節能型日光溫室智能加溫控制系統設計*

宮志宏，董朝陽，于 紅，黎貞發**，薛慶禹

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節能型日光溫室智能加溫控制系統設計*

宮志宏1，董朝陽1，于 紅2，黎貞發1**，薛慶禹1

（1.天津市氣候中心，天津 300074；2.天津市武清區氣象局，天津 301700）

在北方冬季節能型日光溫室生產中常出現極端低溫天氣，氣溫低于作物致死溫度，導致溫室作物大幅減產甚至絕收。為精準調控溫室溫度，降低低溫帶來的損失，本研究設計了一套日光溫室智能加溫控制系統，其硬件設備由感知模塊、主控模塊、通訊模塊、伺服模塊、執行設備組成。系統實現了日光溫室溫度環境的智能控制，可自動采集溫室內氣溫數據，并根據主控模塊內設置的加溫控制閾值實現溫度執行設備的自動開關，同時可通過Android遠程客戶端進行數據查看及執行設備狀態控制。系統應用與驗證結果表明：二代磚墻日光溫室最低溫度維持6～8℃，則系統日開啟時間需4.9h，日資金投入146元；維持10～12℃，則系統日開啟時間6.1h，日資金投入194元。應用過程中系統性能穩定，實現了溫度環境的精細化、無人值守智能調控，夜間加溫效果良好。

日光溫室；低溫；監測；智能控制；加溫

日光溫室主要依靠接收太陽輻射以及良好的溫室圍護結構保溫來滿足蔬菜生長所需要的熱量條件[1-3]，日光溫室生產已成為中國北方農業生產中發展速度最快、經濟效益最好和增加農民收入最多的新興產業之一[4]。在冬季日光溫室生產過程中經常會遇到低溫天氣，延遲了作物的發育進程、降低了作物品質[5-8]，如果不能及時采取加溫措施，往往會導致大幅減產甚至絕收[9-11]。為了保證溫室內作物能夠在冬季正常生長，部分溫室內安裝了加溫設備，但在現有農業氣象服務和實際生產過程中，農戶大多憑經驗來判斷日光溫室是否需要采取加溫措施，而低溫往往又出現在夜間，這給實際生產帶來了諸多不便。近年來，國內外學者對自動增溫進行了大量研究。目前，溫室加溫原理主要有熱水加熱、熱風加熱和輻射加熱，加溫技術主要包括地源熱泵技術、溫室地下蓄熱加溫技術、太陽能輔助技術等[12-16]。但是，其中多數加熱設備需要耗費大量的能源，還可能產生CO、SO2和NO等有害氣體[17]；且大多溫室加溫方法需要對現有溫室進行大范圍改造，也無法精準控制溫度[18-21]。電能精準 調控加溫是一種有效且易于控制的手段，但目前主要應用于大型連棟智能溫室[22-23]，通常集通風、灌溉、卷簾、加溫補光于一體，價格較昂貴，無法直接移植到節能型日光溫室利用。

本文擬設計一種性價比較高的溫室智能加溫系統，通過電加溫的方式實現節能型日光溫室溫度環境實時監測與智能調節控制，以創造農作物良好適宜的溫度環境，從而達到增產、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。

1 系統結構設計

日光溫室智能加溫控制系統是將溫度要素監測、設備控制、網絡化應用集于一體的面向現代農業的自動化系統。系統通過采集溫室內空氣溫度，并根據農作物生長需求設置進行智能溫度控制，自動開啟/關閉指定的環境調節設備，達到適時加溫的目的，而且用戶也可通過互聯網隨時了解溫室的溫度環境信息并完成遠程控制。整個系統由感知模塊、主控模塊、通訊模塊、伺服模塊和執行設備組成，其框架結構如圖1所示。

（1）感知模塊

主要負責溫室內空氣溫度數據感知，由空氣溫度傳感器及防輻射罩組成。其中空氣溫度傳感器型號為SHT20，測定范圍為-40～125℃，精度為±0.4℃。數據感知模塊將數據通過I2C總線傳輸給主控模塊。

（2）主控模塊

主控模塊負責收集實時環境監控數據，并提供數據查詢、后續數據分析及決策，對伺服模塊進行管理操控，實現加溫控制。其核心處理器采用STM32F103VET6芯片，可以提供較強的處理能力。主控模塊可通過兩種方式進行設置，包括RS485總線與電腦接連進行設置和Android終端控制軟件進行遠程操控。

（3）通訊模塊

通訊模塊采取GPRS、3G方式與遠程中心連接，實現遠程控制中心對溫室的加溫操作和溫室實時監測數據的傳輸。

（4）伺服模塊

伺服模塊主要完成溫室中各種設備的管理控制，其與主控模塊通過RS485總線連接，通過內置的CPU（型號為STM32F103C8T6處理器）接收主控模塊發來的控制指令，按照控制指令通過220V AC控制信號啟動完成強電設備的開關控制，并監測控制設備的執行狀態，將控制指令執行情況上報給主控模塊。一個伺服模塊可以有一個或多個伺服通道，從而實現執行設備的分步控制。

（5）執行設備

執行設備主要包括增溫設備。增溫設備采用熱風機，每臺設備功率15kW，采用380V AC供電，可以有效覆蓋半徑為15～20m的空間升溫。通過壁掛的方式安裝在溫室內后墻體頂部。

2 系統實現與運行

2.1系統實現

溫室智能控制器的工作流程如圖2所示，包括控制器模塊1，繼電器模塊2，空氣開關模塊3，加溫執行模塊4，指示燈模塊5，以及交流監測模塊和選擇開關模塊。

模塊1由微控制單元（MCU）、電源模塊、開關狀態檢測電路和驅動電路組成，電源模塊、開關狀態檢測電路和驅動電路均與MCU相連；MCU通過485總線與主控模塊相連進行通訊，主控模塊連接溫度傳感器。MCU通過驅動電路驅動繼電器，繼電器通過空氣開關連接加熱器。繼電器通過交流檢 測模塊將220V轉成3.3V并與MCU相連。交流檢測模塊用于檢測繼電器的開關狀態，并將開關狀態信號反饋給MCU。指示燈與繼電器相連，用于指示各繼電器的開關狀態。選擇開關模塊通過開關狀態監測電路與MCU相連，選擇開關分為“自動”、“手動”、“停止”3個檔位，用于控制繼電器的運行狀態。選擇“自動”檔位時，由MCU控制繼電器開關狀態，指示燈為紅色；選擇“手動”檔位時，控制加熱器的繼電器為開狀態，指示燈綠色；選擇“停止”檔位時，控制加熱器的繼電器為關狀態，指示燈關閉。

運行過程為：MCU根據檢測的數據對繼電器進行智能控制，繼電器控制加熱器來實現調節溫室大棚內的溫度；MCU通過交流檢測模塊實時監測各繼電器的開關狀態，并將開關狀態信號反饋給MCU，當MCU監測到繼電器工作不正常時，MCU做出相應反應；指示燈可以直觀反應繼電器的開關狀態；通過選擇開關模塊實現手動/自動功能的切換。

2.2系統關鍵技術

2.2.1 安全控制基本規則

當設備控制開關在“自動”檔時，可根據實際生產中用戶設置的上下限溫度值自動開啟和關閉加溫設備；在“手動”檔時，可根據用戶設置的上限溫度自動關閉加溫設備。為了保證系統的安全性，空氣溫度傳感器設2個，數據采集密度每秒1次，主動上傳密度每10分鐘1次，觸發系統自動開啟功能時，需要兩個空氣溫度傳感器同時達到開啟下限，觸發系統自動關閉功能時，只需一個空氣溫度傳感器達到上限即可關閉。

為了實現人機交互的友好性，系統具備如下基本功能：（1）溫度低于設置下限時，用戶可選擇兩種方案，分別為設備發送短信提示用戶“溫度值低于下限+當前溫度值+是否啟動加溫設備”或“溫度值低于下限+當前溫度值+已自動啟動加溫設備”；（2）即使溫度未達到設置下限值，用戶可使用手機發送短信命令控制方式，控制受控溫室加溫設備開關；（3）當用戶發送開啟或關閉命令后，系統根據設備實際執行情況返回開啟成功、失敗及失敗原因。如，當前設備已經開啟，用戶再次發送開啟命令，則返回“開啟失敗，原因：當前設備已經開啟”；（4）當系統開啟加溫設備后，溫室每提升X℃則自動向用戶發送短信，提示用戶當前溫室溫度（X值可手動設置）；（5）當溫度值高于上限，控制器自動關閉加溫設備，并向用戶發送短信，提示用戶“溫度高于上限+當前溫度值+設備已關閉”。

2.2.2 系統設置方法

主要指主控模塊的設置，可通過RS485總線與電腦連接（現場有線）和Android終端控制軟件（遠程無線）兩種方式進行操控。RS485總線與電腦接連時，首先選擇伺服通道，有上下限模式、時間模式和混合模式3種控制模式可供選擇。上下限模式即超出上限執行上限動作，超出下限執行下限動作；時間模式即在時間范圍內執行起始動作，在時間范圍外，不進行任何操作；混合模式即在時間范圍內采集值超出上限執行上限動作，超出下限執行下限動作，在時間范圍外，不進行任何操作。上限值和下限值的取值區間參考對應的感知模塊溫度傳感器的測量區間，起始時間和截止時間不能相同。為了方便管理者根據作物生長發育需求隨時設置加溫控制時間和區間，研究開發了可供管理人員遠程使用的基于Android版本的終端控制軟件。運用Android手機終端遠程設置，需在主控模塊為終端手機號碼開通相應權限。主要設置界面如圖3所示。

2.3 系統應用與驗證

2.3.1 試驗介紹

對天津市1981-2010年氣候資料分析可知，1月是全年氣溫最低的月份，日照時數僅略高于11月和12月，綜合氣溫和日照的分布特點，1月是天津市日光溫室氣象災害主發時段，因此，選擇1月觀測數據并進行比較分析。觀測時間為2016年1月19-25日，觀測地點為天津市西青區二代磚墻日光溫室。選取兩個相鄰日光溫室，進行室內外溫度對比分析，兩個溫室的結構和管理方式一致，其中一個安裝智能加溫控制系統，一個不安裝，作為對照。溫室跨度8.5m，長度60m，后墻高2.5m，屋脊高3.5m。其中試驗溫室安裝了智能加溫控制系統，2套溫度傳感器安裝在溫室中心向東5m和向西5m，離地高度1.5m，加溫執行設備選用功率15kW，380V AC工業用熱風機4臺，均勻分布于溫室內后墻離地面1.8m高度處。設置智能加熱控制系統自動開啟時間為0～24h，為避免加熱器啟動頻繁，將加熱設定為一個區間范圍，第1-3天的溫度開-關閾值為6～8℃，第4-6天為10～12℃。對照溫室不做任何控制，僅進行氣溫的實時觀測，監測密度為每10分鐘1次，室外監測方法與對照溫室相同。

2.3.2 加溫結果分析

根據2016年1月19-25日觀測結果，除21日夜間室外溫度為-8.2℃（21日白天日照時數為0），其余5d夜間室外最低溫度均低于-10℃，達到了低溫災害指標[24]。由圖4可見，連續6d觀測中，天津市西青區試驗基地溫室外白天最高溫度為5.4℃，夜間溫度最低為-20.4℃。同期溫室內溫度明顯升高，白天最高達26.9℃，加溫溫室與對照溫室相差較小，但是夜間氣溫相差較大，其中未安裝加溫系統的溫室內夜間最低溫度僅0.6℃左右，安裝加溫系統溫室根據實際設定的閾值均達到所需溫度。可見，溫室內氣溫低于下限時，智能加熱設備自動開啟，溫度開始上升，當氣溫達到閾值上限時，加熱設備自動關閉，且整個加溫過程中溫室內氣溫始終保持在閾值下限以上，達到了預期的加溫作用，這對于保證作物所需的熱環境至關重要。

2.3.3 加溫成本分析

以天津三類主要日光溫室[24]中保溫性較差的二代磚墻日光溫室為研究對象，選取全年最冷月（1月）連續6d低溫災害天氣過程作為研究時段，計算日開啟時間及日資金投入成本，并以此為標準，計算三類日光溫室冬季生產階段加溫所需的最大投入。

對設備開啟時間和用電量的分析結果顯示，第1-3天的溫度開-關閾值為6～8℃，開啟時間共計14.6h，用電量845kW；第4-6天的溫度開-關閾值為10～12℃，開啟時間共計18.2h，用電量1121kW。 按農村每千瓦電0.52元計算，在冬季最冷月，當溫度開-關閾值為6～8℃，平均每天開啟時間4.9h，總用電量為281.7kW，合計需人民幣146元，當溫度開-關閾值為10～12℃，每天開啟時間6.1h，總用電量373.7kW，合計人民幣194元。

根據2016年1月19-25日試驗結果，對2015年12月-2016年2月天津三類日光溫室冬季生產階段小于6、8、10℃天數加溫成本進行分析，如表1所示，土墻溫室內最低溫度普遍高于10℃，基本不需要加溫，二代磚墻日光溫室最低溫度低于6～10℃占67%～95%，多數時間需要加溫，成本較高。高標準日光溫室最低溫度低于6～10℃占4%～62%，冬季生產階段需開啟加溫設備4～56d，花費584～10864元，其中保證日最低氣溫高于8℃最大花費約為4000元。生產中可在12月-翌年2月根據實際種植作物可承受的最低溫度設置最佳閾值，從而保證作物順利度過低溫冷害過程。

表1 2015年1月-2016年2月3種溫室內最低溫度小于6、8、10℃的天數和比例

3 結論與討論

（1）系統實現了溫室小氣候要素的采集、傳輸監測功能，同時基于監測數據可以實現智能加溫功能，縮短了從數據采集傳輸、專家評估及措施采取的響應時間，對保證溫室作物生長發育所需的熱量條件起到了相應的效果。經過在天津市西青區二代磚墻日光溫室內的安裝測試，日光溫室自動加溫系統表現出良好的穩定性，測試期間，白天溫度與對照溫室差距不明顯，但是夜間加溫溫室最低溫度優于對照溫室，均在設置溫度閾值內，加溫效果好。

（2）二代磚墻日光溫室最低溫度維持6～8℃，日開啟時間需4.9h，日資金投入146元，維持10～12℃，日開啟時間6.1h，日資金投入194元。保證冬季生產階段高標準日光溫室最低溫度高于6～10℃，需開啟加溫設備4～56d，花費584～10864元，其中保證日最低氣溫高于8℃花費約為4000元。由于本研究選取時間為年度最冷月持續低溫過程，且日加溫時間以保溫性較差的二代磚墻日光溫室為例，因此，高標準日光溫室其實際加溫投入應小于本研究結果。另外，研究中發現，閾值間隔2℃與閾值間隔1℃相比，開啟時間將翻倍，后期試驗中加溫閾值的設定有待進一步研究。

（3）與傳統節能型日光溫室的加溫設備相比，本研究可以根據日光溫室的溫度環境，作物各階段的生長特性，設置相應的時間、溫度閾值，自動調控加溫設備，從而實現日光溫室溫度環境的精細化及無人值守智能調控，且設備安裝對溫室改造較小，進一步降低了溫室運行的調控成本。

（4）目前本研究中日光溫室智能加溫控制系統尚處試驗與調試階段，各環節仍需進一步深入研究，其中執行設備選型、系統安裝規范以及作物的生理指標研究顯得尤為重要。

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Design of Intelligent Heating Control System of Energy-Saving Solar Greenhouse

GONG Zhi-hong1, DONG Chao-yang1,YU Hong2, LI Zhen-fa1, XUE Qing-yu1

(1.Tianjin Climate Center, Tianjin 300074, China; 2.Wuqing Meteorological Administration, Tianjin 301700）

Extremely low temperature often occurs in energy-saving solar greenhouse in the winter of North China, which will lead to sharp decrease of greenhouse crop production or crop failures when the temperature is below lethal temperatures of corps. In order to control the greenhouse temperature accurately and reduce the loss caused by the low temperature, an intelligent heating control system has been designed, which is composed of sensing module, main control module, communication module, servo module and executive devices. The system can automatically collect temperature data, realize the automatic switch of temperature executive devicescorresponding toheating control model in the main control module. In addition, the system can view data and perform device state control by remote client. Therefore, the system has initially realized the intelligent control of the greenhouse temperature environment. Application and verification of the system in second-generation brick wall solar greenhouse showed that, it needs running 4.9 hours to keep air temperature above 6-8℃ with the cost of 146￥. Accordingly, it needs running 6.1 hours to keep air temperature above 10-12℃ and costing 194￥. This study suggests the performance of system is very stable during application. The system realizes fine and unmanned intelligent control of temperature environment to ensure better heating at night time.

Solar greenhouse; Low temperature; Monitor; Intelligent control; Heating

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.06.004

2016-09-26

天津市科技支撐計劃項目（13ZCZDNC00300）

宮志宏（1985-），碩士，工程師，主要從事農業氣象信息化研究。E-mail:gong041@126.com

宮志宏,董朝陽,于紅,等.節能型日光溫室智能加溫控制系統設計[J].中國農業氣象,2017,38(6):361-368

**通訊作者。E-mail:lzfaaa@126.com