制冷空调
与电力机械
RefrigerationAirConditioning
&ElectricPowerMachinery
No.1/2006
总第107期第27卷
中图分类号：S274文献标识码：B文章编号：1006-8449（2006）01-0079-03
0引言
设施农业是近年来农业结构调整中出现的一个新
名词，也是传统农业向现代农业转换过程中出现的一
件新生事物，已被农村基层组织和政府职能部门广泛
应用。所谓设施农业是指在农业生产活动中，农技推
广部门或科研机构结合实际情况，集中采用较为先进
的农业设施，结合农业新技术、新品种、新农艺进行一
定规模的种养。设施农业将高科技应用于农业生产，
改变了传统农业的耕作模式，具有极强的科技示范作
用，并带动本地农民和辐射到周边地区搞好优质高产
高效农业，使农民增收，农业增效，从而达到促进农业
生产发展、推动社会进步的目的。
湖北省宜昌市伍家设施农业示范区是宜昌市政府
规划、政府投资、当地农民实施的高科技农业示范区，
示范区位于宜昌市伍家区。当地为典型的亚热带气候，
四季分明，七月份平均气温28益，平均降雨量200mm，
一月份平均气温5益，平均降雨量30mm[5]。全区占地
30亩，与一小型水库相邻，可保证充足水源。其中15
亩地势平坦，被
修整成边长
100m的正方形，
规划为蔬菜种植
区，已装有混凝
土拱架塑料大棚
28个，布局如图
1。大棚长45m，
宽6m，棚距及大
棚与四周边界均
为1m。
1灌溉系统设计与实施
1.1系统选型
为降低空气温度，保证灌溉均匀性，一般蔬菜大棚
内灌溉采取在地膜下微型灌溉（微灌）的形式，目前微
灌主要有滴灌、微型喷灌、渗灌和涌泉灌4种型式[1]：
（1）微型喷灌利用低压喷头将压力水喷射出去，棚
内喷水会增加空气湿度，且不能应用于膜下灌溉。
（2）渗灌通过埋于农作物活动层的微孔渗灌管向
土壤中渗水，并借助土壤的毛细作用将水扩散，供作物
吸收，这是目前已知的最为节水的灌溉方式，2~10m水
压即能满足工作要求，也不会增加空气湿度，渗灌管一
般由轮胎橡胶发泡成型，微孔直径为微米级，故对水的
清洁程度要求高，且由于渗灌管埋于地下，对作物耕种
会造成麻烦。
（3）涌泉灌是通过安装在水管终端的涌水器形成
的小股水流以涌泉的方式使水流入土壤的一种灌溉形
式，其特点是流量比其他的微灌要大，工作水压低，
孔径大，不易堵塞，主要适用于气候特别干旱、蒸发
强度大的多风地区，棚内涌泉灌不符合一般蔬菜生长
要求。
（4）滴灌是将滴灌带铺设于膜下，滴灌带为软塑料
管或橡胶管，孔径为0.1mm级，水、肥、农药等通过滴
灌带直接作用于作物根系，加上地膜覆盖，棵间蒸发甚
微，十分利于作物的生长发育。
综合对比各种灌溉型式，决定选择安装滴灌系统。
滴灌带选用美国托罗公司生产的“兰色双轨”牌滴灌
带，规格为直径22mm、厚0.25mm、孔距20cm[6]。
设施农业示范区灌溉及自动控制系统
陈卫红，徐鸣谦
（同济大学机械电子工程研究所，上海200092）
摘要：介绍了设施农业示范区微灌系统的主要型式、示范区滴灌系统的设计与安装；阐
述了示范区大棚内环境自动控制系统的设计与分析。
关键词：设施农业；滴灌；环境控制
电力机械
水库
小
路
蔬菜大棚
图1蔬菜种植区布局
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电力机械
1.2方案实施
灌溉系统
由总管、支管、
滴灌带和水
泵、各种控制
阀组成，如图
2所示。水泵
采用单级单吸
清水泵，总管
支管采用PE
管。总管分成
两支后分别沿
两排大棚的中线铺设，再合拢后向其他处供水；各大棚
在经过本棚的总管处接支管，再向两边铺设滴灌管；每
个大棚内纵向均布6条滴灌带，每条滴灌带中部与棚
内支管连接。各棚内阀门采用手动兼电动阀，可由下
述环境控制系统控制开启和关闭，也可手动启闭。在
总管入口和各棚内支管上留有施肥装置接入口，肥料
或农药溶解后经过过滤，接入管网，可实现整体或各个
大棚单独作业[2]。
灌溉系统的规划设计必须严格按SL103-95《微灌
工程技术规范》标准执行；施工管理应执行SL236-
1999《喷灌与微灌工程技术管理规程》。棚内电动手动
阀应有流量调节功能，如果没有，应增加流量调节器。
1.3使用注意事项
本系统2003年建成后即交付使用，根据运行反
馈，应注意以下几点：
（1）滴灌带大部分孔阻塞时，可将滴灌带两端堵头
拔下，开大水流量冲洗；
（2）作物播种或移栽时，不必将滴灌带拆下，只须
将滴灌带轻轻整体移置一边，播种或移栽后再复原；
（3）当水库水位高出示范区水平面5m时，不用开
启加压泵，只须打开旁路手动阀，注意此时应关闭向他
处供水的阀门（见图2）；
（4）全部大棚同时供水，可能某些棚供水不足，此
时应将大棚分组，各组轮流供水，每组大棚应尽量对称
分布在小路两侧。
2大棚内环境控制系统
2.1总体设计
环境控制系统由一套主控制系统和28套子控制
系统构成，28套子系统为并联结构，彼此之间不能直
接传递数据，他们共同与主控制系统相连，可以与主系
统互通信息，其结构如图3所示。主控制系统负责设置
系统参数，以适应不同蔬菜或同一蔬菜不同时期对环
境的不同要求，同时，监控各子控制系统的运行；一个
子控制系统布置于一个大棚内，可实现对该棚温度、湿
度、二氧化碳浓度的手动、自动控制，并可根据设定向
各棚定时定量供水。子控制器上装有4行20列字符型
LCD显示器，显示大棚内各种环境参数和手动输入的
数据，操作键盘用于棚内手工输入，共有“换页”、“+”、
“-”、“确认”、“试验”、“返回”6个键。当某个大棚系统
出现非控制电路故障时，主系统和子系统能够自动报
警，并显示详细信息，待故障排除后，系统再复位。
2.2棚内子系统
大棚内采用煤炉燃烧蜂窝煤或木柴提高空气温度
和二氧化碳浓度，由步进电机控制的执行机构控制燃
烧强度和二氧化碳排放量，排气风扇强制换气调节空
气相对湿度，风扇扰动空气解决分布场均匀性问题，根
据程序控制水阀的开关实现定时定量供水。温度、湿
度、二氧化碳浓度三类传感器接收数据输入各棚室内
的子控制系统，子控制系统分析计算后发出指令指挥
风扇和煤炉阀门动作进行调节，并向主系统发送状态
信息。
同时棚内也可人工调节；棚内系统通过总线与主
控制系统相连，进行数据传输。电路选用Cygnal公司
的C8051F040单片机[4]进行设计，电路原理如图4，其
程序方框图[3]如图5。初始化过程包括从主机获取温
度、湿度、CO2浓度等数据变化范围，状态扫描频率，水
阀开启方案等，通讯功能由专门的子程序模块提供。
一个棚内计排气扇4个、风扇2个、煤炉1套、三种
传感器各2个（见图6），各器件安装高度约为离地1m。
1-水源2-加压泵3-施肥装置4-手动阀
5-总管6-支管7-电动手动阀8-滴灌管
9-大棚边框10-施肥装置11-蔬菜种植区
12-向他处供水
图2灌溉系统示意图
子
控
系
统
控
制
面
板
步
进
电
机
主控系统
显
示
器
1
号
棚
2
号
棚
28
号
棚
传感器执行机构
温
度
传
感
器
湿
度
传
感
器
二
氧
化
碳
传
感
器
水
阀
排
气
扇
风
扇
1211
1
2
3
4
5678
910
14组14组
小
路
图3环境控制系统示意图
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T1P512R17
T3
R20
Q3
+3V3
R16T1P512
T2R18
Q2
J4
+3V3
4
3
2
1
GND
FREE
F/R
SP
步进电机
T1P512R15
T1
+3V3
R19
Q1
R21
+3V3
P7.0+
P7.1P7.2
P7.3P7.4
P7.5
P7.5P7.4
P7.3P7.2
P7.1P7.0换页
确认
试验
返回
K1
操作键盘
+12VDCLM2940U31
C6
3INOUT
+12VDC
+5VDC
D6
LED
C7
R10
U1
+3V3
F040
K4
+12VDC
LCD显示器
R5
R6
R14
R7C1C2C3
传感器
+12vdcJ3
Temperature
humitidy
CO2Consistence
GND
CON2
J2
风扇
J6
继电器
u5
LM1413
+12VDC
R4
D8
12
P0.2
16
15
14
12
11
10
8
7
6
5
4
3
2
1
V0v
V1
V0
RS
W/S
E
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
RS
W/S
E
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
P0.2
1
23
4
5
E
W/SRS
80
78
75
70
65
60
55
50
45
41
40
35
30
25
20
15
10
5
1
初始化
开始
退出
否
是继续
延时
水阀
动作
步进
电机
动作
风扇
动作
排气
扇动
作
动
作
4
动
作
3
动
作
2
动
作
1
k=?s=?
Imput
否
手动是
状态扫描
TRIZ讲座
612345
图6棚内系统安装示意图
1-门2-排气扇3-风扇
4-煤炉5-传感器6-大棚
2.3主控系统
主控制系统由一
台电脑、主控制器和相
关软件组成，负责对各
棚进行集中监控和参
数设置。主控制器和子
控制系统通过CAN总
线通讯，PC机通过
USB接口和主控制器
通讯，在PC机上显示
整个系统的相关
参数，并实现存
储和打印；也可
以通过PC机可
视化操作，更改
各个大棚控制的
指令参数。PC机
上人机界面应用
VC语言作成控
件，控制程序应
用C51语言编制[4]。
3结语
本系统具有很高的社会效益和经济效益，以当地
现在价格计算，整个系统全部投资约为12.4万元。根
据有关资料显示，使用本系统可增产30%~40%，综合
考虑产品品质的提高和反季节等因素，约2~3a可收
回全部投资，设备寿命以10a计，扣除人工和使用维修
费用，年获利3~4万元。
本系统需解决的关键技术：
（1）滴灌系统压力、流量设计，供水均匀性和系统
稳定性控制。
（2）环境控制系统环境综合调节算法，分布场及均
匀性控制：温度、湿度、二氧化碳浓度发生干涉时，确定
一定范围内的优先等级；研究温度、湿度、二氧化碳浓
度分布特性，以及均匀性定义和控制调节方式。
（3）特种执行结构设计：依靠煤炉风门开度来控制
燃烧强度，利用风扇扰动空气来保持大棚环境参数的
均衡，这些执行机构均要求可靠、廉价、需要专门设计。
（4）进一步提高计算机控制系统的可靠性和通讯
可靠性。由于大棚内湿度较大，工作环境恶劣，就地控
制器的环境适应性需进一步提高。
参考文献：
[1]陈卫红.国内外微灌技术的发展[J].农机推广，1999，（1）.
[2]水利部农田灌溉研究所.微灌工程技术规范[S].北京：中国水利水电
出版社，1995.
[3]张培仁.MCS-51单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2003.
[4]潘琢金.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北京航空航天
大学出版社，2002.
[5]中国气候资料地图编辑部.中国气候资料地图集[M].北京:中国地图
出版社，1995.
[6]美国托罗公司.“兰色双轨”牌滴灌带产品说明书[EB/OL].http://www.
toro.com.cn/agriculture/springkler/blue.htm.2005-10-20.
收稿日期：2005-09-28
修回日期：2005-10-27
IrrigationandAuto-controlSystemofFacilitiesAgriculturalExemplaryRegion
CHENWei-hong，XUMing-qian
（InstituteofMechatronicsEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China）
Abstract:Introducedthemaintypesofmicro-irrigation，thedesignandinstallationofdrop-irrigationsystem.
Thedesignandanalysisofenvironmentauto-controlsysteminthefacilitiesagriculturalexemplaryregionwere
expounded.
Keywords:facilitiesagricultural；drop-irrigation；environmentcontrol
作者简介：陈卫红（1973-），男，安徽安庆人，硕士研究生，讲师，主要从事机械及其自动化系统设计与教学。
图5子系统程序框图
图4子系统电路原理图
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