智能微噴噴灌設(shè)備的設(shè)計(jì)

□ 吳 慧 □ 張海振

1.九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院 江蘇徐州 221116 2.江蘇美正電子科技有限公司 江蘇徐州 221113

1 設(shè)計(jì)背景

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展,溫室環(huán)境中的作物生產(chǎn)與智能灌溉已經(jīng)普及,提高灌溉水利用效率成為學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的課題。 微噴是在噴灌與滴灌的基礎(chǔ)上總結(jié)改進(jìn)后形成的一種先進(jìn)技術(shù)。微噴噴灌設(shè)備利用低壓水泵和管道系統(tǒng)供水,在低壓水流的作用下,微型霧化噴頭將水噴射到空中,并散成細(xì)小霧滴,噴灑在作物枝葉上或樹(shù)冠下。與噴灌形式相比,微噴更為省水,而且霧滴細(xì)小,適應(yīng)性更強(qiáng)。微噴技術(shù)除了向植物提供水分,提高土壤含水量外,還可以對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的濕度進(jìn)行調(diào)節(jié),起到調(diào)節(jié)小氣候的作用。因此,開(kāi)發(fā)低成本、節(jié)水、節(jié)能的微噴噴灌設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

目前,現(xiàn)有應(yīng)用的微噴管通常鋪設(shè)在地面上或架設(shè)在支架上。由于不同作物的株高、種植行距、莖葉密集程度不同,微噴噴射幅寬和噴灑均勻度受到很大影響。另一方面,微噴噴灌設(shè)備水量不能自動(dòng)控制,只能根據(jù)操作人員的主觀意愿進(jìn)行噴灌,噴灌效果不佳。對(duì)此,需要設(shè)計(jì)一種能夠適應(yīng)作物不同生長(zhǎng)時(shí)期株高和莖葉密集程度變化,自動(dòng)調(diào)節(jié)噴灌范圍的智能微噴噴灌設(shè)備。

針對(duì)上述微噴噴灌設(shè)備存在的問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)了智能微噴噴灌設(shè)備,能夠根據(jù)作物生長(zhǎng)環(huán)境濕度,適應(yīng)作物不同生長(zhǎng)時(shí)期株高和莖葉密集程度變化,自動(dòng)調(diào)整噴灌范圍進(jìn)行微噴,并可以對(duì)環(huán)境濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能微噴噴灌設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由供水系統(tǒng)和智能微噴噴灌支架組成。供水系統(tǒng)由微噴管道、安裝在微噴管道上的微噴頭、與微噴管道連接的水泵組成,為微噴噴灌提供水源。智能微噴噴灌支架包括導(dǎo)軌、支撐機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、安裝在伸縮機(jī)構(gòu)端部的濕度傳感器。支撐機(jī)構(gòu)由支撐桿、弧形安裝架、安裝在支撐桿端部的主動(dòng)齒輪、伺服電機(jī)組成?；⌒伟惭b架的下側(cè)設(shè)有與主動(dòng)齒輪相嚙合的齒紋,弧形安裝架的上側(cè)設(shè)有U形支架。微噴管道布置在U形支架內(nèi),實(shí)現(xiàn)微噴管道與弧形安裝架同步移動(dòng)。根據(jù)作物的生長(zhǎng)期,當(dāng)需要調(diào)整噴灌范圍時(shí),智能控制系統(tǒng)啟動(dòng)伺服電機(jī),驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng),弧形安裝架與上方的微噴管道一起移動(dòng),微噴管道位置發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灌范圍的調(diào)整。

3 智能微噴噴灌支架設(shè)計(jì)

3.1 支撐機(jī)構(gòu)

支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示?；⌒伟惭b架的截面為 H形結(jié)構(gòu),包括立板、弧形側(cè)板、弧形底板。齒紋設(shè)置在弧形底板上,弧形底板的兩端設(shè)有限位塊,限位塊可限定整個(gè)弧形安裝架的移動(dòng)范圍,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微噴管道移動(dòng)范圍的控制。

支撐桿頂端設(shè)有L形滑塊,弧形側(cè)板上設(shè)有與 L形滑塊相配合的滑槽。設(shè)置L形滑塊和滑槽,可以進(jìn)一步保證弧形安裝架移動(dòng)的穩(wěn)定性。

為了使弧形安裝架在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)需要固定在某一位置,在L形滑塊上設(shè)置定位孔,弧形側(cè)板上設(shè)置固定孔,當(dāng)弧形安裝架移動(dòng)至某一位置時(shí),將定位銷(xiāo)插在定位孔和固定孔之間,實(shí)現(xiàn)固定。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在拓寬弧形安裝架移動(dòng)角度的同時(shí),保證弧形安裝架的穩(wěn)定性,避免發(fā)生弧形安裝架突然移動(dòng)的情況。

考慮到作物會(huì)越長(zhǎng)越高,茂盛的枝葉影響對(duì)作物的有效噴灌,設(shè)計(jì)了高度能夠調(diào)節(jié)的支撐桿。支撐桿包括上支撐桿和下支撐桿。上支撐桿側(cè)壁上安裝有第一傘齒輪,第一傘齒輪的齒輪軸穿過(guò)上支撐桿的側(cè)壁連接轉(zhuǎn)盤(pán)。下支撐桿連接螺紋桿,螺紋桿的頂端安裝與第一傘齒輪嚙合的第二傘齒輪。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán),第二傘齒輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng),第一傘齒輪在第二傘齒輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),與第一傘齒輪連接的螺紋桿相對(duì)下支撐桿向上移動(dòng),從而帶動(dòng)上支撐桿向上移動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)支撐桿高度的調(diào)節(jié),以此滿(mǎn)足作物噴灌的需求。

▲圖2 支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3.2 伸縮機(jī)構(gòu)

作物在不同生長(zhǎng)期,株高和莖葉密集程度變化,將影響智能微噴噴灌設(shè)備環(huán)境濕度采集的準(zhǔn)確性。針對(duì)這一問(wèn)題,可以通過(guò)調(diào)節(jié)伸縮機(jī)構(gòu)電動(dòng)伸縮桿的長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)范圍的調(diào)整。電動(dòng)伸縮桿上端安裝有濕度傳感器,隨著電動(dòng)伸縮桿長(zhǎng)度的變化,濕度傳感器檢測(cè)范圍可以調(diào)整,進(jìn)而滿(mǎn)足作物不同生長(zhǎng)期濕度檢測(cè)精度的要求。

4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能微噴噴灌設(shè)備配置的濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)作物所處環(huán)境的濕度情況,并將信號(hào)發(fā)送至可編程序控制器。可編程序控制器經(jīng)過(guò)處理分析,在需要時(shí)啟動(dòng)水泵。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),微噴管道位置隨之發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物噴灌的調(diào)整。伸縮機(jī)構(gòu)電動(dòng)伸縮桿的長(zhǎng)度可以調(diào)整,適應(yīng)濕度傳感器檢測(cè)范圍。通過(guò)不同位置濕度檢測(cè)數(shù)值的分析,確定噴灌調(diào)整范圍。當(dāng)需要針對(duì)作物根莖和葉單獨(dú)進(jìn)行噴灌時(shí),也可以通過(guò)調(diào)整弧形安裝架的位置實(shí)現(xiàn)。當(dāng)微噴管道的一端處于最低點(diǎn)時(shí),可以對(duì)作物根莖進(jìn)行噴灌。當(dāng)微噴管道的一端處于最高點(diǎn)時(shí),可以對(duì)作物的葉進(jìn)行噴灌。

作物不同生長(zhǎng)期對(duì)水量需求不同,需要隨時(shí)調(diào)整噴灌范圍和噴灌水量。當(dāng)環(huán)境濕度低于作物需求時(shí),可編程序控制器的比較模塊輸出高電平,繼電器吸合,補(bǔ)水設(shè)備電路導(dǎo)通,啟動(dòng)水泵開(kāi)始工作。隨著土壤中含水量的提高,濕度提高,達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí),比較模塊輸出低電平,繼電器斷開(kāi),補(bǔ)水設(shè)備的電路斷路,水泵停止補(bǔ)水。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的智能微噴噴灌設(shè)備能夠調(diào)節(jié)微噴管道與作物之間的距離和位置。微噴管道安裝在智能微噴噴灌支架上,通過(guò)調(diào)整噴灌范圍,可以適應(yīng)作物不同生長(zhǎng)期株高和莖葉密集程度變化對(duì)水分的要求。濕度傳感器可實(shí)時(shí)采集作物所處環(huán)境的濕度情況,智能微噴噴灌設(shè)備根據(jù)需要進(jìn)行噴灌?？梢詫?duì)微噴情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),避免出現(xiàn)過(guò)噴的情況。智能微噴噴灌設(shè)備的設(shè)計(jì)可以助力現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,具有實(shí)用價(jià)值。