基本信息
- 项目名称：
- 抗旱智能循环大棚
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 2008年入冬以来，我国北方出现了严重干旱，旱灾范围之广、持续时间之长、受旱面积之大为历史罕见。针对目前农作物种植方式普遍存在抗旱能力的不足，设计出了一种能够适应干旱地区的农业大棚，并结合现代无线通信技术、计算机嵌入式技术、土木工程技术、太阳能利用技术和节水灌溉技术，使大棚能够自动化控制，并且充分利用清洁能源，节能环保。
- 详细介绍：
- 本系统由虚拟控制终端和大棚基站组成，虚拟控制终端由Qt编写，能够完成图形界面绘制、数据处理、数据库管理、PID控制计算和语音通讯。大棚基站以ARM为控制核心，通过无线传感器网络节点对棚内的各种环境参数进行采集（如温度、湿度、光照、CO2等），经过数据处理后，再由无线通信网络将环境参数发送给虚拟控制终端。当虚拟控制终端接受到数据后，与系统设定的环境参数进行比较，并结合PID算法，发出控制指令，大棚基站接受到控制指令后，精确控制各个控制终端（水泵、风机、照明等）。系统拥有良好的监测和控制性能，控制精度高。大棚本身结构具有蓄水功能及先进的灌溉措施，达到抗旱和节能的目的。两套水循环系统，既有效的吸收太阳能，又高效的控制棚内温度，减少对煤、电、油的需求，大大节省了成本。该智能大棚人机界面良好、操作简便，自动化程度高，造价低廉，具有良好的应用前景和推广价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一.发明目的 针对目前农作物种植方式普遍存在抗旱能力的不足，设计出一种适应干旱地区的智能农业大棚。 二.基本思路 新型抗旱节水技术，提高水资源的利用率。雨季蓄水，旱季供水，新增灌溉水塔，减小泵机功耗。热交换系统存储太阳能，先由泵将载热流体抽取到薄膜细管中吸热，然后返回到储热池中进行交换，把太阳能储存在比热大的水中。当棚内温度较低时，把储存的热量进行释放，提高大棚内的温度。系统采用全GUI控制方式，在控制界面上，能够反馈出所有的环境参数和控制状态，操作简单。 三.创新点 大棚底部设有蓄水池和蓄热池，提高土地利用率。灌溉用水预存于水塔上，降低泵机功耗。大棚之间自适应组网和高速率传输，提高了布置的灵活性。全GUI人机界面，操作直观。新型细管薄膜，吸热隔温，合理调节大棚温度。内嵌专家系统，跟踪植物的生长期，给出最佳的栽培指导。 四.技术关键 采用全GUI控制界面，处理大量交互信息，实时监控网中各点的工作状态。组网具有足够强的灵活性。大棚基站具有无线收发、泵机控制和呼叫对讲功能。内嵌专家系统，给出最佳的栽培指导。高精度的控制算法，能够根据设定参数给出最理想的控制决策。 五.主要技术指标 1.无线最大组网数255；2.无线最大带宽2M/s；3.最大通信距离500米；4.温度范围-30～60℃,精度±0.5℃ ；5.湿度范围 0～100%RH，精度±5%RH；6.光照0～100% ，精度为±2%；7.CO2 500～10000PPM，精度±20%/1000PPM；
科学性、先进性
- 1.目前专业的过程控制软件价格相当昂贵，而且需要熟悉软件的专门人才来操作，其授权费用也相当高，所以应用在农业方面并不经济。本控制软件由开源版的Qt编写，遵循GPL协议，可以免费使用。控制界面虚拟出真实大棚，形象生动。只需要鼠标点击，就能够轻松设定运行参数和控制大棚状态。 2.拥有专家系统，这套数据库中存有各种常见蔬菜植物的生长周期，各个环节中所需的温度、湿度和光照等环境参数，并提供专家指导意见。这样的专家系统解决了农民信息来源匮乏的问题，能够实时的提醒农户安排农业生产。 3.采用细管薄膜，此种薄膜由两层薄膜，中间夹着透明薄膜管，用于流通液体，吸收太阳能之用。其双层薄膜如同双层玻璃一样，其保温效果要比现有单层薄膜高上30%左右。而且耐腐蚀性能提高不少，延长了使用寿命。 4.在现有的滴灌技术上做了改进，加装了灌溉水塔和变频阀。只需灌溉网中的一个灌溉泵向水塔供水，就可以给整个网络供水。变频阀可根据计算机的指令，调节灌溉水的流速，避免盲目灌溉，这样既提高灌溉效率也减少了水源的浪费。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年9月，在“TI杯模拟电子设计大赛”中获得一等奖，并同时获得优秀论文奖。 2009年3月，在校“第二届大学生课外学术科技作品竞赛”中获得一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 模型、图纸 、现场演示 、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一.技术特点和优势 弥补传统农业大棚在抗旱性能上的不足。在目前最节水的滴灌方式上加装了灌溉水塔和变频阀，更节水节能。当白天太阳辐射强时，储存太阳能。晚上通过散热器来提高大棚内的温度。控制终端与各大棚之间的通信由无线网络完成，提高整个系统的灵活性。无线传感器网络节点采集数据，由控制终端进行显示和精确控制。 二.适用范围 由于其特点，使其特别适合在北方干旱地区推广。棚内可实现蔬菜种植、育种栽培、花卉盆景等生产。 三.市场分析和经济效益预测 按照建设1栋600平方米的智能大棚，需以下经济投入：材料预算(包括管材、薄膜、电器等，共计29290元)、技术支持（技术转让与维护升级，共计 9000元）、人工（6000元）；合计：44290元。一栋大棚年产1.5万公斤蔬菜，按每公斤2.5元计算，产值为3.75万元，由于本大棚高度自动化控制，高效率的灌溉措施和清洁能源的利用，所以在年平均成本投入上可大大减少。去除成本年纯收入可达2.5万元。2～3年即可收回全部投资，经济效益十分可观。
同类课题研究水平概述
- 从60年代荷兰的第一代环境温室开始，国内外出现的多种高度自动化的智能大棚，在对各个环境元素的控制方面，更多的融入了现代信息技术。本大棚在设计中也同样采用了多项新概念的技术，下面就从大棚的增温技术、灌溉技术、光照的调节与控制和大棚专家系统等方面同国内外研究水平做个比较。 1.大棚的增温技术主要有两种方式，一种是采用燃气(油)锅炉的热水采暖，另一种是直接燃气(油)加温的热风采暖。但都存在能源消耗较大的缺点。本大棚采用的是以太阳能增温为主，辅以通过燃气（油）锅炉增温的技术。通过棚顶的细管薄膜来吸收太阳能，并将其储存在蓄热池中。当棚内温度较低时就可释放来增温。在严冬太阳能无法达到加热效果时，亦可以通过燃气（油）锅炉来提升储热池中的温度。 2.大棚的灌溉技术包括人工浇水灌溉、沟畦灌、喷灌和滴灌等方式。但都水资源利用不高，能源消耗较大。本灌溉系统是在滴灌的基础上做了较大改进而来的，加装了灌溉水塔和变频阀，只需大棚群中的一个灌溉泵向水塔供水，就可以给整个灌溉网供水，大大降低了能源损耗。而且也避免了泵机出故障而导致的无水可灌溉的困难局势。变频阀可以控制灌溉水的流速，有条理的灌溉。提高灌溉效率并减少水源浪费。 3.大棚光照的调节与控制一般采取两种方式，一是外覆盖(玻璃)上喷洒白色涂层技术，通过在外覆盖表面上喷洒一层白色涂料。另一种是通过用计算机卷帘或人工卷帘方式。但大面积卷帘的控制，需要消耗大量的资金，因此在大面积推广使用上有一定的难度。本大棚的降温措施主要依赖于细管薄膜，其具有较强的隔热能力。并通过载热流体，吸收并存储太阳能。不需要复杂的控制手段，高效实用。 4.美国农业部于1985年建立的comax-cossym能为棉花管理提供全面咨询，用于确定灌溉、施肥、施用脱叶剂和棉桃开裂的最佳管理方案。我国在农业专家系统也有所尝试，其中包括砂疆黑土小麦施肥专家系统、多媒体玉米病虫害诊断专家系统等。但应该看到还存在一些理论化、不实用、应用范围窄等问题。本大棚从解决生产实践中的难题出发，以实际应用为目的，开发出了一套适合蔬菜、花卉、盆景等棚育栽培植物的研究方法和实用系统。它能根据植物品种和生长期记录，自动在知识数据库中搜索，非匹配模糊查找相关的知识，并把最终结果反馈到虚拟控制终端上。这样的专家系统解决了农民信息来源匮乏的问题，能够实时的提醒农户安排农业生产。
