李明+王昆+于俊洋

摘要：為了改善日光溫室大棚內(nèi)的晝夜溫度更適合作物的生長，利用大棚支撐骨架和水作為熱循環(huán)的主體，白天吸收太陽能并儲存，晚上將儲存的能量釋放給溫室加熱。借助無線傳感器網(wǎng)絡設計太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由溫度采集、執(zhí)行節(jié)點和中心決策節(jié)點組成，通過采集室外溫度、骨架內(nèi)水溫和棚內(nèi)溫度，中心決策節(jié)點再根據(jù)控制策略將相應的指令發(fā)送給對應的執(zhí)行節(jié)點對循環(huán)泵、閥門和加熱設備進行控制，從而實現(xiàn)對棚內(nèi)溫度的自動智能調(diào)節(jié)。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，設計的太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可提高夜間大棚內(nèi)的平均溫度（達2.78 ℃），避免作物被凍傷而減產(chǎn)，還可平衡中午棚內(nèi)過高的溫度，將其控制在最適宜的范圍（20～25 ℃）內(nèi)，從而有效延長作物進行光合作用的時間，更利于作物的生長。

關鍵詞：溫室大棚；太陽能集熱；無線傳感器網(wǎng)絡；控制策略；智能調(diào)溫；自動調(diào)節(jié)

中圖分類號： TP273+.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0197-04

收稿日期：2017-03-07

基金項目：國家自然科學基金（編號：61602525）；河南省科技攻關項目（編號：172102210358）。

作者簡介：李 明（1981—），男，河南周口人，碩士，講師，主要從事計算機應用與通信工程。E-mail：leem81@126.com。 隨著我國人們生活的不斷提高，使北方人能夠在冬季吃上綠色蔬菜已不是難事，這得益于政府大力發(fā)展的“菜籃子”工程，其中溫室大棚起至關重要的作用[1-3]。眾所周知，溫室是作物生長的關鍵因素，影響作物各種酶的活性，在冬季一般都會采取覆蓋保溫“被子”來保持大棚內(nèi)的溫度，傳統(tǒng)的溫室大棚取暖還有土鍋爐加熱、熱風爐和電加熱管等多種方法[4-5]，但這些方法不僅污染大而且成本非常高。太陽能被視為一種取之不盡、用之不竭的能源，而且沒有任何污染，佟雪姣等以聚碳酸酯中空板（PC陽光板）為材料設計太陽能集熱裝置[6]，閆彥濤等利用太陽能集熱板吸收太陽輻射并儲存在相變材料內(nèi)，均取得了不錯的效果[7]，但是都采用了特殊的材料，對于農(nóng)戶經(jīng)營生產(chǎn)的成本過高。結(jié)合溫室大棚的結(jié)構(gòu)，將支撐骨架作為熱循環(huán)的主體，將水作為熱采集和存儲的媒介，設計太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)，白天將水泵到骨架空腔，吸收存儲太陽能熱量，也有利于平衡中午溫室大棚內(nèi)溫度易高的現(xiàn)象，由于水的比熱容較高，而溫室大棚內(nèi)的空氣溫度下降得較快，就可將儲存的能量傳導給大棚內(nèi)的空氣。這樣不僅節(jié)省了取暖設備的空間，而且實現(xiàn)了零能耗和零污染，如遇到極寒天氣還可以開啟加熱設備進行應急操作。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，設計的系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，對大棚室內(nèi)的溫度控制實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)，且效果明顯，經(jīng)濟價值高。

1 溫室大棚骨架結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 溫室大棚骨架結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)日光溫室大棚的基建部分主要由地基、墻體、骨架、薄膜和保溫被（電動卷簾）等組成[8-9]。這種結(jié)構(gòu)的大棚的主要特點是易搭建、易管理、成本低，其中在建造的過程中使用了骨架作為薄膜和保溫被子的支撐，而骨架是由大量的鋼管焊接而成的，本研究設計的太陽能集熱系統(tǒng)充分利用了這些鋼管，在不改變原有支撐作用的前提下，將它們聯(lián)通起來，同時讓水能夠在鋼管的內(nèi)部循環(huán)[10]，改造后的溫室大棚的截面示意圖如圖1所示。由于鋼管及其內(nèi)部的水比熱容遠高于空氣，在太陽充足時，設計的太陽能集熱系統(tǒng)會吸收太陽光能并轉(zhuǎn)化成熱能，同時由于作物的光合作用釋放大量的熱能，集熱系統(tǒng)也吸收過剩的熱量并進行儲存；到傍晚時，光線變?nèi)?，保溫被子放下后，作物停止光合作用，溫室大棚?nèi)的空氣溫度會慢慢降低，此時鋼管及其內(nèi)部的水會向外逐漸釋放熱量；當太陽能集熱系統(tǒng)內(nèi)部的溫度與溫室大棚內(nèi)的空氣溫度達到平衡時，再將循環(huán)水回流至蓄水池。

1.2 溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)及控制策略

溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由太陽能集熱骨架、循環(huán)泵、自動閥門、蓄水池、電加熱設備和管道等組成[11]，其構(gòu)成如圖2所示。

溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)室外溫度TO、骨架內(nèi)溫度TF、溫室大棚內(nèi)溫度TI和蓄水池的溫度TP進行判斷和決策，從而控制整個循環(huán)系統(tǒng)的工作。一般陽光充足的情況下， 作物在

20～25 ℃的范圍內(nèi)進行光合作用最佳，夜間的最低溫度不能低于10 ℃，以免凍傷作物。冬季一般有效的日照時間段為09：00—17：00，假設下半夜所有管道內(nèi)的循環(huán)水回流到蓄水池，控制策略如下：情況1，太陽出來后，太陽光透過薄膜照射整個溫室大棚，大棚內(nèi)部溫度逐漸升高，同時溫室大棚內(nèi)的作物進行光合作用，并釋放大量的熱能，當TI>20 ℃時，管道閥門1和2自動打開，循環(huán)泵自動開啟將冷卻的水泵入骨架管道內(nèi)，此時骨架及其內(nèi)部的水溫度較低，會吸收太陽光能和溫室大棚內(nèi)的過剩熱能；情況2，如果太陽光或者溫室內(nèi)溫度足夠高，當TF>TI時，管道閥門1和2自動打開，循環(huán)泵自動開啟將熱水回流到蓄水池，同時將冷卻的水再次泵入骨架管道內(nèi)，用來降低大棚內(nèi)的溫度，且盡量控制大棚內(nèi)的溫度在 20～25 ℃的范圍內(nèi)；情況3，到下午太陽光逐漸變?nèi)?，棚?nèi)的作物光合作用也減緩，棚內(nèi)的溫度會逐漸下降，由于太陽能集熱系統(tǒng)的溫度比空氣中的溫度下降得慢，通過熱交換，棚內(nèi)溫度會緩慢下降，作物光合作用的酶活性仍然活躍，從而延長了進行光合作用的時間；情況4，作物在夜間的生長環(huán)境溫度要求一般不低于10 ℃，如遇到極寒天氣TO<-20 ℃，且白天儲存的能量消耗盡時，此時系統(tǒng)會自動開啟電加熱設備，將蓄水池內(nèi)的水加熱到TP=50 ℃后，通過循環(huán)泵注入骨架中，這樣就能有效提升棚內(nèi)溫度TI，使其達到10 ℃以上，避免作物被凍傷。

2 溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)是基于無線傳感器網(wǎng)絡構(gòu)建的，由溫度采集節(jié)點、執(zhí)行節(jié)點和中心決策節(jié)點組成。溫度采集和執(zhí)行節(jié)點主要包括室外溫度采集節(jié)點、骨架水溫采集節(jié)點、室內(nèi)溫度采集節(jié)點、閥門控制節(jié)點、循環(huán)水泵控制節(jié)點和蓄水池溫度管理節(jié)點，中心決策節(jié)點跟這些分布的節(jié)點組成星型網(wǎng)絡[12]。溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示。中心決策節(jié)點負責匯聚各節(jié)點發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和設備運行狀態(tài)等信息，然后根據(jù)預設的策略將控制指令發(fā)送到相應的執(zhí)行節(jié)點上，從而實現(xiàn)對整個大棚溫度的自動調(diào)節(jié)。endprint

2.1 節(jié)點硬件設計

考慮到通信距離和功耗等因素，節(jié)點選擇CC2530 F256作為硬件平臺進行開發(fā)設計，它在單個芯片上整合ZigBee射頻單元、內(nèi)存和微控制器等，且內(nèi)置了業(yè)界標準的增強型8051 CPU、8 kB RAM和256 kB的可編程閃存，同時還具有豐富的接口，具有1個IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器，能夠以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點[13-14]。節(jié)點硬件平臺上的模塊主要有溫度采集傳感器DS18B20、無線射頻單元、蓄水池加熱設備控制、循環(huán)水泵控制、自動閥門控制以及電源管理單元等組成，其構(gòu)成如圖4所示。

溫度是決定控制策略的重要依據(jù)，由于氣體的流動性存在不穩(wěn)定性，為了使每個節(jié)點采集的溫度數(shù)據(jù)更加準確，本研究利用5個溫度傳感器DS18B20設計了傳感器陣列，通過剔除偏差超過5%的數(shù)據(jù)，然后取剩余溫度傳感器測量的平均值，這樣有效避免了測量的誤差[15]。對蓄水池加熱設備、循環(huán)泵和閥門的控制通過控制繼電器的通斷來操作完成，繼電器與CC2530的I/O之間增加了驅(qū)動電路，實現(xiàn)了用低壓電路來控制高壓電路；利用CC2530的ADC接口采集鋰電池的電壓信號，通過預設的電壓-電量關系曲線估算剩余電量，避免電池耗盡影響設備的正常運行。

2.2 節(jié)點軟件設計

系統(tǒng)主要由溫度采集/執(zhí)行和中心決策節(jié)點2種類型，在軟件設計上均采用循環(huán)函數(shù)的方法，其優(yōu)點是程序短小精悍且運行穩(wěn)定可靠[16]，軟件流程如圖5所示。

溫度采集/執(zhí)行節(jié)點主要負責室外溫度、骨架內(nèi)水溫、大棚內(nèi)溫度的采集以及對設備的控制，節(jié)點啟動后首先進行初始化，包括寄存器初始化、自身節(jié)點ID的讀取、配置射頻通信參數(shù)、建立網(wǎng)絡連接、溫度傳感器DS18B20和I/O接口的初始化等，然后查看是否接收到來自中心決策節(jié)點的指令，如果有則進行相應的參數(shù)配置和操作，否則根據(jù)設置的讀取周期對獲取溫度傳感器DS18B20陣列的數(shù)值和設備的狀態(tài)，再根據(jù)均值算法得到該節(jié)點處的最終溫度值，最后將采集時間、節(jié)點ID、溫度、設備狀態(tài)和電量信息打包，并通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到中心決策節(jié)點，根據(jù)設置的采集周期，延時n秒后進入下一次循環(huán)。

中心決策節(jié)點主要負責接收各節(jié)點發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和設備的運行狀態(tài)信息，根據(jù)制定的控制策略將相應的指令反饋給各執(zhí)行節(jié)點，中心決策節(jié)點啟動后，也首先進行初始化，然后等待接收來自各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包解析，然后進行歸類并存儲在對應的空間，同時根據(jù)節(jié)點類型的溫度信息判斷是否要觸發(fā)執(zhí)行控制策略，并向?qū)膱?zhí)行節(jié)點發(fā)送指令，再進入下一次循環(huán)，等待接收新數(shù)據(jù)。

3 對比試驗與結(jié)果分析

為了驗證本研究設計的溫室大棚太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)的實際效果進行對比試驗，選取處在同一地理坐標的2棟日光溫室大棚A和B，長度80 m，跨度9 m，且2棟溫室大棚的基礎建設均相同。經(jīng)過前期驗證可知，2棟大棚在不啟用集熱調(diào)溫系統(tǒng)時，棚內(nèi)同一時刻的溫度幾乎完全一致，說明滿足作為參照對比試驗條件。期望的結(jié)果有2個：（1）在白天日照充足的情況下，盡量控制棚內(nèi)的溫度在20～25 ℃之間，因為此時作物進行光合作用的酶活力最強；（2）在夜間控制棚內(nèi)的溫度不能低于10 ℃，如果低于10 ℃，作物就有被凍傷的風險，甚至導致作物死亡。在試驗的過程中，A啟用了本研究設計的溫室大棚太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)，而B則沒有。通過對2棟溫室大棚內(nèi)的溫度進行24 h的記錄，溫度采集周期為 60 s，記錄周期60 min，記錄的數(shù)據(jù)為整點前后各30 min的均值，得到的試驗結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，11：00時太陽光充足，大棚A和B的溫度均高于20 ℃，能夠正常進行光合作用，其棚內(nèi)溫度還有上升的趨勢，為了控制溫度，此時大棚A內(nèi)的調(diào)溫系統(tǒng)啟動， 循環(huán)泵開始向骨架內(nèi)泵冷水用來降溫，同時骨架內(nèi)的水溫會吸收太陽能和棚內(nèi)的熱量，到 14：00 時溫度達到最大值（為39.57 ℃），隨后由于太陽光逐漸減弱，溫度降低，但大棚A骨架內(nèi)有儲存的能量，會通過熱傳導釋放給棚內(nèi)空氣，這樣在夜間大棚A內(nèi)的溫度就能高于大棚B，直到夜間03：00時，大棚A骨架內(nèi)的溫度與其內(nèi)部空氣的溫度達到平衡，均在14 ℃左右，此次骨架內(nèi)的水失去熱能價值，將其回流至蓄水池。

為了能夠直觀對比2個溫室大棚內(nèi)的溫度情況，將大棚A和B的室內(nèi)空氣溫度制成時間-溫度曲線，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以直觀地看出，白天日光溫室大棚B在20 ℃以上的時間段為11：00—16：00，最佳光合作用時長為5 h；日光溫室大棚A在20 ℃以上的時間段為10：00—17：00，最佳光合作用時長為7 h，且有效地控制了高于25 ℃的時間；同時，溫室大棚B在04：00—07：00的溫度低于10 ℃，而溫室大棚A在整個夜間的最低溫度為10.32 ℃，且A比B在整個夜間時間段18：00—09：00內(nèi)的平均溫度提升了2.78 ℃，有效避免了作物被凍傷而減產(chǎn)。

4 結(jié)束語

充分利用日光溫室大棚骨架作為熱循環(huán)系統(tǒng)的主體，幾乎不產(chǎn)生額外的成本，白天吸收太陽光能，夜間釋放存儲的熱量，并將無線傳感器網(wǎng)絡引入調(diào)溫系統(tǒng)，將ZigBee控制器CC2530F256作為硬件平臺設計節(jié)點，并對其軟件設計部分進行闡述，借助溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)了對室外、骨架水溫和棚內(nèi)溫度的采集，無線通信避免了繁瑣布線，根據(jù)不同作物制定不同的控制策略，對循環(huán)水泵、閥門和加熱設備進行控制，自動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度以適合作物生長。通過對相同條件的2個溫室大棚進行對比試驗，使用太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)的大棚能夠控制夜間的氣溫在10 ℃以上，提升的平均氣溫達到2.78 ℃，避免作物被凍傷；也能夠控制中午棚內(nèi)溫度過高的現(xiàn)象，使光合作用的酶活性保持活躍，延長作物進行光合作用的時間，從而使農(nóng)戶獲得最大的經(jīng)濟收益。

參考文獻：endprint

[1]韓 劍，莫德清. 基于Android與GSM的溫室大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（4）：397-399.

[2]梁瑞華. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫室大棚智能管理系統(tǒng)構(gòu)建[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學學報，2016，51（3）：346-352.

[3]任 斌，張志宏. 溫室大棚無線網(wǎng)絡監(jiān)控及覆蓋優(yōu)化算法研究[J]. 農(nóng)機化研究，2015（11）：63-66，80.

[4]廖建尚. 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（11）：233-243.

[5]蘇 偉，穆 青，董繼先，等. 太陽能與地源熱泵聯(lián)合溫室大棚系統(tǒng)的設計[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學報，2015，27（2）：290-294.

[6]佟雪姣，孫周平，李 天，等. 溫室太陽能水循環(huán)集熱裝置的蓄熱性能研究[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2016，47（1）：92-96.

[7]閆彥濤，鄒志榮，李 凱. 太陽能相變蓄熱系統(tǒng)在溫室加溫中的應用[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報，2016，21（5）：139-146.

[8]趙立軍，陳 亞，王英雪，等. 閉鎖式立體水稻育秧室環(huán)境控制系統(tǒng)研制[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報，2016，47（10）：67-73.

[9]王 純，姜曙光，程 博，等. 太陽能集熱墻與地下室復合系統(tǒng)冬季供暖試驗研究[J]. 太陽能學報，2016，37（3）：678-683.

[10]郭建業(yè)，秦 貴，張艷紅，等. 日光溫室水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)應用效果研究[J]. 中國蔬菜，2016，1（9）：65-70.

[11]譚志君，任正云. 基于預測PI的大棚溫濕度先進控制[J]. 控制工程，2015，22（3）：495-500.

[12]雷 旭，李 陽，李思慧. 基于WSN的長大隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與設計，2013，34（8）：2675-2679.

[13]張慶輝，祝志遠，齊仁龍. 基于CC2530和嵌入式Web服務器的智能灌溉系統(tǒng)[J]. 中國農(nóng)機化學報，2016，37（7）：161-165.

[14]任珍文，黃玉清. 基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控平臺[J]. 電子技術應用，2012，38（10）：122-125.

[15]梁嘉琪，董浩斌，葛 健. 多傳感器高準確度便攜式溫度測量儀[J]. 中國測試，2016，42（5）：70-74.

[16]李萍萍，陳美鎮(zhèn)，王紀章，等. 溫室物聯(lián)網(wǎng)測控管理系統(tǒng)開發(fā)與數(shù)據(jù)同步研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46（8）：224-231.王龍飛，范沿沿，白志鵬，等. 基于CFD的新型密集烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45（18）：201-204.endprint