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    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)

    2017-11-18 11:31:13李明王昆于俊洋
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年18期
    關(guān)鍵詞:溫室大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制策略

    李明+王昆+于俊洋

    摘要:為了改善日光溫室大棚內(nèi)的晝夜溫度更適合作物的生長(zhǎng),利用大棚支撐骨架和水作為熱循環(huán)的主體,白天吸收太陽能并儲(chǔ)存,晚上將儲(chǔ)存的能量釋放給溫室加熱。借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng),系統(tǒng)主要由溫度采集、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和中心決策節(jié)點(diǎn)組成,通過采集室外溫度、骨架內(nèi)水溫和棚內(nèi)溫度,中心決策節(jié)點(diǎn)再根據(jù)控制策略將相應(yīng)的指令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)對(duì)循環(huán)泵、閥門和加熱設(shè)備進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)溫度的自動(dòng)智能調(diào)節(jié)。通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)的太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)工作穩(wěn)定,可提高夜間大棚內(nèi)的平均溫度(達(dá)2.78 ℃),避免作物被凍傷而減產(chǎn),還可平衡中午棚內(nèi)過高的溫度,將其控制在最適宜的范圍(20~25 ℃)內(nèi),從而有效延長(zhǎng)作物進(jìn)行光合作用的時(shí)間,更利于作物的生長(zhǎng)。

    關(guān)鍵詞:溫室大棚;太陽能集熱;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);控制策略;智能調(diào)溫;自動(dòng)調(diào)節(jié)

    中圖分類號(hào): TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2017)18-0197-04

    收稿日期:2017-03-07

    基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào):61602525);河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(編號(hào):172102210358)。

    作者簡(jiǎn)介:李 明(1981—),男,河南周口人,碩士,講師,主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用與通信工程。E-mail:leem81@126.com。 隨著我國(guó)人們生活的不斷提高,使北方人能夠在冬季吃上綠色蔬菜已不是難事,這得益于政府大力發(fā)展的“菜籃子”工程,其中溫室大棚起至關(guān)重要的作用[1-3]。眾所周知,溫室是作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素,影響作物各種酶的活性,在冬季一般都會(huì)采取覆蓋保溫“被子”來保持大棚內(nèi)的溫度,傳統(tǒng)的溫室大棚取暖還有土鍋爐加熱、熱風(fēng)爐和電加熱管等多種方法[4-5],但這些方法不僅污染大而且成本非常高。太陽能被視為一種取之不盡、用之不竭的能源,而且沒有任何污染,佟雪姣等以聚碳酸酯中空板(PC陽光板)為材料設(shè)計(jì)太陽能集熱裝置[6],閆彥濤等利用太陽能集熱板吸收太陽輻射并儲(chǔ)存在相變材料內(nèi),均取得了不錯(cuò)的效果[7],但是都采用了特殊的材料,對(duì)于農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)的成本過高。結(jié)合溫室大棚的結(jié)構(gòu),將支撐骨架作為熱循環(huán)的主體,將水作為熱采集和存儲(chǔ)的媒介,設(shè)計(jì)太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng),白天將水泵到骨架空腔,吸收存儲(chǔ)太陽能熱量,也有利于平衡中午溫室大棚內(nèi)溫度易高的現(xiàn)象,由于水的比熱容較高,而溫室大棚內(nèi)的空氣溫度下降得較快,就可將儲(chǔ)存的能量傳導(dǎo)給大棚內(nèi)的空氣。這樣不僅節(jié)省了取暖設(shè)備的空間,而且實(shí)現(xiàn)了零能耗和零污染,如遇到極寒天氣還可以開啟加熱設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急操作。通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,對(duì)大棚室內(nèi)的溫度控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié),且效果明顯,經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。

    1 溫室大棚骨架結(jié)構(gòu)與工作原理

    1.1 溫室大棚骨架結(jié)構(gòu)

    傳統(tǒng)日光溫室大棚的基建部分主要由地基、墻體、骨架、薄膜和保溫被(電動(dòng)卷簾)等組成[8-9]。這種結(jié)構(gòu)的大棚的主要特點(diǎn)是易搭建、易管理、成本低,其中在建造的過程中使用了骨架作為薄膜和保溫被子的支撐,而骨架是由大量的鋼管焊接而成的,本研究設(shè)計(jì)的太陽能集熱系統(tǒng)充分利用了這些鋼管,在不改變?cè)兄巫饔玫那疤嵯?,將它們?lián)通起來,同時(shí)讓水能夠在鋼管的內(nèi)部循環(huán)[10],改造后的溫室大棚的截面示意圖如圖1所示。由于鋼管及其內(nèi)部的水比熱容遠(yuǎn)高于空氣,在太陽充足時(shí),設(shè)計(jì)的太陽能集熱系統(tǒng)會(huì)吸收太陽光能并轉(zhuǎn)化成熱能,同時(shí)由于作物的光合作用釋放大量的熱能,集熱系統(tǒng)也吸收過剩的熱量并進(jìn)行儲(chǔ)存;到傍晚時(shí),光線變?nèi)?,保溫被子放下后,作物停止光合作用,溫室大棚?nèi)的空氣溫度會(huì)慢慢降低,此時(shí)鋼管及其內(nèi)部的水會(huì)向外逐漸釋放熱量;當(dāng)太陽能集熱系統(tǒng)內(nèi)部的溫度與溫室大棚內(nèi)的空氣溫度達(dá)到平衡時(shí),再將循環(huán)水回流至蓄水池。

    1.2 溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)及控制策略

    溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由太陽能集熱骨架、循環(huán)泵、自動(dòng)閥門、蓄水池、電加熱設(shè)備和管道等組成[11],其構(gòu)成如圖2所示。

    溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)室外溫度TO、骨架內(nèi)溫度TF、溫室大棚內(nèi)溫度TI和蓄水池的溫度TP進(jìn)行判斷和決策,從而控制整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的工作。一般陽光充足的情況下, 作物在

    20~25 ℃的范圍內(nèi)進(jìn)行光合作用最佳,夜間的最低溫度不能低于10 ℃,以免凍傷作物。冬季一般有效的日照時(shí)間段為09:00—17:00,假設(shè)下半夜所有管道內(nèi)的循環(huán)水回流到蓄水池,控制策略如下:情況1,太陽出來后,太陽光透過薄膜照射整個(gè)溫室大棚,大棚內(nèi)部溫度逐漸升高,同時(shí)溫室大棚內(nèi)的作物進(jìn)行光合作用,并釋放大量的熱能,當(dāng)TI>20 ℃時(shí),管道閥門1和2自動(dòng)打開,循環(huán)泵自動(dòng)開啟將冷卻的水泵入骨架管道內(nèi),此時(shí)骨架及其內(nèi)部的水溫度較低,會(huì)吸收太陽光能和溫室大棚內(nèi)的過剩熱能;情況2,如果太陽光或者溫室內(nèi)溫度足夠高,當(dāng)TF>TI時(shí),管道閥門1和2自動(dòng)打開,循環(huán)泵自動(dòng)開啟將熱水回流到蓄水池,同時(shí)將冷卻的水再次泵入骨架管道內(nèi),用來降低大棚內(nèi)的溫度,且盡量控制大棚內(nèi)的溫度在 20~25 ℃的范圍內(nèi);情況3,到下午太陽光逐漸變?nèi)?,棚?nèi)的作物光合作用也減緩,棚內(nèi)的溫度會(huì)逐漸下降,由于太陽能集熱系統(tǒng)的溫度比空氣中的溫度下降得慢,通過熱交換,棚內(nèi)溫度會(huì)緩慢下降,作物光合作用的酶活性仍然活躍,從而延長(zhǎng)了進(jìn)行光合作用的時(shí)間;情況4,作物在夜間的生長(zhǎng)環(huán)境溫度要求一般不低于10 ℃,如遇到極寒天氣TO<-20 ℃,且白天儲(chǔ)存的能量消耗盡時(shí),此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟電加熱設(shè)備,將蓄水池內(nèi)的水加熱到TP=50 ℃后,通過循環(huán)泵注入骨架中,這樣就能有效提升棚內(nèi)溫度TI,使其達(dá)到10 ℃以上,避免作物被凍傷。

    2 溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

    溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的,由溫度采集節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和中心決策節(jié)點(diǎn)組成。溫度采集和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)主要包括室外溫度采集節(jié)點(diǎn)、骨架水溫采集節(jié)點(diǎn)、室內(nèi)溫度采集節(jié)點(diǎn)、閥門控制節(jié)點(diǎn)、循環(huán)水泵控制節(jié)點(diǎn)和蓄水池溫度管理節(jié)點(diǎn),中心決策節(jié)點(diǎn)跟這些分布的節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)[12]。溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。中心決策節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯聚各節(jié)點(diǎn)發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息,然后根據(jù)預(yù)設(shè)的策略將控制指令發(fā)送到相應(yīng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)大棚溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。endprint

    2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

    考慮到通信距離和功耗等因素,節(jié)點(diǎn)選擇CC2530 F256作為硬件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì),它在單個(gè)芯片上整合ZigBee射頻單元、內(nèi)存和微控制器等,且內(nèi)置了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU、8 kB RAM和256 kB的可編程閃存,同時(shí)還具有豐富的接口,具有1個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器,能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[13-14]。節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)上的模塊主要有溫度采集傳感器DS18B20、無線射頻單元、蓄水池加熱設(shè)備控制、循環(huán)水泵控制、自動(dòng)閥門控制以及電源管理單元等組成,其構(gòu)成如圖4所示。

    溫度是決定控制策略的重要依據(jù),由于氣體的流動(dòng)性存在不穩(wěn)定性,為了使每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,本研究利用5個(gè)溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)了傳感器陣列,通過剔除偏差超過5%的數(shù)據(jù),然后取剩余溫度傳感器測(cè)量的平均值,這樣有效避免了測(cè)量的誤差[15]。對(duì)蓄水池加熱設(shè)備、循環(huán)泵和閥門的控制通過控制繼電器的通斷來操作完成,繼電器與CC2530的I/O之間增加了驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)了用低壓電路來控制高壓電路;利用CC2530的ADC接口采集鋰電池的電壓信號(hào),通過預(yù)設(shè)的電壓-電量關(guān)系曲線估算剩余電量,避免電池耗盡影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

    2.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)主要由溫度采集/執(zhí)行和中心決策節(jié)點(diǎn)2種類型,在軟件設(shè)計(jì)上均采用循環(huán)函數(shù)的方法,其優(yōu)點(diǎn)是程序短小精悍且運(yùn)行穩(wěn)定可靠[16],軟件流程如圖5所示。

    溫度采集/執(zhí)行節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)室外溫度、骨架內(nèi)水溫、大棚內(nèi)溫度的采集以及對(duì)設(shè)備的控制,節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化,包括寄存器初始化、自身節(jié)點(diǎn)ID的讀取、配置射頻通信參數(shù)、建立網(wǎng)絡(luò)連接、溫度傳感器DS18B20和I/O接口的初始化等,然后查看是否接收到來自中心決策節(jié)點(diǎn)的指令,如果有則進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置和操作,否則根據(jù)設(shè)置的讀取周期對(duì)獲取溫度傳感器DS18B20陣列的數(shù)值和設(shè)備的狀態(tài),再根據(jù)均值算法得到該節(jié)點(diǎn)處的最終溫度值,最后將采集時(shí)間、節(jié)點(diǎn)ID、溫度、設(shè)備狀態(tài)和電量信息打包,并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心決策節(jié)點(diǎn),根據(jù)設(shè)置的采集周期,延時(shí)n秒后進(jìn)入下一次循環(huán)。

    中心決策節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息,根據(jù)制定的控制策略將相應(yīng)的指令反饋給各執(zhí)行節(jié)點(diǎn),中心決策節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后,也首先進(jìn)行初始化,然后等待接收來自各節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù),收到數(shù)據(jù)后根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包解析,然后進(jìn)行歸類并存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的空間,同時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型的溫度信息判斷是否要觸發(fā)執(zhí)行控制策略,并向?qū)?yīng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令,再進(jìn)入下一次循環(huán),等待接收新數(shù)據(jù)。

    3 對(duì)比試驗(yàn)與結(jié)果分析

    為了驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的溫室大棚太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)的實(shí)際效果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),選取處在同一地理坐標(biāo)的2棟日光溫室大棚A和B,長(zhǎng)度80 m,跨度9 m,且2棟溫室大棚的基礎(chǔ)建設(shè)均相同。經(jīng)過前期驗(yàn)證可知,2棟大棚在不啟用集熱調(diào)溫系統(tǒng)時(shí),棚內(nèi)同一時(shí)刻的溫度幾乎完全一致,說明滿足作為參照對(duì)比試驗(yàn)條件。期望的結(jié)果有2個(gè):(1)在白天日照充足的情況下,盡量控制棚內(nèi)的溫度在20~25 ℃之間,因?yàn)榇藭r(shí)作物進(jìn)行光合作用的酶活力最強(qiáng);(2)在夜間控制棚內(nèi)的溫度不能低于10 ℃,如果低于10 ℃,作物就有被凍傷的風(fēng)險(xiǎn),甚至導(dǎo)致作物死亡。在試驗(yàn)的過程中,A啟用了本研究設(shè)計(jì)的溫室大棚太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng),而B則沒有。通過對(duì)2棟溫室大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行24 h的記錄,溫度采集周期為 60 s,記錄周期60 min,記錄的數(shù)據(jù)為整點(diǎn)前后各30 min的均值,得到的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,11:00時(shí)太陽光充足,大棚A和B的溫度均高于20 ℃,能夠正常進(jìn)行光合作用,其棚內(nèi)溫度還有上升的趨勢(shì),為了控制溫度,此時(shí)大棚A內(nèi)的調(diào)溫系統(tǒng)啟動(dòng), 循環(huán)泵開始向骨架內(nèi)泵冷水用來降溫,同時(shí)骨架內(nèi)的水溫會(huì)吸收太陽能和棚內(nèi)的熱量,到 14:00 時(shí)溫度達(dá)到最大值(為39.57 ℃),隨后由于太陽光逐漸減弱,溫度降低,但大棚A骨架內(nèi)有儲(chǔ)存的能量,會(huì)通過熱傳導(dǎo)釋放給棚內(nèi)空氣,這樣在夜間大棚A內(nèi)的溫度就能高于大棚B,直到夜間03:00時(shí),大棚A骨架內(nèi)的溫度與其內(nèi)部空氣的溫度達(dá)到平衡,均在14 ℃左右,此次骨架內(nèi)的水失去熱能價(jià)值,將其回流至蓄水池。

    為了能夠直觀對(duì)比2個(gè)溫室大棚內(nèi)的溫度情況,將大棚A和B的室內(nèi)空氣溫度制成時(shí)間-溫度曲線,結(jié)果如圖6所示。

    從圖6可以直觀地看出,白天日光溫室大棚B在20 ℃以上的時(shí)間段為11:00—16:00,最佳光合作用時(shí)長(zhǎng)為5 h;日光溫室大棚A在20 ℃以上的時(shí)間段為10:00—17:00,最佳光合作用時(shí)長(zhǎng)為7 h,且有效地控制了高于25 ℃的時(shí)間;同時(shí),溫室大棚B在04:00—07:00的溫度低于10 ℃,而溫室大棚A在整個(gè)夜間的最低溫度為10.32 ℃,且A比B在整個(gè)夜間時(shí)間段18:00—09:00內(nèi)的平均溫度提升了2.78 ℃,有效避免了作物被凍傷而減產(chǎn)。

    4 結(jié)束語

    充分利用日光溫室大棚骨架作為熱循環(huán)系統(tǒng)的主體,幾乎不產(chǎn)生額外的成本,白天吸收太陽光能,夜間釋放存儲(chǔ)的熱量,并將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入調(diào)溫系統(tǒng),將ZigBee控制器CC2530F256作為硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn),并對(duì)其軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行闡述,借助溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)了對(duì)室外、骨架水溫和棚內(nèi)溫度的采集,無線通信避免了繁瑣布線,根據(jù)不同作物制定不同的控制策略,對(duì)循環(huán)水泵、閥門和加熱設(shè)備進(jìn)行控制,自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度以適合作物生長(zhǎng)。通過對(duì)相同條件的2個(gè)溫室大棚進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),使用太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)的大棚能夠控制夜間的氣溫在10 ℃以上,提升的平均氣溫達(dá)到2.78 ℃,避免作物被凍傷;也能夠控制中午棚內(nèi)溫度過高的現(xiàn)象,使光合作用的酶活性保持活躍,延長(zhǎng)作物進(jìn)行光合作用的時(shí)間,從而使農(nóng)戶獲得最大的經(jīng)濟(jì)收益。

    參考文獻(xiàn):endprint

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