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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 抗旱智能循環(huán)大棚
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 2008年入冬以來(lái)，我國(guó)北方出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，旱災(zāi)范圍之廣、持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)、受旱面積之大為歷史罕見。針對(duì)目前農(nóng)作物種植方式普遍存在抗旱能力的不足，設(shè)計(jì)出了一種能夠適應(yīng)干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)大棚，并結(jié)合現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)、土木工程技術(shù)、太陽(yáng)能利用技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)，使大棚能夠自動(dòng)化控制，并且充分利用清潔能源，節(jié)能環(huán)保。
- 詳細(xì)介紹：
- 本系統(tǒng)由虛擬控制終端和大棚基站組成，虛擬控制終端由Qt編寫，能夠完成圖形界面繪制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、PID控制計(jì)算和語(yǔ)音通訊。大棚基站以ARM為控制核心，通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)棚內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集（如溫度、濕度、光照、CO2等），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，再由無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境參數(shù)發(fā)送給虛擬控制終端。當(dāng)虛擬控制終端接受到數(shù)據(jù)后，與系統(tǒng)設(shè)定的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比較，并結(jié)合PID算法，發(fā)出控制指令，大棚基站接受到控制指令后，精確控制各個(gè)控制終端（水泵、風(fēng)機(jī)、照明等）。系統(tǒng)擁有良好的監(jiān)測(cè)和控制性能，控制精度高。大棚本身結(jié)構(gòu)具有蓄水功能及先進(jìn)的灌溉措施，達(dá)到抗旱和節(jié)能的目的。兩套水循環(huán)系統(tǒng)，既有效的吸收太陽(yáng)能，又高效的控制棚內(nèi)溫度，減少對(duì)煤、電、油的需求，大大節(jié)省了成本。該智能大棚人機(jī)界面良好、操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高，造價(jià)低廉，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一.發(fā)明目的 針對(duì)目前農(nóng)作物種植方式普遍存在抗旱能力的不足，設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)干旱地區(qū)的智能農(nóng)業(yè)大棚。 二.基本思路 新型抗旱節(jié)水技術(shù)，提高水資源的利用率。雨季蓄水，旱季供水，新增灌溉水塔，減小泵機(jī)功耗。熱交換系統(tǒng)存儲(chǔ)太陽(yáng)能，先由泵將載熱流體抽取到薄膜細(xì)管中吸熱，然后返回到儲(chǔ)熱池中進(jìn)行交換，把太陽(yáng)能儲(chǔ)存在比熱大的水中。當(dāng)棚內(nèi)溫度較低時(shí)，把儲(chǔ)存的熱量進(jìn)行釋放，提高大棚內(nèi)的溫度。系統(tǒng)采用全GUI控制方式，在控制界面上，能夠反饋出所有的環(huán)境參數(shù)和控制狀態(tài)，操作簡(jiǎn)單。 三.創(chuàng)新點(diǎn) 大棚底部設(shè)有蓄水池和蓄熱池，提高土地利用率。灌溉用水預(yù)存于水塔上，降低泵機(jī)功耗。大棚之間自適應(yīng)組網(wǎng)和高速率傳輸，提高了布置的靈活性。全GUI人機(jī)界面，操作直觀。新型細(xì)管薄膜，吸熱隔溫，合理調(diào)節(jié)大棚溫度。內(nèi)嵌專家系統(tǒng)，跟蹤植物的生長(zhǎng)期，給出最佳的栽培指導(dǎo)。 四.技術(shù)關(guān)鍵 采用全GUI控制界面，處理大量交互信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)中各點(diǎn)的工作狀態(tài)。組網(wǎng)具有足夠強(qiáng)的靈活性。大棚基站具有無(wú)線收發(fā)、泵機(jī)控制和呼叫對(duì)講功能。內(nèi)嵌專家系統(tǒng)，給出最佳的栽培指導(dǎo)。高精度的控制算法，能夠根據(jù)設(shè)定參數(shù)給出最理想的控制決策。 五.主要技術(shù)指標(biāo) 1.無(wú)線最大組網(wǎng)數(shù)255；2.無(wú)線最大帶寬2M/s；3.最大通信距離500米；4.溫度范圍-30～60℃,精度±0.5℃ ；5.濕度范圍 0～100%RH，精度±5%RH；6.光照0～100% ，精度為±2%；7.CO2 500～10000PPM，精度±20%/1000PPM；
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.目前專業(yè)的過程控制軟件價(jià)格相當(dāng)昂貴，而且需要熟悉軟件的專門人才來(lái)操作，其授權(quán)費(fèi)用也相當(dāng)高，所以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面并不經(jīng)濟(jì)。本控制軟件由開源版的Qt編寫，遵循GPL協(xié)議，可以免費(fèi)使用。控制界面虛擬出真實(shí)大棚，形象生動(dòng)。只需要鼠標(biāo)點(diǎn)擊，就能夠輕松設(shè)定運(yùn)行參數(shù)和控制大棚狀態(tài)。 2.擁有專家系統(tǒng)，這套數(shù)據(jù)庫(kù)中存有各種常見蔬菜植物的生長(zhǎng)周期，各個(gè)環(huán)節(jié)中所需的溫度、濕度和光照等環(huán)境參數(shù)，并提供專家指導(dǎo)意見。這樣的專家系統(tǒng)解決了農(nóng)民信息來(lái)源匱乏的問題，能夠?qū)崟r(shí)的提醒農(nóng)戶安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 3.采用細(xì)管薄膜，此種薄膜由兩層薄膜，中間夾著透明薄膜管，用于流通液體，吸收太陽(yáng)能之用。其雙層薄膜如同雙層玻璃一樣，其保溫效果要比現(xiàn)有單層薄膜高上30%左右。而且耐腐蝕性能提高不少，延長(zhǎng)了使用壽命。 4.在現(xiàn)有的滴灌技術(shù)上做了改進(jìn)，加裝了灌溉水塔和變頻閥。只需灌溉網(wǎng)中的一個(gè)灌溉泵向水塔供水，就可以給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)供水。變頻閥可根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令，調(diào)節(jié)灌溉水的流速，避免盲目灌溉，這樣既提高灌溉效率也減少了水源的浪費(fèi)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2008年9月，在“TI杯模擬電子設(shè)計(jì)大賽”中獲得一等獎(jiǎng)，并同時(shí)獲得優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。 2009年3月，在校“第二屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽”中獲得一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 模型、圖紙 、現(xiàn)場(chǎng)演示 、圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 一.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 彌補(bǔ)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚在抗旱性能上的不足。在目前最節(jié)水的滴灌方式上加裝了灌溉水塔和變頻閥，更節(jié)水節(jié)能。當(dāng)白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)時(shí)，儲(chǔ)存太陽(yáng)能。晚上通過散熱器來(lái)提高大棚內(nèi)的溫度。控制終端與各大棚之間的通信由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成，提高整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，由控制終端進(jìn)行顯示和精確控制。 二.適用范圍 由于其特點(diǎn)，使其特別適合在北方干旱地區(qū)推廣。棚內(nèi)可實(shí)現(xiàn)蔬菜種植、育種栽培、花卉盆景等生產(chǎn)。 三.市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 按照建設(shè)1棟600平方米的智能大棚，需以下經(jīng)濟(jì)投入：材料預(yù)算(包括管材、薄膜、電器等，共計(jì)29290元)、技術(shù)支持（技術(shù)轉(zhuǎn)讓與維護(hù)升級(jí)，共計(jì) 9000元）、人工（6000元）；合計(jì)：44290元。一棟大棚年產(chǎn)1.5萬(wàn)公斤蔬菜，按每公斤2.5元計(jì)算，產(chǎn)值為3.75萬(wàn)元，由于本大棚高度自動(dòng)化控制，高效率的灌溉措施和清潔能源的利用，所以在年平均成本投入上可大大減少。去除成本年純收入可達(dá)2.5萬(wàn)元。2～3年即可收回全部投資，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
同類課題研究水平概述
- 從60年代荷蘭的第一代環(huán)境溫室開始，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的多種高度自動(dòng)化的智能大棚，在對(duì)各個(gè)環(huán)境元素的控制方面，更多的融入了現(xiàn)代信息技術(shù)。本大棚在設(shè)計(jì)中也同樣采用了多項(xiàng)新概念的技術(shù)，下面就從大棚的增溫技術(shù)、灌溉技術(shù)、光照的調(diào)節(jié)與控制和大棚專家系統(tǒng)等方面同國(guó)內(nèi)外研究水平做個(gè)比較。 1.大棚的增溫技術(shù)主要有兩種方式，一種是采用燃?xì)?油)鍋爐的熱水采暖，另一種是直接燃?xì)?油)加溫的熱風(fēng)采暖。但都存在能源消耗較大的缺點(diǎn)。本大棚采用的是以太陽(yáng)能增溫為主，輔以通過燃?xì)猓ㄓ停╁仩t增溫的技術(shù)。通過棚頂?shù)募?xì)管薄膜來(lái)吸收太陽(yáng)能，并將其儲(chǔ)存在蓄熱池中。當(dāng)棚內(nèi)溫度較低時(shí)就可釋放來(lái)增溫。在嚴(yán)冬太陽(yáng)能無(wú)法達(dá)到加熱效果時(shí)，亦可以通過燃?xì)猓ㄓ停╁仩t來(lái)提升儲(chǔ)熱池中的溫度。 2.大棚的灌溉技術(shù)包括人工澆水灌溉、溝畦灌、噴灌和滴灌等方式。但都水資源利用不高，能源消耗較大。本灌溉系統(tǒng)是在滴灌的基礎(chǔ)上做了較大改進(jìn)而來(lái)的，加裝了灌溉水塔和變頻閥，只需大棚群中的一個(gè)灌溉泵向水塔供水，就可以給整個(gè)灌溉網(wǎng)供水，大大降低了能源損耗。而且也避免了泵機(jī)出故障而導(dǎo)致的無(wú)水可灌溉的困難局勢(shì)。變頻閥可以控制灌溉水的流速，有條理的灌溉。提高灌溉效率并減少水源浪費(fèi)。 3.大棚光照的調(diào)節(jié)與控制一般采取兩種方式，一是外覆蓋(玻璃)上噴灑白色涂層技術(shù)，通過在外覆蓋表面上噴灑一層白色涂料。另一種是通過用計(jì)算機(jī)卷簾或人工卷簾方式。但大面積卷簾的控制，需要消耗大量的資金，因此在大面積推廣使用上有一定的難度。本大棚的降溫措施主要依賴于細(xì)管薄膜，其具有較強(qiáng)的隔熱能力。并通過載熱流體，吸收并存儲(chǔ)太陽(yáng)能。不需要復(fù)雜的控制手段，高效實(shí)用。 4.美國(guó)農(nóng)業(yè)部于1985年建立的comax-cossym能為棉花管理提供全面咨詢，用于確定灌溉、施肥、施用脫葉劑和棉桃開裂的最佳管理方案。我國(guó)在農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)也有所嘗試，其中包括砂疆黑土小麥?zhǔn)┓蕦＜蚁到y(tǒng)、多媒體玉米病蟲害診斷專家系統(tǒng)等。但應(yīng)該看到還存在一些理論化、不實(shí)用、應(yīng)用范圍窄等問題。本大棚從解決生產(chǎn)實(shí)踐中的難題出發(fā)，以實(shí)際應(yīng)用為目的，開發(fā)出了一套適合蔬菜、花卉、盆景等棚育栽培植物的研究方法和實(shí)用系統(tǒng)。它能根據(jù)植物品種和生長(zhǎng)期記錄，自動(dòng)在知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索，非匹配模糊查找相關(guān)的知識(shí)，并把最終結(jié)果反饋到虛擬控制終端上。這樣的專家系統(tǒng)解決了農(nóng)民信息來(lái)源匱乏的問題，能夠?qū)崟r(shí)的提醒農(nóng)戶安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
