草莓大棚自動溫控系統(tǒng)的設計與實施

王彩鳳，沈寶國，王高州，梁佩佩

（1.江蘇航空職業(yè)技術學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2.江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江212016；3.鎮(zhèn)江宏宇機電設備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平日益提高，大棚水果市場逐漸擴大。草莓是一種柔軟多汁、甜酸適度、營養(yǎng)豐富的果品，所以依靠農業(yè)科技，大力推廣塑料大棚種植草莓能更好地滿足人民生活需要，同時也是國家菜籃子工程所包含的內容。而影響大棚種植的草莓質量最重要的因素是溫度控制，溫度太高或太低對于草莓生長都是不利的，必須掌握草莓各生長階段的溫度需要，通過各種方法將溫度始終控制在適合草莓生長的范圍內，以保證大棚草莓的正常發(fā)育乃至高產優(yōu)質，如果緊靠人工控制既耗人力，又容易發(fā)生差錯[1]。目前大部分草莓大棚溫控都是采用人工自動降溫的方式來對大棚內的溫度進行控制，即使有少部分是采用自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)溫度控制，也都存在一個控制滯后的問題。

因此，筆者設計了草莓大棚的溫度自動控制系統(tǒng)，以達到實時控制草莓大棚內的溫度，適應生產需求的目的。

1 整體方案設計

受季節(jié)影響，如何考慮在炎熱的夏季使草莓大棚內的溫度能夠維持在草莓生長的最佳溫度，這與草莓生長的質量密切相關。本文研究的是在夏季草莓大棚中安裝噴霧降溫系統(tǒng)，可使草莓四周環(huán)境溫度降低，為草莓的生長提供最適宜的溫度環(huán)境，從而提高草莓的存活率，同時提高草莓的產量與質量。噴霧降溫系統(tǒng)利用散發(fā)到空氣中的水微粒，在汽化的過程中要吸收大量周圍環(huán)境中的熱量，從而降低周圍環(huán)境的溫度，是快速降溫的有效手段。

該系統(tǒng)首先采用進口高性能溫度傳感器對夏季草莓大棚內的溫度進行數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器的布置盡量分散，保證所采集數(shù)據(jù)的準確性。同時分析草莓生長的適宜溫度，通過在智能溫度控制器中預先設置溫度的上下限，將溫度傳感器所采集的數(shù)據(jù)與設置值進行實時比較，若草莓大棚內的溫度超過上限值，則自動開啟噴霧降溫系統(tǒng)進行降溫，一旦草莓大棚內的溫度降至下限值時，自動停止降溫系統(tǒng)，通過這一系統(tǒng)的調節(jié)始終將草莓大棚內的溫度自動控制在草莓生長的適宜溫度范圍之內，具體自動控制系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 草莓大棚溫度自動控制系統(tǒng)結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

自動控制系統(tǒng)硬件部分主要由溫度采集系統(tǒng)、溫度顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)[2]，以及儲水容器、水泵、三級過濾器、噴嘴、管路等輔助元件組成。

2.1 溫度采集、顯示系統(tǒng)

采用進口高性能溫濕度傳感器，如圖2所示，可同時對溫度、濕度信號進行測量控制[3]，并實現(xiàn)液晶數(shù)字顯示，采用雙排大屏幕段式LED數(shù)碼顯示，其中溫度4位數(shù)碼一體，濕度3位數(shù)碼一體；溫度測量和控制，測量范圍：0～99.9℃；濕度測量和控制，測量范圍：0～99%RH；可分別用按鍵設置溫濕度上/下限值，并實現(xiàn)參數(shù)的掉電存貯。該系統(tǒng)不需要再進行標定，因為智能溫度控制器本身已經(jīng)進行了校正，不再需要進行調整，可以直接使用，將采集的數(shù)據(jù)直接送入單片機，不使用A/D轉換器，從而提高系統(tǒng)精度。

圖2 溫度采集模塊

2.2 控制系統(tǒng)

智能溫濕度控制器（Intelligent temperature controller，簡稱ITC）是整個自動控制系統(tǒng)的核心部分，是以先進的單片機為控制核心，還可通過按鍵對溫、濕度分別進行上、下限設置和顯示，從而使儀表可以根據(jù)現(xiàn)場情況，自動開啟噴霧裝置，對被測環(huán)境的實際溫、濕度進行自動調節(jié)。動作指示通過兩常開觸點輸出，真正使儀表實現(xiàn)了智能化更能適應復雜多變的現(xiàn)場情況，從而達到有效地保護設備的目的，具體示意圖如圖3所示。

圖3 智能溫濕度控制器

該溫度自動控制系統(tǒng)有“手動控制”和“溫濕度控制”兩種模式，當處于“手動模式”時，只要按下啟動按鈕，就可以隨時開啟噴霧降溫系統(tǒng)，按下停止按鈕，即可停止噴霧降溫系統(tǒng)；當處于“溫濕度控制模式”時，將智能溫度控制器的常開觸點接入控制電路中，當大棚內環(huán)境溫度超過設定值的上限值時，常開觸點閉合，接通控制電路，自動開啟噴霧降溫系統(tǒng)；當環(huán)境溫度降低至設定值的下限值時，常開觸點斷開，切斷控制電路，自動關閉噴霧降溫系統(tǒng)，從而達到讓大棚內的溫度始終保持在草莓生長最適宜的溫度。

電氣控制原理圖如圖4所示。

圖4 電氣控制原理圖

以上為控制系統(tǒng)的硬件接線圖，當處于“溫濕度控制模式”時，控制系統(tǒng)核心的智能溫濕度控制器的內部控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖

3 試驗驗證及結果分析

3.1 試驗環(huán)境

試驗場所在鎮(zhèn)江市農科院的草莓生長大棚。其面積約240 m2左右，東西長40 m，南北寬6 m，是具有保溫性能的框架覆膜結構，采用鋼結構的骨架，上面覆蓋多層保溫塑料膜，形成一個溫室空間。

試驗時間為2016年6月份。草莓大棚內的環(huán)境參數(shù)為：環(huán)境溫度28℃，相對濕度50%左右。

根據(jù)草莓在該季節(jié)的溫度要求，系統(tǒng)采用噴霧降溫的方式來達到草莓最佳生長效果[4]。根據(jù)大棚面積以及噴頭噴灑的有效面積，設計噴頭線路共四列80行，共320個噴頭，每列80個，依次間隔為0.5 m。安裝后的效果圖如圖6所示。

圖6 安裝效果圖

3.2 試驗驗證

在硬件安裝完畢的基礎上，將控制系統(tǒng)開啟，選擇試驗的時間段從下午1：00開始至3：30，其中草莓的最適宜溫度要求為25℃，當系統(tǒng)開啟時，大棚內的實際溫度為27.5℃，每隔十五分鐘采集一次數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 時間-溫度采集表

3.3 試驗效果及分析

在以上所述環(huán)境下，進行大棚溫度自動控制系統(tǒng)的試驗，通過對比分析大棚內溫度在系統(tǒng)控制前和控制后的變化，得出以下如圖7所示的時間-溫度時序圖，從圖中可以看出，該系統(tǒng)能將溫度很好地控制在標準溫度25℃的有效范圍之內，以達到草莓生長的最佳溫度效果。

圖7 時間-溫度時序圖

經(jīng)過試驗證明，使用該控制系統(tǒng)可以達到預期效果，試驗效果圖如圖8所示，降溫效果較好，智能性好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。本系統(tǒng)適用范圍廣，不僅適用于大棚草莓溫度自動控制，同時可用于其它大棚農作物的溫度控制中。

圖8 試驗效果圖

4 結論

（1）整個控制系統(tǒng)能夠在草莓成熟季節(jié)的高溫狀態(tài)下，對棚內進行溫度的自動控制，控制后的溫度能夠在原來的基礎上最多下降4.6℃左右，從而讓溫度環(huán)境完全滿足草莓生長的農藝要求。

（2）本控制系統(tǒng)首次提出了“手動控制”和“溫濕度控制”兩種模式并用，達到了根據(jù)不同的工況采用不同的控制模式效果，更有利于草莓大棚的控制。

（3）采用該控制系統(tǒng)后，讓草莓達到最適宜的生長環(huán)境，當季草莓產量大大提高，口味也更加鮮美。