棚栽黑木耳智能控制系統(tǒng)的研究

陳慶文，紀(jì)彬，周麗麗

（黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱150090）

棚栽黑木耳智能控制系統(tǒng)的研究

陳慶文，紀(jì)彬，周麗麗

（黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱150090）

利用傳感技術(shù)、單片機(jī)和PLC技術(shù)，以通風(fēng)、遮陽、噴淋等方式，設(shè)計適用于棚栽黑木耳的智能控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)可對大棚內(nèi)外環(huán)境、參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，采用遮陽、側(cè)卷簾、外噴淋、水簾、通風(fēng)等多種方式確保棚內(nèi)環(huán)境適于黑木耳生長。

傳感器；棚栽木耳；溫濕度控制

在黑龍江地區(qū)棚栽黑木耳時，為了保持棚內(nèi)溫度，在夜間要用外遮陽材料覆蓋棚體采光面，待日出后揭開，如圖1所示。這種傳統(tǒng)的管理方式依靠人工操作，不但費(fèi)工、費(fèi)時、勞動強(qiáng)度大，而且卷、放簾的時間完全憑經(jīng)驗(yàn)，難以做到科學(xué)管理。近幾年，日光溫棚外敷材料的卷放逐步由卷簾機(jī)完成，雖節(jié)省了時間，卻要專人對溫棚逐個進(jìn)行操作，卷放時間有很大的隨意性，難以根據(jù)作物的品種、日出時間的早晚和溫棚內(nèi)的溫度進(jìn)行動態(tài)管理。尤其是當(dāng)前種植模式逐漸向規(guī)?；较虬l(fā)展，傳統(tǒng)日光溫棚的管理模式與當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展形勢不協(xié)調(diào)，日光溫棚生產(chǎn)環(huán)境條件不穩(wěn)定、自動化程度低、勞動強(qiáng)度大與日光溫棚增產(chǎn)增收的矛盾日益突出。

1 黑龍江省棚栽黑木耳存在的問題

第一，溫度受外界影響大。每天的高溫階段，都會影響木耳的生長速度，并有可能滋生其他菌類，造成減產(chǎn)。第二，二氧化碳的濃度低。一般為了降低溫度，要在大棚塑料薄膜的外邊再覆蓋上一層或幾層遮陽網(wǎng)。雖然這樣在一定范圍內(nèi)降低了溫度，但是卻阻礙了棚內(nèi)的通風(fēng)，減少了二氧化碳的補(bǔ)充。第三，濕度保持困難。木耳生長過程中對濕度的要求很高，不僅要將菌袋浸透，還要求菌袋周圍的空間濕度在特定時間內(nèi)保持在一定水平。第四，棚內(nèi)環(huán)境的調(diào)控難以掌握。棚內(nèi)溫度、濕度和二氧化碳濃度三者之間的平衡，以人工方式很難控制，基本靠經(jīng)驗(yàn)來運(yùn)作。第五，靠天養(yǎng)殖。一旦遇到高溫天氣，只能將大棚塑料膜揭開，曬棚而且不噴淋，保持棚內(nèi)干燥，這對于木耳的質(zhì)量、產(chǎn)量有很大影響。

圖1 無智能控制棚栽木耳形式Fig.1 fungus in the shed without intelligent control

2 大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計目的

大棚智能控制系統(tǒng)應(yīng)用在田間地頭，這種環(huán)境濕度大，時常斷電。而且系統(tǒng)的使用者為農(nóng)民，要求操作簡單、方便，成本要低，易于維修和更換。系統(tǒng)控制的內(nèi)容主要是對大棚內(nèi)溫度、濕度、通風(fēng)、噴淋、光照和氣體成分做采集和控制。因此要做到以下幾方面：第一，利用相應(yīng)的降溫手段，使棚內(nèi)的溫度保持在25℃以下，以保證木耳處于生長期。第二，黑木耳生長過程中，主要依靠溫度、濕度和二氧化碳濃度，在保證溫度的情況下，考慮二氧化碳濃度，在前兩者都在允許的范圍內(nèi)再考慮濕度，界限如下：溫度＜25℃時，二氧化碳濃度≥2 000ppm，濕度可以達(dá)到90%以上；溫度＞25℃時，濕度＜40%RH［1］。第三，當(dāng)環(huán)境參數(shù)滿足時，考慮調(diào)控更精準(zhǔn)的、適于木耳生長的環(huán)境參數(shù)控制方式。

3 大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計及各部分說明

根據(jù)采集參數(shù)和控制的執(zhí)行設(shè)備，設(shè)計棚體結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 大棚智能控制棚體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of intelligent control shed

3.1 降溫水簾風(fēng)機(jī)

降溫水簾是一種特種紙制蜂窩結(jié)構(gòu)材料，其工作原理是“水蒸發(fā)吸收熱量”。即水在重力的作用下從上往下流，在濕簾波紋狀的纖維表面形成水膜，當(dāng)快速流動的空氣穿過濕簾時，水膜中的水會吸收空氣中的熱量，然后蒸發(fā)帶走大量的潛熱，使經(jīng)過濕簾的空氣溫度降低，從而達(dá)到降溫的目的［2］。

當(dāng)風(fēng)機(jī)與降溫水簾的距離在30m左右時，保持棚內(nèi)良好的密封，如圖2所示，當(dāng)使用水簾風(fēng)機(jī)降溫時，關(guān)閉頂部通風(fēng)口、放下側(cè)卷簾，這樣通過降溫水簾可以使棚內(nèi)的溫度降低5℃～8℃。配有水箱（水池+水泵）進(jìn)行水循環(huán)，并考慮到大棚頂部要有可靠的支撐以保證水簾和風(fēng)機(jī)的固定。

大棚尺寸為長30m、寬10m、頂高3.7m，經(jīng)過通風(fēng)量計算，采用兩臺1.1kW的重錘式風(fēng)機(jī)，380VAC供電，交流接觸器方式控制啟停，安裝時在棚頂要有可靠的支撐。

3.2 遮陽簾布

通過在大棚的上方鋪設(shè)簾布，防止陽光直射，從而降低棚內(nèi)溫度。但需要在大棚外部搭建框架，設(shè)計安裝時考慮到防風(fēng)并按照大棚的朝向來設(shè)計遮陽幕布的框架結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)以較少的結(jié)構(gòu)覆蓋整個大棚。

3.3 棚頂?shù)奶齑?/p>

在棚頂開設(shè)天窗，要考慮密閉性，防止雨水進(jìn)入棚內(nèi)，以免其他菌類滋生，影響木耳生長質(zhì)量。

3.4 噴淋

噴淋分為兩部分：第一，棚外噴淋，降低大棚周圍環(huán)境溫度。第二，棚內(nèi)噴淋，為菌袋補(bǔ)水，增加環(huán)境濕度，降溫。在棚內(nèi)外鋪架水管和噴頭，采用電磁閥和管道水泵控制方式。

3.5 棚側(cè)通風(fēng)

采用在大棚側(cè)面安裝電控風(fēng)門方式達(dá)到通風(fēng)的效果，降低棚內(nèi)溫度和二氧化碳濃度，在結(jié)束期可以加快自然干燥速度。

3.6 控制部分

圖3 控制部分組成圖Fig.3 chart of control flow

通過棚內(nèi)的各種傳感器將采集到的信號處理后傳給控制單元PLC，PLC按照編寫的程序控制執(zhí)行設(shè)備的啟停，以完成對監(jiān)測參數(shù)的控制要求?？刂撇糠纸M成圖如圖3所示。

4 實(shí)施過程中的問題及解決方法

4.1 棚內(nèi)濕度高

該系統(tǒng)傳感器和通信線纜的防水、防潮是一定要解決的問題。本次設(shè)計之初已經(jīng)考慮到防潮的問題，為傳感器變送板加裝防水外殼，殼體內(nèi)放置干燥劑，并使用防水航空插頭，但現(xiàn)場試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，由于殼體封閉性能很好，殼體內(nèi)部空間與殼外不通風(fēng)，無法散熱，電路板上的二極管指示燈及七段碼LED顯示長時間發(fā)光，使運(yùn)行造成殼體內(nèi)部溫度升高，傳感器探頭部分采集實(shí)際溫度值偏高。根據(jù)實(shí)際情況大棚中觀察參數(shù)值可以由人機(jī)界面觸摸屏完成，變送器部分只是方便參考，解決方案有兩種。一是將LED顯示去掉，只保留一個發(fā)光二極管作為電路板正常工作的指示燈，并改成貼片方式減少功率。二是增加顯示按鈕，在變送板原有基礎(chǔ)上增加一個外置按鈕，平時不顯示，按鈕按下，周期性顯示采集的參數(shù)，顯示三遍后停止顯示。

4.2 棚內(nèi)空間參數(shù)差異

設(shè)計時考慮棚內(nèi)空間為300m2，由于區(qū)域比較大容易出現(xiàn)參數(shù)死角，各種傳感器多點(diǎn)分布采集，并作了垂直方向的落差布置，即每個傳感器的高度都不同。實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)水簾與風(fēng)機(jī)之間的距離為30m，溫度相差3℃左右，溫度相差較大，不利于控制木耳產(chǎn)品的統(tǒng)一性。解決方法是在水簾與風(fēng)機(jī)之間加裝環(huán)流風(fēng)機(jī)，并增大重錘風(fēng)機(jī)的外結(jié)構(gòu)尺寸，加大風(fēng)量，同時將風(fēng)機(jī)折頁的最終開啟方向與地面成30°，防止增加大棚進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)溫。

4.3 降溫水簾水流控制

降溫水簾水流過大，水從水簾外部流走，沒有形成水幕，降溫效果不理想，水流較小時，水簾上部分有水幕，下部分已經(jīng)干了，造成棚內(nèi)高低區(qū)域溫度差。解決方案是調(diào)節(jié)閥門，控制水流的大小，對水簾的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，將水簾供水部分加厚，包住蜂窩紙的部分加大，并將進(jìn)水管的出水口由原來直接對著蜂窩紙，改為沖著外包壁，使得水流由外包鐵皮流到蜂窩紙上減少沖擊，降低水流強(qiáng)度。降低水泵的功率，由于水簾的高度在2.7m左右，水池底部與水簾最高處也不到4m，因此將抽水泵改成自吸泵，降低水壓。

4.4 為水簾加裝防護(hù)網(wǎng)

野外昆蟲較多，由于蜂窩紙排列形狀和水流的關(guān)系，昆蟲進(jìn)入后很難出來，昆蟲尸體堵塞蜂窩孔，是造成水幕面積、風(fēng)量減小的原因，即使使用高壓沖洗也很難清理干凈。在加裝防護(hù)網(wǎng)時也要注意到，防護(hù)網(wǎng)與水簾之間至少間隔1m，防護(hù)網(wǎng)與水簾距離太近會造成風(fēng)阻，減少進(jìn)風(fēng)量。

5 結(jié)論

通過加裝傳感器，對生產(chǎn)黑木耳的出耳棚做智能化改造，使棚內(nèi)環(huán)境更適合黑木耳生長，同時也提高了系統(tǒng)對異常環(huán)境的抵抗能力，提高黑木耳栽培生產(chǎn)效率、降低人工勞動強(qiáng)度。課題組在海林菌類實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行了初步的測試實(shí)驗(yàn)，證實(shí)可以通過水簾風(fēng)機(jī)、噴淋方式將棚內(nèi)的溫度控制在25℃，下一步我們將針對某一菌種，例如黑威15、黑29等品種的生長過程進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的模擬和控制。

［1］訾惠君.黑木耳、網(wǎng)脈木耳、毛木耳標(biāo)準(zhǔn)化栽培技術(shù)［M］.天津：天津科技翻譯出版公司，2009.

［2］張飛云.蔬菜大棚卷簾門和換氣扇步進(jìn)電機(jī)智能控制器的設(shè)計［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，（15）：46.

Study on the intelligent control system of the black fungus in the shed

CHEN Qing-wen,JI Bin，ZHOU LI-li
(Institute of Automation of Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090 China)

Using the sensor technology,SCM and PLC technology,ventilation,shading,spray cleaning method,the design is suitable in greenhouse cultivation of Auricularia auricula intelligent control system,the system can be in inside and outside greenhouse environmental parameters monitoring and experimental sunshade,side roller,spray,water curtain,ventilation in a variety of ways to ensure that shed environment suitable for black fungus growth process requirements.

Sensor;Shed fungus;Temperature and humidity control

TP273

A

1674-8646（2015）09-0014-03

2015-07-28

陳慶文(1979-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，助理研究員，主要從事自動控制研究。