謝新華，梁　棟，張東彥，周建軍，王　秀，張香倩，王繼環(huán)

(1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，合肥　230601;2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京　100097)

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秋季溫室番茄環(huán)境因子變化規(guī)律研究
—基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)

謝新華1,2，梁棟1，張東彥1,2，周建軍2，王秀2，張香倩1，王繼環(huán)2

(1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，合肥230601;2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：環(huán)境因子是制約蔬菜產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)鍵因素。為了精準(zhǔn)指導(dǎo)溫室番茄生產(chǎn)管理、探索環(huán)境因子變化對(duì)其影響，利用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network ,WSN)采集了連棟溫室番茄在不同生育期、高度、位置下環(huán)境因子數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：不同發(fā)育期溫濕度變化范圍不同，光照強(qiáng)度減弱，光照時(shí)間減少，二氧化碳濃度變化延遲；白天，冠層的溫度、光照強(qiáng)度比其他高度的大，濕度比其他高度的低，中間層與根部接近，夜間3個(gè)高度環(huán)境因子相近；不同位置溫度由南向北、濕度由北向南呈高到低之勢(shì)，光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度最大差值分別為6 562.5lux及93.76×10-6。測(cè)試結(jié)果表明：WSN可為番茄連棟溫室環(huán)境調(diào)控提供參考和決策支持。

關(guān)鍵詞：WSN；環(huán)境因子；變化規(guī)律；番茄；連棟溫室

0引言

番茄是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚氖卟水a(chǎn)品，具有非常高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。溫室番茄產(chǎn)量除受品種影響外，與溫室環(huán)境因子密切相關(guān)，且不同生長(zhǎng)發(fā)育期對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求不同。趙玉萍等[1]研究了不同溫度對(duì)溫室番茄生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響；楊延杰等[2]指出光照強(qiáng)度對(duì)番茄植株株高、莖粗、根系活力、產(chǎn)量等均有影響；程智慧等[3]確定了7個(gè)環(huán)境因子對(duì)果實(shí)生長(zhǎng)的影響及果實(shí)生長(zhǎng)適宜的環(huán)境變量范圍。溫室環(huán)境不僅與室外溫度、濕度、光照強(qiáng)度等因素有關(guān)，而且還受番茄生長(zhǎng)發(fā)育狀況及溫室結(jié)構(gòu)影響。所以，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境，科學(xué)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境因素以適應(yīng)番茄生長(zhǎng)對(duì)提高產(chǎn)量具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network ,WSN)因其具有實(shí)時(shí)、高效、省力等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[4-5]。在溫室農(nóng)業(yè)方面：王福祿等[4]研究了無(wú)線(xiàn)傳感器溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；郭文川等[5]利用WSN設(shè)計(jì)了一款具有功耗低、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能較好滿(mǎn)足溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)需求。在溫室調(diào)控方面：Anaslying等[6]利用作物的光輻射吸收、葉片的光合作用和呼吸作用預(yù)測(cè)模型建立了根據(jù)自然光照控制溫室溫度的環(huán)境控制系統(tǒng)；Henten[7]根據(jù)2個(gè)時(shí)間尺度(長(zhǎng)期和短期)方法建立了溫室優(yōu)化控制系統(tǒng)，解決了長(zhǎng)期和短期控制問(wèn)題。但對(duì)番茄溫室環(huán)境因子全面、系統(tǒng)采集并深入研究的較少，尤其缺乏與實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)相結(jié)合的針對(duì)性研究?；诖?，筆者利用WSN記錄了溫室番茄不同生育期、高度、位置下的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，并研究其溫濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度變化規(guī)律，嘗試為連棟溫室環(huán)境調(diào)控提供參考依據(jù)和決策支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)：北京市昌平區(qū)特菜大觀(guān)園西區(qū)長(zhǎng)55m、寬50m，采用荷蘭環(huán)境調(diào)控設(shè)備進(jìn)行調(diào)控的連棟溫室進(jìn)行，溫室內(nèi)北置濕簾，南置風(fēng)扇。番茄采用無(wú)土栽培方式種植，行距1.5m，株距30cm。為了全面地覆蓋整個(gè)溫室，在溫室內(nèi)不同的位置布置9個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)支架固定在西紅柿種植行內(nèi)，可自由調(diào)節(jié)高度。溫室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

連棟溫室的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由番茄生長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站、番茄生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)主機(jī)系統(tǒng)、中心節(jié)點(diǎn)及無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)和傳感器等設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境信息實(shí)時(shí)采集；所采集信息經(jīng)中心節(jié)點(diǎn)傳送給番茄生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)主機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)分別將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，番茄生長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)溫室環(huán)境信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3數(shù)據(jù)采集

番茄植株平均高度在9、10、11月為2、 2.5、3m，分別處于結(jié)果期和果實(shí)著色期。試驗(yàn)通過(guò)溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器對(duì)9個(gè)節(jié)點(diǎn)番茄3個(gè)高度(冠層、中間、根部)的溫濕度、2個(gè)高度(冠層、中間)的光照強(qiáng)度和溫室內(nèi)的二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每20min記錄一次，共記錄數(shù)據(jù)47 304條。

2結(jié)果與分析

2.1不同育期高度溫室內(nèi)環(huán)境因子變化規(guī)律

2.1.1溫濕度

溫濕度是影響番茄生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素[1,3,8]，溫室內(nèi)溫濕度是否正常，直接關(guān)系到番茄單果質(zhì)量和產(chǎn)量高低。圖3是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)記錄的不同生育期不同高度溫室溫濕度變化曲線(xiàn)。

圖1　溫室結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

(a)　9月中旬至11月溫室不同高度溫濕度變化　　　　　　　　　(b)　9月溫室不同高度溫濕度日變化

(c)　10月溫室不同高度溫濕度日變化　　　　　　　　　　　(d)　11月溫室不同高度溫濕度日變化

由圖3(a)可見(jiàn)：9、10月溫室溫度波動(dòng)在12.06～44℃之間，濕度在24.81～93.12%之間變化，波動(dòng)范圍較大；11月溫濕度波動(dòng)范圍相對(duì)較小。而蘇偉[8]指出番茄結(jié)果期適溫為白天24～26℃，夜間12～17℃，著色期適溫為20～25℃，空氣相對(duì)濕度為45～50%。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，建議注意通風(fēng)，適時(shí)延長(zhǎng)風(fēng)扇工作時(shí)間，減少灌溉次數(shù)。由圖3可知，一天內(nèi)，溫度變化呈“單峰”型，濕度變化呈“單谷”型；溫室溫濕度在日出之前分別達(dá)到最低和最高，上午8時(shí)左右溫濕度上升、下降迅速，并于中午12點(diǎn)至下午2點(diǎn)左右之間分別達(dá)到最高和最低，下午14時(shí)左右溫濕度下降、上升較快，18時(shí)后變化緩慢；而11月溫度下降時(shí)間提前；番茄中間、根部的溫濕度上升和下降的時(shí)間稍晚于冠層，且速度比冠層慢，上午8時(shí)至下午18時(shí)左右冠層溫度比中間和根部高，濕度比中間和根部低，而中間溫濕度與根部溫濕度相差較小。9、10、11月3個(gè)高度溫度最大值差幅分別為28.17%、26.55%、9.65%，濕度最小值差幅分別為50.28%、43.51%、31.65%。

2.1.2光照強(qiáng)度

番茄是喜溫蔬菜，光照強(qiáng)度與其生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)[2]。光照強(qiáng)度不足不僅影響番茄植株生長(zhǎng)，而且會(huì)影響其產(chǎn)量。不同生育期不同高度溫室光照強(qiáng)度變化如圖4所示。

(a)　9月中旬至11月溫室不同高度光照強(qiáng)度變化　　　　　　　　　　(b)　9月溫室不同高度光照強(qiáng)度日變化

(c)　10月溫室不同高度光照強(qiáng)度日變化　　　　　　　　　　　　(d)　11月溫室不同高度光照強(qiáng)度日變化

由圖4(a)可見(jiàn):溫室光照強(qiáng)度逐漸減弱，這是由于天氣和季節(jié)原因所致。9月份溫室光照強(qiáng)度最高達(dá)50 000lux左右；10月份光照強(qiáng)度變化較多；這是由于10月份北京霧霾天氣出現(xiàn)較多，11月份光照強(qiáng)度最高達(dá)30 000lux左右，且11月光照強(qiáng)度上升時(shí)間出現(xiàn)延遲，并且波峰變窄，原因是白晝時(shí)間變短。而番茄生長(zhǎng)發(fā)育適宜光照強(qiáng)度為40 000～50 000lux[8],所以建議在霧霾等光照較弱的天氣使用懸掛生物效應(yīng)燈、反光幕等[8-9]為溫室補(bǔ)充光照。從圖4中可見(jiàn)：冠層光照強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中間，說(shuō)明冠層為光合作用主要部分，也是反應(yīng)溫室光照強(qiáng)度關(guān)鍵層；11月份冠層光照強(qiáng)度波峰比9、10月窄，說(shuō)明11月份光照時(shí)間變短，建議人工延長(zhǎng)光照時(shí)間。9-11月冠層與中間層光照強(qiáng)度最大值差幅分別為40.25%、70.92%和73.97%；10、11月差幅較大，是由于10、11月番茄比9月更加茂盛，遮擋情況更加嚴(yán)重，建議適當(dāng)為番茄剪枝。

2.1.3二氧化碳濃度

二氧化碳是植物進(jìn)行光合作用重要成分，如圖5所示。由圖5可知：9月中旬至10月中旬二氧化碳濃度波動(dòng)范圍在440.63×10-6～656.25×10-6之間，而10月中旬至11月二氧化碳濃度波動(dòng)范圍較廣，最低為403.12×10-6，最高達(dá)687.5×10-6，3個(gè)月二氧化碳濃度最大差幅分別為16.08%、23.62%和25.91%。文獻(xiàn)[8]指出當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到1 000×10-6～1 500×10-6時(shí)，番茄生長(zhǎng)旺盛，開(kāi)花提前，產(chǎn)量提高。所以，在上午9-11時(shí)可適量增施濃度為0.000 6%左右的二氧化碳?xì)夥?。一天?nèi)，9、10月二氧化碳濃度于上午7時(shí)左右開(kāi)始迅速下降，11月二氧化碳濃度下降時(shí)間與最小值出現(xiàn)時(shí)間均推遲；而2個(gè)生育期二氧化碳濃度的上升時(shí)間卻相近，說(shuō)明11月份番茄進(jìn)行光合作用的時(shí)間變短，會(huì)影響植物營(yíng)養(yǎng)攝入，建議11月以后人工延長(zhǎng)番茄光照時(shí)間。

(a)　9月中旬至11月溫室二氧化碳濃度變化　　　　　　　　　　　　　(b)　二氧化碳濃度日變化

2.2不同位置溫室內(nèi)環(huán)境因子變化規(guī)律

2.2.1溫度

不同位置的溫室溫度變化如圖6所示。由圖6可以看出：各位置的溫度變化趨勢(shì)相同，各位置的溫度都是日出之前最低；上午6：42節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)9 溫度分別為20.69、19.31、21.19、20、19.31、21.44、20.5、20、20.12℃，12：42節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)9 溫度分別為34.75、34.25、34.06、33.31、32.75、32.38、34.81、34.25、34.06℃，18：429個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度分別為21.19、20.94、20、21.75、20.5、19.75、21.31、20、19.88℃。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，溫度由南向北呈高到低之勢(shì)，平均最大差幅為9.26%。

圖6　不同位置冠層溫度日變化

2.2.2濕度

由圖7可知：不同位置的空氣濕度夜間最大，下午1時(shí)左右濕度達(dá)到一天最小值。而不同節(jié)點(diǎn)濕度最小值之間相差約15.43%，平均最大差幅為16.18%；但不同節(jié)點(diǎn)的濕度變化趨勢(shì)相同，且都是在溫室內(nèi)溫度升高、光照強(qiáng)度增強(qiáng)之后逐漸變小，并隨著溫度、光照強(qiáng)度下降而開(kāi)始上升。從圖7可知：靠近濕簾的節(jié)點(diǎn)3、6、9濕度較大，而靠近風(fēng)機(jī)的1、4、7節(jié)點(diǎn)濕度比其它節(jié)點(diǎn)要低，所以節(jié)點(diǎn)2、5、8更能反應(yīng)溫室內(nèi)真實(shí)濕度。

圖7　不同位置冠層空氣濕度日變化

2.2.3光照強(qiáng)度

由圖8可以看出：一天內(nèi)溫室光照強(qiáng)度從日出開(kāi)始上升，并于中午12時(shí)左右達(dá)到一天最大值，下午1時(shí)左右開(kāi)始下降。從圖8也可以看出：除節(jié)點(diǎn)2外，不同位置的光照強(qiáng)度相近，最大相差6 562.5lux，差幅為30%；而節(jié)點(diǎn)2比其他位置光照強(qiáng)度明顯偏低是由于存在枝葉遮擋情況，說(shuō)明溫室的光照均勻性較好。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)精確，建議平常生產(chǎn)管理中保持節(jié)點(diǎn)不被枝葉遮擋，適當(dāng)進(jìn)行修剪管理。

圖8　不同位置冠層光照強(qiáng)度日變化

2.2.4二氧化碳

由圖9可知：溫室內(nèi)二氧化碳濃度夜間高白天低，于上午8時(shí)左右開(kāi)始降低，9-11時(shí)達(dá)到一天最小值，隨后緩慢上升，最終達(dá)到最大值。這是由于植物一天內(nèi)在9-11時(shí)進(jìn)行光合作用最強(qiáng)，隨后緩慢減弱，而植物進(jìn)行光合作用除需利用光照外，還需要消耗二氧化碳。不同位置二氧化碳濃度最大相差93.76×10-6，差幅為18.18%。

圖9　不同位置二氧化碳濃度日變化

3結(jié)論與討論

為了精準(zhǔn)指導(dǎo)溫室番茄生產(chǎn)管理，探索環(huán)境因子變化規(guī)律對(duì)其生產(chǎn)影響。本文利用WSN記錄了溫室番茄不同生育期、高度、位置下的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，并研究了其溫濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度變化規(guī)律。研究表明：不同育期、高度和位置環(huán)境因子變化趨勢(shì)相同，但由于溫室結(jié)構(gòu)、番茄生長(zhǎng)發(fā)育、外界環(huán)境等因素影響，使得不同育期、高度和位置的環(huán)境因子之間存在差異。綜上所述，WSN監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為番茄連棟溫室環(huán)境調(diào)控提供參考和決策支持。

本文使用的WSN能較好地連續(xù)采集有效數(shù)據(jù)，可用于番茄生長(zhǎng)發(fā)育監(jiān)測(cè)。本文不僅考慮了作物與環(huán)境因子之間相互影響，而且從多個(gè)角度進(jìn)行分析，但，所用數(shù)據(jù)僅為一年秋季觀(guān)測(cè)。為更精確地指導(dǎo)溫室番茄生產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)長(zhǎng)期對(duì)不同季節(jié)、更多生長(zhǎng)發(fā)育期環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合數(shù)年不同季節(jié)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析研究，總結(jié)番茄溫室環(huán)境因子年變化規(guī)律。

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Research on Regular Pattern of Autumn Environmental Factors in Greenhouse Tomato Based on WSN

Xie Xinhua1，2, Liang Dong1, Zhang Dongyan1，2, Zhou Jianjun2, Wang Xiu2,Zhang Xiangqian1, Wang Jihuan2

(1.School of Electronic and Information Engineering of Anhui University, Hefei 230601，China；2.Beijing Research Center for Intelligent Agricultural Equipment, Beijing 100097，China)

Abstract：The key factors that restrict the yield and quality of vegetables are the environmental factors. In order to explore the change regulation of environmental factors in greenhouse, we used Wireless Sensor Network (WSN) to get the data of environmental factors at different height and location in different time. The results of analysis show that the range of temperature and humility were different, light intensity reduced, illumination time shorter and changes in carbon dioxide concentrations delayed. During the day, the canopy temperature, light intensity is higher than others, the humility is lower than other heights and the intermediate layer close to the root layer, while the three layers were close during the night. Temperature from south to north and humility from north to south were high to low, the maximum difference of light intensity and CO2 concentration are 6562.5lux , 93.76ppm,respectively.Test results show that the WSN can provide reference and decision support for greenhouse environmental control.

Key words：WSN; environmental factors; regular pattern; tomato; greenhouse

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0182-06

中圖分類(lèi)號(hào)：S625

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：謝新華(1989-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，(E-mail)xiexinhuavip@163.com。通訊作者：王秀(1964-)，男，河北萬(wàn)全人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wangx@nercita.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2013AA10230704)

收稿日期：2015-03-31