2022 年 17 期智慧農(nóng)業(yè) 智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊 Journal of Smart Agriculture 智能溫室大棚全方位調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 王 歡 西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710077 我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最終目標(biāo)是在有限的可使用土地 上獲取最大產(chǎn)量 然而農(nóng)作物的產(chǎn)量不僅與品種本身的 遺傳因素有關(guān) 還會(huì)因環(huán)境而影響產(chǎn)量 在農(nóng)作物生長(zhǎng) 過(guò)程中 影響其生長(zhǎng)的首要因素便是環(huán)境溫度 當(dāng)然 基 于農(nóng)作物的種類(lèi)不同生長(zhǎng)階段對(duì)于溫度的要求也會(huì)有 所差異 針對(duì)華北寒冷地區(qū)的溫室大棚而言 其內(nèi)環(huán)境 與外環(huán)境相對(duì)復(fù)雜 在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境溫度的 控制較為困難 以往的溫室大棚大部分都是從太陽(yáng)中收 集熱量來(lái)維持溫室內(nèi)的溫度 但是要遇到極端寒冷的天 氣 極大可能直接對(duì)農(nóng)作物造成威脅甚至死亡 最終導(dǎo) 致產(chǎn)量降低 所以 將網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù) 控制技術(shù)有效結(jié)合 與應(yīng)用 運(yùn)用在溫室大棚的管理運(yùn)營(yíng)中 設(shè)計(jì)出一套全 面可控的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 通過(guò)收集溫室內(nèi)的實(shí)時(shí)空氣與 土壤的溫度 并依據(jù)農(nóng)業(yè)專(zhuān)家信息數(shù)據(jù)庫(kù)獲取農(nóng)作物對(duì) 內(nèi)外溫度的所需要求 采用 PID 控制方式控制循環(huán)液在 管路中的流量和溫度 以最低的能耗量完成對(duì)內(nèi)外溫度 的智能化調(diào)節(jié) 保證農(nóng)作物在最合適的溫度環(huán)境中健康 生長(zhǎng) 1 智能溫室大棚調(diào)溫系統(tǒng)概述及設(shè)計(jì) 1 1 智能溫室大棚調(diào)溫系統(tǒng)概述 基于溫室大棚的內(nèi)環(huán)境大 其內(nèi)部溫度的整體控制 產(chǎn)生較大的滯后性 相較比熱容而言土壤要比空氣大很 多 所以溫度的變化往往是非線性的 加之易受到內(nèi)部 環(huán)境與外部環(huán)境因素所影響 所以對(duì)其進(jìn)行有效控制較 為困難 1 我國(guó)以往的溫室大棚溫控方法相對(duì)簡(jiǎn)單 便于 操作 一般采用日光采暖 通風(fēng) 遮光降溫和夜間保溫被 罩等方式 上述方法使用成本偏低 操作控制簡(jiǎn)單 但容 易使空氣和土壤的相對(duì)溫度分散不均勻 導(dǎo)致調(diào)溫效果 緩慢 一旦碰到極端寒冷天氣 若不及時(shí)將溫度調(diào)至作 物成活適宜的范圍 就會(huì)造成農(nóng)作物凍傷導(dǎo)致產(chǎn)量降 低 甚至無(wú)收成 為讓溫室大棚內(nèi)的溫度不受外界環(huán)境 的完全影響 并能自己有效地調(diào)節(jié)溫度 目前急需解決 溫室的升溫 制冷和熱量平衡 3 個(gè)問(wèn)題 以此提出相應(yīng) 的解決方案 摘 要 該文首先對(duì)智能溫室大棚調(diào)溫系統(tǒng) 棚內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單概述及設(shè)計(jì) 基于集中供暖的理念 設(shè)計(jì)一套綜 合智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 其次對(duì)智能溫室大棚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與溫度控制方案進(jìn)一步闡述 最后對(duì)智能溫室大棚調(diào)溫管控平臺(tái)進(jìn)行測(cè) 試與實(shí)際應(yīng)用研究 測(cè)試結(jié)果表明 全方位智能調(diào)溫系統(tǒng)能夠保證農(nóng)作物不受外界極端天氣的影響 從而有利于農(nóng)作物產(chǎn)量 增加 推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 關(guān)鍵詞 智能溫室大棚 調(diào)溫系統(tǒng)機(jī)制 農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制方案 中圖分類(lèi)號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 2096 9902 2022 17 0022 03 Abstract Firstly the intelligent greenhouse temperature regulating system and the temperature regulating system in the greenhouse are briefly summarized and designed Based on the concept of central heating a set of comprehensive intelligent temperature regulating system is designed Secondly the intelligent greenhouse node design and temperature control scheme are further elaborated Finally the intelligent greenhouse temperature control platform was tested and applied The test re sults show that the all round intelligent temperature control system can ensure that agriculture is not affected by extreme weather outside which is conducive to the increase of crop yield and promote the sustainable development of our agricultur al industry Keywords intelligent greenhouse temperature regulation system mechanism agricultural production system design control scheme 作者簡(jiǎn)介 王歡 1988 女 碩士 講師 研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù) DOI 10 20028 j zhnydk 2022 17 008 22 2022 年 17 期 智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊 Journal of Smart Agriculture 智慧農(nóng)業(yè) 1 升溫 依據(jù)城市集中供暖的理念 利用供暖管道 和地下管道將熱量快速傳遞到棚內(nèi)的空氣和土壤中 2 制冷 冬季室外環(huán)境極為寒冷 假如中午陽(yáng)光直 射過(guò)強(qiáng) 溫室大棚內(nèi)的溫度極有可能會(huì)超出預(yù)定的安全 閾值 此時(shí)可以使用對(duì)流風(fēng)扇與外界產(chǎn)生對(duì)流 從而在 最短的時(shí)間內(nèi)降低棚內(nèi)溫度 3 熱量平衡 安裝并使用空氣均衡風(fēng)扇 使溫室大 棚內(nèi)的空氣進(jìn)行有效循環(huán) 將熱量從高溫區(qū)帶到低溫 區(qū) 快速達(dá)到熱量平衡 為能對(duì)溫室大棚進(jìn)行全維度的溫度控制 運(yùn)用埋地 管道對(duì)土壤產(chǎn)生的溫度場(chǎng)產(chǎn)生溫度 并在相對(duì)側(cè)安裝散 熱片來(lái)調(diào)節(jié)溫度 將能量有效傳輸給附近的土壤與空 氣 替換了傳統(tǒng)收集光熱的方法 最終實(shí)現(xiàn)迅速控溫的 目的 即使在非常寒冷的天氣 也能快速將大棚內(nèi)溫度 調(diào)試到適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的范圍 為更準(zhǔn)確地控制內(nèi)外環(huán)境的溫度 將棚內(nèi)空間調(diào)節(jié) 分為 A B C 和 D 4 個(gè)區(qū)域 由 3 個(gè)均流風(fēng)機(jī)將 4 個(gè)區(qū)域 分開(kāi) 讓相鄰空間區(qū)域之間相互流通 此外 溫室墻壁 2 端還安裝了對(duì)流風(fēng)扇 其首要目的是與外界空氣進(jìn)行對(duì) 流與交換 從而降低大棚的內(nèi)部溫度 基于大棚內(nèi)的土壤 溫度調(diào)控 分為 3 個(gè)區(qū)域 可以對(duì)區(qū)域土壤溫度進(jìn)行具有 針對(duì)性地調(diào)整與把控 除此之外 由于傳熱具有一定的滯 后性 過(guò)高的土壤溫度難以對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié) 因此需要提前 對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行預(yù)測(cè) 選擇最優(yōu)的控制方式 1 2 智能調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)方 式 設(shè)計(jì)一套綜合智能溫控系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要由地溫管 控模塊 集中管控平臺(tái) 供熱機(jī)制管控 大棚內(nèi)部溫度管 控模塊 云端服務(wù)器和農(nóng)戶智能手機(jī)端構(gòu)成 2 棚內(nèi)智能 控溫體系利用 4 級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì) 其中包括環(huán)境溫度測(cè)控終 端 集中管控平臺(tái) 云端服務(wù)器和農(nóng)戶智能手機(jī)端 環(huán)境 溫度監(jiān)控終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與溫室管控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù) 交換 有效防止因節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多而導(dǎo)致的繁瑣布線 每 片土壤 空氣分區(qū)配備并放置 1 個(gè)節(jié)點(diǎn) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng) 絡(luò)中被賦予 1 個(gè)且唯一的 ID 賬號(hào) 這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)將采集到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)或設(shè)備作業(yè)情況信息實(shí) 時(shí)發(fā)送到集中溫度管理平臺(tái) 溫度集中管理服務(wù)器經(jīng)過(guò) 分析 會(huì)依據(jù)農(nóng)作物的種類(lèi)及生長(zhǎng)階段 計(jì)算出最適合 農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境和氣候條件 進(jìn)而選擇相應(yīng)的控 制設(shè)備 2 智能溫室大棚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與溫度控制 2 1 溫室大棚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)中選擇高度集成的芯片作為節(jié)點(diǎn)的核心 零件 該芯片不光具有微控制器 還集成了無(wú)線網(wǎng)上協(xié) 議 ZigBee 射頻板塊 完成大棚內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的通信 該節(jié)點(diǎn)主要分為以下模塊 高增益天線 溫度傳感器 加 熱管道溫度控制單元及鋰電池 開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)主要有以下 2 個(gè)任務(wù) 首先是利用溫度傳感器收集土壤 空氣和循環(huán) 液體中的實(shí)時(shí)溫度數(shù)值 進(jìn)而利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳送到 服務(wù)器終端 其次是接收集中管理平臺(tái)發(fā)出的指令 有 效控制供暖 交流泵或循環(huán)閥門(mén)等具有執(zhí)行作用部件的 安全運(yùn)行 2 2 熱交換與傳導(dǎo)模型 因?yàn)榭諝獗葻崛葺^低 流動(dòng)性能較強(qiáng) 其熱傳導(dǎo)的速 度相對(duì)較快 可通過(guò)風(fēng)扇在內(nèi)部循環(huán)或與外部環(huán)境置換 氣體 較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度 土壤內(nèi)部溫度主要會(huì)受 到埋地管道熱傳導(dǎo)和空氣熱交換 2 種因素的影響 但是 土壤的熱傳導(dǎo)具有一定的滯后性 為更加準(zhǔn)確控制土壤 熱傳導(dǎo) 則需要構(gòu)建 1 個(gè)熱傳導(dǎo)模型 在建模的理想狀態(tài) 下 需要假設(shè)以下條件 埋地管道 循環(huán)液體和附近土 壤是共通不一且均勻的材料 埋地管道的導(dǎo)熱系數(shù)與 溫室土壤的導(dǎo)熱系數(shù)相同 埋地管道與土壤之間的熱 交換被稱(chēng)為三維熱傳導(dǎo) 忽略沿埋管道延伸方向的溫 度差 埋地管道彎曲截面按直管計(jì)算 2 3 模型控制方案 依據(jù)以往相關(guān)經(jīng)驗(yàn)得知 土壤溫度不僅與埋地管道 的直徑 深度和鋪設(shè)距離等相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生聯(lián)系 還與管 道循環(huán)液的溫度及流動(dòng)速度相關(guān) 前者是鋪設(shè)完成后的 非可調(diào)節(jié)參數(shù) 后者則是可調(diào)節(jié)參數(shù) 所以 引入有效 控制的觀念 并通過(guò)溫度采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 利用構(gòu)建的 三維非定常熱導(dǎo)方程 通過(guò) RBF PID 控制循環(huán)液溫度 和流動(dòng)速度的調(diào)節(jié) 在以往的 PID 控制中增加了 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn)了土壤溫度 RBF PID 的調(diào)節(jié) 自覺(jué)適應(yīng) 環(huán)境調(diào)節(jié)溫度參數(shù) 提升系統(tǒng)的靈活性 利用網(wǎng)絡(luò)識(shí)別 器的信息 可以隨時(shí)調(diào)整控制器的比例 積分及微分等 參數(shù) 并在調(diào)整過(guò)程中進(jìn)行自我學(xué)習(xí) 進(jìn)而使溫度調(diào)整 更精準(zhǔn) 更快捷 3 基于各不相同的內(nèi)外環(huán)境條件 集中 管理平臺(tái)預(yù)設(shè)的相對(duì)應(yīng)的管控方針如下 案例 1 如果發(fā)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)整體的溫度偏高 立 即開(kāi)啟對(duì)流風(fēng)機(jī)與外界冷空氣進(jìn)行置換 直到大棚內(nèi)溫 度處于安全閾值內(nèi) 案例 2 如果大棚內(nèi)各區(qū)域的溫度不平衡 立即開(kāi) 啟均衡風(fēng)機(jī) 根據(jù)各個(gè)區(qū)域?qū)嶋H溫度情況 將高溫區(qū)的 氣體吹向低溫區(qū) 直至棚內(nèi)各區(qū)域溫度處于平衡狀態(tài) 案例 3 假設(shè)碰到連續(xù)陰雨天氣或極端寒冷天氣等 惡劣天氣 大棚內(nèi)相對(duì)氣溫低于適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度 23 2022 年 17 期智慧農(nóng)業(yè) 智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊 Journal of Smart Agriculture 時(shí) 應(yīng)開(kāi)啟電加熱設(shè)備的加熱系統(tǒng) 打開(kāi)管道循環(huán)閥門(mén) 啟動(dòng)相應(yīng)的循環(huán)泵進(jìn)行相對(duì)溫度循環(huán) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相對(duì)空 氣溫度 如發(fā)現(xiàn)棚內(nèi)區(qū)域溫度不平衡等現(xiàn)象 可自動(dòng)遵 循案例 2 使用原則進(jìn)行操作 案例 4 假如溫室內(nèi)土壤溫度無(wú)法滿足農(nóng)作物生長(zhǎng) 需求 第一步就是依據(jù)傳熱模型與傳熱公式估算液體循 環(huán)速度所需的熱量與溫度 并利用 RBF PID 對(duì)上述 2 個(gè) 參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié) 基于土壤的傳熱速度較緩慢 傳熱 時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng) 需要持續(xù)監(jiān)測(cè)埋地管道附近土壤的溫度 變化 當(dāng)調(diào)整到規(guī)定閾值內(nèi)時(shí) 且外部環(huán)境能夠保持土壤 溫度幾乎不變時(shí) 此時(shí)將循環(huán)液分流回儲(chǔ)罐中 3 智能溫室大棚調(diào)溫管控平臺(tái)測(cè)試與應(yīng)用 3 1 溫室大棚調(diào)溫智能系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 為有效檢測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和控溫的準(zhǔn)確性 在 同一個(gè)溫室集群中選擇了 2 個(gè)結(jié)構(gòu) 朝向 面積 高度和 材質(zhì) 相同的 1 號(hào)溫室和 2 號(hào)溫室 并且 2 個(gè)溫室處在 相同的地理位置 本研究設(shè)計(jì)的綜合智能調(diào)溫系統(tǒng)安裝 于 2 號(hào)溫室 1 號(hào)溫室不對(duì)其進(jìn)行過(guò)多處理作為參考比 較 選擇一段時(shí)間下午 5 時(shí)至次日凌晨 3 時(shí)作為測(cè)試時(shí) 間 驗(yàn)證溫控系統(tǒng)的性能與功能 溫控設(shè)備在開(kāi)機(jī)前 當(dāng) 天下午 5 時(shí)的土壤和空氣的初始溫度分別為 16 3 和 17 2 因?yàn)闇厥覂?nèi)外環(huán)境在不斷發(fā)生變化 5 時(shí)后日照 效應(yīng)逐漸退去 使得大棚內(nèi)的溫度快速降低 為控制溫 度最大程度接近預(yù)定溫度值 在無(wú)光照的情況下 需要啟 動(dòng)供暖系統(tǒng) 依據(jù)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果 自適應(yīng)調(diào)節(jié)水溫和循環(huán) 管道中的水流速度 4 5 5 時(shí)以后大棚外部溫度從 0 左 右快速下降 深夜降到了 16 左右 雖然對(duì)大棚進(jìn)行了 保溫措施 但受外界冷空氣因素的影響 大棚內(nèi)部溫度下 降速度迅速 最低氣溫約 8 最低土溫也降到 7 左 右 如果長(zhǎng)期處于這樣的環(huán)境中 農(nóng)作物就會(huì)出現(xiàn)凍傷 的危險(xiǎn) 2 號(hào)大棚在同樣的天氣條件下 使用了全方位的智 能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 研究數(shù)據(jù)得出 即使外部環(huán)境溫度很 低 但通過(guò)使用加熱和循環(huán)系統(tǒng) 在循環(huán)開(kāi)始階段液體 溫度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均較高 為進(jìn)行高效傳熱 在整個(gè)過(guò)程 中 隨著外界溫度的變化 智能調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和 循環(huán)液的溫度也會(huì)隨之變化 測(cè)試結(jié)果表明 啟動(dòng)調(diào)溫 設(shè)備后 空氣與土壤的溫度分別達(dá)到了預(yù)定的溫度閾 值 由此便能保證農(nóng)作不被受外界極端天氣所影響 有 助于農(nóng)作物產(chǎn)量增加 3 2 溫度集中管控終端 溫室大棚中的集中管控平臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)連接網(wǎng) 絡(luò)終端的服務(wù)器 功能模塊齊全 主要由登錄權(quán)限管 理 網(wǎng)絡(luò)配置 云端服務(wù)器接口管理 溫度監(jiān)控 溫室分 區(qū)管理 作物專(zhuān)家信息數(shù)據(jù)庫(kù)和分析數(shù)據(jù)等構(gòu)成 服務(wù) 終端利用板卡與溫室內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)和溫度調(diào)節(jié)設(shè)備節(jié) 點(diǎn)完成數(shù)據(jù)交換 采集溫室內(nèi)各個(gè)區(qū)域的氣溫 土壤溫 度和設(shè)備作業(yè)情況 并將信息發(fā)送到云端服務(wù)器將其 保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中 依據(jù)目前溫室種植的農(nóng)作物的 種類(lèi)及生長(zhǎng)周期從信息庫(kù)中獲取合適的生長(zhǎng)溫度信 息 然后服務(wù)器運(yùn)行得到相應(yīng)的溫度控制方式 將具體 的執(zhí)行方案發(fā)送到需要執(zhí)行設(shè)備網(wǎng)絡(luò) 最終實(shí)現(xiàn)棚內(nèi) 智能化溫度調(diào)節(jié) 4 結(jié)束語(yǔ) 農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)收集 農(nóng)業(yè)信息處理及農(nóng)業(yè)信息管理 等需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與相應(yīng)的傳感器對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn) 行采集與整理 數(shù)據(jù)管理工作者基于傳感器的相關(guān)信息 系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和研究 最后利用人工處理方 式或系統(tǒng)自動(dòng)處理方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步加工 自動(dòng)干 預(yù)操作設(shè)備完成作業(yè) 最終實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)信息化 智能 農(nóng)業(yè)機(jī)械化 輔助農(nóng)業(yè)管理人員決策和輔助農(nóng)作物種植 人員種植農(nóng)作物等目標(biāo) 以往的日光溫室抗寒能力較 差 而且在調(diào)溫方面只考慮氣溫對(duì)農(nóng)作物的影響 忽視 了土壤表面溫度是農(nóng)作物生長(zhǎng)的首要環(huán)境因素 所以 文章利用集中供暖的理念 綜合溫度智能控溫系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 依據(jù)氣候變化狀況 采用大熱源管道分別對(duì)空氣及 土壤進(jìn)行加熱 另在溫室內(nèi)安裝均衡風(fēng)機(jī) 有效緩解溫 室內(nèi)氣流不暢所造成的溫度分布不平衡現(xiàn)象 同時(shí) 建 立土壤三維非定常溫度與傳熱數(shù)學(xué)模型 利用智能控制 達(dá)到對(duì)土壤溫度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié) 在根源上解決溫度調(diào)節(jié)的 滯后與不平衡問(wèn)題 參考文獻(xiàn) 1 冷令 吳偉斌 張偉杰 等 基于改進(jìn) PSO 算法的多溫室物聯(lián)網(wǎng) 群控終端變量協(xié)調(diào)控制研究 J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2021 42 1 179 185 2 韓兵 許張衡 農(nóng)業(yè)智慧大屏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 電腦知 識(shí)與技術(shù) 2021 17 8 67 68 73 3 王龍忠 淺談智能溫室大棚的系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備 2020 3 32 33 4 沈劍波 王應(yīng)寬 中國(guó)農(nóng)業(yè)信息化水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究 J 農(nóng) 業(yè)工程學(xué)報(bào) 2019 35 24 162 172 5 郭守斌 魏域斌 魏玉杰 對(duì)我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的思考與建議 J 農(nóng)業(yè)科技與信息 2021 9 72 75 24