秦彧

【摘 要】本作品的的设计应用了机电一体化、水肥一体化等技术及模块化设计思想，能较好地解决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。与现有的浇灌装置相比，存在以下创新点：（1）单喷头全方位移动式喷灌，可选择连续或间歇喷灌，减少出水重叠区及非作物区喷灌，实现准确喷灌；（2）智能喷灌，利用传感器及单片机完成智能按需喷灌，实现自动化的同时提高水利用率；（3）集成创新，结合机电一体化及水肥一体化技术，达到节水节肥节省人力的效果。

【关键词】智能 喷灌 传感器 大棚

1设计背景

我国是一个严重缺水的国家，人均水资源量仅为世界平均水平的28%。因此节水灌溉技术的推广及发展对于我国经济、社会及生态的可持续发展具有重要意义[1]。据调研结果及资料显示，目前农业上主流的大棚喷灌设备主要有固定式喷灌系统、移动式喷灌系统和微喷系统。固定式喷灌系统出水量大，重叠区域大，水资源利用率低；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，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，与传统农业大棚浇灌设备对比，该系统节能减排的优势主要体现在以下三个方面：（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。

2方案设计

该作品主要研究内容是设计一种新型的移动式大棚智能喷灌系统，可以解决现有喷灌设备喷洒时重叠区大、喷洒不均匀[2]、喷灌不准确且安装拆卸困难等问题，还可依据实际情况选择喷灌的模式，适应不同种植密度的作物，能够很好地弥补传统喷灌方式的不足，达到节水节肥节省人力的目的。

该装置导轨高度为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，提高水资源的利用。

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。喷灌模块调节出水的高度及锥度以适应不同垄宽的作业区；传动模块使喷灌模块纵向及横向移动，实现单道、多道喷洒；其整体机械结构如图1所示。

1-底座支撑；2-行程开关；3-同步带轮；4-步进电机1；5-车轮；6-锥齿轮；7-步进电机2；8-车体；9-水管；10-快速拼接导轨；11-同步带；12-步进电机3；13-文丘里施肥器；14-电磁阀；15-喷头；16-可伸缩喷头连接杆

图1 整体结构图

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。

3.1喷灌模块

3.1.1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，达到准确喷灌的目的，节约水资源。

3.1.2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，我们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：

（1）通过旋转喷头的角度，其出水锥度可调范围为0°到90°；

（2）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，满足现有实际大棚中作物区的宽度。

3.2传动模块

传动模块包括纵向传动及横向传动两部分。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，避免多次作业，减少水资源的浪费。其工作原理如下：水流通过管道时，流经狭窄部分时形成负压，将肥料溶液从一敞口肥料罐通过小管径细管吸取上来。使用时无需外部能源，操作简单且养分浓度均匀，易于实现水肥精量化，减少喷药量和喷洒次数，还能达到节省人力的效果。

4控制模块设计

4.1整体方案设计

采用STC89C52单片机为控制核心，该部分主要包括显示屏、单片机、温湿度传感器、键盘、步进电机驱动器、电磁阀以及行程开关等。为满足现有大棚植被种植疏密程度，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，采用温湿度传感器模块对大棚的土壤湿度进行实时检测，把监测到的湿度值与设定湿度（土壤所适合的水分下限值）[3]进行比较，当低于设定的湿度值时，则启动系统进行喷灌。本系统可实现按需喷灌，无需人工操作，节省人力，同时相对于传统的定时喷灌模式，有效地减少了水资源的浪费。

4.2监测模块

监测模块由温湿度传感器和信号处理电路构成，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步进电机驱动模块

本作品采用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，减少了出水重叠区域的喷灌及非作物区的喷灌，提高了水资源的利用率。

5大棚效益分析

我国现有的90万hm2大棚， 主要种植各种时令蔬菜、花卉和经济作物，灌水定额为9 000～12 000 m3/hm2[4]，按9000 m3/hm2计算每次大棚浇灌用水总量：

以武汉市蔬菜科学研究所良种试验场进行实验的节水情况推算全国大棚的节水效益，依据节水率29.6%、18%计算得出，若将该智能喷灌系统推广全国，按武汉现有浇灌方式为传统喷灌方式约占22.7%和微喷占67.3%计算（数据来自武汉市农科院），每年大棚浇灌可节省水量：

据调查，该节水量约为1500万户普通家庭一年的生活用水量，节水效益可观。

6结语

资源、环境及可持续发展史人们未来余姚共同面临的议题。节约资源、保护环境、实现可持续发展需要大家共同的努力。移动式大棚智能喷灌系统就是基于节约用水、实现可持续发展考虑的。该作品主要运用机电一体化、水肥一体化等技术，达到了良好节能减排的效果，能为农业浇灌节约大量水资源。除此之外，该作品应用了模块化设计，能适应不同作业环境，操作、拆卸方便，适应性广。

参考文献：

[1]那汉坤.对农业节水灌溉技术中喷灌系统优缺点的分析[J].农业与技术，2013，（11）：55-56.

[2]杨振坤.喷灌的特点分析[J].黑龙江水专学报，2005，6，（32）：74-76.

[3]李百凤，冯浩，吴普特.作物非充分灌溉适宜土壤水分下限指标研究进展[J].干旱地区农业研究，2007.5，25（3）：227-228.

[4]杨培岭，任树梅.发展我国设施农业节水灌溉技术的对策研究[J].节水灌溉，2001，（2）：7-9.