湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 2020年1月 86 農(nóng)業(yè)工程 農(nóng)業(yè)信息 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) 引用格式 黃 媛 李瑜玲 楊英茹 等 一種溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置的設(shè)計 J 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 1 86 89 DOI 10 16498 ki hnnykx 2020 001 022 2020 1 86 89 我國是蔬菜種植大國 蔬菜種植面積 產(chǎn)量和 產(chǎn)值近些年一直穩(wěn)步增加 2017 年我國設(shè)施蔬菜面積 達到 333 萬 hm 2 預(yù)計 2017 2021 年平均復(fù)合增長率 1 25 2021 年將達到 413 萬 hm 2 現(xiàn)階段種植蔬菜 的溫室棚以大中塑料拱棚 小拱棚 網(wǎng)棚為主 以日 光溫室和鋼骨架玻璃連棟智能溫室為輔 然而 蔬菜 生產(chǎn)設(shè)施的簡易化不僅降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中抵御風(fēng) 險的能力 同時也不符合未來蔬菜種植工廠化 標(biāo)準(zhǔn) 化及品牌化的趨勢 十三五 全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化 發(fā)展規(guī)劃要求 推進設(shè)施農(nóng)業(yè)信息技術(shù)深化應(yīng)用 在 設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大力推廣溫室環(huán)境監(jiān)測 智能控制技術(shù) 和裝備 重點加快水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的普及應(yīng) 用 由此可見 大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化是農(nóng) 業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必經(jīng)之路 也是我國 十三五 期間 農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃的重要任務(wù)目標(biāo) 1 2 空氣溫濕度對作物生長的重要意義不言而喻 它 既可以影響作物的光合 呼吸 蒸騰等生理作用 也 可以影響有機物的合成和運輸?shù)却x過程 還可以通 過土溫土濕直接影響水肥的吸收和輸導(dǎo) 同時與作物 病蟲害的發(fā)生也有著密切聯(lián)系 因此 密切監(jiān)測設(shè)施 環(huán)境空氣溫濕度是實現(xiàn)設(shè)施蔬菜智能化生產(chǎn)的重要前 提 大力發(fā)展溫室環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和裝備是加快設(shè)施蔬 菜生產(chǎn)智能化進程的重要組成部分 只有掌握了實時 溫室大棚生產(chǎn)環(huán)境的變化和走勢 才能及時地根據(jù)作 物生長階段進行生產(chǎn)操作和管理 為智能化生產(chǎn)提供 前提條件 空氣溫濕度監(jiān)測設(shè)備大多采用溫濕度傳感器進行 數(shù)據(jù)采集 設(shè)備將溫濕度傳感器集成并吊裝在百葉窗 形狀的防護箱內(nèi) 使用時將監(jiān)測設(shè)備懸置在溫室內(nèi) 但是現(xiàn)有大多監(jiān)測設(shè)備采取的是傘裙式設(shè)置 且防護 箱體積較小 加之沒有遮光設(shè)計 因此使用時防護箱 受到太陽直射 內(nèi)部升溫快且不易散熱的情況較常見 一種溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置的設(shè)計 黃 媛 李瑜玲 楊英茹 武 猛 高欣娜 李海杰 石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院 石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心 河北 石家莊 050041 摘 要 設(shè)計了一種新型的溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置 與傳統(tǒng)空氣溫濕度傳感器監(jiān)測設(shè)備相比 其特點在于通過升降裝置將 溫濕度監(jiān)測裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上 可根據(jù)作物高度隨時調(diào)整監(jiān)測位置 空氣溫濕度傳感器安裝在防護箱內(nèi) 防護箱 頂端為環(huán)形透氣柵 側(cè)壁為豎直方向的百葉窗 方便空氣流通 可以避免上升的熱空氣在防護箱內(nèi)滯留不散 同時 防護箱頂 端設(shè)置雙層遮光傘 防止陽光直曬防護箱 使空氣溫濕度傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映植株真實的生長環(huán)境 實地測試結(jié) 果表明 該研究設(shè)計的溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置所測數(shù)據(jù)更接近大棚溫濕度平均值 據(jù)此進行科研試驗或農(nóng)事管理更為準(zhǔn)確 關(guān)鍵詞 設(shè)施農(nóng)業(yè) 溫室大棚 空氣溫濕度監(jiān)測 智能化生產(chǎn) 中圖分類號 TP273 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 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 Informatization 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 基金項目 河北省科技廳重點研發(fā)計劃 19226919D 作者簡介 黃 媛 1986 女 河北石家莊市人 農(nóng)藝師 主 要從事農(nóng)業(yè)信息化研究 通訊作者 楊英茹 黃 媛 等 一種溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置的設(shè)計 87 農(nóng)業(yè)工程 農(nóng)業(yè)信息 同時 由于目前在應(yīng)用過程中對吊裝位置沒有科學(xué)統(tǒng) 一的指導(dǎo)或規(guī)定 而日光溫室內(nèi)溫濕度存在分布不均 的情況 如果溫 濕度傳感器安裝在一個固定位置上 就不能根據(jù)作物高度及時測定近作物周圍的空氣狀 況 難以準(zhǔn)確地反映影響植株生長的空氣溫濕度 1 溫室大棚溫濕度監(jiān)測裝置的設(shè)計思路 1 1 設(shè)計思路 該研究設(shè)計一種溫室大棚溫濕度監(jiān)測設(shè)備 設(shè)備 通過升降裝置安裝在溫室大棚的棚頂龍骨上 可根據(jù) 要求調(diào)節(jié)設(shè)備懸掛的高度 溫濕度傳感器防護箱為豎 向百葉窗 其內(nèi)部空氣流通 不易集聚 同時設(shè)計遮 光傘避免太陽直射對空氣溫濕度傳感器的影響 保證 監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性 1 2 工作原理 該研究設(shè)計的溫室大棚溫濕度監(jiān)測設(shè)備主要包括 升降裝置及監(jiān)測裝置 升降裝置包括升降箱體 卷揚 軸 卷揚繩 中心轉(zhuǎn)軸 渦輪 蝸桿及驅(qū)動電機 升 降裝置將監(jiān)測裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上 蝸桿 在電機的帶動下旋轉(zhuǎn) 從而帶動渦輪旋轉(zhuǎn) 進一步卷 揚軸轉(zhuǎn)動 實時調(diào)節(jié)監(jiān)測裝置的高度 監(jiān)測裝置包括 防護箱及空氣溫濕度傳感器 防護箱頂端與升降裝置 的卷揚繩連接 防護箱頂端與底座之間設(shè)置若干個豎 向的百葉窗葉片 溫度傳感器和濕度傳感器通過卡座 固定安裝在防護箱的底座上 另外 監(jiān)測裝置頂端通 過支撐桿設(shè)置有遮光傘 通過升降裝置和監(jiān)測裝置的 配合 操作人員可根據(jù)不同作物及其不同生長階段自 由調(diào)整設(shè)備的位置 收集能夠準(zhǔn)確反映植株生長環(huán)境 的空氣溫濕度數(shù)據(jù) 從而更好地指導(dǎo)科學(xué)研究或農(nóng)業(yè) 生產(chǎn) 2 溫室大棚溫濕度監(jiān)測裝置的系統(tǒng)設(shè)計 2 1 溫室大棚溫濕度調(diào)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 1 為溫室大棚溫濕度調(diào)控系統(tǒng) 包括空氣溫濕 度監(jiān)測裝置 中央處理器 空氣溫度調(diào)節(jié)器和空氣濕 度調(diào)節(jié)器 空氣溫濕度監(jiān)測裝置 空氣溫度調(diào)節(jié)器及 空氣濕度調(diào)節(jié)器分別與中央處理器進行電連接 空氣 溫濕度監(jiān)測裝置將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給中央處 理器 中央處理器根據(jù)提前編程的監(jiān)測模型分別對空 氣溫度調(diào)節(jié)器和空氣濕度調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號 控制 二者的啟停 3 4 2 2 溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置關(guān)鍵部件 設(shè)計 如圖 2 所示 空氣溫濕度監(jiān)測裝置包括升降裝置 及與升降裝置連接的監(jiān)測裝置 1 升降裝置 包括 升降箱體及設(shè)置在升降箱體內(nèi)的卷揚軸 卷揚繩 中 心轉(zhuǎn)軸 渦輪 蝸桿和驅(qū)動電機 升降箱體頂端通過 圖 1 溫室大棚溫濕度調(diào)控系統(tǒng)示意圖 掛鉤懸掛在棚頂鋼骨架上 并通過緊固螺栓固定 中 心轉(zhuǎn)軸兩端均通過軸承固定安裝在升降箱體兩側(cè)壁 上 卷揚軸和渦輪均套裝在中心轉(zhuǎn)軸兩端 且渦輪和 卷揚軸均與中心轉(zhuǎn)軸相對固定 蝸桿與渦輪相嚙合 圖 3 驅(qū)動電機驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動 卷揚軸上設(shè)置卷揚繩 卷揚繩的一端與監(jiān)測裝置連接 驅(qū)動電機驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn) 動 蝸桿轉(zhuǎn)動帶動渦輪轉(zhuǎn)動 同時中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動 最 終帶動卷揚軸轉(zhuǎn)動 實現(xiàn)監(jiān)測裝置垂直方向上的升降 2 監(jiān)測裝置 包括防護箱和空氣溫濕度傳感器 防 護箱頂端通過支撐桿設(shè)置有遮光傘 遮光傘頂端通過 連接吊環(huán)與卷揚繩連接 遮光傘為雙層結(jié)構(gòu) 兩層結(jié) 構(gòu)之間通過支撐骨架連接 遮光傘上層外表面涂布有 鋁制反射膜 將棚內(nèi)照射進來的陽光反射出去 防止 陽光直射防護箱 防護箱頂端與底座之間設(shè)置若干個 豎向的百葉窗葉片 所有百葉窗葉片的中心點形成一 個圓 每個百葉窗葉片中心點和圓心連成的半徑 與 百葉窗葉片水平方向的中心軸的夾角為 圖 4 方 便防護箱內(nèi)空氣流通 空氣溫濕度傳感器通過卡座固 定在防護箱底座上 監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號輸出給中央處理 器 5 6 圖 2 空氣溫濕度監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 2020年1月 88 農(nóng)業(yè)工程 農(nóng)業(yè)信息 圖 3 中心轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu) 圖 4 防護箱百葉窗結(jié)構(gòu) 2 3 溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測驅(qū)動電機設(shè)計 利用驅(qū)動電機驅(qū)動渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動 實現(xiàn)卷揚繩 的升降 如圖 5 所示 驅(qū)動電路中 采用驅(qū)動芯片 IC 1 控制 驅(qū)動芯片的輸出端口 OUT 1 和 OUT 2 分別 并接在驅(qū)動電機 M 的兩端 驅(qū)動微調(diào)芯片 IC 1 的輸 入端口 INT 1 和 INT 2 分別連接正轉(zhuǎn)按鈕 ZA 和反轉(zhuǎn) 按鈕 FA 正轉(zhuǎn)按鈕 ZA 和反轉(zhuǎn)按鈕 FA 的另一端經(jīng) 提拉電阻 R 連接在電源正極上 當(dāng)需要下調(diào)監(jiān)測裝 置時 點按正轉(zhuǎn)按鈕 ZA 則驅(qū)動電機正轉(zhuǎn) 卷揚 繩下降 下降到所需位置時 松開正轉(zhuǎn)按鈕 當(dāng)需 要上調(diào)監(jiān)測裝置時 點按反轉(zhuǎn)按鈕 FA 驅(qū)動電機反 轉(zhuǎn) 卷揚繩上升 上升至所需位置時 松開反轉(zhuǎn)按 鈕 驅(qū)動電機停止工作 渦輪蝸桿自鎖 監(jiān)測裝置固 定在所需位置 驅(qū)動芯片 IC 1 為 MC33886 芯片 7 9 圖 5 驅(qū)動電機電路圖 3 溫室大棚溫濕度監(jiān)測裝置的測試 3 1 試驗地點 該監(jiān)測裝置的性能試驗選擇在石家莊市農(nóng)林科 學(xué)研究院趙縣實驗基地 5 號溫室內(nèi)進行 5 號溫室東 西長 90 m 南北跨度為 8 m 內(nèi)部種植面積約為 667 m 2 北后墻為磚結(jié)構(gòu) 南采光面為鋼支撐架構(gòu) 外覆 塑料薄膜 有上下兩個通風(fēng)口 外有保溫用棉被 性 能試驗于 2018 年 8 月 25 31 日越冬茬番茄苗定植后 的一周內(nèi)進行 期間溫室外溫度較高 棚內(nèi)澆了定植 水 濕度較大 為保證平穩(wěn)度過緩苗期 這一階段應(yīng) 加強溫室內(nèi)溫濕度管理 避免溫濕度過高造成死苗或 引發(fā)莖基腐病 3 2 試驗方法 由于試驗期間為番茄病毒病高發(fā)時段 煙草花葉 病毒 TMV 黃瓜花葉病毒 CMV 馬鈴薯 X 病 毒 PVX 等能夠引起番茄發(fā)病的常見病毒可在高溫 低濕環(huán)境迅速增殖 因此該試驗設(shè)定 5 個傳感器每半 小時采集 1 次空氣溫濕度數(shù)據(jù) 選取每天的最高溫度 和最低濕度為有效值 通過整理計算可得每天大棚內(nèi) 最高溫度和最低濕度的平均值 在番茄病毒病預(yù)警監(jiān) 測中一般采用取自棚內(nèi)不同位置所測平均值進行數(shù)據(jù) 分析和預(yù)警 通常認(rèn)為棚內(nèi)所設(shè)傳感器數(shù)量越多 所 得平均值越具實際意義 選購一批北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心研制的便攜 式氣象站設(shè)備 以其中的空氣溫濕度傳感器集成該研 究設(shè)計的溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測設(shè)備 懸于 5 號溫 室種植區(qū)域的正中間 將其編號為 1 另外選擇 4 臺 便攜式氣象站懸掛在溫室不同位置的不同高度 分別 編號為 2 3 4 5 其具體工作位置見表 1 傳感器的 量程 精度都一致 溫度量程為 10 70 濕度量 程為 5 99 RH 溫度精度為 0 5 濕度精度為 3 表 1 各傳感器的位置 編 號 傳感器位置 1 距東墻 40 m 距南墻 3 5 m 距地面 0 2 m 2 距東墻 10 m 距南墻 6 0 m 距地面 0 5 m 3 距東墻 20 m 距南墻 1 0 m 距地面 1 0 m 4 距東墻 55 m 距南墻 1 0 m 距地面 0 2 m 5 距東墻 75 m 距南墻 5 0 m 距地面 0 5 m 3 3 結(jié)果與分析 由圖 6 圖 7 可知 1 號設(shè)備的空氣溫度 濕度 數(shù)值與平均值更為接近 1 號設(shè)備的測量數(shù)據(jù)受安裝 位置及太陽直射等因素影響最小 據(jù)此進行科研試驗 或農(nóng)事管理更為準(zhǔn)確 4 結(jié) 論 該研究設(shè)計的空氣溫濕度監(jiān)測裝置與傳統(tǒng)空氣溫 濕度傳感器監(jiān)測設(shè)備相比 其特點在于通過升降裝置 將溫濕度監(jiān)測裝置懸掛于溫室大棚的鋼骨架上 可根 據(jù)作物高度隨時調(diào)整監(jiān)測位置 空氣溫濕度傳感器安 黃 媛 等 一種溫室大棚空氣溫濕度監(jiān)測裝置的設(shè)計 89 農(nóng)業(yè)工程 農(nóng)業(yè)信息 裝在防護箱內(nèi) 防護箱頂端為環(huán)形透氣柵 側(cè)壁為豎 直方向的百葉窗 方便空氣流通 可以避免上升的熱 空氣在防護箱內(nèi)滯留不散 同時 防護箱頂端設(shè)置雙 層遮光傘 防止陽光直曬防護箱 使空氣溫濕度傳感 器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映植株真實的生長環(huán)境 該研究為今后設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化調(diào)控 智能化生產(chǎn)打下 了基礎(chǔ) 參考文獻 1 彭 澎 梁 龍 李海龍 等 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀 問題與發(fā)展 建議 J 北方園藝 2019 5 161 168 2 何 芬 馬承偉 中國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策分析 J 中國農(nóng)學(xué) 通報 2007 23 3 462 465 3 周長吉 日光溫室設(shè)計荷載探討 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 1994 10 1 161 166 4 張寶峰 楊 雷 朱均超 等 溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的 設(shè)計與實現(xiàn) J 自動化儀表 2017 38 10 82 85 5 郭玉萍 楊一平 楊福營 蔬菜大棚溫度 濕度傳感器檢測系統(tǒng) 的設(shè)計 J 制造業(yè)自動化 2010 32 14 221 225 6 宋志君 溫室大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究 D 長春 吉林大學(xué) 2015 7 柯 煒 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及其研究難點 J 電信科學(xué) 2005 21 6 9 12 8 趙新民 王 祁 智能儀器設(shè)計基礎(chǔ) 第二版 M 哈爾濱 哈 爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2007 9 李建民 單片機在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 J 江漢大學(xué)學(xué)報 1999 16 3 60 62 責(zé)任編輯 成 平 圖 6 不同位置傳感器的溫度數(shù)據(jù) 18 27 36 45 08 25 08 26 08 27 08 28 08 29 08 30 08 31 溫 度 日 期 月 日 1號 2號 3號 4號 5號 平均值 圖 7 不同位置傳感器的濕度數(shù)據(jù) 0 20 40 60 80 100 08 25 08 26 08 27 08 28 08 29 08 30 08 31 相對濕度 日 期 月 日 1號 2號 3號 4號 5號 平均值