秋季溫室番茄環境因子變化規律研究—基于無線傳感網絡

謝新華，梁　棟，張東彥，周建軍，王　秀，張香倩，王繼環

(1.安徽大學 電子信息工程學院，合肥　230601;2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京　100097)

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秋季溫室番茄環境因子變化規律研究
—基于無線傳感網絡

謝新華1,2，梁棟1，張東彥1,2，周建軍2，王秀2，張香倩1，王繼環2

(1.安徽大學 電子信息工程學院，合肥230601;2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京100097)

摘要：環境因子是制約蔬菜產量與品質的關鍵因素。為了精準指導溫室番茄生產管理、探索環境因子變化對其影響，利用無線傳感網絡(Wireless Sensor Network ,WSN)采集了連棟溫室番茄在不同生育期、高度、位置下環境因子數據。數據分析發現：不同發育期溫濕度變化范圍不同，光照強度減弱，光照時間減少，二氧化碳濃度變化延遲；白天，冠層的溫度、光照強度比其他高度的大，濕度比其他高度的低，中間層與根部接近，夜間3個高度環境因子相近；不同位置溫度由南向北、濕度由北向南呈高到低之勢，光照強度和二氧化碳濃度最大差值分別為6 562.5lux及93.76×10-6。測試結果表明：WSN可為番茄連棟溫室環境調控提供參考和決策支持。

關鍵詞：WSN；環境因子；變化規律；番茄；連棟溫室

0引言

番茄是人們日常生活中不可缺少的蔬菜產品，具有非常高的營養價值。溫室番茄產量除受品種影響外，與溫室環境因子密切相關，且不同生長發育期對生長環境要求不同。趙玉萍等[1]研究了不同溫度對溫室番茄生長發育及產量的影響；楊延杰等[2]指出光照強度對番茄植株株高、莖粗、根系活力、產量等均有影響；程智慧等[3]確定了7個環境因子對果實生長的影響及果實生長適宜的環境變量范圍。溫室環境不僅與室外溫度、濕度、光照強度等因素有關，而且還受番茄生長發育狀況及溫室結構影響。所以，實時監測溫室環境，科學準確地調節溫室內環境因素以適應番茄生長對提高產量具有重要現實意義。

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network ,WSN)因其具有實時、高效、省力等優點，已被廣泛應用于環境監測領域[4-5]。在溫室農業方面：王福祿等[4]研究了無線傳感器溫室環境監測系統,實現了對溫室環境數據實時監測；郭文川等[5]利用WSN設計了一款具有功耗低、組網靈活、可擴展性強等優點的溫室環境信息監測系統，能較好滿足溫室環境監測需求。在溫室調控方面：Anaslying等[6]利用作物的光輻射吸收、葉片的光合作用和呼吸作用預測模型建立了根據自然光照控制溫室溫度的環境控制系統；Henten[7]根據2個時間尺度(長期和短期)方法建立了溫室優化控制系統，解決了長期和短期控制問題。但對番茄溫室環境因子全面、系統采集并深入研究的較少，尤其缺乏與實際生產指導相結合的針對性研究?；诖耍P者利用WSN記錄了溫室番茄不同生育期、高度、位置下的環境因子數據，并研究其溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度變化規律，嘗試為連棟溫室環境調控提供參考依據和決策支持。

1材料與方法

1.1試驗條件

試驗地點：北京市昌平區特菜大觀園西區長55m、寬50m，采用荷蘭環境調控設備進行調控的連棟溫室進行，溫室內北置濕簾，南置風扇。番茄采用無土栽培方式種植，行距1.5m，株距30cm。為了全面地覆蓋整個溫室，在溫室內不同的位置布置9個傳感器節點，傳感器節點通過支架固定在西紅柿種植行內，可自由調節高度。溫室結構如圖1所示。

1.2數據采集系統總體結構

連棟溫室的無線傳感網絡監測系統由番茄生長物聯網監測網站、番茄生長監測主機系統、中心節點及無線采集節點和傳感器等設備構成。系統采用ZigBee網絡協議組成無線網絡，實現對溫室環境信息實時采集；所采集信息經中心節點傳送給番茄生長監測主機系統，主機系統分別將數據存儲在本地數據庫和遠程數據庫，番茄生長物聯網監測網站通過遠程數據庫查詢溫室環境信息。系統總體結構如圖2所示。

1.3數據采集

番茄植株平均高度在9、10、11月為2、 2.5、3m，分別處于結果期和果實著色期。試驗通過溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器對9個節點番茄3個高度(冠層、中間、根部)的溫濕度、2個高度(冠層、中間)的光照強度和溫室內的二氧化碳濃度進行監測，每20min記錄一次，共記錄數據47 304條。

2結果與分析

2.1不同育期高度溫室內環境因子變化規律

2.1.1溫濕度

溫濕度是影響番茄生長發育的重要因素[1,3,8]，溫室內溫濕度是否正常，直接關系到番茄單果質量和產量高低。圖3是無線傳感網絡記錄的不同生育期不同高度溫室溫濕度變化曲線。

圖1　溫室結構示意圖

圖2　系統總體結構示意圖

(a)　9月中旬至11月溫室不同高度溫濕度變化　　　　　　　　　(b)　9月溫室不同高度溫濕度日變化

(c)　10月溫室不同高度溫濕度日變化　　　　　　　　　　　(d)　11月溫室不同高度溫濕度日變化

由圖3(a)可見：9、10月溫室溫度波動在12.06～44℃之間，濕度在24.81～93.12%之間變化，波動范圍較大；11月溫濕度波動范圍相對較小。而蘇偉[8]指出番茄結果期適溫為白天24～26℃，夜間12～17℃，著色期適溫為20～25℃，空氣相對濕度為45～50%。從監測數據看，建議注意通風，適時延長風扇工作時間，減少灌溉次數。由圖3可知，一天內，溫度變化呈“單峰”型，濕度變化呈“單谷”型；溫室溫濕度在日出之前分別達到最低和最高，上午8時左右溫濕度上升、下降迅速，并于中午12點至下午2點左右之間分別達到最高和最低，下午14時左右溫濕度下降、上升較快，18時后變化緩慢；而11月溫度下降時間提前；番茄中間、根部的溫濕度上升和下降的時間稍晚于冠層，且速度比冠層慢，上午8時至下午18時左右冠層溫度比中間和根部高，濕度比中間和根部低，而中間溫濕度與根部溫濕度相差較小。9、10、11月3個高度溫度最大值差幅分別為28.17%、26.55%、9.65%，濕度最小值差幅分別為50.28%、43.51%、31.65%。

2.1.2光照強度

番茄是喜溫蔬菜，光照強度與其生長發育密切相關[2]。光照強度不足不僅影響番茄植株生長，而且會影響其產量。不同生育期不同高度溫室光照強度變化如圖4所示。

(a)　9月中旬至11月溫室不同高度光照強度變化　　　　　　　　　　(b)　9月溫室不同高度光照強度日變化

(c)　10月溫室不同高度光照強度日變化　　　　　　　　　　　　(d)　11月溫室不同高度光照強度日變化

由圖4(a)可見:溫室光照強度逐漸減弱，這是由于天氣和季節原因所致。9月份溫室光照強度最高達50 000lux左右；10月份光照強度變化較多；這是由于10月份北京霧霾天氣出現較多，11月份光照強度最高達30 000lux左右，且11月光照強度上升時間出現延遲，并且波峰變窄，原因是白晝時間變短。而番茄生長發育適宜光照強度為40 000～50 000lux[8],所以建議在霧霾等光照較弱的天氣使用懸掛生物效應燈、反光幕等[8-9]為溫室補充光照。從圖4中可見：冠層光照強度明顯強于中間，說明冠層為光合作用主要部分，也是反應溫室光照強度關鍵層；11月份冠層光照強度波峰比9、10月窄，說明11月份光照時間變短，建議人工延長光照時間。9-11月冠層與中間層光照強度最大值差幅分別為40.25%、70.92%和73.97%；10、11月差幅較大，是由于10、11月番茄比9月更加茂盛，遮擋情況更加嚴重，建議適當為番茄剪枝。

2.1.3二氧化碳濃度

二氧化碳是植物進行光合作用重要成分，如圖5所示。由圖5可知：9月中旬至10月中旬二氧化碳濃度波動范圍在440.63×10-6～656.25×10-6之間，而10月中旬至11月二氧化碳濃度波動范圍較廣，最低為403.12×10-6，最高達687.5×10-6，3個月二氧化碳濃度最大差幅分別為16.08%、23.62%和25.91%。文獻[8]指出當二氧化碳濃度達到1 000×10-6～1 500×10-6時，番茄生長旺盛，開花提前，產量提高。所以，在上午9-11時可適量增施濃度為0.000 6%左右的二氧化碳氣肥。一天內，9、10月二氧化碳濃度于上午7時左右開始迅速下降，11月二氧化碳濃度下降時間與最小值出現時間均推遲；而2個生育期二氧化碳濃度的上升時間卻相近，說明11月份番茄進行光合作用的時間變短，會影響植物營養攝入，建議11月以后人工延長番茄光照時間。

(a)　9月中旬至11月溫室二氧化碳濃度變化　　　　　　　　　　　　　(b)　二氧化碳濃度日變化

2.2不同位置溫室內環境因子變化規律

2.2.1溫度

不同位置的溫室溫度變化如圖6所示。由圖6可以看出：各位置的溫度變化趨勢相同，各位置的溫度都是日出之前最低；上午6：42節點1至節點9 溫度分別為20.69、19.31、21.19、20、19.31、21.44、20.5、20、20.12℃，12：42節點1至節點9 溫度分別為34.75、34.25、34.06、33.31、32.75、32.38、34.81、34.25、34.06℃，18：429個節點溫度分別為21.19、20.94、20、21.75、20.5、19.75、21.31、20、19.88℃。監測數據顯示，溫度由南向北呈高到低之勢，平均最大差幅為9.26%。

圖6　不同位置冠層溫度日變化

2.2.2濕度

由圖7可知：不同位置的空氣濕度夜間最大，下午1時左右濕度達到一天最小值。而不同節點濕度最小值之間相差約15.43%，平均最大差幅為16.18%；但不同節點的濕度變化趨勢相同，且都是在溫室內溫度升高、光照強度增強之后逐漸變小，并隨著溫度、光照強度下降而開始上升。從圖7可知：靠近濕簾的節點3、6、9濕度較大，而靠近風機的1、4、7節點濕度比其它節點要低，所以節點2、5、8更能反應溫室內真實濕度。

圖7　不同位置冠層空氣濕度日變化

2.2.3光照強度

由圖8可以看出：一天內溫室光照強度從日出開始上升，并于中午12時左右達到一天最大值，下午1時左右開始下降。從圖8也可以看出：除節點2外，不同位置的光照強度相近，最大相差6 562.5lux，差幅為30%；而節點2比其他位置光照強度明顯偏低是由于存在枝葉遮擋情況，說明溫室的光照均勻性較好。同時，為了保證數據精確，建議平常生產管理中保持節點不被枝葉遮擋，適當進行修剪管理。

圖8　不同位置冠層光照強度日變化

2.2.4二氧化碳

由圖9可知：溫室內二氧化碳濃度夜間高白天低，于上午8時左右開始降低，9-11時達到一天最小值，隨后緩慢上升，最終達到最大值。這是由于植物一天內在9-11時進行光合作用最強，隨后緩慢減弱，而植物進行光合作用除需利用光照外，還需要消耗二氧化碳。不同位置二氧化碳濃度最大相差93.76×10-6，差幅為18.18%。

圖9　不同位置二氧化碳濃度日變化

3結論與討論

為了精準指導溫室番茄生產管理，探索環境因子變化規律對其生產影響。本文利用WSN記錄了溫室番茄不同生育期、高度、位置下的環境因子數據，并研究了其溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度變化規律。研究表明：不同育期、高度和位置環境因子變化趨勢相同，但由于溫室結構、番茄生長發育、外界環境等因素影響，使得不同育期、高度和位置的環境因子之間存在差異。綜上所述，WSN監測數據可為番茄連棟溫室環境調控提供參考和決策支持。

本文使用的WSN能較好地連續采集有效數據，可用于番茄生長發育監測。本文不僅考慮了作物與環境因子之間相互影響，而且從多個角度進行分析，但，所用數據僅為一年秋季觀測。為更精確地指導溫室番茄生產，應當長期對不同季節、更多生長發育期環境因子進行監測，結合數年不同季節的環境監測數據進行對比分析研究，總結番茄溫室環境因子年變化規律。

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Research on Regular Pattern of Autumn Environmental Factors in Greenhouse Tomato Based on WSN

Xie Xinhua1，2, Liang Dong1, Zhang Dongyan1，2, Zhou Jianjun2, Wang Xiu2,Zhang Xiangqian1, Wang Jihuan2

(1.School of Electronic and Information Engineering of Anhui University, Hefei 230601，China；2.Beijing Research Center for Intelligent Agricultural Equipment, Beijing 100097，China)

Abstract：The key factors that restrict the yield and quality of vegetables are the environmental factors. In order to explore the change regulation of environmental factors in greenhouse, we used Wireless Sensor Network (WSN) to get the data of environmental factors at different height and location in different time. The results of analysis show that the range of temperature and humility were different, light intensity reduced, illumination time shorter and changes in carbon dioxide concentrations delayed. During the day, the canopy temperature, light intensity is higher than others, the humility is lower than other heights and the intermediate layer close to the root layer, while the three layers were close during the night. Temperature from south to north and humility from north to south were high to low, the maximum difference of light intensity and CO2 concentration are 6562.5lux , 93.76ppm,respectively.Test results show that the WSN can provide reference and decision support for greenhouse environmental control.

Key words：WSN; environmental factors; regular pattern; tomato; greenhouse

文章編號：1003-188X(2016)01-0182-06

中圖分類號：S625

文獻標識碼：A

作者簡介：謝新華(1989-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，(E-mail)xiexinhuavip@163.com。通訊作者：王秀(1964-)，男，河北萬全人，研究員，博士生導師，(E-mail)wangx@nercita.cn。

基金項目：國家“863計劃”項目(2013AA10230704)

收稿日期：2015-03-31