超大型葡萄產(chǎn)業(yè)園智能陽(yáng)雨棚設(shè)計(jì)

摘 要： 論述了超大型葡萄產(chǎn)業(yè)園智能陽(yáng)雨棚設(shè)計(jì)，通過(guò)人為干預(yù)的辦法滿足葡萄生長(zhǎng)全生命周期內(nèi)的生長(zhǎng)條件，提升其品質(zhì)、口感、產(chǎn)量和價(jià)值，滿足人們對(duì)優(yōu)質(zhì)葡萄鮮果的需要，增加果農(nóng)收入。智能陽(yáng)雨棚采用前低后高的鋼結(jié)構(gòu)框架，在框架上設(shè)置卷軸，卷軸上設(shè)置遮陽(yáng)遮雨布，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)遮陽(yáng)遮雨布的關(guān)閉和打開(kāi)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由各個(gè)傳感器給控制器提供信號(hào)，控制器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足超大型葡萄產(chǎn)業(yè)園的需要。

關(guān)鍵詞：葡萄產(chǎn)業(yè)園；智能陽(yáng)雨棚；控制器；執(zhí)行器；遮陽(yáng)遮雨布

中圖分類號(hào)：S224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）11-0090-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411313

0 引言

我國(guó)葡萄產(chǎn)量全球第1 位，種植面積全球第2 位，葡萄干產(chǎn)量全球第3 位。我國(guó)超大型葡萄產(chǎn)業(yè)園主要分布地區(qū)有7 個(gè)，南方地區(qū)（江蘇省、浙江省、安徽省、湖南省等）、環(huán)渤海灣地區(qū)、新疆地區(qū)、黃土高原地區(qū)、黃河中下游地區(qū)（河南省等）、吉林長(zhǎng)白山產(chǎn)區(qū)和西南地區(qū)。葡萄種植面積約8 萬(wàn)hm2，單個(gè)產(chǎn)業(yè)園面積1～10 hm2，面積gt;2 hm2 的葡萄園稱為超大型葡萄產(chǎn)業(yè)園[1-6]。

現(xiàn)有葡萄遮陽(yáng)遮雨依靠人力手工完成，機(jī)械化的應(yīng)用比較少，主要存在面積大、成熟期集中、普通果銷售困難及優(yōu)質(zhì)果供不應(yīng)求等問(wèn)題。因此，如何提高葡萄的優(yōu)質(zhì)果率，是亟待解決的問(wèn)題。南方地區(qū)雨水多、氣溫高是影響葡萄品質(zhì)的主要因素，為此，本研究設(shè)計(jì)了超大型葡萄產(chǎn)業(yè)園智能陽(yáng)雨棚，較好地解決了葡萄的淋雨和陽(yáng)光灼傷帶來(lái)的果品質(zhì)量降低的問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

超大型葡萄產(chǎn)業(yè)園智能陽(yáng)雨棚主要由控制器、執(zhí)行器、遮陽(yáng)遮雨布卷和框架等組成，如圖1 所示。控制器是整個(gè)陽(yáng)雨棚的中樞，由雨傳感器、溫度傳感器、天線接線等提供信號(hào)，控制器根據(jù)不同信號(hào)給執(zhí)行器發(fā)布不同的動(dòng)作指令。執(zhí)行器由電動(dòng)機(jī)、減速器、電機(jī)座、下伸縮桿和上伸縮桿等組成，為遮陽(yáng)遮雨布卷的打開(kāi)或關(guān)閉提供動(dòng)力。遮陽(yáng)遮雨布卷由卷軸和遮陽(yáng)遮雨布等組成，卷軸為遮陽(yáng)遮雨布提供支撐，遮陽(yáng)遮雨布為葡萄遮陽(yáng)或遮雨?？蚣苡山卿?、各種型號(hào)圓管、螺栓等組成，用于形成空間，容納葡萄藤，同時(shí)支撐遮陽(yáng)遮雨布和卷軸等[7-8]。智能陽(yáng)雨棚主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

1.2 工作原理

當(dāng)溫度傳感器探測(cè)到葡萄藤周邊溫度達(dá)到控制器設(shè)定溫度時(shí)，溫度傳感器將信號(hào)傳給控制器，或雨傳感器接收到下雨信號(hào)后，雨傳感器將信號(hào)傳給控制器，控制器向執(zhí)行器發(fā)出指令，使執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)，卷軸帶動(dòng)遮陽(yáng)遮雨布卷在框架上向后滾動(dòng)，將卷軸上的遮陽(yáng)遮雨布緩慢地鋪在框架的斜面上，執(zhí)行器也同時(shí)向后移動(dòng)，執(zhí)行器下面的上伸縮桿逐漸從下伸縮桿中拉出，以適應(yīng)卷軸所在高度的變化，當(dāng)遮陽(yáng)遮雨布卷與設(shè)在框架上的行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)接觸時(shí)執(zhí)行器停止運(yùn)行，卷軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，至此完成葡萄遮陽(yáng)或遮雨過(guò)程。執(zhí)行器有自鎖功能，能控制卷軸自行反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

2.1.1 硬件

硬件由傳感器、微控器和執(zhí)行開(kāi)關(guān)3 部分組成，如圖2 所示。微控器采用低成本的51 系列單片機(jī)，通過(guò)A/D 采集雨量傳感器和溫度傳感器信號(hào)，然后根據(jù)控制邏輯運(yùn)算后，通過(guò)GPIO 腳輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)給由三極管和繼電器組成的執(zhí)行開(kāi)關(guān)，控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)通過(guò)PWM 占空比控制腳控制功率管Q3 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.1.2 軟件

軟件通過(guò)STC15W408AS 單片機(jī)的ABC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）接口讀取溫度和雨量傳感器的模擬信號(hào)，并根據(jù)設(shè)定的閾值來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)[9]。基于STC15W408AS單片機(jī)的簡(jiǎn)化代碼如圖3 所示。

3 執(zhí)行器

3.1 電機(jī)座

電機(jī)座由小連接板和大連接板焊合而成，如圖4所示。小連接板和大連接板均采用厚鋼板制造，等離子切割下料的同時(shí)切割出圓孔和長(zhǎng)圓孔，然后采用氣體保護(hù)焊焊接。

3.2 輸出軸法蘭焊合

輸出軸法蘭焊合由輪轂和法蘭焊合而成，如圖5所示。輪轂用圓鋼制造，通過(guò)車床車削后插鍵槽而成，法蘭用厚鋼板制造，用等離子切割內(nèi)孔及周邊均布的孔[10]。

鍵對(duì)鍵槽的擠壓強(qiáng)度校核如下。

已知輪轂內(nèi)徑d=40 mm，輪轂長(zhǎng)l=72 mm，鍵寬b=12 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min ，電機(jī)功率P=2.2 kW，電機(jī)扭矩T1=9550P/n=7.5 N·m。

電機(jī)軸鏈輪Z1=11， 減速器輸入軸鏈輪Z2=19，i1=Z2/Z1=1.73；減速器傳動(dòng)比i2=30，i=i1i2=1.73×30=51.9，T=T1i=7.5×51.9=389.25 N·m。

h=b/2=6 mm，C 型鍵 L=l?b/2=66 mm，[σ]=110 MPa（材料是鋼，輕微沖擊）；σ=4 T/（dhL）≈98.3 MPalt;[σ]，故擠壓強(qiáng)度足夠。

3.3 電動(dòng)機(jī)鏈輪

電動(dòng)機(jī)鏈輪用45#鋼制造，先進(jìn)行鐓粗，然后進(jìn)行銑齒和插鍵槽，齒面進(jìn)行高頻淬火，如圖6 所示。

4 遮陽(yáng)遮雨布卷設(shè)計(jì)

4.1 卷軸

卷軸由法蘭和軸組成，如圖7 所示。法蘭用厚鋼板制造，采用等離子切割下料的同時(shí)割出內(nèi)孔和周邊均布的連接孔；軸用20 根6 m 長(zhǎng)度的鋼管互相焊接在一起而形成[11]。

4.2 遮陽(yáng)遮雨布

采用大帆布作遮陽(yáng)遮雨布，一端用螺栓固定在各個(gè)斜縱梁的前端，另一端用螺栓固定在卷軸上，然后卷在卷軸里。

5 框架

5.1 前地腳

前地腳由螺栓、連接板和鋼筋框組成，如圖8 所示。連接板用厚鋼板制造，下料后鉆孔，鋼筋框按照?qǐng)D紙成型后備用，將螺栓穿在連接板的孔內(nèi)，通過(guò)氣體保護(hù)焊將螺栓和鋼筋框分別焊在連接板上。

5.2 前立柱

前立柱由上連接板、立柱和下連接板組成，如圖9所示。立柱用鋼管制造，下料后備用，上連接板和下連接板都采用厚鋼板制造，下料后鉆孔，然后采用氣體保護(hù)焊分別焊在立柱的兩端[12]。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

2023 年4—11 月， 在湖南省南托興農(nóng)果園參照NY/T 4246—2022《葡萄生產(chǎn)全程質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)采用智能陽(yáng)雨棚與對(duì)比棚的葡萄進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)1 年的觀察測(cè)試，智能陽(yáng)雨棚的作用和功能基本達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用智能陽(yáng)雨棚的葡萄園能提高葡萄品質(zhì)和產(chǎn)量，降低陽(yáng)光、暴雨、冰雹、洪澇和病蟲害對(duì)葡萄生產(chǎn)的影響，有效解決了葡萄?；ㄆ趩?wèn)題，提高坐果率；可以減少噴藥次數(shù)達(dá)16 次，降低病蟲害發(fā)病率83%，減少雨水傳播的病蟲害類型，克服氣候不利因素的影響，使葉片、果實(shí)完整，葉片壽命長(zhǎng)，延長(zhǎng)葡萄的采收期28 d，與不做智能陽(yáng)雨的對(duì)比棚相比，葡萄的可溶性固形物和可溶性糖含量均顯著提高，可溶性固形物含量提高12%，可溶性糖含量提高9%，商品果率提高28%[13-14]。

7 結(jié)束語(yǔ)

超大型葡萄產(chǎn)業(yè)園智能陽(yáng)雨棚研究，使葡萄遮陽(yáng)遮雨實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。當(dāng)葡萄需要遮陽(yáng)或遮雨時(shí)能迅速實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)或遮雨，當(dāng)氣候正常時(shí)也能及時(shí)對(duì)葡萄解除遮陽(yáng)或遮雨，使葡萄能選擇最佳氣候條件下生長(zhǎng)，葡萄在人為保護(hù)下，葉片、花期和果實(shí)不受外界侵?jǐn)_，提高了葡萄的商品果率和產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本，減少了因?yàn)榱苡旰腿兆贫躺牟『?，降低了農(nóng)藥的施用次數(shù)，從而增強(qiáng)了葡萄的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，增加了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

［1］李青青，張芮，高彥婷，等．水肥耦合對(duì)葡萄土壤環(huán)境及品質(zhì)的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程，2023，13（2）：66-71．

LI Qingqing，ZHANG Rui，GAO Yanting，et al．Effects of water andfertilizer coupling on grape soil environment and quality[J]．AgriculturalEngineering，2023，13（2）：66-71．

［2］羅玲，鐘奇，王進(jìn)，等．不同覆蓋材料對(duì)避雨葡萄園土壤微生物特征及葡萄生長(zhǎng)與品質(zhì)的影響[J]．核農(nóng)學(xué)報(bào)，2021，35（2）：471-480．

LUO Ling， ZHONG Qi， WANG Jin， et al． Influence of differentmulching materials on soil microbe and grape growth in rain-shelter vineyard[J]．Journal of Nuclear Agricultural Sciences，2021，35（2）：471-480．

［3］劉鳳之，王海波，李莉，等．我國(guó)設(shè)施果樹(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、存在問(wèn)題與發(fā)展對(duì)策[J]．中國(guó)果樹(shù)，2021（11）：1-4．

LIU Fengzhi， WANG Haibo， LI Li， et al． Current situation， issueand suggestion of the protected fruit industry in China[J]．China Fruits，2021（11）：1-4．

［4］宣立鋒，王書林，崔樂(lè)軍，等．葡萄設(shè)施栽培的歷史和現(xiàn)狀[J]．現(xiàn)代農(nóng)村科技，2022（8）：50，16．

［5］毛麗萍，劉大章，王建嬙，等．西昌市克瑞森無(wú)核葡萄控產(chǎn)提質(zhì)避雨栽培技術(shù)[J]．農(nóng)業(yè)科技通訊，2022（10）：239-241．

［6］王勇．葡萄避雨栽培關(guān)鍵技術(shù)[J]．安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2021，27（17）：67-68．

［7］張瑞，劉鵬霞，趙建托，等．7ZDG-800 型溫室大棚電動(dòng)軌道運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2023（7）：49-51，55．

［8］王合，胡浩然．電動(dòng)牛羊填草車設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2023（ 8）：62-64．

［9］舒圣寶，房瑞，鄧醒，等．?dāng)?shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展研究文獻(xiàn)綜述[J]．農(nóng)業(yè)工程，2022，12（9）：144-150．

SHU Shengbao，F(xiàn)ANG Rui，DENG Xing，et al．Literature review ondevelopment of digital agriculture[J]．Agricultural Engineering，2022，12（9）：144-150．

［10］李思博，吳臻翀［10］ ，南茜，等．溫室智能控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]．農(nóng)業(yè)工程，2023，13（4）：42-47．

LI Sibo， WU Zhenchong， NAN Xi， et al． Development status andprospects of intelligent control systems for greenhouses[J]． AgriculturalEngineering，2023，13（4）：42-47．

［11］禹振軍，盛順，胡浩，等．北京市日光溫室應(yīng)用情況調(diào)研[J]．農(nóng)業(yè)工程，2023，13（4）：60-66．

YU Zhenjun，SHENG Shun，HU Hao，et al．Investigation on applicationof solar greenhouses in Beijing City[J]．Agricultural Engineering，2023，13（4）：60-66．

［12］ 葡萄生產(chǎn)全程質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范：NY/T 4246—2022[S]．

［13］ 胡福生，周增產(chǎn)，張曉文，等．溫室快速除濕設(shè)備試驗(yàn)與應(yīng)用[J]．農(nóng)業(yè)工程，2024，14（2）：53-56．

HU Fusheng， ZHOU Zengchan， ZHANG Xiaowen， et al． Experimentand application of fast dehumidifier in greenhouses[J]．AgriculturalEngineering，2024，14（2）：53-56．

［14］劉士華，劉士莉，徐丹，等．農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的典型應(yīng)用：以北京極星農(nóng)業(yè)科技園為例[J]．農(nóng)業(yè)工程，2024，14（2）：57-60．

LIU Shihua， LIU Shili， XU Dan， et al． Typical application of agriculturalinformatization technology in facility vegetable production：takingBeijing Jixing Agricultural Science and Technology Park as an example[J]．Agricultural Engineering，2024，14（2）：57-60．

基金項(xiàng)目： 湖南省教育科學(xué)規(guī)劃課題（23C0759）