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农 业机械 专题 Special Topics 2024 年第 2 期 农业机械 FarmMachi nery 2024年 2月 February 2024 总第 914 期 2024 年第 2 期 基于智能化育苗温室种植装备研究 张尚先 1 熊立贵 1 丁孝君 2 李壮志 3 何 波 3 1 广东开放大学 广东理工职业学院 2 中山市格林曼光电科技有限公司 3 中山市德力森自动化设备有限公司 摘 要 通过对臭气环保型气液混合进行植保育秧苗装备的关键技术分析 依据育苗的农艺流程 研制具有臭氧气液混合植 保技术 透光和遮阳双层装置 链条式循环育苗机械结构 可循环运行使秧苗换位采光的设备 应用物联网远程智能化控制 技术 确保温室的温度 湿度等秧苗生长环境 提高育苗生长的营养液和水资源的利用效率 杀菌灭虫 确保了育秧苗质量 用工业的思维方式来发展农业 实现机械化育秧 育苗技术 不仅减轻劳动强度 而且节约 70 育苗用地 研究的装备可在 全国推广应用 把育秧 育苗搬进工厂 推动了人类农业文明的进步 关键词 臭氧 植保 育苗设备 链条式 远程控制 中图分类号 TH16 文献标识码 A 文章编号 1000 9868 2024 02 0060 06 作者简介 张尚先 教授 主要研究领域为机械设计与制造 教育教学管理 E mail 1049661754 通信作者 熊立贵 教授级高级工程师 研究方向为机械制造 智能装备开发及装配等研究 E mail 119970291 DOI 10 16167 ki 1000 9868 2024 02 027 0 引言 在中国农村 大多数农作物都是采用育苗或育秧 再进行移栽的方式 即前期培育好了种苗 再进行栽 植 然而在育苗阶段 会有害虫较多的问题 尽管使 用农药可以加以抑制 但减少农药的使用 种植绿色 和有机农作物来供应市场 以此解决食品安全问题 越来越成为满足人们生存健康的需求 减少害虫侵 害 让秧苗培育质量直接影响后期的生长 需要确保 移栽后的秧苗早生快发 因此提高幼时秧苗质量成为 提高产量的重要条件 另一方面 育秧苗培育基地大 部分采用农田 也有少数用苗床 常用的是采用温室 大棚设备 这种温室占地面积大 灌溉湿度 温度等 环境管理困难 因此选基地是育苗过程非常重要的环 节 在目前的农业机械化过程中 既能代替高污染 高残留农药灭虫 同时又能育秧的机械装备还是比较 少 因此研发具有自主知识产权的智能化臭氧环保型 气液混合植保育苗设备势在必行 1 本文主要通过将智能化臭氧环保型气液混合植保 技术 育秧苗装备的机械结构工程技术 自动化控制 技术与育苗农艺技术等相结合 研发出适合农作物生 长环境的光照 湿度和温度可调节的技术 并对实现 自动化施肥 喷灌保湿 灭虫相结合的专用控制技术 进行分析研究并实施 2 3 1 臭氧环保型气液混合植保技术研究 利用臭氧其强大的杀菌能力取代传统的消毒技术 在各个领域得到广泛应用 臭氧环保型气液混合植保 是一款性能稳定 技术先进的农作物臭氧灭菌杀虫技 术装置 喷洒成分是清水 通过在机电一体化装置内 产生含有臭氧成分的水对农作物实施喷洒 达到灭菌 杀虫的目的 从而替代高污染 高残留的农药 该方 式不仅可以解决农业农药残留问题 降低抗生素和农 药的用量 降低农作物的种植成本 降低农药对操作 人员 土壤和益虫的损害 还可以提高农作物的产 量 加大绿色安全农产品的供应 满足人民对健康生 总 第 914 期 基于智能化育苗温室种植装备研究 活 绿色蔬果的需求 1 1 臭氧气液混合灭虫技术工作原理 在充分调查研究和查阅有关文献资料的基础上 制定整机的设计方案 根据工作原理 确定该设备 运行的工作原理以及主要的构成部分 如图 1 所示 空气通过制氧器产生臭氧 在气液混合装置 臭氧发生器 的作用下 臭氧存储罐中的清水和臭 氧将产生气液臭氧清澈的水混合物 臭氧活化剂提 高了臭氧利用率并增加了羟基 自由基的量提高了 对各种致病微生物的杀菌效果 臭氧水进入喷洒器 内 最后通过管洒以喷洒在秧苗上 1 2 臭氧气液混合灭虫技术研究 臭氧水对各种致病微生物具有很强的杀菌作用 并且会分解水中的细菌和微生物 将臭氧水喷洒在 农作物秧苗表面 臭氧会直接杀死叶面疾病 达到 杀虫和杀菌的作用 因为臭氧是一种具有强氧化剂 能够破坏病原体的细胞壁 进而破坏细菌内部的核 糖核酸 DNA 切断繁殖 而且不产生耐药性 这 个原理可以达到对秧苗广谱杀菌 覆盖所有疾病 的 疗效 智能臭氧气液混合灭虫技术装置 采用电晕间 隙放电法产生臭氧 产生臭氧的基本装置由高压电 极 低压电极 电介质和放电间隙 4 部分组成 首 先 通过高压放电冲击空气以产生氧分子和氧原子 氧原子与氧分子结合进一步产生臭氧分子 产生的 臭氧分子在气液混合泵和混溶室的双重作用下与清水 结合形成含臭氧的清水 然后 通过高压喷嘴将含有 臭氧的净水喷洒在秧苗农作物上 达到杀菌灭虫的目 的 从而代替高污染 高残留的农药 提高秧苗的生 长率 臭氧气液混合灭虫技术可以降低农药的使用成 本 也有利于提高农业效率和增加农民收入 还可以 节约资源 保护生态环境 保障农业生产安全 2 智能化育秧苗装备机械结构分析研究 育秧苗装备机械部分主要是由钢架结构的双层 顶的板房和链状式型立体循环运行结构组成 如图 2 所示 板房主要是采用透光层和可调节的遮阳装置 层构成 需要阳光时 可用透光层进行有效热交换 防止太阳曝晒时 可调节为遮阳装置层 有效避免温 度过高 链状式立体循环结构部分主要由链条 链轮 机构 型钢 压轮机构 张紧机构 循环秧盘 维修 走廊机构 传动机构 电机 减速器等组成 2 1 育秧苗装备结构组成 育秧苗种植温室采用型钢结构及透光塑料板组 成 前后开设了通道出入门 围墙四周有通风窗 房 顶装有对流通风窗 链状式立体循环运行结构是育 图 1 臭氧气液混合技术原理流程图 图 2 育秧苗装备一体化结构示意图 1 外遮阳装置 2 维修通道 3 钢结构阳光板房 4 入门通道 5 压链轮 6 张紧链轮 7 秧盘 8 调节手轮 9 链轮 10 托盘 11 传动机构 61 农 业机械 专题 Special Topics 2024 年第 2 期 苗的主要机械设备 由主要驱动装置 电机 减速器 动力组件 传动装置 链轮 链条等组件 调节装 置 主要是用于调节链条松与紧的张力 喷雾装置 实施杀虫 加湿 施肥 弥雾降温功能组件 吊篮 秧盘装置 用于装培育土壤 育苗 加热温控装置 环境温度控制 检修平台 智能电控系统 自动检 测到湿度 报警等 等组成 2 2 育秧苗链状式立体循环运行结构设计 育秧苗链状式立体循环运动结构是该装备的机 械核心主体 承载着育苗秧盘循环运行 是育苗基 地 主体结构及动力组件是链条 链轮及电机 减速 器之间的传动带动整体设备运行 循环机构电机减 速器作为动力驱动主动链轮组及若干上 下链轮组 和悬挂链条 秧盘 托盘和吊篮成楼梯踏步状上下排 列 在控制装置控制链条循环运动 链条式使育苗 托盘形成梯形立体多层运行 链条组呈波浪形改变 秧盘位置 使秧盘的秧苗不会相互遮挡光线 链轮传 动机构设计图如图 3 所示 2 3 育秧苗链状式立体循环运行设计计算 育秧苗链状式立体循环运行动力部分 采用 960 r min 的转速电机配增力减速器相结合使用 带动主 动链轮 经过链轮大小比进行二级减速传动 带动整 个轴转动直至育秧吊篮盘运行 链轮速度 60 i 1 i 2 nd 1 式中 链条运行速度 m s i 1 减速机速比 i 2 链轮减速比 n 动力电机转速 r min d 电机驱动的链轮直径 m 把上文表 1 的数据输入上述公式 可以算出链条 的运行速度 并可以根据公式来进行调速 智能化育苗设备在正常运行时是相对保持平衡 由于链条运行距离比较长 在设计电机配减速机增力 时考虑所克服链带动秧盘循环运行的重量及摩擦所 需要做的功 主动轮传到二级链轮时 消耗的能量主 要在每一列上升运行时各部件自身重量的提升 水平 方向端运行 以及克服装备全部运行部件重量的惯性 启动和克服各链轮拐点的支撑摩擦扭矩 P kM C ni 1 i 2 9549 1 2 2 式中 P 功率 k 功率系数 取值 1 3 i 1 减速机速比 i 2 链轮减速比 n 动力电机转速 r min Mc 链轮的转动扭矩 N m 1 齿轮传递效率 取值 0 97 2 链轮传递效率 取值 0 95 学术研究 Academic Research 名称 参数 秧盘规格尺寸 mm 600 300 单体装盘数量 件 5 250 单体育苗构件喷头数量 个 10 喷头间距 mm 300 链条运行速度 m s 0 1 防滴雾化喷头压力 MPa 0 2 链轮动力电机 3kW 960r min 水泵配套电机 1 1kW 1 390r min 表 1 育秧苗装备具体结构参数 1 锁紧螺母 2 链轮 3 内轴承 4 支撑轴 5 育秧吊篮 6 机架构 图 3 链轮传动机构的结构图 62 总 第 914 期 2 4 臭氧气液混合喷洒灭虫装置研究 空气通过空气泵干燥器过滤 去除灰尘且为外部 空气除湿 然后将其输送到排放室 经用电线连接到 逆变器 并且逆变器连接到放电室 两个电极的高压 放电使空气分解产生臭氧 气泵将产生的臭氧气体输 送到气液混溶室 以产生气液臭氧澄清水混合物 气 液混合泵连接到混溶室 气液混合泵使新产生的气液 臭氧水混合物充分搅拌 使混合液的浓度均匀并加快 溶解 最后 当叶轮旋转时 泵体中的臭氧水在叶轮 的离心力的作用下被甩出 并且在泵体扩散室中被抛 出的混合液的速度逐渐降低 排出混合液后 叶轮内 部形成真空 在低压区域 混合液体在外部大气压的 作用下通过吸入管进入泵体 因为泵体的扩散室是固 定的 所以随着被丢弃的液体的增加 压力会逐渐增 加 最后喷在秧苗上 如图 4 所示 在气液混合植保装置的结构图中 可集中铺设管道 臭氧清水混合液喷洒时 气液混合 液臭氧浓度 清水流量可调可控 自动定时定量喷 洒 使用电源为 220V 50Hz 交流电源及水源 喷洒 过程中对农作物不烧苗 无残留 与育苗设备对接混 合使用 通过智能一体化物控技术 臭氧清水混合液 直接喷洒浇灌 杀灭土壤及农作物叶病菌 幼虫和虫 卵 时效接近普通农药喷雾器 在喷洒后对环境和土 壤没有二次污染 2 5 弥雾喷洒降温技术研究 南方的夏天气温较高 且高温的时间较长 装备 种植温室都是采用塑料板建成 即使遮布面积达到 90 但是靠排风扇通风或者自然通风降温 也解决 不了育苗室面积过大产生的问题 因为室内空气对流 不能相互通透 排风扇或者自然通风效果都不理想 室内空气流动不畅 温度自然不容易下降 如果安装 中央空调器进行制冷 降温 那空间太大 用电的消 耗费用比购买所有种子的费用还高 成本太高 此方 案更行不通 如果室内空气气温过高 育秧苗就不能 在这样的环境生长 现设计的方案采用 1m 长 2m 宽的间距均匀排 列的高压聚氨酯管固定在双层顶结构下方 在管上开 0 2mm 喷头微细孔 布满室内 最后接头用 3mm 专用高压聚氨酯管相连 采用功率为 1 1kW 的三缸 柱型塞泵作为高压喷雾的动力部分 经过测试验证表 明 功率为 1 1kW 的高压泵可替代 55 75kW 压缩机制 冷 按育苗总空间 1 400m 3 的容积从 50 降至 30 的 制冷量所消耗电进行计算 降温效果 10min 左右可从 50 降至 30 应用弥雾喷洒降温技术降温效果快 消耗能源极低 保湿 降温都满足了 4 3 育秧苗装备系统控制研究 3 1 育秧苗装备工作原理 育秧苗装备在动力驱动位置设计了秧苗托盘改向 装置 卸苗的操作台面 在变频和步进双功能动力驱 使下 能有序地把已播好种子的托盘放入到秧盘吊篮 中 装好秧盘的吊托篮依次随链轮传动链条向上运 行 上升到最顶端时 通过上部链轮换向为向下运 行 间距为 300mm 距离排列的链轮 链条和苗托盘 呈 波浪线 形状向前运行 依次运行到育苗装备尾 端时 设备下端装有换向链轮 使整体运行结构转为 水平横向返程 链条在压轮导向下作水平直线回程运 动 确保育苗托盘顺利平稳的回到起始端 在电机和 减速器的驱动作用下 育苗托盘在设备中成 波浪 线 形状进行立体循环运行 驱动力转速设置可调 载育不同品种的秧苗 运 行时间周期不同 依据农作物农艺技术 确定光照时 间 植保问题 装备中的秧苗盘采光位置可变换 此 结构可以使秧苗得到充分的光照 氧分 确保秧苗茁 壮成长 培育出更好的秧苗 3 2 育秧苗装备智能化控制原理 育苗装备自动化控制原理是将不同种类农作物中 可移栽的水果 蔬菜 菌类等的生长环境数据 例如 种植温室的光照数据 温度数据 湿度数据 灭虫水 量配比参数 肥料配比参数和智能化装备育苗机构的 1 臭氧单元 2 制氧单元 3 气泵 图 4 气液混合植保装置 基于智能化育苗温室种植装备研究 63 农 业机械 专题 Special Topics 2024 年第 2 期 链型苗吊篮运行时速数据 用电脑进行编程并导入 移动硬盘存储的芯片里 需要用时便可以将存储在 硬盘里的数据连接到 ARM 系统进行并导入嵌入式 MCU 的单片机上 利用远程网络技术 实现智能控 制农作物的成长环境 种植温室育秧苗装备为实现智能化控制 在温 室里安装了各种参数控制的传感器 待播种后的种 子发芽生长过程中 布置温室内的传感器 如空气温 度 空气风速 空气湿度 室内二氧化碳 室内光 照 灭虫水量等传感器实现室内检测 以及布置在 温室外的传感器 如空气温度 空气风速 空气湿 度 室外光照 雨雪等传感器所感应 检测到所有的 各项数据与用移动备份存储 与芯片所存储的室内 参数数据比对实时的育苗生态环境进行控制 同理 用移动存储的灭虫水量比参数 肥料配比参数 水份 数据来进行灭虫喷洒和配置化肥 水份供给 从而确 保了育苗生长的营养液和水资源的利用效率 以及 秧苗的质量 生长速度等 3 3 数据采集远程传输 监测 本装备应用了物联技术 用电脑或手机对智能 化种植温室育秧苗装备的运行情况 育苗生长的各类 数据实时监测 完成数据远程采集和远程传输 监控 工作 育苗装备应用了程序式芯片插卡自动运行专用 软件并结合 I O 数据采集模块 使用嵌入式模块远程 监测 在办公室就能了解到种植温室育苗设备运行 温度 湿度等各类数据 针对智能化种植温室育秧苗装备的故障诊断与 数据采集 开发应用热电阻 热电偶 输入模块 将 这些参数进行量程转换处理 并存储于嵌入式设备 中 通过工业以太网 进行远程数据传输与数据存 储 根据提供网页服务器的应用软件的客户 便可以 通过浏览器访问现场育秧苗的运行状况 能够及时准 确直观地了解到现场育苗成长情况 4 智能化种植温室育秧苗装备检测 由于装备采用链形结构 工作人员进入智能化种 植温室育秧苗装备进行作业操作时 需要满足国家安 全标准测试要求 依据国家标准 GB23821 2009 机 械安全 防止上下肢触及危区的安全距离 进行安全实 验验证 采用的工具有电子吊秤 磁层测试厚仪 钢 卷尺等工具 随后进入装备现场进行测试 见表 2 安全防护测试结果符合国家标准要求 在运行链 轮结构间距 300mm 设计了 1 300mm 高护栏 外露旋 转 传动部件设置安全防护罩 仅留有进行装卸苗盘 的位置作业 其它周围链条立体 波浪形 运行的结 构都设计安装了护栏 确保育秧苗运行安全 平稳 对农林 园艺动力机械安全标志测试项目进行了 实验安全检验 依据国家标准 GB10396 2006 农林拖 拉机和机械 草坪和园艺动力机械 安全标志和危险图 形 总则测试标准要求 对智能化育秧苗装备的防护 安全标志现场进行测试 检测结果显示 危险部位都 设置了符合 GB10396 的安全警示标志 所有焊接牢固 焊缝光滑 没有焊渣倒刺 电机绝缘电阻大于 20Mnull 表 2 距离危险区的安全距离 单位 mm 防护结构高度 b 1000 1200 1400 1600 1800 2500 0 0 0 0 0 2400 100 100 100 100 100 2200 600 600 500 500 400 2000 1100 900 900 900 500 1800 1100 1000 900 900 600 1600 1300 1000 900 800 500 危险区高度 a 图 5 育苗装备自动化控制原理图 学术研究 Academic Research 下转第 68 页 64 农 业机械 专题 Special Topics 2024 年第 2 期 智能化种植温室装备可以避开季节要求进行种 子播种 移栽育苗的品种繁多 都可以在本研究的 装备育苗 如辣椒苗 上海青苗 生菜苗 波菜苗 秧苗 包菜苗 香菜苗等 5 6 部分实地生长的拍照图 片如图 6 所示 5 小结 研发具有知识自主权的智能化臭氧环保型气液 混合植保育苗装备 用 中国制造 2025 的规划 智 能化制造高速发展机会带动农业自动化发展 改变 传统农业灭虫 育苗种植模式 研发出可以错开季 度进行播种的多品种农作物 研发具有臭氧气液混 合植保技术 链条 波浪式 循环机械结构育苗设 备 通过实地育苗验证 可以实现温度 湿度 阳 光 灭虫 肥料配比等技术采集及控制 随时随地 都能通过物联网智能化控制育秧苗设备 无需人看 守 降低劳动强度 实现工业化 智能化管理 不仅 能提高育苗工作效率 还可节约 70 耕地面积 总 之 智能育苗装备值得全面推广应用 参考文献 1 于亚波 我国蔬菜育苗装备研究应用现状及发展对策 J 农机化研究 2017 6 1 4 2 杨友文 MC 自动化育秧苗床 J 湖南农业 2015 1 17 18 3 王君 于海业 张蕾 温度环境控制系统的发展 J 中国 农学通报 2010 26 12 371 375 2018 3 64 67 4 马宁 田婧 鲁少尉 等 弱光条件下 LED 补光灯对苗期蔬 菜生长的影响研究进展 J 安徽农业科学 2018 46 32 1 6 5 孟祥宝 区块链技术在现代农业中的应用 J 现代农业装 备 2018 6 21 22 6 李强 水稻闭锁式立体育苗系统的设计与试验研究 J 农 机化研究 2020 10 72 75 7 熊立贵 涂志刚 陈海生 等 W 型全自动多功能育苗 设备开发及应用 J 日用电器 2016 02 23 25 图 6 育苗实物图 上接第 64 页 程度得分较低 2 3 企业售后服务意识有待提高 部分企业售后服务能力不够 配件供应不足 导致用户购买困难 缺乏对用户有效的操作使用培 训和对产品必要的维修保养 3 对策及建议 3 1 加强监管力度 加大对农机企业的监管力度 严把产品质量 关 推动补贴机具质量不断提高 充分发挥补贴优 质农机产品的导向作用 将质量调查工作与监督投 诉工作紧密结合起来 对用户反映的质量问题积极 向生产和销售企业反馈 加强对企业整改的监督力 度 3 2 加强用户培训 农机企业应加强对用户培训力度 提升用户的 操作水平和维护保养水平 用户在购买前应深入了 解产品性能 使用要求和作业指标 积极参加岗前 培训 按照说明书要求定期维护保养 严格遵守安 全操作说明进行作业 3 3 完善售后服务体系 农机企业应树立服务意识 完善售后服务体系 扩大零配件售后服务网点覆盖范围 提升服务人员的综合技能 学术研究 Academic Research 68