超大型葡萄產業園智能陽雨棚設計

摘 要： 論述了超大型葡萄產業園智能陽雨棚設計，通過人為干預的辦法滿足葡萄生長全生命周期內的生長條件，提升其品質、口感、產量和價值，滿足人們對優質葡萄鮮果的需要，增加果農收入。智能陽雨棚采用前低后高的鋼結構框架，在框架上設置卷軸，卷軸上設置遮陽遮雨布，電動機帶動遮陽遮雨布的關閉和打開。電動機的轉動由各個傳感器給控制器提供信號，控制器控制電動機正反轉。試驗測試結果表明，各項性能指標滿足超大型葡萄產業園的需要。

關鍵詞：葡萄產業園；智能陽雨棚；控制器；執行器；遮陽遮雨布

中圖分類號：S224 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0090-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411313

0 引言

我國葡萄產量全球第1 位，種植面積全球第2 位，葡萄干產量全球第3 位。我國超大型葡萄產業園主要分布地區有7 個，南方地區（江蘇省、浙江省、安徽省、湖南省等）、環渤海灣地區、新疆地區、黃土高原地區、黃河中下游地區（河南省等）、吉林長白山產區和西南地區。葡萄種植面積約8 萬hm2，單個產業園面積1～10 hm2，面積gt;2 hm2 的葡萄園稱為超大型葡萄產業園[1-6]。

現有葡萄遮陽遮雨依靠人力手工完成，機械化的應用比較少，主要存在面積大、成熟期集中、普通果銷售困難及優質果供不應求等問題。因此，如何提高葡萄的優質果率，是亟待解決的問題。南方地區雨水多、氣溫高是影響葡萄品質的主要因素，為此，本研究設計了超大型葡萄產業園智能陽雨棚，較好地解決了葡萄的淋雨和陽光灼傷帶來的果品質量降低的問題。

1 結構與工作原理

1.1 結構

超大型葡萄產業園智能陽雨棚主要由控制器、執行器、遮陽遮雨布卷和框架等組成，如圖1 所示。控制器是整個陽雨棚的中樞，由雨傳感器、溫度傳感器、天線接線等提供信號，控制器根據不同信號給執行器發布不同的動作指令。執行器由電動機、減速器、電機座、下伸縮桿和上伸縮桿等組成，為遮陽遮雨布卷的打開或關閉提供動力。遮陽遮雨布卷由卷軸和遮陽遮雨布等組成，卷軸為遮陽遮雨布提供支撐，遮陽遮雨布為葡萄遮陽或遮雨。框架由角鋼、各種型號圓管、螺栓等組成，用于形成空間，容納葡萄藤，同時支撐遮陽遮雨布和卷軸等[7-8]。智能陽雨棚主要技術參數如表1 所示。

1.2 工作原理

當溫度傳感器探測到葡萄藤周邊溫度達到控制器設定溫度時，溫度傳感器將信號傳給控制器，或雨傳感器接收到下雨信號后，雨傳感器將信號傳給控制器，控制器向執行器發出指令，使執行器運轉，卷軸帶動遮陽遮雨布卷在框架上向后滾動，將卷軸上的遮陽遮雨布緩慢地鋪在框架的斜面上，執行器也同時向后移動，執行器下面的上伸縮桿逐漸從下伸縮桿中拉出，以適應卷軸所在高度的變化，當遮陽遮雨布卷與設在框架上的行程開關的觸點接觸時執行器停止運行，卷軸停止轉動，至此完成葡萄遮陽或遮雨過程。執行器有自鎖功能，能控制卷軸自行反向轉動。

2 主要工作部件設計

2.1 控制器

2.1.1 硬件

硬件由傳感器、微控器和執行開關3 部分組成，如圖2 所示。微控器采用低成本的51 系列單片機，通過A/D 采集雨量傳感器和溫度傳感器信號，然后根據控制邏輯運算后，通過GPIO 腳輸出開關信號給由三極管和繼電器組成的執行開關，控制電動機的旋轉方向，同時通過PWM 占空比控制腳控制功率管Q3 控制電機的轉速。

2.1.2 軟件

軟件通過STC15W408AS 單片機的ABC（模數轉換器）接口讀取溫度和雨量傳感器的模擬信號，并根據設定的閾值來控制電機正反轉[9]。基于STC15W408AS單片機的簡化代碼如圖3 所示。

3 執行器

3.1 電機座

電機座由小連接板和大連接板焊合而成，如圖4所示。小連接板和大連接板均采用厚鋼板制造，等離子切割下料的同時切割出圓孔和長圓孔，然后采用氣體保護焊焊接。

3.2 輸出軸法蘭焊合

輸出軸法蘭焊合由輪轂和法蘭焊合而成，如圖5所示。輪轂用圓鋼制造，通過車床車削后插鍵槽而成，法蘭用厚鋼板制造，用等離子切割內孔及周邊均布的孔[10]。

鍵對鍵槽的擠壓強度校核如下。

已知輪轂內徑d=40 mm，輪轂長l=72 mm，鍵寬b=12 mm，電機轉速n=2 800 r/min ，電機功率P=2.2 kW，電機扭矩T1=9550P/n=7.5 N·m。

電機軸鏈輪Z1=11， 減速器輸入軸鏈輪Z2=19，i1=Z2/Z1=1.73；減速器傳動比i2=30，i=i1i2=1.73×30=51.9，T=T1i=7.5×51.9=389.25 N·m。

h=b/2=6 mm，C 型鍵 L=l?b/2=66 mm，[σ]=110 MPa（材料是鋼，輕微沖擊）；σ=4 T/（dhL）≈98.3 MPalt;[σ]，故擠壓強度足夠。

3.3 電動機鏈輪

電動機鏈輪用45#鋼制造，先進行鐓粗，然后進行銑齒和插鍵槽，齒面進行高頻淬火，如圖6 所示。

4 遮陽遮雨布卷設計

4.1 卷軸

卷軸由法蘭和軸組成，如圖7 所示。法蘭用厚鋼板制造，采用等離子切割下料的同時割出內孔和周邊均布的連接孔；軸用20 根6 m 長度的鋼管互相焊接在一起而形成[11]。

4.2 遮陽遮雨布

采用大帆布作遮陽遮雨布，一端用螺栓固定在各個斜縱梁的前端，另一端用螺栓固定在卷軸上，然后卷在卷軸里。

5 框架

5.1 前地腳

前地腳由螺栓、連接板和鋼筋框組成，如圖8 所示。連接板用厚鋼板制造，下料后鉆孔，鋼筋框按照圖紙成型后備用，將螺栓穿在連接板的孔內，通過氣體保護焊將螺栓和鋼筋框分別焊在連接板上。

5.2 前立柱

前立柱由上連接板、立柱和下連接板組成，如圖9所示。立柱用鋼管制造，下料后備用，上連接板和下連接板都采用厚鋼板制造，下料后鉆孔，然后采用氣體保護焊分別焊在立柱的兩端[12]。

6 試驗驗證

2023 年4—11 月， 在湖南省南托興農果園參照NY/T 4246—2022《葡萄生產全程質量控制技術規范》中的相關規定，對采用智能陽雨棚與對比棚的葡萄進行了對比試驗，經過1 年的觀察測試，智能陽雨棚的作用和功能基本達到了標準的要求。采用智能陽雨棚的葡萄園能提高葡萄品質和產量，降低陽光、暴雨、冰雹、洪澇和病蟲害對葡萄生產的影響，有效解決了葡萄保花期問題，提高坐果率；可以減少噴藥次數達16 次，降低病蟲害發病率83%，減少雨水傳播的病蟲害類型，克服氣候不利因素的影響，使葉片、果實完整，葉片壽命長，延長葡萄的采收期28 d，與不做智能陽雨的對比棚相比，葡萄的可溶性固形物和可溶性糖含量均顯著提高，可溶性固形物含量提高12%，可溶性糖含量提高9%，商品果率提高28%[13-14]。

7 結束語

超大型葡萄產業園智能陽雨棚研究，使葡萄遮陽遮雨實現了機械化。當葡萄需要遮陽或遮雨時能迅速實現遮陽或遮雨，當氣候正常時也能及時對葡萄解除遮陽或遮雨，使葡萄能選擇最佳氣候條件下生長，葡萄在人為保護下，葉片、花期和果實不受外界侵擾，提高了葡萄的商品果率和產量，降低了生產成本，減少了因為淋雨和日灼而滋生的病害，降低了農藥的施用次數，從而增強了葡萄的市場競爭力，增加了經濟效益和社會效益。

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基金項目： 湖南省教育科學規劃課題（23C0759）