溫室大棚智能除雪系統(tǒng)的設計與研究_王梓銘.pdf

DOI 10 19392 j cnki 1671 7341 201902007 溫室大棚智能除雪系統(tǒng)的設計與研究 王梓銘 陳秀芬 湖州市愛山小學教育集團 浙江湖州 313000 摘 要 基于對溫室大棚除雪功能運用的深入研究 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際問題 可以為農業(yè)種植戶提供方便 減少因雪災但來的經濟損失 本文詳細介紹了此款溫室大棚智 能除雪系統(tǒng)的設計與制作 關鍵詞 溫室大棚 模型 自動除雪 使用說明 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構大 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 問題 但是由于面積過大 造成骨架支撐結 構不強 在大雪中容易坍塌 給國家和種植戶帶來極大的經濟 損失和不便 為了抗擊雪災 人們想出了各種因對辦法來減輕 雪災所帶來的損失 針對不同建筑種類的大棚 運用了各種除 雪方法來清除積雪 防止因積雪過多而造成大棚的倒塌 如 1 利用空調制熱原理除雪法 連棟溫室大棚因不易上人清 雪 制熱時 制冷劑被壓縮機加壓 成為高溫高壓氣體 進入溫 室內機的換熱器 此時為冷凝器 冷凝液化放熱 成為液體 同 時將室內空氣加熱 從而達到提高室內溫度 并在溫室內頂部 加裝暖風筒 把多個大棚連通 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荷 但不足之處在于建設繁瑣 成本較大 一般農業(yè)種植戶經濟無法承擔 2 手持式吹雪機除 雪法 優(yōu)點是設備攜帶方便 經濟成本輕 適合小面積使用 但 需人工不定時清除積雪 具有時效性 晚上不能及時使用 且只 能在積雪不大 沒有成凍雪的情況下使用 運用情景較為單一 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 點下降 都在零度以下 如氯化鈉溶于水后冰點在 10 氯化 鈣在 20 左右 醋酸鹽類可達 30 左右 鹽的溶解使含鹽雪 水的凝固點降低 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 為達到冰水混合物平 衡共存時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 但是對環(huán)境的危害也是不容忽視的 特別是可能 對土壤有害 對農作物的生長也可能不利 5 溫室大棚內部燒 火加溫法 通過在大棚內部放置加熱的裝置 如電爐 生火 燒 碳等 但極易引發(fā)火災和一氧化碳中毒 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) 很好的解決了此問題 此款除雪裝置添加成本低 操作便捷 能自動清除積雪 因此具有較好應用前景 二 功能簡介 溫室大棚智能除雪系統(tǒng)通過壓力傳感器感知到大棚頂部 積雪達到預設壓力的情況下 將信號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 通過電熱絲發(fā)熱 進行融雪除雪工作 吹風系統(tǒng)作為除雪輔助 對積雪進行機械 吹風除雪 以上 2 個系統(tǒng)均能實現(xiàn)自動與手動開啟從而達到 智能除雪的功能 即解決了溫室大棚除雪不便的實際問題 三 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的主要結構 1 溫室大棚 2 電源開關 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 吹風系統(tǒng) 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的實用模型圖 四 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的物理原理 自動除雪系統(tǒng) 查文獻分析可知 當積雪達到 10cm 時 溫 室大棚就會面臨被壓塌的風險 也就是說 10cm 為一個閾值 裝 置最好能夠在積雪達到 10cm 之前就能開始工作 而壓敏電阻 是一個感應壓力從而轉變自身壓力值的存在 無法直接感應雪 的厚度 現(xiàn)需要將其兩者進行一個轉換 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 融雪時雪 的密度可達 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 雪質量可達 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 而是整一個面 則我們需要重新計算 薄膜壓敏電阻上感受到的壓力 測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 即當壓敏電 阻感受到壓力為 0 49N 時 必須啟動電路開始工作 arduino 為 信號處理裝置 在接收到壓敏電阻信號后 控制輸出模塊即電 熱絲和風扇進行加熱和吹風 以此達到除雪功能 五 溫室大棚智能除雪系統(tǒng) 的制作方法 1 外形材料選用強度大能見度好的 AWWP 材料 用廣告 雕刻機切割再拼合而成 長寬高分別為 50CM 30CM 35CM 屋 頂斜面長度 21 25CM 角度為 45 度 2 自動除雪系統(tǒng) 在溫室大棚的一側安裝 arduino uno 控 制模塊及供電電池 同時將光電耦合繼電器及供電電池 穩(wěn)壓 模塊 吹風系統(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) 的使用說明 1 安裝好后 設備處于自動待機狀態(tài) 2 下雪時 當積雪達到一定厚度 薄膜式壓敏電阻感受大 壓力變化 并將信號傳給 arduino uno 控制 下轉第 20 頁 8 科技創(chuàng)新 科技風 2019 年 1 月 于模糊子集的推理及其運用方法 逐步的將該模糊子集的推理 方法與現(xiàn)有的成熟的單片機數(shù)字邏輯運算等特點結合起來 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 機模糊控制理論及其工作原理 并在此基礎上研制完成了對 80C552 型單片機模糊控制器的開發(fā)及應用 最終是以熱工系 統(tǒng)作為被控對象 并通過大量的實驗數(shù)據(jù)收集整理計算 終究 在研究人員大量數(shù)據(jù)佐證下正確驗證了所研發(fā)的模糊控制器 當初提出的研究目的是有效的 文獻 5 將模糊控制技術同樣也可以應用于供水系統(tǒng) 基 于模糊控制技術技術人員設計出了有關自調整修正因子的 Fuzzy PID 控制器 克服了傳統(tǒng) PID 控制設計中參數(shù)調整困難 的問題 并通過變頻調速實現(xiàn)了供水系統(tǒng)恒壓控制 實驗證 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 結語 本文簡要描述了模糊控制的起源 發(fā)展過程以及其工作過 程和典型的應用領域 由于模糊控制不完全依賴精確的數(shù)學 模型 適用性廣泛 控制原則改變容易等優(yōu)點 使其極容易進行 廣泛應用 我們有理由相信 在自動化相關技術飛速發(fā)展的今 天 模糊控制以其眾多的技術優(yōu)勢 必定能得到更為廣泛的應 用 也會受到更多控制工作者的青睞 參考文獻 1 張麗香 牛昱光 模糊控制淺談 J 自動化博覽 1994 4 25 26 2 高桂革 模糊控制理論及其應用的發(fā)展 J 上海電機 學院學報 2005 8 5 62 64 3 吳再華 尹立賢 模糊控制系統(tǒng)原理及應用淺析 M 蘭 州文理學院學報 自然科學版 2008 22 1 91 94 4 張吉禮 歐進萍 孫德興 基于作用模糊子集推理的單 片機模糊控制實現(xiàn)原理及其應用 J 控制理論與應用 2001 18 4 576 580 5 張吉禮 孫德興 歐進萍 模糊控制技術在變頻調速恒 壓供水系統(tǒng)中的應用研究 J 電氣傳動自動化 2003 25 6 16 17 上接第 8 頁 模塊 3 由 arduino uno 控制模塊發(fā)出控制指令 通過光耦合繼 電器電 接通電源 自動啟動電熱絲加熱 同時運行風扇送風輔 助除雪 4 上述功能也可以根據(jù)實際情況 選擇手動開啟除雪 模式 七 相關拓展 溫室大棚有較高性價比 廣泛應用于農業(yè)種植 今后還可 以繼續(xù)開發(fā)手機 APP 應用軟件 集大棚頂部壓力負荷 室內 外溫度 室內空氣濕度等等實時數(shù)據(jù) 通過手機查看各類數(shù)據(jù) 并控制除雪系統(tǒng)裝置的自動啟停功能 實現(xiàn)了防患于未然 讓 用戶及時對設備和安全隱患進行及時處理 做到早發(fā)現(xiàn)早處 理 同時 本除雪系統(tǒng)安裝維護方便 功能簡單實用 除了運用 在溫室大棚方面 還可以廣泛安裝到農貿市場 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)是一個開元的系統(tǒng) 可以根據(jù)具體環(huán)境 具體條件 做出不斷調整 適應市場的各種需求 通過物聯(lián)網技術 配備 無線傳感節(jié)點 每個無線傳感節(jié)點可監(jiān)測各類環(huán)境參數(shù) 通過 接收無線傳感匯聚節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù) 進行存儲 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 同時根據(jù) 種植植物的需求提供各種聲光報警信息和短信報警信息 實現(xiàn) 溫室集約化 網絡化遠程管理 還能與農業(yè)專家系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù) 進行綜合分析 形成控制要求 使大棚控制系統(tǒng)完成相應控制 從而達到農作物的最優(yōu)生長環(huán)境 以此提高農業(yè)生產中的培 育產量和效率 成為現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展的推動力 今后隨著科技的不斷進步 本系統(tǒng)還可以不斷改進 最終 能實現(xiàn)融入到智慧城市這個大數(shù)據(jù)平臺之中 參考文獻 1 蔡睿妍 Arduino 的原理及應用 J 電子設計工程 2012 20 16 155 157 2 翟國富 崔行磊 楊文英 電磁繼電器產品及研究技術 發(fā)展綜述 J 電器與能效管理技術 2016 02 1 8 3 王迪軒 保護地蔬菜雪害防除技術問答 N 農資導報 2017 12 19 C04 4 譚親璐 雪災面前 蔬菜大棚緣何如此脆弱 N 湖北日 報 2018 01 31 010 作者簡介 王梓銘 2006 男 漢族 浙江湖州人 湖州市 愛山小學教育集團 609 級學生 指導老師 陳秀芬 1989 女 漢族 浙江湖州人 本科 中 小學二級 湖州市愛山小學教育集團 從事小學科學教學工作 任學校教研組長 02 科教論壇 科技風 2019 年 1 月