日光溫室光照調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王敏達(dá)

摘 要：該文主要介紹了日光溫室光照調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，即采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行溫室環(huán)境中光照調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。為了使溫室能夠提供足量的夠植物生長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射能，可在硬件的光照監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中調(diào)控光照量的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)采集；利用遮陽(yáng)幕實(shí)現(xiàn)了溫室中光照環(huán)境的智能調(diào)節(jié)和控制。軟件上基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選擇合適的光照傳感器，完成溫室內(nèi)光照信息的采集、數(shù)據(jù)的處理，從而方便、安全、精確的實(shí)現(xiàn)光照的調(diào)節(jié)和控制。

關(guān)鍵詞：日光溫室；光照；調(diào)控；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) S625.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）23-42-02

隨著生活水平的不斷提高，人們基本上已經(jīng)擺脫依靠?jī)?chǔ)菜過(guò)冬的模式，新鮮蔬菜即便不在時(shí)令季節(jié)也依然出現(xiàn)在人們的餐桌上。為了滿(mǎn)足人們對(duì)綠色果蔬的需求，各式各樣的溫室大棚應(yīng)運(yùn)而生。日光溫室是近年來(lái)出現(xiàn)的一種以保溫好、投資少、節(jié)約能源為特色的溫室大棚，又被稱(chēng)為暖棚，是因受到外界的冷空氣影響而產(chǎn)生的一種可以調(diào)節(jié)氣溫和濕度的種植設(shè)施。在種植區(qū)域內(nèi)，依靠太陽(yáng)光來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，從而緩解冬季寒冷提供蔬菜作物對(duì)溫度的生長(zhǎng)需求。而這一過(guò)程主要是通過(guò)光合作用的過(guò)程來(lái)滿(mǎn)足植物所有的營(yíng)養(yǎng)，也就是說(shuō)光照是植物吸收土壤肥料、水分，改變室內(nèi)適宜溫度，以及植株生長(zhǎng)發(fā)育、開(kāi)花結(jié)果的決定性因素。同時(shí)，植物能定時(shí)開(kāi)花、顯示出不同顏色、生長(zhǎng)出不同高度等都與光照有著十分密切的關(guān)系。因此，光照調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用對(duì)于日光溫室具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)有對(duì)等式和層次分布式，本體系采用層次分布式。系統(tǒng)的最底層是監(jiān)測(cè)區(qū)域，監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)分布在不同地方的傳感節(jié)點(diǎn)組建成網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)將自己覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和收集并傳給簇頭，然后簇頭傳送到基站節(jié)點(diǎn)。基站節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接將基站收到的數(shù)據(jù)向遠(yuǎn)程控制站的終端進(jìn)行匯總、輸送并集中處理，形成了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的光照量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.2 硬件結(jié)構(gòu) 對(duì)于溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括光照參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和光照調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2個(gè)方面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：光照-傳感器-數(shù)據(jù)采集器-計(jì)算機(jī)控制中心；計(jì)算機(jī)控制中心通過(guò)收到的數(shù)據(jù)采集分別發(fā)送到不同的裝置包括：報(bào)警裝置、鍵盤(pán)控制、數(shù)據(jù)采集器；數(shù)據(jù)采集器再通過(guò)計(jì)算機(jī)控制中心反饋回來(lái)的信息再發(fā)送給繼電器或電磁閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、遮陽(yáng)幕等。最終實(shí)現(xiàn)光照數(shù)據(jù)采集、傳輸和反饋以及調(diào)控的過(guò)程。

1.2.1 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 傳感器是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的最基本設(shè)施，它不僅要具備監(jiān)測(cè)、采集的功能，還應(yīng)具備信息存儲(chǔ)與比較的功能。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)其不同的功能分區(qū)分別由不同的部分組成，一共分為以下4個(gè)部分模塊：（1）數(shù)據(jù)采集模塊：傳感器-AD/DC。主要負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集與信息的轉(zhuǎn)換。（2）控制模塊：執(zhí)行機(jī)構(gòu)-內(nèi)存-CPU。控制模塊的作用是負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理本傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。處理器的主要功能是控制節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。（3）無(wú)線(xiàn)通信模塊：網(wǎng)絡(luò)-MAC-收發(fā)器。本模塊的作用主要用于連接節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信，負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)送與接收。（4）能量供應(yīng)模塊：此模塊的作用主要是所有節(jié)點(diǎn)在工作過(guò)程中需要的電能。以上這4個(gè)模塊由能量供應(yīng)其他3個(gè)模塊所有的能量，3個(gè)模塊在工作狀態(tài)下由數(shù)據(jù)采集模塊將信息發(fā)送到控制模塊，控制模塊將信息發(fā)到無(wú)線(xiàn)通信模塊，經(jīng)過(guò)信息處理后再將信息反饋給控制模塊，從而完成傳感器節(jié)點(diǎn)的所有任務(wù)與功能。

1.2.2 傳感器的選用 要實(shí)現(xiàn)對(duì)日光的調(diào)控，就要用到光照傳感器，本系統(tǒng)選用TAOS公司的光照傳感器TSL2550。傳感器的作用主要是加強(qiáng)對(duì)背景光的強(qiáng)度判斷，使其更加精準(zhǔn)，甚至接近人眼的反應(yīng)。其原理是通過(guò)2個(gè)傳感器，一個(gè)檢測(cè)紅外光和可見(jiàn)光，另一個(gè)只檢測(cè)紅外光，根據(jù)2個(gè)組合傳感器推導(dǎo)出數(shù)據(jù)然后由光傳感器輸出，通過(guò)將2個(gè)傳感器的信息數(shù)字化處理后得出可見(jiàn)光的光強(qiáng)以及紅外線(xiàn)的影響，從而對(duì)其背景照明做出適宜的調(diào)整。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件的主要功能是完成溫室內(nèi)光照信息的采集、數(shù)據(jù)的處理，從而實(shí)現(xiàn)光照的調(diào)節(jié)和控制。植物生產(chǎn)中一般根據(jù)植物種類(lèi)控制其光照時(shí)間，同時(shí)也通過(guò)間歇補(bǔ)光或遮光的方式調(diào)節(jié)光照時(shí)間。在光照過(guò)多時(shí)使用遮光網(wǎng)，過(guò)少時(shí)使用人為加光設(shè)置。這些可以通過(guò)警報(bào)系統(tǒng)控制程序，遮陽(yáng)網(wǎng)控制程序，外加光照系統(tǒng)控制程序來(lái)加以調(diào)控，其程序如圖1所示。

由于不同的作物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)光照參數(shù)的要求不同，同一作物在不同發(fā)育期對(duì)光照的要求也有所不同，所以把光照參數(shù)作為控制參數(shù)向數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集控制模塊中發(fā)送，以創(chuàng)造更好的滿(mǎn)足生物生長(zhǎng)所需的環(huán)境。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能主要用于設(shè)定人為要求的光照因子的適宜數(shù)值。本系統(tǒng)的控制部分就是通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出的各種數(shù)據(jù)以及報(bào)警信號(hào)，執(zhí)行操作對(duì)溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控，從而滿(mǎn)足適宜作物生長(zhǎng)的各種環(huán)境。

3 日光溫室光照調(diào)節(jié)方法

日光溫室對(duì)光照的調(diào)節(jié)需要根據(jù)室內(nèi)對(duì)光的需求進(jìn)行調(diào)整，主要包括補(bǔ)光與遮光2個(gè)方面。室內(nèi)光照的調(diào)控方式主要有溫度構(gòu)造和建設(shè)方位的選擇、內(nèi)外遮光處理、光調(diào)節(jié)性覆蓋材料的選用、人工光源補(bǔ)光、反射板的利用以及覆蓋材料的清洗和替換等。光質(zhì)調(diào)控方式可以采用特定光譜的光源補(bǔ)光和覆蓋材料。通過(guò)覆蓋材料將不需要的光進(jìn)行分光過(guò)濾，同時(shí)控制光芽分化、果葉著色、花卉數(shù)量等，再結(jié)合人工光源組合獲得不同的光源環(huán)境，從而給植株提供更有利的生長(zhǎng)環(huán)境。在日光溫室調(diào)控的過(guò)程中，不僅要調(diào)整光質(zhì)，還應(yīng)調(diào)整光周期以及光照強(qiáng)度、光照時(shí)間以及各種輻射的比例等，從而實(shí)現(xiàn)增大光的利用效率和優(yōu)化配置。

4 溫室大棚的選擇

在建立溫室的時(shí)候，首先要保證主題架構(gòu)的穩(wěn)定性、結(jié)實(shí)性以及合理性，對(duì)于其所占空間的大小以及棚脊的角度與高度都要進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)。溫室一般采用熱浸鍍鋅鋼骨架，肩高4～5m，脊高5.5～6m，跨度長(zhǎng)6～7m，屋面拱跨3.5～4m，天窗高度1.5m，通風(fēng)向長(zhǎng)度根據(jù)地塊分配可以控制在25～40m。溫室半拱形屋面應(yīng)采用高強(qiáng)、抗老化、無(wú)滴薄膜進(jìn)行覆蓋。為了實(shí)現(xiàn)溫室保溫、保濕、調(diào)節(jié)光照的作用，可采用自動(dòng)調(diào)控的遮陽(yáng)幕。為了更好的調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度與溫度，應(yīng)在通風(fēng)口處配置可開(kāi)閉的高強(qiáng)薄膜，溫室的側(cè)墻也可采用半固定或半開(kāi)閉式的，但為了保持大棚的穩(wěn)定性在側(cè)墻的下半部分應(yīng)使用全固定式。這些可以開(kāi)閉的墻與天窗可以根據(jù)氣候溫度的高低進(jìn)行配合開(kāi)關(guān)。對(duì)于雨水天氣，可以在棚內(nèi)設(shè)置天溝，以方便雨水的收集和排放。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在分析光照對(duì)植物生長(zhǎng)的至關(guān)重要性的條件下，綜合考慮日光溫室的基礎(chǔ)上，果蔬生長(zhǎng)和光照的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)能夠完成特殊區(qū)域——光照量的數(shù)據(jù)采集、分析和處理的系統(tǒng)等方面，再利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在日光溫室中調(diào)控光照的系統(tǒng)。

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（責(zé)編：張宏民）