移动式大棚智能喷灌系统

赵旖旎 王盛

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

移动式大棚智能喷灌系统

赵旖旎 王盛

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

针对现有大棚内采用移动式喷灌及微喷造成的水资源浪费、喷灌设备智能化程度低和拆卸不便等问题，对机电一体化、水肥一体化等技术及模块化设计思想进行研究，提出了一套移动式大棚智能喷灌系统。通过对比喷灌实验，实验数据表明：该系统操作简便，避免了复杂的管道布置，安装成本低；可实现按需喷灌、准确喷灌及水肥一体化，且方便拆装，便于适应不同长度、宽度的作业区。相比现有的移动式喷灌系统以及微喷系统，该系统节水率分别可达29.6%、18%，节水效果显著。

节水 喷灌 机电一体化 大棚 系统设计

1 引言

我国人均水资源量仅为世界平均水平的28%。而据资料显示，2011年我国农业年用水达3689.1亿m3，占总用水量的61.3%，其中农田灌溉用水占农业用水消耗总量的90.5%。因此节水灌溉技术的推广及发展具有重要意义。

目前主流的大棚喷灌设备：固定式喷灌系统出水量大，重叠区域大，水资源利用率低，固定的管道对田间其他机械有妨碍，耕种作业时易损坏管道，同时投资高，平均每亩花费在1000元左右；移动式喷灌系统大多采用多个喷头同时喷洒整片作物区的方式，导致重叠区域增大，增加了非作物区的喷洒；微喷灌系统同样采用多喷头喷灌，出水为雾状，需增加喷洒时间或喷洒次数以保证植物获得足够的水量，浇灌时重叠区域大，水资源浪费严重。基于此，我们提出了一种移动式大棚智能喷灌系统。

2 设计方案

该系统：（1）根据实际土壤温湿度，按需喷灌，减少水资源浪费；（2）单喷头移动式全方位喷灌，喷洒均匀，能实现准确喷灌，提高水利用率；（3）采用水肥一体化技术实现水肥精量化，同时减少喷洒肥料用量和喷洒次数，改善生态环境。

以1：4的比例将整体装置缩小模型如图1所示。实际导轨高度为1.6m，喷头距离地面的高度H及喷头出水角度θ可调，从而控制其出水范围以满足常见的作物区宽度D，符合实际喷灌作业的垄宽要求，实现精确喷灌，提高水资源的利用。图2为喷灌出水范围的示意图。

3 机械结构设计

移动式大棚智能喷灌系统机械结构部分由喷灌模块、传动模块和水肥混合模块三部分组成。步进电机2和步进电机3同步转动，通过锥齿轮传动实现横向小车前行，完成单道喷灌，控制喷灌小车的运动速度v1以调节喷洒量；步进电机1主轴转动，通过同步带带动喷洒小车实现往复运动，完成多道作物区的喷灌；控制步进电机1的转动速度以适应不同的垄间距；依据作物区的不同垄宽，调整喷头角度及高度，实现准确喷灌；利用文丘里施肥器连接进水管道，实现水肥一体化。同时，通过温湿度传感器的实时监测，由信号控制系统工作，实现智能按需喷灌。

3.1 喷灌模块

图1 实物模型图

图2 喷灌出水范围示意图

（1）喷头移动结构设计：连接杆连接喷头与车体，车体内夹持板与同步带上侧固定，当电机带动同步带运动时，喷头随之在上方导轨上往返运动，实现单轨道的喷灌，避免非作物区的喷灌。

（2）可伸缩喷头结构设计：考虑到不同植物浇灌时力度、占地面积的不同，采取两种方案来调节喷头出水范围，从而适应不同的作业区：通过旋转喷头的角度，其出水锥度可调范围为0°到90°；设计长度可调的喷头连接杆，由蝶形螺钉锁紧定位，使其可调范围为0—20cm，实现喷头距离地面高度调节范围为60cm—80cm进而保证其能适应0cm—160cm的垄地宽度，满足现有实际大棚中作物区的宽度。

3.2 传动模块

纵向移动时，步进电机2、步进电机3同时带动两侧的锥齿轮转动，从而驱动小车车轮转动，并保证两侧小车的同步移动，实现单道垄地的喷洒；横向移动时，步进电机1带动同步带轮转动，从而使同步带平稳运动，为喷头小车提供动力，实现多道垄地的切换。从而减少喷头的使用数量和管道布置的复杂程度，节约成本。

3.3 水肥混合模块

采用文丘里施肥器实现水与肥料的混合喷灌，根据实际需要，调节喷灌时的水肥比例，改变传统浇灌时浇水与施肥分开作业的方式。

4 控制模块设计

4.1 整体方案设计

采用STC89C52单片机为控制核心，设定连续喷灌及间歇喷灌两种喷灌模式，实现大棚的自动灌溉，并采用温湿度传感器实时检测，低于设定的湿度值时启动系统进行喷灌。

4.2 监测模块

温湿度传感器能实时监测土壤中的温湿度值，通过信号处理电路将模拟信号转换为数字信号，再经由单片机与预设的湿度值进行比较，当测定的湿度低于设定湿度，系统开始工作，从而实现按需喷灌。

4.3 键盘及显示模块

用户进入界面可通过键盘选择喷灌模式，采用12864液晶屏对系统工作状态予以显示；同时可设定湿度下限值、垄地总量及移动距离，以满足不同作物的生长需求及作物区的要求。

4.4 步进电机驱动模块

采用3个57GYGH206步进电机及其配套驱动器实现动力输入，并通过单片机编程控制步进电机的转动量，实现小车在横纵两个方向上的精确移动，完成对作物区的精确喷灌。

5 结语

该作品主要运用机电一体化、水肥一体化等技术，由实验数据可以得出该作品喷灌效果良好，节能减排效益显著。并应用了模块化设计，能适应不同作业环境，操作、拆卸方便，扩大了推广范围。

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