基于智能化育苗溫室種植裝備研究.pdf

農 業(yè)機械 專題 Special Topics 2024 年第 2 期 農業(yè)機械 FarmMachi nery 2024年 2月 February 2024 總第 914 期 2024 年第 2 期 基于智能化育苗溫室種植裝備研究 張尚先 1 熊立貴 1 丁孝君 2 李壯志 3 何 波 3 1 廣東開放大學 廣東理工職業(yè)學院 2 中山市格林曼光電科技有限公司 3 中山市德力森自動化設備有限公司 摘 要 通過對臭氣環(huán)保型氣液混合進行植保育秧苗裝備的關鍵技術分析 依據育苗的農藝流程 研制具有臭氧氣液混合植 保技術 透光和遮陽雙層裝置 鏈條式循環(huán)育苗機械結構 可循環(huán)運行使秧苗換位采光的設備 應用物聯(lián)網遠程智能化控制 技術 確保溫室的溫度 濕度等秧苗生長環(huán)境 提高育苗生長的營養(yǎng)液和水資源的利用效率 殺菌滅蟲 確保了育秧苗質量 用工業(yè)的思維方式來發(fā)展農業(yè) 實現機械化育秧 育苗技術 不僅減輕勞動強度 而且節(jié)約 70 育苗用地 研究的裝備可在 全國推廣應用 把育秧 育苗搬進工廠 推動了人類農業(yè)文明的進步 關鍵詞 臭氧 植保 育苗設備 鏈條式 遠程控制 中圖分類號 TH16 文獻標識碼 A 文章編號 1000 9868 2024 02 0060 06 作者簡介 張尚先 教授 主要研究領域為機械設計與制造 教育教學管理 E mail 1049661754 通信作者 熊立貴 教授級高級工程師 研究方向為機械制造 智能裝備開發(fā)及裝配等研究 E mail 119970291 DOI 10 16167 ki 1000 9868 2024 02 027 0 引言 在中國農村 大多數農作物都是采用育苗或育秧 再進行移栽的方式 即前期培育好了種苗 再進行栽 植 然而在育苗階段 會有害蟲較多的問題 盡管使 用農藥可以加以抑制 但減少農藥的使用 種植綠色 和有機農作物來供應市場 以此解決食品安全問題 越來越成為滿足人們生存健康的需求 減少害蟲侵 害 讓秧苗培育質量直接影響后期的生長 需要確保 移栽后的秧苗早生快發(fā) 因此提高幼時秧苗質量成為 提高產量的重要條件 另一方面 育秧苗培育基地大 部分采用農田 也有少數用苗床 常用的是采用溫室 大棚設備 這種溫室占地面積大 灌溉濕度 溫度等 環(huán)境管理困難 因此選基地是育苗過程非常重要的環(huán) 節(jié) 在目前的農業(yè)機械化過程中 既能代替高污染 高殘留農藥滅蟲 同時又能育秧的機械裝備還是比較 少 因此研發(fā)具有自主知識產權的智能化臭氧環(huán)保型 氣液混合植保育苗設備勢在必行 1 本文主要通過將智能化臭氧環(huán)保型氣液混合植保 技術 育秧苗裝備的機械結構工程技術 自動化控制 技術與育苗農藝技術等相結合 研發(fā)出適合農作物生 長環(huán)境的光照 濕度和溫度可調節(jié)的技術 并對實現 自動化施肥 噴灌保濕 滅蟲相結合的專用控制技術 進行分析研究并實施 2 3 1 臭氧環(huán)保型氣液混合植保技術研究 利用臭氧其強大的殺菌能力取代傳統(tǒng)的消毒技術 在各個領域得到廣泛應用 臭氧環(huán)保型氣液混合植保 是一款性能穩(wěn)定 技術先進的農作物臭氧滅菌殺蟲技 術裝置 噴灑成分是清水 通過在機電一體化裝置內 產生含有臭氧成分的水對農作物實施噴灑 達到滅菌 殺蟲的目的 從而替代高污染 高殘留的農藥 該方 式不僅可以解決農業(yè)農藥殘留問題 降低抗生素和農 藥的用量 降低農作物的種植成本 降低農藥對操作 人員 土壤和益蟲的損害 還可以提高農作物的產 量 加大綠色安全農產品的供應 滿足人民對健康生 總 第 914 期 基于智能化育苗溫室種植裝備研究 活 綠色蔬果的需求 1 1 臭氧氣液混合滅蟲技術工作原理 在充分調查研究和查閱有關文獻資料的基礎上 制定整機的設計方案 根據工作原理 確定該設備 運行的工作原理以及主要的構成部分 如圖 1 所示 空氣通過制氧器產生臭氧 在氣液混合裝置 臭氧發(fā)生器 的作用下 臭氧存儲罐中的清水和臭 氧將產生氣液臭氧清澈的水混合物 臭氧活化劑提 高了臭氧利用率并增加了羥基 自由基的量提高了 對各種致病微生物的殺菌效果 臭氧水進入噴灑器 內 最后通過管灑以噴灑在秧苗上 1 2 臭氧氣液混合滅蟲技術研究 臭氧水對各種致病微生物具有很強的殺菌作用 并且會分解水中的細菌和微生物 將臭氧水噴灑在 農作物秧苗表面 臭氧會直接殺死葉面疾病 達到 殺蟲和殺菌的作用 因為臭氧是一種具有強氧化劑 能夠破壞病原體的細胞壁 進而破壞細菌內部的核 糖核酸 DNA 切斷繁殖 而且不產生耐藥性 這 個原理可以達到對秧苗廣譜殺菌 覆蓋所有疾病 的 療效 智能臭氧氣液混合滅蟲技術裝置 采用電暈間 隙放電法產生臭氧 產生臭氧的基本裝置由高壓電 極 低壓電極 電介質和放電間隙 4 部分組成 首 先 通過高壓放電沖擊空氣以產生氧分子和氧原子 氧原子與氧分子結合進一步產生臭氧分子 產生的 臭氧分子在氣液混合泵和混溶室的雙重作用下與清水 結合形成含臭氧的清水 然后 通過高壓噴嘴將含有 臭氧的凈水噴灑在秧苗農作物上 達到殺菌滅蟲的目 的 從而代替高污染 高殘留的農藥 提高秧苗的生 長率 臭氧氣液混合滅蟲技術可以降低農藥的使用成 本 也有利于提高農業(yè)效率和增加農民收入 還可以 節(jié)約資源 保護生態(tài)環(huán)境 保障農業(yè)生產安全 2 智能化育秧苗裝備機械結構分析研究 育秧苗裝備機械部分主要是由鋼架結構的雙層 頂的板房和鏈狀式型立體循環(huán)運行結構組成 如圖 2 所示 板房主要是采用透光層和可調節(jié)的遮陽裝置 層構成 需要陽光時 可用透光層進行有效熱交換 防止太陽曝曬時 可調節(jié)為遮陽裝置層 有效避免溫 度過高 鏈狀式立體循環(huán)結構部分主要由鏈條 鏈輪 機構 型鋼 壓輪機構 張緊機構 循環(huán)秧盤 維修 走廊機構 傳動機構 電機 減速器等組成 2 1 育秧苗裝備結構組成 育秧苗種植溫室采用型鋼結構及透光塑料板組 成 前后開設了通道出入門 圍墻四周有通風窗 房 頂裝有對流通風窗 鏈狀式立體循環(huán)運行結構是育 圖 1 臭氧氣液混合技術原理流程圖 圖 2 育秧苗裝備一體化結構示意圖 1 外遮陽裝置 2 維修通道 3 鋼結構陽光板房 4 入門通道 5 壓鏈輪 6 張緊鏈輪 7 秧盤 8 調節(jié)手輪 9 鏈輪 10 托盤 11 傳動機構 61 農 業(yè)機械 專題 Special Topics 2024 年第 2 期 苗的主要機械設備 由主要驅動裝置 電機 減速器 動力組件 傳動裝置 鏈輪 鏈條等組件 調節(jié)裝 置 主要是用于調節(jié)鏈條松與緊的張力 噴霧裝置 實施殺蟲 加濕 施肥 彌霧降溫功能組件 吊籃 秧盤裝置 用于裝培育土壤 育苗 加熱溫控裝置 環(huán)境溫度控制 檢修平臺 智能電控系統(tǒng) 自動檢 測到濕度 報警等 等組成 2 2 育秧苗鏈狀式立體循環(huán)運行結構設計 育秧苗鏈狀式立體循環(huán)運動結構是該裝備的機 械核心主體 承載著育苗秧盤循環(huán)運行 是育苗基 地 主體結構及動力組件是鏈條 鏈輪及電機 減速 器之間的傳動帶動整體設備運行 循環(huán)機構電機減 速器作為動力驅動主動鏈輪組及若干上 下鏈輪組 和懸掛鏈條 秧盤 托盤和吊籃成樓梯踏步狀上下排 列 在控制裝置控制鏈條循環(huán)運動 鏈條式使育苗 托盤形成梯形立體多層運行 鏈條組呈波浪形改變 秧盤位置 使秧盤的秧苗不會相互遮擋光線 鏈輪傳 動機構設計圖如圖 3 所示 2 3 育秧苗鏈狀式立體循環(huán)運行設計計算 育秧苗鏈狀式立體循環(huán)運行動力部分 采用 960 r min 的轉速電機配增力減速器相結合使用 帶動主 動鏈輪 經過鏈輪大小比進行二級減速傳動 帶動整 個軸轉動直至育秧吊籃盤運行 鏈輪速度 60 i 1 i 2 nd 1 式中 鏈條運行速度 m s i 1 減速機速比 i 2 鏈輪減速比 n 動力電機轉速 r min d 電機驅動的鏈輪直徑 m 把上文表 1 的數據輸入上述公式 可以算出鏈條 的運行速度 并可以根據公式來進行調速 智能化育苗設備在正常運行時是相對保持平衡 由于鏈條運行距離比較長 在設計電機配減速機增力 時考慮所克服鏈帶動秧盤循環(huán)運行的重量及摩擦所 需要做的功 主動輪傳到二級鏈輪時 消耗的能量主 要在每一列上升運行時各部件自身重量的提升 水平 方向端運行 以及克服裝備全部運行部件重量的慣性 啟動和克服各鏈輪拐點的支撐摩擦扭矩 P kM C ni 1 i 2 9549 1 2 2 式中 P 功率 k 功率系數 取值 1 3 i 1 減速機速比 i 2 鏈輪減速比 n 動力電機轉速 r min Mc 鏈輪的轉動扭矩 N m 1 齒輪傳遞效率 取值 0 97 2 鏈輪傳遞效率 取值 0 95 學術研究 Academic Research 名稱 參數 秧盤規(guī)格尺寸 mm 600 300 單體裝盤數量 件 5 250 單體育苗構件噴頭數量 個 10 噴頭間距 mm 300 鏈條運行速度 m s 0 1 防滴霧化噴頭壓力 MPa 0 2 鏈輪動力電機 3kW 960r min 水泵配套電機 1 1kW 1 390r min 表 1 育秧苗裝備具體結構參數 1 鎖緊螺母 2 鏈輪 3 內軸承 4 支撐軸 5 育秧吊籃 6 機架構 圖 3 鏈輪傳動機構的結構圖 62 總 第 914 期 2 4 臭氧氣液混合噴灑滅蟲裝置研究 空氣通過空氣泵干燥器過濾 去除灰塵且為外部 空氣除濕 然后將其輸送到排放室 經用電線連接到 逆變器 并且逆變器連接到放電室 兩個電極的高壓 放電使空氣分解產生臭氧 氣泵將產生的臭氧氣體輸 送到氣液混溶室 以產生氣液臭氧澄清水混合物 氣 液混合泵連接到混溶室 氣液混合泵使新產生的氣液 臭氧水混合物充分攪拌 使混合液的濃度均勻并加快 溶解 最后 當葉輪旋轉時 泵體中的臭氧水在葉輪 的離心力的作用下被甩出 并且在泵體擴散室中被拋 出的混合液的速度逐漸降低 排出混合液后 葉輪內 部形成真空 在低壓區(qū)域 混合液體在外部大氣壓的 作用下通過吸入管進入泵體 因為泵體的擴散室是固 定的 所以隨著被丟棄的液體的增加 壓力會逐漸增 加 最后噴在秧苗上 如圖 4 所示 在氣液混合植保裝置的結構圖中 可集中鋪設管道 臭氧清水混合液噴灑時 氣液混合 液臭氧濃度 清水流量可調可控 自動定時定量噴 灑 使用電源為 220V 50Hz 交流電源及水源 噴灑 過程中對農作物不燒苗 無殘留 與育苗設備對接混 合使用 通過智能一體化物控技術 臭氧清水混合液 直接噴灑澆灌 殺滅土壤及農作物葉病菌 幼蟲和蟲 卵 時效接近普通農藥噴霧器 在噴灑后對環(huán)境和土 壤沒有二次污染 2 5 彌霧噴灑降溫技術研究 南方的夏天氣溫較高 且高溫的時間較長 裝備 種植溫室都是采用塑料板建成 即使遮布面積達到 90 但是靠排風扇通風或者自然通風降溫 也解決 不了育苗室面積過大產生的問題 因為室內空氣對流 不能相互通透 排風扇或者自然通風效果都不理想 室內空氣流動不暢 溫度自然不容易下降 如果安裝 中央空調器進行制冷 降溫 那空間太大 用電的消 耗費用比購買所有種子的費用還高 成本太高 此方 案更行不通 如果室內空氣氣溫過高 育秧苗就不能 在這樣的環(huán)境生長 現設計的方案采用 1m 長 2m 寬的間距均勻排 列的高壓聚氨酯管固定在雙層頂結構下方 在管上開 0 2mm 噴頭微細孔 布滿室內 最后接頭用 3mm 專用高壓聚氨酯管相連 采用功率為 1 1kW 的三缸 柱型塞泵作為高壓噴霧的動力部分 經過測試驗證表 明 功率為 1 1kW 的高壓泵可替代 55 75kW 壓縮機制 冷 按育苗總空間 1 400m 3 的容積從 50 降至 30 的 制冷量所消耗電進行計算 降溫效果 10min 左右可從 50 降至 30 應用彌霧噴灑降溫技術降溫效果快 消耗能源極低 保濕 降溫都滿足了 4 3 育秧苗裝備系統(tǒng)控制研究 3 1 育秧苗裝備工作原理 育秧苗裝備在動力驅動位置設計了秧苗托盤改向 裝置 卸苗的操作臺面 在變頻和步進雙功能動力驅 使下 能有序地把已播好種子的托盤放入到秧盤吊籃 中 裝好秧盤的吊托籃依次隨鏈輪傳動鏈條向上運 行 上升到最頂端時 通過上部鏈輪換向為向下運 行 間距為 300mm 距離排列的鏈輪 鏈條和苗托盤 呈 波浪線 形狀向前運行 依次運行到育苗裝備尾 端時 設備下端裝有換向鏈輪 使整體運行結構轉為 水平橫向返程 鏈條在壓輪導向下作水平直線回程運 動 確保育苗托盤順利平穩(wěn)的回到起始端 在電機和 減速器的驅動作用下 育苗托盤在設備中成 波浪 線 形狀進行立體循環(huán)運行 驅動力轉速設置可調 載育不同品種的秧苗 運 行時間周期不同 依據農作物農藝技術 確定光照時 間 植保問題 裝備中的秧苗盤采光位置可變換 此 結構可以使秧苗得到充分的光照 氧分 確保秧苗茁 壯成長 培育出更好的秧苗 3 2 育秧苗裝備智能化控制原理 育苗裝備自動化控制原理是將不同種類農作物中 可移栽的水果 蔬菜 菌類等的生長環(huán)境數據 例如 種植溫室的光照數據 溫度數據 濕度數據 滅蟲水 量配比參數 肥料配比參數和智能化裝備育苗機構的 1 臭氧單元 2 制氧單元 3 氣泵 圖 4 氣液混合植保裝置 基于智能化育苗溫室種植裝備研究 63 農 業(yè)機械 專題 Special Topics 2024 年第 2 期 鏈型苗吊籃運行時速數據 用電腦進行編程并導入 移動硬盤存儲的芯片里 需要用時便可以將存儲在 硬盤里的數據連接到 ARM 系統(tǒng)進行并導入嵌入式 MCU 的單片機上 利用遠程網絡技術 實現智能控 制農作物的成長環(huán)境 種植溫室育秧苗裝備為實現智能化控制 在溫 室里安裝了各種參數控制的傳感器 待播種后的種 子發(fā)芽生長過程中 布置溫室內的傳感器 如空氣溫 度 空氣風速 空氣濕度 室內二氧化碳 室內光 照 滅蟲水量等傳感器實現室內檢測 以及布置在 溫室外的傳感器 如空氣溫度 空氣風速 空氣濕 度 室外光照 雨雪等傳感器所感應 檢測到所有的 各項數據與用移動備份存儲 與芯片所存儲的室內 參數數據比對實時的育苗生態(tài)環(huán)境進行控制 同理 用移動存儲的滅蟲水量比參數 肥料配比參數 水份 數據來進行滅蟲噴灑和配置化肥 水份供給 從而確 保了育苗生長的營養(yǎng)液和水資源的利用效率 以及 秧苗的質量 生長速度等 3 3 數據采集遠程傳輸 監(jiān)測 本裝備應用了物聯(lián)技術 用電腦或手機對智能 化種植溫室育秧苗裝備的運行情況 育苗生長的各類 數據實時監(jiān)測 完成數據遠程采集和遠程傳輸 監(jiān)控 工作 育苗裝備應用了程序式芯片插卡自動運行專用 軟件并結合 I O 數據采集模塊 使用嵌入式模塊遠程 監(jiān)測 在辦公室就能了解到種植溫室育苗設備運行 溫度 濕度等各類數據 針對智能化種植溫室育秧苗裝備的故障診斷與 數據采集 開發(fā)應用熱電阻 熱電偶 輸入模塊 將 這些參數進行量程轉換處理 并存儲于嵌入式設備 中 通過工業(yè)以太網 進行遠程數據傳輸與數據存 儲 根據提供網頁服務器的應用軟件的客戶 便可以 通過瀏覽器訪問現場育秧苗的運行狀況 能夠及時準 確直觀地了解到現場育苗成長情況 4 智能化種植溫室育秧苗裝備檢測 由于裝備采用鏈形結構 工作人員進入智能化種 植溫室育秧苗裝備進行作業(yè)操作時 需要滿足國家安 全標準測試要求 依據國家標準 GB23821 2009 機 械安全 防止上下肢觸及危區(qū)的安全距離 進行安全實 驗驗證 采用的工具有電子吊秤 磁層測試厚儀 鋼 卷尺等工具 隨后進入裝備現場進行測試 見表 2 安全防護測試結果符合國家標準要求 在運行鏈 輪結構間距 300mm 設計了 1 300mm 高護欄 外露旋 轉 傳動部件設置安全防護罩 僅留有進行裝卸苗盤 的位置作業(yè) 其它周圍鏈條立體 波浪形 運行的結 構都設計安裝了護欄 確保育秧苗運行安全 平穩(wěn) 對農林 園藝動力機械安全標志測試項目進行了 實驗安全檢驗 依據國家標準 GB10396 2006 農林拖 拉機和機械 草坪和園藝動力機械 安全標志和危險圖 形 總則測試標準要求 對智能化育秧苗裝備的防護 安全標志現場進行測試 檢測結果顯示 危險部位都 設置了符合 GB10396 的安全警示標志 所有焊接牢固 焊縫光滑 沒有焊渣倒刺 電機絕緣電阻大于 20Mnull 表 2 距離危險區(qū)的安全距離 單位 mm 防護結構高度 b 1000 1200 1400 1600 1800 2500 0 0 0 0 0 2400 100 100 100 100 100 2200 600 600 500 500 400 2000 1100 900 900 900 500 1800 1100 1000 900 900 600 1600 1300 1000 900 800 500 危險區(qū)高度 a 圖 5 育苗裝備自動化控制原理圖 學術研究 Academic Research 下轉第 68 頁 64 農 業(yè)機械 專題 Special Topics 2024 年第 2 期 智能化種植溫室裝備可以避開季節(jié)要求進行種 子播種 移栽育苗的品種繁多 都可以在本研究的 裝備育苗 如辣椒苗 上海青苗 生菜苗 波菜苗 秧苗 包菜苗 香菜苗等 5 6 部分實地生長的拍照圖 片如圖 6 所示 5 小結 研發(fā)具有知識自主權的智能化臭氧環(huán)保型氣液 混合植保育苗裝備 用 中國制造 2025 的規(guī)劃 智 能化制造高速發(fā)展機會帶動農業(yè)自動化發(fā)展 改變 傳統(tǒng)農業(yè)滅蟲 育苗種植模式 研發(fā)出可以錯開季 度進行播種的多品種農作物 研發(fā)具有臭氧氣液混 合植保技術 鏈條 波浪式 循環(huán)機械結構育苗設 備 通過實地育苗驗證 可以實現溫度 濕度 陽 光 滅蟲 肥料配比等技術采集及控制 隨時隨地 都能通過物聯(lián)網智能化控制育秧苗設備 無需人看 守 降低勞動強度 實現工業(yè)化 智能化管理 不僅 能提高育苗工作效率 還可節(jié)約 70 耕地面積 總 之 智能育苗裝備值得全面推廣應用 參考文獻 1 于亞波 我國蔬菜育苗裝備研究應用現狀及發(fā)展對策 J 農機化研究 2017 6 1 4 2 楊友文 MC 自動化育秧苗床 J 湖南農業(yè) 2015 1 17 18 3 王君 于海業(yè) 張蕾 溫度環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展 J 中國 農學通報 2010 26 12 371 375 2018 3 64 67 4 馬寧 田婧 魯少尉 等 弱光條件下 LED 補光燈對苗期蔬 菜生長的影響研究進展 J 安徽農業(yè)科學 2018 46 32 1 6 5 孟祥寶 區(qū)塊鏈技術在現代農業(yè)中的應用 J 現代農業(yè)裝 備 2018 6 21 22 6 李強 水稻閉鎖式立體育苗系統(tǒng)的設計與試驗研究 J 農 機化研究 2020 10 72 75 7 熊立貴 涂志剛 陳海生 等 W 型全自動多功能育苗 設備開發(fā)及應用 J 日用電器 2016 02 23 25 圖 6 育苗實物圖 上接第 64 頁 程度得分較低 2 3 企業(yè)售后服務意識有待提高 部分企業(yè)售后服務能力不夠 配件供應不足 導致用戶購買困難 缺乏對用戶有效的操作使用培 訓和對產品必要的維修保養(yǎng) 3 對策及建議 3 1 加強監(jiān)管力度 加大對農機企業(yè)的監(jiān)管力度 嚴把產品質量 關 推動補貼機具質量不斷提高 充分發(fā)揮補貼優(yōu) 質農機產品的導向作用 將質量調查工作與監(jiān)督投 訴工作緊密結合起來 對用戶反映的質量問題積極 向生產和銷售企業(yè)反饋 加強對企業(yè)整改的監(jiān)督力 度 3 2 加強用戶培訓 農機企業(yè)應加強對用戶培訓力度 提升用戶的 操作水平和維護保養(yǎng)水平 用戶在購買前應深入了 解產品性能 使用要求和作業(yè)指標 積極參加崗前 培訓 按照說明書要求定期維護保養(yǎng) 嚴格遵守安 全操作說明進行作業(yè) 3 3 完善售后服務體系 農機企業(yè)應樹立服務意識 完善售后服務體系 擴大零配件售后服務網點覆蓋范圍 提升服務人員的綜合技能 學術研究 Academic Research 68