一种温室大棚空气温湿度监测装置的设计.pdf

湖南农业科学 HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 2020年1月 86 农业工程 农业信息 湖南农业科学 引用格式 黄 媛 李瑜玲 杨英茹 等 一种温室大棚空气温湿度监测装置的设计 J 湖南农业科学 2020 1 86 89 DOI 10 16498 ki hnnykx 2020 001 022 2020 1 86 89 我国是蔬菜种植大国 蔬菜种植面积 产量和 产值近些年一直稳步增加 2017 年我国设施蔬菜面积 达到 333 万 hm 2 预计 2017 2021 年平均复合增长率 1 25 2021 年将达到 413 万 hm 2 现阶段种植蔬菜 的温室棚以大中塑料拱棚 小拱棚 网棚为主 以日 光温室和钢骨架玻璃连栋智能温室为辅 然而 蔬菜 生产设施的简易化不仅降低了农业生产过程中抵御风 险的能力 同时也不符合未来蔬菜种植工厂化 标准 化及品牌化的趋势 十三五 全国农业农村信息化 发展规划要求 推进设施农业信息技术深化应用 在 设施农业领域大力推广温室环境监测 智能控制技术 和装备 重点加快水肥一体化智能灌溉系统的普及应 用 由此可见 大力发展设施农业生产智能化是农 业产业化发展的必经之路 也是我国 十三五 期间 农业农村发展规划的重要任务目标 1 2 空气温湿度对作物生长的重要意义不言而喻 它 既可以影响作物的光合 呼吸 蒸腾等生理作用 也 可以影响有机物的合成和运输等代谢过程 还可以通 过土温土湿直接影响水肥的吸收和输导 同时与作物 病虫害的发生也有着密切联系 因此 密切监测设施 环境空气温湿度是实现设施蔬菜智能化生产的重要前 提 大力发展温室环境监测技术和装备是加快设施蔬 菜生产智能化进程的重要组成部分 只有掌握了实时 温室大棚生产环境的变化和走势 才能及时地根据作 物生长阶段进行生产操作和管理 为智能化生产提供 前提条件 空气温湿度监测设备大多采用温湿度传感器进行 数据采集 设备将温湿度传感器集成并吊装在百叶窗 形状的防护箱内 使用时将监测设备悬置在温室内 但是现有大多监测设备采取的是伞裙式设置 且防护 箱体积较小 加之没有遮光设计 因此使用时防护箱 受到太阳直射 内部升温快且不易散热的情况较常见 一种温室大棚空气温湿度监测装置的设计 黄 媛 李瑜玲 杨英茹 武 猛 高欣娜 李海杰 石家庄市农林科学研究院 石家庄市农业信息化工程技术研究中心 河北 石家庄 050041 摘 要 设计了一种新型的温室大棚空气温湿度监测装置 与传统空气温湿度传感器监测设备相比 其特点在于通过升降装置将 温湿度监测装置悬挂于温室大棚的钢骨架上 可根据作物高度随时调整监测位置 空气温湿度传感器安装在防护箱内 防护箱 顶端为环形透气栅 侧壁为竖直方向的百叶窗 方便空气流通 可以避免上升的热空气在防护箱内滞留不散 同时 防护箱顶 端设置双层遮光伞 防止阳光直晒防护箱 使空气温湿度传感器监测到的数据能准确地反映植株真实的生长环境 实地测试结 果表明 该研究设计的温室大棚空气温湿度监测装置所测数据更接近大棚温湿度平均值 据此进行科研试验或农事管理更为准确 关键词 设施农业 温室大棚 空气温湿度监测 智能化生产 中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1006 060X 2020 01 0086 04 Design of a Monitoring Device for Air Temperature and Humidity in Greenhouse HUANG Yuan LI Yu ling YANG Ying ru WU Men GAO Xin na LI Hai jie Shijiazhuang Academy of Agriculture and Forestry Sciences Shijiazhuang Agricultural Inatization Engineering Technology Research Center Shijiazhuang 050041 PRC Abstract A new type of greenhouse air temperature and humidity monitoring device is designed Compared with the traditional air temperature and humidity sensor monitoring equipment it is characterized in that the temperature and humidity monitoring device is hung on the steel frame of the greenhouse through a lifting device and the monitoring position can be adjusted at any time according to the height of crops The air temperature and humidity sensor is installed in the protection box the top end of the protection box is an annular ventilation grid and the side wall is a vertical louver which facilitates air circulation and can prevent rising hot air from staying in the protection box At the same time a double layer shading umbrella is arranged at the top of the protection box to prevent sunlight from directly drying the protection box so that the data monitored by the air temperature and humidity sensor can accurately reflect the real growth environment of plants The field test results show that the data measured by the greenhouse air temperature and humidity monitoring device designed in this study are closer to the average value of greenhouse temperature and humidity so it is more accurate to carry out scientific research tests or agricultural management based on the data Key words protected agriculture greenhouse air temperature and humidity monitoring intelligent production 收稿日期 2019 10 10 基金项目 河北省科技厅重点研发计划 19226919D 作者简介 黄 媛 1986 女 河北石家庄市人 农艺师 主 要从事农业信息化研究 通讯作者 杨英茹 黄 媛 等 一种温室大棚空气温湿度监测装置的设计 87 农业工程 农业信息 同时 由于目前在应用过程中对吊装位置没有科学统 一的指导或规定 而日光温室内温湿度存在分布不均 的情况 如果温 湿度传感器安装在一个固定位置上 就不能根据作物高度及时测定近作物周围的空气状 况 难以准确地反映影响植株生长的空气温湿度 1 温室大棚温湿度监测装置的设计思路 1 1 设计思路 该研究设计一种温室大棚温湿度监测设备 设备 通过升降装置安装在温室大棚的棚顶龙骨上 可根据 要求调节设备悬挂的高度 温湿度传感器防护箱为竖 向百叶窗 其内部空气流通 不易集聚 同时设计遮 光伞避免太阳直射对空气温湿度传感器的影响 保证 监测数据的准确性 1 2 工作原理 该研究设计的温室大棚温湿度监测设备主要包括 升降装置及监测装置 升降装置包括升降箱体 卷扬 轴 卷扬绳 中心转轴 涡轮 蜗杆及驱动电机 升 降装置将监测装置悬挂于温室大棚的钢骨架上 蜗杆 在电机的带动下旋转 从而带动涡轮旋转 进一步卷 扬轴转动 实时调节监测装置的高度 监测装置包括 防护箱及空气温湿度传感器 防护箱顶端与升降装置 的卷扬绳连接 防护箱顶端与底座之间设置若干个竖 向的百叶窗叶片 温度传感器和湿度传感器通过卡座 固定安装在防护箱的底座上 另外 监测装置顶端通 过支撑杆设置有遮光伞 通过升降装置和监测装置的 配合 操作人员可根据不同作物及其不同生长阶段自 由调整设备的位置 收集能够准确反映植株生长环境 的空气温湿度数据 从而更好地指导科学研究或农业 生产 2 温室大棚温湿度监测装置的系统设计 2 1 温室大棚温湿度调控系统整体结构设计 图 1 为温室大棚温湿度调控系统 包括空气温湿 度监测装置 中央处理器 空气温度调节器和空气湿 度调节器 空气温湿度监测装置 空气温度调节器及 空气湿度调节器分别与中央处理器进行电连接 空气 温湿度监测装置将采集到的温湿度数据传输给中央处 理器 中央处理器根据提前编程的监测模型分别对空 气温度调节器和空气湿度调节器发出控制信号 控制 二者的启停 3 4 2 2 温室大棚空气温湿度监测装置关键部件 设计 如图 2 所示 空气温湿度监测装置包括升降装置 及与升降装置连接的监测装置 1 升降装置 包括 升降箱体及设置在升降箱体内的卷扬轴 卷扬绳 中 心转轴 涡轮 蜗杆和驱动电机 升降箱体顶端通过 图 1 温室大棚温湿度调控系统示意图 挂钩悬挂在棚顶钢骨架上 并通过紧固螺栓固定 中 心转轴两端均通过轴承固定安装在升降箱体两侧壁 上 卷扬轴和涡轮均套装在中心转轴两端 且涡轮和 卷扬轴均与中心转轴相对固定 蜗杆与涡轮相啮合 图 3 驱动电机驱动蜗杆转动 卷扬轴上设置卷扬绳 卷扬绳的一端与监测装置连接 驱动电机驱动蜗杆转 动 蜗杆转动带动涡轮转动 同时中心转轴转动 最 终带动卷扬轴转动 实现监测装置垂直方向上的升降 2 监测装置 包括防护箱和空气温湿度传感器 防 护箱顶端通过支撑杆设置有遮光伞 遮光伞顶端通过 连接吊环与卷扬绳连接 遮光伞为双层结构 两层结 构之间通过支撑骨架连接 遮光伞上层外表面涂布有 铝制反射膜 将棚内照射进来的阳光反射出去 防止 阳光直射防护箱 防护箱顶端与底座之间设置若干个 竖向的百叶窗叶片 所有百叶窗叶片的中心点形成一 个圆 每个百叶窗叶片中心点和圆心连成的半径 与 百叶窗叶片水平方向的中心轴的夹角为 图 4 方 便防护箱内空气流通 空气温湿度传感器通过卡座固 定在防护箱底座上 监测的数据信号输出给中央处理 器 5 6 图 2 空气温湿度监测装置结构示意图 湖南农业科学 HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 2020年1月 88 农业工程 农业信息 图 3 中心转轴结构 图 4 防护箱百叶窗结构 2 3 温室大棚空气温湿度监测驱动电机设计 利用驱动电机驱动涡轮蜗杆转动 实现卷扬绳 的升降 如图 5 所示 驱动电路中 采用驱动芯片 IC 1 控制 驱动芯片的输出端口 OUT 1 和 OUT 2 分别 并接在驱动电机 M 的两端 驱动微调芯片 IC 1 的输 入端口 INT 1 和 INT 2 分别连接正转按钮 ZA 和反转 按钮 FA 正转按钮 ZA 和反转按钮 FA 的另一端经 提拉电阻 R 连接在电源正极上 当需要下调监测装 置时 点按正转按钮 ZA 则驱动电机正转 卷扬 绳下降 下降到所需位置时 松开正转按钮 当需 要上调监测装置时 点按反转按钮 FA 驱动电机反 转 卷扬绳上升 上升至所需位置时 松开反转按 钮 驱动电机停止工作 涡轮蜗杆自锁 监测装置固 定在所需位置 驱动芯片 IC 1 为 MC33886 芯片 7 9 图 5 驱动电机电路图 3 温室大棚温湿度监测装置的测试 3 1 试验地点 该监测装置的性能试验选择在石家庄市农林科 学研究院赵县实验基地 5 号温室内进行 5 号温室东 西长 90 m 南北跨度为 8 m 内部种植面积约为 667 m 2 北后墙为砖结构 南采光面为钢支撑架构 外覆 塑料薄膜 有上下两个通风口 外有保温用棉被 性 能试验于 2018 年 8 月 25 31 日越冬茬番茄苗定植后 的一周内进行 期间温室外温度较高 棚内浇了定植 水 湿度较大 为保证平稳度过缓苗期 这一阶段应 加强温室内温湿度管理 避免温湿度过高造成死苗或 引发茎基腐病 3 2 试验方法 由于试验期间为番茄病毒病高发时段 烟草花叶 病毒 TMV 黄瓜花叶病毒 CMV 马铃薯 X 病 毒 PVX 等能够引起番茄发病的常见病毒可在高温 低湿环境迅速增殖 因此该试验设定 5 个传感器每半 小时采集 1 次空气温湿度数据 选取每天的最高温度 和最低湿度为有效值 通过整理计算可得每天大棚内 最高温度和最低湿度的平均值 在番茄病毒病预警监 测中一般采用取自棚内不同位置所测平均值进行数据 分析和预警 通常认为棚内所设传感器数量越多 所 得平均值越具实际意义 选购一批北京农业信息技术研究中心研制的便携 式气象站设备 以其中的空气温湿度传感器集成该研 究设计的温室大棚空气温湿度监测设备 悬于 5 号温 室种植区域的正中间 将其编号为 1 另外选择 4 台 便携式气象站悬挂在温室不同位置的不同高度 分别 编号为 2 3 4 5 其具体工作位置见表 1 传感器的 量程 精度都一致 温度量程为 10 70 湿度量 程为 5 99 RH 温度精度为 0 5 湿度精度为 3 表 1 各传感器的位置 编 号 传感器位置 1 距东墙 40 m 距南墙 3 5 m 距地面 0 2 m 2 距东墙 10 m 距南墙 6 0 m 距地面 0 5 m 3 距东墙 20 m 距南墙 1 0 m 距地面 1 0 m 4 距东墙 55 m 距南墙 1 0 m 距地面 0 2 m 5 距东墙 75 m 距南墙 5 0 m 距地面 0 5 m 3 3 结果与分析 由图 6 图 7 可知 1 号设备的空气温度 湿度 数值与平均值更为接近 1 号设备的测量数据受安装 位置及太阳直射等因素影响最小 据此进行科研试验 或农事管理更为准确 4 结 论 该研究设计的空气温湿度监测装置与传统空气温 湿度传感器监测设备相比 其特点在于通过升降装置 将温湿度监测装置悬挂于温室大棚的钢骨架上 可根 据作物高度随时调整监测位置 空气温湿度传感器安 黄 媛 等 一种温室大棚空气温湿度监测装置的设计 89 农业工程 农业信息 装在防护箱内 防护箱顶端为环形透气栅 侧壁为竖 直方向的百叶窗 方便空气流通 可以避免上升的热 空气在防护箱内滞留不散 同时 防护箱顶端设置双 层遮光伞 防止阳光直晒防护箱 使空气温湿度传感 器监测到的数据能准确地反映植株真实的生长环境 该研究为今后设施农业精准化调控 智能化生产打下 了基础 参考文献 1 彭 澎 梁 龙 李海龙 等 我国设施农业现状 问题与发展 建议 J 北方园艺 2019 5 161 168 2 何 芬 马承伟 中国设施农业发展现状与对策分析 J 中国农学 通报 2007 23 3 462 465 3 周长吉 日光温室设计荷载探讨 J 农业工程学报 1994 10 1 161 166 4 张宝峰 杨 雷 朱均超 等 温室大棚温湿度智能监控系统的 设计与实现 J 自动化仪表 2017 38 10 82 85 5 郭玉萍 杨一平 杨福营 蔬菜大棚温度 湿度传感器检测系统 的设计 J 制造业自动化 2010 32 14 221 225 6 宋志君 温室大棚温湿度监控系统研究 D 长春 吉林大学 2015 7 柯 炜 无线传感器网络关键技术及其研究难点 J 电信科学 2005 21 6 9 12 8 赵新民 王 祁 智能仪器设计基础 第二版 M 哈尔滨 哈 尔滨工业大学出版社 2007 9 李建民 单片机在温度控制系统中的应用 J 江汉大学学报 1999 16 3 60 62 责任编辑 成 平 图 6 不同位置传感器的温度数据 18 27 36 45 08 25 08 26 08 27 08 28 08 29 08 30 08 31 温 度 日 期 月 日 1号 2号 3号 4号 5号 平均值 图 7 不同位置传感器的湿度数据 0 20 40 60 80 100 08 25 08 26 08 27 08 28 08 29 08 30 08 31 相对湿度 日 期 月 日 1号 2号 3号 4号 5号 平均值