一種溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

黃 媛，李瑜玲，楊英茹，武 猛，高欣娜，李海杰

（石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院，石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050041）

我國是蔬菜種植大國，蔬菜種植面積、產(chǎn)量和產(chǎn)值近些年一直穩(wěn)步增加。2017 年我國設(shè)施蔬菜面積達(dá)到333 萬hm2，預(yù)計(jì)2017—2021 年平均復(fù)合增長率1.25%，2021 年將達(dá)到413 萬hm2?，F(xiàn)階段種植蔬菜的溫室棚以大中塑料拱棚、小拱棚、網(wǎng)棚為主，以日光溫室和鋼骨架玻璃連棟智能溫室為輔。然而，蔬菜生產(chǎn)設(shè)施的簡易化不僅降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力，同時(shí)也不符合未來蔬菜種植工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化及品牌化的趨勢(shì)。“十三五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃要求“推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)信息技術(shù)深化應(yīng)用，在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大力推廣溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能控制技術(shù)和裝備，重點(diǎn)加快水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的普及應(yīng)用”。由此可見，大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必經(jīng)之路，也是我國“十三五”期間農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃的重要任務(wù)目標(biāo)[1-2]。

空氣溫濕度對(duì)作物生長的重要意義不言而喻，它既可以影響作物的光合、呼吸、蒸騰等生理作用，也可以影響有機(jī)物的合成和運(yùn)輸?shù)却x過程，還可以通過土溫土濕直接影響水肥的吸收和輸導(dǎo)，同時(shí)與作物病蟲害的發(fā)生也有著密切聯(lián)系。因此，密切監(jiān)測(cè)設(shè)施環(huán)境空氣溫濕度是實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜智能化生產(chǎn)的重要前提。大力發(fā)展溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝備是加快設(shè)施蔬菜生產(chǎn)智能化進(jìn)程的重要組成部分，只有掌握了實(shí)時(shí)溫室大棚生產(chǎn)環(huán)境的變化和走勢(shì)，才能及時(shí)地根據(jù)作物生長階段進(jìn)行生產(chǎn)操作和管理，為智能化生產(chǎn)提供前提條件。

空氣溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備大多采用溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)備將溫濕度傳感器集成并吊裝在百葉窗形狀的防護(hù)箱內(nèi)，使用時(shí)將監(jiān)測(cè)設(shè)備懸置在溫室內(nèi)。但是現(xiàn)有大多監(jiān)測(cè)設(shè)備采取的是傘裙式設(shè)置，且防護(hù)箱體積較小，加之沒有遮光設(shè)計(jì)，因此使用時(shí)防護(hù)箱受到太陽直射，內(nèi)部升溫快且不易散熱的情況較常見。同時(shí)，由于目前在應(yīng)用過程中對(duì)吊裝位置沒有科學(xué)統(tǒng)一的指導(dǎo)或規(guī)定，而日光溫室內(nèi)溫濕度存在分布不均的情況，如果溫、濕度傳感器安裝在一個(gè)固定位置上，就不能根據(jù)作物高度及時(shí)測(cè)定近作物周圍的空氣狀況，難以準(zhǔn)確地反映影響植株生長的空氣溫濕度。

1 溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)思路

該研究設(shè)計(jì)一種溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)備通過升降裝置安裝在溫室大棚的棚頂龍骨上，可根據(jù)要求調(diào)節(jié)設(shè)備懸掛的高度，溫濕度傳感器防護(hù)箱為豎向百葉窗，其內(nèi)部空氣流通、不易集聚，同時(shí)設(shè)計(jì)遮光傘避免太陽直射對(duì)空氣溫濕度傳感器的影響，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2 工作原理

該研究設(shè)計(jì)的溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括升降裝置及監(jiān)測(cè)裝置。升降裝置包括升降箱體、卷揚(yáng)軸、卷揚(yáng)繩、中心轉(zhuǎn)軸、渦輪、蝸桿及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。升降裝置將監(jiān)測(cè)裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上，蝸桿在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步卷揚(yáng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)裝置的高度；監(jiān)測(cè)裝置包括防護(hù)箱及空氣溫濕度傳感器，防護(hù)箱頂端與升降裝置的卷揚(yáng)繩連接，防護(hù)箱頂端與底座之間設(shè)置若干個(gè)豎向的百葉窗葉片，溫度傳感器和濕度傳感器通過卡座固定安裝在防護(hù)箱的底座上；另外，監(jiān)測(cè)裝置頂端通過支撐桿設(shè)置有遮光傘。通過升降裝置和監(jiān)測(cè)裝置的配合，操作人員可根據(jù)不同作物及其不同生長階段自由調(diào)整設(shè)備的位置，收集能夠準(zhǔn)確反映植株生長環(huán)境的空氣溫濕度數(shù)據(jù)，從而更好地指導(dǎo)科學(xué)研究或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2 溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫室大棚溫濕度調(diào)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 為溫室大棚溫濕度調(diào)控系統(tǒng)，包括空氣溫濕度監(jiān)測(cè)裝置、中央處理器、空氣溫度調(diào)節(jié)器和空氣濕度調(diào)節(jié)器?？諝鉁貪穸缺O(jiān)測(cè)裝置、空氣溫度調(diào)節(jié)器及空氣濕度調(diào)節(jié)器分別與中央處理器進(jìn)行電連接，空氣溫濕度監(jiān)測(cè)裝置將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給中央處理器，中央處理器根據(jù)提前編程的監(jiān)測(cè)模型分別對(duì)空氣溫度調(diào)節(jié)器和空氣濕度調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號(hào)，控制二者的啟停[3-4]。

2.2 溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測(cè)裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

如圖2 所示，空氣溫濕度監(jiān)測(cè)裝置包括升降裝置及與升降裝置連接的監(jiān)測(cè)裝置。（1）升降裝置：包括升降箱體及設(shè)置在升降箱體內(nèi)的卷揚(yáng)軸、卷揚(yáng)繩、中心轉(zhuǎn)軸、渦輪、蝸桿和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。升降箱體頂端通過掛鉤懸掛在棚頂鋼骨架上，并通過緊固螺栓固定；中心轉(zhuǎn)軸兩端均通過軸承固定安裝在升降箱體兩側(cè)壁上，卷揚(yáng)軸和渦輪均套裝在中心轉(zhuǎn)軸兩端，且渦輪和卷揚(yáng)軸均與中心轉(zhuǎn)軸相對(duì)固定，蝸桿與渦輪相嚙合（圖3），驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)；卷揚(yáng)軸上設(shè)置卷揚(yáng)繩，卷揚(yáng)繩的一端與監(jiān)測(cè)裝置連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最終帶動(dòng)卷揚(yáng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置垂直方向上的升降。（2）監(jiān)測(cè)裝置：包括防護(hù)箱和空氣溫濕度傳感器。防護(hù)箱頂端通過支撐桿設(shè)置有遮光傘，遮光傘頂端通過連接吊環(huán)與卷揚(yáng)繩連接；遮光傘為雙層結(jié)構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)之間通過支撐骨架連接；遮光傘上層外表面涂布有鋁制反射膜，將棚內(nèi)照射進(jìn)來的陽光反射出去，防止陽光直射防護(hù)箱；防護(hù)箱頂端與底座之間設(shè)置若干個(gè)豎向的百葉窗葉片，所有百葉窗葉片的中心點(diǎn)形成一個(gè)圓，每個(gè)百葉窗葉片中心點(diǎn)和圓心連成的半徑，與百葉窗葉片水平方向的中心軸的夾角為α（圖4），方便防護(hù)箱內(nèi)空氣流通；空氣溫濕度傳感器通過卡座固定在防護(hù)箱底座上，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出給中央處理器[5-6]。

2.3 溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)繩的升降，如圖5 所示，驅(qū)動(dòng)電路中，采用驅(qū)動(dòng)芯片IC1控制，驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端口OUT1和OUT2分別并接在驅(qū)動(dòng)電機(jī)M 的兩端，驅(qū)動(dòng)微調(diào)芯片IC1的輸入端口INT1和INT2分別連接正轉(zhuǎn)按鈕ZA 和反轉(zhuǎn)按鈕FA，正轉(zhuǎn)按鈕ZA 和反轉(zhuǎn)按鈕FA 的另一端經(jīng)提拉電阻R 連接在電源正極上。當(dāng)需要下調(diào)監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，點(diǎn)按正轉(zhuǎn)按鈕ZA，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，卷揚(yáng)繩下降，下降到所需位置時(shí)，松開正轉(zhuǎn)按鈕；當(dāng)需要上調(diào)監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，點(diǎn)按反轉(zhuǎn)按鈕FA，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，卷揚(yáng)繩上升，上升至所需位置時(shí)，松開反轉(zhuǎn)按鈕，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作，渦輪蝸桿自鎖，監(jiān)測(cè)裝置固定在所需位置；驅(qū)動(dòng)芯片IC1為MC33886 芯片[7-9]。

3 溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

該監(jiān)測(cè)裝置的性能試驗(yàn)選擇在石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院趙縣實(shí)驗(yàn)基地5 號(hào)溫室內(nèi)進(jìn)行，5 號(hào)溫室東西長90 m，南北跨度為8 m，內(nèi)部種植面積約為667 m2，北后墻為磚結(jié)構(gòu)，南采光面為鋼支撐架構(gòu)，外覆塑料薄膜，有上下兩個(gè)通風(fēng)口，外有保溫用棉被。性能試驗(yàn)于2018 年8 月25—31 日越冬茬番茄苗定植后的一周內(nèi)進(jìn)行，期間溫室外溫度較高，棚內(nèi)澆了定植水，濕度較大，為保證平穩(wěn)度過緩苗期，這一階段應(yīng)加強(qiáng)溫室內(nèi)溫濕度管理，避免溫濕度過高造成死苗或引發(fā)莖基腐病。

3.2 試驗(yàn)方法

由于試驗(yàn)期間為番茄病毒病高發(fā)時(shí)段，煙草花葉病毒（TMV）、黃瓜花葉病毒（CMV）、馬鈴薯X 病毒（PVX）等能夠引起番茄發(fā)病的常見病毒可在高溫低濕環(huán)境迅速增殖，因此該試驗(yàn)設(shè)定5 個(gè)傳感器每半小時(shí)采集1 次空氣溫濕度數(shù)據(jù)，選取每天的最高溫度和最低濕度為有效值，通過整理計(jì)算可得每天大棚內(nèi)最高溫度和最低濕度的平均值。在番茄病毒病預(yù)警監(jiān)測(cè)中一般采用取自棚內(nèi)不同位置所測(cè)平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)警，通常認(rèn)為棚內(nèi)所設(shè)傳感器數(shù)量越多，所得平均值越具實(shí)際意義。

選購一批北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心研制的便攜式氣象站設(shè)備，以其中的空氣溫濕度傳感器集成該研究設(shè)計(jì)的溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備，懸于5 號(hào)溫室種植區(qū)域的正中間，將其編號(hào)為1。另外選擇4 臺(tái)便攜式氣象站懸掛在溫室不同位置的不同高度，分別編號(hào)為2、3、4、5，其具體工作位置見表1。傳感器的 量程、精度都一致。溫度量程為-10～70 ℃，濕度量程為5%～99%RH；溫度精度為±0.5 ℃，濕度精度為±3%。

表1 各傳感器的位置

3.3 結(jié)果與分析

由圖6、圖7 可知，1 號(hào)設(shè)備的空氣溫度、濕度數(shù)值與平均值更為接近，1 號(hào)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)受安裝位置及太陽直射等因素影響最小，據(jù)此進(jìn)行科研試驗(yàn)或農(nóng)事管理更為準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

該研究設(shè)計(jì)的空氣溫濕度監(jiān)測(cè)裝置與傳統(tǒng)空氣溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，其特點(diǎn)在于通過升降裝置將溫濕度監(jiān)測(cè)裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上，可根據(jù)作物高度隨時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)位置；空氣溫濕度傳感器安裝在防護(hù)箱內(nèi)，防護(hù)箱頂端為環(huán)形透氣柵，側(cè)壁為豎直方向的百葉窗，方便空氣流通，可以避免上升的熱空氣在防護(hù)箱內(nèi)滯留不散；同時(shí)，防護(hù)箱頂端設(shè)置雙層遮光傘，防止陽光直曬防護(hù)箱，使空氣溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映植株真實(shí)的生長環(huán)境。該研究為今后設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化調(diào)控、智能化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。