温室全方位智能调温系统在智慧农业中的应用

　　摘要：为了调节日光温室大棚内的环境温度使其更适宜作物的生长，借鉴集中供暖的思想设计了全方位智能调温系统，系统主要由地温管理控制单元、棚内温度管理控制单元、供暖系统控制、云服务器以及农户智能手机终端等组成。利用供热管道对土壤和空气进行全方位的热传递，同时，建立了三维非稳态地温传热数学模型，根据采集到的管道周围土壤和空气的温度信息，利用ＲＢＦ-ＰIＤ控制算法对水温、循环泵和均衡风扇进行控制，从而实现对温室大棚的全方位温度调节。试验结果表明：设计的全方位智能调温系统工作稳定可靠，能够将大棚内的土壤和空气温度自动控制在预设的范围，最大平均误差分别仅为０．３℃和０．５℃，而且实现了农户的远程监测和管理，为推动智慧农业的发展奠定了基础。

　　关键词：温室大棚；智慧农业；温度均衡；控制策略；智能交互

　　农业生产追求在有限的土地面积上获得最大的产量，而作物产量除了与品种自身的遗传基因有关外，同时也受周围环境因素的影响［１-３］。其中，温度是作物生长发育最重要的环境参数之一，且不同的作物在不同的生长阶段所需的环境温度也有所差异。对于我国北方寒冷地区的温室大棚来讲，温室大棚内外的复杂环境，使得对作物生长环境的控制极其困难［４］。传统的温室大棚大多通过收集来自太阳光的热量来维持棚内的温度，但如果遇到极寒天气，就很有可能对作物造成损害而减产，甚至死亡。文献［５-7］均提出了采用加热的方式对温室进行增温，取得了不错的效果。但这些方法均忽略了对土壤温度的控制，由于作物的根系是吸收营养物质的主要通道，更需要适宜的温度环境。作物在进行正常呼吸作用时会释放热量，同时，土壤也会与棚内空气进行热交换，均对土壤的温度造成影响，所以需要对土壤温度进行调节，使作物根系处于最佳的生长环境中。

　　１问题描述及系统设计

　　１．１问题描述及解决方案

　　由于温室大棚内部空间较大，使得对其内部温度的控制有很大的迟滞性，且土壤的比热容要远大于空气，从而温度的变化趋于非线性，再加上容易受内外环境因素的影响，所以更难于对其进行控制。传统温室大棚的调温方法较为简单，一般采取日照取暖、通风遮阳降温和夜间棉被覆盖保温的方法，虽然这些方法成本较低，控制方法简单，但容易使棚内的空气和土壤温度分布不均，而且对于温度的调节见效慢，一旦遇到极寒天气，如不能将温度及时调整到适宜作物生存的范围，就会导致作物遭受冻伤而减产，甚至绝收［８-９］。为了使棚内的温度不完全受外部环境的影响，能够自适应调节温度，需要解决温室的增温、降温和热均衡３个问题，本研究提出了相应的解决方案：（１）增温。借鉴集中供暖的思想，通过暖气管道和地埋管为棚内的空气和土壤快速输送热量。（2）降温。冬季外部环境寒冷，如果在中午太阳直射光照过强的情况下，棚内温度可能会超过预设的安全范围，可启用与外界的对流风扇，快速降低棚内温度。（３）热均衡。安装空气均衡风扇，使棚内空气循环，将热量从高位区带到低温区，迅速达到平衡。

　　１．2系统设计

　　采用无线通信、电子技术和计算机等技术，设计了全方位智能调温系统，该系统主要由地温管理控制单元、棚内温度管理控制单元、供暖系统控制、集中管理平台、云服务器以及农户智能手机终端等组成，温室智能调温系统结构如图2所示。

　　２节点设计与温度控制

　　2．１节点设计

　　选取高集成度的芯片ＣＣ2５３０Ｆ2５６为节点的核心部件开发设计，该芯片不仅带有微控制器，还集成了ＺｉｇＢｅｅ无线射频模块，实现温室大棚内节点间的通信［１１］。节点主要由温度传感器阵列、高增益天线、供热管道的温控单元以及锂电池等组成。节点结构如图３所示。

　　2．2热传导模型与热交换

　　由于空气的比热容更低，流动性更强，所以其热传导速度更快，通过风机进行内部循环，或者与外界交换气体，迅速达到预设的温度。由于土壤的温度主要受地埋管热传导和空气热交换的影响，但土壤热传导存在迟滞性，为了对其进行精确控制，需要建立热导模型。在理想状态下建模，需要假设条件如下：（１）管道、循环液及周围土壤是各向同性且均匀的物质；（2）地埋管的热导特性与温室内土壤相同；（３）管道与土壤的热量交换认为是三维热传导；（４）忽略沿地埋管延伸方向的温度变化；（５）地埋管折弯段遵循直管道进行计算。

　　３温度集中管理平台及智能交互终端

　　３．１温度集中管理平台

　　温室大棚内的集中管理平台实际上是一台接入互联网的服务器，具有完备的功能模块，主要由登陆权限管理、网络配置（ＺｉｇＢｅｅ和互联网）、云服务器接口管理、温度监测和控制策略、大棚分区管理、作物专家信息库、ＳＱＬｉｔｅ数据库、数据分析统计和报表管理等组成［１５］。软件架构如图５所示。

　　３．2智能交互终端

　　云服务器是温室大棚本地管理服务器与农户智能交互终端的纽带，通过向两者开放不同的端口提供服务，云平台不仅存储温室大棚各节点的温度数据，还传送智能终端对温室内执行设备发出的控制指令。为了让农户更方便地管理温室大棚内的温度，在智能手机终端上开发了与云服务器进行交互的ＡＰＰ。智能手机终端的主要任务是获取并显示管理平台的数据，并与使用者（农户）进行人机交互。在智能手机ＡＰＰ设计方面，主要涉及到两大部分：ＵI界面和通信。ＡＰＰ采用了分层架构，把数据处理的部分独立出一层ＤａｔａＭａｎａｇｅｒｓ来，对上层ＵI提供数据接口，这样就不需要Ａｃｔｉｖｉｔｙ和Ｆｒａｇｍｅｎｔ提供的资源，ＵI层不用关心数据的来源（内存、网络、缓存）。同时，ＤａｔａＭａｎａｇｅｒｓ层向下，Ａｃｔｉｖｉｔｙ和Ｆｒａｇｍｅｎｔ剥离了数据处理的责任后，持有ＤａｔａＭａｎａｇｅｒ的引用，负责获取数据并展示，向ＤａｔａＭａｎａｇｅｒ传递数据，绝不进行网络请求和缓存读写，大幅减轻Ａｃｔｉｖｉｔｙ／Ｆｒａｇｍｅｎｔ的压力，实现数据统一管理。智能手机交互软件架构如图６所示。

　　参考文献：

　　[1]牟华伟，刘双喜，王金星，等，湿度差动式日光温室通风系统的研制[1].江苏农业科学，2016，44（11）：366-39.

　　[2]李雪盐，郝文秀，冀中日光温室土墙温度场测试实验与分析[J].河北农业大学学报，2016，39（6）：101-106.

　　[3]张国样，刘星星，张领先，等，基于CFD的日光温室温度与卷帘开度关系研究[J].农业机械报，2017，48（9）：279-286.

　　[4]塔娜，张驰，朱英开，等，湿室内温度无线测试系统及温度场模拟[J]-东北农业大学学报，2014，45（2）：111-1115.

　　[5]刘文合，盖世臣，太阳能辅助加温系统对日光温室内温度的影响J.i业科，2015，43（3）338-341.

《温室全方位智能调温系统在智慧农业中的应用》

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