日照溫室大棚自動(dòng)卷簾機(jī)與智能通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔國(guó)利　蘇玉

摘要：針對(duì)在傳統(tǒng)日照溫室大棚管理中存在收放保溫卷簾和通風(fēng)勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了自動(dòng)卷簾與智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和控制決策中心組成。節(jié)點(diǎn)在控制器C8051F020平臺(tái)上開(kāi)發(fā)而成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棚內(nèi)溫濕度、CO2濃度和光照度的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線模塊nRF905上傳到控制決策中心，根據(jù)作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)對(duì)風(fēng)機(jī)和自動(dòng)卷簾機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的目的。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)控制風(fēng)機(jī)對(duì)溫濕度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，為作物的高產(chǎn)創(chuàng)造了條件，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚種植的精準(zhǔn)化和智能化管理。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；智能通風(fēng)；自動(dòng)控制；作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）24-6386-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.076

Abstract： For the intensity of work of insulation shutter and ventilation in the sunlight greenhouse management，an automatic rolling machine and intelligent ventilation control system which is composed of environment monitoring nodes，action node and the control decision center is designed. The nodes are developed on the platform of Processor C8051F020，which can monitor the temperature，humidity and CO2 concentration，and upload to the control decision center by the wireless module nRF905，then control the fan or autoatic rolling machine to adjust the environment parameters in the greenhouse according to the crop exper knowledge base.The experiment results on the fruit setting period tomato show that the designed system can accurately measure the environment parameters in the greenhous，and automaticly adjust the temperature and humidity by controlling the fan working condition，which can improve the crop yield and realize the precise and intelligent management of the greenhouse planting.

Key words：greenhouse；intelligent ventilation； automatic control；crop expert knowledge base

日照溫室大棚內(nèi)種植的大多是反季節(jié)作物，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求極為苛刻，尤其是對(duì)溫濕度、CO2濃度和光照度的要求更為嚴(yán)格[1-3]。傳統(tǒng)日照溫室大棚一般采用在日出和日落時(shí)通過(guò)收放保溫卷簾保持夜間棚內(nèi)的溫度，通過(guò)開(kāi)窗放風(fēng)來(lái)調(diào)節(jié)棚內(nèi)白天的溫濕度和CO2濃度，耗費(fèi)了大量的人力。由于不同的作物具有不同的生長(zhǎng)周期，每個(gè)生長(zhǎng)周期對(duì)環(huán)境的參數(shù)要求也各不相同，如果工人對(duì)環(huán)境的觀察經(jīng)驗(yàn)不足，就會(huì)使作物一直處于惡劣的環(huán)境中，影響作物的正常生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致作物的減產(chǎn)，甚至絕收。因此，本研究設(shè)計(jì)了日照溫室大棚自動(dòng)卷簾機(jī)與智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，利用在棚內(nèi)設(shè)置溫濕度和CO2濃度采集節(jié)點(diǎn)獲取環(huán)境參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)中的作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，自動(dòng)對(duì)棚內(nèi)的風(fēng)機(jī)和保溫卷簾進(jìn)行控制，使作物始終處在最佳的生長(zhǎng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化溫室大棚的精準(zhǔn)化管理，同時(shí)也大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 日照溫室大棚的總體設(shè)計(jì)

1.1 日照溫室大棚基本構(gòu)成

作物在白天不斷進(jìn)行光合作用，消耗大量的CO2，并釋放出O2。CO2濃度的降低直接影響光合作用，從而影響作物的正常生長(zhǎng)。同時(shí)，由于溫室溫度升高后導(dǎo)致酶的活性增加，呼吸作用增強(qiáng)，釋放大量的水蒸氣和熱量，導(dǎo)致棚內(nèi)濕度的增加，增大了作物發(fā)生病蟲(chóng)害的風(fēng)險(xiǎn)，而且棚內(nèi)溫度過(guò)高影響作物的正常生長(zhǎng)。為了使溫室大棚內(nèi)的溫濕度和CO2濃度適合作物生長(zhǎng)，就需要通風(fēng)換氣。傳統(tǒng)開(kāi)窗換氣的方法如果沒(méi)有自然風(fēng)，空氣無(wú)法流動(dòng)，達(dá)不到預(yù)期效果，而且效率特別低。為此本設(shè)計(jì)采用主動(dòng)排風(fēng)方法，在日照溫室大棚的兩側(cè)分別設(shè)置進(jìn)風(fēng)通道和排風(fēng)通道，并安裝大功率風(fēng)機(jī)，如圖1所示。當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)工作時(shí)，棚內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng)，不僅能降溫和排濕，還能補(bǔ)充棚內(nèi)的CO2，促進(jìn)作物的光合作用[4，5]。

當(dāng)光照度不能滿足作物的光合作用需要時(shí)，或者遇到陰天和雪天時(shí)，棚內(nèi)溫度就會(huì)降低，為了避免作物凍傷需要采取保溫措施。傳統(tǒng)方式是人工收放保溫卷簾，這不僅工作效率低，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。為此設(shè)計(jì)了機(jī)械化卷簾技術(shù)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)卷簾繩，對(duì)保溫卷簾進(jìn)行收放。

1.2 自動(dòng)智能控制

日照溫室大棚自動(dòng)卷簾機(jī)與智能通風(fēng)控制系統(tǒng)主要分為環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和控制決策中心組成。其中，環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由光照度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、CO2濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成[6]；執(zhí)行節(jié)點(diǎn)主要由保溫卷簾控制節(jié)點(diǎn)和通風(fēng)風(fēng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)組成。考慮到日照溫室大棚內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，如果采用有線通信方式會(huì)使棚內(nèi)的線路交叉，不僅布線困難，也不便于日常維護(hù)。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)之間的通信距離較短，采用短距離2.4 G無(wú)線短距離通信方式即能解決這一問(wèn)題。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于棚內(nèi)空間比較大，風(fēng)機(jī)不工作時(shí)內(nèi)部空氣流動(dòng)性差，會(huì)導(dǎo)致局部CO2濃度或溫濕度不均勻，為了更好地調(diào)節(jié)整個(gè)大棚內(nèi)的CO2濃度和溫濕度，控制風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，采用了2個(gè)CO2濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并分別部署在日照溫室大棚的不同位置。一般布置在大棚長(zhǎng)度方向1/3和2/3一高一低處，這樣就能夠較全面地測(cè)定在不同位置和水平面上的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

管理軟件通過(guò)作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)分析適合農(nóng)作物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量的環(huán)境參數(shù)和輔助決策，將采集到的環(huán)境參數(shù)，向執(zhí)行節(jié)點(diǎn)發(fā)出通風(fēng)和調(diào)節(jié)光照的指令，溫室的氣候參數(shù)始終保持在最佳狀態(tài)。若監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)超出閥值，會(huì)立刻啟動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)，向預(yù)設(shè)的管理者手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

2 監(jiān)測(cè)和控制節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

由于系統(tǒng)中涉及到的節(jié)點(diǎn)種類(lèi)比較多，為了方便設(shè)計(jì)和使用，統(tǒng)一采用了接口資源較豐富的控制器C8051F020作為開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)[7]。其中，需要用的模塊主要由溫濕度傳感器AM2302、光照度傳感器BH17（置于溫室大棚外）、CO2濃度監(jiān)測(cè)變送器、FLASH存儲(chǔ)器K9K2G8U0M、風(fēng)機(jī)控制電路、卷簾機(jī)控制電路、2.4 G無(wú)線通信模塊nRF905、顯示屏12864和聲音報(bào)警模塊等組成。監(jiān)測(cè)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)構(gòu)成如圖3所示。

根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)的需要，只要配置對(duì)應(yīng)的模塊，并向控制器C8051F020寫(xiě)入相應(yīng)的程序即可。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要是通過(guò)溫濕度傳感器、光照度傳感器和CO2濃度監(jiān)測(cè)變送器采集周?chē)h(huán)境參數(shù)，由無(wú)線通信模塊nRF905發(fā)送至控制決策中心，將這些參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)顯示在顯示屏上。當(dāng)通信出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在本地FLASH存儲(chǔ)器K9K2G8U0M上，待通信恢復(fù)正常后再繼續(xù)上傳，保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完成性[8，9]。

當(dāng)監(jiān)測(cè)到的這些數(shù)據(jù)超出了適宜作物生長(zhǎng)的范圍，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)就會(huì)收到來(lái)自控制決策中心的指令，啟動(dòng)/關(guān)閉風(fēng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)日照溫室大棚內(nèi)的溫濕度和CO2濃度，直到滿足作物生長(zhǎng)。光照度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)利用傳感器BH17白天采集溫室大棚外的太陽(yáng)光進(jìn)行光合作用，夜晚溫度下降時(shí)，控制決策中心向卷簾機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)將保溫卷簾放下，對(duì)大棚進(jìn)行保溫；太陽(yáng)升起后，光照度增加作物能夠進(jìn)行光合作用時(shí)，控制決策中心向卷簾機(jī)發(fā)送收起卷簾信號(hào)。

3 控制決策中心管理軟件

控制決策中心的計(jì)算機(jī)安裝了管理軟件，管理軟件借助數(shù)據(jù)庫(kù)ACCESS2008在VC++6.0環(huán)境下開(kāi)發(fā)而成，運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下。主要功能由系統(tǒng)配置/登陸管理、無(wú)線通信配置管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)曲線分析、統(tǒng)計(jì)/報(bào)表打印和報(bào)警模塊等組成[10，11]。控制決策中心管理軟件功能如圖4所示。

作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)內(nèi)部?jī)?chǔ)存了作物在不同時(shí)期生長(zhǎng)所需要的最佳氣候參數(shù)及栽培技術(shù)和措施，其中最佳氣候參數(shù)是用于溫室控制最重要、最直接的參數(shù)，包括白天、夜晚植物在不同生長(zhǎng)期的最佳溫濕度、光照度和CO2濃度等。計(jì)算機(jī)通過(guò)串口與無(wú)線通信模塊nRF905與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采集溫室大棚內(nèi)的溫濕度和CO2濃度，并實(shí)時(shí)顯示在控制決策中心的顯示屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)ACCESS2008中。根據(jù)作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，再與處在同樣生長(zhǎng)期內(nèi)的作物周?chē)h(huán)境參數(shù)進(jìn)行比較，若超出了最佳生長(zhǎng)范圍，就會(huì)通過(guò)nRF905無(wú)線模塊向風(fēng)機(jī)或者卷簾執(zhí)行設(shè)備發(fā)出指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)，將報(bào)警信息以短消息的形式發(fā)送到預(yù)設(shè)的手機(jī)號(hào)碼上，并向本地發(fā)出報(bào)警，提醒周?chē)墓ぷ魅藛T注意觀察。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能，在單體標(biāo)準(zhǔn)日照溫室大棚內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。大棚占地面積150 m×1 m×6 m，種植單一品種番茄，正處于關(guān)鍵的坐果期。通過(guò)作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)可知，番茄屬于喜光作物，光飽和點(diǎn)為70 000 lx，一般應(yīng)保證30 000～35 000 lx的光照度，才能維持其正常的光合作用和生長(zhǎng)。番茄在坐果期對(duì)溫度的要求白天為20～25 ℃，夜間15～18 ℃，對(duì)空氣濕度的要求維持在60%左右[10]。通過(guò)報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能得到24 h的溫濕度曲線分別如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出，系統(tǒng)對(duì)大棚內(nèi)的溫度控制的比較準(zhǔn)確，在8：00～18：00點(diǎn)之間作物進(jìn)行光合作用時(shí)，一直保持在20～25 ℃，但在13：00點(diǎn)時(shí)溫度達(dá)到25.6 ℃，會(huì)抑制番茄紅素及其他色素的形成，影響果實(shí)著色?？刂茮Q策中心向風(fēng)機(jī)執(zhí)行發(fā)送了啟動(dòng)風(fēng)機(jī)工作的信號(hào)，使溫度在14：00降到25.1 ℃。夜間溫度保持在17 ℃左右，符合番茄作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的要求。

從圖6可以看出，由于白天光合作用和呼吸作用旺盛，產(chǎn)生大量的水蒸氣，使得棚內(nèi)的濕度顯著提高，此時(shí)與溫度的變化比較一致，但在13：00濕度達(dá)到67.8%，隨著風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟，濕度逐漸降低。夜間溫度降低，作物呼吸作用減弱，其排出的水蒸氣減少，所以夜間濕度偏低，在50%左右，但不影響作物的發(fā)育生長(zhǎng)。

5 小結(jié)

采用2.4 G短距離無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的日照溫室大棚自動(dòng)卷簾機(jī)與智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)溫濕度、CO2濃度和光照度，再根據(jù)作物生長(zhǎng)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，對(duì)棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。采用兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)的方式，大大提高了大棚內(nèi)外空氣的流動(dòng)效率，引入機(jī)械化卷簾技術(shù)，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)溫室大棚對(duì)坐果期番茄試驗(yàn)的結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確獲取棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息，并能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)，為溫室大棚管理的信息化和智能化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫 昊，滕光輝，張曉飛，等.日光溫室卷簾機(jī)荷載實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（1）：138-145.

[2] 張 杰，盧博友，張海輝.基于ZigBee的溫室卷簾機(jī)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35（5）：77-80.

[3] 張曉飛，滕光輝，孫 昊.基于LabVIEW的溫室卷簾機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44（5）：536-541.

[4] 張亞新，曹萬(wàn)蒼.日光溫室大棚自動(dòng)卷簾控制系統(tǒng)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012（5）：97-100.

[5] 譚勝男，汪小旵，保智敏，等.溫室內(nèi)噴霧降溫系統(tǒng)的CFD模擬[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，29（2）：283-287.

[6] 何科爽，孫麗娟，黃震宇，等.南方連棟塑料溫室冬季通風(fēng)除濕開(kāi)窗優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（11）：186-191.

[7] 葛建坤，汪順生，羅金耀.基于ANFIS的溫室微氣候通風(fēng)調(diào)控模型[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31（4）：358-363.

[8] 劉艷朋，楊寶祝，王元?jiǎng)?基于B/S的森林火災(zāi)預(yù)警與指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34（1）：360-365.

[9] 張永梅，王凱峰，馬 禮，等.基于ZigBee和GPRS的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012，39（6）：222-225，234.

[10] 董慶慶，高丹華，楊 戀，等.基于VC++的超聲無(wú)損檢測(cè)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（4）：1307-1309.

[11] 李 麗，武照云，盧利平，等.基于GPRS的冷卻塔水輪機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（5）：116-119.

[12] 王麗娟，李天來(lái)，范文靜.苗期夜間低溫處理對(duì)西紅柿葉片蔗糖代謝的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（14）：2886-2888.