摘要：結(jié)合壩上氣候特點(diǎn)及溫室光照自動(dòng)控制需求，設(shè)計(jì)了作物光照強(qiáng)度控制系統(tǒng)。首先構(gòu)建溫室環(huán)境模型，以自然光與人工補(bǔ)光進(jìn)行溫室光照建模，設(shè)計(jì)溫室光照自動(dòng)控制流程。在此基礎(chǔ)上通過無線互聯(lián)網(wǎng)和ZigBee設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了溫室光照度自動(dòng)控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)、溫度感知單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、控制執(zhí)行單元、監(jiān)控后臺(tái)單元、可調(diào)光源單元的設(shè)計(jì)，引入CodeWarriorIDE開發(fā)環(huán)境進(jìn)行控制軟件設(shè)計(jì)，最后通過測試證明其促進(jìn)作物生長的效果。

關(guān)鍵詞：無線互聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；光照自動(dòng)控制；ZigBee

中圖分類號(hào)：TN929.5；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）02-0486-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.056

河北省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界的壩上地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，而寒冷、多風(fēng)、干旱的生態(tài)環(huán)境和氣候條件均不利于農(nóng)業(yè)發(fā)展[1]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)設(shè)施的發(fā)展和溫室技術(shù)的引入，該地區(qū)在溫室工程建設(shè)、溫室高產(chǎn)栽培等方面取得了一些成果。由于配套技術(shù)和設(shè)施發(fā)展依然滯后，目前溫室作物種植環(huán)境控制水平不高、難以抵御自然災(zāi)害。隨著WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用逐步深入，不少領(lǐng)域逐步將其用于環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)控制。實(shí)時(shí)光照是溫室自動(dòng)監(jiān)測的重要參數(shù)，能夠影響作物的生長和產(chǎn)量，因此對于溫室光照控制系統(tǒng)的研究也是當(dāng)前業(yè)界的熱點(diǎn)之一。本研究結(jié)合溫室整體構(gòu)造，構(gòu)建壩上地區(qū)溫室光照智能化控制數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析光照控制算法，在此基礎(chǔ)上對溫室光照監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和核心功能軟件的設(shè)計(jì)。

1 溫室自動(dòng)控制模型分析

1.1 溫室環(huán)境模型構(gòu)建

溫室環(huán)境受到多個(gè)變量的影響，其環(huán)境狀態(tài)取決于3個(gè)因素：①此時(shí)刻的環(huán)境狀態(tài)；②外部環(huán)境狀態(tài)；③溫室環(huán)境控制設(shè)施。由此，本研究為壩上地區(qū)典型溫室構(gòu)建如圖1所示的整體環(huán)境影響模型。

溫室環(huán)境不同參數(shù)間存在著相關(guān)性，本研究著重關(guān)注光照度參數(shù)，此參數(shù)相對獨(dú)立，主要取決于外界自然光，因此會(huì)隨著季節(jié)變化、時(shí)間變化與天氣變化而產(chǎn)生明顯波動(dòng)。在夏季晴天光照度過高的情況下必須采取遮光措施；而在秋冬季節(jié)或者陰天等情況下則應(yīng)啟動(dòng)光照控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)光，滿足作物需要?？紤]到光照因素也會(huì)為溫室環(huán)境的其他參數(shù)帶來影響（例如大功率熱光源導(dǎo)致的局部溫度偏高），本研究選取冷光源作為人工補(bǔ)光的設(shè)備；遮光設(shè)施選取新型遮光材料。

2 溫室光照度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)架設(shè)計(jì)

根據(jù)ZigBee無線傳輸與控制協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括：無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)與基站單元，組成無線傳輸復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，對獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后傳輸至上位機(jī)單元；溫度傳感單元，獲取實(shí)時(shí)光照數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸；上位機(jī)單元，與基站單元共同構(gòu)成光照度控制系統(tǒng)監(jiān)控后臺(tái)；LED板，構(gòu)成可調(diào)節(jié)人工光源。整體構(gòu)成如圖5所示。

2.2 模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 溫度感知單元 該模塊主要功能是通過光敏傳感器對被監(jiān)控的溫室環(huán)境溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。其核心部件——光敏傳感器可以把探測到的光信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。本研究選取LS06-S光敏傳感器，量程為0～50 000 lx]，其實(shí)時(shí)輸出的電壓值和探測的光照度之間保持的線性關(guān)系可以描述為：S=？琢U。式中，S表示光照度（lx）；U表示光敏傳感單元輸出電壓（V）；？琢表示光照度/電壓轉(zhuǎn)化比（lx/V）。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸單元 該模塊主要功能是把溫度感知單元產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并發(fā)送至控制系統(tǒng)后臺(tái)，結(jié)合控制策略向控制單元發(fā)送操作命令。數(shù)據(jù)傳輸單元包括節(jié)點(diǎn)單元和基站單元，引入CC2530芯片構(gòu)成基于ZigBee的傳輸體系，實(shí)現(xiàn)在基于ZigBee協(xié)議的復(fù)合網(wǎng)中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通訊。CC2530芯片在此系統(tǒng)中的作用包括：①將溫度感知單元的模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化；②通過RS232/485在節(jié)點(diǎn)和MCU處理器間傳輸數(shù)據(jù)；③對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.2.3 控制執(zhí)行單元 該單元包含的主要部件是驅(qū)動(dòng)芯片與繼電開關(guān)，其功能是結(jié)合從節(jié)點(diǎn)單元收到的控制信息觸發(fā)相應(yīng)的操作，對照明LED板準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的控制。本研究結(jié)合溫室構(gòu)造及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，設(shè)置三路LED照明板，每路單獨(dú)配置控制執(zhí)行單元?？刂茍?zhí)行單元設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.2.4 監(jiān)控后臺(tái)單元 該模塊主要功能是管理者以人機(jī)交互的方式對溫室光照度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控?；締卧@取來自無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)中的溫室實(shí)時(shí)光照信息，并結(jié)合事先設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，以決定是否觸發(fā)改變控制狀態(tài)的命令，這些信息均顯示在監(jiān)控后臺(tái)的PC界面供管理者查看和調(diào)用。

2.2.5 可調(diào)光源單元 作物的光照需求主要是紅光及藍(lán)光，本研究以紅光LED陣列與藍(lán)光LED陣列設(shè)計(jì)人工可調(diào)光源板。每塊可調(diào)光源板均分成3路，每路包括紅光部件及藍(lán)光部件各48枚，光照度4 500 lx；每塊可調(diào)光源板功耗80 W，通過不同路的組合實(shí)現(xiàn)光照度的可調(diào)。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

引入CodeWarriorIDE開發(fā)環(huán)境，結(jié)合溫室光照調(diào)節(jié)算法，構(gòu)建如圖8所示的軟件流程。由圖8可知，基站完成初始化后開始輪詢節(jié)點(diǎn)所采集的溫室實(shí)時(shí)光照信息，結(jié)合S值進(jìn)行判斷，并作為控制LED人工光源陣列開閉的依據(jù)。結(jié)合壩上地區(qū)的氣候特征和光照因素，本研究將S值分為三類狀態(tài)：過低狀態(tài)：S∈[0，15 000]；正常狀態(tài)：S∈[15 000， 20 000]；過高狀態(tài)：S∈[20 000，∞]。采用逐級(jí)迭代分布模式，若當(dāng)前處于過低狀態(tài)，則進(jìn)一步判斷光照度所處區(qū)域，若S∈[0，5 000]則開啟全部LED陣列并進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)；若S∈[5 000，10 000]則開啟3組LED陣列中的2組并進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)；若S∈[10 000，15 000]則開啟3組LED陣列中的1組并進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫室光照的逐級(jí)分布調(diào)節(jié)。若S∈[20 000，∞]則采取遮光措施。

3 系統(tǒng)測試

3.1 數(shù)據(jù)精度測試

以宣化科技職業(yè)學(xué)院張北（壩上）地區(qū)研究實(shí)驗(yàn)中心溫室基地進(jìn)行測試。壩上地區(qū)溫差大，光照度變化也很大，因此將溫室光照控制級(jí)別設(shè)定為5 000 lx/檔。光照度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣周期10 s，光照延時(shí)設(shè)置為10 min，系統(tǒng)誤差控制在不高于5%。以現(xiàn)場人工定點(diǎn)使用便攜式測試儀獲取的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對比，如表1所示。

選取12 h內(nèi)的24個(gè)時(shí)刻進(jìn)行測試并將兩種方法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與人工測量存在誤差，但最大誤差絕對值為4.0%，低于5.0%，因此可認(rèn)為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度可以滿足溫室實(shí)際要求。

3.2 作物生長測試

選取壩上地區(qū)溫室栽培中常見的櫻桃蘿卜（Raphanus sativus L. var.radculus pers）作為作物樣本，將溫室分為隔離的兩個(gè)等面積區(qū)域A（試驗(yàn)組）與B（對照組），其中A區(qū)部署光照智能控制無線網(wǎng)絡(luò)，B區(qū)則以傳統(tǒng)人工的方式進(jìn)行光照調(diào)節(jié)。兩區(qū)各種植32株同種水蘿卜進(jìn)行對比，其培育方式、施肥澆灌等其他條件均一致，兩個(gè)區(qū)域的作物生長情況如表2所示。

由表2可知，B區(qū)（對照組）的櫻桃蘿卜采用傳統(tǒng)溫室培養(yǎng)方式，其花期基本維持在正常狀態(tài)，并未提前開花，且植株的高度和形態(tài)等參數(shù)也在正常生長狀態(tài)；而A區(qū)（試驗(yàn)組）的櫻桃蘿卜因?yàn)樵谧詣?dòng)系統(tǒng)的控制下能夠獲得更加適合的光照度，因此其植株形態(tài)更加健壯，花期明顯提前。試驗(yàn)人員觀察可知A區(qū)試驗(yàn)組的作物植株葉片與B區(qū)對照組相比，葉片更加挺拔翠綠，花冠明顯大而完整，花瓣也更加繁茂，表現(xiàn)出顯著的優(yōu)良性狀。因此，可認(rèn)為基于WSN的溫室光照度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠有助于作物的生長。

4 小結(jié)

本研究結(jié)合壩上地區(qū)的氣候特點(diǎn)，構(gòu)建溫室環(huán)境基本模型，針對溫室光照度自動(dòng)控制需求，引入經(jīng)典遮光數(shù)學(xué)模型，對光照控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上通過無線互聯(lián)網(wǎng)和ZigBee設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了溫室光照度自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過測試證明其促進(jìn)作物生長的效果。

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