1和JQ1為控制電機正轉的按鈕、交流接觸器和繼電器，SB2、KM2和JQ2為控制電機反轉的按鈕、交流接觸器和繼電器，SB3和JQ3為控制電機停止的按鈕和繼電器。SQ1和SQ2為安裝在通風口處的形成開關，當通風口完全打開或者完全關閉時，卷軸會碰到形成開關，進行限位保護，防止電機繼續工作，拉斷卷繩。

當按下按鈕（正轉），繼電器常開觸點閉合，交流接觸器線圈上電，其常開主觸點閉合，電機接通電源正轉，帶動卷軸旋轉，通風口逐漸變大，其常開觸點閉合形成自鎖保護，其常閉觸點斷開形成互鎖保護；當卷軸碰到形成開關時，交流接觸器失電，電機切斷電源停止旋轉，通風口完全打開。

當按下按鈕（反轉），繼電器常開觸點閉合，交流接觸器線圈上電，其常開主觸電閉合，電機接通電源反轉，帶動卷軸旋轉，通風口逐漸變小，其常開觸點閉合形成自鎖保護，其常閉觸點斷開形成互鎖保護，當卷軸碰到形成開關時，交流接觸器失電，電機切斷電源停止旋轉，通風口完全關閉。

在電機工作過程中，按下按鈕（停止），交流接觸器失電，電機停止工作，通風口的大小保持不變。

3.2遙控控制

用戶除在現場進行手動控制外，還可以進行遙控操作。遙控器通過驅動繼電器和交流接觸器完成電機的啟動和停止。圖4為遙控器驅動繼電器的電路，當按下按鍵，遙控器輸出高電平，經過光耦后，三極管8050導通，繼電器線圈回路接通電源，繼電器動作。當松開按鍵，遙控器輸出低電平，經過光耦隔離后，三極管8050截止，繼電器線圈回路切斷電源，繼電器停止工作。遙控器驅動三個繼電器，進而通過交流接觸器完成電機的正轉、反轉和停止控制。

3.3短信控制

單片機選用STM32F103增強型單片機，本單片機基于ARM Cortex-M3內核，具有性能高、成本低、功耗低的特點。GSM選用TC35i模塊，本模塊通過AT命令傳輸數據和指令，具有代碼簡單、便于操作和支持中英文格式短信的特點。

為了便于操作，將手機短信指令格式指定為：#指令*。例如：開啟通風口，需要通過手機向控制器發送“#open*”指令（表1）。

3.4自動控制

自動控制分為兩種模式，一種模式是通過溫度開啟和關閉通風口，開啟范圍由濕度確定；另一種模式是通過濕度開啟和關閉通風口，開啟范圍由溫度確定。圖5為溫室的俯視圖，其中S1、S2和S3分別為通風口部分打開、完全打開和完全關閉時通風口處薄膜的開啟范圍。

3.4.1通過預先設置溫度上下限閾值和濕度上下限閾值控制通風開啟溫室通風口的條件是當控制器檢測到室內溫度大于上限閾值（預先設定）時，單片機發出控制指令，啟動電機旋轉，帶動溫室通風口薄膜開啟，開啟范圍由室內濕度確定，此時通風口處薄膜的開啟范圍與溫度成一元函數關系，將這種關系近似為一次函數，以通風口處薄膜的開啟范圍為縱坐標，濕度為橫坐標建立直角坐標系。

假設H1 、H2、H分別表示預先設定的濕度下限、上限閾值和溫室實時濕度。規定：當控制器檢測室內濕度大于上限閾值（預先設定）時，完全打開通風口；當控制器檢測到室內濕度小于下限閾值（預先設定室內濕度）時，通風口部分打開。一次函數經過點（S1，H1）和（S2，H2）。當控制器檢測到室內濕度在上限閾值與下限閾值（預先設定）之間時，開啟通風口處薄膜的范圍為S，將點（S1，H1）和（S2，H2）代入一元一次函數S=aH+b得到：

S1=aH1+b

S2=aH2+b

求解得：a=S2-S1H2-H1，b=S1-S2-S1H2-H1×H1，代入S=aH+b中，得到開啟通風口處薄膜的范圍公式：

S=S1+S2-S1H2-H1×（H-H1）

關閉溫室通風口的條件是控制器實時檢測到室內溫度小于下限閾值（預先設定）。此時單片機發出控制指令，啟動電機工作，通風口完全關閉。

3.4.2通過設置濕度上下限閾值和溫度上下限閾值控制通風開啟溫室通風口的條件是當控制器檢測到室內濕度大于上限閾值（預先設定）時，單片機發出控制指令，啟動電機工作，開啟溫室通風口，開啟范圍跟室內溫度有關。此時通風口處薄膜的開啟范圍與溫度成一元函數關系，將這種關系近似為一次函數，以通風口處薄膜的開啟范圍為縱坐標，溫度為橫坐標可以建立直角坐標系。

假設T1 、T2和T分別表示預先設定的溫度下限、上限閾值和溫室實時溫度。規定：當控制器檢測到室內溫度大于上限閾值（預先設定）時，完全打開通風口；當控制器檢測到室內溫度小于下限閾值（預先設置）時，通風口部分打開。一次函數經過點（S1，T1）和（S2，T2）。當控制器檢測到室內溫度在上、下限閾值（預先設定）之間時，開啟通風口處薄膜的范圍為S，將點（S1，T1）和（S2，T2）代入一元一次函數S=aT+b得到：

S1=aT1+b

S2=aT2+b

求解得：a=S2-S1T2-T1，b=S1-S2-S1T2-T1×T1，代入S=aT+b中，得到開啟通風口處薄膜的范圍公式：

S=S1+S2-S1T2-T1×（T-T1）

關閉溫室通風口的條件是控制器檢測到溫室內的濕度小于下限閾值（預先設定），此時單片機發出控制指令，啟動電機工作，通風口完全關閉。

4結論

本試驗設計的智能溫室通風系統，采用多線路“平拉”的通風結構，克服了傳統“卷式”結構受力不均勻易造成折斷的弊端。控制器擁有的四種控制方式，既避免了用戶啟動電機通風親自到現場手動上電的麻煩，又使得用戶異地控制成為可能，還可以在溫室無人的情況下自動通風降溫與降濕。本系統操作簡單，具有很高的市場推廣價值。

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