宮志宏，董朝陽，于 紅，黎貞發(fā)**，薛慶禹

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節(jié)能型日光溫室智能加溫控制系統(tǒng)設(shè)計*

宮志宏1，董朝陽1，于 紅2，黎貞發(fā)1**，薛慶禹1

（1.天津市氣候中心，天津 300074；2.天津市武清區(qū)氣象局，天津 301700）

在北方冬季節(jié)能型日光溫室生產(chǎn)中常出現(xiàn)極端低溫天氣，氣溫低于作物致死溫度，導(dǎo)致溫室作物大幅減產(chǎn)甚至絕收。為精準(zhǔn)調(diào)控溫室溫度，降低低溫帶來的損失，本研究設(shè)計了一套日光溫室智能加溫控制系統(tǒng)，其硬件設(shè)備由感知模塊、主控模塊、通訊模塊、伺服模塊、執(zhí)行設(shè)備組成。系統(tǒng)實現(xiàn)了日光溫室溫度環(huán)境的智能控制，可自動采集溫室內(nèi)氣溫數(shù)據(jù)，并根據(jù)主控模塊內(nèi)設(shè)置的加溫控制閾值實現(xiàn)溫度執(zhí)行設(shè)備的自動開關(guān)，同時可通過Android遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)查看及執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)控制。系統(tǒng)應(yīng)用與驗證結(jié)果表明：二代磚墻日光溫室最低溫度維持6～8℃，則系統(tǒng)日開啟時間需4.9h，日資金投入146元；維持10～12℃，則系統(tǒng)日開啟時間6.1h，日資金投入194元。應(yīng)用過程中系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了溫度環(huán)境的精細(xì)化、無人值守智能調(diào)控，夜間加溫效果良好。

日光溫室；低溫；監(jiān)測；智能控制；加溫

日光溫室主要依靠接收太陽輻射以及良好的溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫來滿足蔬菜生長所需要的熱量條件[1-3]，日光溫室生產(chǎn)已成為中國北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)展速度最快、經(jīng)濟(jì)效益最好和增加農(nóng)民收入最多的新興產(chǎn)業(yè)之一[4]。在冬季日光溫室生產(chǎn)過程中經(jīng)常會遇到低溫天氣，延遲了作物的發(fā)育進(jìn)程、降低了作物品質(zhì)[5-8]，如果不能及時采取加溫措施，往往會導(dǎo)致大幅減產(chǎn)甚至絕收[9-11]。為了保證溫室內(nèi)作物能夠在冬季正常生長，部分溫室內(nèi)安裝了加溫設(shè)備，但在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)和實際生產(chǎn)過程中，農(nóng)戶大多憑經(jīng)驗來判斷日光溫室是否需要采取加溫措施，而低溫往往又出現(xiàn)在夜間，這給實際生產(chǎn)帶來了諸多不便。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對自動增溫進(jìn)行了大量研究。目前，溫室加溫原理主要有熱水加熱、熱風(fēng)加熱和輻射加熱，加溫技術(shù)主要包括地源熱泵技術(shù)、溫室地下蓄熱加溫技術(shù)、太陽能輔助技術(shù)等[12-16]。但是，其中多數(shù)加熱設(shè)備需要耗費(fèi)大量的能源，還可能產(chǎn)生CO、SO2和NO等有害氣體[17]；且大多溫室加溫方法需要對現(xiàn)有溫室進(jìn)行大范圍改造，也無法精準(zhǔn)控制溫度[18-21]。電能精準(zhǔn) 調(diào)控加溫是一種有效且易于控制的手段，但目前主要應(yīng)用于大型連棟智能溫室[22-23]，通常集通風(fēng)、灌溉、卷簾、加溫補(bǔ)光于一體，價格較昂貴，無法直接移植到節(jié)能型日光溫室利用。

本文擬設(shè)計一種性價比較高的溫室智能加溫系統(tǒng)，通過電加溫的方式實現(xiàn)節(jié)能型日光溫室溫度環(huán)境實時監(jiān)測與智能調(diào)節(jié)控制，以創(chuàng)造農(nóng)作物良好適宜的溫度環(huán)境，從而達(dá)到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

日光溫室智能加溫控制系統(tǒng)是將溫度要素監(jiān)測、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用集于一體的面向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采集溫室內(nèi)空氣溫度，并根據(jù)農(nóng)作物生長需求設(shè)置進(jìn)行智能溫度控制，自動開啟/關(guān)閉指定的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，達(dá)到適時加溫的目的，而且用戶也可通過互聯(lián)網(wǎng)隨時了解溫室的溫度環(huán)境信息并完成遠(yuǎn)程控制。整個系統(tǒng)由感知模塊、主控模塊、通訊模塊、伺服模塊和執(zhí)行設(shè)備組成，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）感知模塊

主要負(fù)責(zé)溫室內(nèi)空氣溫度數(shù)據(jù)感知，由空氣溫度傳感器及防輻射罩組成。其中空氣溫度傳感器型號為SHT20，測定范圍為-40～125℃，精度為±0.4℃。數(shù)據(jù)感知模塊將數(shù)據(jù)通過I2C總線傳輸給主控模塊。

（2）主控模塊

主控模塊負(fù)責(zé)收集實時環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)查詢、后續(xù)數(shù)據(jù)分析及決策，對伺服模塊進(jìn)行管理操控，實現(xiàn)加溫控制。其核心處理器采用STM32F103VET6芯片，可以提供較強(qiáng)的處理能力。主控模塊可通過兩種方式進(jìn)行設(shè)置，包括RS485總線與電腦接連進(jìn)行設(shè)置和Android終端控制軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

（3）通訊模塊

通訊模塊采取GPRS、3G方式與遠(yuǎn)程中心連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制中心對溫室的加溫操作和溫室實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。

（4）伺服模塊

伺服模塊主要完成溫室中各種設(shè)備的管理控制，其與主控模塊通過RS485總線連接，通過內(nèi)置的CPU（型號為STM32F103C8T6處理器）接收主控模塊發(fā)來的控制指令，按照控制指令通過220V AC控制信號啟動完成強(qiáng)電設(shè)備的開關(guān)控制，并監(jiān)測控制設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)，將控制指令執(zhí)行情況上報給主控模塊。一個伺服模塊可以有一個或多個伺服通道，從而實現(xiàn)執(zhí)行設(shè)備的分步控制。

（5）執(zhí)行設(shè)備

執(zhí)行設(shè)備主要包括增溫設(shè)備。增溫設(shè)備采用熱風(fēng)機(jī)，每臺設(shè)備功率15kW，采用380V AC供電，可以有效覆蓋半徑為15～20m的空間升溫。通過壁掛的方式安裝在溫室內(nèi)后墻體頂部。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與運(yùn)行

2.1系統(tǒng)實現(xiàn)

溫室智能控制器的工作流程如圖2所示，包括控制器模塊1，繼電器模塊2，空氣開關(guān)模塊3，加溫執(zhí)行模塊4，指示燈模塊5，以及交流監(jiān)測模塊和選擇開關(guān)模塊。

模塊1由微控制單元（MCU）、電源模塊、開關(guān)狀態(tài)檢測電路和驅(qū)動電路組成，電源模塊、開關(guān)狀態(tài)檢測電路和驅(qū)動電路均與MCU相連；MCU通過485總線與主控模塊相連進(jìn)行通訊，主控模塊連接溫度傳感器。MCU通過驅(qū)動電路驅(qū)動繼電器，繼電器通過空氣開關(guān)連接加熱器。繼電器通過交流檢 測模塊將220V轉(zhuǎn)成3.3V并與MCU相連。交流檢測模塊用于檢測繼電器的開關(guān)狀態(tài)，并將開關(guān)狀態(tài)信號反饋給MCU。指示燈與繼電器相連，用于指示各繼電器的開關(guān)狀態(tài)。選擇開關(guān)模塊通過開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測電路與MCU相連，選擇開關(guān)分為“自動”、“手動”、“停止”3個檔位，用于控制繼電器的運(yùn)行狀態(tài)。選擇“自動”檔位時，由MCU控制繼電器開關(guān)狀態(tài)，指示燈為紅色；選擇“手動”檔位時，控制加熱器的繼電器為開狀態(tài)，指示燈綠色；選擇“停止”檔位時，控制加熱器的繼電器為關(guān)狀態(tài)，指示燈關(guān)閉。

運(yùn)行過程為：MCU根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)對繼電器進(jìn)行智能控制，繼電器控制加熱器來實現(xiàn)調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的溫度；MCU通過交流檢測模塊實時監(jiān)測各繼電器的開關(guān)狀態(tài)，并將開關(guān)狀態(tài)信號反饋給MCU，當(dāng)MCU監(jiān)測到繼電器工作不正常時，MCU做出相應(yīng)反應(yīng)；指示燈可以直觀反應(yīng)繼電器的開關(guān)狀態(tài)；通過選擇開關(guān)模塊實現(xiàn)手動/自動功能的切換。

2.2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 安全控制基本規(guī)則

當(dāng)設(shè)備控制開關(guān)在“自動”檔時，可根據(jù)實際生產(chǎn)中用戶設(shè)置的上下限溫度值自動開啟和關(guān)閉加溫設(shè)備；在“手動”檔時，可根據(jù)用戶設(shè)置的上限溫度自動關(guān)閉加溫設(shè)備。為了保證系統(tǒng)的安全性，空氣溫度傳感器設(shè)2個，數(shù)據(jù)采集密度每秒1次，主動上傳密度每10分鐘1次，觸發(fā)系統(tǒng)自動開啟功能時，需要兩個空氣溫度傳感器同時達(dá)到開啟下限，觸發(fā)系統(tǒng)自動關(guān)閉功能時，只需一個空氣溫度傳感器達(dá)到上限即可關(guān)閉。

為了實現(xiàn)人機(jī)交互的友好性，系統(tǒng)具備如下基本功能：（1）溫度低于設(shè)置下限時，用戶可選擇兩種方案，分別為設(shè)備發(fā)送短信提示用戶“溫度值低于下限+當(dāng)前溫度值+是否啟動加溫設(shè)備”或“溫度值低于下限+當(dāng)前溫度值+已自動啟動加溫設(shè)備”；（2）即使溫度未達(dá)到設(shè)置下限值，用戶可使用手機(jī)發(fā)送短信命令控制方式，控制受控溫室加溫設(shè)備開關(guān)；（3）當(dāng)用戶發(fā)送開啟或關(guān)閉命令后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備實際執(zhí)行情況返回開啟成功、失敗及失敗原因。如，當(dāng)前設(shè)備已經(jīng)開啟，用戶再次發(fā)送開啟命令，則返回“開啟失敗，原因：當(dāng)前設(shè)備已經(jīng)開啟”；（4）當(dāng)系統(tǒng)開啟加溫設(shè)備后，溫室每提升X℃則自動向用戶發(fā)送短信，提示用戶當(dāng)前溫室溫度（X值可手動設(shè)置）；（5）當(dāng)溫度值高于上限，控制器自動關(guān)閉加溫設(shè)備，并向用戶發(fā)送短信，提示用戶“溫度高于上限+當(dāng)前溫度值+設(shè)備已關(guān)閉”。

2.2.2 系統(tǒng)設(shè)置方法

主要指主控模塊的設(shè)置，可通過RS485總線與電腦連接（現(xiàn)場有線）和Android終端控制軟件（遠(yuǎn)程無線）兩種方式進(jìn)行操控。RS485總線與電腦接連時，首先選擇伺服通道，有上下限模式、時間模式和混合模式3種控制模式可供選擇。上下限模式即超出上限執(zhí)行上限動作，超出下限執(zhí)行下限動作；時間模式即在時間范圍內(nèi)執(zhí)行起始動作，在時間范圍外，不進(jìn)行任何操作；混合模式即在時間范圍內(nèi)采集值超出上限執(zhí)行上限動作，超出下限執(zhí)行下限動作，在時間范圍外，不進(jìn)行任何操作。上限值和下限值的取值區(qū)間參考對應(yīng)的感知模塊溫度傳感器的測量區(qū)間，起始時間和截止時間不能相同。為了方便管理者根據(jù)作物生長發(fā)育需求隨時設(shè)置加溫控制時間和區(qū)間，研究開發(fā)了可供管理人員遠(yuǎn)程使用的基于Android版本的終端控制軟件。運(yùn)用Android手機(jī)終端遠(yuǎn)程設(shè)置，需在主控模塊為終端手機(jī)號碼開通相應(yīng)權(quán)限。主要設(shè)置界面如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用與驗證

2.3.1 試驗介紹

對天津市1981-2010年氣候資料分析可知，1月是全年氣溫最低的月份，日照時數(shù)僅略高于11月和12月，綜合氣溫和日照的分布特點，1月是天津市日光溫室氣象災(zāi)害主發(fā)時段，因此，選擇1月觀測數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較分析。觀測時間為2016年1月19-25日，觀測地點為天津市西青區(qū)二代磚墻日光溫室。選取兩個相鄰日光溫室，進(jìn)行室內(nèi)外溫度對比分析，兩個溫室的結(jié)構(gòu)和管理方式一致，其中一個安裝智能加溫控制系統(tǒng)，一個不安裝，作為對照。溫室跨度8.5m，長度60m，后墻高2.5m，屋脊高3.5m。其中試驗溫室安裝了智能加溫控制系統(tǒng)，2套溫度傳感器安裝在溫室中心向東5m和向西5m，離地高度1.5m，加溫執(zhí)行設(shè)備選用功率15kW，380V AC工業(yè)用熱風(fēng)機(jī)4臺，均勻分布于溫室內(nèi)后墻離地面1.8m高度處。設(shè)置智能加熱控制系統(tǒng)自動開啟時間為0～24h，為避免加熱器啟動頻繁，將加熱設(shè)定為一個區(qū)間范圍，第1-3天的溫度開-關(guān)閾值為6～8℃，第4-6天為10～12℃。對照溫室不做任何控制，僅進(jìn)行氣溫的實時觀測，監(jiān)測密度為每10分鐘1次，室外監(jiān)測方法與對照溫室相同。

2.3.2 加溫結(jié)果分析

根據(jù)2016年1月19-25日觀測結(jié)果，除21日夜間室外溫度為-8.2℃（21日白天日照時數(shù)為0），其余5d夜間室外最低溫度均低于-10℃，達(dá)到了低溫災(zāi)害指標(biāo)[24]。由圖4可見，連續(xù)6d觀測中，天津市西青區(qū)試驗基地溫室外白天最高溫度為5.4℃，夜間溫度最低為-20.4℃。同期溫室內(nèi)溫度明顯升高，白天最高達(dá)26.9℃，加溫溫室與對照溫室相差較小，但是夜間氣溫相差較大，其中未安裝加溫系統(tǒng)的溫室內(nèi)夜間最低溫度僅0.6℃左右，安裝加溫系統(tǒng)溫室根據(jù)實際設(shè)定的閾值均達(dá)到所需溫度。可見，溫室內(nèi)氣溫低于下限時，智能加熱設(shè)備自動開啟，溫度開始上升，當(dāng)氣溫達(dá)到閾值上限時，加熱設(shè)備自動關(guān)閉，且整個加溫過程中溫室內(nèi)氣溫始終保持在閾值下限以上，達(dá)到了預(yù)期的加溫作用，這對于保證作物所需的熱環(huán)境至關(guān)重要。

2.3.3 加溫成本分析

以天津三類主要日光溫室[24]中保溫性較差的二代磚墻日光溫室為研究對象，選取全年最冷月（1月）連續(xù)6d低溫災(zāi)害天氣過程作為研究時段，計算日開啟時間及日資金投入成本，并以此為標(biāo)準(zhǔn)，計算三類日光溫室冬季生產(chǎn)階段加溫所需的最大投入。

對設(shè)備開啟時間和用電量的分析結(jié)果顯示，第1-3天的溫度開-關(guān)閾值為6～8℃，開啟時間共計14.6h，用電量845kW；第4-6天的溫度開-關(guān)閾值為10～12℃，開啟時間共計18.2h，用電量1121kW。 按農(nóng)村每千瓦電0.52元計算，在冬季最冷月，當(dāng)溫度開-關(guān)閾值為6～8℃，平均每天開啟時間4.9h，總用電量為281.7kW，合計需人民幣146元，當(dāng)溫度開-關(guān)閾值為10～12℃，每天開啟時間6.1h，總用電量373.7kW，合計人民幣194元。

根據(jù)2016年1月19-25日試驗結(jié)果，對2015年12月-2016年2月天津三類日光溫室冬季生產(chǎn)階段小于6、8、10℃天數(shù)加溫成本進(jìn)行分析，如表1所示，土墻溫室內(nèi)最低溫度普遍高于10℃，基本不需要加溫，二代磚墻日光溫室最低溫度低于6～10℃占67%～95%，多數(shù)時間需要加溫，成本較高。高標(biāo)準(zhǔn)日光溫室最低溫度低于6～10℃占4%～62%，冬季生產(chǎn)階段需開啟加溫設(shè)備4～56d，花費(fèi)584～10864元，其中保證日最低氣溫高于8℃最大花費(fèi)約為4000元。生產(chǎn)中可在12月-翌年2月根據(jù)實際種植作物可承受的最低溫度設(shè)置最佳閾值，從而保證作物順利度過低溫冷害過程。

表1 2015年1月-2016年2月3種溫室內(nèi)最低溫度小于6、8、10℃的天數(shù)和比例

3 結(jié)論與討論

（1）系統(tǒng)實現(xiàn)了溫室小氣候要素的采集、傳輸監(jiān)測功能，同時基于監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)智能加溫功能，縮短了從數(shù)據(jù)采集傳輸、專家評估及措施采取的響應(yīng)時間，對保證溫室作物生長發(fā)育所需的熱量條件起到了相應(yīng)的效果。經(jīng)過在天津市西青區(qū)二代磚墻日光溫室內(nèi)的安裝測試，日光溫室自動加溫系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，測試期間，白天溫度與對照溫室差距不明顯，但是夜間加溫溫室最低溫度優(yōu)于對照溫室，均在設(shè)置溫度閾值內(nèi)，加溫效果好。

（2）二代磚墻日光溫室最低溫度維持6～8℃，日開啟時間需4.9h，日資金投入146元，維持10～12℃，日開啟時間6.1h，日資金投入194元。保證冬季生產(chǎn)階段高標(biāo)準(zhǔn)日光溫室最低溫度高于6～10℃，需開啟加溫設(shè)備4～56d，花費(fèi)584～10864元，其中保證日最低氣溫高于8℃花費(fèi)約為4000元。由于本研究選取時間為年度最冷月持續(xù)低溫過程，且日加溫時間以保溫性較差的二代磚墻日光溫室為例，因此，高標(biāo)準(zhǔn)日光溫室其實際加溫投入應(yīng)小于本研究結(jié)果。另外，研究中發(fā)現(xiàn)，閾值間隔2℃與閾值間隔1℃相比，開啟時間將翻倍，后期試驗中加溫閾值的設(shè)定有待進(jìn)一步研究。

（3）與傳統(tǒng)節(jié)能型日光溫室的加溫設(shè)備相比，本研究可以根據(jù)日光溫室的溫度環(huán)境，作物各階段的生長特性，設(shè)置相應(yīng)的時間、溫度閾值，自動調(diào)控加溫設(shè)備，從而實現(xiàn)日光溫室溫度環(huán)境的精細(xì)化及無人值守智能調(diào)控，且設(shè)備安裝對溫室改造較小，進(jìn)一步降低了溫室運(yùn)行的調(diào)控成本。

（4）目前本研究中日光溫室智能加溫控制系統(tǒng)尚處試驗與調(diào)試階段，各環(huán)節(jié)仍需進(jìn)一步深入研究，其中執(zhí)行設(shè)備選型、系統(tǒng)安裝規(guī)范以及作物的生理指標(biāo)研究顯得尤為重要。

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Design of Intelligent Heating Control System of Energy-Saving Solar Greenhouse

GONG Zhi-hong1, DONG Chao-yang1,YU Hong2, LI Zhen-fa1, XUE Qing-yu1

(1.Tianjin Climate Center, Tianjin 300074, China; 2.Wuqing Meteorological Administration, Tianjin 301700）

Extremely low temperature often occurs in energy-saving solar greenhouse in the winter of North China, which will lead to sharp decrease of greenhouse crop production or crop failures when the temperature is below lethal temperatures of corps. In order to control the greenhouse temperature accurately and reduce the loss caused by the low temperature, an intelligent heating control system has been designed, which is composed of sensing module, main control module, communication module, servo module and executive devices. The system can automatically collect temperature data, realize the automatic switch of temperature executive devicescorresponding toheating control model in the main control module. In addition, the system can view data and perform device state control by remote client. Therefore, the system has initially realized the intelligent control of the greenhouse temperature environment. Application and verification of the system in second-generation brick wall solar greenhouse showed that, it needs running 4.9 hours to keep air temperature above 6-8℃ with the cost of 146￥. Accordingly, it needs running 6.1 hours to keep air temperature above 10-12℃ and costing 194￥. This study suggests the performance of system is very stable during application. The system realizes fine and unmanned intelligent control of temperature environment to ensure better heating at night time.

Solar greenhouse; Low temperature; Monitor; Intelligent control; Heating

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.06.004

2016-09-26

天津市科技支撐計劃項目（13ZCZDNC00300）

宮志宏（1985-），碩士，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象信息化研究。E-mail:gong041@126.com

宮志宏,董朝陽,于紅,等.節(jié)能型日光溫室智能加溫控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(6):361-368

**通訊作者。E-mail:lzfaaa@126.com