大棚水稻育苗自动温控放风装置的设计研究

聂影　安鹤峰　章慧全　田家治

摘要：针对水稻育苗大棚的卷膜和放膜主要靠人工手动操作完成的现实问题，研制智能温控通风装置。介绍温控器智能控制卷膜器开闭风口的原理及方法，详述智能温控通风装置主要部件的原理、组成及特点，为水稻秧苗生长创造适宜的生长环境。

关键词：智能温控放风装置；大棚；设计；电动卷膜器；温湿控制器

中图分类号：S625.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）11-0023-04

水稻是辽宁省仅次于玉米的第二大粮食作物，常年种植面积保持在60万hm2左右，占全省粮食总播种面积的17%左右；稻谷总产量约450万t，占粮食总产量的23%左右。水稻种植技术主要有直播和育秧移栽两种，现阶段以水稻育秧栽培技术为主。大棚温度是决定棚内水稻秧苗生长发育的一项重要环境因素。在水稻育苗过程中，大棚内的温度变化快且分布不均匀，对水稻秧苗生长影响很大。目前，全省水稻育苗大棚的卷膜和放膜主要延用手动操作来完成，工作效率较低。为此，辽宁省农业机械化研究所研制出一种高智能温控通风装置，可根据水稻秧苗不同生长时期的温度要求设定温度，使水稻秧苗营养生长和生殖生长更合理。

1 智能温控放风装置的基本构成

1.1 工作原理

根据水稻秧苗在不同时期、不同生长阶段对温度的需要，设定适宜温度。通过温度传感器将棚内信息实时传递到信息处理系统，操控系统接受指令后对信息进行分析，并控制卷膜器开闭风口，实现温室内温度的改变，为水稻秧苗提供良好的生长环境。智能温控放风装置具有自动降温功能，不仅能够保持理想的室内温度，而且通过空气交换把棚内的有毒气体排出去，吸收新鲜的室外空气，增加棚内二氧化碳的浓度，促进秧苗生长。

1.2 基本构成

根据降温和补充二氧化碳等需要，大棚前坡覆盖薄膜下部及上部均设置通风带。传统人工扒缝放风方法费时费力且容易损坏棚膜。为解放劳动力、改善作业环境、实现棚室温度的自动控制，辽宁省农业机械化研究所研制了智能温控通风机。

智能温控通风装置由开关电源、温控器、减速电机、固定铰接装置、伸缩导向器、卷膜轴等组成（如图1所示）。待卷薄膜上侧固定在压膜线上，下侧卷在长轴上（用塑料卡箍卡牢），长轴的一端连在电动卷膜器上，通风开口宽度约800 mm，电动卷膜器控制长度由电机功率决定（见表1）。

2 智能温控放风装置的结构

智能温控通风装置主要分机械控制系统与智能控制系统两部分。

2.1 机械控制系统

2.1.1 工作机理 在水稻育苗大棚端面侧壁适当位置，在卷膜轴端部联接减速电机。电机固定在可伸缩管的铰接机构上，通过电机转动位置变化来改变伸缩管长度，进而调整卷膜轴的位置。减速电机控制卷膜轴转动，实现水稻育苗棚内的通风排放。

2.1.2 电动卷膜器的特点 1） DC24V低电压，避免触电事故；2） 铝合金机体组合，密度强健，不会变形；3） 使用油性齿轮方式传送动力，效力高，齿轮寿命长； 4） 内设特殊钢制作后进行浸碳热处理的高品质齿轮；5） 停止时不会自动滑下，完美的自动刹住功能； 6） 使用高级密封垫，有效防止雨水渗入；7） 设有透气孔；8） 机体壳防锈、镀锌处理后喷塑处理。

2.2 智能温湿控制系统

2.2.1 工作原理 系统以STM32微控制器为控制核心，以温湿度传感器为检测单元，以电动卷膜装置、喷淋装置、无线上传及控制装置为执行单元，实现智能温湿度的控制。温湿度传感器采集到大棚内空气温湿度和土壤温湿度后，发送给单片机，单片机对信息进行处理后，一是通过电动卷膜装置、喷淋装置、报警装置对大棚内的温湿度环境进行实时监控；二是通过无线联网装置上传环境数据，供用户随时查看，并进行实时调整控制。温湿控制系统的工作流程及工作原理如图2所示。

由水稻大棚秧盘育苗技术操作规程得知：播种后到小苗1.5叶前主要提温保湿，这时要堵好大棚作业通道，排除棚外沟内的积水，以提高棚内温度；棚室温度控制在28～30 ℃为宜，棚内温度不超过32 ℃，一般不需要通风。1.5片叶以后外界气温比较高，大棚内增温较快，需要通风炼苗。白天温度应控制在25～30 ℃；2.5叶后至插秧期的温度保持在22～25 ℃，夜间温度10 ℃以上时，可昼夜通风炼苗，这样有利于小苗均衡增长。

2.2.2 结构及特点 温湿控系统由温湿度传感器、LED显示器、执行器、报警器、单片机组成。

1） 采集温湿度。本系统采用的数字式PE防护型温湿度传感器，是一种体积小、抗干扰能力强、精度高、防水、数字化、功能强的零件，可以将采集到的实时温度直接以数字信号的形式传输给单片机，不需要额外的A/D转换。温湿度传感器的温度测量范围为-40.0～123.8 ℃， -10～80 ℃的测量精度为±0.5 ℃，湿度0～100% RH的测量精度为±4.5%RH，响应时间8 s（tau63%），功耗80 μW。

2） LED显示。采用五组数码管显示，其中四组四段数码管用于两路温度、湿度的显示，反馈大棚内温度及湿度的实时状态；一组八段数码管用于显示设置代码及相应参数。数码管具有低耗能、寿命长、对使用环境要求低等特点，采用BCD编码方式进行显示，编译命令简单，价格低廉，且输出精度很高。

3） 执行机构。执行机构主要包括继电器、电机限位控制器、电机、喷淋等装置。其有效对控制器发出的指令进行相应操作，实现放风降温、喷淋降温等功能。当大棚温度达到设置上限时，控制单元发出指令：卷膜电机正转卷起棚膜至上限位停止，通过放风进行降温、喷淋进行降温。大棚温度降到设置的下限温度时，卷膜电机反转到下限位，同时喷淋装置停止作业。土壤湿度低于下限值时，喷淋装置进行喷淋作业，直到土壤湿度达到上限值时，停止喷淋作业。

4） 报警器。报警器对控制单元采集到的实时温湿度与设定的上下限温度进行比较，若超过设定的限值，发出指令给报警器，使其进行声光报警。

5） GPRS远程监控。GPRS能够进行高速数据处理，以分组的形式将数据发送到终端，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术。系统通过流量卡联入GPRS网络，发送信息至服务器，用户可实时调取大棚环境信息，并发送控制指令，进而有效、快速的调整温湿度。多个大棚控制器通过一个接收发送装置与服务器进行数据交换，GPRS接收发送装置的无线覆盖距离可达1 000 m。

6） 单片机。控制单元为STM32F1系列的32位内核处理器。其内部使用高性能ARM Cortex-M3的RISC内核，内置高速存储器（64KB的SRAM和512KB的FM），工作频率为70 MHz；丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设，包含3个12位的ADC检测原件、4个通用16位定时器和2个PWM定时器；标准和先进的通信接口众多，包括2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个SDIO、5个USART。此系列芯片具有低电压、低功耗、集成度高、体积小、可靠性高、结构简单、使用方便、稳定运行、控制功能强等特点。单片机作为数据处理单元，对温度传感器输入的16位二进制信息进行编程处理后，对数据进行显示、报警及控制，并通过C语言编写命令来完成各种控制。本系统的控制流程如图3所示。温度传感器采集大棚空气温湿度以及土壤温湿度传输给单片机，通过单片机判断温度是否超出预设值，同时通过LED数码管显示出温度，报警器发出警报，并通过执行器进行降温操作。

3 智能温控通风装置的优点

3.1 科学监控棚内温度

根据水稻秧苗不同时期、不同生长阶段，设定棚内适宜温度后，该设备可自动监控棚内温度，当温度高于或低于设定温度时，自动开关风口，保证棚内的温度相对稳定，为水稻秧苗提供理想的生长环境。遇到连阴雨（雪）天气及早晨需要通风时，棚内温度较低，无法实现自动开关风口，可手动强制开关风口。

3.2 充分利用温度资源

温控机可将温差控制在±1 ℃范围内，使植物营养生长和生殖生长更合理，积温和养分达到最佳效果。

3.3 减少生理病害

自动开关风口，棚内、外空气进行交换，棚内有害气体及时排出，增加棚内二氧化碳浓度，促进植物进行光合作用。棚内温度相对稳定，作物生长环境适宜，提高抗病能力。避免骤降或骤升引起的高温或低温对秧苗生长的影响，从而减少生理病害，降低农药、化肥的投入，进而降低生产成本。

3.4 提高农业生产效率

传统降温方式是工作人员寸步不离在现场看守，通过人工手动开关风口来控制棚内温度。使用该设备后，可实现开关风口机械化作业，使棚内温度始终保持在理想状态，省工、省力，把农民从繁重劳动中解放出来，促使农业向更高层次发展。

4 结论

电动卷膜器是最新一代温室卷膜通风降温设备，可实现快速卷、放膜及温室环境的自动控制。它具有重量轻、输出扭矩大、输出自锁、行程调节精度高、调节范围大、防雨水、防结露及耗电量低等特点，适用于不同气候条件，是现代日光温室的最佳选择。智能温控机能够保证温室高效节能，大幅度降低劳动强度和管理费用，提高劳动生产率，减少生理病害，从而使综合效益显著提高。智能温控通风机为设施农业生产向标准化、规模现代化方向发展提供必要技术支撑，对促进水稻稳产、高产具有重要意义。

参考文献

[1] 戴明旭.水稻大棚秧盘育苗技术操作规程[J].现代农业科技，2013（3）：30-31.

[2] 董昊， 石九龙 ，刘锦高.基于STM32F103的贴片机控制系统的设计与实现[J].电子技术工程，2014（4）：158-161.

[3] 金泽浩.基于单片机的温度控制系统设计[J].科技向导，2014（17）：189.