溫室大棚智能除雪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王梓銘 陳秀芬

摘 要：基于對溫室大棚除雪功能運(yùn)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(shí)際問題，可以為農(nóng)業(yè)種植戶提供方便，減少因雪災(zāi)但來的經(jīng)濟(jì)損失。本文詳細(xì)介紹了此款溫室大棚智能除雪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；模型；自動(dòng)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(qiáng)，在大雪中容易坍塌，給國家和種植戶帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失和不便，為了抗擊雪災(zāi)，人們想出了各種因?qū)k法來減輕雪災(zāi)所帶來的損失。針對不同建筑種類的大棚，運(yùn)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(shí)，制冷劑被壓縮機(jī)加壓，成為高溫高壓氣體，進(jìn)入溫室內(nèi)機(jī)的換熱器（此時(shí)為冷凝器），冷凝液化放熱，成為液體，同時(shí)將室內(nèi)空氣加熱，從而達(dá)到提高室內(nèi)溫度，并在溫室內(nèi)頂部加裝暖風(fēng)筒，把多個(gè)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(fù)荷，但不足之處在于建設(shè)繁瑣，成本較大，一般農(nóng)業(yè)種植戶經(jīng)濟(jì)無法承擔(dān)；（2）手持式吹雪機(jī)除雪法。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備攜帶方便，經(jīng)濟(jì)成本輕，適合小面積使用，但需人工不定時(shí)清除積雪，具有時(shí)效性，晚上不能及時(shí)使用，且只能在積雪不大，沒有成凍雪的情況下使用，運(yùn)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(huì)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(fù)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(diǎn)下降，都在零度以下。如氯化鈉溶于水后冰點(diǎn)在-10℃，氯化鈣在-20℃左右，醋酸鹽類可達(dá)-30℃左右。鹽的溶解使含鹽雪水的凝固點(diǎn)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(dá)到冰水混合物平衡共存時(shí)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(zāi)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(dòng)清除積雪，因此具有較好應(yīng)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(dá)到預(yù)設(shè)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(jìn)行融雪除雪工作；吹風(fēng)系統(tǒng)作為除雪輔助，對積雪進(jìn)行機(jī)械吹風(fēng)除雪。以上2個(gè)系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)開啟從而達(dá)到智能除雪的功能，即解決了溫室大棚除雪不便的實(shí)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(dòng)除雪系統(tǒng)。查文獻(xiàn)分析可知，當(dāng)積雪達(dá)到10cm時(shí)，溫室大棚就會(huì)面臨被壓塌的風(fēng)險(xiǎn)，也就是說10cm為一個(gè)閾值，裝置最好能夠在積雪達(dá)到10cm之前就能開始工作。而壓敏電阻是一個(gè)感應(yīng)壓力從而轉(zhuǎn)變自身壓力值的存在，無法直接感應(yīng)雪的厚度，現(xiàn)需要將其兩者進(jìn)行一個(gè)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(shí)雪的密度可達(dá)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(dá)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(diǎn)，而是整一個(gè)面，則我們需要重新計(jì)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(dāng)壓敏電阻感受到壓力為0.49N時(shí)，必須啟動(dòng)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(fēng)扇進(jìn)行加熱和吹風(fēng)，以此達(dá)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(qiáng)度大能見度好的AWWP材料，用廣告雕刻機(jī)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(dòng)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(shí)將光電耦合繼電器及供電電池、穩(wěn)壓模塊、吹風(fēng)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(shè)備處于自動(dòng)待機(jī)狀態(tài)。

（2）下雪時(shí)，當(dāng)積雪達(dá)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(dòng)啟動(dòng)電熱絲加熱，同時(shí)運(yùn)行風(fēng)扇送風(fēng)輔助除雪。

（4）上述功能也可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇手動(dòng)開啟除雪模式。

七、相關(guān)拓展

溫室大棚有較高性價(jià)比，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植，今后還可以繼續(xù)開發(fā)手機(jī)APP應(yīng)用軟件，集大棚頂部壓力負(fù)荷；室內(nèi)、外溫度；室內(nèi)空氣濕度等等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過手機(jī)查看各類數(shù)據(jù)并控制除雪系統(tǒng)裝置的自動(dòng)啟停功能。實(shí)現(xiàn)了防患于未然，讓用戶及時(shí)對設(shè)備和安全隱患進(jìn)行及時(shí)處理，做到早發(fā)現(xiàn)早處理。同時(shí)，本除雪系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，功能簡單實(shí)用，除了運(yùn)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(gè)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(yīng)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(diǎn)，每個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)、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(shí)根據(jù)種植植物的需求提供各種聲光報(bào)警信息和短信報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)溫室集約化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。還能與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，形成控制要求，使大棚控制系統(tǒng)完成相應(yīng)控制，從而達(dá)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(dòng)力。

今后隨著科技的不斷進(jìn)步，本系統(tǒng)還可以不斷改進(jìn)，最終能實(shí)現(xiàn)融入到智慧城市這個(gè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(xué)教育集團(tuán)609級學(xué)生。

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