陈庆文，纪彬，周丽丽

（黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨150090）

棚栽黑木耳智能控制系统的研究

陈庆文，纪彬，周丽丽

（黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨150090）

利用传感技术、单片机和PLC技术，以通风、遮阳、喷淋等方式，设计适用于棚栽黑木耳的智能控制系统，本系统可对大棚内外环境、参数进行监测，采用遮阳、侧卷帘、外喷淋、水帘、通风等多种方式确保棚内环境适于黑木耳生长。

传感器；棚栽木耳；温湿度控制

在黑龙江地区棚栽黑木耳时，为了保持棚内温度，在夜间要用外遮阳材料覆盖棚体采光面，待日出后揭开，如图1所示。这种传统的管理方式依靠人工操作，不但费工、费时、劳动强度大，而且卷、放帘的时间完全凭经验，难以做到科学管理。近几年，日光温棚外敷材料的卷放逐步由卷帘机完成，虽节省了时间，却要专人对温棚逐个进行操作，卷放时间有很大的随意性，难以根据作物的品种、日出时间的早晚和温棚内的温度进行动态管理。尤其是当前种植模式逐渐向规模化方向发展，传统日光温棚的管理模式与当前农业发展形势不协调，日光温棚生产环境条件不稳定、自动化程度低、劳动强度大与日光温棚增产增收的矛盾日益突出。

1 黑龙江省棚栽黑木耳存在的问题

第一，温度受外界影响大。每天的高温阶段，都会影响木耳的生长速度，并有可能滋生其他菌类，造成减产。第二，二氧化碳的浓度低。一般为了降低温度，要在大棚塑料薄膜的外边再覆盖上一层或几层遮阳网。虽然这样在一定范围内降低了温度，但是却阻碍了棚内的通风，减少了二氧化碳的补充。第三，湿度保持困难。木耳生长过程中对湿度的要求很高，不仅要将菌袋浸透，还要求菌袋周围的空间湿度在特定时间内保持在一定水平。第四，棚内环境的调控难以掌握。棚内温度、湿度和二氧化碳浓度三者之间的平衡，以人工方式很难控制，基本靠经验来运作。第五，靠天养殖。一旦遇到高温天气，只能将大棚塑料膜揭开，晒棚而且不喷淋，保持棚内干燥，这对于木耳的质量、产量有很大影响。

图1 无智能控制棚栽木耳形式Fig.1 fungus in the shed without intelligent control

2 大棚智能控制系统的设计目的

大棚智能控制系统应用在田间地头，这种环境湿度大，时常断电。而且系统的使用者为农民，要求操作简单、方便，成本要低，易于维修和更换。系统控制的内容主要是对大棚内温度、湿度、通风、喷淋、光照和气体成分做采集和控制。因此要做到以下几方面：第一，利用相应的降温手段，使棚内的温度保持在25℃以下，以保证木耳处于生长期。第二，黑木耳生长过程中，主要依靠温度、湿度和二氧化碳浓度，在保证温度的情况下，考虑二氧化碳浓度，在前两者都在允许的范围内再考虑湿度，界限如下：温度＜25℃时，二氧化碳浓度≥2 000ppm，湿度可以达到90%以上；温度＞25℃时，湿度＜40%RH［1］。第三，当环境参数满足时，考虑调控更精准的、适于木耳生长的环境参数控制方式。

3 大棚智能控制系统设计及各部分说明

根据采集参数和控制的执行设备，设计棚体结构如下图2所示。

图2 大棚智能控制棚体结构Fig.2 Structure of intelligent control shed

3.1 降温水帘风机

降温水帘是一种特种纸制蜂窝结构材料，其工作原理是“水蒸发吸收热量”。即水在重力的作用下从上往下流，在湿帘波纹状的纤维表面形成水膜，当快速流动的空气穿过湿帘时，水膜中的水会吸收空气中的热量，然后蒸发带走大量的潜热，使经过湿帘的空气温度降低，从而达到降温的目的［2］。

当风机与降温水帘的距离在30m左右时，保持棚内良好的密封，如图2所示，当使用水帘风机降温时，关闭顶部通风口、放下侧卷帘，这样通过降温水帘可以使棚内的温度降低5℃～8℃。配有水箱（水池+水泵）进行水循环，并考虑到大棚顶部要有可靠的支撑以保证水帘和风机的固定。

大棚尺寸为长30m、宽10m、顶高3.7m，经过通风量计算，采用两台1.1kW的重锤式风机，380VAC供电，交流接触器方式控制启停，安装时在棚顶要有可靠的支撑。

3.2 遮阳帘布

通过在大棚的上方铺设帘布，防止阳光直射，从而降低棚内温度。但需要在大棚外部搭建框架，设计安装时考虑到防风并按照大棚的朝向来设计遮阳幕布的框架结构，最终实现以较少的结构覆盖整个大棚。

3.3 棚顶的天窗

在棚顶开设天窗，要考虑密闭性，防止雨水进入棚内，以免其他菌类滋生，影响木耳生长质量。

3.4 喷淋

喷淋分为两部分：第一，棚外喷淋，降低大棚周围环境温度。第二，棚内喷淋，为菌袋补水，增加环境湿度，降温。在棚内外铺架水管和喷头，采用电磁阀和管道水泵控制方式。

3.5 棚侧通风

采用在大棚侧面安装电控风门方式达到通风的效果，降低棚内温度和二氧化碳浓度，在结束期可以加快自然干燥速度。

3.6 控制部分

图3 控制部分组成图Fig.3 chart of control flow

通过棚内的各种传感器将采集到的信号处理后传给控制单元PLC，PLC按照编写的程序控制执行设备的启停，以完成对监测参数的控制要求。控制部分组成图如图3所示。

4 实施过程中的问题及解决方法

4.1 棚内湿度高

该系统传感器和通信线缆的防水、防潮是一定要解决的问题。本次设计之初已经考虑到防潮的问题，为传感器变送板加装防水外壳，壳体内放置干燥剂，并使用防水航空插头，但现场试验时发现，由于壳体封闭性能很好，壳体内部空间与壳外不通风，无法散热，电路板上的二极管指示灯及七段码LED显示长时间发光，使运行造成壳体内部温度升高，传感器探头部分采集实际温度值偏高。根据实际情况大棚中观察参数值可以由人机界面触摸屏完成，变送器部分只是方便参考，解决方案有两种。一是将LED显示去掉，只保留一个发光二极管作为电路板正常工作的指示灯，并改成贴片方式减少功率。二是增加显示按钮，在变送板原有基础上增加一个外置按钮，平时不显示，按钮按下，周期性显示采集的参数，显示三遍后停止显示。

4.2 棚内空间参数差异

设计时考虑棚内空间为300m2，由于区域比较大容易出现参数死角，各种传感器多点分布采集，并作了垂直方向的落差布置，即每个传感器的高度都不同。实际测试中发现水帘与风机之间的距离为30m，温度相差3℃左右，温度相差较大，不利于控制木耳产品的统一性。解决方法是在水帘与风机之间加装环流风机，并增大重锤风机的外结构尺寸，加大风量，同时将风机折页的最终开启方向与地面成30°，防止增加大棚进风口的风温。

4.3 降温水帘水流控制

降温水帘水流过大，水从水帘外部流走，没有形成水幕，降温效果不理想，水流较小时，水帘上部分有水幕，下部分已经干了，造成棚内高低区域温度差。解决方案是调节阀门，控制水流的大小，对水帘的结构进行调整，将水帘供水部分加厚，包住蜂窝纸的部分加大，并将进水管的出水口由原来直接对着蜂窝纸，改为冲着外包壁，使得水流由外包铁皮流到蜂窝纸上减少冲击，降低水流强度。降低水泵的功率，由于水帘的高度在2.7m左右，水池底部与水帘最高处也不到4m，因此将抽水泵改成自吸泵，降低水压。

4.4 为水帘加装防护网

野外昆虫较多，由于蜂窝纸排列形状和水流的关系，昆虫进入后很难出来，昆虫尸体堵塞蜂窝孔，是造成水幕面积、风量减小的原因，即使使用高压冲洗也很难清理干净。在加装防护网时也要注意到，防护网与水帘之间至少间隔1m，防护网与水帘距离太近会造成风阻，减少进风量。

5 结论

通过加装传感器，对生产黑木耳的出耳棚做智能化改造，使棚内环境更适合黑木耳生长，同时也提高了系统对异常环境的抵抗能力，提高黑木耳栽培生产效率、降低人工劳动强度。课题组在海林菌类实验基地进行了初步的测试实验，证实可以通过水帘风机、喷淋方式将棚内的温度控制在25℃，下一步我们将针对某一菌种，例如黑威15、黑29等品种的生长过程进行环境参数的模拟和控制。

［1］訾惠君.黑木耳、网脉木耳、毛木耳标准化栽培技术［M］.天津：天津科技翻译出版公司，2009.

［2］张飞云.蔬菜大棚卷帘门和换气扇步进电机智能控制器的设计［J］.湖北农业科学，2013，（15）：46.

Study on the intelligent control system of the black fungus in the shed

CHEN Qing-wen,JI Bin，ZHOU LI-li
(Institute of Automation of Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090 China)

Using the sensor technology,SCM and PLC technology,ventilation,shading,spray cleaning method,the design is suitable in greenhouse cultivation of Auricularia auricula intelligent control system,the system can be in inside and outside greenhouse environmental parameters monitoring and experimental sunshade,side roller,spray,water curtain,ventilation in a variety of ways to ensure that shed environment suitable for black fungus growth process requirements.

Sensor;Shed fungus;Temperature and humidity control

TP273

A

1674-8646（2015）09-0014-03

2015-07-28

陈庆文(1979-)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士，助理研究员，主要从事自动控制研究。