基于可扩展遮阳棚结构的复合温室大棚设计

王 东,杨 杰,高 强

(1.重庆工贸职业技术学院 智能制造学院,重庆 408000; 2.重庆工贸职业技术学院 人工智能学院,重庆 408000)

0 引言

反季作物备受人们喜爱,但传统种植方式无法满足要求,而温室大棚能创造出适合作物生长的最佳环境,且不受季节、地域限制,有利于提高作物产量。近年来使用温室大棚种植反季花卉、蔬菜等越来越多,因此对温室大棚的需求也越来越大,对促进国民经济的快速发展起到了非常重要的作用[1]。温室大棚是利用保温材料将某一空间密封形成封闭空间实现内外隔离的生产环境,通过技术手段调控内部温湿度等环境参数保证作物最佳生长环境,而结构、调控方式直接决定了温室大棚的建设成本、使用成本、使用寿命及使用效果[2-3]。因此,设计合理的温室大棚物理结构显得非常重要。针对此问题,提出一种基于可扩展遮阳棚结构的复合温室大棚,可根据大棚面积进行扩展建设,降低大棚制造难度和成本,同时利用湿帘和风机能快速调节温室内的环境参数,满足作物生长的需要。

1 温室大棚总体方案设计

温室大棚需要调节的环境参数主要有温度、湿度、光照等,根据实验测试,温室大棚内湿度会随着温度升高而变化,春夏秋光照对温度的影响极大,而冬天主要利用温室大棚的保温功能配合暖风机对温室进行升温[4]。因此,总体设计方案是利用有机材料制造温室大棚,顶面加装遮阳棚对室内光照进行调节,使用暖风机、湿帘和风机对室内温度和湿度进行调节,配合基于无线传感网络的监控系统,可实现对温室大棚的远程监控和无人值守[5]。其整体示意如图1所示。

1.风机;2.可伸缩遮阳棚;3.湿帘;4.水泵;5.水池图1 温室大棚总体结构示意图

2 温室大棚机械结构设计

根据总体方案,温室大棚内部温度、湿度、光照的调控主要采用复合技术实现,即使用强制通风、水帘蒸发吸热和遮阳棚遮光等手段进行组合的方式实现调控,能够根据当前的天气情况选择部分或全部的调控手段对其进行调控,以达到更优控制。为了提高温室大棚的生产效益,其设计的结构应具备容易生产、使用成本低、易于扩展的特点。

2.1 温室大棚温湿度控制系统结构设计

温室大棚内的温湿度需要根据当前的气候进行调节,在夏季气温较高时要降温,在冬季温度较低时需要增加大棚内的温度。常用的夏季降温手段一般采用湿帘配合风机、遮阳系统遮阳的方式进行,为了能够更好地降温,郭江涛[6]研究了干幕墙对温室大棚内环境的影响,在湿帘的前方加一级干幕帘能使湿帘的降温性能显著提高,但成本会随之增加。为了控制成本,直接使用湿帘配合风机和遮阳棚遮阳的方式实现对大棚内的温度和湿度控制。

从图1可知,右侧的湿帘开启时,将有常温的水从上方向下流,利用湿帘增加水的表面积,而左侧的风机向外排风,降低了内部的空气压力,强制右侧室外空气从湿帘的孔洞中流向室内,从而加速湿帘上水的蒸发,达到降低内部空气温度和增加内部湿度的目的。

为了减少外部的昆虫、细小的落叶等异物进入湿帘的孔洞,造成堵塞,在湿帘的外部覆盖一层纱网进行保护,同时还在外面再增加一层薄膜进行密封,减少在不使用时灰尘等进入。在使用湿帘时,该薄膜能够自动打开,以便外部空气能够进入温室内部,而在停止使用时,能自动关闭。薄膜窗开启和关闭的结构原理如图2所示。

其工作原理是:当需要开启湿帘时,打开薄膜窗,以便外界空气能够进入到温室内,此时只需要启动电动卷膜器电机正转,驱动卷轴转动,由于薄膜上方固定在湿帘的边缘,下方固定在卷轴上,此时卷轴旋转,将薄膜缠绕在卷轴上,将会带动卷轴向上移动。为了防止驱动电机和卷轴左右运动设置了导向轴,实现了卷轴旋转在收起薄膜时自动沿导向轴向上运动。如果要关闭薄膜窗,则只需要电动卷膜器向相反的方向运动,卷轴在自重的作用下会向下运动,从而将薄膜窗关闭。

1.电动卷膜器电机;2.导向轴;3.湿帘界限;4.薄膜;5.湿帘;6.卷轴图2 薄膜窗开闭原理图

大棚内温度的提升由热风机提供热量,在冬季,环境温度较低时,启动热风机,当温度高于环境温度一定值或风机内部保护温度时,停止热风机加热。

控制风机的转速、湿帘水泵的启动和停止、遮阳棚的开启和关闭,即可达到内部温湿度的调节,配合环境监测系统和相应的专家系统即可实现环境温湿度的自动调节。

2.2 温室大棚可扩展遮阳棚结构设计

为了实现在夏季光照强烈时,能够利用打开(展开)遮阳棚对强光进行适当遮挡,配合风机和湿帘快速调节温室内的温度和湿度;而在秋冬季光照较弱时,关闭(收拢)遮阳棚,提高室内的光照强度,从而更快实现升温。因此,在温室大棚顶部设计的遮阳棚需要具备打开和关闭功能,在需要降低光照强度时打开,遮挡强烈的阳光,而在冬季,需要阳光时,完全关闭,让尽可能多的阳光射入大棚内。

由于温室大棚的面积较大,不可能使用整个遮阳棚来遮挡大棚内的光线,需要将大棚分割成多块,但由此将会给制造和控制带来不便,因此需要设计一套方便生产制造和控制的遮阳棚结构。

遮挡系统采用伸缩结构设计,其结构示意图如图3a所示,遮阳棚被划分成多个宽度相同的区域,遮阳布一端被固定在支架上,另一端固定在牵引杆上,当牵引杆左右移动时,能够控制遮阳布伸缩,实现打开和关闭遮阳棚的功能。牵引杆的运动由下方的牵引轴驱动,齿条和牵引轴固定在一起,因此,当齿条被齿轮驱动左右移动时,牵引轴也会因此而左右移动,从而带动遮阳布的开启和关闭。

如图3b所示,每一根牵引轴上均有一套齿轮齿条机构,由于齿轮轴实际只是一根光轴,因此只需要通过增加齿轮轴的长度,在齿条位置安装对应的传动齿轮就可以向前后两个方向进行扩展,该结构仅需一套蜗轮蜗杆减速箱驱动器作为动力部分驱动齿轮轴旋转即可。同理,由于牵引轴每根也可以向左右进行延伸,因此遮阳棚的左右宽度也可以进行扩展,需要将总的长度做成每一个遮阳棚区域尺寸的整数倍,但是应着重考虑驱动系统的功率和设计的机构强度。

为提高牵引轴、牵引杆的运动灵活性,在支架上方设计一套滚轮支撑结构,让牵引轴能够在滚轮上进行滚动,降低运动时的摩擦阻力,提高运动灵活性,同时降低噪声。为保证牵引杆运动到极限位置能够自动停止,避免机件的损坏,在其中一个牵引杆的两个极限位置安装行程开关,运动到位后能够自动断开驱动电机的电源,从而自动停止,又能够保证控制系统能控制其向相反的方向运动。

1.支架;2.遮阳布;3.牵引杆;4.齿条;5.齿轮;6.牵引轴;7.齿轮轴;8.减速箱驱动器图3 遮阳棚结构示意图

3 温室大棚监测系统方案设计

为了降低管理人员的工作强度,为温室大棚设计了基于远距离无线电的环境监测系统,能对温室大棚的温度、湿度、光照和土壤湿度等进行监测,并将相关数据上传到远程服务器供管理人员查看。李明等[7]用ZigBee和RS485传感网络实现对环境等的监测,向鹏俊[8]用WIFI结合Onenet实现了环境参数的监测和数据储存。但是ZigBee和WIFI都存在传输距离短的问题,因此本项目的监测系统采用STM32单片机配合温湿度传感器、光照传感器等对环境参数进行采集,然后选择了具有超强抗干扰的远距离无线电(LoRa)技术,利用时分多址和竞争访问相结合的方式传输到中心基站,并由中心基站通过WIFI将数据统一上传到远程MQTT服务器[9-12],并存储到数据库供用户进行查询,其架构如图4所示。

为了方便采集模块的布署,采集模块采用电池供电,因此必须降低系统的功耗。数据采集模块每隔10 min采集一次数据,并通过无线上传到网关,其余时间休眠以降低系统功耗和利于其电池供电。其实际布署如图5所示。

图4 监测系统架构图

图5 采集模块部署图

4 实例测试

4.1 温室大棚机械结构测试实例

根据本设计方案制作的温室大棚测试实例按照图3俯视布局,以机械制图的方位为准,前后分为3个区域,左右分为5个区域,共计15个区域的遮阳棚。根据结构原理可知,结构中设计的元件以杆状零件(实际为金属水管和型材制作)为主,强度和刚性较低,能够承受的扭矩有限,而遮阳棚的面积很大,运动阻力较大,因此,在设计其结构时,需要考虑各零件所承受的扭矩。同时,由于遮阳棚中主要的运动是牵引轴的轴向运动和牵引杆的横向运动,为了避免遮阳布在运动过程中被撕裂,以及在运动过程中齿轮轴由于长度较长,各牵引轴因制造、安装精度误差引起驱动阻力不均而造成该轴的扭转弹性变形增大,牵引轴的运动速度应尽量慢,本项目设计速度为1 m·min-1,经计算,选择0.55 kW的电机即可满足要求,实际温室大棚如图6所示。

经实际测试,温室大棚结构遮阳棚运行平稳、顺畅,达到了预期目的。

图6 遮阳棚实物图

4.2 温室大棚温湿度调节测试

本测试的主要目的是考察温室大棚内部的温湿度调节能力,主要测试为:当温室大棚内温度较低时,开启暖风机温室内的温度变化情况和当温室大棚因日光照射温度升高时,开启湿帘和遮阳棚等,检测温室大棚内温湿度的变化速度。

4.2.1 升温情况测试

冬季气温较低时启动热风机进行室内增温,室内温度高于室外5 ℃或热风机内温度到达45 ℃时停止。通过监测,温室内外的温湿度如图7所示。

图7 温室大棚内、外环境温湿度监测图

从图7可以看出,光照强度较高时,温室内温度能够迅速上升,同时湿度也随温度的上升而下降,因此,当冬季需要快速升温时,应全部关闭(收拢)遮阳棚,让更过多光照进入温室大棚。而夏季需要防止因光照太强,导致内部温度升高过快,可提前开启(展开)遮阳棚,同时开启水帘和风机,使内部温度保持在设定的目标值。

根据图7绘制出温室内和温室外的最低温度及温差对比如图8所示。

图8 温室内外监测点最低温度对比图

从图8中可以看出,室内的最低气温比室外一般会高3～5 ℃。说明内部的温度调节系统能够实现对大棚内温度的提升。

4.2.2 降温调节情况测试

由于测试时处于春季(2月21日),环境温度不高,为了模拟夏季高温天气时迅速降低大棚内的温度,选择天气晴朗的正午,当大棚内的温度急剧上升时,完全开启(展开)遮阳棚,开启湿帘,风机设置到最大速度,模拟降低室内温度。具体测试数据如表1和图9所示。在正午12:00,室外气温18 ℃,室内花盆旁温度为23 ℃,离地约3 m的支架旁温度为32 ℃,湿度为44%,此时开启湿帘、风机(设置到最大转速)、遮阳棚。通过查看温湿度曲线,经过1.5 h后,花盆旁温度下降至15 ℃,降低了8 ℃,低于同期的室外温度19 ℃,比外部温度降温约4 ℃,而支架旁的温度急剧下降至19 ℃,湿度增高到90%,光照数值快速下降。由此可见，本方案对调节温室大棚内的温度、湿度及光照等有效。

表1 温湿度测试对比表

5 结语

利用可扩展思想设计温室大棚结构,配合湿帘和风机组成的复合温室大棚具有以下特点:

1)利用遮阳棚对温室大棚的光照进行遮挡,配合湿帘和风机,能够有效降低温室内的温湿度,测试条件下对比室外降低4 ℃,湿度快速提升至90%,而利用热风机在冬天能实现对温室大棚进行增温3～5 ℃;

2)设计的可扩展遮阳棚,结构简单,扩展容易,能有效降低控制难度,有利于温室大棚的推广,具有较强的实用价值。