移動式大棚智能噴灌系統(tǒng)

趙旖旎 王盛

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

移動式大棚智能噴灌系統(tǒng)

趙旖旎 王盛

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

針對現(xiàn)有大棚內(nèi)采用移動式噴灌及微噴造成的水資源浪費、噴灌設備智能化程度低和拆卸不便等問題，對機電一體化、水肥一體化等技術及模塊化設計思想進行研究，提出了一套移動式大棚智能噴灌系統(tǒng)。通過對比噴灌實驗，實驗數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)操作簡便，避免了復雜的管道布置，安裝成本低；可實現(xiàn)按需噴灌、準確噴灌及水肥一體化，且方便拆裝，便于適應不同長度、寬度的作業(yè)區(qū)。相比現(xiàn)有的移動式噴灌系統(tǒng)以及微噴系統(tǒng)，該系統(tǒng)節(jié)水率分別可達29.6%、18%，節(jié)水效果顯著。

節(jié)水 噴灌 機電一體化 大棚 系統(tǒng)設計

1 引言

我國人均水資源量僅為世界平均水平的28%。而據(jù)資料顯示，2011年我國農(nóng)業(yè)年用水達3689.1億m3，占總用水量的61.3%，其中農(nóng)田灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水消耗總量的90.5%。因此節(jié)水灌溉技術的推廣及發(fā)展具有重要意義。

目前主流的大棚噴灌設備：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，固定的管道對田間其他機械有妨礙，耕種作業(yè)時易損壞管道，同時投資高，平均每畝花費在1000元左右；移動式噴灌系統(tǒng)大多采用多個噴頭同時噴灑整片作物區(qū)的方式，導致重疊區(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，需增加噴灑時間或噴灑次數(shù)以保證植物獲得足夠的水量，澆灌時重疊區(qū)域大，水資源浪費嚴重?；诖?，我們提出了一種移動式大棚智能噴灌系統(tǒng)。

2 設計方案

該系統(tǒng)：（1）根據(jù)實際土壤溫濕度，按需噴灌，減少水資源浪費；（2）單噴頭移動式全方位噴灌，噴灑均勻，能實現(xiàn)準確噴灌，提高水利用率；（3）采用水肥一體化技術實現(xiàn)水肥精量化，同時減少噴灑肥料用量和噴灑次數(shù)，改善生態(tài)環(huán)境。

以1：4的比例將整體裝置縮小模型如圖1所示。實際導軌高度為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的作物區(qū)寬度D，符合實際噴灌作業(yè)的壟寬要求，實現(xiàn)精確噴灌，提高水資源的利用。圖2為噴灌出水范圍的示意圖。

3 機械結構設計

移動式大棚智能噴灌系統(tǒng)機械結構部分由噴灌模塊、傳動模塊和水肥混合模塊三部分組成。步進電機2和步進電機3同步轉動，通過錐齒輪傳動實現(xiàn)橫向小車前行，完成單道噴灌，控制噴灌小車的運動速度v1以調(diào)節(jié)噴灑量；步進電機1主軸轉動，通過同步帶帶動噴灑小車實現(xiàn)往復運動，完成多道作物區(qū)的噴灌；控制步進電機1的轉動速度以適應不同的壟間距；依據(jù)作物區(qū)的不同壟寬，調(diào)整噴頭角度及高度，實現(xiàn)準確噴灌；利用文丘里施肥器連接進水管道，實現(xiàn)水肥一體化。同時，通過溫濕度傳感器的實時監(jiān)測，由信號控制系統(tǒng)工作，實現(xiàn)智能按需噴灌。

3.1 噴灌模塊

圖1 實物模型圖

圖2 噴灌出水范圍示意圖

（1）噴頭移動結構設計：連接桿連接噴頭與車體，車體內(nèi)夾持板與同步帶上側固定，當電機帶動同步帶運動時，噴頭隨之在上方導軌上往返運動，實現(xiàn)單軌道的噴灌，避免非作物區(qū)的噴灌。

（2）可伸縮噴頭結構設計：考慮到不同植物澆灌時力度、占地面積的不同，采取兩種方案來調(diào)節(jié)噴頭出水范圍，從而適應不同的作業(yè)區(qū)：通過旋轉噴頭的角度，其出水錐度可調(diào)范圍為0°到90°；設計長度可調(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，實現(xiàn)噴頭距離地面高度調(diào)節(jié)范圍為60cm—80cm進而保證其能適應0cm—160cm的壟地寬度，滿足現(xiàn)有實際大棚中作物區(qū)的寬度。

3.2 傳動模塊

縱向移動時，步進電機2、步進電機3同時帶動兩側的錐齒輪轉動，從而驅(qū)動小車車輪轉動，并保證兩側小車的同步移動，實現(xiàn)單道壟地的噴灑；橫向移動時，步進電機1帶動同步帶輪轉動，從而使同步帶平穩(wěn)運動，為噴頭小車提供動力，實現(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現(xiàn)水與肥料的混合噴灌，根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)噴灌時的水肥比例，改變傳統(tǒng)澆灌時澆水與施肥分開作業(yè)的方式。

4 控制模塊設計

4.1 整體方案設計

采用STC89C52單片機為控制核心，設定連續(xù)噴灌及間歇噴灌兩種噴灌模式，實現(xiàn)大棚的自動灌溉，并采用溫濕度傳感器實時檢測，低于設定的濕度值時啟動系統(tǒng)進行噴灌。

4.2 監(jiān)測模塊

溫濕度傳感器能實時監(jiān)測土壤中的溫濕度值，通過信號處理電路將模擬信號轉換為數(shù)字信號，再經(jīng)由單片機與預設的濕度值進行比較，當測定的濕度低于設定濕度，系統(tǒng)開始工作，從而實現(xiàn)按需噴灌。

4.3 鍵盤及顯示模塊

用戶進入界面可通過鍵盤選擇噴灌模式，采用12864液晶屏對系統(tǒng)工作狀態(tài)予以顯示；同時可設定濕度下限值、壟地總量及移動距離，以滿足不同作物的生長需求及作物區(qū)的要求。

4.4 步進電機驅(qū)動模塊

采用3個57GYGH206步進電機及其配套驅(qū)動器實現(xiàn)動力輸入，并通過單片機編程控制步進電機的轉動量，實現(xiàn)小車在橫縱兩個方向上的精確移動，完成對作物區(qū)的精確噴灌。

5 結語

該作品主要運用機電一體化、水肥一體化等技術，由實驗數(shù)據(jù)可以得出該作品噴灌效果良好，節(jié)能減排效益顯著。并應用了模塊化設計，能適應不同作業(yè)環(huán)境，操作、拆卸方便，擴大了推廣范圍。

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