基于電氣自動(dòng)化的大棚智能控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭學(xué)軍

摘要：大棚可以根據(jù)農(nóng)作物的需求設(shè)置棚內(nèi)的溫度和濕度，創(chuàng)造出最有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，因此大棚的控溫技術(shù)十分重要。本文對(duì)大棚的智能控溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以期為相關(guān)人士提供參考。

關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化；大棚；智能控溫；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大棚種植可以根據(jù)種植的農(nóng)作物的需求來(lái)及時(shí)調(diào)節(jié)溫度、濕度以及通風(fēng)的程度，這種大棚科技就叫做大棚智能控溫系統(tǒng)。這是一種基于電氣自動(dòng)化的棚內(nèi)氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以根據(jù)生產(chǎn)需求對(duì)溫度、濕度和通風(fēng)效果及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外蔬菜大棚還可以針對(duì)塑料薄膜的厚薄程度和材料質(zhì)地的不同，對(duì)陽(yáng)光進(jìn)行反射，實(shí)現(xiàn)合理的光合作用，適應(yīng)棚內(nèi)作物的生產(chǎn)需求。

1.1 推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化

干旱是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要因素。各國(guó)均對(duì)其采取了相應(yīng)的科技手段以應(yīng)對(duì)干旱對(duì)農(nóng)作物的影響。例如，以色列境內(nèi)沙漠較多，一年中的大部分時(shí)間都較為干旱，因此在以色列大多農(nóng)作物都采用了大棚種植技術(shù)。大棚膜不僅可以保濕，還可以應(yīng)對(duì)高溫等惡劣氣候。因此大棚膜的電氣自動(dòng)化技術(shù)，既能用于解決智能化管理問(wèn)題，又能解決創(chuàng)收問(wèn)題，同時(shí)還可以減少病蟲(chóng)害，確保農(nóng)作物在最優(yōu)質(zhì)的環(huán)境中生產(chǎn)，可謂是一舉多得。

1.2 更好地控制作物的生長(zhǎng)

隨著農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步，大棚的工藝設(shè)計(jì)和科技得到了不小的發(fā)展。比如，傳統(tǒng)的大棚人工控制作物的時(shí)間比較長(zhǎng)，花費(fèi)的資金比較大，時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本比較高。引入大棚智能控溫系統(tǒng)之后，就能自動(dòng)檢測(cè)出農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳條件，這樣就可以參考這個(gè)最佳值進(jìn)行智能控溫，對(duì)大棚的農(nóng)作物生長(zhǎng)就會(huì)更有利。

在農(nóng)作物種植中，由于化肥具有一定的熱量，因此如果環(huán)境溫度過(guò)低，一般會(huì)采用加量施用化肥來(lái)提供足夠的溫度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。但是過(guò)多的使用肥料會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，施用不當(dāng)還會(huì)燒壞農(nóng)作物，因此利用大棚將太陽(yáng)光集中到農(nóng)作物身上，可以保障農(nóng)作物更好的生長(zhǎng)，還不會(huì)污染環(huán)境，這是最環(huán)保的助長(zhǎng)方式。

2.1 溫室大棚智慧管理系統(tǒng)

溫室大棚的智慧管理系統(tǒng)可以根據(jù)農(nóng)作物的需求不斷改善大棚內(nèi)的環(huán)境，包括溫度、濕度等一系列數(shù)據(jù)，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，同時(shí)還可以改善棚內(nèi)土壤的pH，使之更容易被農(nóng)作物所吸收。對(duì)大棚實(shí)現(xiàn)全面的智能化監(jiān)測(cè)之后，還可以實(shí)現(xiàn)智能控制，將信號(hào)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，再通過(guò)手機(jī)來(lái)控制大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，這種控制，我們往往稱(chēng)之為云端監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控或手機(jī)端智能控制系統(tǒng)。種植戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)獲得棚內(nèi)的信息，并根據(jù)這些信息及時(shí)調(diào)節(jié)棚內(nèi)的溫度、濕度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。要想通過(guò)這種遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境的控制，就要在棚內(nèi)安裝多個(gè)傳感器，將傳感器安裝到不同的節(jié)點(diǎn)，選擇DHT11和AM2320溫濕度傳感器，融入模糊控制等技術(shù)，采用MySQL開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)，降低開(kāi)發(fā)成本，提升系統(tǒng)的通用性。互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)區(qū)域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)方式加入網(wǎng)絡(luò)，方便用戶(hù)在PC端和移動(dòng)端操作軟件，用戶(hù)不僅可以在大屏幕設(shè)置溫度闊值，而且也可以遠(yuǎn)程操作，設(shè)置各類(lèi)溫度參數(shù)，不需要在高溫的大棚中長(zhǎng)期進(jìn)行勞作?？刂泼姘逋ㄟ^(guò)遠(yuǎn)程手機(jī)端、PC端和大棚內(nèi)的液晶顯示屏，系統(tǒng)主要監(jiān)控大棚內(nèi)溫度和氣候變化相關(guān)指標(biāo)，傳感器設(shè)備包括空氣溫度/濕度傳感器、土壤溫度/濕度傳感器、光照傳感器、太陽(yáng)能傳感器等，都以無(wú)線(xiàn)方式傳輸信號(hào)，利用大棚內(nèi)的區(qū)域網(wǎng)作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，同時(shí)連接到移動(dòng)端網(wǎng)絡(luò)，確保信號(hào)有效傳輸。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊指的是在大棚內(nèi)的控制系統(tǒng)中設(shè)置多種調(diào)節(jié)功能，包括溫濕度、光線(xiàn)的傳輸?shù)取＿@些數(shù)據(jù)往往會(huì)有一個(gè)范圍，一旦這些數(shù)據(jù)突破了這個(gè)范圍，無(wú)論是升高還是降低，都會(huì)出現(xiàn)警報(bào)，并直接傳輸?shù)绞謾C(jī)上。此外，有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員對(duì)于智能設(shè)備的運(yùn)用不夠熟練，此時(shí)可以在系統(tǒng)上設(shè)定一個(gè)閾值，這個(gè)閾值就是在出現(xiàn)溫濕度越界的現(xiàn)象后，可以自動(dòng)開(kāi)啟控溫系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)溫。當(dāng)然，智能的調(diào)溫畢竟比不上人工的調(diào)溫，所以我們不能過(guò)于依賴(lài)這種智能調(diào)溫系統(tǒng)。

此外系統(tǒng)還可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)顯示出一種數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，可以精確到年月日、時(shí)分秒，這樣就能根據(jù)之前的數(shù)據(jù)作為參考，來(lái)不斷的對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)做分析，采用錄入歷史數(shù)據(jù)的方式給操作人員提供建議，這些數(shù)據(jù)不但可以轉(zhuǎn)存、傳輸，還能直接打印或者下載，可以永久保留這些數(shù)據(jù)，對(duì)以后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和研究提供很多方便。比如西紅柿在什么溫度下生長(zhǎng)的最好，可以采用錄入歷史數(shù)據(jù)的方式給農(nóng)民提出建議，提示生產(chǎn)人員如何管理種植的農(nóng)作物。同時(shí)溫度控制系統(tǒng)還自帶報(bào)警功能，一旦有人在夜間闖入溫室，通過(guò)探測(cè)器向主控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，隨后就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

電氣自動(dòng)化大棚智能控溫系統(tǒng)表現(xiàn)出了極其復(fù)雜的運(yùn)作流程，其溫度的調(diào)節(jié)需要多項(xiàng)硬件設(shè)備的幫助。首先，傳感器設(shè)備用于感知外界的溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)置的溫度時(shí)就會(huì)開(kāi)始工作。其次，遮陽(yáng)網(wǎng)加熱器是溫度調(diào)節(jié)的主要設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)將命令發(fā)回給操作界面時(shí)，遮陽(yáng)網(wǎng)加熱器將會(huì)進(jìn)行加熱工作。值得注意的是，如果大棚智能控溫系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度的控制，就需要向操作人員提出預(yù)警，此時(shí)的技術(shù)人員則需要手動(dòng)實(shí)施溫度控制。溫度過(guò)高時(shí)，大棚智能控溫系統(tǒng)會(huì)開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)，此時(shí)大量的冷空氣進(jìn)入大棚，大棚中的溫度會(huì)在短時(shí)間迅速下降。

3.1 大棚園地選擇

要想實(shí)現(xiàn)大棚智慧化管理，就要對(duì)大棚進(jìn)行嚴(yán)格選擇。比如大棚園地應(yīng)當(dāng)選在比較平緩的平原地帶，如果是在山區(qū)建設(shè)大棚，就要選擇坡度比較平緩的地帶，四周不要有阻擋，確保光線(xiàn)照射充足。在地勢(shì)比較陡的山區(qū)建設(shè)大棚有一定的難度，不僅成本會(huì)增加，而且容易遭到破壞，因?yàn)樯絽^(qū)的風(fēng)比較大，會(huì)對(duì)大棚膜造成一定的損壞，加速大棚膜的折舊。選擇上午光照能夠直射，而下午的光線(xiàn)比較弱或者會(huì)出現(xiàn)斜光的地方搭建大棚是比較理想的。

3.2 大棚連體結(jié)構(gòu)

大棚的連體結(jié)構(gòu)需要準(zhǔn)備結(jié)構(gòu)材料，這種材料需要采用高強(qiáng)度2～3.3厘米的熱鍍鋅管，立柱及支架采用高強(qiáng)度16.67×23.31～10.00×13.32厘米等不同熱鍍鋅方管或圓管；棚肩的高度約4米，棚頂?shù)母叨?～6米，但原則上大棚頂離樹(shù)冠頂部的高度保持距離在1～1.5米。連體棚的面積不宜過(guò)大，一般控制在0.3公頃以?xún)?nèi)，以便棚內(nèi)溫度、濕度可控均衡。同時(shí)，大棚架必須牢固堅(jiān)硬，具備抗10級(jí)風(fēng)以上的能力。

3.3 大棚物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)

在大棚互聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)中，可以進(jìn)行科學(xué)合理的控制卷膜器。具體的步驟是，先將自動(dòng)控制的卷膜器安裝到棚頂或者周邊，在安裝的時(shí)候，要在棚內(nèi)的中部偏上方安裝溫度計(jì)和濕度傳感器等，這樣做可以準(zhǔn)確的采集到的大棚內(nèi)的溫度和濕度，一旦溫濕度出現(xiàn)變化，就需要用手機(jī)來(lái)操控調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。

3.4 病蟲(chóng)害防治

溫控系統(tǒng)要將蟲(chóng)情和病害控制結(jié)合起來(lái)，不僅要調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度，還要根據(jù)種植蔬菜和可能發(fā)生病蟲(chóng)害的不同，發(fā)揮溫度控制系統(tǒng)的特定功能，這樣就可以起到對(duì)病蟲(chóng)害產(chǎn)生防治的作用。在農(nóng)作物中，西紅柿是比較容易出現(xiàn)病蟲(chóng)害的，根腐病是西紅柿常見(jiàn)的病種，這種農(nóng)作物病害一般會(huì)在持續(xù)30～35℃的情況下產(chǎn)生。因此，西紅柿對(duì)于土壤溫度有很?chē)?yán)格的控制要求，而且土壤中如果有細(xì)菌也會(huì)對(duì)西紅柿產(chǎn)生危害，所以在種植時(shí)，對(duì)蟲(chóng)害和病菌的侵害要格外的注意。特別是對(duì)于溫度的調(diào)節(jié)，西紅柿的病蟲(chóng)害往往對(duì)溫度有很高的要求，超出一定的溫度范圍，就可以避免病蟲(chóng)害，以灰霉病為例，灰霉病是在20～25℃產(chǎn)生，而且一旦產(chǎn)生不容易治療，所以，必須要做到嚴(yán)格防范。

3.5 農(nóng)作物生長(zhǎng)管理

西紅柿的花期分為花芽分化期和果實(shí)生長(zhǎng)期，花芽分化期對(duì)于溫度的調(diào)節(jié)很重要，這時(shí)候的西紅柿苗很嬌貴，必須在10～34℃的環(huán)境溫度中才能開(kāi)花結(jié)果。如果低于10℃，容易出現(xiàn)落花和果實(shí)掉落的現(xiàn)象。這個(gè)節(jié)點(diǎn)，要對(duì)溫度調(diào)節(jié)嚴(yán)格管控。西紅柿也是分葉期的，在2～6葉期，棚內(nèi)夜晚的溫度不能低于5～8℃，如果溫度過(guò)低，就容易造成西紅柿畸形。為了提高西紅柿的品質(zhì)，要對(duì)于棚內(nèi)的西紅柿果苗進(jìn)行長(zhǎng)期關(guān)注。

綜上所述，為了保障棚內(nèi)植物的生長(zhǎng)要求，大棚中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮到能耗、成本、延時(shí)和容積等，要在可靠性高和穩(wěn)定性強(qiáng)的原則下完善各種模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)功能。不同的農(nóng)作物有不同的生長(zhǎng)條件，這些條件可以通過(guò)大棚控溫、控濕來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，就能達(dá)到增產(chǎn)增收的效果。塑料大棚的控溫控濕技術(shù)為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了很好的作用，幫助我國(guó)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)增長(zhǎng)。