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时间:2019-01-09
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1、移动式大棚智能喷灌系统 【摘要】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。 【关键词】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
2、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。5 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
3、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
4、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
5、。 3.1喷灌模块5 (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
6、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
7、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5 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
8、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
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