水力循环高架设施栽培装置优化设计及试验分析

高架设施栽培模式提升了温室作物的产量和质量。为此,针对固定式高架设施遮荫问题,通过测定30°、40°、50°、60°等不同角度栽培装置的光照遮阴变化情况,确定了基于光照因素的最优高架栽培架式角度为50°。为了解决固定式高架设施角度过大、底层作物光照不足等问题,利用温室控温管路系统中水的压力,创新设计了一种以水轮机为动力的自动循环高架装置,分析了结构组成及工作原理,采用SolidWorks软件设计了三维模型。同时,通过Fluent模拟分析不同型号叶轮作用下的水力压力和速度变化,确定了双列直线型六叶轮为最优叶轮选型。装置是以水力产生动力使栽培槽围绕支架匀速转动,为高架设施架式设计提供一种新思路,在创造良好光照条件的同时减少能源的消耗,具有较高的经济效益,在实际生产中具有一定的推广应用价值。

日光温室薄膜全自动清洗机研制与试验

针对日光温室薄膜人工清洗劳动强度大、自动化清洗设备缺乏的现状,该研究设计了一种日光温室薄膜全自动清洗机。为减小整机质量并降低成本,采用双蜗轮蜗杆电机分别驱动清洗主机的毛刷与爬升轴;设计地面移位换行装置,用以承载清洗主机沿温室长度方向移动;为实现自动换行清洗,设计棚顶移位换行装置,调整棚顶吊绳安装高度,避免吊绳在换行作业时与棚面产生干涉而影响换行质量或损伤薄膜。基于多传感器融合与数据校验技术,保证清洗主机、棚顶与地面移位装置间的协作实时性、一致性及可靠性。为验证设计方案的合理性与可行性,以参照日光温室跨度、脊高、肩高参数10:1制作模型温室,按外形尺寸5:1加工清洗样机,并进行对齐、倾斜偏移及清洗效果验证试验。结果表明,清洗主机升降时的水平偏移量在±3°以内,左右偏移量在±7 mm以内(换行操作时各偏移量无累积);地面与棚顶移位换行装置的单次换行误差与多次换行累计误差均在1 mm左右;毛刷材料选型与关键参数设计合理,可对薄膜表面灰尘进行有效清洗,洗净率为95.4%,清洗效果明显。该清洗机在丰富国内日光温室清洗装备类型的同时,有效解决了团队前期研发清洗机质量大、易伤膜、自动化水平低等问题,为温室大棚薄膜相关清洗设备的设计研发提供了参考。

拱架送/回风方式对日光温室冬季作物冠层区热环境的影响

传统日光温室被动的热环境调控模式难以满足温室作物冠层区空气温度和速度调控需求,且能源利用效率低下。为了改进日光温室热环境精准调控方法和提高温室能源利用效率,该研究结合日光温室围护结构特点,提出了一种日光温室拱架的送/回风方法,并基于温室作物多孔介质模型,建立了拱架送/回风系统温室的数值传热模型。采用空气温度与速度不均匀系数、气流速度适宜区面积比、能量利用系数以及累计有效积温等评价参数,研究了下送上回、中间回风和上送下回等3种温室拱架送/回风方式对日光温室冬季作物冠层区热环境的影响。结果表明,与中间回风和上送下回通风方式相比,下送上回通风方式对不同作物冠层高度处的空气温度和速度调控的结果最优,且不同作物冠层高度处气流速度适宜区面积比和累计有效积温都最大。当采用下送上回通风方式时,与送风干管风速为9、11和12 m/s相比,送风干管风速为10 m/s的能量利用系数最大,在作物冠层高度0.4、0.6、0.8和1.0 m处的能量利用系数分别为0.976、0.982、0.985和0.987,并且不同作物冠层高度处的空气温度不均匀系数和速度不均匀系数也都最小。因此,下送上回通风方式的推荐送风干管风速为10 m/s。该研究可为日光温室热环境的精准调控提供参考。

蔬菜大棚环境质量监测系统设计——基于网络通信技术

以蔬菜大棚环境质量监测为研究对象,基于网络通信技术、传感技术单片机原理,搭建大棚环境质量监测系统,对大棚环境内的光照强度、温度、湿度、二氧化碳浓度以及其他环境参数进行监测。试验分析数据表明:系统能够对大棚内的相关环境参数进行有效采集、分析和存储,运行性能稳定,具有较高的精度,可用于蔬菜大棚环境质量监测。

基于电子信息技术温室环境自动调控系统设计

为进一步优化我国温室环境自动调控的作业水平,从电子信息与信号控制角度展开系统的优化设计。以通用型的自动调控系统核心组成与功能特征为出发点,选定温度、湿度及光照度作为温室环境的主监测参数建立电子通信回路数学模型,展开系统相应的控制实现与硬件匹配。同时,进行自动调控监测试验作业,结果表明:基于电子信息技术应用下的温室环境自动调控系统布局规划可行,系统综合调控效率相对提升了5.80%;由于电子信号监测反馈的及时准确性,系统调控速率可提升至92.02%,温室满足效率可达90.11%。因此,将智能控制与内部电路信号处理深度结合,是今后设施农业发展的主流革新方向之一,有利于农业监测装备数字化、智能化的有效升级,具有良好的应用与推广价值。

基于大跨度拱棚湍流结构演化的棚型优化

大跨度拱棚在园艺设施中应用日益广泛,跨度、高度增加会加大棚内空间,但风温性能与时空演化更为复杂。为探明大跨度拱棚湍流结构演化规律并进行棚型优化,该研究以生产中常用的20 m跨度宜机化拱棚为主要对象,建立融合设施结构与番茄植株气动特征的多场耦合仿真分析模型,并开展示范工程应用。结果表明:大跨度拱棚存在湍流现象,断面涡流多呈双旋涡特征;棚的脊高越低,温度、气流分布均匀性越差,通风效率虽较高但换气率较低;风温分布均匀性会伴随拱棚高度增加变优,但太高时因热压通风演化为主通风方式,风压通风效能会明显下降;针对20 m大跨度拱棚,脊高6.0~6.5 m时构型较优,兼顾经济性、安全性等因素脊高取6.0 m更优。通过示范工程验证了模型的可靠性,为同类园艺设施结构构型优化提供了高效可靠手段。

气流扰动对黄瓜幼苗叶茎根解剖结构的影响

为了探索人工施加气流扰动对黄瓜幼苗促壮的机理,以“津优1号”黄瓜幼苗为研究对象,于2021年5—7月在江苏大学温室进行了不同气流速度和气流温度对温室黄瓜幼苗叶茎根解剖结构的试验.试验采用裂区设计,以气流温度为主因素,设计2个温度水平:25±5℃和35±5℃;以气流速度为副因素,设计4个速度水平:1,3,6,9 m/s;以不进行气流扰动处理为对照,研究不同处理对黄瓜幼苗叶片、茎秆和根解剖结构的影响.结果表明:气流扰动显著影响了黄瓜幼苗的株高,增加了叶片厚度、茎粗和根径.高温气流能够增加温室黄瓜幼苗株高,而低温气流则降低温室黄瓜幼苗株高.气流速度对温室黄瓜幼苗微结构的影响各不相同.6和9 m/s的凉风扰动时,作物抑制徒长效果最为明显,但9 m/s气流扰动易使作物弯折损伤.综上,以6 m/s凉风扰动最佳,可有效抑制高温高湿环境下黄瓜幼苗的徒长,是培育黄瓜壮苗的有效调控措施.

土壤调理剂改良苹果园土壤的研究进展

苹果在世界水果产业中占据重要地位,拥有很高的经济价值。但在苹果种植过程中,很多果园由于管理不当,导致土壤养分比例失衡、结构变差、质量降低,严重影响苹果产业的健康发展。为保障我国苹果产业良性发展,改善果园土壤质量势在必行。该文对苹果园目前研究中比较热门的几种土壤调理剂进行概述,并简述不同土壤调理剂之间,以及土壤调理剂同其他改良方式间的互作效应,以期为苹果园选择更好的土壤改良方法提供参考。

全钢架保温棉墙体轻简化日光温室的创新设计与建造

为有效解决传统温室造价高、用工多等问题,有效提高日光温室的建造效率,提升设施农业科技水平,创新设计了全钢架保温棉墙体轻简化日光温室。全钢架保温棉墙体轻简化日光温室是以轻质材料保温棉(玻璃丝棉)为墙体(包括后墙、山墙)、以全钢骨架组装配套的日光温室,相对于传统土墙温室,具有建造成本低、建造周期短、施工轻便、建造及拆卸方便,节省土地、不破坏自然环境,抗风、抗压能力强,空间大,有利于组装并应用智能水肥一体化、远程终端控制等物联网设施设备,便于设施园艺新产品、新技术的组装配套等优势。建造1座长70 m、跨度10 m的全钢架保温棉墙体轻简化日光温室,造价约为13.87万元,平均198.14元/m^(2),比传统土墙温室总成本减少3万元以上,适宜在河西走廊及西北地区的戈壁、耕地上推广,特别适合在戈壁荒漠地区开展葡萄、樱桃等园艺作物产品的提早、延迟上市栽培,及其他水果及蔬菜、花卉等园艺作物的1年2茬或周年生产及种苗繁育。

基于蜣螂算法优化BP的冬夏生菜根区温度预测模型

为解决生菜应用营养液膜技术(nutrient film technique,NFT)在冬夏季根区温度控制的问题,该研究基于机器学习方法,结合温室内外历史环境数据,构建BP神经网络根区温度预测模型。为提高模型精度,采用蜣螂算法(dung beetle optimizer, DBO)优化BP神经网络模型的输入权重和阈值,构建了冬夏两个季节的基于DBO-BP神经网络的栽培槽内根区温度预测模型,并与GA-BP、BP神经网络模型进行对比。结果表明,根区温度预测值与真实值变化趋势较为一致,DBO-BP模型温度预测最大误差为2.21°C,决定系数为0.943,而GA-BP与BP模型决定系数分别为0.928、0.892;DBO-BP模型评价指标的均方根误差、平均绝对误差分别为0.707、0.549°C,均小于其他模型评价指标。DBO-BP神经网络可满足在NFT栽培中根区温度预测精度的需求,能够为生菜栽培根区快速控温提供有效方法。

基于边缘计算的温室传感器故障自识别系统设计与实现

无线传感器数据为智能环境调控提供决策依据,合理准确的数据是正确决策的前提,实时检测异常数据至关重要。针对传统的静态数据异常检测算法检测精度和效率低下、将数据上传至云计算中心分析增加带宽的传输压力和控制决策反馈时间等问题,提出一种基于边缘计算和数据融合的新方法。采用多模态感知融合算法进行异常数据检测,对实际发生的湿度、温度、光照等农业温室异常数据集进行仿真分析,使用滑动窗口方式处理数据流无限问题,计算单传感器和多传感器数据方差、多传感器数据间相关性系数,优化关键结构参数。结果表明,该模型能够检测出传感器的异常数据,单节点多传感器故障识别率为82.5%,多节点多传感器故障识别率为72.5%,汇聚数据上传可减少传输频率,单次节约30%数据流量,减轻服务器压力与数据传输延迟。对于解决温室传感器数据异常问题及边缘计算在温室环境设备中的应用提供有益参考。

桁架拱塑料大棚骨架平面内竖向荷载受力性能试验

桁架拱塑料大棚在我国北方寒区广泛使用且数量庞大。由于我国北方寒区雪荷载大,而多数大棚骨架设计制造不合规,冬季常有暴雪导致的大棚坍塌事故发生。为研究桁架塑料大棚骨架在平面内竖向荷载的受力性能,以节点间距及桁架拱高度为影响因素,研制了4榀桁架拱塑料大棚骨架及试验装置。采用竖向加载的方法得到了桁架拱塑料大棚骨架竖向荷载作用下的试验现象、骨架极限荷载及位移等试验数据。通过极限荷载数据分析得到了影响桁架拱塑料大棚骨架承载力因素排列顺序为:矢高>上弦节点间距>桁架高度。通过分析骨架荷载-位移曲线得到了骨架弹性极限荷载及对应的弹性位移,并通过分析骨架变形形态得到了骨架进入平面外屈曲的位置和屈曲状态。采用ABAQUS建立了桁架拱塑料大棚骨架三维线性有限元模型,通过跨中及l/4跨处的荷载-位移曲线试验值与模拟值对比分析,验证了有限元模型的正确性。研究成果可为桁架拱塑料大棚使用阶段受力和后续非线性屈曲稳定有限元分析提供参考。

日光温室环境因子预测模型及应用——基于BP神经网络

为探讨北方日光温室内空气温湿度的变化规律,预测其变化趋势,进而确定合理的调控措施,采用L-M算法建立BP神经网络预测模型;选择S型函数作为网络激活函数,建立一种适用于北方日光温室空气温湿度环境因子的模拟预测模型。选取正常生产的日光温室为试验基地进行数据采集,采用皮尔逊相关系数确定模拟预测模型的输入因子,从1个月1440组实测数据中选取前29天的数据进行训练,对最后一天预测出的数据进行验证。研究结果表明:分段预测的预测值与实测值的符合度值大于全天预测,且分段预测的符合度大于0.99,均方根误差小于0.4,模型可用于模拟和预测北方日光温室大棚内空气温度与湿度的变化趋势,具有良好效果。

基于模糊控制的温室气候控制器设计

为解决猕猴桃基地“瑞玉”新品种苗木繁育中农业大棚温湿度控制精度、速度、稳定性的难题,依托猕猴桃育苗玻璃温室,设计适合农作物生长的环境因子模糊控制系统。该系统针对温室环境中温湿度的强耦合规律,在控制中增加温湿度解耦算法,通过建立不对称温湿度补偿规则库,将温度、湿度模糊控制的输出变量和解耦补偿输出合成后得出实际温湿度控制输出,对农业大棚的温湿度控制过程进行改善,优化大棚环境监控效果。结果表明:空气温度、空气湿度、光照强度控制精度分别达到了±2℃、±5%RH、±200 Lux,达到稳态时间分别为9 min、16 min、4 min,且基本保持稳定,本系统控制精度较高、调节速度快、鲁棒性好,具有较好的实用价值和推广价值。

考虑机械载荷和热载荷的温室大棚骨架结构轻量化设计

为探究温度变化对温室大棚骨架结构安全性的影响,建立考虑机械载荷和热载荷的大棚骨架热弹性结构优化设计模型。以机械载荷和热载荷下结构的最大应力值最小化为目标,以结构的总材料用量为约束,考虑机械载荷与热载荷联合作用下的应力分布,实现对大棚骨架的连续体结构优化设计,使结构在满足支撑刚度的前提下最大程度缓和结构的应力集中问题。考虑到热应力优化问题中的设计依赖性和中间变量问题,采用密度过滤函数获得清晰的最优拓扑构型。通过两种典型温室大棚骨架优化算例,对比不同温度变化幅度和不同材料用量下优化结构的最大等效应力,结果表明:该模型在相同体积比下结构最大等效应力优化效率最高可达到约15%,同种载荷条件下体积比增加0.1可实现结构最大等效应力优化效果提高近1%。该研究为考虑机械载荷和热载荷的大棚骨架热弹性结构优化设计提供有效的设计方法,对工程应用中的温室大棚骨架结构设计具有指导意义。

设施温室物联网智能测控系统研究

针对温室环境调控中手动控制和阈值条件调控存在调控精度低、参数超调严重等问题,以设施番茄温室为例,研究提出一种基于环境预测的精准调控策略。首先,构建专用物联网“六域”架构,采用MSP430F5438A作为主控模块,设计感知、通信等功能模块。其次,构建SSA-LSTM预测模型实现对温室环境的精准预测,并根据模型预测结果确定环境调控策略,通过PSO-PID控制模型实现对温室风口电机的精准控制。实验结果表明,相较于传统LSTM模型,SSA-LSTM预测模型的MAE降低58.52%,MAPE降低61.68%,RMSE降低63.84%。同时,相较于传统PID模型,PSO-PID控制模型的超调量降低89.99%,调节时间降低59.85%。系统经过实地部署验证,在保持种植品种和农事管理操作一致的情形下,智能调控的温室产量相较于传统温室提升约8.5%,证明了系统的有效实用性。

大跨度主动蓄能型温室温湿环境监测及节能保温性能评价

针对日光温室土地利用率低,单体小不能进行立体栽培果树种植,不利于机械化操作等问题。该文提出一种大跨度主动蓄能型温室,该温室南北走向,双屋面拱形钢骨架结构,并采用主动蓄放热系统进行能量的蓄积与释放。该试验以传统砖墙日光温室作为对照,对大跨度主动蓄能型温室室内外温湿度以及主动蓄放热系统的能量收支进行分析,并对比2种温室的建造成本,综合分析了试验温室保温节能效果及经济效益。结果表明：大跨度主动蓄能型温室土地利用率高达87.4%。温室夜间平均气温高于10℃,无极端低温,晴天夜间平均气温比对照温室高1.5～3.1℃,比室外高13.9～19.3℃;阴天夜间平均气温比对照温室高1.2～2.8℃,比室外高12.5～18.9℃。夜间室内相对湿度平均比对照温室低7%～10%。主动蓄放热系统性能系数COP（coefficient of performance）为3.4～4.2,平均每天能耗0.013 k Wh/m2,与传统燃煤锅炉加温系统相比,平均节能率为47%。大跨度主动蓄能型温室建造成本每平米307.2元,比传统砖墙日光温室低144.5元。大跨度主动蓄能型温室是一种土地利用率高,单体大,保温性能良好,能进行冬季果菜生产的新型温室类型,且投入少,综合其经济环境效益,值得推广应用。

日光温室空气余热热泵加温系统应用效果

中国日光温室是低碳节能设施结构类型的代表,但昼夜能量分布极不平衡,白天室内热量富余,而夜间低温高湿,冷害、病虫害时有发生。为实现日光温室内热量在时间、空间上的转移,以提高空气热能利用效率,提升日光温室抵御低温能力,设计了一套日光温室空气余热热泵加温系统。白天适时运行系统,将日光温室内富余空气热能泵取并储存于蓄热水池中;夜间室内气温较低时,首先开启风机和水泵,以对流换热方式通过表冷器直接散热;当蓄热水池水温降至一定温度,逆向运行热泵系统强制放热;此外,在连阴天及极端低温天气条件下,可开启风机与翅片式电加热对温室进行应急加温。对加温系统的应用效果进行试验,试验结果表明：与对照温室相比,系统运行期间,试验温室夜间平均气温高出2.8-4.4℃,相对湿度降低8.0%-11.5%;白天平均气温降低3.7-5.2℃,相对湿度降低12.3%-16.5%。系统不仅夜间加温、降湿效果显著,同时白天降温、除湿效果显著。系统白天集热功率为12.5-16.4 k W,制热性能系数为3.3-4.2;夜间表冷器散热阶段系统放热功率为9.3-10.3 k W,性能系数为6.6-7.4;逆向运行热泵强制放热阶段系统性能系数为3.8-4.1。加温周期内系统集、放热过程始终处于制热工况,整体性能系数达2.7,节能效果显著。该研究为日光温室夜间节能加温提供了新思路。

日光温室土墙体温度变化及蓄热放热特点

为研究日光温室土墙体温度变化规律及蓄放热特性,以泰安市下挖式土墙日光温室为研究对象,在温室北墙布置5个测试层,通过各测试层最冷季节（30 d）温室内气温、墙体温度、室外气温及室外太阳辐照度测试数据,分析了土墙日光温室内部温度及墙体内温度的分布规律。结果表明：各测试层墙体表面及0.1～0.6 m处测点的温度均呈现出随温室气温周期性变化的规律,且随着墙体厚度的增加温度的波动幅值逐渐减小,相位明显后移;0.7 m以后测点的温度幅值趋于稳定,处于稳态向室外的导热过程。基于墙体温度分布规律,对墙体白天的蓄热量、夜间的放热量及墙体夜间放热效率进行了计算,得出墙体夜间放热效率为43%,表明土墙白天蓄积热量的43%用于改善夜间温室内热环境。对墙体蓄热和放热量计算,综合评价墙体的平均放热效率,可以为土墙日光温室结构优化及热负荷计算提供指导,为各地土墙温室轻简化技术研究提供理论基础。

日光温室主动蓄热后墙传热CFD模拟及性能试验

中国的日光温室实现了高效的能量利用，在中国北方地区的冬季农业生产中发挥了巨大的作用。但在实践生产中日光温室存在巨大的能量不平衡，给北方冬季的农业生产造成很大的损失，同时也限制了日光温室的高效应用。为了实现了日光温室对太阳能的高效利用，该文提出了一种能够将白天富裕能量进行有效存储的主动蓄热后墙日光温室。该文对主动蓄热后墙日光温室的室内温度和通风蓄热风道蓄热特性进行理论分析和试验，并与传统9 m跨的被动蓄热日光温室进行了对比分析。试验结果表明，主动蓄热后墙日光温室的温度指标有了较明显提高。在晴天和多云采光天气条件下，主动蓄热后墙日光温室室内的温度较9 m跨被动蓄热日光温室均有较大幅度的增加，在晴天夜间保温时段（16：00～次日09：00），主动蓄热后墙日光温室温度提高最小为1.8℃，最大为2.8℃，平均提高2.2℃；在多云天夜间保温时段（16：00～次日09：00），主动蓄热后墙日光温室温度提高最小为1.6℃，最大为4.2℃，平均提高2.2℃。该文利用CFD数值模拟对温室蓄热后墙的20℃等值面进行了分析，分析结果表明在定常条件下，通风主动蓄热的高效范围在10 m以内，有效长度在20 m以内。通过该试验，结合温室建筑的实践构造要求，确定的蓄热风道合理长度为20 m。