日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)研究與應(yīng)用*

石建業(yè)， 羅有中，王嬌敏，石 剛，董建文

（1.定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅定西 743000；2.定西市金源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，甘肅定西 743000）

日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)研究與應(yīng)用*

石建業(yè)， 羅有中1※，王嬌敏1，石 剛2，董建文2

（1.定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅定西 743000；2.定西市金源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，甘肅定西 743000）

日光溫室是我國獨(dú)有的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培設(shè)施，但生產(chǎn)中存在著智能化、機(jī)械化程度不高的現(xiàn)狀。經(jīng)過兩年多試驗(yàn)優(yōu)化，完成了自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試制，改進(jìn)完善自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，研發(fā)了日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制器1套，取得國家專利2項(xiàng)。應(yīng)用日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，大大減輕了勞動(dòng)的強(qiáng)度，每天延長(zhǎng)光照時(shí)間1 h，使棚內(nèi)溫度提高3～5℃，棚內(nèi)作物生長(zhǎng)周期縮短，可提前5～6 d上市。溫室卷簾自動(dòng)控制系統(tǒng)作用顯著，得到廣大種植戶認(rèn)可，將成為日光溫室生產(chǎn)中重要的管理系統(tǒng)。

日光溫室 卷簾機(jī) 自動(dòng)控制 系統(tǒng) 研究

日光溫室是我國獨(dú)有的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培設(shè)施，具有保溫好、投資低、節(jié)約能源、高產(chǎn)高效等優(yōu)點(diǎn)，能充分利用太陽能，在寒冷地區(qū)一般不加溫進(jìn)行果蔬反季節(jié)越冬栽培，生產(chǎn)新鮮果品蔬菜，因此，在我國北方地區(qū)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。日光溫室生產(chǎn)中存在著智能化、機(jī)械化程度不高的現(xiàn)狀，尤其是日光溫室保溫被卷放，勞動(dòng)力投入多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全隱患多，制約了日光溫室的發(fā)展。日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)和推廣應(yīng)用，改變?nèi)展鉁厥疑a(chǎn)的方式，改善生產(chǎn)的環(huán)境條件，提高勞動(dòng)效率，顯著提高了種植效益。經(jīng)過兩年多試驗(yàn)優(yōu)化，完成了自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試制，改進(jìn)完善了自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，研發(fā)日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制器1套，取得國家專利2項(xiàng)。研發(fā)日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，大大減輕了體力勞動(dòng)的強(qiáng)度，是農(nóng)民從繁重緊張艱苦的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來，它改變了傳統(tǒng)的人工卷簾方法，比人工操作提高效率10倍以上。從經(jīng)濟(jì)角度來分析，它能延長(zhǎng)光照時(shí)間和卷放簾時(shí)間1 h，充分利用增加時(shí)間差來提高和保持室內(nèi)溫度，使棚內(nèi)溫度提高3～5℃，棚內(nèi)作物生長(zhǎng)周期縮短，可提前5～6 d上市。溫室卷簾自動(dòng)控制技術(shù)作用越來越明顯，得到廣大種植戶認(rèn)可，將成為日光溫室生產(chǎn)的重要的管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筇柨傒椛溆^測(cè)值為參數(shù)

結(jié)合多年實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，每天選擇太陽輻射變幅最大的區(qū)間作為自動(dòng)卷簾時(shí)間，每年的11月上旬至次年4月中旬為運(yùn)行時(shí)期，依據(jù)二十四節(jié)氣規(guī)律，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行微調(diào)，每月確定1次運(yùn)行參數(shù)，制定出最佳揭蓋簾時(shí)間。

1.2 以系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)

選擇電子元器件和動(dòng)力配件，經(jīng)過嚴(yán)密組裝配合，組成智能化自動(dòng)卷簾控制系統(tǒng)，是溫室自動(dòng)卷簾的核心系統(tǒng)，是區(qū)分于常規(guī)自動(dòng)卷簾的主要標(biāo)志，可在沒有工作人員的情況下自動(dòng)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行保溫簾的揭蓋，實(shí)現(xiàn)溫室光照與溫度的有機(jī)配合。

1.3 運(yùn)用電子元器件的集成

解決了自動(dòng)、遙控、手動(dòng)3種功能之間相互轉(zhuǎn)換的難題，實(shí)現(xiàn)任意跳轉(zhuǎn)，避免控制器之間的相互干擾，安裝安全控件使卷簾機(jī)準(zhǔn)確到位，保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高了日光溫室自動(dòng)卷簾機(jī)的安全性。

2 系統(tǒng)運(yùn)行總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成將減速機(jī)與電機(jī)相結(jié)合，或利用現(xiàn)有的自動(dòng)卷簾機(jī)等動(dòng)力設(shè)備，組成溫室自動(dòng)卷簾的動(dòng)力系統(tǒng)，與溫室自動(dòng)卷簾控制系統(tǒng)配套組合，組成完整的溫室自動(dòng)卷簾智能系統(tǒng)。

日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)路線

表1 系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)

圖1 外形結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)

系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)（表1）

2.3 外形結(jié)構(gòu)

本儀器由單片微型計(jì)算機(jī)（微電腦）、時(shí)鐘、輸出控制、顯示屏、觸摸鍵盤、射頻遙控組件及儀器外殼等組成。

儀器外型結(jié)構(gòu)如（圖1）。

2.4 內(nèi)部構(gòu)造

內(nèi)部構(gòu)造（圖2）。

表2 正常天氣條件下的蓋簾時(shí)間

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)工作原理

日光溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制器中設(shè)置兩塊微電腦時(shí)控開關(guān)，輸入數(shù)據(jù)后，微電腦系統(tǒng)的信息反饋到電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器，電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器將啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，從而完成保溫簾的自動(dòng)卷放。

在一般情況下，系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)，微電腦系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別每天的開關(guān)時(shí)間，與外界環(huán)境無關(guān)，這就大大減少外界環(huán)境給系統(tǒng)造成的誤差。手動(dòng)控制只有在特殊情況下才能使用，只要按下手動(dòng)開關(guān)，日光溫室卷簾就會(huì)鋪放或收攏，不受時(shí)間限制。另外，系統(tǒng)還具有時(shí)差補(bǔ)償、時(shí)間調(diào)整（包括年、月、日、時(shí)、分、秒、周）等功能。當(dāng)外部供電臨時(shí)停止時(shí)，本儀器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用電源（內(nèi)電源），使存入的數(shù)據(jù)不丟失，時(shí)鐘正常運(yùn)行。

4 研究結(jié)論

4.1 建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

按照氣象部門每天定時(shí)的太陽輻射、溫度觀測(cè)值，依據(jù)太陽輻射的變化規(guī)律，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；依據(jù)數(shù)據(jù)庫分別選擇上午太陽輻射在20～40 w/m2，下午太陽總輻射在110～50 w/m2之間為最佳揭蓋簾時(shí)間，同時(shí)結(jié)合二十四節(jié)氣規(guī)律和多年實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，確定了最佳的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，是溫室自動(dòng)卷簾的基礎(chǔ)系統(tǒng)（表2）。

4.2 研發(fā)自動(dòng)卷放簾控制系統(tǒng)

以最佳的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)，選擇適宜的自控元器件和動(dòng)力元器件，經(jīng)過嚴(yán)密組裝配合，組成自動(dòng)卷放簾控制系統(tǒng)，是溫室自動(dòng)卷放簾的核心系統(tǒng)，是區(qū)分于常規(guī)自動(dòng)卷簾的主要標(biāo)志，可在沒有工作人員的情況下自動(dòng)進(jìn)行保溫簾的卷放，實(shí)現(xiàn)溫室光照與溫度的有機(jī)配合。自動(dòng)卷放簾控制系統(tǒng)的核心系統(tǒng)全部成本約2 000元，使用壽命5年以上。投資回收率快，成本低廉，易于推廣。

4.3 編程數(shù)據(jù)

將揭蓋簾開啟和關(guān)閉時(shí)間組輸入到微電腦定時(shí)控制器，定時(shí)控制器按照設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的控制，控制信息傳送給設(shè)備，完成自動(dòng)控制。在一個(gè)定時(shí)控制器上可以設(shè)定多組器時(shí)間，操作簡(jiǎn)單、使用方便。同時(shí)還安裝遙控器控制和手動(dòng)控制，在自動(dòng)控制出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，遙控控制和手動(dòng)控制任何一個(gè)都可以來控制整個(gè)系統(tǒng)。

5 技術(shù)成熟度及推廣應(yīng)用情況

5.1 技術(shù)先進(jìn)性和成熟度

國內(nèi)先進(jìn)的自動(dòng)卷簾機(jī)系統(tǒng)主要是以手動(dòng)開關(guān)控制自動(dòng)卷簾，而研發(fā)的日光溫室智能化自動(dòng)卷簾控制系統(tǒng)主要是用已輸入的數(shù)據(jù)庫自動(dòng)開啟器，從而達(dá)到自動(dòng)卷簾。該系統(tǒng)是以當(dāng)?shù)氐奶柨傒椛錃庀笥^測(cè)值為基礎(chǔ)，依據(jù)二十四節(jié)氣規(guī)律和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，確定了最佳的揭蓋簾時(shí)間，然后在微電腦控制器中輸入揭蓋簾時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制操作。日光溫室自動(dòng)卷簾控制系統(tǒng)是將智能化和機(jī)械化相結(jié)合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能自動(dòng)控制拉放時(shí)間，卷放自如，大幅度地提高效率，極大地減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，解放了勞動(dòng)力。每次只需6～7 min，每天可使作物延長(zhǎng)光照時(shí)間1～2 h左右，改變了作物的生長(zhǎng)環(huán)境，極大的提高了日光溫室的種植效益。

5.2 發(fā)展前景分析

日光溫室是北方農(nóng)村發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高農(nóng)民收入的重要手段之一，也是農(nóng)民返鄉(xiāng)創(chuàng)業(yè)的重要項(xiàng)目，日常管理中人工卷簾是體力勞 動(dòng)相當(dāng)大的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于電動(dòng)卷簾機(jī)卷簾與人工卷簾相比具有減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、延長(zhǎng)光照時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)受到大棚種植戶的歡迎應(yīng)用越來越普遍。

5.3 推廣應(yīng)用情況

此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了溫室保溫簾的自動(dòng)化控制，工作人員不在現(xiàn)場(chǎng)亦能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)自動(dòng)卷簾，揭蓋簾時(shí)間在6～7 min，縮短了揭蓋簾時(shí)間1 h；由于增加了光照時(shí)間，充分地利用了時(shí)間和光照強(qiáng)度，可提高棚內(nèi)溫度2～3℃，滿足溫室作物生長(zhǎng)需要，促進(jìn)溫室作物增產(chǎn)；可大大延長(zhǎng)溫室光照時(shí)間，溫室積溫增加，使溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)周期縮短、早熟，作物能提前上市5～10 d，賺取時(shí)間差價(jià)；改變了傳統(tǒng)人工卷簾的操作方法，提高卷簾效率十幾倍，減輕了人工卷簾的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率。

6 存在問題及解決辦法

6.1 保溫被過卷事故

保溫被在降雪后自動(dòng)卷起時(shí)，易發(fā)生從溫室后坡面滾下，對(duì)棚頂造成很大損壞，還容易造成人身傷害。通過在棚頂卷起保溫被的停放位置設(shè)置了行程開關(guān)，當(dāng)卷起的草簾到達(dá)停放位置時(shí)，行程開關(guān)自動(dòng)切斷電源，卷簾機(jī)停止運(yùn)行，防止了由于卷過而造成保溫被墜落。

6.2 電機(jī)和卷簾機(jī)損壞

在卷簾機(jī)卷起草簾時(shí)，如負(fù)荷超過電機(jī)的額定負(fù)荷，會(huì)使電流過大燒毀電機(jī)，甚至損壞卷簾機(jī)機(jī)頭。該系統(tǒng)設(shè)置了限流保護(hù)電路，當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)將電源切斷，保護(hù)了電機(jī)和卷簾機(jī)。

[1] 李 鋒，陳學(xué)東 溫室卷簾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 寧夏農(nóng)林科技，2012，53（12）：181～182

[2] 朱瑜紅．基于 STC 單片機(jī)的溫室定時(shí)自動(dòng)卷簾控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（12）：485～487

[3] 叢祥安，于麗穎．日光溫室卷簾機(jī)電氣保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與研究．特色農(nóng)業(yè)，2008，（1）：10～11

[4] 王晉生．日光溫室卷簾機(jī)的應(yīng)用與推廣．農(nóng)機(jī)推廣與安全，2006，（11）：38

國家科技部星火計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：甘肅半干旱區(qū)日光溫室自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用示范，項(xiàng)目編號(hào)：2015GA860004）

石建業(yè)（1963年—），本科，研究員，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)抗旱品種、節(jié)水灌溉、栽培技術(shù)及設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制研究。電話：18909328965，E-mail：dxsjy889@163.com

羅有中（1966年—）本科，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)研究和農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)研發(fā)