福建省薄膜溫室溫濕度采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及濕熱環(huán)境分析

黃語(yǔ)燕 王濤 鄭鴻藝 康育鑫 李傳輝 鐘陳聲 陳永快

摘要：薄膜溫室是福建地區(qū)廣泛使用的一種智能溫室，溫室內(nèi)的環(huán)境能夠影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，特別是夏季高溫是南方地區(qū)種植的主要障礙之一。在設(shè)計(jì)溫濕度自動(dòng)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以福州1個(gè)薄膜溫室為例，分析其在使用過(guò)程中的溫濕度情況。通過(guò)1年多的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果表明，溫室內(nèi)月平均溫度最高值出現(xiàn)在7月，為30.97 ℃，最低值出現(xiàn)在2月，為18.20 ℃。溫室內(nèi)月平均濕度為62.3%～77.98%，月份間沒(méi)有規(guī)律。夏季高溫是福建地區(qū)薄膜溫室種植的主要障礙，溫室內(nèi)夏季日氣溫最高值一般出現(xiàn)在13：00左右，夏季室內(nèi)日氣溫最低值出現(xiàn)在夜間，并對(duì)夏季典型條件下的溫度情況進(jìn)行分析。冬季薄膜溫室能達(dá)到一定的保溫效果，但是夜間室內(nèi)濕度可達(dá)80%左右。夏季開(kāi)啟濕簾、風(fēng)機(jī)能夠使溫室內(nèi)溫度驟降、濕度驟升。試驗(yàn)結(jié)果不僅能為福建地區(qū)溫室的合理選擇和溫室內(nèi)環(huán)境因子的調(diào)控提供參考，而且可為作物的種植茬口安排提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：薄膜溫室;溫濕度采集;濕熱;分析

中圖分類號(hào)： S625.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2019）23-0264-05

近年來(lái)，我國(guó)設(shè)施園藝發(fā)展迅速，截至2017年，設(shè)施園藝面積達(dá)370萬(wàn)hm2，居世界首位[1]。設(shè)施大棚為作物生長(zhǎng)提供了良好的溫濕度環(huán)境，了解溫室在實(shí)際使用過(guò)程中的溫濕度參數(shù)，可以為作物的生長(zhǎng)提供最佳管理策略，對(duì)促進(jìn)溫室作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義。

目前，科研人員為了測(cè)試溫室的性能，大多數(shù)是通過(guò)試驗(yàn)或模擬的方法對(duì)溫室內(nèi)的小氣候環(huán)境進(jìn)行分析，對(duì)溫室在實(shí)際使用過(guò)程中進(jìn)行環(huán)境記錄分析的研究還比較少，而且對(duì)北方日光溫室進(jìn)行環(huán)境分析的研究多，對(duì)南方智能溫室進(jìn)行分析的研究少。如，劉彥辰等分析了陜西關(guān)中地區(qū)3種不同跨度日光溫室的光溫環(huán)境[2];王倩等對(duì)河南省下沉式日光溫室內(nèi)溫光環(huán)境作了了分析[3];祁光斌等對(duì)河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室溫光環(huán)境進(jìn)行了分析[4];劉琮琮對(duì)新疆阿拉爾市3種日光溫室進(jìn)行環(huán)境性能測(cè)定[5];楊艷超建立了山東省日光溫室小氣候模型[6];柳芳等建立了天津市二代節(jié)能型日光溫室內(nèi)部溫濕度預(yù)測(cè)模型[7];佟國(guó)紅等利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法模擬了日光溫室的溫度情況[8]。

本研究以福建地區(qū)使用較多的薄膜智能溫室作為研究對(duì)象，通過(guò)1年多的溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、可視化顯示、數(shù)據(jù)保存等方式詳細(xì)記錄了溫室在使用過(guò)程中的溫濕度環(huán)境。不僅能為福建地區(qū)溫室的合理選擇和溫室內(nèi)環(huán)境因子的調(diào)控提供參考，而且可為作物的種植茬口安排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于福建省福州市，位于5°15′～26°39′N，118°08′～120°31′E，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長(zhǎng)冬短，溫暖濕潤(rùn)，陽(yáng)光充足，雨量充沛，年平均日照時(shí)數(shù)為 1 700～1 980 h;年平均氣溫為20～25 ℃，最冷月1—2月，平均氣溫達(dá)6～10 ℃;最熱月7—8月，平均氣溫為33～37 ℃[9]。試驗(yàn)溫室為福州市晉安區(qū)埔垱村海峽農(nóng)業(yè)現(xiàn)代示范園內(nèi)1個(gè)薄膜智能溫室，采用熱浸鍍鋅骨架作主體，PEP薄膜覆蓋，溫室長(zhǎng)43.5 m，寬25 m，檐高4.5 m，頂高6.5 m，溫室拱跨距為9.6 m。溫室內(nèi)設(shè)有內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)、外風(fēng)機(jī)、頂開(kāi)窗、濕簾等設(shè)備。這種新型的復(fù)合塑料溫室，充分彌補(bǔ)了日光溫室不利于在夏秋季種植、單體棚不能越冬的不足，棚內(nèi)空間大，是南方地區(qū)設(shè)施栽培最理想的塑料大棚。本溫室內(nèi)設(shè)有營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT）栽培系統(tǒng)，常年種植水培蔬菜。

1.2 溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)時(shí)獲取溫室內(nèi)外的溫濕度數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)顯示、自動(dòng)保存、遠(yuǎn)程觀測(cè)等。本研究設(shè)計(jì)了溫室溫濕度自動(dòng)采集系統(tǒng)，可以采集溫室內(nèi)外的溫濕度，具有遠(yuǎn)程觀測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)保存與下載等功能。溫濕度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（GPRS）傳輸模塊，經(jīng)Modbus協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)主機(jī)上，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

溫濕度采集采用百葉箱型溫濕度傳感器，RS485輸出，測(cè)量精度為±0.5 ℃。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS DTU）采用F2114 GPRS IP MODEM，它是1種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端，利用公用GPRS網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無(wú)線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。該產(chǎn)品采用高性能的工業(yè)級(jí)32位通信處理器和工業(yè)級(jí)無(wú)線模塊，以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，同時(shí)提供RS232和RS485（或RS422）接口，可直接連接串口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸功能;低功耗設(shè)計(jì)，最低功耗下電流小于1mA;提供5路I/O（輸入/輸出），可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸出、模擬量輸入、脈沖計(jì)數(shù)等功能。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（supervisory control and data acquisition，簡(jiǎn)稱SCADA）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等功能[10-11]。

由圖2可知2017年8月16日14：45，溫室內(nèi)溫度為 36.5 ℃，室內(nèi)濕度為54.8%，室外溫度為43.8 ℃，室外濕度為36.5%。系統(tǒng)曲線圖下方說(shuō)明欄能自動(dòng)計(jì)算選定時(shí)間（X軸）范圍內(nèi)溫度及濕度（Y軸）的最大值、最小值、平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集間隔可自行設(shè)置。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

室內(nèi)溫濕度傳感器安裝在溫室中部，室外溫濕度傳感器安裝在溫室外空曠、無(wú)遮擋的位置。月平均溫度、濕度由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面直接設(shè)置后取得，相關(guān)趨勢(shì)圖由系統(tǒng)導(dǎo)出成Excel數(shù)據(jù)格式后，再用Excel軟件繪制而成。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室溫度情況分析

2.1.1 1整年月平均溫度分析 為體現(xiàn)不同月份溫度的差異，取2016年10月至2017年9月1整年的數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，得出1—12月溫室內(nèi)、外月平均溫度及溫差。從表1中可以看出：溫室內(nèi)月平均溫度最高為30.97 ℃（7月份），最低為18.20 ℃（2月份）;夏季6—8月溫室內(nèi)、外月平均溫差（月平均內(nèi)溫-月平均外溫）分別為1.4、-0.99、-0.67 ℃;冬季12月至次年2月室內(nèi)外溫差分別為 2.40、3.11 、4.36 ℃。溫室大體上能達(dá)到夏季降溫、冬季保溫的效果。

2.1.2 夏季溫室內(nèi)外溫度變化情況分析 福建地區(qū)夏季（6—8月）高溫是種植的主要障礙之一，研究夏季溫室內(nèi)的溫度變化情況意義重大。通過(guò)觀察夏季溫室內(nèi)溫度變化情況，可知溫室內(nèi)夏季日氣溫最高值一般出現(xiàn)在13：00左右。在溫室正常運(yùn)行中，極端高溫條件下室內(nèi)日溫度最高可達(dá) 45.24 ℃（室外溫度最高為43.05 ℃，出現(xiàn)在2017年7月27日）。夏季室內(nèi)日氣溫最低值出現(xiàn)在夜間，這段時(shí)間內(nèi)室內(nèi)溫度基本保持恒定且接近室外溫度。

2.1.2.1 夏季晴天條件下溫度的變化情況 以2017年7月26日為例，由圖3可知，在夏季晴天天氣條件下，白天室內(nèi)溫度接近室外溫度，夜間室內(nèi)溫度比室外溫度高0～2 ℃。這是由于07：00時(shí)打開(kāi)了頂開(kāi)窗、側(cè)窗、濕簾及風(fēng)機(jī)，可降低室內(nèi)溫度，可是晴天太陽(yáng)輻射較大，室內(nèi)溫度只能接近室外溫度，很難比室外溫度低。夜間打開(kāi)了頂開(kāi)窗、側(cè)窗，未開(kāi)啟濕簾及風(fēng)機(jī)，室內(nèi)通風(fēng)程度低于室外，故夜間室內(nèi)溫度比室外略高一點(diǎn)。06：00—07：30間，室內(nèi)溫度有1個(gè)驟升和驟降的過(guò)程，是由于晴天天氣時(shí)06：00的太陽(yáng)輻射已經(jīng)較大，濕簾、風(fēng)機(jī)還未開(kāi)啟，故室內(nèi)溫度上升較快，07：00時(shí)濕簾及風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，故溫度驟降。因此，在晴天條件下，為了室內(nèi)溫度不至于過(guò)高，最好在06：00開(kāi)啟風(fēng)機(jī)和濕簾降溫。

2.1.2.2 夏季多云天氣條件下溫度的日變化情況 以2017年7月22日為例，由圖4可知，在夏季多云天氣條件下，白天室內(nèi)溫度一般比室外溫度低1～7 ℃，夜間室內(nèi)溫度接近室外溫度。這是由于在多云天氣條件下，白天打開(kāi)了頂開(kāi)窗、側(cè)窗、濕簾及風(fēng)機(jī)。在多云天氣條件下，太陽(yáng)輻射小，白天室內(nèi)溫度可略低于室外溫度。

2.1.2.3 夏季陰雨天溫度的變化情況 以2017年7月31日為例，由圖5可知，夏季陰雨天氣室內(nèi)溫度接近室外溫度，白天室內(nèi)溫度一般比室外溫度高0～2 ℃。這是由于陰雨天氣白天未開(kāi)啟頂開(kāi)窗和濕簾，溫室相對(duì)處于一個(gè)比較密閉的環(huán)境中，室內(nèi)溫度比室外溫度稍高一點(diǎn)。

2.1.2.4 夏季高溫悶棚條件下溫度的變化情況 高溫悶棚使溫室密閉并利用太陽(yáng)的高溫，使溫室內(nèi)的溫度盡量達(dá)到最高，以達(dá)到消除病菌、殺滅蟲(chóng)卵、清除雜草的目的。溫室一般每種植1～2年需高溫悶棚1次。夏季高溫時(shí)節(jié)是閑茬悶棚、預(yù)防和防治病蟲(chóng)害發(fā)生的好時(shí)機(jī)。溫室于2018年6月22—26日進(jìn)行高溫悶棚。有圖6可知，室內(nèi)日溫度最高為43～61 ℃，比室外溫度高11～23 ℃。經(jīng)過(guò)連續(xù)幾天的高溫悶棚，大部分的病菌和蟲(chóng)卵可被殺死。

2.1.3 冬季日溫度變化規(guī)律 通過(guò)觀察冬季室內(nèi)溫度變化情況，可知冬季溫室能達(dá)到一定的保溫效果。以2017年1月15日為例，如圖7所示，本溫室正常使用時(shí)，白天溫室內(nèi)溫度一般比室外高1～4 ℃，室內(nèi)溫度最高出現(xiàn)在12：00—13：00左右，室內(nèi)溫度最高值比室外溫度多4 ℃左右。日氣溫最低值出現(xiàn)在19：00—07：00，這段時(shí)間溫度值基本保持恒定，室內(nèi)溫度一般比室外溫度高0～1 ℃。

2.2 溫室濕度情況分析

2.2.1 1整年月平均濕度情況分析 為體現(xiàn)不同月份濕度的差異，取2016年10月至2017年9月1整年溫室內(nèi)、外濕度數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，得出1—12月溫室內(nèi)、外月平均濕度及濕度差。如表2所示，溫室內(nèi)月平均濕度在62.30%～78.38%區(qū)間內(nèi)變化，月份間沒(méi)有變化規(guī)律。由于溫室內(nèi)配備了濕簾和風(fēng)機(jī)，可以起到調(diào)整濕度大小的作用，使?jié)穸饶軌虮３衷谥参锷L(zhǎng)的極限范圍內(nèi)。

2.2.2 冬季濕度日變化規(guī)律 通過(guò)觀察冬季濕度的變化規(guī)律可知，溫室內(nèi)濕度變化較平穩(wěn)。如圖8所示，以2017年1月23日多云天氣為例，溫室內(nèi)夜間濕度達(dá)80%左右，白天室內(nèi)濕度基本上比室外濕度低。這是由于夜間室內(nèi)相對(duì)較密閉，故室內(nèi)濕度較大并且穩(wěn)定在80%左右，白天室內(nèi)溫度比室外高，故室內(nèi)濕度比室外低。

2.3 夏季開(kāi)啟濕簾、風(fēng)機(jī)對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響

選擇1個(gè)多云天氣，觀察濕簾、風(fēng)機(jī)對(duì)溫室內(nèi)溫、濕度的影響。以2017年8月12日為例（圖9），06：30—08：30隨著室外溫度的升高，室內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)啟濕簾、風(fēng)機(jī)等降溫設(shè)備，室內(nèi)溫度逐漸升高，室內(nèi)濕度逐漸降低。08：30開(kāi)啟濕簾和風(fēng)機(jī)后，溫室內(nèi)溫度驟降，在0.5 h左右室內(nèi)溫度驟降結(jié)束，室內(nèi)溫度降低到1個(gè)較穩(wěn)定的值，一般比室外溫度低1～5 ℃。同時(shí)，濕度驟升，在0.5 h內(nèi)濕度驟升結(jié)束，溫室內(nèi)、外濕度差趨于穩(wěn)定，室內(nèi)濕度一般比室外濕度高20%～35%。在 18：00 關(guān)閉濕簾和風(fēng)機(jī)，溫室內(nèi)溫度驟升，室內(nèi)濕度驟降，在 1 h 后，室內(nèi)溫、濕度和室外溫、濕度接近，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)1年多的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果表明：（1）溫室內(nèi)月平均溫度最高值出現(xiàn)在7月，為30.97 ℃，最低值出現(xiàn)在2月，為 18.20 ℃。溫室內(nèi)月平均濕度為62.3%～78.38%，月份間沒(méi)有規(guī)律。（2）薄膜溫室的熱濕環(huán)境大多數(shù)情況下能夠適宜植物的生長(zhǎng)，但是仍然存在夏季白天溫度偏高的問(wèn)題。試驗(yàn)溫室內(nèi)夏季月平均氣溫為28.67～30.97 ℃，日氣溫最高值一般出現(xiàn)在13：00左右，最低值出現(xiàn)在19：00—06：30，這段時(shí)間內(nèi)室內(nèi)溫度基本保持恒定且接近室外溫度。（3）在夏季晴天天氣條件下，白天室內(nèi)溫度接近室外溫度，夜間室內(nèi)溫度比室外溫度高0～2 ℃。在夏季多云天氣條件下，白天室內(nèi)溫度一般比室外溫度低1～7 ℃，夜間室內(nèi)溫度接近室外溫度。夏季陰雨天氣室內(nèi)溫度接近室外溫度，夜間室內(nèi)溫度一般比室外溫度高0～2 ℃。在夏季高溫悶棚情況下，室內(nèi)溫度最高為 43～61 ℃，比室外溫度高11～23 ℃。（4）夏季開(kāi)啟濕簾和風(fēng)機(jī)，能夠使溫室內(nèi)溫度驟降，在0.5 h左右溫室內(nèi)溫度驟降結(jié)束，室內(nèi)溫度降低到一個(gè)較穩(wěn)定的值，一般比室外溫度低 1～5 ℃。同時(shí)，濕度驟升，在0.5 h左右濕度驟升結(jié)束，溫室內(nèi)、外濕度差趨于穩(wěn)定，室內(nèi)濕度一般比室外濕度高20%～35%。（5）冬季溫室內(nèi)濕度變化較平穩(wěn)。以2017年1月23日多云天氣為例，溫室內(nèi)夜間濕度達(dá)80%左右，白天室內(nèi)濕度基本上比室外濕度低。

綜上所述，筆者建議薄膜智能溫室大體上能達(dá)到夏季降溫、冬季保溫的效果，但是仍存在夏季高溫的問(wèn)題。因此，福建薄膜智能溫室仍要選用耐熱的品種，并以選用濕簾和風(fēng)機(jī)搭配來(lái)起到降溫排濕的效果。

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收稿日期：2019-01-30

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作者簡(jiǎn)介：黃語(yǔ)燕（1987—），女，福建福州人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化研究。E-mail：644621043@qq.com。

通信作者：陳永快，碩士，助理，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)研究。E-mail：86467897@qq.com。