智能微喷喷灌设备的设计

□ 吴 慧 □ 张海振

1.九州职业技术学院 机电与汽车工程学院 江苏徐州 221116 2.江苏美正电子科技有限公司 江苏徐州 221113

1 设计背景

随着现代农业化生产的发展,温室环境中的作物生产与智能灌溉已经普及,提高灌溉水利用效率成为学者们重点关注的课题。 微喷是在喷灌与滴灌的基础上总结改进后形成的一种先进技术。微喷喷灌设备利用低压水泵和管道系统供水,在低压水流的作用下,微型雾化喷头将水喷射到空中,并散成细小雾滴,喷洒在作物枝叶上或树冠下。与喷灌形式相比,微喷更为省水,而且雾滴细小,适应性更强。微喷技术除了向植物提供水分,提高土壤含水量外,还可以对农作物生长环境的湿度进行调节,起到调节小气候的作用。因此,开发低成本、节水、节能的微喷喷灌设备具有经济价值和社会意义。

目前,现有应用的微喷管通常铺设在地面上或架设在支架上。由于不同作物的株高、种植行距、茎叶密集程度不同,微喷喷射幅宽和喷洒均匀度受到很大影响。另一方面,微喷喷灌设备水量不能自动控制,只能根据操作人员的主观意愿进行喷灌,喷灌效果不佳。对此,需要设计一种能够适应作物不同生长时期株高和茎叶密集程度变化,自动调节喷灌范围的智能微喷喷灌设备。

针对上述微喷喷灌设备存在的问题,笔者设计了智能微喷喷灌设备,能够根据作物生长环境湿度,适应作物不同生长时期株高和茎叶密集程度变化,自动调整喷灌范围进行微喷,并可以对环境湿度实时监测。

2 结构设计

智能微喷喷灌设备总体结构如图1所示,由供水系统和智能微喷喷灌支架组成。供水系统由微喷管道、安装在微喷管道上的微喷头、与微喷管道连接的水泵组成,为微喷喷灌提供水源。智能微喷喷灌支架包括导轨、支撑机构、伸缩机构、安装在伸缩机构端部的湿度传感器。支撑机构由支撑杆、弧形安装架、安装在支撑杆端部的主动齿轮、伺服电机组成。弧形安装架的下侧设有与主动齿轮相啮合的齿纹,弧形安装架的上侧设有U形支架。微喷管道布置在U形支架内,实现微喷管道与弧形安装架同步移动。根据作物的生长期,当需要调整喷灌范围时,智能控制系统启动伺服电机,驱动主动齿轮转动。随着主动齿轮的转动,弧形安装架与上方的微喷管道一起移动,微喷管道位置发生变化,从而实现对喷灌范围的调整。

3 智能微喷喷灌支架设计

3.1 支撑机构

支撑机构结构如图2所示。弧形安装架的截面为 H形结构,包括立板、弧形侧板、弧形底板。齿纹设置在弧形底板上,弧形底板的两端设有限位块,限位块可限定整个弧形安装架的移动范围,从而实现对微喷管道移动范围的控制。

支撑杆顶端设有L形滑块,弧形侧板上设有与 L形滑块相配合的滑槽。设置L形滑块和滑槽,可以进一步保证弧形安装架移动的稳定性。

为了使弧形安装架在移动过程中根据需要固定在某一位置,在L形滑块上设置定位孔,弧形侧板上设置固定孔,当弧形安装架移动至某一位置时,将定位销插在定位孔和固定孔之间,实现固定。这一结构设计可以在拓宽弧形安装架移动角度的同时,保证弧形安装架的稳定性,避免发生弧形安装架突然移动的情况。

考虑到作物会越长越高,茂盛的枝叶影响对作物的有效喷灌,设计了高度能够调节的支撑杆。支撑杆包括上支撑杆和下支撑杆。上支撑杆侧壁上安装有第一伞齿轮,第一伞齿轮的齿轮轴穿过上支撑杆的侧壁连接转盘。下支撑杆连接螺纹杆,螺纹杆的顶端安装与第一伞齿轮啮合的第二伞齿轮。转动转盘,第二伞齿轮随之转动,第一伞齿轮在第二伞齿轮的带动下转动,与第一伞齿轮连接的螺纹杆相对下支撑杆向上移动,从而带动上支撑杆向上移动,实现对整个支撑杆高度的调节,以此满足作物喷灌的需求。

▲图2 支撑机构结构

3.2 伸缩机构

作物在不同生长期,株高和茎叶密集程度变化,将影响智能微喷喷灌设备环境湿度采集的准确性。针对这一问题,可以通过调节伸缩机构电动伸缩杆的长度,实现检测范围的调整。电动伸缩杆上端安装有湿度传感器,随着电动伸缩杆长度的变化,湿度传感器检测范围可以调整,进而满足作物不同生长期湿度检测精度的要求。

4 智能控制系统设计

智能微喷喷灌设备配置的湿度传感器实时检测作物所处环境的湿度情况,并将信号发送至可编程序控制器。可编程序控制器经过处理分析,在需要时启动水泵。伺服电机驱动主动齿轮转动,微喷管道位置随之发生变化,从而实现对作物喷灌的调整。伸缩机构电动伸缩杆的长度可以调整,适应湿度传感器检测范围。通过不同位置湿度检测数值的分析,确定喷灌调整范围。当需要针对作物根茎和叶单独进行喷灌时,也可以通过调整弧形安装架的位置实现。当微喷管道的一端处于最低点时,可以对作物根茎进行喷灌。当微喷管道的一端处于最高点时,可以对作物的叶进行喷灌。

作物不同生长期对水量需求不同,需要随时调整喷灌范围和喷灌水量。当环境湿度低于作物需求时,可编程序控制器的比较模块输出高电平,继电器吸合,补水设备电路导通,启动水泵开始工作。随着土壤中含水量的提高,湿度提高,达到设定的阈值时,比较模块输出低电平,继电器断开,补水设备的电路断路,水泵停止补水。

5 结束语

笔者设计的智能微喷喷灌设备能够调节微喷管道与作物之间的距离和位置。微喷管道安装在智能微喷喷灌支架上,通过调整喷灌范围,可以适应作物不同生长期株高和茎叶密集程度变化对水分的要求。湿度传感器可实时采集作物所处环境的湿度情况,智能微喷喷灌设备根据需要进行喷灌。可以对微喷情况进行实时监测,避免出现过喷的情况。智能微喷喷灌设备的设计可以助力现代农业生产的发展,具有实用价值。