基于ZigBee 網絡的水稻育秧棚內溫濕度變化規律研究＊

張立國，董淏鳴，衣淑娟，李衣菲，孫殿棋

（1.北大荒農墾集團有限公司建三江分公司農業發展部，黑龍江 佳木斯 154000；2.中國人壽大慶分公司，黑龍江 大慶 163319；3.黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319）

20 世紀80 年代中后期，我國開始研究適合我國國情的溫室大棚環境控制技術。90 年代中后期，各大高校掀起了研究的熱潮，幾十年的時間里，這項研究有了顯著的成果。由于我國在這方面的研究起步晚，目前處于轉型階段，研究成果還存在很多不足之處。筆者通過試驗，找到了水稻育秧棚內外空氣溫濕度的相互關系，并根據此關系設計了控制方式，進而更好地實現該控制系統在農業生產發展過程中的價值。

1 系統智能控制流程圖

圖1為溫室大棚智能控制系統流程圖。上位機、下位機和無線通信構成了系統三大核心部分。其中，下位機主要是完成育秧現場溫濕度等數據采集以及控制執行工作；上位機主要是實現監視與控制、數據存儲與比較、歷史數據查詢等工作。育秧棚內主要是通過無線通信和中央控制室的控制端完成雙向通信。每個棚內布置三個采集節點，采集節點采集棚內的空氣溫濕度數據。數據的傳輸過程為：子節點把采集的數據傳輸給主節點，主節點再把數據傳輸給控制核心部分的單片機，單片機對接收到的數據進行分析處理，然后做出執行操作，進而合理地調控大棚內作物生長的最適宜環境[1]。

圖1 溫室大棚智能控制系統流程圖Fig.1 Flow chart of greenhouse intelligent control system

2 傳感器測試地點設置

選取長寬高分別為100 m、18 m和3 m，總面積為1 800 m2的水稻秧棚作為實驗棚。將試驗棚平均分為室內外截面設計相同的三部分，每部分設8 個測試點。室內設置12 個空氣溫濕度測試點，室外1個[2]。選取的傳感器測試地點編號及具體位置分布圖如圖2所示。

圖2 傳感器測試地點編號分布圖Fig.2 Sensor test location number distribution

3 實驗結果與分析

本試驗采用的智能數據采集系統，將連續采集到的室內外溫濕度數據存儲在電腦中，每隔1 h存儲一次。相關參數如表1 所示。為了提高數據的準確性，選取連續10 天內能代表北方春季氣候變化的連續3 天（2015 年4 月16 日晴天，2015年4月17日雨天，2015年4月18日陰天）監測的數據，進行處理和分析。

表1 ZigBee 傳感器相關參數Table 1 ZigBee Sensor parameters

3.1 水稻育秧棚內空氣溫度結果分析

如圖3 所示，試驗棚內外空氣溫度在連續10 天的監測時間里隨時間的變化曲線圖。

由圖可知，試驗棚內外的最高溫度值出現在12—14時之間。同時，室內的空氣溫度隨著室外的溫度成正比例關系變化。棚內最高溫度可達40℃以上，出現在12—14時之間。

秧苗生長的最適宜溫度是20℃～25℃，當室內溫度超過了這個范圍，傳感器通過節點將數據傳輸給下位機，下位機再通過無限傳輸模塊將信號傳給上位機，系統將指令傳輸給下位機的執行機構；此時，卷簾門卷起，對試驗棚進行通風，降低棚內溫度，當溫度降到25℃以下時，卷簾門自動關閉[3]。本文選取不同氣候條件下，連續3天棚內溫度的監測數據，做出對比分析曲線圖，是為了更加清晰地了解棚內外溫度的變化規律。

空氣溫度試驗數據處理結果，如表2所示。將表2中的試驗棚內外溫度數據做出對比分析折線圖，如圖4 所示。4月16—18 日，不同氣象條件下，試驗棚內外監測點空氣溫度的監測結果如圖5、圖6和圖7所示。

圖4 不同氣象條件下室內外空氣溫度曲線圖 Fig.4 Indoor and outdoor air temperature profile under different weather conditions

圖5 4 月16 日室內外空氣溫度曲線圖Fig.5 April 16 indoor and outdoor air temperature graph

圖6 4 月17 日水稻育秧棚內外空氣溫度曲線圖Fig.6 April 17 Air temperature curve inside and outside rice seedling shed

圖7 4 月18 日水稻育秧棚外空氣溫度曲線圖Fig.7 April 18 Air temperature curve outside rice seedling shed

表2、圖4至圖7顯示，在連續3天特殊的天氣變化情況下，晴天時，試驗棚內溫度變化規律為：室外升高1 ℃，室內升高6℃；正午時，棚內溫度達到最高，接近40℃，下午時，棚內溫度范圍在10℃～15℃。雨天時，室內外溫度沒有太大的變化，處于平穩狀態。陰天無太陽時，室內外溫度變化也不是很明顯，但午后太陽出來以后，在陽光的照射下，棚內溫度開始逐漸升高至30℃。

3.2 水稻育秧棚內空氣濕度結果分析

如圖8 所示，試驗棚內外的空氣濕度在連續十天的監測時間里隨時間的變化曲線圖。由圖可知，夜間時，棚內出現大量水霧，原因是棚內釋放白天儲存的大量熱量，濕度會達到飽和狀態。4 月17 日、18 日、19 日均為陰雨天氣，白天試驗棚外的濕度很高，幾乎達到100%，而棚內由于溫度高，濕度下降，這樣一來，棚內外空氣濕度變化產生明顯的差異。4月15日、16日、25日這三天試驗棚內外空氣濕度無明顯變化[4]。不同氣象條件下，棚內外空氣濕度試驗數據處理方法同表1，處理結果見表3、圖9至圖12。

圖8 水稻育秧棚內外空氣濕度變化Fig.8 Changes of air humidity inside and outside rice seedling shed

表3 空氣濕度在不同氣象條件下試驗數據值（%）Table3 Experimental data of air humidity under different meteorological conditions (%)

圖9 不同氣象條件下室內外空氣濕度曲線圖Fig.9 Indoor and outdoor air humidity curves under different meteorological conditions

由表3、圖9 至圖12 可以看出，試驗棚內外空氣濕度變化比較有規律。晴天時，室內外濕度變化幅度較大。雨天時，午時室外空氣濕度高于試驗棚內空氣濕度，夜間棚內空氣濕度開始持續升高[5]。陰天時，室內外空氣濕度變化不明顯，變化范圍保持在60%～100%之間。

圖10 4 月16 日水稻育秧棚內外空氣濕度曲線圖Fig.10 April 16 Air humidity curve inside and outside rice seedling shed

圖11 4 月17 日室內外空氣濕度曲線圖Fig11 April 17 indoor and outdoor air humidity curve outside rice seedling shed

4 結論

1）只有在雨天，育秧棚內的空氣濕度低于室外的空氣濕度，其他天氣時則相反。棚內空氣濕度最低值出現在午時，晚20時至次日早晨5時棚內空氣濕度達到飽和。

圖12 4 月18 日水稻育秧棚內外空氣濕度曲線圖Fig12 April 18 Air humidity curve inside and outside rice seedling shed

2）試驗研究結果表明，在一天當中，水稻育秧棚內外的空氣溫度成正比例關系變化。棚內最高溫度可達40℃以上，出現在12—14時之間，在棚內其他環境參數的影響下，棚內溫度基本保持在5℃～25℃之間。

3）秧苗生長的最適宜溫度是20℃～25℃，當室內溫度超過了這個范圍，傳感器通過節點將數據傳輸給下位機，下位機再通過無限傳輸模塊將信號傳給上位機，系統將指令傳輸給下位機的執行機構；此時，卷簾門卷起，對試驗棚進行通風，降低棚內溫度，當溫度降到25℃以下時，卷簾門自動關閉。