移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)

秦彧

【摘 要】本作品的的設(shè)計(jì)應(yīng)用了機(jī)電一體化、水肥一體化等技術(shù)及模塊化設(shè)計(jì)思想，能較好地解決現(xiàn)有大棚內(nèi)采用移動(dòng)式噴灌及微噴造成的水資源浪費(fèi)、噴灌設(shè)備智能化程度低和拆卸不便等問(wèn)題。與現(xiàn)有的澆灌裝置相比，存在以下創(chuàng)新點(diǎn)：（1）單噴頭全方位移動(dòng)式噴灌，可選擇連續(xù)或間歇噴灌，減少出水重疊區(qū)及非作物區(qū)噴灌，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確噴灌；（2）智能噴灌，利用傳感器及單片機(jī)完成智能按需噴灌，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的同時(shí)提高水利用率；（3）集成創(chuàng)新，結(jié)合機(jī)電一體化及水肥一體化技術(shù)，達(dá)到節(jié)水節(jié)肥節(jié)省人力的效果。

【關(guān)鍵詞】智能 噴灌 傳感器 大棚

1設(shè)計(jì)背景

我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，人均水資源量?jī)H為世界平均水平的28%。因此節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣及發(fā)展對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。據(jù)調(diào)研結(jié)果及資料顯示，目前農(nóng)業(yè)上主流的大棚噴灌設(shè)備主要有固定式噴灌系統(tǒng)、移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)和微噴系統(tǒng)。固定式噴灌系統(tǒng)出水量大，重疊區(qū)域大，水資源利用率低；移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)大多采用多個(gè)噴頭同時(shí)噴灑整片作物區(qū)的方式，導(dǎo)致重疊區(qū)域增大，增加了非作物區(qū)的噴灑；微噴灌系統(tǒng)同樣采用多噴頭噴灌，出水為霧狀，澆灌時(shí)重疊區(qū)域大，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

基于此，我們提出了一種移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚澆灌設(shè)備對(duì)比，該系統(tǒng)節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）根據(jù)實(shí)際土壤溫濕度，按需噴灌，減少水資源浪費(fèi)；（2）單噴頭移動(dòng)式全方位噴灌，噴灑均勻，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確噴灌，提高水利用率；（3）采用水肥一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)水肥精量化，同時(shí)減少噴灑肥料用量和噴灑次數(shù)，改善生態(tài)環(huán)境。

2方案設(shè)計(jì)

該作品主要研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一種新型的移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)，可以解決現(xiàn)有噴灌設(shè)備噴灑時(shí)重疊區(qū)大、噴灑不均勻[2]、噴灌不準(zhǔn)確且安裝拆卸困難等問(wèn)題，還可依據(jù)實(shí)際情況選擇噴灌的模式，適應(yīng)不同種植密度的作物，能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)噴灌方式的不足，達(dá)到節(jié)水節(jié)肥節(jié)省人力的目的。

該裝置導(dǎo)軌高度為1.6m，噴頭距離地面的高度H及噴頭出水角度θ可調(diào)，從而控制其出水范圍以滿足常見(jiàn)的作物區(qū)寬度D，符合實(shí)際噴灌作業(yè)的壟寬要求，實(shí)現(xiàn)精確噴灌，提高水資源的利用。

3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由噴灌模塊、傳動(dòng)模塊和水肥混合模塊三部分組成。噴灌模塊調(diào)節(jié)出水的高度及錐度以適應(yīng)不同壟寬的作業(yè)區(qū)；傳動(dòng)模塊使噴灌模塊縱向及橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單道、多道噴灑；其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-底座支撐；2-行程開(kāi)關(guān)；3-同步帶輪；4-步進(jìn)電機(jī)1；5-車輪；6-錐齒輪；7-步進(jìn)電機(jī)2；8-車體；9-水管；10-快速拼接導(dǎo)軌；11-同步帶；12-步進(jìn)電機(jī)3；13-文丘里施肥器；14-電磁閥；15-噴頭；16-可伸縮噴頭連接桿

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

步進(jìn)電機(jī)2和步進(jìn)電機(jī)3同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向小車前行，完成單道噴灌，控制噴灌小車的運(yùn)動(dòng)速度v1以調(diào)節(jié)噴灑量；步進(jìn)電機(jī)1主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)同步帶帶動(dòng)噴灑小車實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成多道作物區(qū)的噴灌；控制步進(jìn)電機(jī)1的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以適應(yīng)不同的壟間距；依據(jù)作物區(qū)的不同壟寬，調(diào)整噴頭角度及高度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確噴灌；利用文丘里施肥器連接進(jìn)水管道，實(shí)現(xiàn)水肥一體化。同時(shí)，通過(guò)溫濕度傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由信號(hào)控制系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)智能按需噴灌。

3.1噴灌模塊

3.1.1噴頭移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接桿連接噴頭與車體，車體內(nèi)夾持板與同步帶上側(cè)固定，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴頭隨之在上方導(dǎo)軌上往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單軌道的噴灌，避免非作物區(qū)的噴灌，達(dá)到準(zhǔn)確噴灌的目的，節(jié)約水資源。

3.1.2可伸縮噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到不同植物澆灌時(shí)力度、占地面積的不同，我們采取兩種方案來(lái)調(diào)節(jié)噴頭出水范圍，從而適應(yīng)不同的作業(yè)區(qū)：

（1）通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴頭的角度，其出水錐度可調(diào)范圍為0°到90°；

（2）設(shè)計(jì)長(zhǎng)度可調(diào)的噴頭連接桿，由蝶形螺釘鎖緊定位，使其可調(diào)范圍為0—20cm，實(shí)現(xiàn)噴頭距離地面高度調(diào)節(jié)范圍為60cm—80cm進(jìn)而保證其能適應(yīng)0cm—160cm的壟地寬度，滿足現(xiàn)有實(shí)際大棚中作物區(qū)的寬度。

3.2傳動(dòng)模塊

傳動(dòng)模塊包括縱向傳動(dòng)及橫向傳動(dòng)兩部分?？v向移動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)2、步進(jìn)電機(jī)3同時(shí)帶動(dòng)兩側(cè)的錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)小車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并保證兩側(cè)小車的同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單道壟地的噴灑；橫向移動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使同步帶平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，為噴頭小車提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)多道壟地的切換，從而減少噴頭的使用數(shù)量和管道布置的復(fù)雜程度，節(jié)約成本。

3.3水肥混合模塊

采用文丘里施肥器實(shí)現(xiàn)水與肥料的混合噴灌，根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)節(jié)噴灌時(shí)的水肥比例，改變傳統(tǒng)澆灌時(shí)澆水與施肥分開(kāi)作業(yè)的方式，避免多次作業(yè)，減少水資源的浪費(fèi)。其工作原理如下：水流通過(guò)管道時(shí)，流經(jīng)狹窄部分時(shí)形成負(fù)壓，將肥料溶液從一敞口肥料罐通過(guò)小管徑細(xì)管吸取上來(lái)。使用時(shí)無(wú)需外部能源，操作簡(jiǎn)單且養(yǎng)分濃度均勻，易于實(shí)現(xiàn)水肥精量化，減少噴藥量和噴灑次數(shù)，還能達(dá)到節(jié)省人力的效果。

4控制模塊設(shè)計(jì)

4.1整體方案設(shè)計(jì)

采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，該部分主要包括顯示屏、單片機(jī)、溫濕度傳感器、鍵盤(pán)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電磁閥以及行程開(kāi)關(guān)等。為滿足現(xiàn)有大棚植被種植疏密程度，設(shè)定連續(xù)噴灌及間歇噴灌兩種噴灌模式，實(shí)現(xiàn)大棚的自動(dòng)灌溉，采用溫濕度傳感器模塊對(duì)大棚的土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，把監(jiān)測(cè)到的濕度值與設(shè)定濕度（土壤所適合的水分下限值）[3]進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定的濕度值時(shí)，則啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行噴灌。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)按需噴灌，無(wú)需人工操作，節(jié)省人力，同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)的定時(shí)噴灌模式，有效地減少了水資源的浪費(fèi)。

4.2監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)測(cè)模塊由溫濕度傳感器和信號(hào)處理電路構(gòu)成，溫濕度傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中的溫濕度值，通過(guò)信號(hào)處理電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)由單片機(jī)與預(yù)設(shè)的濕度值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)定的濕度低于設(shè)定濕度，系統(tǒng)開(kāi)始工作，從而實(shí)現(xiàn)按需噴灌。

4.3鍵盤(pán)及顯示模塊

用戶進(jìn)入界面可通過(guò)鍵盤(pán)選擇噴灌模式，采用12864液晶屏對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)予以顯示；同時(shí)可設(shè)定濕度下限值、壟地總量及移動(dòng)距離，以滿足不同作物的生長(zhǎng)需求及作物區(qū)的要求。

4.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本作品采用3個(gè)57GYGH206步進(jìn)電機(jī)及其配套驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸入，并通過(guò)單片機(jī)編程控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)小車在橫縱兩個(gè)方向上的精確移動(dòng)，完成對(duì)作物區(qū)的精確噴灌，減少了出水重疊區(qū)域的噴灌及非作物區(qū)的噴灌，提高了水資源的利用率。

5大棚效益分析

我國(guó)現(xiàn)有的90萬(wàn)hm2大棚， 主要種植各種時(shí)令蔬菜、花卉和經(jīng)濟(jì)作物，灌水定額為9 000～12 000 m3/hm2[4]，按9000 m3/hm2計(jì)算每次大棚澆灌用水總量：

以武漢市蔬菜科學(xué)研究所良種試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的節(jié)水情況推算全國(guó)大棚的節(jié)水效益，依據(jù)節(jié)水率29.6%、18%計(jì)算得出，若將該智能噴灌系統(tǒng)推廣全國(guó)，按武漢現(xiàn)有澆灌方式為傳統(tǒng)噴灌方式約占22.7%和微噴占67.3%計(jì)算（數(shù)據(jù)來(lái)自武漢市農(nóng)科院），每年大棚澆灌可節(jié)省水量：

據(jù)調(diào)查，該節(jié)水量約為1500萬(wàn)戶普通家庭一年的生活用水量，節(jié)水效益可觀。

6結(jié)語(yǔ)

資源、環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展史人們未來(lái)余姚共同面臨的議題。節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展需要大家共同的努力。移動(dòng)式大棚智能噴灌系統(tǒng)就是基于節(jié)約用水、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展考慮的。該作品主要運(yùn)用機(jī)電一體化、水肥一體化等技術(shù)，達(dá)到了良好節(jié)能減排的效果，能為農(nóng)業(yè)澆灌節(jié)約大量水資源。除此之外，該作品應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)，能適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境，操作、拆卸方便，適應(yīng)性廣。

參考文獻(xiàn)：

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