DOI 10 19392 j cnki 1671 7341 201902007 溫室大棚智能除雪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 王梓銘 陳秀芬 湖州市愛(ài)山小學(xué)教育集團(tuán) 浙江湖州 313000 摘 要 基于對(duì)溫室大棚除雪功能運(yùn)用的深入研究 研制出了 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 模型 此款智能除雪系統(tǒng)能夠很好地 解決溫室大棚除雪不便的實(shí)際問(wèn)題 可以為農(nóng)業(yè)種植戶提供方便 減少因雪災(zāi)但來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失 本文詳細(xì)介紹了此款溫室大棚智 能除雪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 關(guān)鍵詞 溫室大棚 模型 自動(dòng)除雪 使用說(shuō)明 一 緒論 玻璃蔬菜溫室大棚是具有出色的保溫性能的框架結(jié)構(gòu)大 棚 它的出現(xiàn)使得人們可以吃到反季節(jié)蔬菜 從而很好的解決 了人們的 菜籃子 問(wèn)題 但是由于面積過(guò)大 造成骨架支撐結(jié) 構(gòu)不強(qiáng) 在大雪中容易坍塌 給國(guó)家和種植戶帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì) 損失和不便 為了抗擊雪災(zāi) 人們想出了各種因?qū)k法來(lái)減輕 雪災(zāi)所帶來(lái)的損失 針對(duì)不同建筑種類的大棚 運(yùn)用了各種除 雪方法來(lái)清除積雪 防止因積雪過(guò)多而造成大棚的倒塌 如 1 利用空調(diào)制熱原理除雪法 連棟溫室大棚因不易上人清 雪 制熱時(shí) 制冷劑被壓縮機(jī)加壓 成為高溫高壓氣體 進(jìn)入溫 室內(nèi)機(jī)的換熱器 此時(shí)為冷凝器 冷凝液化放熱 成為液體 同 時(shí)將室內(nèi)空氣加熱 從而達(dá)到提高室內(nèi)溫度 并在溫室內(nèi)頂部 加裝暖風(fēng)筒 把多個(gè)大棚連通 融化頂部積雪至溫室天溝 在天 溝的頂面 須加防凍液 或下面加裝融雪管道 將天溝上的積雪 融化流掉 以減輕溫室的壓力負(fù)荷 但不足之處在于建設(shè)繁瑣 成本較大 一般農(nóng)業(yè)種植戶經(jīng)濟(jì)無(wú)法承擔(dān) 2 手持式吹雪機(jī)除 雪法 優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備攜帶方便 經(jīng)濟(jì)成本輕 適合小面積使用 但 需人工不定時(shí)清除積雪 具有時(shí)效性 晚上不能及時(shí)使用 且只 能在積雪不大 沒(méi)有成凍雪的情況下使用 運(yùn)用情景較為單一 3 使用消防水帶利用高壓沖水除雪法 該方法只適合室外溫 度較高 積雪較薄的環(huán)境中使用 否則會(huì)造成積雪沖刷不凈 水 被積雪阻擋 加上室外溫度低 極易出現(xiàn)冰凍 增加大棚頂部的 壓力負(fù)荷 加大大棚倒塌的幾率 4 撒融雪劑除雪法 氯鹽類 融雪劑的融雪原理是 氯鹽類融雪劑溶于水 雪 后 溶液的冰 點(diǎn)下降 都在零度以下 如氯化鈉溶于水后冰點(diǎn)在 10 氯化 鈣在 20 左右 醋酸鹽類可達(dá) 30 左右 鹽的溶解使含鹽雪 水的凝固點(diǎn)降低 因此在雪水中溶解了鹽之后就難以再形成冰 塊 其原因是 融雪劑溶于水后 水中離子濃度增大 使水的液 相蒸氣壓下降 但冰的固態(tài)蒸氣壓不變 為達(dá)到冰水混合物平 衡共存時(shí)固液相蒸氣壓相等的狀態(tài) 冰便融化 故灑上融雪劑 可以除冰雪 但是對(duì)環(huán)境的危害也是不容忽視的 特別是可能 對(duì)土壤有害 對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)也可能不利 5 溫室大棚內(nèi)部燒 火加溫法 通過(guò)在大棚內(nèi)部放置加熱的裝置 如電爐 生火 燒 碳等 但極易引發(fā)火災(zāi)和一氧化碳中毒 綜合上述各類除雪方法均有利弊 因此 現(xiàn)研究大棚智能 除雪系統(tǒng) 很好的解決了此問(wèn)題 此款除雪裝置添加成本低 操作便捷 能自動(dòng)清除積雪 因此具有較好應(yīng)用前景 二 功能簡(jiǎn)介 溫室大棚智能除雪系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器感知到大棚頂部 積雪達(dá)到預(yù)設(shè)壓力的情況下 將信號(hào)反饋給微型電腦控制板 由控制板接通電路并發(fā)出加熱指令至電熱絲 通過(guò)電熱絲發(fā)熱 進(jìn)行融雪除雪工作 吹風(fēng)系統(tǒng)作為除雪輔助 對(duì)積雪進(jìn)行機(jī)械 吹風(fēng)除雪 以上 2 個(gè)系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)開(kāi)啟從而達(dá)到 智能除雪的功能 即解決了溫室大棚除雪不便的實(shí)際問(wèn)題 三 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的主要結(jié)構(gòu) 1 溫室大棚 2 電源開(kāi)關(guān) 3 arduino uno 控制模塊 4 ar duino uno 控制模塊供電電池 5 薄膜式壓敏電阻 6 加熱電熱 絲 7 光電耦合繼電器供電電池 8 光電耦合繼電器 9 穩(wěn)壓 模塊 10 吹風(fēng)系統(tǒng) 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的實(shí)用模型圖 四 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的物理原理 自動(dòng)除雪系統(tǒng) 查文獻(xiàn)分析可知 當(dāng)積雪達(dá)到 10cm 時(shí) 溫 室大棚就會(huì)面臨被壓塌的風(fēng)險(xiǎn) 也就是說(shuō) 10cm 為一個(gè)閾值 裝 置最好能夠在積雪達(dá)到 10cm 之前就能開(kāi)始工作 而壓敏電阻 是一個(gè)感應(yīng)壓力從而轉(zhuǎn)變自身壓力值的存在 無(wú)法直接感應(yīng)雪 的厚度 現(xiàn)需要將其兩者進(jìn)行一個(gè)轉(zhuǎn)換 雪的密度變化范圍很 大 新下的松軟雪的密度為 0 04 0 1 克 立方厘米 融雪時(shí)雪 的密度可達(dá) 0 6 0 7 克 立方厘米 雪的平 均密度為 0 2 0 25 克 立方厘米 現(xiàn)取其平均值 本模型溫室大棚單面的面 積約為 40cm 60cm 根據(jù)密度公式 m v 可知 10cm 厚的積 雪質(zhì)量可達(dá) 6Kg 根據(jù)重力公式 G mg 其壓力為 58 8N 但積 雪不是單單作用于一點(diǎn) 而是整一個(gè)面 則我們需要重新計(jì)算 薄膜壓敏電阻上感受到的壓力 測(cè)量得到薄膜面積約為 20 平 方厘米 占比 1 120 則其感受到壓力值為 0 49N 即當(dāng)壓敏電 阻感受到壓力為 0 49N 時(shí) 必須啟動(dòng)電路開(kāi)始工作 arduino 為 信號(hào)處理裝置 在接收到壓敏電阻信號(hào)后 控制輸出模塊即電 熱絲和風(fēng)扇進(jìn)行加熱和吹風(fēng) 以此達(dá)到除雪功能 五 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的制作方法 1 外形材料選用強(qiáng)度大能見(jiàn)度好的 AWWP 材料 用廣告 雕刻機(jī)切割再拼合而成 長(zhǎng)寬高分別為 50CM 30CM 35CM 屋 頂斜面長(zhǎng)度 21 25CM 角度為 45 度 2 自動(dòng)除雪系統(tǒng) 在溫室大棚的一側(cè)安裝 arduino uno 控 制模塊及供電電池 同時(shí)將光電耦合繼電器及供電電池 穩(wěn)壓 模塊 吹風(fēng)系統(tǒng)安裝于大棚頂部 將發(fā)熱電熱絲 薄膜式壓敏電 阻安裝于大棚屋頂斜面處 利用 3D 打印技術(shù)打印出上述部件 的固定支架 供電電池為 9v 3 連接電路 六 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的使用說(shuō)明 1 安裝好后 設(shè)備處于自動(dòng)待機(jī)狀態(tài) 2 下雪時(shí) 當(dāng)積雪達(dá)到一定厚度 薄膜式壓敏電阻感受大 壓力變化 并將信號(hào)傳給 arduino uno 控制 下轉(zhuǎn)第 20 頁(yè) 8 科技創(chuàng)新 科技風(fēng) 2019 年 1 月 于模糊子集的推理及其運(yùn)用方法 逐步的將該模糊子集的推理 方法與現(xiàn)有的成熟的單片機(jī)數(shù)字邏輯運(yùn)算等特點(diǎn)結(jié)合起來(lái) 因 此就有了作者前面所提出的基于作用于模糊子集推理的單片 機(jī)模糊控制理論及其工作原理 并在此基礎(chǔ)上研制完成了對(duì) 80C552 型單片機(jī)模糊控制器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用 最終是以熱工系 統(tǒng)作為被控對(duì)象 并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集整理計(jì)算 終究 在研究人員大量數(shù)據(jù)佐證下正確驗(yàn)證了所研發(fā)的模糊控制器 當(dāng)初提出的研究目的是有效的 文獻(xiàn) 5 將模糊控制技術(shù)同樣也可以應(yīng)用于供水系統(tǒng) 基 于模糊控制技術(shù)技術(shù)人員設(shè)計(jì)出了有關(guān)自調(diào)整修正因子的 Fuzzy PID 控制器 克服了傳統(tǒng) PID 控制設(shè)計(jì)中參數(shù)調(diào)整困難 的問(wèn)題 并通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)恒壓控制 實(shí)驗(yàn)證 明 該系統(tǒng)可取代高位水塔和直接水泵加壓等傳統(tǒng)供水模式 具有明顯的節(jié)能效果和穩(wěn)定的控制性能 4 結(jié)語(yǔ) 本文簡(jiǎn)要描述了模糊控制的起源 發(fā)展過(guò)程以及其工作過(guò) 程和典型的應(yīng)用領(lǐng)域 由于模糊控制不完全依賴精確的數(shù)學(xué) 模型 適用性廣泛 控制原則改變?nèi)菀椎葍?yōu)點(diǎn) 使其極容易進(jìn)行 廣泛應(yīng)用 我們有理由相信 在自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展的今 天 模糊控制以其眾多的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 必定能得到更為廣泛的應(yīng) 用 也會(huì)受到更多控制工作者的青睞 參考文獻(xiàn) 1 張麗香 牛昱光 模糊控制淺談 J 自動(dòng)化博覽 1994 4 25 26 2 高桂革 模糊控制理論及其應(yīng)用的發(fā)展 J 上海電機(jī) 學(xué)院學(xué)報(bào) 2005 8 5 62 64 3 吳再華 尹立賢 模糊控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用淺析 M 蘭 州文理學(xué)院學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2008 22 1 91 94 4 張吉禮 歐進(jìn)萍 孫德興 基于作用模糊子集推理的單 片機(jī)模糊控制實(shí)現(xiàn)原理及其應(yīng)用 J 控制理論與應(yīng)用 2001 18 4 576 580 5 張吉禮 孫德興 歐進(jìn)萍 模糊控制技術(shù)在變頻調(diào)速恒 壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 J 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 2003 25 6 16 17 上接第 8 頁(yè) 模塊 3 由 arduino uno 控制模塊發(fā)出控制指令 通過(guò)光耦合繼 電器電 接通電源 自動(dòng)啟動(dòng)電熱絲加熱 同時(shí)運(yùn)行風(fēng)扇送風(fēng)輔 助除雪 4 上述功能也可以根據(jù)實(shí)際情況 選擇手動(dòng)開(kāi)啟除雪 模式 七 相關(guān)拓展 溫室大棚有較高性價(jià)比 廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植 今后還可 以繼續(xù)開(kāi)發(fā)手機(jī) APP 應(yīng)用軟件 集大棚頂部壓力負(fù)荷 室內(nèi) 外溫度 室內(nèi)空氣濕度等等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 通過(guò)手機(jī)查看各類數(shù)據(jù) 并控制除雪系統(tǒng)裝置的自動(dòng)啟停功能 實(shí)現(xiàn)了防患于未然 讓 用戶及時(shí)對(duì)設(shè)備和安全隱患進(jìn)行及時(shí)處理 做到早發(fā)現(xiàn)早處 理 同時(shí) 本除雪系統(tǒng)安裝維護(hù)方便 功能簡(jiǎn)單實(shí)用 除了運(yùn)用 在溫室大棚方面 還可以廣泛安裝到農(nóng)貿(mào)市場(chǎng) 工廠大型車間 老舊房屋等頂面上 解決因積雪引起的坍塌事故 本系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)元的系統(tǒng) 可以根據(jù)具體環(huán)境 具體條件 做出不斷調(diào)整 適應(yīng)市場(chǎng)的各種需求 通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 配備 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn) 每個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)各類環(huán)境參數(shù) 通過(guò) 接收無(wú)線傳感匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù) 進(jìn)行存儲(chǔ) 顯示和數(shù)據(jù)管 理 并以直觀的圖表和曲線方式顯示給溫室的用戶 同時(shí)根據(jù) 種植植物的需求提供各種聲光報(bào)警信息和短信報(bào)警信息 實(shí)現(xiàn) 溫室集約化 網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理 還能與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù) 進(jìn)行綜合分析 形成控制要求 使大棚控制系統(tǒng)完成相應(yīng)控制 從而達(dá)到農(nóng)作物的最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境 以此提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的培 育產(chǎn)量和效率 成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力 今后隨著科技的不斷進(jìn)步 本系統(tǒng)還可以不斷改進(jìn) 最終 能實(shí)現(xiàn)融入到智慧城市這個(gè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)之中 參考文獻(xiàn) 1 蔡睿妍 Arduino 的原理及應(yīng)用 J 電子設(shè)計(jì)工程 2012 20 16 155 157 2 翟國(guó)富 崔行磊 楊文英 電磁繼電器產(chǎn)品及研究技術(shù) 發(fā)展綜述 J 電器與能效管理技術(shù) 2016 02 1 8 3 王迪軒 保護(hù)地蔬菜雪害防除技術(shù)問(wèn)答 N 農(nóng)資導(dǎo)報(bào) 2017 12 19 C04 4 譚親璐 雪災(zāi)面前 蔬菜大棚緣何如此脆弱 N 湖北日 報(bào) 2018 01 31 010 作者簡(jiǎn)介 王梓銘 2006 男 漢族 浙江湖州人 湖州市 愛(ài)山小學(xué)教育集團(tuán) 609 級(jí)學(xué)生 指導(dǎo)老師 陳秀芬 1989 女 漢族 浙江湖州人 本科 中 小學(xué)二級(jí) 湖州市愛(ài)山小學(xué)教育集團(tuán) 從事小學(xué)科學(xué)教學(xué)工作 任學(xué)校教研組長(zhǎng) 02 科教論壇 科技風(fēng) 2019 年 1 月