日光温室智能放风器的研究及应用.docx

日光温室智能放风器的研究及应用 摘 要：日光温室环境控制的核心部分是温室内的温湿度控制，但绝大多数温室环境控制依然靠人工经验手动管理。本文介绍了智能放风器的研究与应用情况，通过应用实践证明：该设备具有适应性强、效果好、成本低以及节约能源等特点，便于推广应用。 关键词：日光温室；智能；放风器 近年来，我国设施农业得到了迅猛发展，全国设施农业总面积己经超过400万公顷。尤其是在光照充足的三北地区，日光温室技术实现了农业周年生产，解决了人们的菜篮子、果盘子，还充分利用农村剩余劳动力，增加农民收入。环境调控技术是日光温室是否周年生产的一个制约因素, 可以营造适合植物生产的环境，从而解决传统农业发展过程中的限制瓶颈。 日光温室环境控制的核心部分是温室内的温湿度控制。在我国北方地区，纬度高，恶劣天气和极端天气多发，温室外部环境变化大，对棚室内环境的影响极其明显。另外，作物在温室内健康生长不单需要适宜的温度环境，还需要合适的湿度。作物在高温高湿和低温高湿条件下，很容易发生灰霉病、白粉病、疫病、霜霉病等一系列病害，这就需要及时排湿。如果遇到刮风和下雨天气，虽然温室内温湿度符合作物生长的要求，也需要关闭风口，需要频繁操作。 我国绝大多数温室环境控制依然靠人工经验手动管理，但随着设施农业的快速发展及农村劳动力转移，对温室的自动控制提出迫切需求，急需一种廉价、实用的温湿度控制系统来满足农业生产的需求。 1内保温日光温室智能放风器的研究 1.1内保温温室特点 内保温温室长60米，宽11米，高约3.8米，为辽宁农业职业技术学院研发，具有以下特点。 （1）腔囊保温被。利用其封闭性、隔热性和反射性，针对温室的对流、传导和辐射三种散热形式理性保温，提高保温性能。腔囊保温被取代墙体及传统的草苫棉被，避免建筑污染。腔囊保温被轻质，减轻龙骨负荷，节省架构材料，降低温室造价。 （2）内保温模式。保温被（覆盖状态）与温室薄膜之间形成相对稳定的空气层，增强保温性能。保温被不与塑料薄膜接触，不伤害薄膜，并提高抗风、雨、雪、火能力。 （3）V字型龙骨。合并龙骨与压膜槽功能，V字型龙骨具有抗压性和压膜槽口，既保证龙骨强度又有利于压膜。同时，温室表面薄膜平整，有利于采光。 （4）组装架构。温室前后坡弧度一致，利用三角型稳定性，增强架构抗性，提高土地利用率；温室不受方向限制，室内不存在冷热死角，适应任何方向地块；部件组装架构的温室可移动，解决温室生产的轮作倒茬问题，并有利于工业化生产和产业化操作。 1.2智能放风器的组成 该机械的设计思路是通过温度传感器将非电量的温度值转换为电量输出,由A/D转换器对模拟信号进行数字化,被数字化的信号经过单片机处理后送显示器及执行机构,完成放风口的开启和关闭。 智能放风器由单片机智能处理器、执行机构、1个主温度传感器、2个辅助传感器、1个雨水传感器、人工摇把和电源线等部件组成。 操作控制, 如图1所示。 1.2控制系统的设计 1.2.1硬件设计根据系统的原理功能,将硬件电路分为以下4个部分。 (1)控制系统的核心单片机STM32系统。所有的指令执行、信号处理、运算和控制命令的发出都是由单片机STM32完成的。 (2)控制系统的采样部分。包括信号处理电路与 A/D转换系统, 其样值是STM32主要处理的数据, 也是实施控制的依据。 (3)控制系统的键盘与显示部分。主要采用LED3904芯片，完成对键盘进行管理控制核对 LED显示器的控制以及对显示数据、显示方式的管理。 (4)控制系统的执行部分。根据STM32的输出信号驱动执行机构, 完成整个系统所指定的功能。 1.2.2软件设计为实现该控制系统所设定的功能, 应用C语言编制了相应的控制软件, 从而根据采集到不同点的温度进行温度调节。软件系统包括主程序、键盘程序、采样计算程序、比较执行程序和中断程序五部分。 该软件改变了传统的恒温控制方式, 采用适于作物生长发育的变温控制, 以达到节能的目的。处理器按早晨、上午、中午、下午、傍晚五个时段分别设置精控开风温度、精控关风温度、起点开风温度、起点关风温度，变温区间内处理器智能线性递增或递减精控开关风温度，避免温度骤升骤降损伤作物，从而实现精准控温、调控昼夜温差等基本功能。 一探头棚温探头温度高于起点开风温度时执行器开风到起点位置，当棚温高于精控开风温度时开启风口。当棚温低于精控关风温度高于起点关风温度时，执行器逐步关小风口，棚温低于起点关风温度时逐步关闭风口。控温精度0.1，高于开风温度0.1开，等于小于开风温度停止开风，低于关风温度0.1关，等于大于关风温度停止关风。 智能防风功能，开风时设备检测到冷风降温时，二探头被冷风降温，温度低于三探头的差值超过风雨锁定值时，执行器开风走行设置的风锁开风时间后，智能上锁，等待棚内外热量交换后，判断是否继续开风。设备在排潮位置设有强制等待棚温热交换的功能，以适应北方地区冬季多风天气控温要求。考虑到各种作物对温度有不同要求，本软件设计了参数修改程序, 可方便地在键盘上进行设定参数修改, 以使该系统能满足各种作物的要求。LED 将同时显示其输入值, 无任何操作时,LED 将显示时钟时间。 1.3智能放风器的功能 1.3.1手动电动操纵功能执行机构由减速比为1:25的蜗轮蜗杆双输入双输出减速机和滑轮机构组成。电机故障时取下联轴器的插销，使用摇把手摇开关风。 智能处理器接通电源不开机的状态下，按开关键，手动开关风工作正常。开机状态下按开关键，系统按设置的手动开风时间和最大时间有限制的开风，受已经运行的工作时间限制的关风。控制器主要设置参数有最大时间，起点时间，排湿时间，通过开风时间把风口设置成多个标志位，执行器按智能处理器的指令，开关风口，实现精准控温。 1.3.2智能排湿功能设置排湿次数、排湿温度、排湿时间（起点到排湿位置的开风时间）。上午当1探头棚室温度达到排湿温度，执行器开风到排湿位置，再关回到起点位置。处理器智能记忆排湿剩余次数，每日智能重置排湿指令。 1.3.3智能辅助防雨功能感应器感应到雨水时，快速关闭风口，雨停后模拟人的思维控制风口开启，开启控制指令1秒内完成，避免雨过天晴棚温升高损伤作物。 1.3.4智能纠错功能手动或锁定时白天温度超出报警温度，夜间低于下限温度，智能转换为自动，并发出报警提示。超温参数可根据需要设置，超温报警精度0.1。 1.3.5智能调整功能风口定位的复位等级根据风口重合程度设置，关风和开风执行不同的限制电流，风口关闭时风帘的松紧度可按需要调整，保护风帘的同时达到风帘平的效果。 2智能放风器使用及应用状况 2.1测试结果 放风控制系统在实验室完成软硬件调试及综合调试后, 安装于 内保温组装式温室中, 进行现场运行并测试。运行结果表明, 该放风器工作可靠, 动作准确, 稳定性高, 达到了预期的目的。 2.2实例验证 2.2.1性能验证以赤峰市瓦南村高标准日光温室作为测试对象，于2014和2015年进行智能放风与人工放风温室内温度监测，通过两者对比试验测试放风器性能。高标准日光温室高4.3米，跨度为8米，长度为60 米，温室内种植了越夏、越冬两茬番茄。 由图2、图3可以看出，智能放风器管理的温度变化呈平滑曲线，温度波动较小，而人工放风出现锯齿状，温度变化很大，在打开风口温度骤降到25以下，关风后温度又迅速上升到30左右，对番茄的生长很不利。也就是说智能放风器管理的温度变化比人工放风平稳，环境控制优于人工放风。 2.2.2效益验证应用智能放风器的农户，1亩地每天平均节约通风用时1.5小时，蔬菜生长期每年8个月，每亩年节约人工360小时。另外，由于应用放风器后，棚内温湿度调控合理，农产品品质明显提高，病害发生减少，产量增加，节本增效显著。 3小结 本研究设计的智能放风器采用先进的单片机控制技术对温室进行温度调节，具有适应性强、成本低以及节约能源等