溫室大棚智能除雪系統(tǒng)的設計與研究

王梓銘 陳秀芬

摘 要：基于對溫室大棚除雪功能運用的深入研究，研制出了“溫室大棚智能除雪系統(tǒng)”模型。此款智能除雪系統(tǒng)能夠很好地解決溫室大棚除雪不便的實際問題，可以為農(nóng)業(yè)種植戶提供方便，減少因雪災但來的經(jīng)濟損失。本文詳細介紹了此款溫室大棚智能除雪系統(tǒng)的設計與制作。

關鍵詞：溫室大棚；模型；自動除雪；使用說明

一、緒論

玻璃蔬菜溫室大棚是具有出色的保溫性能的框架結(jié)構(gòu)大棚，它的出現(xiàn)使得人們可以吃到反季節(jié)蔬菜。從而很好的解決了人們的“菜籃子”問題。但是由于面積過大，造成骨架支撐結(jié)構(gòu)不強，在大雪中容易坍塌，給國家和種植戶帶來極大的經(jīng)濟損失和不便，為了抗擊雪災，人們想出了各種因?qū)k法來減輕雪災所帶來的損失。針對不同建筑種類的大棚，運用了各種除雪方法來清除積雪，防止因積雪過多而造成大棚的倒塌。如：（1）利用空調(diào)制熱原理除雪法。連棟溫室大棚因不易上人清雪，制熱時，制冷劑被壓縮機加壓，成為高溫高壓氣體，進入溫室內(nèi)機的換熱器（此時為冷凝器），冷凝液化放熱，成為液體，同時將室內(nèi)空氣加熱，從而達到提高室內(nèi)溫度，并在溫室內(nèi)頂部加裝暖風筒，把多個大棚連通，融化頂部積雪至溫室天溝，在天溝的頂面（須加防凍液）或下面加裝融雪管道，將天溝上的積雪融化流掉，以減輕溫室的壓力負荷，但不足之處在于建設繁瑣，成本較大，一般農(nóng)業(yè)種植戶經(jīng)濟無法承擔；（2）手持式吹雪機除雪法。優(yōu)點是設備攜帶方便，經(jīng)濟成本輕，適合小面積使用，但需人工不定時清除積雪，具有時效性，晚上不能及時使用，且只能在積雪不大，沒有成凍雪的情況下使用，運用情景較為單一；（3）使用消防水帶利用高壓沖水除雪法。該方法只適合室外溫度較高、積雪較薄的環(huán)境中使用，否則會造成積雪沖刷不凈，水被積雪阻擋，加上室外溫度低，極易出現(xiàn)冰凍，增加大棚頂部的壓力負荷，加大大棚倒塌的幾率；（4）撒融雪劑除雪法。氯鹽類融雪劑的融雪原理是：氯鹽類融雪劑溶于水（雪）后，溶液的冰點下降，都在零度以下。如氯化鈉溶于水后冰點在-10℃，氯化鈣在-20℃左右，醋酸鹽類可達-30℃左右。鹽的溶解使含鹽雪水的凝固點降低，因此在雪水中溶解了鹽之后就難以再形成冰塊。其原因是，融雪劑溶于水后，水中離子濃度增大，使水的液相蒸氣壓下降，但冰的固態(tài)蒸氣壓不變。為達到冰水混合物平衡共存時固液相蒸氣壓相等的狀態(tài)，冰便融化。故灑上融雪劑可以除冰雪，但是對環(huán)境的危害也是不容忽視的，特別是可能對土壤有害，對農(nóng)作物的生長也可能不利；（5）溫室大棚內(nèi)部燒火加溫法。通過在大棚內(nèi)部放置加熱的裝置，如電爐、生火、燒碳等，但極易引發(fā)火災和一氧化碳中毒。

綜合上述各類除雪方法均有利弊。因此，現(xiàn)研究大棚智能除雪系統(tǒng)，很好的解決了此問題。此款除雪裝置添加成本低，操作便捷，能自動清除積雪，因此具有較好應用前景。

二、功能簡介

溫室大棚智能除雪系統(tǒng)通過壓力傳感器感知到大棚頂部積雪達到預設壓力的情況下，將信號反饋給微型電腦控制板，由控制板接通電路并發(fā)出加熱指令至電熱絲，通過電熱絲發(fā)熱進行融雪除雪工作；吹風系統(tǒng)作為除雪輔助，對積雪進行機械吹風除雪。以上2個系統(tǒng)均能實現(xiàn)自動與手動開啟從而達到智能除雪的功能，即解決了溫室大棚除雪不便的實際問題。

三、“溫室大棚智能除雪系統(tǒng)”的主要結(jié)構(gòu)

四、“溫室大棚智能除雪系統(tǒng)”的物理原理

自動除雪系統(tǒng)。查文獻分析可知，當積雪達到10cm時，溫室大棚就會面臨被壓塌的風險，也就是說10cm為一個閾值，裝置最好能夠在積雪達到10cm之前就能開始工作。而壓敏電阻是一個感應壓力從而轉(zhuǎn)變自身壓力值的存在，無法直接感應雪的厚度，現(xiàn)需要將其兩者進行一個轉(zhuǎn)換。雪的密度變化范圍很大，新下的松軟雪的密度為0.04—0.1克/立方厘米，融雪時雪的密度可達0.6—0.7克/立方厘米，雪的平均密度為0.2—0.25克/立方厘米。現(xiàn)取其平均值，本模型溫室大棚單面的面積約為40cm*60cm，根據(jù)密度公式ρ=m/v，可知10cm厚的積雪質(zhì)量可達6Kg，根據(jù)重力公式G=mg，其壓力為58.8N。但積雪不是單單作用于一點，而是整一個面，則我們需要重新計算薄膜壓敏電阻上感受到的壓力。測量得到薄膜面積約為20平方厘米，占比1/120，則其感受到壓力值為0.49N。即當壓敏電阻感受到壓力為0.49N時，必須啟動電路開始工作。arduino為信號處理裝置，在接收到壓敏電阻信號后，控制輸出模塊即電熱絲和風扇進行加熱和吹風，以此達到除雪功能。

五、“溫室大棚智能除雪系統(tǒng)”的制作方法

（1）外形材料選用強度大能見度好的AWWP材料，用廣告雕刻機切割再拼合而成。長寬高分別為50CM、30CM、35CM，屋頂斜面長度21.25CM，角度為45度。

（2）自動除雪系統(tǒng)。在溫室大棚的一側(cè)安裝arduino uno控制模塊及供電電池；同時將光電耦合繼電器及供電電池、穩(wěn)壓模塊、吹風系統(tǒng)安裝于大棚頂部，將發(fā)熱電熱絲、薄膜式壓敏電阻安裝于大棚屋頂斜面處，利用3D打印技術(shù)打印出上述部件的固定支架；供電電池為9v。

（3）連接電路。

六、“溫室大棚智能除雪系統(tǒng)”的使用說明

（1）安裝好后，設備處于自動待機狀態(tài)。

（2）下雪時，當積雪達到一定厚度，薄膜式壓敏電阻感受大壓力變化，并將信號傳給arduino uno控制模塊。

（3）由arduino uno控制模塊發(fā)出控制指令，通過光耦合繼電器電，接通電源，自動啟動電熱絲加熱，同時運行風扇送風輔助除雪。

（4）上述功能也可以根據(jù)實際情況，選擇手動開啟除雪模式。

七、相關拓展

溫室大棚有較高性價比，廣泛應用于農(nóng)業(yè)種植，今后還可以繼續(xù)開發(fā)手機APP應用軟件，集大棚頂部壓力負荷；室內(nèi)、外溫度；室內(nèi)空氣濕度等等實時數(shù)據(jù)。通過手機查看各類數(shù)據(jù)并控制除雪系統(tǒng)裝置的自動啟停功能。實現(xiàn)了防患于未然，讓用戶及時對設備和安全隱患進行及時處理，做到早發(fā)現(xiàn)早處理。同時，本除雪系統(tǒng)安裝維護方便，功能簡單實用，除了運用在溫室大棚方面，還可以廣泛安裝到農(nóng)貿(mào)市場、工廠大型車間、老舊房屋等頂面上，解決因積雪引起的坍塌事故。

本系統(tǒng)是一個開元的系統(tǒng)，可以根據(jù)具體環(huán)境、具體條件，做出不斷調(diào)整，適應市場的各種需求。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配備無線傳感節(jié)點，每個無線傳感節(jié)點可監(jiān)測各類環(huán)境參數(shù)。通過接收無線傳感匯聚節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，進行存儲、顯示和數(shù)據(jù)管理，并以直觀的圖表和曲線方式顯示給溫室的用戶，同時根據(jù)種植植物的需求提供各種聲光報警信息和短信報警信息，實現(xiàn)溫室集約化、網(wǎng)絡化遠程管理。還能與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)進行綜合分析，形成控制要求，使大棚控制系統(tǒng)完成相應控制，從而達到農(nóng)作物的最優(yōu)生長環(huán)境。以此提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的培育產(chǎn)量和效率，成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的推動力。

今后隨著科技的不斷進步，本系統(tǒng)還可以不斷改進，最終能實現(xiàn)融入到智慧城市這個大數(shù)據(jù)平臺之中。

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作者簡介：王梓銘（2006-），男，漢族，浙江湖州人，湖州市愛山小學教育集團609級學生。

指導老師：陳秀芬（1989-），女，漢族，浙江湖州人，本科，中小學二級，湖州市愛山小學教育集團，從事小學科學教學工作，任學校教研組長。