日照溫室大棚自動卷簾機與智能通風控制系統設計

孔國利　蘇玉

摘要：針對在傳統日照溫室大棚管理中存在收放保溫卷簾和通風勞動強度大等問題，設計了自動卷簾與智能通風控制系統，系統主要由環境監測節點、執行節點和控制決策中心組成。節點在控制器C8051F020平臺上開發而成，實現了對棚內溫濕度、CO2濃度和光照度的監測，并通過無線模塊nRF905上傳到控制決策中心，根據作物生長專家知識庫對風機和自動卷簾機進行控制，達到調節棚內環境參數的目的。結果表明，該系統能準確測量棚內的環境參數，并通過控制風機對溫濕度進行自動調節，為作物的高產創造了條件，實現了溫室大棚種植的精準化和智能化管理。

關鍵詞：溫室大棚；智能通風；自動控制；作物生長專家知識庫

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）24-6386-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.076

Abstract： For the intensity of work of insulation shutter and ventilation in the sunlight greenhouse management，an automatic rolling machine and intelligent ventilation control system which is composed of environment monitoring nodes，action node and the control decision center is designed. The nodes are developed on the platform of Processor C8051F020，which can monitor the temperature，humidity and CO2 concentration，and upload to the control decision center by the wireless module nRF905，then control the fan or autoatic rolling machine to adjust the environment parameters in the greenhouse according to the crop exper knowledge base.The experiment results on the fruit setting period tomato show that the designed system can accurately measure the environment parameters in the greenhous，and automaticly adjust the temperature and humidity by controlling the fan working condition，which can improve the crop yield and realize the precise and intelligent management of the greenhouse planting.

Key words：greenhouse；intelligent ventilation； automatic control；crop expert knowledge base

日照溫室大棚內種植的大多是反季節作物，對生長環境的要求極為苛刻，尤其是對溫濕度、CO2濃度和光照度的要求更為嚴格[1-3]。傳統日照溫室大棚一般采用在日出和日落時通過收放保溫卷簾保持夜間棚內的溫度，通過開窗放風來調節棚內白天的溫濕度和CO2濃度，耗費了大量的人力。由于不同的作物具有不同的生長周期，每個生長周期對環境的參數要求也各不相同，如果工人對環境的觀察經驗不足，就會使作物一直處于惡劣的環境中，影響作物的正常生長，最終導致作物的減產，甚至絕收。因此，本研究設計了日照溫室大棚自動卷簾機與智能通風控制系統，利用在棚內設置溫濕度和CO2濃度采集節點獲取環境參數，根據系統中的作物生長專家知識庫，自動對棚內的風機和保溫卷簾進行控制，使作物始終處在最佳的生長狀態，實現了現代化溫室大棚的精準化管理，同時也大大降低了工人的勞動強度。

1 日照溫室大棚的總體設計

1.1 日照溫室大棚基本構成

作物在白天不斷進行光合作用，消耗大量的CO2，并釋放出O2。CO2濃度的降低直接影響光合作用，從而影響作物的正常生長。同時，由于溫室溫度升高后導致酶的活性增加，呼吸作用增強，釋放大量的水蒸氣和熱量，導致棚內濕度的增加，增大了作物發生病蟲害的風險，而且棚內溫度過高影響作物的正常生長。為了使溫室大棚內的溫濕度和CO2濃度適合作物生長，就需要通風換氣。傳統開窗換氣的方法如果沒有自然風，空氣無法流動，達不到預期效果，而且效率特別低。為此本設計采用主動排風方法，在日照溫室大棚的兩側分別設置進風通道和排風通道，并安裝大功率風機，如圖1所示。當兩臺風機同時工作時，棚內空氣循環流動，不僅能降溫和排濕，還能補充棚內的CO2，促進作物的光合作用[4，5]。

當光照度不能滿足作物的光合作用需要時，或者遇到陰天和雪天時，棚內溫度就會降低，為了避免作物凍傷需要采取保溫措施。傳統方式是人工收放保溫卷簾，這不僅工作效率低，而且工人勞動強度大。為此設計了機械化卷簾技術，通過電機帶動卷簾繩，對保溫卷簾進行收放。

1.2 自動智能控制

日照溫室大棚自動卷簾機與智能通風控制系統主要分為環境監測節點、執行節點和控制決策中心組成。其中，環境監測節點主要由光照度監測節點、CO2濃度監測節點和溫濕度監測節點構成[6]；執行節點主要由保溫卷簾控制節點和通風風機控制節點組成。考慮到日照溫室大棚內環境比較復雜，如果采用有線通信方式會使棚內的線路交叉，不僅布線困難，也不便于日常維護。同時，由于節點之間的通信距離較短，采用短距離2.4 G無線短距離通信方式即能解決這一問題。系統的總體結構如圖2所示。由于棚內空間比較大，風機不工作時內部空氣流動性差，會導致局部CO2濃度或溫濕度不均勻，為了更好地調節整個大棚內的CO2濃度和溫濕度，控制風機的工作狀態，采用了2個CO2濃度監測節點和2個溫濕度監測節點，并分別部署在日照溫室大棚的不同位置。一般布置在大棚長度方向1/3和2/3一高一低處，這樣就能夠較全面地測定在不同位置和水平面上的環境參數數據。

管理軟件通過作物生長專家知識庫分析適合農作物生長、提高產量的環境參數和輔助決策，將采集到的環境參數，向執行節點發出通風和調節光照的指令，溫室的氣候參數始終保持在最佳狀態。若監測到的環境參數超出閥值，會立刻啟動相應的執行設備進行調節。同時，通過短信網關，向預設的管理者手機發送報警信息。

2 監測和控制節點硬件平臺結構

由于系統中涉及到的節點種類比較多，為了方便設計和使用，統一采用了接口資源較豐富的控制器C8051F020作為開發硬件平臺[7]。其中，需要用的模塊主要由溫濕度傳感器AM2302、光照度傳感器BH17（置于溫室大棚外）、CO2濃度監測變送器、FLASH存儲器K9K2G8U0M、風機控制電路、卷簾機控制電路、2.4 G無線通信模塊nRF905、顯示屏12864和聲音報警模塊等組成。監測和執行節點硬件平臺構成如圖3所示。

根據不同節點的需要，只要配置對應的模塊，并向控制器C8051F020寫入相應的程序即可。監測節點主要是通過溫濕度傳感器、光照度傳感器和CO2濃度監測變送器采集周圍環境參數，由無線通信模塊nRF905發送至控制決策中心，將這些參數和運行狀態顯示在顯示屏上。當通信出現異常時，會將數據暫時保存在本地FLASH存儲器K9K2G8U0M上，待通信恢復正常后再繼續上傳，保證了數據的連續性和完成性[8，9]。

當監測到的這些數據超出了適宜作物生長的范圍，執行節點就會收到來自控制決策中心的指令，啟動/關閉風機來調節日照溫室大棚內的溫濕度和CO2濃度，直到滿足作物生長。光照度監測節點利用傳感器BH17白天采集溫室大棚外的太陽光進行光合作用，夜晚溫度下降時，控制決策中心向卷簾機發送啟動信號將保溫卷簾放下，對大棚進行保溫；太陽升起后，光照度增加作物能夠進行光合作用時，控制決策中心向卷簾機發送收起卷簾信號。

3 控制決策中心管理軟件

控制決策中心的計算機安裝了管理軟件，管理軟件借助數據庫ACCESS2008在VC++6.0環境下開發而成，運行在Windows操作系統下。主要功能由系統配置/登陸管理、無線通信配置管理、數據庫管理、作物生長專家知識庫、歷史數據曲線分析、統計/報表打印和報警模塊等組成[10，11]。控制決策中心管理軟件功能如圖4所示。

作物生長專家知識庫內部儲存了作物在不同時期生長所需要的最佳氣候參數及栽培技術和措施，其中最佳氣候參數是用于溫室控制最重要、最直接的參數，包括白天、夜晚植物在不同生長期的最佳溫濕度、光照度和CO2濃度等。計算機通過串口與無線通信模塊nRF905與各節點進行數據通信，采集溫室大棚內的溫濕度和CO2濃度，并實時顯示在控制決策中心的顯示屏上，同時將數據保存在數據庫ACCESS2008中。根據作物生長專家知識庫中的數據，再與處在同樣生長期內的作物周圍環境參數進行比較，若超出了最佳生長范圍，就會通過nRF905無線模塊向風機或者卷簾執行設備發出指令進行調節，同時，將報警信息以短消息的形式發送到預設的手機號碼上，并向本地發出報警，提醒周圍的工作人員注意觀察。

4 測試結果與分析

為了測試設計的系統性能，在單體標準日照溫室大棚內進行了測試試驗。大棚占地面積150 m×1 m×6 m，種植單一品種番茄，正處于關鍵的坐果期。通過作物生長專家知識庫可知，番茄屬于喜光作物，光飽和點為70 000 lx，一般應保證30 000～35 000 lx的光照度，才能維持其正常的光合作用和生長。番茄在坐果期對溫度的要求白天為20～25 ℃，夜間15～18 ℃，對空氣濕度的要求維持在60%左右[10]。通過報表統計功能得到24 h的溫濕度曲線分別如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出，系統對大棚內的溫度控制的比較準確，在8：00～18：00點之間作物進行光合作用時，一直保持在20～25 ℃，但在13：00點時溫度達到25.6 ℃，會抑制番茄紅素及其他色素的形成，影響果實著色。控制決策中心向風機執行發送了啟動風機工作的信號，使溫度在14：00降到25.1 ℃。夜間溫度保持在17 ℃左右，符合番茄作物生長專家知識庫的要求。

從圖6可以看出，由于白天光合作用和呼吸作用旺盛，產生大量的水蒸氣，使得棚內的濕度顯著提高，此時與溫度的變化比較一致，但在13：00濕度達到67.8%，隨著風機的開啟，濕度逐漸降低。夜間溫度降低，作物呼吸作用減弱，其排出的水蒸氣減少，所以夜間濕度偏低，在50%左右，但不影響作物的發育生長。

5 小結

采用2.4 G短距離無線通信技術設計的日照溫室大棚自動卷簾機與智能通風控制系統，通過監測溫濕度、CO2濃度和光照度，再根據作物生長專家知識庫，對棚內的環境進行自動調節。采用兩臺風機同時進風和排風的方式，大大提高了大棚內外空氣的流動效率，引入機械化卷簾技術，降低了人工勞動強度。通過溫室大棚對坐果期番茄試驗的結果表明，系統工作穩定可靠，能夠準確獲取棚內的環境參數信息，并能夠自動調節，為溫室大棚管理的信息化和智能化提供了強有力的技術支持和保障。

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