日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉林等

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)溫室通風(fēng)方式費(fèi)事費(fèi)力且存在安全隱患或卷軸因受力不均易折斷的問題，設(shè)計(jì)了一種日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由電機(jī)、支架、滾軸、卷繩、卷軸和控制器等組成，通過采用多路“平拉”的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，采用手動(dòng)、遙控、短信和自動(dòng)方式控制通風(fēng)口薄膜的開啟范圍，實(shí)現(xiàn)快速降溫和降濕。該系統(tǒng)安全可靠，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有很高的市場推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：日光溫室；通風(fēng)；遙控；短信；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：S625.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2015）05-0115-04

Design and Implementation of Intelligent Greenhouse Ventilation System

Liu Lin1， Hou Jialin1，2*，Jiang Bin3

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China；

2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments， Taian 271018， China；

3.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China）

AbstractTroublesome， not security and easy break of rolling shaft due to uneven stress were the main problems present in the ventilation system of traditional greenhouse. For these problems， an intelligent greenhouse ventilation system was designed in this paper. It was composed of motor， bracket， roller， coiled rope reel and controller， etc. Through the manual method， remote control， text messages and automatic ways to control the size of air vent， and by the multiplex rope-pulling structure， rapid cooling and dehumidifying could be achieved in greenhouse. In conclusion， this system was safe and reliable to improve labor productivity， so it had higher value of market popularization.

Key wordsGreenhouse； Ventilation； Remote control； Text message； Automatic control

日光溫室在農(nóng)業(yè)發(fā)展中意義重大，它使反季節(jié)蔬菜成為可能，不僅能大幅提高農(nóng)作物的成活率，還縮短了農(nóng)作物的生長周期。通風(fēng)換氣是溫室生產(chǎn)管理中的一項(xiàng)重要任務(wù)，是將溫室內(nèi)污濁的空氣直接排至室外，或經(jīng)過凈化處理，使室內(nèi)空氣環(huán)境符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。普通的日光溫室，通常會(huì)在溫室上側(cè)和下側(cè)預(yù)留兩個(gè)通風(fēng)口。

常見開啟通風(fēng)的方式為人工手搖和電機(jī)卷膜。使用手搖方式，用戶必須爬到溫室頂端，既費(fèi)事費(fèi)力，又存在安全隱患；使用電機(jī)卷膜方式，雖節(jié)省了人力，但因電機(jī)安裝在溫室一側(cè)，運(yùn)行時(shí)易使卷軸受力不均而折斷。針對(duì)上述問題，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種智能型日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)，其中多線路“平拉”的通風(fēng)結(jié)構(gòu)解決了卷軸因受力不均易折斷的問題。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫濕度閾值啟動(dòng)電機(jī)，控制通風(fēng)口的大小，實(shí)現(xiàn)快速通風(fēng)降溫、降濕和換氣的目的，不僅可節(jié)省人力，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，還有利于加快傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、支架、滾軸、卷繩、卷軸和控制器組成。電機(jī)安裝在支架上，支架與溫室底部固定在一起，使電機(jī)固定在溫室內(nèi)不能移動(dòng)。電機(jī)的另一端與滾軸通過齒輪和鏈條實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。滾軸通過軸承連接在溫室兩端，并通過軸承與支架進(jìn)行連接，滾軸可以沿軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能上下移動(dòng)。卷繩一端順時(shí)針繞在滾軸上，另一端逆時(shí)針繞在滾軸上，繞過滑輪，與卷軸固定。根據(jù)滾軸的長度，卷繩可以繞多路，使?jié)L軸沿著溫室墻體受到的拉力均勻。轉(zhuǎn)動(dòng)滾軸，在卷繩的帶動(dòng)下，卷軸拉動(dòng)塑料薄膜前后移動(dòng)，完成通風(fēng)口的開和關(guān)。電機(jī)選用能耗低、性能優(yōu)越、振動(dòng)小、噪音低和節(jié)能高的交流220 V減速電機(jī)。系統(tǒng)采用齒輪和鏈條傳動(dòng)的方式帶動(dòng)滾軸旋轉(zhuǎn)，增大了輸出扭矩。支架和滾軸、卷軸分別由角鐵和無縫鋼管焊接而成，為能滿足不同尺寸溫室通風(fēng)的需要和方便安裝，支架、滾軸和卷軸長度可以依據(jù)實(shí)際溫室尺寸加工。

2控制器的設(shè)計(jì)

控制器主要由傳感器、stm32單片機(jī)、人機(jī)交互界面、遙控器、GSM模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等組成（見圖2）。其中，傳感器可以測量溫室內(nèi)外的溫度和濕度；人機(jī)交互界面主要由鍵盤和屏幕組成，用于預(yù)先設(shè)定上、下限閾值和顯示當(dāng)前的溫濕度信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要由三極管、繼電器和交流接觸器組成，用于直流弱電驅(qū)動(dòng)交流強(qiáng)電?？刂破魍ㄟ^手動(dòng)、遙控、短信和自動(dòng)四種方式對(duì)溫室通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2.1開啟通風(fēng)口endprint

電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過齒輪和鏈條將動(dòng)力傳遞給滾軸，滾軸正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)卷繩轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在卷繩上的卷軸在卷繩拉力的作用下將通風(fēng)口打開。

2.2關(guān)閉通風(fēng)口

電機(jī)反轉(zhuǎn)，通過齒輪和鏈條將動(dòng)力傳遞給滾軸，滾軸反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)卷繩轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在卷繩上的卷軸在卷繩拉力的作用下將通風(fēng)口關(guān)閉。

3具體操作方式

3.1手動(dòng)控制

用戶可以在現(xiàn)場進(jìn)行手動(dòng)控制，如圖3所示，SB1、KM1和JQ1為控制電機(jī)正轉(zhuǎn)的按鈕、交流接觸器和繼電器，SB2、KM2和JQ2為控制電機(jī)反轉(zhuǎn)的按鈕、交流接觸器和繼電器，SB3和JQ3為控制電機(jī)停止的按鈕和繼電器。SQ1和SQ2為安裝在通風(fēng)口處的形成開關(guān)，當(dāng)通風(fēng)口完全打開或者完全關(guān)閉時(shí)，卷軸會(huì)碰到形成開關(guān)，進(jìn)行限位保護(hù)，防止電機(jī)繼續(xù)工作，拉斷卷繩。

當(dāng)按下按鈕（正轉(zhuǎn)），繼電器常開觸點(diǎn)閉合，交流接觸器線圈上電，其常開主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)接通電源正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)卷軸旋轉(zhuǎn)，通風(fēng)口逐漸變大，其常開觸點(diǎn)閉合形成自鎖保護(hù)，其常閉觸點(diǎn)斷開形成互鎖保護(hù)；當(dāng)卷軸碰到形成開關(guān)時(shí)，交流接觸器失電，電機(jī)切斷電源停止旋轉(zhuǎn)，通風(fēng)口完全打開。

當(dāng)按下按鈕（反轉(zhuǎn)），繼電器常開觸點(diǎn)閉合，交流接觸器線圈上電，其常開主觸電閉合，電機(jī)接通電源反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)卷軸旋轉(zhuǎn)，通風(fēng)口逐漸變小，其常開觸點(diǎn)閉合形成自鎖保護(hù)，其常閉觸點(diǎn)斷開形成互鎖保護(hù)，當(dāng)卷軸碰到形成開關(guān)時(shí)，交流接觸器失電，電機(jī)切斷電源停止旋轉(zhuǎn)，通風(fēng)口完全關(guān)閉。

在電機(jī)工作過程中，按下按鈕（停止），交流接觸器失電，電機(jī)停止工作，通風(fēng)口的大小保持不變。

3.2遙控控制

用戶除在現(xiàn)場進(jìn)行手動(dòng)控制外，還可以進(jìn)行遙控操作。遙控器通過驅(qū)動(dòng)繼電器和交流接觸器完成電機(jī)的啟動(dòng)和停止。圖4為遙控器驅(qū)動(dòng)繼電器的電路，當(dāng)按下按鍵，遙控器輸出高電平，經(jīng)過光耦后，三極管8050導(dǎo)通，繼電器線圈回路接通電源，繼電器動(dòng)作。當(dāng)松開按鍵，遙控器輸出低電平，經(jīng)過光耦隔離后，三極管8050截止，繼電器線圈回路切斷電源，繼電器停止工作。遙控器驅(qū)動(dòng)三個(gè)繼電器，進(jìn)而通過交流接觸器完成電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止控制。

3.3短信控制

單片機(jī)選用STM32F103增強(qiáng)型單片機(jī)，本單片機(jī)基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有性能高、成本低、功耗低的特點(diǎn)。GSM選用TC35i模塊，本模塊通過AT命令傳輸數(shù)據(jù)和指令，具有代碼簡單、便于操作和支持中英文格式短信的特點(diǎn)。

為了便于操作，將手機(jī)短信指令格式指定為：#指令*。例如：開啟通風(fēng)口，需要通過手機(jī)向控制器發(fā)送“#open*”指令（表1）。

3.4自動(dòng)控制

自動(dòng)控制分為兩種模式，一種模式是通過溫度開啟和關(guān)閉通風(fēng)口，開啟范圍由濕度確定；另一種模式是通過濕度開啟和關(guān)閉通風(fēng)口，開啟范圍由溫度確定。圖5為溫室的俯視圖，其中S1、S2和S3分別為通風(fēng)口部分打開、完全打開和完全關(guān)閉時(shí)通風(fēng)口處薄膜的開啟范圍。

3.4.1通過預(yù)先設(shè)置溫度上下限閾值和濕度上下限閾值控制通風(fēng)開啟溫室通風(fēng)口的條件是當(dāng)控制器檢測到室內(nèi)溫度大于上限閾值（預(yù)先設(shè)定）時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制指令，啟動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)溫室通風(fēng)口薄膜開啟，開啟范圍由室內(nèi)濕度確定，此時(shí)通風(fēng)口處薄膜的開啟范圍與溫度成一元函數(shù)關(guān)系，將這種關(guān)系近似為一次函數(shù)，以通風(fēng)口處薄膜的開啟范圍為縱坐標(biāo)，濕度為橫坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系。

假設(shè)H1 、H2、H分別表示預(yù)先設(shè)定的濕度下限、上限閾值和溫室實(shí)時(shí)濕度。規(guī)定：當(dāng)控制器檢測室內(nèi)濕度大于上限閾值（預(yù)先設(shè)定）時(shí)，完全打開通風(fēng)口；當(dāng)控制器檢測到室內(nèi)濕度小于下限閾值（預(yù)先設(shè)定室內(nèi)濕度）時(shí)，通風(fēng)口部分打開。一次函數(shù)經(jīng)過點(diǎn)（S1，H1）和（S2，H2）。當(dāng)控制器檢測到室內(nèi)濕度在上限閾值與下限閾值（預(yù)先設(shè)定）之間時(shí)，開啟通風(fēng)口處薄膜的范圍為S，將點(diǎn)（S1，H1）和（S2，H2）代入一元一次函數(shù)S=aH+b得到：

S1=aH1+b

S2=aH2+b

求解得：a=S2-S1H2-H1，b=S1-S2-S1H2-H1×H1，代入S=aH+b中，得到開啟通風(fēng)口處薄膜的范圍公式：

S=S1+S2-S1H2-H1×（H-H1）

關(guān)閉溫室通風(fēng)口的條件是控制器實(shí)時(shí)檢測到室內(nèi)溫度小于下限閾值（預(yù)先設(shè)定）。此時(shí)單片機(jī)發(fā)出控制指令，啟動(dòng)電機(jī)工作，通風(fēng)口完全關(guān)閉。

3.4.2通過設(shè)置濕度上下限閾值和溫度上下限閾值控制通風(fēng)開啟溫室通風(fēng)口的條件是當(dāng)控制器檢測到室內(nèi)濕度大于上限閾值（預(yù)先設(shè)定）時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制指令，啟動(dòng)電機(jī)工作，開啟溫室通風(fēng)口，開啟范圍跟室內(nèi)溫度有關(guān)。此時(shí)通風(fēng)口處薄膜的開啟范圍與溫度成一元函數(shù)關(guān)系，將這種關(guān)系近似為一次函數(shù)，以通風(fēng)口處薄膜的開啟范圍為縱坐標(biāo)，溫度為橫坐標(biāo)可以建立直角坐標(biāo)系。

假設(shè)T1 、T2和T分別表示預(yù)先設(shè)定的溫度下限、上限閾值和溫室實(shí)時(shí)溫度。規(guī)定：當(dāng)控制器檢測到室內(nèi)溫度大于上限閾值（預(yù)先設(shè)定）時(shí)，完全打開通風(fēng)口；當(dāng)控制器檢測到室內(nèi)溫度小于下限閾值（預(yù)先設(shè)置）時(shí)，通風(fēng)口部分打開。一次函數(shù)經(jīng)過點(diǎn)（S1，T1）和（S2，T2）。當(dāng)控制器檢測到室內(nèi)溫度在上、下限閾值（預(yù)先設(shè)定）之間時(shí)，開啟通風(fēng)口處薄膜的范圍為S，將點(diǎn)（S1，T1）和（S2，T2）代入一元一次函數(shù)S=aT+b得到：

S1=aT1+b

S2=aT2+b

求解得：a=S2-S1T2-T1，b=S1-S2-S1T2-T1×T1，代入S=aT+b中，得到開啟通風(fēng)口處薄膜的范圍公式：

S=S1+S2-S1T2-T1×（T-T1）

關(guān)閉溫室通風(fēng)口的條件是控制器檢測到溫室內(nèi)的濕度小于下限閾值（預(yù)先設(shè)定），此時(shí)單片機(jī)發(fā)出控制指令，啟動(dòng)電機(jī)工作，通風(fēng)口完全關(guān)閉。

4結(jié)論

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的智能溫室通風(fēng)系統(tǒng)，采用多線路“平拉”的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)“卷式”結(jié)構(gòu)受力不均勻易造成折斷的弊端?？刂破鲹碛械乃姆N控制方式，既避免了用戶啟動(dòng)電機(jī)通風(fēng)親自到現(xiàn)場手動(dòng)上電的麻煩，又使得用戶異地控制成為可能，還可以在溫室無人的情況下自動(dòng)通風(fēng)降溫與降濕。本系統(tǒng)操作簡單，具有很高的市場推廣價(jià)值。

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