一种温室大棚空气温湿度监测装置的设计

黄 媛，李瑜玲，杨英茹，武 猛，高欣娜，李海杰

（石家庄市农林科学研究院，石家庄市农业信息化工程技术研究中心，河北 石家庄 050041）

我国是蔬菜种植大国，蔬菜种植面积、产量和产值近些年一直稳步增加。2017 年我国设施蔬菜面积达到333 万hm2，预计2017—2021 年平均复合增长率1.25%，2021 年将达到413 万hm2。现阶段种植蔬菜的温室棚以大中塑料拱棚、小拱棚、网棚为主，以日光温室和钢骨架玻璃连栋智能温室为辅。然而，蔬菜生产设施的简易化不仅降低了农业生产过程中抵御风险的能力，同时也不符合未来蔬菜种植工厂化、标准化及品牌化的趋势。“十三五”全国农业农村信息化发展规划要求“推进设施农业信息技术深化应用，在设施农业领域大力推广温室环境监测、智能控制技术和装备，重点加快水肥一体化智能灌溉系统的普及应用”。由此可见，大力发展设施农业生产智能化是农业产业化发展的必经之路，也是我国“十三五”期间农业农村发展规划的重要任务目标[1-2]。

空气温湿度对作物生长的重要意义不言而喻，它既可以影响作物的光合、呼吸、蒸腾等生理作用，也可以影响有机物的合成和运输等代谢过程，还可以通过土温土湿直接影响水肥的吸收和输导，同时与作物病虫害的发生也有着密切联系。因此，密切监测设施环境空气温湿度是实现设施蔬菜智能化生产的重要前提。大力发展温室环境监测技术和装备是加快设施蔬菜生产智能化进程的重要组成部分，只有掌握了实时温室大棚生产环境的变化和走势，才能及时地根据作物生长阶段进行生产操作和管理，为智能化生产提供前提条件。

空气温湿度监测设备大多采用温湿度传感器进行数据采集，设备将温湿度传感器集成并吊装在百叶窗形状的防护箱内，使用时将监测设备悬置在温室内。但是现有大多监测设备采取的是伞裙式设置，且防护箱体积较小，加之没有遮光设计，因此使用时防护箱受到太阳直射，内部升温快且不易散热的情况较常见。同时，由于目前在应用过程中对吊装位置没有科学统一的指导或规定，而日光温室内温湿度存在分布不均的情况，如果温、湿度传感器安装在一个固定位置上，就不能根据作物高度及时测定近作物周围的空气状况，难以准确地反映影响植株生长的空气温湿度。

1 温室大棚温湿度监测装置的设计思路

1.1 设计思路

该研究设计一种温室大棚温湿度监测设备，设备通过升降装置安装在温室大棚的棚顶龙骨上，可根据要求调节设备悬挂的高度，温湿度传感器防护箱为竖向百叶窗，其内部空气流通、不易集聚，同时设计遮光伞避免太阳直射对空气温湿度传感器的影响，保证监测数据的准确性。

1.2 工作原理

该研究设计的温室大棚温湿度监测设备主要包括升降装置及监测装置。升降装置包括升降箱体、卷扬轴、卷扬绳、中心转轴、涡轮、蜗杆及驱动电机。升降装置将监测装置悬挂于温室大棚的钢骨架上，蜗杆在电机的带动下旋转，从而带动涡轮旋转，进一步卷扬轴转动，实时调节监测装置的高度；监测装置包括防护箱及空气温湿度传感器，防护箱顶端与升降装置的卷扬绳连接，防护箱顶端与底座之间设置若干个竖向的百叶窗叶片，温度传感器和湿度传感器通过卡座固定安装在防护箱的底座上；另外，监测装置顶端通过支撑杆设置有遮光伞。通过升降装置和监测装置的配合，操作人员可根据不同作物及其不同生长阶段自由调整设备的位置，收集能够准确反映植株生长环境的空气温湿度数据，从而更好地指导科学研究或农业生产。

2 温室大棚温湿度监测装置的系统设计

2.1 温室大棚温湿度调控系统整体结构设计

图1 为温室大棚温湿度调控系统，包括空气温湿度监测装置、中央处理器、空气温度调节器和空气湿度调节器。空气温湿度监测装置、空气温度调节器及空气湿度调节器分别与中央处理器进行电连接，空气温湿度监测装置将采集到的温湿度数据传输给中央处理器，中央处理器根据提前编程的监测模型分别对空气温度调节器和空气湿度调节器发出控制信号，控制二者的启停[3-4]。

2.2 温室大棚空气温湿度监测装置关键部件设计

如图2 所示，空气温湿度监测装置包括升降装置及与升降装置连接的监测装置。（1）升降装置：包括升降箱体及设置在升降箱体内的卷扬轴、卷扬绳、中心转轴、涡轮、蜗杆和驱动电机。升降箱体顶端通过挂钩悬挂在棚顶钢骨架上，并通过紧固螺栓固定；中心转轴两端均通过轴承固定安装在升降箱体两侧壁上，卷扬轴和涡轮均套装在中心转轴两端，且涡轮和卷扬轴均与中心转轴相对固定，蜗杆与涡轮相啮合（图3），驱动电机驱动蜗杆转动；卷扬轴上设置卷扬绳，卷扬绳的一端与监测装置连接，驱动电机驱动蜗杆转动，蜗杆转动带动涡轮转动，同时中心转轴转动，最终带动卷扬轴转动，实现监测装置垂直方向上的升降。（2）监测装置：包括防护箱和空气温湿度传感器。防护箱顶端通过支撑杆设置有遮光伞，遮光伞顶端通过连接吊环与卷扬绳连接；遮光伞为双层结构，两层结构之间通过支撑骨架连接；遮光伞上层外表面涂布有铝制反射膜，将棚内照射进来的阳光反射出去，防止阳光直射防护箱；防护箱顶端与底座之间设置若干个竖向的百叶窗叶片，所有百叶窗叶片的中心点形成一个圆，每个百叶窗叶片中心点和圆心连成的半径，与百叶窗叶片水平方向的中心轴的夹角为α（图4），方便防护箱内空气流通；空气温湿度传感器通过卡座固定在防护箱底座上，监测的数据信号输出给中央处理器[5-6]。

2.3 温室大棚空气温湿度监测驱动电机设计

利用驱动电机驱动涡轮蜗杆转动，实现卷扬绳的升降，如图5 所示，驱动电路中，采用驱动芯片IC1控制，驱动芯片的输出端口OUT1和OUT2分别并接在驱动电机M 的两端，驱动微调芯片IC1的输入端口INT1和INT2分别连接正转按钮ZA 和反转按钮FA，正转按钮ZA 和反转按钮FA 的另一端经提拉电阻R 连接在电源正极上。当需要下调监测装置时，点按正转按钮ZA，则驱动电机正转，卷扬绳下降，下降到所需位置时，松开正转按钮；当需要上调监测装置时，点按反转按钮FA，驱动电机反转，卷扬绳上升，上升至所需位置时，松开反转按钮，驱动电机停止工作，涡轮蜗杆自锁，监测装置固定在所需位置；驱动芯片IC1为MC33886 芯片[7-9]。

3 温室大棚温湿度监测装置的测试

3.1 试验地点

该监测装置的性能试验选择在石家庄市农林科学研究院赵县实验基地5 号温室内进行，5 号温室东西长90 m，南北跨度为8 m，内部种植面积约为667 m2，北后墙为砖结构，南采光面为钢支撑架构，外覆塑料薄膜，有上下两个通风口，外有保温用棉被。性能试验于2018 年8 月25—31 日越冬茬番茄苗定植后的一周内进行，期间温室外温度较高，棚内浇了定植水，湿度较大，为保证平稳度过缓苗期，这一阶段应加强温室内温湿度管理，避免温湿度过高造成死苗或引发茎基腐病。

3.2 试验方法

由于试验期间为番茄病毒病高发时段，烟草花叶病毒（TMV）、黄瓜花叶病毒（CMV）、马铃薯X 病毒（PVX）等能够引起番茄发病的常见病毒可在高温低湿环境迅速增殖，因此该试验设定5 个传感器每半小时采集1 次空气温湿度数据，选取每天的最高温度和最低湿度为有效值，通过整理计算可得每天大棚内最高温度和最低湿度的平均值。在番茄病毒病预警监测中一般采用取自棚内不同位置所测平均值进行数据分析和预警，通常认为棚内所设传感器数量越多，所得平均值越具实际意义。

选购一批北京农业信息技术研究中心研制的便携式气象站设备，以其中的空气温湿度传感器集成该研究设计的温室大棚空气温湿度监测设备，悬于5 号温室种植区域的正中间，将其编号为1。另外选择4 台便携式气象站悬挂在温室不同位置的不同高度，分别编号为2、3、4、5，其具体工作位置见表1。传感器的 量程、精度都一致。温度量程为-10～70 ℃，湿度量程为5%～99%RH；温度精度为±0.5 ℃，湿度精度为±3%。

表1 各传感器的位置

3.3 结果与分析

由图6、图7 可知，1 号设备的空气温度、湿度数值与平均值更为接近，1 号设备的测量数据受安装位置及太阳直射等因素影响最小，据此进行科研试验或农事管理更为准确。

4 结 论

该研究设计的空气温湿度监测装置与传统空气温湿度传感器监测设备相比，其特点在于通过升降装置将温湿度监测装置悬挂于温室大棚的钢骨架上，可根据作物高度随时调整监测位置；空气温湿度传感器安装在防护箱内，防护箱顶端为环形透气栅，侧壁为竖直方向的百叶窗，方便空气流通，可以避免上升的热空气在防护箱内滞留不散；同时，防护箱顶端设置双层遮光伞，防止阳光直晒防护箱，使空气温湿度传感器监测到的数据能准确地反映植株真实的生长环境。该研究为今后设施农业精准化调控、智能化生产打下了基础。