CN106020290A - 温室大棚土壤温度智能调控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温室大棚土壤温度智能调控装置，包括依次连接的太阳能发电模块、蓄电池模块、电源切换模块、开关电源模块、电热丝模块，所述开关电源模块和电源切换模块还分别和单片机控制模块相连，所述单片机控制模块还和土壤温度传感器模块、通信模块分别连接，所述单片机控制模块和蓄电池模块之间连接有电压采样模块，所述通信模块和上位机相连。本发明能够设置不同品种蔬菜生长所需要的土壤温度和同一种蔬菜在不同生长阶段所需要的土壤温度，使得土壤温度能更好地满足蔬菜生长需要，当太阳能发电不足时，接通220V交流市电进行辅助加热，电热丝用0.6mm的70号碳素合金钢线作为电热转换的材料，布局为S形状，热效能高。

Description

温室大棚土壤温度智能调控装置
技术领域
本发明属于温度控制技术领域，具体涉及一种温室大棚土壤温度智能调控装置。
背景技术
温室大棚，又称暖房，能透光、保温（或加温），是用来栽培蔬菜等植物的设施。在不适宜蔬菜生长的季节，能提供温室生育期和增加产量，可用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等蔬菜栽培或育苗等。温室大棚的土壤温度对棚内蔬菜的生长有着重要影响，根系生长在土壤中，对土温要求较高。一般在10～30℃范围内，随着温度的提高，根系生长加快，吸收能力增强；2～10℃时，随着温度的提高，根系生长缓慢加快，吸收能力略有增强；小于2℃时，根系将停止生长，无吸收能力；大于30℃时，根系生长过旺，根系易老化。土温高，毛管水的运动速度加快，土壤供水力提高；水分蒸发加快，土壤透气性增强，土体内氧气含量提高；微生物活性提高，有机质分解加快，有效养分增多。不同生育阶段对地温的要求及反应也有差别。大棚一般室内不加温，靠温室效应积聚热量。其最低温度一般比室外温度高1~2℃，平均温度高3~10℃以上。土壤温度常常低于蔬菜所需要的理想数值，所以需要进行调控。
温室大棚地温的调控方法有：1.高垄栽培，地膜覆盖。在大棚和温室内进行高垄栽培可增加土壤的表面积，有利于多吸收热量、提高地温。覆盖地膜可提高地温1～3℃；2.挖防寒沟。为减少室内外土壤热量的交换，可在温室前缘挖防寒沟。防寒沟的深度为当地冻土层的厚度，宽相当于冻土层厚度的一半，内填杂草、马粪等，上覆塑料薄膜和土；3.在大棚、温室内增施有机肥。这些有机肥分解后释放出的生物热可提高地温。同时，土壤有机物的增加也可提高土壤的吸热保温能力；4.保持土坡湿度。土壤含的水分多则呈暗色，可以提高土壤的吸热能力。水的热容量大也可增加土壤的保温能力；5.提早扣棚。大棚、中小棚要提早扣棚盖膜，以增加土壤的热量贮存；6.地下加温，利用电热加温线、酿热物温床、地下热水管通道等设备进行土壤加热是提高地温最有效的措施，但是成本较高。
中国专利201520944526.5公开了一种基于太阳能的土壤温度调节系统，采用太阳能进行发电，通过将发热组件埋入土壤，并且发热组件为石墨烯发热组件，对土壤直接加热，不会浪费能量耗散在空气中，在不改变气温的情况下，保证土壤的温度，能够很好地保护 蔬菜的根部不被冻伤，而且，由于没有造成空气升温，不会导致虫害增加；能够节省能量消耗，提升经济效益。中国专利201510460114.9公布了一种大棚种植的自动化操作系统，包括储水池、单片机，在土壤缺水报警电路上连接有湿度传感器、低水位检测器、K2驱动电路、恒温检测保护电路以及土壤喷水装置切换电路，恒温检测保护电路包括与市电连接的变压模块以及与变压模块连接的温度控制电路，在温度控制电路与变压模块之间连接有K2 的常闭触点，在温度控制电路上还连接有与太阳能充电板连接的蓄电池，蓄电池与单片机连接，温度控制电路通过K1的常开触点连接空调，在恒温检测保护电路中设有当温度超过设定时能够通电的K1的线圈，从而实现节能型的自动灌溉、自动杀虫及自动控温功能。中国专利201010569052公布了一种电加热土壤温度控制器，包括温度传感器和电热丝，温度传感器和电热丝安放在土壤里，电路板和电热丝相连，电路板上配置有直流供电电路，温度传感器将温度转换为直流电压加在放大器的反向输入端，电阻与放大器组成控制温度设定电路，当土壤的温度低于设定的温度时，放大器输出高电平，三极管导通，电源切换接通对电热丝加热，当土壤的温度高于设定的温度时，放大器输出低电平，三极管截止，电源切换断开停止加热，本发明使用电对土壤加热，热效率高，使用方便，便于控制。
上述方法的缺点主要有：1、虽然也有主控模块，但是不能根据蔬菜的类型和不同生长期自动调节土壤温度，功能简单，没有智能化；2、没有利用市电在天气原因造成太阳能发电不足的情况下进行辅助加热的功能；3、采用石墨加热元件热效能差。
发明内容
本发明的目的是提供一种温室大棚土壤温度智能调控装置，由温度传感器、上位机、单片机等共同组成一个大棚温室智能化土壤温度采集调控系统，能够设置不同品种蔬菜生长所需要的土壤温度和同一种蔬菜在不同生长阶段所需要的土壤温度，使得土壤温度能更好地满足蔬菜生长需要。
本发明通过以下技术方案实现：
一种温室大棚土壤温度智能调控装置，包括依次连接的太阳能发电模块、蓄电池模块、电源切换模块、开关电源模块、电热丝模块，所述开关电源模块和电源切换模块还分别和单片机控制模块相连，所述单片机控制模块还和土壤温度传感器模块、通信模块分别连接，所述单片机控制模块和蓄电池模块之间连接有电压采样模块，所述通信模块和上位机相连；太阳能发电模块向蓄电池模块充电；单片机控制模块根据电压采样模块采集到的蓄电池电压控制电源切换模块，选择使用交流市电或者蓄电池模块给开关电源模块供电；上位机根据蔬菜类别、生长阶段和土壤温度传感器模块采集的当前土壤温度选择控制指令，将控制指令通过通信模块发送给单片机控制模块，单片机控制模块按照上位机的指令控制开关电源模块的打开或闭合，开关电源模块打开时向电热丝模块供电加热。
太阳能发电模块和蓄电池模块之间设有保护模块，所述保护模块防止太阳能发电模块向蓄电池模块过度充电。
所述上位机安装有数据库，所述数据库存储与蔬菜类别和生长阶段相对应的土壤温度数据。
所述电热丝模块由布局在蔬菜根系的电热丝构成，电热丝为直径在0.5毫米~0.7毫米之间的碳素合金钢线，其外部包裹耐热性强的乙烯树脂绝缘层。
所述电热丝采用S形沿蔬菜根系布局，布局的深度为地表下15厘米~25厘米之间。
所述土壤温度传感器模块包括若干每三个一组的数字温度传感器，每组数字温度传感器分别测量地表以下5~10厘米、10~15厘米和15~25厘米处的土壤温度。
所述单片机控制模块为各类单片机、DSP芯片、FPGA芯片、SOPC芯片或CPLD芯片。
所述电源切换模块为继电器、固态电子开关或绝缘栅双极晶体管。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
1、上位机、单片机控制模块、土壤温度传感器模块及通信模块构成了一个大棚温室土壤温度智能化采集控制系统，能设置不同蔬菜类型所需要的土壤温度及同一蔬菜在不同生长阶段所需要的土壤温度且能自动调节，使得土壤温度能更好地满足蔬菜生长需要。
2、本发明解决了可能由于天气原因造成太阳能发电不足的情况下影响加热效果的问题，即将开关电源模块接通220V交流市电进行辅助加热，保证土壤温度达到需要的数值，防止土壤温度大幅度波动，有利于促进蔬菜生长。
3、电热丝用0.5~0.7mm的70号碳素合金钢线作为电热转换的材料，布局为S形状，热效能高。
4、本发明的上位机可以储存与蔬菜类型及不同生长期相对应的温度数据，并通过通信模块传送给单片机。单片机采集到的温度数据也可通过通信模块传送给上位机进行保存，以备后续深入研究蔬菜生长状况与土壤温度的关系等。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的电热丝结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
1、保护模块；2、太阳能发电模块；3、开关电源模块；4、电热丝模块；；5、土壤温度传感器模块；6、单片机控制模块；7、通信模块；8、上位机；9、电源切换模块；10、蓄电池模块；11、电压采样模块。
具体实施方式
如图1所示，本发明公布一种温室大棚土壤温度智能调控装置，包括：保护模块1、太阳能发电模块2、开关电源模块3、电热丝模块4、土壤温度传感器模块5、单片机控制模块6、通信模块7、上位机8、电源切换模块9、蓄电池模块10和电压采样模块11。
太阳能发电模块2连接保护模块1，保护模块1连接蓄电池模块10并向蓄电池模块10充电，蓄电池模块10连接电源切换模块9，电源切换模块9连接开关电源模块3，还连接220V交流市电，开关电源模块3连接电热丝模块4；土壤温度传感器模块5连接单片机控制模块6，单片机控制模块6连接开关电源模块3还连接通信模块7，还连接电源切换模块9；通信模块7连接上位机8；电压采样模块11连接蓄电池模块和单片机控制模块6。
太阳能发电模块2经保护模块1向蓄电池模块10充电，保护模块1主要防止太阳能发电模块2向蓄电池模块10过度充电；蓄电池模块10通过电源切换模块9向开关电源模块3供电；电源切换模块9还连接220V交流市电，在天气原因造成太阳能发电不足的情况下，电压采样模块11采集到蓄电池模块10电压数据送给单片机控制模块6，单片机判断蓄电池电压低于额定值时，单片机控制电源切换切换到220V交流市电供电给开关电源模块3；开关电源模块3在单片机控制模块6的控制下向电热丝模块4提供大小可调电能给土壤加热，产生需要的土壤温度；通信模块7实现上位机8和单片机控制模块6之间的双向通信功能；土壤温度传感器模块5由若干DS18B20数字温度传感器构成，每三个一组，分别测量地表以下5~10厘米、10~15厘米和15~25厘米处，下面两个优先采集地表以下10厘米和20厘米处的土壤温度；单片机控制模块6控制温度传感器模块5采集土壤温度数据并将数据通过通信模块7传输给上位机8，上位机安装有与存储蔬菜类别、生长阶段相对应的土壤温度数据的数据库，上位机8对数据进行长期保存备作后续的进一步分析研究；上位机8根据事先设置的蔬菜类别和生长阶段以及当前土壤温度数据确定控制指令，然后将控制指令通过通信模块7发送给单片机控制模块6，单片机控制模块6按照上位机8的指令控制开关电源的工作，向电热丝提供大小合适的电压电流给土壤加热，产生蔬菜生长合适的土壤温度；电热丝直径在0.5毫米~0.7毫米之间，优先用直径为0.6mm的70号碳素合金钢线作为电热转换的材料，外用耐热性强的乙烯树脂包裹，作为绝缘层，如图2所示，电热丝采用S形沿蔬菜根系布置在土壤中，深度为地表下15厘米~25厘米之间，优先布局深度为地表下20厘米。
单片机控制模块可以是任何一种系列的单片机，或者称之为嵌入式系统的装置，包括各类单片机、DSP数字信号处理器、FPGA现场可编程门阵列、SOPC可编程片上系统、CPLD复杂可编程逻辑器件等器件。所述电源切换模块为继电器、固态电子开关或绝缘栅双极晶体管。
本发明中的电热丝采用S形状布置在土壤中。当检测到土壤温度低于设定值后，将温度数据送给单片机，单片机和上位机进行通信，单片机获得上位机指令后，单片机控制开关电源，开关电源向电热丝供电进行加热，使得土壤温度升高到需要数值。本发明能根据作物类型的不同和作物的不同生长期进行温度设置，并对温度数据加以保存以便深入研究作物生长状况与土壤温度的关系。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种温室大棚土壤温度智能调控装置，其特征在于，包括依次连接的太阳能发电模块、蓄电池模块、电源切换模块、开关电源模块、电热丝模块，所述开关电源模块和电源切换模块还分别和单片机控制模块相连，电源切换模块还与市电连接，所述单片机控制模块还和土壤温度传感器模块、通信模块分别连接，所述单片机控制模块和蓄电池模块之间连接有电压采样模块，所述通信模块和上位机相连；
太阳能发电模块向蓄电池模块充电；单片机控制模块根据电压采样模块采集到的蓄电池电压控制电源切换模块，选择使用交流市电或者蓄电池模块给开关电源模块供电；
上位机根据蔬菜类别、生长阶段和土壤温度传感器模块采集的当前土壤温度选择控制指令，将控制指令通过通信模块发送给单片机控制模块，单片机控制模块按照上位机的指令控制开关电源模块的打开或闭合，开关电源模块打开时向电热丝模块供电加热。
2.根据权利要求1所述的一种温室大棚土壤温度智能调控装置，其特征在于：太阳能发电模块和蓄电池模块之间设有保护模块，所述保护模块防止太阳能发电模块向蓄电池模块过度充电。
3.根据权利要求1所述的一种温室大棚土壤温度智能调控装置，其特征在于：所述上位机安装有数据库，所述数据库存储与蔬菜类别和生长阶段相对应的土壤温度数据。
4.根据权利要求1所述的一种温室大棚土壤温度智能调控装置，其特征在于：所述电热丝模块由布局在蔬菜根系的电热丝构成，电热丝为直径在0.5毫米~0.7毫米之间的碳素合金钢线，其外部包裹耐热性强的乙烯树脂绝缘层。
5.根据权利要求4所述的一种温室大棚土壤温度智能调控装置，其特征在于：所述电热丝采用S形沿蔬菜根系布局，布局的深度为地表下15厘米~25厘米之间。
6.根据权利要求1所述的一种温室大棚土壤温度智能调控装置，其特征在于：所述土壤温度传感器模块包括若干每三个一组的数字温度传感器，每组数字温度传感器分别测量地表以下5~10厘米、10~15厘米和15~25厘米处的土壤温度。
7.根据权利要求1所述的一种温室大棚土壤温度智能调控装置，其特征在于：所述单片机控制模块为DSP芯片、FPGA芯片、SOPC芯片或CPLD芯片。
8.根据权利要求1所述的一种温室大棚土壤温度智能调控装置，其特征在于：所述电源切换模块为继电器、固态电子开关或绝缘栅双极晶体管。
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