温室大棚智能除雪系统的设计与研究

王梓铭 陈秀芬

摘 要：基于对温室大棚除雪功能运用的深入研究，研制出了“温室大棚智能除雪系统”模型。此款智能除雪系统能够很好地解决温室大棚除雪不便的实际问题，可以为农业种植户提供方便，减少因雪灾但来的经济损失。本文详细介绍了此款温室大棚智能除雪系统的设计与制作。

关键词：温室大棚；模型；自动除雪；使用说明

一、绪论

玻璃蔬菜温室大棚是具有出色的保温性能的框架结构大棚，它的出现使得人们可以吃到反季节蔬菜。从而很好的解决了人们的“菜篮子”问题。但是由于面积过大，造成骨架支撑结构不强，在大雪中容易坍塌，给国家和种植户带来极大的经济损失和不便，为了抗击雪灾，人们想出了各种因对办法来减轻雪灾所带来的损失。针对不同建筑种类的大棚，运用了各种除雪方法来清除积雪，防止因积雪过多而造成大棚的倒塌。如：（1）利用空调制热原理除雪法。连栋温室大棚因不易上人清雪，制热时，制冷剂被压缩机加压，成为高温高压气体，进入温室内机的换热器（此时为冷凝器），冷凝液化放热，成为液体，同时将室内空气加热，从而达到提高室内温度，并在温室内顶部加装暖风筒，把多个大棚连通，融化顶部积雪至温室天沟，在天沟的顶面（须加防冻液）或下面加装融雪管道，将天沟上的积雪融化流掉，以减轻温室的压力负荷，但不足之处在于建设繁琐，成本较大，一般农业种植户经济无法承担；（2）手持式吹雪机除雪法。优点是设备携带方便，经济成本轻，适合小面积使用，但需人工不定时清除积雪，具有时效性，晚上不能及时使用，且只能在积雪不大，没有成冻雪的情况下使用，运用情景较为单一；（3）使用消防水带利用高压冲水除雪法。该方法只适合室外温度较高、积雪较薄的环境中使用，否则会造成积雪冲刷不净，水被积雪阻挡，加上室外温度低，极易出现冰冻，增加大棚顶部的压力负荷，加大大棚倒塌的几率；（4）撒融雪剂除雪法。氯盐类融雪剂的融雪原理是：氯盐类融雪剂溶于水（雪）后，溶液的冰点下降，都在零度以下。如氯化钠溶于水后冰点在-10℃，氯化钙在-20℃左右，醋酸盐类可达-30℃左右。盐的溶解使含盐雪水的凝固点降低，因此在雪水中溶解了盐之后就难以再形成冰块。其原因是，融雪剂溶于水后，水中离子浓度增大，使水的液相蒸气压下降，但冰的固态蒸气压不变。为达到冰水混合物平衡共存时固液相蒸气压相等的状态，冰便融化。故洒上融雪剂可以除冰雪，但是对环境的危害也是不容忽视的，特别是可能对土壤有害，对农作物的生长也可能不利；（5）温室大棚内部烧火加温法。通过在大棚内部放置加热的装置，如电炉、生火、烧碳等，但极易引发火灾和一氧化碳中毒。

综合上述各类除雪方法均有利弊。因此，现研究大棚智能除雪系统，很好的解决了此问题。此款除雪装置添加成本低，操作便捷，能自动清除积雪，因此具有较好应用前景。

二、功能简介

温室大棚智能除雪系统通过压力传感器感知到大棚顶部积雪达到预设压力的情况下，将信号反馈给微型电脑控制板，由控制板接通电路并发出加热指令至电热丝，通过电热丝发热进行融雪除雪工作；吹风系统作为除雪辅助，对积雪进行机械吹风除雪。以上2个系统均能实现自动与手动开启从而达到智能除雪的功能，即解决了温室大棚除雪不便的实际问题。

三、“温室大棚智能除雪系统”的主要结构

四、“温室大棚智能除雪系统”的物理原理

自动除雪系统。查文献分析可知，当积雪达到10cm时，温室大棚就会面临被压塌的风险，也就是说10cm为一个阈值，装置最好能够在积雪达到10cm之前就能开始工作。而压敏电阻是一个感应压力从而转变自身压力值的存在，无法直接感应雪的厚度，现需要将其两者进行一个转换。雪的密度变化范围很大，新下的松软雪的密度为0.04—0.1克/立方厘米，融雪时雪的密度可达0.6—0.7克/立方厘米，雪的平均密度为0.2—0.25克/立方厘米。现取其平均值，本模型温室大棚单面的面积约为40cm*60cm，根据密度公式ρ=m/v，可知10cm厚的积雪质量可达6Kg，根据重力公式G=mg，其压力为58.8N。但积雪不是单单作用于一点，而是整一个面，则我们需要重新计算薄膜压敏电阻上感受到的压力。测量得到薄膜面积约为20平方厘米，占比1/120，则其感受到压力值为0.49N。即当压敏电阻感受到压力为0.49N时，必须启动电路开始工作。arduino为信号处理装置，在接收到压敏电阻信号后，控制输出模块即电热丝和风扇进行加热和吹风，以此达到除雪功能。

五、“温室大棚智能除雪系统”的制作方法

（1）外形材料选用强度大能见度好的AWWP材料，用广告雕刻机切割再拼合而成。长宽高分别为50CM、30CM、35CM，屋顶斜面长度21.25CM，角度为45度。

（2）自动除雪系统。在温室大棚的一侧安装arduino uno控制模块及供电电池；同时将光电耦合继电器及供电电池、稳压模块、吹风系统安装于大棚顶部，將发热电热丝、薄膜式压敏电阻安装于大棚屋顶斜面处，利用3D打印技术打印出上述部件的固定支架；供电电池为9v。

（3）连接电路。

六、“温室大棚智能除雪系统”的使用说明

（1）安装好后，设备处于自动待机状态。

（2）下雪时，当积雪达到一定厚度，薄膜式压敏电阻感受大压力变化，并将信号传给arduino uno控制模块。

（3）由arduino uno控制模块发出控制指令，通过光耦合继电器电，接通电源，自动启动电热丝加热，同时运行风扇送风辅助除雪。

（4）上述功能也可以根据实际情况，选择手动开启除雪模式。

七、相关拓展

温室大棚有较高性价比，广泛应用于农业种植，今后还可以继续开发手机APP应用软件，集大棚顶部压力负荷；室内、外温度；室内空气湿度等等实时数据。通过手机查看各类数据并控制除雪系统装置的自动启停功能。实现了防患于未然，让用户及时对设备和安全隐患进行及时处理，做到早发现早处理。同时，本除雪系统安装维护方便，功能简单实用，除了运用在温室大棚方面，还可以广泛安装到农贸市场、工厂大型车间、老旧房屋等顶面上，解决因积雪引起的坍塌事故。

本系统是一个开元的系统，可以根据具体环境、具体条件，做出不断调整，适应市场的各种需求。通过物联网技术，配备无线传感节点，每个无线传感节点可监测各类环境参数。通过接收无线传感汇聚节点发来的数据，进行存储、显示和数据管理，并以直观的图表和曲线方式显示给温室的用户，同时根据种植植物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息，实现温室集约化、网络化远程管理。还能与农业专家系统平台数据进行综合分析，形成控制要求，使大棚控制系统完成相应控制，从而达到农作物的最优生长环境。以此提高农业生产中的培育产量和效率，成为现代化农业发展的推动力。

今后随着科技的不断进步，本系统还可以不断改进，最终能实现融入到智慧城市这个大数据平台之中。

参考文献：

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[2]翟国富，崔行磊，杨文英.电磁继电器产品及研究技术发展综述[J].电器与能效管理技术，2016（02）：1-8.

[3]王迪轩.保护地蔬菜雪害防除技术问答[N].农资导报，2017-12-19（C04）.

[4]谭亲璐.雪灾面前，蔬菜大棚缘何如此脆弱[N].湖北日报，2018-01-31（010）.

作者简介：王梓铭（2006-），男，汉族，浙江湖州人，湖州市爱山小学教育集团609级学生。

指导老师：陈秀芬（1989-），女，汉族，浙江湖州人，本科，中小学二级，湖州市爱山小学教育集团，从事小学科学教学工作，任学校教研组长。