棚栽黑木耳智能控制系統的研究

陳慶文，紀彬，周麗麗

（黑龍江省科學院自動化研究所，哈爾濱150090）

棚栽黑木耳智能控制系統的研究

陳慶文，紀彬，周麗麗

（黑龍江省科學院自動化研究所，哈爾濱150090）

利用傳感技術、單片機和PLC技術，以通風、遮陽、噴淋等方式，設計適用于棚栽黑木耳的智能控制系統，本系統可對大棚內外環境、參數進行監測，采用遮陽、側卷簾、外噴淋、水簾、通風等多種方式確保棚內環境適于黑木耳生長。

傳感器；棚栽木耳；溫濕度控制

在黑龍江地區棚栽黑木耳時，為了保持棚內溫度，在夜間要用外遮陽材料覆蓋棚體采光面，待日出后揭開，如圖1所示。這種傳統的管理方式依靠人工操作，不但費工、費時、勞動強度大，而且卷、放簾的時間完全憑經驗，難以做到科學管理。近幾年，日光溫棚外敷材料的卷放逐步由卷簾機完成，雖節省了時間，卻要專人對溫棚逐個進行操作，卷放時間有很大的隨意性，難以根據作物的品種、日出時間的早晚和溫棚內的溫度進行動態管理。尤其是當前種植模式逐漸向規模化方向發展，傳統日光溫棚的管理模式與當前農業發展形勢不協調，日光溫棚生產環境條件不穩定、自動化程度低、勞動強度大與日光溫棚增產增收的矛盾日益突出。

1　黑龍江省棚栽黑木耳存在的問題

第一，溫度受外界影響大。每天的高溫階段，都會影響木耳的生長速度，并有可能滋生其他菌類，造成減產。第二，二氧化碳的濃度低。一般為了降低溫度，要在大棚塑料薄膜的外邊再覆蓋上一層或幾層遮陽網。雖然這樣在一定范圍內降低了溫度，但是卻阻礙了棚內的通風，減少了二氧化碳的補充。第三，濕度保持困難。木耳生長過程中對濕度的要求很高，不僅要將菌袋浸透，還要求菌袋周圍的空間濕度在特定時間內保持在一定水平。第四，棚內環境的調控難以掌握。棚內溫度、濕度和二氧化碳濃度三者之間的平衡，以人工方式很難控制，基本靠經驗來運作。第五，靠天養殖。一旦遇到高溫天氣，只能將大棚塑料膜揭開，曬棚而且不噴淋，保持棚內干燥，這對于木耳的質量、產量有很大影響。

圖1　無智能控制棚栽木耳形式Fig.1 fungus in the shed without intelligent control

2　大棚智能控制系統的設計目的

大棚智能控制系統應用在田間地頭，這種環境濕度大，時常斷電。而且系統的使用者為農民，要求操作簡單、方便，成本要低，易于維修和更換。系統控制的內容主要是對大棚內溫度、濕度、通風、噴淋、光照和氣體成分做采集和控制。因此要做到以下幾方面：第一，利用相應的降溫手段，使棚內的溫度保持在25℃以下，以保證木耳處于生長期。第二，黑木耳生長過程中，主要依靠溫度、濕度和二氧化碳濃度，在保證溫度的情況下，考慮二氧化碳濃度，在前兩者都在允許的范圍內再考慮濕度，界限如下：溫度＜25℃時，二氧化碳濃度≥2 000ppm，濕度可以達到90%以上；溫度＞25℃時，濕度＜40%RH［1］。第三，當環境參數滿足時，考慮調控更精準的、適于木耳生長的環境參數控制方式。

3　大棚智能控制系統設計及各部分說明

根據采集參數和控制的執行設備，設計棚體結構如下圖2所示。

圖2　大棚智能控制棚體結構Fig.2 Structure of intelligent control shed

3.1降溫水簾風機

降溫水簾是一種特種紙制蜂窩結構材料，其工作原理是“水蒸發吸收熱量”。即水在重力的作用下從上往下流，在濕簾波紋狀的纖維表面形成水膜，當快速流動的空氣穿過濕簾時，水膜中的水會吸收空氣中的熱量，然后蒸發帶走大量的潛熱，使經過濕簾的空氣溫度降低，從而達到降溫的目的［2］。

當風機與降溫水簾的距離在30m左右時，保持棚內良好的密封，如圖2所示，當使用水簾風機降溫時，關閉頂部通風口、放下側卷簾，這樣通過降溫水簾可以使棚內的溫度降低5℃～8℃。配有水箱（水池+水泵）進行水循環，并考慮到大棚頂部要有可靠的支撐以保證水簾和風機的固定。

大棚尺寸為長30m、寬10m、頂高3.7m，經過通風量計算，采用兩臺1.1kW的重錘式風機，380VAC供電，交流接觸器方式控制啟停，安裝時在棚頂要有可靠的支撐。

3.2遮陽簾布

通過在大棚的上方鋪設簾布，防止陽光直射，從而降低棚內溫度。但需要在大棚外部搭建框架，設計安裝時考慮到防風并按照大棚的朝向來設計遮陽幕布的框架結構，最終實現以較少的結構覆蓋整個大棚。

3.3棚頂的天窗

在棚頂開設天窗，要考慮密閉性，防止雨水進入棚內，以免其他菌類滋生，影響木耳生長質量。

3.4噴淋

噴淋分為兩部分：第一，棚外噴淋，降低大棚周圍環境溫度。第二，棚內噴淋，為菌袋補水，增加環境濕度，降溫。在棚內外鋪架水管和噴頭，采用電磁閥和管道水泵控制方式。

3.5棚側通風

采用在大棚側面安裝電控風門方式達到通風的效果，降低棚內溫度和二氧化碳濃度，在結束期可以加快自然干燥速度。

3.6控制部分

圖3　控制部分組成圖Fig.3 chart of control flow

通過棚內的各種傳感器將采集到的信號處理后傳給控制單元PLC，PLC按照編寫的程序控制執行設備的啟停，以完成對監測參數的控制要求。控制部分組成圖如圖3所示。

4　實施過程中的問題及解決方法

4.1棚內濕度高

該系統傳感器和通信線纜的防水、防潮是一定要解決的問題。本次設計之初已經考慮到防潮的問題，為傳感器變送板加裝防水外殼，殼體內放置干燥劑，并使用防水航空插頭，但現場試驗時發現，由于殼體封閉性能很好，殼體內部空間與殼外不通風，無法散熱，電路板上的二極管指示燈及七段碼LED顯示長時間發光，使運行造成殼體內部溫度升高，傳感器探頭部分采集實際溫度值偏高。根據實際情況大棚中觀察參數值可以由人機界面觸摸屏完成，變送器部分只是方便參考，解決方案有兩種。一是將LED顯示去掉，只保留一個發光二極管作為電路板正常工作的指示燈，并改成貼片方式減少功率。二是增加顯示按鈕，在變送板原有基礎上增加一個外置按鈕，平時不顯示，按鈕按下，周期性顯示采集的參數，顯示三遍后停止顯示。

4.2棚內空間參數差異

設計時考慮棚內空間為300m2，由于區域比較大容易出現參數死角，各種傳感器多點分布采集，并作了垂直方向的落差布置，即每個傳感器的高度都不同。實際測試中發現水簾與風機之間的距離為30m，溫度相差3℃左右，溫度相差較大，不利于控制木耳產品的統一性。解決方法是在水簾與風機之間加裝環流風機，并增大重錘風機的外結構尺寸，加大風量，同時將風機折頁的最終開啟方向與地面成30°，防止增加大棚進風口的風溫。

4.3降溫水簾水流控制

降溫水簾水流過大，水從水簾外部流走，沒有形成水幕，降溫效果不理想，水流較小時，水簾上部分有水幕，下部分已經干了，造成棚內高低區域溫度差。解決方案是調節閥門，控制水流的大小，對水簾的結構進行調整，將水簾供水部分加厚，包住蜂窩紙的部分加大，并將進水管的出水口由原來直接對著蜂窩紙，改為沖著外包壁，使得水流由外包鐵皮流到蜂窩紙上減少沖擊，降低水流強度。降低水泵的功率，由于水簾的高度在2.7m左右，水池底部與水簾最高處也不到4m，因此將抽水泵改成自吸泵，降低水壓。

4.4為水簾加裝防護網

野外昆蟲較多，由于蜂窩紙排列形狀和水流的關系，昆蟲進入后很難出來，昆蟲尸體堵塞蜂窩孔，是造成水幕面積、風量減小的原因，即使使用高壓沖洗也很難清理干凈。在加裝防護網時也要注意到，防護網與水簾之間至少間隔1m，防護網與水簾距離太近會造成風阻，減少進風量。

5　結論

通過加裝傳感器，對生產黑木耳的出耳棚做智能化改造，使棚內環境更適合黑木耳生長，同時也提高了系統對異常環境的抵抗能力，提高黑木耳栽培生產效率、降低人工勞動強度。課題組在海林菌類實驗基地進行了初步的測試實驗，證實可以通過水簾風機、噴淋方式將棚內的溫度控制在25℃，下一步我們將針對某一菌種，例如黑威15、黑29等品種的生長過程進行環境參數的模擬和控制。

［1］訾惠君.黑木耳、網脈木耳、毛木耳標準化栽培技術［M］.天津：天津科技翻譯出版公司，2009.

［2］張飛云.蔬菜大棚卷簾門和換氣扇步進電機智能控制器的設計［J］.湖北農業科學，2013，（15）：46.

Study on the intelligent control system of the black fungus in the shed

CHEN Qing-wen,JI Bin，ZHOU LI-li
(Institute of Automation of Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090 China)

Using the sensor technology,SCM and PLC technology,ventilation,shading,spray cleaning method,the design is suitable in greenhouse cultivation of Auricularia auricula intelligent control system,the system can be in inside and outside greenhouse environmental parameters monitoring and experimental sunshade,side roller,spray,water curtain,ventilation in a variety of ways to ensure that shed environment suitable for black fungus growth process requirements.

Sensor;Shed fungus;Temperature and humidity control

TP273

A

1674-8646（2016）19-0026-03

2015-07-28

陳慶文(1979-)，男，碩士，助理研究員。