基于溫室大棚除雪骨架結(jié)構(gòu)的研究

張海燕，王文博

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

科技高速發(fā)展，我國的經(jīng)濟水平和國際社會地位都在不斷的進(jìn)步和提高，人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高。因此，許多人們希望在一年四季內(nèi)都能吃到新鮮優(yōu)質(zhì)的蔬菜瓜果，人們的這一需求促進(jìn)了蔬菜大棚的進(jìn)步和發(fā)展。以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。我國北方地區(qū)，冬季經(jīng)常會有降雪，積雪影響大棚的透光性、保溫性，不僅對大棚內(nèi)部植物的正常生長產(chǎn)生不良影響，積雪過厚時甚至?xí)嚎宕笈铮斐删薮蟮慕?jīng)濟損失。不僅增加了農(nóng)民勞動成本，浪費了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了減小農(nóng)業(yè)投入成本并實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化，推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大力發(fā)展大棚設(shè)施與相應(yīng)的溫室工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，便大棚內(nèi)形成有利于蔬菜、水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)高效益的重要環(huán)節(jié)。鑒于此，筆者設(shè)計了一種涉及農(nóng)業(yè)溫室大棚骨架，解決了現(xiàn)有的溫室大棚清雪困難，積雪對溫室大棚的危害的問題。

1 溫室大棚設(shè)計背景及簡介

1.1 背景技術(shù)

溫室大棚是起源于蔬菜、花卉保護(hù)地栽培的一種建筑設(shè)置。發(fā)展到現(xiàn)在，它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于植物及動物生產(chǎn)等領(lǐng)域。在植物生產(chǎn)方面，它不但大量用于蔬菜、花卉的栽培，而且也用于苗木、水果以及藥材生產(chǎn)的過程。在栽培方式上，它既適合一般地栽方式，又可采用盆栽、栽培床栽培方式，還適用于現(xiàn)代化的多層立體栽培、無土栽培甚至植物工廠化栽培等栽培方式。

在我國的北方地區(qū)，冬季經(jīng)常會有降雪，積雪影響大棚的透光性、保溫性，不僅對大棚內(nèi)部植物的正常生長產(chǎn)生不良影響，積雪過厚時甚至?xí)嚎宕笈?，造成巨大的?jīng)濟損失[1]。目前溫室大棚的除雪多為人工手動作業(yè)，不僅工作強度太大，而且效率不高，除雪時間過長，棚膜有變形破損的危險，針對上述的問題進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計了一種農(nóng)業(yè)溫室大棚骨架，解決了現(xiàn)有的溫室大棚清雪困難，積雪對溫室大棚的危害的問題。

1.2 項目簡介

該大棚骨架包括一對結(jié)構(gòu)相同的底架臺，一對底架臺上安裝有支撐結(jié)構(gòu)以及收集結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)上安裝有輔助支撐結(jié)構(gòu)、監(jiān)測結(jié)構(gòu)以及溫度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；支撐結(jié)構(gòu)主要包括：若干個結(jié)構(gòu)相同的n 型支撐架、若干個結(jié)構(gòu)相同的支撐柱以及頂部固定桿[2]。本項目的有益效果是，通過對大棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計，將棚頂?shù)姆e雪消融滑落，使植物的生長不會因為光照而影響。其次滑落的積雪融水進(jìn)行回收利用，利用溫濕度傳感器等各種元件實施檢測，進(jìn)行澆灌作物，對資源的合理利用，使菜農(nóng)增收增產(chǎn)。

2 大棚骨架的整體及各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該種溫室大棚包括栽種槽、雪水收集系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)及濕度檢測控制系統(tǒng)；栽種槽設(shè)于地面或做成隔屏狀，供栽種植物；將冰雪融水收集到供水系統(tǒng)通過檢測自動適時適量供給水分；溫控系統(tǒng)包括排風(fēng)扇、熱風(fēng)扇、溫度感應(yīng)器及恒溫系統(tǒng)控制箱等，以適時調(diào)節(jié)溫度；輔助照明系統(tǒng)包用于無日光時提供照明，使植物進(jìn)行光合作用，溫度控制系統(tǒng)配合排風(fēng)扇而調(diào)節(jié)濕度及降低室內(nèi)溫度。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

如圖1 所示，當(dāng)密封透明塑膠布22 外側(cè)上有大量積雪時，使用者操控一對控制板26，通過控制板26 控制兩對小型驅(qū)動機17 運作，帶動兩對小型驅(qū)動機17 上的一對升降桿14 轉(zhuǎn)動，一對升降桿14 轉(zhuǎn)動帶動其上的若干個升降齒輪15 轉(zhuǎn)動，通過升降齒輪15 與升降圓弧卡條16 齒輪嚙合，使得升降齒輪15向上或向下移動[3]，通過控制板26 控制小型驅(qū)動機17 的轉(zhuǎn)動方向，使得升降齒輪15 與升降圓弧卡條16 配合，使得若干個固定塊10 向上移動，同時帶動插裝于固定塊10 上升降凹槽12 內(nèi)的側(cè)壁支撐桿11，結(jié)構(gòu)如圖4 所示，通過側(cè)壁支撐桿11 內(nèi)設(shè)置的電熱絲21 加熱，使得貼附于側(cè)壁支撐桿11 上的密封透明塑膠布22 受熱，同時通過密封透明塑膠布22將熱量傳遞給貼附于密封透明塑膠布22 上的積雪受熱潤滑，貼附于密封透明塑膠布22 上的積雪潤滑，使得摩擦力減小，從而使得積雪順著融化后的積雪一起流下，流到底架臺1 上收集水槽9 內(nèi)，通過收集水槽9 內(nèi)的防護(hù)網(wǎng)8 對落下的積雪進(jìn)行過濾，避免了有石頭子落入收集水槽9 內(nèi)，堵塞了收集水槽9上的L 型引流管6[4]，通過支撐柱3 以及底架臺1 上的溫度傳感器19 以及濕度傳感器20 監(jiān)控大棚內(nèi)的溫度以及濕度，溫度傳感器19 將監(jiān)測信息傳遞給控制板26，當(dāng)發(fā)現(xiàn)大棚底端溫度低于一定溫度時，控制板26 控制輔助支撐結(jié)構(gòu)下降，同時控制電熱絲21加熱，從而在大棚的底端進(jìn)行加熱，當(dāng)濕度傳感器20監(jiān)測到大棚內(nèi)過于干燥時，控制板26 接收到濕度傳感器20 傳來的信息低于正常濕度時，通過控制板26控制電磁閥門7 開啟以及防凍加熱管28 加熱積雪，將積雪融化，循環(huán)利用收集水槽9 內(nèi)的積雪。之后通過L 型引流管6 引流到大棚內(nèi)，通過固定塊10 上的移動凹槽24 內(nèi)的移動球25，使得固定塊10 在上下移動時與密封透明塑膠布22 的摩擦系數(shù)降低，避免了固定塊10 上下移動時磨損密封透明塑膠布22。

圖1 大棚骨架整體結(jié)構(gòu)

2.3 部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 雪水循環(huán)回收系統(tǒng)

棚膜表面的雨雪水收集比較方便，但是大多數(shù)的菜農(nóng)未考慮這部分雨雪水的利用。較為廉價的水資源浪費還會造成溫室的局部缺水。在該骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計中把水資源充分的利用了起來，在棚前順棚修好傾斜的集水槽，在棚壁附近有蓄水池，收集棚面上的水，在棚內(nèi)安裝節(jié)水灌溉滴灌設(shè)備。具體結(jié)構(gòu)主要包括：一對結(jié)構(gòu)相同的L 型引流管6 以及電磁閥門7；一對底架臺1 上分別開設(shè)有收集水槽9，內(nèi)分別設(shè)置有防護(hù)網(wǎng)8 對落下的積雪進(jìn)行過濾，避免了有石頭子落入收集水槽內(nèi)，堵塞了收集水槽上的L型引流管6，L 型引流管分別插裝于收集水槽9 上，電磁閥門7 分別安裝于L 型引流管6 上，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雪水收集循環(huán)系統(tǒng)（序號同上）

2.3.2 系統(tǒng)的檢測結(jié)構(gòu)——濕度傳感器

在大棚內(nèi)種植作物，溫度和濕度是衡量大棚的重要指標(biāo)。大棚內(nèi)的大多數(shù)作物發(fā)生疾病的最大障礙就是溫度、濕度失控引起的，為了促進(jìn)溫室棚內(nèi)各種作物的健康成長，增加收成，需要及時調(diào)節(jié)棚內(nèi)的濕度和溫度。溫濕度傳感器是檢測和傳遞棚內(nèi)溫度、濕度的電子儀器，也是目前智慧農(nóng)業(yè)中應(yīng)用范圍最廣的一類傳感器，在農(nóng)業(yè)大棚中為空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器兩種。

在該結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要特指的是空氣溫濕度傳感器，棚內(nèi)使用溫濕度傳感器可以實時檢測促進(jìn)作物的生長，運用溫濕度傳感器進(jìn)行檢測控制，可以有效防止出現(xiàn)棚內(nèi)空氣溫度及土地的干裂、洪澇。不僅如此，還可以通過了解農(nóng)作物，得知它所需的濕度環(huán)境。當(dāng)濕度數(shù)據(jù)超標(biāo)時，通過濕度傳感器發(fā)出信號并聯(lián)動排濕設(shè)備，實現(xiàn)智能控制，極大地方便了人們的生活。在設(shè)計的檢測系統(tǒng)中若干個結(jié)構(gòu)相同的溫度傳感器19 以及濕度傳感器20，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。通過支撐柱以及底架臺1 上的溫度傳感器19 以及濕度傳感器20 監(jiān)控大棚內(nèi)的溫度以及濕度，溫度傳感器19 將監(jiān)測信息傳遞給控制板26，當(dāng)發(fā)現(xiàn)大棚底端溫度低于一定溫度時，控制板26 控制輔助支撐結(jié)構(gòu)下降，同時控制電熱絲21 加熱，從而在大棚的底端進(jìn)行加熱，當(dāng)濕度傳感器20 監(jiān)測到大棚內(nèi)過于干燥時，控制板26 接收到濕度傳感器20 傳來的信息低于正常濕度時，通過控制板26 控制電磁閥門7 開啟以及防凍加熱管28 加熱積雪，將積雪融化，啟動聯(lián)動設(shè)施智能灌溉，滿足農(nóng)作物對水的需求，當(dāng)溫濕度傳感器感覺土壤中水分充足的時候就給灌溉系統(tǒng)一個停止供水的信號[5]，從而實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的自動化，在不浪費水資源的情況下滿足了農(nóng)作物的需要。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)（序號同上）

3 結(jié)論

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)迅猛發(fā)展，大棚化種植被廣泛應(yīng)用。溫室大棚在現(xiàn)今的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中己占據(jù)越來越重要的地位。為了更好地滿足作物的生長條件，提高溫室大棚內(nèi)蔬菜的產(chǎn)量，具有智能化、數(shù)據(jù)化、遠(yuǎn)程控制等特點。在電腦或者手機上就可以及時掌握棚內(nèi)溫度、土壤濕度、CO2濃度和光照強度等參數(shù)，并進(jìn)行實時測控，從而實現(xiàn)溫室大棚科學(xué)、數(shù)字化、高效率的管理。

本文完成了溫室大棚除雪骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及部分結(jié)構(gòu)研究，對大棚內(nèi)的作物生長溫度及土壤和空氣溫濕度的檢測、調(diào)控，使大棚環(huán)境得到了良好的控制。通過溫濕度傳感器控制器等各種元件相互配合將棚上積雪清除、冰雪融水收集并利用，實現(xiàn)智能控制，切實增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，極大地方便了人們的生活，具有一定的使用價值。