基于風(fēng)光互補(bǔ)與毛細(xì)現(xiàn)象灌溉的光感農(nóng)業(yè)大棚

胡士邁 滕道祥

摘 要

該系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)作為的控制中樞，通過實(shí)時(shí)檢測溫室外光照強(qiáng)度通過控制芯片的數(shù)據(jù)處理后，優(yōu)化調(diào)整太陽能電池板的對(duì)光位置，在滿足室內(nèi)植物生長需要的光照強(qiáng)度下增加了光伏發(fā)電量。此外，利用該系統(tǒng)可以采集大棚內(nèi)部溫度、土壤濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)植物土壤濕度的變化進(jìn)行合理地毛細(xì)灌溉，從而有效提高植物的生長速度并且減少水資源的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞

風(fēng)光互補(bǔ);毛細(xì)現(xiàn)象;夜間增光;智能調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)： S688.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.109

1 研究背景

隨著人們對(duì)蔬菜水果等需求日益增大，跨季種植就成了一個(gè)必須克服的問題，而跨季種植的必要設(shè)施是什么呢？那就是溫室大棚，經(jīng)過多年的發(fā)展，大棚種植已經(jīng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)構(gòu)成的非常重要的一部分，是許多跨季植物的根本保證。然而目前國內(nèi)外現(xiàn)有的蔬菜大棚一般采用光伏發(fā)電以及國家電網(wǎng)供電，能量來源非常單一并且需要大量的人工操作極大地增加了人力成本，當(dāng)遇到一些特殊情況大棚的日常工作即會(huì)受到極大的制約。此時(shí)的整個(gè)工作系統(tǒng)將不得不陷入癱瘓狀態(tài)，這真的是現(xiàn)代化大棚應(yīng)該出現(xiàn)的問題嗎，依賴于單一的能量來源以及勞累的人工操作的大棚，依舊不是現(xiàn)代化的。這時(shí)就需要一個(gè)更加穩(wěn)定、智能的溫室大棚系統(tǒng)，去保證能量來源的多元性，操作的便捷性。在東部沿海和西北等地區(qū)風(fēng)能與太陽能儲(chǔ)備極為充足，具備架設(shè)太陽能板以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的條件。在保證作物正常生長的同時(shí)增加系統(tǒng)能量來源調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在保證作物供水需求的同時(shí)采用精準(zhǔn)毛細(xì)灌溉減少水資源的浪費(fèi)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 供電系統(tǒng)

風(fēng)能、光伏互補(bǔ)發(fā)電是整個(gè)系統(tǒng)能量來源的重要組成部分，主要經(jīng)過風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電板組綜合發(fā)電通過充電裝置的穩(wěn)壓、限流后存儲(chǔ)在系統(tǒng)的蓄電電組內(nèi)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電板組的架設(shè)位置示意圖如圖1所示，大棚的兩邊安置垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，關(guān)于安置密度按照所在地區(qū)的大棚周圍空間、風(fēng)能儲(chǔ)備情況、大棚密度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析來確定垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝密度。根據(jù)大棚的高度、周圍風(fēng)力大小來確定安裝垂直軸風(fēng)機(jī)的高度及使用風(fēng)機(jī)的規(guī)格、大小。在大棚頂部安置光伏發(fā)電板，根據(jù)蔬菜的生長需要，選擇光伏板發(fā)電板的規(guī)格及安裝密度。

2.2 供水系統(tǒng)

水資源是植物生長的必備資源，但是傳統(tǒng)的大棚采用的大多是溝灌的方式為蔬菜進(jìn)行灌溉，需要大量的灌溉水的同時(shí)水資源的利用率卻非常低。溝灌的灌水量大、灌水壓力高，灌水不均勻，導(dǎo)致對(duì)土地沖擊大，容易造成土地土壤和肥料的流失。這也導(dǎo)致了使用大棚種植農(nóng)戶需要一年更換一次大棚位置并且要對(duì)土地進(jìn)行深耕的問題。一旦需要一年更換一次大棚將該會(huì)導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)。因此必須針對(duì)源頭下手，改變傳統(tǒng)的灌溉方式，采用毛細(xì)灌溉（毛細(xì)灌溉示意圖如圖2）。由毛細(xì)管束連接水體與土體或盆土，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的可控、最佳供水供肥;可節(jié)省能源、簡化管理，還可對(duì)土壤通氣、排水、滅蟲;為免耕法和自動(dòng)化種植創(chuàng)造了條件。

2.3 控制終端

大棚的控制終端主要由單片機(jī)以及多種傳感器組成，具體實(shí)施方式是從室外光強(qiáng)以及室內(nèi)溫濕度入手，由兩對(duì)光敏元件和溫濕度傳感器采集信號(hào)，經(jīng)電橋電路和比較器處理，將脈沖送到單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室外光強(qiáng)以及室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，經(jīng)過MCU單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理與運(yùn)算并用LCD顯示出來。信號(hào)采集由溫濕度傳感器與MCU單片機(jī)構(gòu)成。由傳感器與單片機(jī)的信號(hào)交流實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的對(duì)室內(nèi)溫濕度實(shí)行監(jiān)控。溫濕度的變化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，將濾波后的溫濕度加入系統(tǒng)環(huán)境調(diào)整中。操控部分，采用人工操控和自動(dòng)控制兩種操作模式，在正常情況下可由系統(tǒng)自行操控，在特殊情況下也可切換為手動(dòng)控制。顯示部分，顯示屏共四行，每行16個(gè)字符。第一行為標(biāo)題：光感智能大棚。第二行：Temperature：XX.X℃。意思是：溫度，目前室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度。第三行：Humidity：XXXX。意思是目前室內(nèi)土壤濕度。第四行：Mode Switch：XXXX。意思切換操作模式。LCD顯示。液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。光伏板運(yùn)動(dòng)部分主要由控制電路、舵機(jī)、MCU組成。由光敏元件檢測外界光強(qiáng)的改變，經(jīng)過MCU單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而控制舵機(jī)進(jìn)行調(diào)整光伏板到合適位置。（控制終端功能圖如圖3所示）

3 功能的實(shí)現(xiàn)與未來展望

光伏板的運(yùn)動(dòng)與毛細(xì)管供水是本設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。將外界光強(qiáng)與植物需求聯(lián)系起來，通過對(duì)外界光強(qiáng)的實(shí)時(shí)測量以及精細(xì)分段來對(duì)應(yīng)改變光伏板的位置為室內(nèi)植物提供最適宜生長的光照強(qiáng)度。通過毛細(xì)現(xiàn)象來作為植物供水方式，當(dāng)監(jiān)測到土壤濕度濕度不足時(shí)通過土壤中的毛細(xì)管來為植物補(bǔ)充水源。系統(tǒng)能量來源由太陽能板的光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行結(jié)合供給，利用風(fēng)光互補(bǔ)的供電方式增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，當(dāng)電力充足時(shí)可將多余電力儲(chǔ)存在蓄電池中，當(dāng)光伏板與風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)提供電力不足時(shí)則使用蓄電池內(nèi)儲(chǔ)存的電能為系統(tǒng)供電。通過控制測量電路、太陽能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、毛細(xì)管組成了整個(gè)光感智能大棚系統(tǒng)。

隨著硅材料光伏發(fā)電板技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，發(fā)電效率將逐步提高，發(fā)電量也會(huì)不斷增多，極大地增強(qiáng)了未來光感智能大棚的可持續(xù)發(fā)展能力。隨著人們對(duì)跨季蔬菜需求量的越來越大，未來溫室大棚的發(fā)展必將走向現(xiàn)代化、智能化方向。溫室大棚的需求將越來越大，大棚的穩(wěn)定性、易操作、節(jié)能性等特點(diǎn)將尤為重要。

4 結(jié)語

節(jié)能性、穩(wěn)定性、便捷性將會(huì)是未來大棚發(fā)展的新方向，智能光感大棚必定會(huì)成為未來大棚的發(fā)展方向。隨著光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的互補(bǔ)性提高，將會(huì)導(dǎo)致大棚行業(yè)的新的發(fā)展。雖然目前風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)上依舊存在一些問題，但正是因?yàn)檫@些問題，為未來的設(shè)計(jì)與發(fā)展指明了方向。相信隨著技術(shù)的不斷突破，能源利用率的不斷提高，風(fēng)光互補(bǔ)智能大棚的諸多問題都會(huì)得到解決。

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