靳华伟 袁鹏林 孔明亮 徐义坤 鄢必啟
沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142
近年来，极端天气频繁发生，农业生产面临越来越严峻的挑战。在这种情况下，大棚种植作为一种先进的农业生产方式，已经成为许多国家提高农业生产效率的重要手段。卷帘是农业大棚的重要组成部分。卷帘的调控可以直接影响大棚内部的温度、湿度、光照等，从而影响作物的生长，最终影响作物产量和品质。但目前农业大棚卷帘的调控系统仍然存在很大不足，传统的人工调控方式已经无法满足实际生产需求，而且存在工作量大、精度不高、成本高等问题［1-2］。基于此，笔者开发设计一种基于光电感应系统调控的农业大棚智能卷帘装置，以提高农业生产效率和生产质量。
笔者开发设计的农业大棚智能卷帘装置主要包括太阳能供电系统、光电感应模块、温度传感模块、电气控制模块、卷帘机械机构等5个部分，结构如图1所示。
图1 智能卷帘装置结构示意图
该装置利用光电感应模块和温度传感模块检测大棚内部的光照和温度，利用太阳能供电系统进行自供电。其通过电气控制模块实现卷帘的自动收放和远程控制，不仅可以根据环境变化自动调控卷帘以保持大棚内适宜的温湿度和光照强度，还可以降低能源消耗、提高农业生产效率和质量、减少光污染等。
当装置启动时，太阳能供电系统向蓄电池充电，并为其他模块提供稳定的直流电源；
光电感应模块和温度传感模块分别根据外界光照强度和温度变化产生相应信号，并输送给电气控制模块；
电气控制模块根据光电感应模块和温度传感模块输出信号及用户设置参数进行逻辑判断，通过驱动芯片控制继电器通断来驱动直流减速机转动；
卷帘机械机构在直流减速机驱动下控制卷帘在导轨上滑行，使卷帘自动收起或放下。当光照强度低于设定阈值时，卷帘自动收起，反之卷帘则自动放下；
当温度低于设定阈值时，卷帘自动收起，反之卷帘自动放下。此外，用户可以进行手动控制和参数设置，如开关、暂停、调节、查询等。
2.1 太阳能供电系统
太阳能供电系统主要由太阳能板、蓄电池、稳压器等装置组成。太阳能板安装在大棚顶部，并与蓄电池、稳压器等连接。太阳能板可将太阳能转化为直流电，并将多余的电能储存到蓄电池中，以便夜间或阴雨天使用。稳压器将蓄电池输出的不稳定直流电转化为稳定的5 V 或12 V，并分别为其他模块提供适合的工作电压。该系统可以根据不同地区和不同季节的光照条件进行自适应调节，并在停电或发生故障时提供备用电源，从而保证大棚自动化系统的正常运行。此外，太阳能供电系统具有运行成本低、环境污染小、可靠性强和灵活性强等优点，不受地域和季节的限制，可以为大棚提供长期稳定的能源，从而减少对传统能源的依赖和消耗。
2.2 光电感应模块
光电感应模块主要由光敏二极管、比较器等装置组成。光敏二极管是一种利用光电效应原理产生电信号的元件，由两个半导体材料构成一个PN 结。当PN结两端接上外部电路时，就会在PN 结附近产生一个内建电场。当光线照射到PN 结时，会在PN 结两侧产生载流子，从而在外部电路中产生一个与光线强度成比例的光电流。光敏二极管可以实时监测大棚内部的光照强度变化，并将这些变化转换为相应的电信号。这些电信号会被输送到比较器中，与设定的光照强度阈值进行比较，然后输出高低电平信号给电气控制模块。电气控制模块根据这些信号控制卷帘收起或放下，从而调节大棚内部的光照强度，为作物提供适宜的生长环境。光敏二极管的特点是其对不同波长的光线有不同的响应程度，因此可以根据需要选择合适的光敏二极管来监测不同强度和颜色的光线。比较器是一种能够比较两个输入信号大小并输出相应结果的电路，通常由运算放大器构成。比较器的作用是将光敏二极管输出的电信号与设定的阈值进行比较，并根据比较结果输出高低电平信号。
2.3 温度传感模块
温度传感模块主要由温敏元件、比较器等装置组成。温敏元件是一种随着温度变化而改变其物理或电学性质的元件。温敏元件可以实时监测大棚内部的温度变化，并将这些变化转换为相应的电信号。这些电信号会被输送到比较器中，与设定的温度阈值进行比较，然后输出高低电平信号给电气控制模块。电气控制模块根据这些信号控制卷帘收起或放下，从而调节大棚内部的温度和湿度，为作物生长提供良好的环境条件。常见的温敏元件有热敏电阻、热电偶等。热敏电阻是一种随着温度变化而改变其电阻值的元件，可以用来监测较低范围和精度的温度变化。热电偶是一种由两种不同金属材料组成的闭合回路，可以用来监测较高范围和精度的温度变化。在实际应用中，可以根据需要选择合适的温敏元件来监测不同范围和精度的温度变化。在温度传感模块中，比较器的作用是将温敏元件输出的电信号与设定的阈值进行比较，并根据比较结果输出高低电平信号。
2.4 电气控制模块
电气控制模块包括可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、驱动芯片、继电器等。PLC 是一种专用于工业控制的微型计算机，具有可编程、可扩展、可监测等特点。PLC可以根据用户编写的程序执行各种逻辑运算和控制指令，从而实现对各种设备和过程的自动控制。在此装置中，PLC 可以根据光敏二极管和温敏元件输出信号及用户设置参数进行逻辑判断，并通过驱动芯片控制继电器通断来驱动卷帘机械机构运转，实现卷帘自动收起或放下［3］。驱动芯片是一种用于驱动继电器或其他负载的集成电路，可以将PLC 输出的低功率信号转换为高功率信号，并提供过流、过压、短路等保护功能。继电器是一种用于实现电路开关或转换的电控器件，其由线圈和触点组成。当线圈通电时，继电器就会吸引触点闭合或断开，从而实现对负载的控制。
2.5 卷帘机械机构
卷帘机械机构包括直流减速机、链条轮、钢丝绳等部件，需要安装在大棚顶部的两端。直流减速机是卷帘机械机构的核心部件，在电气控制模块的控制下可正反转动，带动链条轮和钢丝绳滑行，从而实现卷帘在导轨上的收放。直流减速机的特点是具有调速功能，且噪声较小，可以通过调整电气控制模块中的参数调节转速。链条轮和钢丝绳则起到传递动力的作用。此外，用户可以通过远程控制器或手机App 手动控制卷帘的收放，以满足不同的农业生产需求。
3.1 节能环保
该装置采用太阳能光伏板供电，将太阳能转化为电能，既节约了非可再生资源，又减少了温室气体排放和环境污染。同时，该装置可以利用蓄电池储存多余的电能，在没有太阳光时仍然可以正常工作，保证了系统的稳定性和可靠性。
3.2 可实现智能控制
该装置可实时监测大棚内外部的光照强度和温度变化，并自动控制卷帘的收放，实现大棚内部光照和温湿度的智能调节，为作物生长提供良好的环境条件。当温度过高或光照强度过强时，卷帘自动展开，能避免过热和光照过强对作物造成伤害；
在温度过低或光照强度过弱时，卷帘自动关闭，以保持大棚内部的温度和湿度适宜，保证作物的正常生长。同时，该装置可以通过手机App 或语音助手进行远程控制和参数设置，提升了系统的智能化水平和用户体验。
3.3 结构简单轻便，易于安装和维护
该装置采用简单可靠的卷帘机械机构和直流减速机驱动方式，易于安装在大棚顶部，并且运行平稳、噪声小、故障率低、维护方便。同时，卷帘采用双层布料结构（在卷帘布料上下两层之间留有一定空隙，并在空隙中注入空气或其他气体，利用空气层隔离热传导效应，阻挡热量的流动），有效降低了卷帘双层布料之间的温差，增加了卷帘的隔热性能，并减轻了卷帘对大棚的压力。
3.4 可提高农业生产效率
该装置可以根据外界环境变化自动调控卷帘状态，保持大棚内部温度和光照适宜，为农作物的生长提供良好的环境条件。同时，该装置可以根据不同作物的需求进行定制化设置，可提高农业生产的精细化管理水平，对于满足日益增长的农产品需求和提高农民收入具有重要意义。
3.5 能降低运行成本
该装置采用太阳能作为主要供电方式，无须外接电源，避免了电费等额外开支。同时，该装置采用简单耐用的卷帘机械机构和直流减速机驱动方式，减少了运行维护成本，对于降低大棚生产投入和提高大棚生产效益具有重要意义。实践证明，应用该装置可以节省30%～50%的能源投入和10%～20%的人工成本。
3.6 可扩展性强
该装置采用模块化设计思路，不同模块之间通过简单连接方式组合，易于扩展和升级。例如，可以增加温室自动灌溉、二氧化碳浓度监测、土壤肥力监测等模块，提高温室生产的自动化程度［4］；
可以增加视频监控、防盗报警、语音播报等模块，提高温室生产的安全性和便利性［5］；
可以增加数据分析、云存储、远程管理等模块，提高温室生产的智能化水平。
3.7 适用范围广
该装置适用于各类作物种植，如蔬菜种植、花卉种植等。用户可以根据不同作物的需求进行定制化设置，如对于需要较长日照时间或较高温度的作物，可以手动延长卷帘关闭时间或提高温度阈值等。此外，该装置适用于不同地区的气候环境和天气变化，用户可根据不同环境条件进行相应的参数设置和调节，适用范围广、灵活性强。
笔者开发设计了一种基于光电感应系统调控的农业大棚智能卷帘装置。该装置可以实现卷帘的自动收放和远程控制功能，不仅可以保持大棚内部环境条件适宜，提高生产效率，还可以节约资源、减少污染、降低成本。在未来的农业生产中，该装置具有广阔的应用前景和重要的推广价值。
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