日光温室通风系统的设计与实现

刘林等

摘要：针对传统温室通风方式费事费力且存在安全隐患或卷轴因受力不均易折断的问题，设计了一种日光温室通风系统。该系统主要由电机、支架、滚轴、卷绳、卷轴和控制器等组成，通过采用多路“平拉”的通风结构，采用手动、遥控、短信和自动方式控制通风口薄膜的开启范围，实现快速降温和降湿。该系统安全可靠，提高了劳动生产率，具有很高的市场推广价值。

关键词：日光温室；通风；遥控；短信；自动控制

中图分类号：S625.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2015）05-0115-04

Design and Implementation of Intelligent Greenhouse Ventilation System

Liu Lin1， Hou Jialin1，2*，Jiang Bin3

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China；

2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments， Taian 271018， China；

3.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China）

AbstractTroublesome， not security and easy break of rolling shaft due to uneven stress were the main problems present in the ventilation system of traditional greenhouse. For these problems， an intelligent greenhouse ventilation system was designed in this paper. It was composed of motor， bracket， roller， coiled rope reel and controller， etc. Through the manual method， remote control， text messages and automatic ways to control the size of air vent， and by the multiplex rope-pulling structure， rapid cooling and dehumidifying could be achieved in greenhouse. In conclusion， this system was safe and reliable to improve labor productivity， so it had higher value of market popularization.

Key wordsGreenhouse； Ventilation； Remote control； Text message； Automatic control

日光温室在农业发展中意义重大，它使反季节蔬菜成为可能，不仅能大幅提高农作物的成活率，还缩短了农作物的生长周期。通风换气是温室生产管理中的一项重要任务，是将温室内污浊的空气直接排至室外，或经过净化处理，使室内空气环境符合卫生标准。普通的日光温室，通常会在温室上侧和下侧预留两个通风口。

常见开启通风的方式为人工手摇和电机卷膜。使用手摇方式，用户必须爬到温室顶端，既费事费力，又存在安全隐患；使用电机卷膜方式，虽节省了人力，但因电机安装在温室一侧，运行时易使卷轴受力不均而折断。针对上述问题，本试验设计了一种智能型日光温室通风系统，其中多线路“平拉”的通风结构解决了卷轴因受力不均易折断的问题。系统根据预先设定的温湿度阈值启动电机，控制通风口的大小，实现快速通风降温、降湿和换气的目的，不仅可节省人力，提高劳动生产率，还有利于加快传统农业向现代农业的转变。

1机械结构设计

如图1所示，该日光温室通风系统主要由电机、支架、滚轴、卷绳、卷轴和控制器组成。电机安装在支架上，支架与温室底部固定在一起，使电机固定在温室内不能移动。电机的另一端与滚轴通过齿轮和链条实现机械转动。滚轴通过轴承连接在温室两端，并通过轴承与支架进行连接，滚轴可以沿轴心转动，但不能上下移动。卷绳一端顺时针绕在滚轴上，另一端逆时针绕在滚轴上，绕过滑轮，与卷轴固定。根据滚轴的长度，卷绳可以绕多路，使滚轴沿着温室墙体受到的拉力均匀。转动滚轴，在卷绳的带动下，卷轴拉动塑料薄膜前后移动，完成通风口的开和关。电机选用能耗低、性能优越、振动小、噪音低和节能高的交流220 V减速电机。系统采用齿轮和链条传动的方式带动滚轴旋转，增大了输出扭矩。支架和滚轴、卷轴分别由角铁和无缝钢管焊接而成，为能满足不同尺寸温室通风的需要和方便安装，支架、滚轴和卷轴长度可以依据实际温室尺寸加工。

2控制器的设计

控制器主要由传感器、stm32单片机、人机交互界面、遥控器、GSM模块和电机驱动等组成（见图2）。其中，传感器可以测量温室内外的温度和湿度；人机交互界面主要由键盘和屏幕组成，用于预先设定上、下限阈值和显示当前的温湿度信息；电机驱动主要由三极管、继电器和交流接触器组成，用于直流弱电驱动交流强电。控制器通过手动、遥控、短信和自动四种方式对温室通风系统进行控制。

2.1开启通风口endprint

电机正转，通过齿轮和链条将动力传递给滚轴，滚轴正转，带动卷绳转动，固定在卷绳上的卷轴在卷绳拉力的作用下将通风口打开。

2.2关闭通风口

电机反转，通过齿轮和链条将动力传递给滚轴，滚轴反转，带动卷绳转动，固定在卷绳上的卷轴在卷绳拉力的作用下将通风口关闭。

3具体操作方式

3.1手动控制

用户可以在现场进行手动控制，如图3所示，SB1、KM1和JQ1为控制电机正转的按钮、交流接触器和继电器，SB2、KM2和JQ2为控制电机反转的按钮、交流接触器和继电器，SB3和JQ3为控制电机停止的按钮和继电器。SQ1和SQ2为安装在通风口处的形成开关，当通风口完全打开或者完全关闭时，卷轴会碰到形成开关，进行限位保护，防止电机继续工作，拉断卷绳。

当按下按钮（正转），继电器常开触点闭合，交流接触器线圈上电，其常开主触点闭合，电机接通电源正转，带动卷轴旋转，通风口逐渐变大，其常开触点闭合形成自锁保护，其常闭触点断开形成互锁保护；当卷轴碰到形成开关时，交流接触器失电，电机切断电源停止旋转，通风口完全打开。

当按下按钮（反转），继电器常开触点闭合，交流接触器线圈上电，其常开主触电闭合，电机接通电源反转，带动卷轴旋转，通风口逐渐变小，其常开触点闭合形成自锁保护，其常闭触点断开形成互锁保护，当卷轴碰到形成开关时，交流接触器失电，电机切断电源停止旋转，通风口完全关闭。

在电机工作过程中，按下按钮（停止），交流接触器失电，电机停止工作，通风口的大小保持不变。

3.2遥控控制

用户除在现场进行手动控制外，还可以进行遥控操作。遥控器通过驱动继电器和交流接触器完成电机的启动和停止。图4为遥控器驱动继电器的电路，当按下按键，遥控器输出高电平，经过光耦后，三极管8050导通，继电器线圈回路接通电源，继电器动作。当松开按键，遥控器输出低电平，经过光耦隔离后，三极管8050截止，继电器线圈回路切断电源，继电器停止工作。遥控器驱动三个继电器，进而通过交流接触器完成电机的正转、反转和停止控制。

3.3短信控制

单片机选用STM32F103增强型单片机，本单片机基于ARM Cortex-M3内核，具有性能高、成本低、功耗低的特点。GSM选用TC35i模块，本模块通过AT命令传输数据和指令，具有代码简单、便于操作和支持中英文格式短信的特点。

为了便于操作，将手机短信指令格式指定为：#指令*。例如：开启通风口，需要通过手机向控制器发送“#open*”指令（表1）。

3.4自动控制

自动控制分为两种模式，一种模式是通过温度开启和关闭通风口，开启范围由湿度确定；另一种模式是通过湿度开启和关闭通风口，开启范围由温度确定。图5为温室的俯视图，其中S1、S2和S3分别为通风口部分打开、完全打开和完全关闭时通风口处薄膜的开启范围。

3.4.1通过预先设置温度上下限阈值和湿度上下限阈值控制通风开启温室通风口的条件是当控制器检测到室内温度大于上限阈值（预先设定）时，单片机发出控制指令，启动电机旋转，带动温室通风口薄膜开启，开启范围由室内湿度确定，此时通风口处薄膜的开启范围与温度成一元函数关系，将这种关系近似为一次函数，以通风口处薄膜的开启范围为纵坐标，湿度为横坐标建立直角坐标系。

假设H1 、H2、H分别表示预先设定的湿度下限、上限阈值和温室实时湿度。规定：当控制器检测室内湿度大于上限阈值（预先设定）时，完全打开通风口；当控制器检测到室内湿度小于下限阈值（预先设定室内湿度）时，通风口部分打开。一次函数经过点（S1，H1）和（S2，H2）。当控制器检测到室内湿度在上限阈值与下限阈值（预先设定）之间时，开启通风口处薄膜的范围为S，将点（S1，H1）和（S2，H2）代入一元一次函数S=aH+b得到：

S1=aH1+b

S2=aH2+b

求解得：a=S2-S1H2-H1，b=S1-S2-S1H2-H1×H1，代入S=aH+b中，得到开启通风口处薄膜的范围公式：

S=S1+S2-S1H2-H1×（H-H1）

关闭温室通风口的条件是控制器实时检测到室内温度小于下限阈值（预先设定）。此时单片机发出控制指令，启动电机工作，通风口完全关闭。

3.4.2通过设置湿度上下限阈值和温度上下限阈值控制通风开启温室通风口的条件是当控制器检测到室内湿度大于上限阈值（预先设定）时，单片机发出控制指令，启动电机工作，开启温室通风口，开启范围跟室内温度有关。此时通风口处薄膜的开启范围与温度成一元函数关系，将这种关系近似为一次函数，以通风口处薄膜的开启范围为纵坐标，温度为横坐标可以建立直角坐标系。

假设T1 、T2和T分别表示预先设定的温度下限、上限阈值和温室实时温度。规定：当控制器检测到室内温度大于上限阈值（预先设定）时，完全打开通风口；当控制器检测到室内温度小于下限阈值（预先设置）时，通风口部分打开。一次函数经过点（S1，T1）和（S2，T2）。当控制器检测到室内温度在上、下限阈值（预先设定）之间时，开启通风口处薄膜的范围为S，将点（S1，T1）和（S2，T2）代入一元一次函数S=aT+b得到：

S1=aT1+b

S2=aT2+b

求解得：a=S2-S1T2-T1，b=S1-S2-S1T2-T1×T1，代入S=aT+b中，得到开启通风口处薄膜的范围公式：

S=S1+S2-S1T2-T1×（T-T1）

关闭温室通风口的条件是控制器检测到温室内的湿度小于下限阈值（预先设定），此时单片机发出控制指令，启动电机工作，通风口完全关闭。

4结论

本试验设计的智能温室通风系统，采用多线路“平拉”的通风结构，克服了传统“卷式”结构受力不均匀易造成折断的弊端。控制器拥有的四种控制方式，既避免了用户启动电机通风亲自到现场手动上电的麻烦，又使得用户异地控制成为可能，还可以在温室无人的情况下自动通风降温与降湿。本系统操作简单，具有很高的市场推广价值。

参考文献：

[1]郑文刚，赵春江，王纪华.温室智能控制的研究进展[J].农业网络信息，2004（2）：8-11.

[2]王勇，刘林，侯加林，等.智能型日光温室卷帘机的研制[J].山东农业科学，2014，46（5）：21-25.

[3]王克安，李絮花，吕晓惠，等.不同结构日光温室温湿度变化规律及其对番茄产量和病害的影响[J].山东农业科学，2011（3）：33-36.

[4]史国生，鞠勇.电气控制与可编程控制器技术实训教程[M].北京：化学工业出版社，2010：2-11.

[5]王永虹， 徐炜， 郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京： 北京航空航天大学出版社， 2008：125-163.

[6]张观山，王涛，李立成，等. 基于物联网的设施环境综合参数测试系统[J].山东农业科学，2013，45（11）：21-25.

[7]陈福彬，伍毅，王铁流. 基于STM32的人行通道智能控制与管理系统设计[J].自动化与仪表，2010（1）：45-48.

[8]中兴通讯NC教育管理中心.GSM移动通信技术原理与应用[M].北京：北京人民邮电出版社，2009：11-15.

[9]江杰， 宋宏龙. 基于GSM短信的烟雾传感报警系统[J].测控技术，2014（1）：1-4.endprint