無線大棚溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王軒力

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 引言

由于植物的生長需要維持在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度過低或過高都會(huì)影響其正常生長，因此需要對大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前的調(diào)節(jié)方法是在塑料大棚的上部開通風(fēng)口，使棚內(nèi)的空氣與外界的空氣形成對流，從而對大棚內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，該方法不僅溫度調(diào)節(jié)效率低，調(diào)節(jié)效果不好，并且需要人工隨時(shí)對通風(fēng)口的開度進(jìn)行調(diào)整，耗費(fèi)較多的人力。本文設(shè)計(jì)了一種無線大棚溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不用人去現(xiàn)場調(diào)節(jié)大棚溫度，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)的全新農(nóng)業(yè)新模式。

1 無線大棚溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是將大棚溫度調(diào)節(jié)裝置安裝在大棚里面，然后再配置無線網(wǎng)，使這個(gè)裝置和無線網(wǎng)相連，在手機(jī)端安裝相應(yīng)控制APP，或者在電腦上安裝相應(yīng)上位機(jī)控制軟件，可以設(shè)置相應(yīng)溫度，若裝置傳感器檢測到大棚溫度太高，會(huì)發(fā)送相應(yīng)信息給手機(jī)或者上位機(jī)電腦，若達(dá)到溫度上限，手機(jī)或者電腦會(huì)通過無線網(wǎng)給裝置發(fā)出指令，開啟電磁閥來調(diào)節(jié)溫度。這樣就不用到現(xiàn)場去實(shí)際操作，方便了種植者。

本系統(tǒng)由大棚、無線傳輸部分、控制終端部分三部分構(gòu)成，如圖1所示。

(1) 大棚：在溫室大棚中，保持棚內(nèi)溫度在一定范圍內(nèi)是維持農(nóng)作物生長的主要條件，本系統(tǒng)通過水和空氣來控制溫度，通過模仿電腦的風(fēng)扇降溫和水降溫兩種模式實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

(2) 無線傳輸部分：由于種植的農(nóng)作物處于野外或者其生長環(huán)境不利于安裝有線網(wǎng)絡(luò)，因此本系統(tǒng)考慮采用無線網(wǎng)將種植農(nóng)作物所處環(huán)境的溫度傳輸?shù)娇刂平K端。在此可以選擇多種無線傳輸模塊，如藍(lán)線模塊、Zigbee模塊、wifi模塊等，本文結(jié)合具體環(huán)境、實(shí)用方便以及經(jīng)濟(jì)等多方面因素采用Zigbee模塊。Zigbee技術(shù)是一種近距離、功耗低、復(fù)雜度低、成本低的雙向無線通信技術(shù)，廣泛用于控制對象分散、傳輸數(shù)據(jù)頻繁的環(huán)境中。

圖1 無線大棚溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

一個(gè)農(nóng)作物或者多個(gè)農(nóng)作物使用一個(gè)大棚調(diào)節(jié)裝置，大棚調(diào)節(jié)裝置帶有一個(gè)溫度傳感器，由溫度傳感器采集農(nóng)作物的實(shí)時(shí)溫度，通過連接的Zigbee模塊傳輸?shù)綗o線MESH路由器(一個(gè)大棚放置一個(gè)MESH路由器，因?yàn)镸ESH路由器可以連接多個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn))，通過MESH路由器接入IP網(wǎng)絡(luò)，然后傳輸?shù)娇刂平K端，完成數(shù)據(jù)的上傳。同樣，控制終端接收到溫度信號后，檢查溫度是否超過設(shè)定的農(nóng)作物上限溫度，如果超過，則發(fā)出指令信號，通過IP網(wǎng)絡(luò)、無線MESH路由器、Zigbee節(jié)點(diǎn)最終傳回大棚溫度調(diào)節(jié)裝置，然后控制電磁閥打開送水裝置來達(dá)到降溫的目的。Zigbee傳輸示意圖如圖2所示。

(3) 控制終端部分：控制終端部分可以選擇手機(jī)或者電腦。由于采集到的是農(nóng)作物溫度數(shù)值，如果按秒采集，則數(shù)據(jù)量太大無法處理，因此考慮每分鐘采集一次。首先設(shè)計(jì)一個(gè)軟件，將適宜農(nóng)作物生長的溫度的上限值記錄下來，將每分鐘采集一次的溫度數(shù)值與該上限數(shù)值做比較，如果大于這個(gè)數(shù)值，則軟件發(fā)出一個(gè)指令信號，這樣就完成了一次的溫度采集和控制操作。將經(jīng)過比較的溫度數(shù)值存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)記錄下相應(yīng)的時(shí)間，當(dāng)每天結(jié)束時(shí)軟件按照數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成一個(gè)圖表，根據(jù)這個(gè)圖表，可以知道農(nóng)作物在什么季節(jié)什么時(shí)間溫度容易超過上限值，同時(shí)還可以判斷出農(nóng)作物新品種的最適宜生長溫度。

圖2 Zigbee傳輸示意圖

2 大棚溫度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的大棚是通過水路循環(huán)對大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，即預(yù)先將水路管道埋在地下，從而進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，該方法需要付出較大的勞動(dòng)力，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不便于實(shí)施。通過研究以前的大棚溫度調(diào)節(jié)裝置的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種電子機(jī)械裝置的降溫設(shè)備，如圖3所示。

1-金屬扎桿；2-刻度標(biāo)尺；3-電磁閥；4-進(jìn)水管；5-散熱片；6-卡槽；7-膠塞；8-防護(hù)墊；9-中空圓盤；10-出水管；11-冷卻管；12-信號發(fā)射器；13-溫度傳感器；14-限位臺(tái)；15-導(dǎo)向套；16-緊固螺釘；17-固定套

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本設(shè)備由主體裝置和溫度調(diào)節(jié)裝置組成。主體裝置由金屬扎桿1、刻度標(biāo)尺2、信號發(fā)射器12、溫度傳感器13、緊固螺釘16和固定套17組成，溫度傳感器13置于金屬扎桿1的一端，且通過導(dǎo)線和信號發(fā)射器12相連接，所述信號發(fā)射器12置于金屬扎桿1內(nèi)，其天線和金屬扎桿1連接，固定套17通過緊固螺釘16置于金屬扎桿1上，金屬扎桿1上置有刻度標(biāo)尺2。溫度調(diào)節(jié)裝置由電磁閥3、進(jìn)水管4、散熱片5、卡槽6、膠塞7、防護(hù)墊8、中空圓盤9、出水管10、冷卻管11、限位臺(tái)14、導(dǎo)向套15、通水孔、水腔和隔水板組成，中空圓盤9通過導(dǎo)向套15置于金屬扎桿1上，中空圓盤9內(nèi)置有水腔，并開有卡槽6，防護(hù)墊8置于卡槽6內(nèi)，中空圓盤9上置有多個(gè)膠塞7，冷卻管11的一端穿過膠塞7，限位臺(tái)14置于冷卻管11的另一端，隔水板置于冷卻管11內(nèi)，冷卻管11的一端上開有兩個(gè)通風(fēng)孔，且分別位于隔水板的兩側(cè)，進(jìn)水管4的一端置于中空圓盤9上，且與中空圓盤9相連通，電磁閥3置于進(jìn)水管4的另一端上，出水管10的一端置于中空圓盤9上，且與中空圓盤9相連通，多個(gè)散熱片5置于中空圓盤9上。

2.2 使用原理

使用時(shí)，首先根據(jù)需降溫土層的深度確定固定套的位置，然后通過緊固螺釘將固定套固定在金屬扎桿上，將進(jìn)水管通過電磁閥接入外部水路，將出水管接入外部水路，并將電磁閥與外部監(jiān)測控制中心連接，然后使中空圓盤貼在地面上，將金屬扎桿扎進(jìn)地面深處，并且將所有的冷卻管也扎進(jìn)地面深處，沿著膠塞滑動(dòng)冷卻管，使冷卻管一端的兩個(gè)通水孔置于水腔內(nèi)，從而使冷卻管通過兩個(gè)通水孔與水腔相連通，將周邊的植物莖卡進(jìn)卡槽內(nèi)，接通電源，溫度傳感器對地面深處的溫度進(jìn)行檢測，并且通過信號發(fā)射器將檢測的信號傳遞給外部物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。當(dāng)溫度較高需要調(diào)節(jié)時(shí)，外部物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制電磁閥打開，水通過電磁閥進(jìn)入進(jìn)水管內(nèi)，然后流進(jìn)水腔內(nèi)，水腔內(nèi)的水分別通過多個(gè)冷卻管一端的一個(gè)通水孔流進(jìn)多個(gè)冷卻管內(nèi)，在多個(gè)冷卻管內(nèi)沿著隔板循環(huán)一周后流回水腔內(nèi)，然后通過儲(chǔ)水管流回外部水路中，從而對地面深處進(jìn)行冷卻降溫；當(dāng)外部監(jiān)測控制中心觀測到不需要對大棚內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，控制電磁閥關(guān)閉。當(dāng)水流進(jìn)水腔內(nèi)時(shí)，散熱片能夠?qū)λM(jìn)行一定程度的散熱降溫，防護(hù)墊能夠防止對周圍植物莖造成傷害，而信號發(fā)射器的天線與金屬扎桿連接的設(shè)計(jì)能夠提高信號發(fā)射器的傳輸信號強(qiáng)度，膠塞的設(shè)計(jì)使得在冷卻管不插入的時(shí)候處于密封狀態(tài)，固定套的設(shè)計(jì)能夠根據(jù)需測地面的深度進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)深度土層進(jìn)行冷卻降溫的目的。

3 結(jié)論

本文通過分析以前的大棚溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)新模式設(shè)計(jì)了無線大棚溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。首先通過溫度傳感器采集土壤溫度，然后用無線網(wǎng)發(fā)射信號到控制終端部分，最后通過控制溫度調(diào)節(jié)裝置的電磁閥，使電磁閥彈起讓水流入冷卻管內(nèi)，達(dá)到降溫的目的，本系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了溫度的智能調(diào)節(jié)。