徐瑞麗+孫銀生

摘要：針對(duì)我國(guó)北方寒冷地區(qū)溫室大棚保溫差和抵御嚴(yán)寒能力弱的問題，設(shè)計(jì)了溫室大棚集中供暖系統(tǒng)：熱力站根據(jù)棚內(nèi)溫度和外界氣候的變化，通過控制水溫和循環(huán)水泵的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)棚區(qū)的溫度調(diào)節(jié)。同時(shí)，為了提高棚內(nèi)自身溫度的調(diào)節(jié)能力，又設(shè)計(jì)了供暖自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)：溫室大棚內(nèi)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過傳感器DS18B20采集棚內(nèi)的溫度，再通過nRF2401無線模塊發(fā)送到棚內(nèi)管理終端；管理終端根據(jù)作物的生長(zhǎng)需要，控制風(fēng)機(jī)和熱水管道進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚獨(dú)立的溫度調(diào)節(jié)。通過對(duì)6個(gè)大棚進(jìn)行24 h的恒溫（20.5 ℃）試驗(yàn)，測(cè)得全天平均溫度為 20.67 ℃，表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)棚內(nèi)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，適應(yīng)晝夜溫差較大和極寒天氣，對(duì)農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；供熱系統(tǒng)；溫度采集；集中監(jiān)測(cè)；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)： TP277.2；S625.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）06-0389-03

收稿日期：2014-01-20

基金資助：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號(hào)：61374128）；國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61104022）。

作者簡(jiǎn)介：徐瑞麗（1975—），女，河南鄧州人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡姎馀c自動(dòng)化控制。E-mail：xuruili75@126.com。溫室大棚的蓬勃發(fā)展豐富了人們的菜籃子，尤其是對(duì)于生活在我國(guó)北方的人們來說，能夠在嚴(yán)寒的冬季吃上各式各樣的新鮮蔬菜[1]。在國(guó)家政策的鼓勵(lì)下，越來越多的農(nóng)民和企業(yè)從事溫室大棚蔬菜的種植和管理，很多地區(qū)都已形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。眾所周知，溫室大棚的溫度很難控制，尤其是在我國(guó)北方高緯度省份，如遼寧省、吉林省和黑龍江省等冬季嚴(yán)寒地區(qū)，普通的溫室大棚單純靠保溫?zé)o法為蔬菜提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，遇到暴雪或者連續(xù)陰天等極寒天氣，氣溫有可能驟降到-40～-30 ℃，大棚保溫措施無法抵御嚴(yán)寒，會(huì)導(dǎo)致棚內(nèi)作物無法正常生長(zhǎng)，甚至大面積死亡[2-3]。有些大棚會(huì)采用生爐火加溫的方式來抵御嚴(yán)寒天氣，這種方式雖然簡(jiǎn)單，但爐火周圍容易局部溫度過高，產(chǎn)生過多的二氧化碳，熱量損耗大、成本高，耗時(shí)耗力，且不容易控制溫度。本研究針對(duì)目前已成規(guī)模的溫室大棚群，借鑒小區(qū)集中供暖的方式，設(shè)計(jì)了溫室大棚集中供暖自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)溫室大棚內(nèi)的溫度，熱力站自動(dòng)控制水溫和熱水的循環(huán)速度，能夠更加合理地利用煤炭資源，也為農(nóng)戶大大攤薄了管理成本。同時(shí)，溫室大棚自身根據(jù)作物對(duì)最適生長(zhǎng)溫度的需要，可通過供熱管道調(diào)節(jié)閥和換氣風(fēng)機(jī)設(shè)施進(jìn)行自我溫度調(diào)節(jié)，使大棚內(nèi)的溫度更加均勻，其中換氣風(fēng)機(jī)設(shè)施還可以帶走棚內(nèi)過多的水蒸氣和氧氣，補(bǔ)充二氧化碳，更利于作物的生長(zhǎng)。

1暖通與自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1暖通系統(tǒng)

針對(duì)已成規(guī)模的溫室大棚種植基地，為了能夠分?jǐn)偝杀竞吞岣吖芾碣|(zhì)量，設(shè)計(jì)了溫室大棚集中供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由熱力站、循環(huán)水泵、熱力管道、散熱管道、散熱片、管道開關(guān)調(diào)節(jié)閥和風(fēng)機(jī)設(shè)施等單元組成（圖1）。每個(gè)溫室大棚有3組散熱片、1個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)閥和2臺(tái)風(fēng)機(jī)[4]?？紤]到系統(tǒng)的整體供熱需求，增加了循環(huán)泵，當(dāng)溫室大棚溫度普遍偏低的時(shí)候，可增大循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，使熱水更加迅速地傳送到每個(gè)溫室大棚內(nèi)；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)溫室大棚的溫度獨(dú)立調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)采用了供熱管道的并聯(lián)方式，在每個(gè)大棚散熱管道入口處有1個(gè)開關(guān)控制閥，通過調(diào)節(jié)控制閥可以控制流入的熱水量，從而獨(dú)立調(diào)節(jié)溫室大棚的溫度，而且管道并聯(lián)的方式能夠避免由于某一個(gè)故障點(diǎn)（泄露或者堵塞）而造成整個(gè)供暖系統(tǒng)的癱瘓。

即便使用散熱片的方式，也難免會(huì)使大棚內(nèi)的溫度冷熱不均，非常不適宜作物的生長(zhǎng)。因此，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了1個(gè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和1個(gè)排風(fēng)風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)后能夠加速大棚內(nèi)的空氣流動(dòng)，使每個(gè)角落的溫度更加均勻；同時(shí)，也能夠帶走作物光合作用產(chǎn)生的氧氣和水蒸氣，補(bǔ)充二氧化碳，更利于作物的生長(zhǎng)。

1.2自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

目前有些熱力站運(yùn)行管理仍處于手工操作階段，工作人員以到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫的方式收集大棚內(nèi)溫度，然后指導(dǎo)供暖鍋爐的燃燒控制，但這種方式效率低且數(shù)據(jù)不完整，影響了集中供熱優(yōu)越性的充分發(fā)揮，經(jīng)常造成棚內(nèi)忽冷忽熱，使供熱參數(shù)未能在最佳工況下運(yùn)行，供熱量與需熱量不匹配，難以實(shí)現(xiàn)量化管理。為了確保供熱管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)現(xiàn)代化管理水平，設(shè)計(jì)了溫室大棚供暖的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，主要由熱力站監(jiān)控中心、溫室大棚前端設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分組成，前端設(shè)備主要由大棚管理終端和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)則和需求部署在溫室大棚內(nèi)，負(fù)責(zé)采集大棚內(nèi)的溫度，并通過2.4 G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到溫室大棚管理終端進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)獲取整個(gè)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行工況，也能控制調(diào)節(jié)閥和風(fēng)機(jī)的狀態(tài)；溫室大棚管理終端與熱力站工控機(jī)通過CAN總線相連。熱力站工控機(jī)上運(yùn)行著專業(yè)設(shè)計(jì)的管理軟件，負(fù)責(zé)收集各溫室大棚內(nèi)的溫度信息，并實(shí)時(shí)直觀集中地顯示在監(jiān)視器上，根據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的溫度參數(shù)調(diào)節(jié)換熱站運(yùn)行工況；同時(shí)，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫以便進(jìn)行歷史查詢使用，也能完成歷史曲線分析、歷史報(bào)表統(tǒng)計(jì)和自動(dòng)報(bào)警等功能[5]。如果天氣驟然變冷使棚內(nèi)的溫度普遍降低，管理軟件

會(huì)接收到來自溫室大棚管理終端的報(bào)警信號(hào)，通過自動(dòng)控制增加鍋爐的水溫和循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，以提高整體溫室大棚群內(nèi)的溫度到合適的水平；當(dāng)天氣轉(zhuǎn)暖時(shí)，會(huì)根據(jù)監(jiān)控管理軟件反映的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，適當(dāng)降低供水溫度和輸出流量，從而保證整個(gè)供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，也達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

2前端設(shè)備構(gòu)成與工作原理

系統(tǒng)中的前端設(shè)備——溫室大棚管理終端和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)共用同一個(gè)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，都采用控制器C8051F020作為核心，只是在其擴(kuò)展接口上添加相應(yīng)的功能模塊，并編寫程序[6]。

2.1監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)主要由控制器C8051F020、2個(gè)溫度傳感器DS18B20、固態(tài)FLASH、2.4G無線模塊nRF2401、LED顯示屏、風(fēng)機(jī)控制接口和電源管理單元組成（圖3）。

在每個(gè)溫室大棚的部署4個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)利用溫度傳感器DS18B20采集棚內(nèi)溫度。為了避免氣流不確定因素的影響，采用雙傳感器的方案，將2個(gè)傳感器的輸出平均值，實(shí)時(shí)顯示在LED顯示屏上，再通過2.4 G無線模塊nRF2401發(fā)送到溫室大棚管理終端。當(dāng)通信鏈路中斷時(shí)，固態(tài)FLASH會(huì)在本地保存測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)通信恢復(fù)正常時(shí)再將存在本地的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，保證溫室大棚管理終端對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性；同時(shí)，溫室大棚管理終端根據(jù)棚內(nèi)的溫度和預(yù)期溫度，可向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行的指令，加速氣體流動(dòng)，使溫度更加均衡，調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度到預(yù)期值。

2.2溫室大棚管理終端硬件設(shè)計(jì)

溫室大棚管理終端主要由控制器C8051F020、LED顯示屏、管道開關(guān)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥、2.4 G無線模塊nRF2401、CAN總線控制器和電源管理單元等組成（圖4）。

溫室大棚管理終端硬件是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與熱力站通信的紐帶， 主要負(fù)責(zé)通過nRF2401通信模塊接收各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上傳的

溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，為控制棚內(nèi)溫度設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供決策。當(dāng)接收到4個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)偏差不大時(shí)，表明棚內(nèi)溫度比較均衡，取4個(gè)點(diǎn)的溫度均值即可反映出整個(gè)棚內(nèi)的溫度狀態(tài)；當(dāng)這4個(gè)點(diǎn)的溫度有較大偏差時(shí)，說明此時(shí)棚內(nèi)空氣流通較差，導(dǎo)致棚內(nèi)溫度不均，此時(shí)會(huì)自動(dòng)向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)指令，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置，直到4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度達(dá)到預(yù)期的均衡范圍；當(dāng)監(jiān)測(cè)到棚內(nèi)的溫度過高或者過低時(shí)（超出預(yù)設(shè)的溫度范圍），也會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，管理終端自動(dòng)控制從熱力站過來的熱水的管道開關(guān)調(diào)節(jié)閥，控制熱水進(jìn)入量（減小或者增大），使棚內(nèi)的溫度迅速向預(yù)設(shè)的溫度值靠近，同時(shí)不斷監(jiān)測(cè)棚內(nèi)的溫度，直到在適宜作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

溫室大棚管理終端與熱力站的工控機(jī)通過CAN總線連接，將經(jīng)過處理的溫度數(shù)據(jù)連同管理終端自身的ID進(jìn)行打包并定時(shí)上傳到熱力站工控機(jī)，為熱力站的供熱提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而給整個(gè)溫室大棚群制定出更加合理的供熱策略。

3熱力站管理與試驗(yàn)結(jié)果

熱力站部署1臺(tái)工控機(jī)，并配置了CAN采集卡（PCICAND），與各溫室大棚的管理終端通過CAN總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并開發(fā)了專業(yè)的管理軟件。在熱力站就可以直觀地看到各溫室大棚的溫度狀態(tài)，并可控制水溫和管道內(nèi)的水流速度，調(diào)節(jié)整個(gè)溫室大棚群的溫度。

PCICAND是一種PCI總線板卡，符合CAN總線的通訊協(xié)議，并兼容CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，同時(shí)也符合ISO11898的規(guī)范，利用了光電隔離技術(shù)，使隔離電壓達(dá)到了 1 000 V，由于其同步工作頻率可達(dá)33 MHz，高傳輸速率可達(dá)132 Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸距離最長(zhǎng)為10 km，每路可連接110個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，完全滿足本系統(tǒng)的需要[7]。

3.1工控機(jī)管理軟件

運(yùn)行在工控機(jī)上的管理軟件采用C++Builder設(shè)計(jì)，通過調(diào)用CAN采集卡提供的集成動(dòng)態(tài)庫（DLL）里的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)來自各溫室大棚管理終端數(shù)據(jù)的接收和質(zhì)量的發(fā)送等操作。利用SQL 2000作為數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，該軟件具有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、顯示、統(tǒng)計(jì)分析、日志、報(bào)表打印、報(bào)警單元和控制接口等多個(gè)模塊[8]。

通過熱力站管理軟件實(shí)時(shí)獲取供暖質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對(duì)供暖質(zhì)量作出及時(shí)評(píng)估，為換熱站供熱控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確及時(shí)的溫度信息，使供熱控制系統(tǒng)作出正確的判斷，修正給定參數(shù)，使溫室大棚內(nèi)的溫度穩(wěn)定在良好的范圍，同時(shí)可以有效提高供熱系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，降低運(yùn)營(yíng)成本[9]。

3.2驗(yàn)證試驗(yàn)及分析

冬季晝夜溫差較大，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的工作性能和對(duì)溫度的調(diào)節(jié)能力，從溫室大棚群里選取了6個(gè)大棚作為抽樣參考，進(jìn)行了24 h的恒溫試驗(yàn)，并對(duì)這6個(gè)大棚的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行了記錄。其中恒溫設(shè)置為20.5 ℃（允許變化范圍為 20～21 ℃），每3 h記錄1次數(shù)據(jù)，8個(gè)時(shí)間的溫度如表1所示。表16個(gè)大棚的溫度測(cè)量結(jié)果

溫室大棚編號(hào)8個(gè)時(shí)間的溫度（℃）00：0003：0006：0009：0012：0015：0018：0021：00全天平均1#19.9019.7020.0020.6020.9021.2020.7020.2020.402#20.4021.0020.4020.9021.4021.6021.0020.6020.913#20.1019.9020.3020.8021.1021.3021.0020.3020.604#20.5021.2020.4021.1021.5021.8021.2020.6021.045#19.819.7019.9020.5020.8021.1020.5020.0020.296#20.3020.9020.4020.8021.3021.5020.8020.7020.77平均20.1720.4020.2320.7821.1421.4220.8720.4020.67

從表1中可以看出，6個(gè)抽樣大棚24 h內(nèi)的平均溫度為20.67 ℃，在允許的20～21 ℃范圍之內(nèi)；雖然夜間氣溫較低，但是通過熱力站的自動(dòng)調(diào)節(jié)，棚內(nèi)的溫度僅略微低于白天；另外，在12：00—15：00，由于日照的作用，棚內(nèi)溫度有小幅升高，但是通過溫室大棚內(nèi)的管理終端控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)后，溫度又回到了預(yù)期范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有極強(qiáng)的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，對(duì)農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化具有重要意義。

4結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的溫室大棚集中供暖系統(tǒng)能夠通過控制水溫和循環(huán)速度調(diào)節(jié)整個(gè)棚區(qū)的溫度。該集中供暖自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用了三級(jí)管理結(jié)構(gòu)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與大棚管理終端之間采用 2.4 G 無線通信，避免了大面積的布線，并且可靈活放置于棚

內(nèi)的任何位置；大棚管理終端與熱力站之間采用CAN總線通信，實(shí)時(shí)提供溫度數(shù)據(jù)，作為調(diào)節(jié)溫度的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了分布式溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的集中管理；采用控制棚內(nèi)風(fēng)機(jī)和熱水管道調(diào)節(jié)閥方法，實(shí)現(xiàn)了大棚自身的獨(dú)立溫度控制，為作物生長(zhǎng)提供了精準(zhǔn)的溫度環(huán)境。通過對(duì)6個(gè)抽樣大棚進(jìn)行24 h的恒溫試驗(yàn)表明，即便在晝夜溫差較大的情況下也能控制棚內(nèi)的溫度在 20～21 ℃ 之間，有效解決了傳統(tǒng)粗放式的供熱方式帶來的弊端，分?jǐn)偭斯芾沓杀荆策_(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

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[8]程曼，袁洪波，高立艾. 基于太陽能供電的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40（3）：179-181.

[9]蔡志端，毛建華，王培良. 基于模糊免疫自適應(yīng)PID的工業(yè)電爐多點(diǎn)溫度協(xié)調(diào)控制[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（1）：40-43.

在每個(gè)溫室大棚的部署4個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)利用溫度傳感器DS18B20采集棚內(nèi)溫度。為了避免氣流不確定因素的影響，采用雙傳感器的方案，將2個(gè)傳感器的輸出平均值，實(shí)時(shí)顯示在LED顯示屏上，再通過2.4 G無線模塊nRF2401發(fā)送到溫室大棚管理終端。當(dāng)通信鏈路中斷時(shí)，固態(tài)FLASH會(huì)在本地保存測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)通信恢復(fù)正常時(shí)再將存在本地的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，保證溫室大棚管理終端對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性；同時(shí)，溫室大棚管理終端根據(jù)棚內(nèi)的溫度和預(yù)期溫度，可向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行的指令，加速氣體流動(dòng)，使溫度更加均衡，調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度到預(yù)期值。

2.2溫室大棚管理終端硬件設(shè)計(jì)

溫室大棚管理終端主要由控制器C8051F020、LED顯示屏、管道開關(guān)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥、2.4 G無線模塊nRF2401、CAN總線控制器和電源管理單元等組成（圖4）。

溫室大棚管理終端硬件是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與熱力站通信的紐帶， 主要負(fù)責(zé)通過nRF2401通信模塊接收各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上傳的

溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，為控制棚內(nèi)溫度設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供決策。當(dāng)接收到4個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)偏差不大時(shí)，表明棚內(nèi)溫度比較均衡，取4個(gè)點(diǎn)的溫度均值即可反映出整個(gè)棚內(nèi)的溫度狀態(tài)；當(dāng)這4個(gè)點(diǎn)的溫度有較大偏差時(shí)，說明此時(shí)棚內(nèi)空氣流通較差，導(dǎo)致棚內(nèi)溫度不均，此時(shí)會(huì)自動(dòng)向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)指令，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置，直到4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度達(dá)到預(yù)期的均衡范圍；當(dāng)監(jiān)測(cè)到棚內(nèi)的溫度過高或者過低時(shí)（超出預(yù)設(shè)的溫度范圍），也會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，管理終端自動(dòng)控制從熱力站過來的熱水的管道開關(guān)調(diào)節(jié)閥，控制熱水進(jìn)入量（減小或者增大），使棚內(nèi)的溫度迅速向預(yù)設(shè)的溫度值靠近，同時(shí)不斷監(jiān)測(cè)棚內(nèi)的溫度，直到在適宜作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

溫室大棚管理終端與熱力站的工控機(jī)通過CAN總線連接，將經(jīng)過處理的溫度數(shù)據(jù)連同管理終端自身的ID進(jìn)行打包并定時(shí)上傳到熱力站工控機(jī)，為熱力站的供熱提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而給整個(gè)溫室大棚群制定出更加合理的供熱策略。

3熱力站管理與試驗(yàn)結(jié)果

熱力站部署1臺(tái)工控機(jī)，并配置了CAN采集卡（PCICAND），與各溫室大棚的管理終端通過CAN總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并開發(fā)了專業(yè)的管理軟件。在熱力站就可以直觀地看到各溫室大棚的溫度狀態(tài)，并可控制水溫和管道內(nèi)的水流速度，調(diào)節(jié)整個(gè)溫室大棚群的溫度。

PCICAND是一種PCI總線板卡，符合CAN總線的通訊協(xié)議，并兼容CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，同時(shí)也符合ISO11898的規(guī)范，利用了光電隔離技術(shù)，使隔離電壓達(dá)到了 1 000 V，由于其同步工作頻率可達(dá)33 MHz，高傳輸速率可達(dá)132 Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸距離最長(zhǎng)為10 km，每路可連接110個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，完全滿足本系統(tǒng)的需要[7]。

3.1工控機(jī)管理軟件

運(yùn)行在工控機(jī)上的管理軟件采用C++Builder設(shè)計(jì)，通過調(diào)用CAN采集卡提供的集成動(dòng)態(tài)庫（DLL）里的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)來自各溫室大棚管理終端數(shù)據(jù)的接收和質(zhì)量的發(fā)送等操作。利用SQL 2000作為數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，該軟件具有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、顯示、統(tǒng)計(jì)分析、日志、報(bào)表打印、報(bào)警單元和控制接口等多個(gè)模塊[8]。

通過熱力站管理軟件實(shí)時(shí)獲取供暖質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對(duì)供暖質(zhì)量作出及時(shí)評(píng)估，為換熱站供熱控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確及時(shí)的溫度信息，使供熱控制系統(tǒng)作出正確的判斷，修正給定參數(shù)，使溫室大棚內(nèi)的溫度穩(wěn)定在良好的范圍，同時(shí)可以有效提高供熱系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，降低運(yùn)營(yíng)成本[9]。

3.2驗(yàn)證試驗(yàn)及分析

冬季晝夜溫差較大，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的工作性能和對(duì)溫度的調(diào)節(jié)能力，從溫室大棚群里選取了6個(gè)大棚作為抽樣參考，進(jìn)行了24 h的恒溫試驗(yàn)，并對(duì)這6個(gè)大棚的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行了記錄。其中恒溫設(shè)置為20.5 ℃（允許變化范圍為 20～21 ℃），每3 h記錄1次數(shù)據(jù)，8個(gè)時(shí)間的溫度如表1所示。表16個(gè)大棚的溫度測(cè)量結(jié)果

溫室大棚編號(hào)8個(gè)時(shí)間的溫度（℃）00：0003：0006：0009：0012：0015：0018：0021：00全天平均1#19.9019.7020.0020.6020.9021.2020.7020.2020.402#20.4021.0020.4020.9021.4021.6021.0020.6020.913#20.1019.9020.3020.8021.1021.3021.0020.3020.604#20.5021.2020.4021.1021.5021.8021.2020.6021.045#19.819.7019.9020.5020.8021.1020.5020.0020.296#20.3020.9020.4020.8021.3021.5020.8020.7020.77平均20.1720.4020.2320.7821.1421.4220.8720.4020.67

從表1中可以看出，6個(gè)抽樣大棚24 h內(nèi)的平均溫度為20.67 ℃，在允許的20～21 ℃范圍之內(nèi)；雖然夜間氣溫較低，但是通過熱力站的自動(dòng)調(diào)節(jié)，棚內(nèi)的溫度僅略微低于白天；另外，在12：00—15：00，由于日照的作用，棚內(nèi)溫度有小幅升高，但是通過溫室大棚內(nèi)的管理終端控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)后，溫度又回到了預(yù)期范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有極強(qiáng)的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，對(duì)農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化具有重要意義。

4結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的溫室大棚集中供暖系統(tǒng)能夠通過控制水溫和循環(huán)速度調(diào)節(jié)整個(gè)棚區(qū)的溫度。該集中供暖自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用了三級(jí)管理結(jié)構(gòu)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與大棚管理終端之間采用 2.4 G 無線通信，避免了大面積的布線，并且可靈活放置于棚

內(nèi)的任何位置；大棚管理終端與熱力站之間采用CAN總線通信，實(shí)時(shí)提供溫度數(shù)據(jù)，作為調(diào)節(jié)溫度的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了分布式溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的集中管理；采用控制棚內(nèi)風(fēng)機(jī)和熱水管道調(diào)節(jié)閥方法，實(shí)現(xiàn)了大棚自身的獨(dú)立溫度控制，為作物生長(zhǎng)提供了精準(zhǔn)的溫度環(huán)境。通過對(duì)6個(gè)抽樣大棚進(jìn)行24 h的恒溫試驗(yàn)表明，即便在晝夜溫差較大的情況下也能控制棚內(nèi)的溫度在 20～21 ℃ 之間，有效解決了傳統(tǒng)粗放式的供熱方式帶來的弊端，分?jǐn)偭斯芾沓杀?，也達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉力，鮑安紅，曹樹星，等. 溫室大棚內(nèi)環(huán)境自動(dòng)化控制方案設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013，35（1）：90-93.

[2]陳教料，胥芳，張立彬，等. 基于熱平衡模型的溫室地表水源熱泵系統(tǒng)供暖設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（11）：227-231.

[3]謝小芳，黃俊，譚成宇. 基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件分析與設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（1）：23-26.

[4]袁艷平，馬國(guó)川，雷波，等. 夏季最熱月鐵路隧道內(nèi)空氣溫度預(yù)測(cè)用外界計(jì)算溫度的選擇[J]. 暖通空調(diào)，2012，42（12）：98-102.

[5]袁志強(qiáng). 基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（11）：396-397.

[6]貝偉仰，江虹. 基于紅外測(cè)溫的無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（10）：2397-2400.

[7]董曉明，梁軍，韓學(xué)山，等. 計(jì)及輸電線路溫度變化的連續(xù)潮流模型與計(jì)算[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（23）：36-41.

[8]程曼，袁洪波，高立艾. 基于太陽能供電的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40（3）：179-181.

[9]蔡志端，毛建華，王培良. 基于模糊免疫自適應(yīng)PID的工業(yè)電爐多點(diǎn)溫度協(xié)調(diào)控制[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（1）：40-43.

在每個(gè)溫室大棚的部署4個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)利用溫度傳感器DS18B20采集棚內(nèi)溫度。為了避免氣流不確定因素的影響，采用雙傳感器的方案，將2個(gè)傳感器的輸出平均值，實(shí)時(shí)顯示在LED顯示屏上，再通過2.4 G無線模塊nRF2401發(fā)送到溫室大棚管理終端。當(dāng)通信鏈路中斷時(shí)，固態(tài)FLASH會(huì)在本地保存測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)通信恢復(fù)正常時(shí)再將存在本地的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，保證溫室大棚管理終端對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性；同時(shí)，溫室大棚管理終端根據(jù)棚內(nèi)的溫度和預(yù)期溫度，可向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行的指令，加速氣體流動(dòng)，使溫度更加均衡，調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度到預(yù)期值。

2.2溫室大棚管理終端硬件設(shè)計(jì)

溫室大棚管理終端主要由控制器C8051F020、LED顯示屏、管道開關(guān)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥、2.4 G無線模塊nRF2401、CAN總線控制器和電源管理單元等組成（圖4）。

溫室大棚管理終端硬件是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與熱力站通信的紐帶， 主要負(fù)責(zé)通過nRF2401通信模塊接收各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上傳的

溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，為控制棚內(nèi)溫度設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供決策。當(dāng)接收到4個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)偏差不大時(shí)，表明棚內(nèi)溫度比較均衡，取4個(gè)點(diǎn)的溫度均值即可反映出整個(gè)棚內(nèi)的溫度狀態(tài)；當(dāng)這4個(gè)點(diǎn)的溫度有較大偏差時(shí)，說明此時(shí)棚內(nèi)空氣流通較差，導(dǎo)致棚內(nèi)溫度不均，此時(shí)會(huì)自動(dòng)向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)指令，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置，直到4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度達(dá)到預(yù)期的均衡范圍；當(dāng)監(jiān)測(cè)到棚內(nèi)的溫度過高或者過低時(shí)（超出預(yù)設(shè)的溫度范圍），也會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，管理終端自動(dòng)控制從熱力站過來的熱水的管道開關(guān)調(diào)節(jié)閥，控制熱水進(jìn)入量（減小或者增大），使棚內(nèi)的溫度迅速向預(yù)設(shè)的溫度值靠近，同時(shí)不斷監(jiān)測(cè)棚內(nèi)的溫度，直到在適宜作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

溫室大棚管理終端與熱力站的工控機(jī)通過CAN總線連接，將經(jīng)過處理的溫度數(shù)據(jù)連同管理終端自身的ID進(jìn)行打包并定時(shí)上傳到熱力站工控機(jī)，為熱力站的供熱提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而給整個(gè)溫室大棚群制定出更加合理的供熱策略。

3熱力站管理與試驗(yàn)結(jié)果

熱力站部署1臺(tái)工控機(jī)，并配置了CAN采集卡（PCICAND），與各溫室大棚的管理終端通過CAN總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并開發(fā)了專業(yè)的管理軟件。在熱力站就可以直觀地看到各溫室大棚的溫度狀態(tài)，并可控制水溫和管道內(nèi)的水流速度，調(diào)節(jié)整個(gè)溫室大棚群的溫度。

PCICAND是一種PCI總線板卡，符合CAN總線的通訊協(xié)議，并兼容CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，同時(shí)也符合ISO11898的規(guī)范，利用了光電隔離技術(shù)，使隔離電壓達(dá)到了 1 000 V，由于其同步工作頻率可達(dá)33 MHz，高傳輸速率可達(dá)132 Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸距離最長(zhǎng)為10 km，每路可連接110個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，完全滿足本系統(tǒng)的需要[7]。

3.1工控機(jī)管理軟件

運(yùn)行在工控機(jī)上的管理軟件采用C++Builder設(shè)計(jì)，通過調(diào)用CAN采集卡提供的集成動(dòng)態(tài)庫（DLL）里的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)來自各溫室大棚管理終端數(shù)據(jù)的接收和質(zhì)量的發(fā)送等操作。利用SQL 2000作為數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，該軟件具有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、顯示、統(tǒng)計(jì)分析、日志、報(bào)表打印、報(bào)警單元和控制接口等多個(gè)模塊[8]。

通過熱力站管理軟件實(shí)時(shí)獲取供暖質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對(duì)供暖質(zhì)量作出及時(shí)評(píng)估，為換熱站供熱控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確及時(shí)的溫度信息，使供熱控制系統(tǒng)作出正確的判斷，修正給定參數(shù)，使溫室大棚內(nèi)的溫度穩(wěn)定在良好的范圍，同時(shí)可以有效提高供熱系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，降低運(yùn)營(yíng)成本[9]。

3.2驗(yàn)證試驗(yàn)及分析

冬季晝夜溫差較大，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的工作性能和對(duì)溫度的調(diào)節(jié)能力，從溫室大棚群里選取了6個(gè)大棚作為抽樣參考，進(jìn)行了24 h的恒溫試驗(yàn)，并對(duì)這6個(gè)大棚的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行了記錄。其中恒溫設(shè)置為20.5 ℃（允許變化范圍為 20～21 ℃），每3 h記錄1次數(shù)據(jù)，8個(gè)時(shí)間的溫度如表1所示。表16個(gè)大棚的溫度測(cè)量結(jié)果

溫室大棚編號(hào)8個(gè)時(shí)間的溫度（℃）00：0003：0006：0009：0012：0015：0018：0021：00全天平均1#19.9019.7020.0020.6020.9021.2020.7020.2020.402#20.4021.0020.4020.9021.4021.6021.0020.6020.913#20.1019.9020.3020.8021.1021.3021.0020.3020.604#20.5021.2020.4021.1021.5021.8021.2020.6021.045#19.819.7019.9020.5020.8021.1020.5020.0020.296#20.3020.9020.4020.8021.3021.5020.8020.7020.77平均20.1720.4020.2320.7821.1421.4220.8720.4020.67

從表1中可以看出，6個(gè)抽樣大棚24 h內(nèi)的平均溫度為20.67 ℃，在允許的20～21 ℃范圍之內(nèi)；雖然夜間氣溫較低，但是通過熱力站的自動(dòng)調(diào)節(jié)，棚內(nèi)的溫度僅略微低于白天；另外，在12：00—15：00，由于日照的作用，棚內(nèi)溫度有小幅升高，但是通過溫室大棚內(nèi)的管理終端控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)后，溫度又回到了預(yù)期范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有極強(qiáng)的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，對(duì)農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化具有重要意義。

4結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的溫室大棚集中供暖系統(tǒng)能夠通過控制水溫和循環(huán)速度調(diào)節(jié)整個(gè)棚區(qū)的溫度。該集中供暖自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用了三級(jí)管理結(jié)構(gòu)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與大棚管理終端之間采用 2.4 G 無線通信，避免了大面積的布線，并且可靈活放置于棚

內(nèi)的任何位置；大棚管理終端與熱力站之間采用CAN總線通信，實(shí)時(shí)提供溫度數(shù)據(jù)，作為調(diào)節(jié)溫度的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了分布式溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的集中管理；采用控制棚內(nèi)風(fēng)機(jī)和熱水管道調(diào)節(jié)閥方法，實(shí)現(xiàn)了大棚自身的獨(dú)立溫度控制，為作物生長(zhǎng)提供了精準(zhǔn)的溫度環(huán)境。通過對(duì)6個(gè)抽樣大棚進(jìn)行24 h的恒溫試驗(yàn)表明，即便在晝夜溫差較大的情況下也能控制棚內(nèi)的溫度在 20～21 ℃ 之間，有效解決了傳統(tǒng)粗放式的供熱方式帶來的弊端，分?jǐn)偭斯芾沓杀?，也達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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