移動式大棚智能噴灌系統

秦彧

【摘 要】本作品的的設計應用了機電一體化、水肥一體化等技術及模塊化設計思想，能較好地解決現有大棚內采用移動式噴灌及微噴造成的水資源浪費、噴灌設備智能化程度低和拆卸不便等問題。與現有的澆灌裝置相比，存在以下創新點：（1）單噴頭全方位移動式噴灌，可選擇連續或間歇噴灌，減少出水重疊區及非作物區噴灌，實現準確噴灌；（2）智能噴灌，利用傳感器及單片機完成智能按需噴灌，實現自動化的同時提高水利用率；（3）集成創新，結合機電一體化及水肥一體化技術，達到節水節肥節省人力的效果。

【關鍵詞】智能 噴灌 傳感器 大棚

1設計背景

我國是一個嚴重缺水的國家，人均水資源量僅為世界平均水平的28%。因此節水灌溉技術的推廣及發展對于我國經濟、社會及生態的可持續發展具有重要意義[1]。據調研結果及資料顯示，目前農業上主流的大棚噴灌設備主要有固定式噴灌系統、移動式噴灌系統和微噴系統。固定式噴灌系統出水量大，重疊區域大，水資源利用率低；移動式噴灌系統大多采用多個噴頭同時噴灑整片作物區的方式，導致重疊區域增大，增加了非作物區的噴灑；微噴灌系統同樣采用多噴頭噴灌，出水為霧狀，澆灌時重疊區域大，水資源浪費嚴重。

基于此，我們提出了一種移動式大棚智能噴灌系統，與傳統農業大棚澆灌設備對比，該系統節能減排的優勢主要體現在以下三個方面：（1）根據實際土壤溫濕度，按需噴灌，減少水資源浪費；（2）單噴頭移動式全方位噴灌，噴灑均勻，能實現準確噴灌，提高水利用率；（3）采用水肥一體化技術實現水肥精量化，同時減少噴灑肥料用量和噴灑次數，改善生態環境。

2方案設計

該作品主要研究內容是設計一種新型的移動式大棚智能噴灌系統，可以解決現有噴灌設備噴灑時重疊區大、噴灑不均勻[2]、噴灌不準確且安裝拆卸困難等問題，還可依據實際情況選擇噴灌的模式，適應不同種植密度的作物，能夠很好地彌補傳統噴灌方式的不足，達到節水節肥節省人力的目的。

該裝置導軌高度為1.6m，噴頭距離地面的高度H及噴頭出水角度θ可調，從而控制其出水范圍以滿足常見的作物區寬度D，符合實際噴灌作業的壟寬要求，實現精確噴灌，提高水資源的利用。

3機械結構設計

移動式大棚智能噴灌系統機械結構部分由噴灌模塊、傳動模塊和水肥混合模塊三部分組成。噴灌模塊調節出水的高度及錐度以適應不同壟寬的作業區；傳動模塊使噴灌模塊縱向及橫向移動，實現單道、多道噴灑；其整體機械結構如圖1所示。

1-底座支撐；2-行程開關；3-同步帶輪；4-步進電機1；5-車輪；6-錐齒輪；7-步進電機2；8-車體；9-水管；10-快速拼接導軌；11-同步帶；12-步進電機3；13-文丘里施肥器；14-電磁閥；15-噴頭；16-可伸縮噴頭連接桿

圖1 整體結構圖

步進電機2和步進電機3同步轉動，通過錐齒輪傳動實現橫向小車前行，完成單道噴灌，控制噴灌小車的運動速度v1以調節噴灑量；步進電機1主軸轉動，通過同步帶帶動噴灑小車實現往復運動，完成多道作物區的噴灌；控制步進電機1的轉動速度以適應不同的壟間距；依據作物區的不同壟寬，調整噴頭角度及高度，實現準確噴灌；利用文丘里施肥器連接進水管道，實現水肥一體化。同時，通過溫濕度傳感器的實時監測，由信號控制系統工作，實現智能按需噴灌。

3.1噴灌模塊

3.1.1噴頭移動結構設計

連接桿連接噴頭與車體，車體內夾持板與同步帶上側固定，當電機帶動同步帶運動時，噴頭隨之在上方導軌上往返運動，實現單軌道的噴灌，避免非作物區的噴灌，達到準確噴灌的目的，節約水資源。

3.1.2可伸縮噴頭結構設計

考慮到不同植物澆灌時力度、占地面積的不同，我們采取兩種方案來調節噴頭出水范圍，從而適應不同的作業區：

（1）通過旋轉噴頭的角度，其出水錐度可調范圍為0°到90°；

（2）設計長度可調的噴頭連接桿，由蝶形螺釘鎖緊定位，使其可調范圍為0—20cm，實現噴頭距離地面高度調節范圍為60cm—80cm進而保證其能適應0cm—160cm的壟地寬度，滿足現有實際大棚中作物區的寬度。

3.2傳動模塊

傳動模塊包括縱向傳動及橫向傳動兩部分。縱向移動時，步進電機2、步進電機3同時帶動兩側的錐齒輪轉動，從而驅動小車車輪轉動，并保證兩側小車的同步移動，實現單道壟地的噴灑；橫向移動時，步進電機1帶動同步帶輪轉動，從而使同步帶平穩運動，為噴頭小車提供動力，實現多道壟地的切換，從而減少噴頭的使用數量和管道布置的復雜程度，節約成本。

3.3水肥混合模塊

采用文丘里施肥器實現水與肥料的混合噴灌，根據實際需要，調節噴灌時的水肥比例，改變傳統澆灌時澆水與施肥分開作業的方式，避免多次作業，減少水資源的浪費。其工作原理如下：水流通過管道時，流經狹窄部分時形成負壓，將肥料溶液從一敞口肥料罐通過小管徑細管吸取上來。使用時無需外部能源，操作簡單且養分濃度均勻，易于實現水肥精量化，減少噴藥量和噴灑次數，還能達到節省人力的效果。

4控制模塊設計

4.1整體方案設計

采用STC89C52單片機為控制核心，該部分主要包括顯示屏、單片機、溫濕度傳感器、鍵盤、步進電機驅動器、電磁閥以及行程開關等。為滿足現有大棚植被種植疏密程度，設定連續噴灌及間歇噴灌兩種噴灌模式，實現大棚的自動灌溉，采用溫濕度傳感器模塊對大棚的土壤濕度進行實時檢測，把監測到的濕度值與設定濕度（土壤所適合的水分下限值）[3]進行比較，當低于設定的濕度值時，則啟動系統進行噴灌。本系統可實現按需噴灌，無需人工操作，節省人力，同時相對于傳統的定時噴灌模式，有效地減少了水資源的浪費。

4.2監測模塊

監測模塊由溫濕度傳感器和信號處理電路構成，溫濕度傳感器能實時監測土壤中的溫濕度值，通過信號處理電路將模擬信號轉換為數字信號，再經由單片機與預設的濕度值進行比較，當測定的濕度低于設定濕度，系統開始工作，從而實現按需噴灌。

4.3鍵盤及顯示模塊

用戶進入界面可通過鍵盤選擇噴灌模式，采用12864液晶屏對系統工作狀態予以顯示；同時可設定濕度下限值、壟地總量及移動距離，以滿足不同作物的生長需求及作物區的要求。

4.4步進電機驅動模塊

本作品采用3個57GYGH206步進電機及其配套驅動器實現動力輸入，并通過單片機編程控制步進電機的轉動量，實現小車在橫縱兩個方向上的精確移動，完成對作物區的精確噴灌，減少了出水重疊區域的噴灌及非作物區的噴灌，提高了水資源的利用率。

5大棚效益分析

我國現有的90萬hm2大棚， 主要種植各種時令蔬菜、花卉和經濟作物，灌水定額為9 000～12 000 m3/hm2[4]，按9000 m3/hm2計算每次大棚澆灌用水總量：

以武漢市蔬菜科學研究所良種試驗場進行實驗的節水情況推算全國大棚的節水效益，依據節水率29.6%、18%計算得出，若將該智能噴灌系統推廣全國，按武漢現有澆灌方式為傳統噴灌方式約占22.7%和微噴占67.3%計算（數據來自武漢市農科院），每年大棚澆灌可節省水量：

據調查，該節水量約為1500萬戶普通家庭一年的生活用水量，節水效益可觀。

6結語

資源、環境及可持續發展史人們未來余姚共同面臨的議題。節約資源、保護環境、實現可持續發展需要大家共同的努力。移動式大棚智能噴灌系統就是基于節約用水、實現可持續發展考慮的。該作品主要運用機電一體化、水肥一體化等技術，達到了良好節能減排的效果，能為農業澆灌節約大量水資源。除此之外，該作品應用了模塊化設計，能適應不同作業環境，操作、拆卸方便，適應性廣。

參考文獻：

[1]那漢坤.對農業節水灌溉技術中噴灌系統優缺點的分析[J].農業與技術，2013，（11）：55-56.

[2]楊振坤.噴灌的特點分析[J].黑龍江水專學報，2005，6，（32）：74-76.

[3]李百鳳，馮浩，吳普特.作物非充分灌溉適宜土壤水分下限指標研究進展[J].干旱地區農業研究，2007.5，25（3）：227-228.

[4]楊培嶺，任樹梅.發展我國設施農業節水灌溉技術的對策研究[J].節水灌溉，2001，（2）：7-9.