北方后墻體塑料大棚綠色采暖智能控制方案

賈 超， 楊宏業(yè)， 侯彥澤， 張 奧， 王景怡

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2.大連市氣象服務(wù)中心，遼寧 大連 116092）

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為全球新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要一環(huán)。美國的一體化溫室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過融合氣候調(diào)節(jié)、農(nóng)田灌溉與作物的肥料供應(yīng)，結(jié)合信息感知、無線網(wǎng)絡(luò)和自動控制等技術(shù)對各種生產(chǎn)管理以經(jīng)濟(jì)有效的手段實現(xiàn)協(xié)調(diào)和控制。以色列溫室農(nóng)業(yè)采用具有先進(jìn)的溫室結(jié)構(gòu)及空氣溫濕度的計算機(jī)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。監(jiān)控室內(nèi)的中心計算機(jī)與現(xiàn)場控制器相互通信，配合幕簾、天窗等輔助設(shè)備，實現(xiàn)對光線強度、滴灌和微噴灌系統(tǒng)的自動控制和調(diào)節(jié)[1-3]。

從宏觀上講，雖然我國是溫室種植起源最早的國家，但在城市化建設(shè)進(jìn)程逐步加快的背景下，可耕種土地面積具有逐年減小的趨勢[4]。到2022 年，中共中央、國務(wù)院連續(xù)發(fā)布了19 個指導(dǎo)“三農(nóng)”工作的中央1 號文件；2021 年國務(wù)院印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》中提出，推進(jìn)重點設(shè)備節(jié)能增效來強化生產(chǎn)，大力發(fā)展綠色低碳循環(huán)農(nóng)業(yè)，推進(jìn)農(nóng)光互補、“光伏+設(shè)施農(nóng)業(yè)”等低碳農(nóng)業(yè)模式，對我國正處于從“粗放式、低效率的生產(chǎn)模式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬?xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式”過渡時期的設(shè)施農(nóng)業(yè)，提出了更高要求。在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)推動下，雖有了明顯提升，但在應(yīng)用推廣方面，相較發(fā)達(dá)國家仍有差距[5]。特別是西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高能耗、抗極端天氣能力差等問題凸顯，現(xiàn)代化水平依然相對滯后。

北方后墻體塑料大棚是北方農(nóng)村的重要農(nóng)業(yè)設(shè)施。由于氣溫較低，在冬季夜間必須采暖。目前，大多數(shù)大棚利用燃燒煤炭或燃油進(jìn)行供暖，以滿足生產(chǎn)的基本需求[6]。然而，這種供暖方式帶來了高污染和高成本等問題，與目前倡導(dǎo)“碳中和”和“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念相矛盾。

北方地區(qū)春季、冬季及秋冬更迭的平均溫度相較南方普遍偏低。以西北地區(qū)某地4 月初氣溫為例，氣溫波動的幅度較大（-1～18 °C），會出現(xiàn)“倒春寒”和連續(xù)陰雨的狀況。這樣多變的氣候條件不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，甚至?xí)?dǎo)致顆粒無收。因此，應(yīng)對“倒春寒”等極端氣候是北方設(shè)施農(nóng)業(yè)保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和收益的關(guān)鍵[6-7]。

北方冬季在晴天中午時塑料大棚內(nèi)的溫度較高。當(dāng)溫度持續(xù)超過35 °C，作物會被灼傷，這將對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來較大危害，此時須及時通風(fēng)[7-8]。而集中連片的大棚，人工難以做到所有大棚同時、及時通風(fēng)，因此通風(fēng)必須實現(xiàn)自動化。

本方案提出北方后墻體塑料大棚綠色采暖智能控制系統(tǒng)，旨在解決以上痛點問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

北方后墻體塑料大棚綠色采暖智能控制系統(tǒng)如圖1所示。在大數(shù)據(jù)背景下，相對于傳統(tǒng)的依靠局域網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對塑料大棚的監(jiān)管，云端平臺受到了廣泛的青睞。提出的北方后墻體塑料大棚綠色采暖智能控制系統(tǒng)解決方案可利用云平臺實現(xiàn)對塑料大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控。云端平臺作為系統(tǒng)信息處理的主要載體，綠色環(huán)保、實時高效，是有效利用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化的新型可靠手段。Web 服務(wù)器是針對系統(tǒng)網(wǎng)站的服務(wù)器，可以處理瀏覽器等Web 客戶端的請求并返回相應(yīng)響應(yīng)，通過放置數(shù)據(jù)文件，為客戶實現(xiàn)在線查詢和在線瀏覽的功能。對應(yīng)系統(tǒng)的手機(jī)APP，可充分拓展瀏覽器等Web 客戶端在空間和時間上的應(yīng)用范圍，通過5G 網(wǎng)絡(luò)滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控等用戶需求。

圖1 系統(tǒng)方案示意Fig.1 Schematic diagram of system scheme

系統(tǒng)主要由傳感網(wǎng)絡(luò)層、匯聚層和服務(wù)應(yīng)用層3部分組成，如圖2 所示。傳感網(wǎng)絡(luò)層由可以滿足使用需求的傳感器組成，通過接受來自云端的指令，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，同時可以進(jìn)行異常預(yù)警；匯聚層則由WIFI模塊通過MQTT 協(xié)議連接云端，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)；服務(wù)應(yīng)用層通過云端或者APP 發(fā)揮遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制等相應(yīng)功能。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.2 System architecture diagram

系統(tǒng)以STM32 為控制核心，以太陽能集熱器為綠色能源，以電地?zé)嵯到y(tǒng)為應(yīng)急采暖方式，每隔一定時間，對溫度傳感器、濕度傳感器和光照強度傳感器進(jìn)行采集，通過對塑料大棚溫濕度、光照強度的研判，協(xié)調(diào)控制循環(huán)泵、電地?zé)嵯到y(tǒng)和通風(fēng)設(shè)施的工作。

2 綠色環(huán)保模塊設(shè)計

2.1 綠色采暖集熱設(shè)施

綠色采暖集熱設(shè)施是由空氣循環(huán)泵、鋁箔曲面、玻璃纖維管、外殼、支架和熱交換管道等部件組成，如圖3 所示，核心是太陽能集熱器。它利用陽光的熱輻射對管內(nèi)空氣進(jìn)行加熱，當(dāng)管內(nèi)溫度高于設(shè)定閾值時，啟動循環(huán)泵推動集熱器內(nèi)的高溫氣體流入地下，通過熱交換管道給土壤加溫，進(jìn)而實現(xiàn)高熱氣體通過流動的方式將熱量傳遞到塑料大棚的土壤中，這樣就完成了對棚內(nèi)土壤的儲熱蓄能。

圖3 綠色采暖集熱設(shè)施集熱原理Fig.3 Principles of green heating and heat collection facilities

2.2 電地?zé)嵫b置

電地?zé)嵯到y(tǒng)由地上和地下兩部分組成，地上部分主要為電力配線盒，地下部分是碳纖電纜，采取蛇形盤繞方式深埋地下約0.5 m，利用電流的熱效應(yīng)維持土壤溫度。當(dāng)發(fā)生極端性天氣時，主控核心通過土壤溫度傳感器和光敏傳感器采集的信息，依據(jù)程序設(shè)定和判斷，開啟電地?zé)嵯到y(tǒng)，加熱棚內(nèi)土壤，使溫度維持到8 °C 以上。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)通信模塊

數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與安全性尤為重要，特別是農(nóng)作物精準(zhǔn)化管控作業(yè)，消息推送需要保證較高的實時性和準(zhǔn)確性，也要確保網(wǎng)絡(luò)下發(fā)設(shè)備操作的可靠性和安全性[7-8]。

目前，物聯(lián)網(wǎng)硬件控制單元與客戶端通信方式多數(shù)是基于超文本傳輸協(xié)議（HTTP），存在對網(wǎng)絡(luò)資源消耗較大、傳輸延遲較高、穩(wěn)定性和安全性差強人意的短板。而對紫峰Zigbee 通信協(xié)議來說，遠(yuǎn)距離通信能力較弱，易受干擾，將其應(yīng)用于遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)智能大棚也顯得“水土不服”[9]。MQTT 協(xié)議，是一種基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，代碼占用空間低，可應(yīng)用于嚴(yán)重受限的設(shè)備硬件和高延遲、寬帶有限的網(wǎng)絡(luò)[10-11]。blinker 作為云平臺，其遠(yuǎn)程通信（MQTTNbiot）通過公有云代理服務(wù)器（broker）進(jìn)行，它提供了API 接口，可以連接到阿里云平臺[12]。它的友好簡潔的UI 界面一目了然，易于上手操作，用戶可按需制定相應(yīng)功能。同時還提供相應(yīng)的手機(jī)APP，支持云存儲、數(shù)據(jù)處理、邊緣計算等實際功能[13]。

NodeMCU 是一個開源的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，該平臺推出的由意法半導(dǎo)體制造的NodeMCU 物聯(lián)網(wǎng)模塊價格實惠、支持多種軟件編程、開源易操作，并內(nèi)置ESP8266 芯片，支持WIFI 鏈接，它通過串口通信模式來實現(xiàn)STM32 與Nodemcu（MU2）的通信。主控核心STM32 可通過外接硬件實現(xiàn)更加完善的控制功能，其IDE 軟件部分可將控制程序燒寫入STM32 控制板控制外接硬件電路。NodeMCU 編程可靠兼容，使二者得以良好的協(xié)同。

3.2 硬件系統(tǒng)

STM32 系列 MCU，依靠ST 官方免費提供的STM32Cube 開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)和完備的HAL 固件庫及其他擴(kuò)展庫，開發(fā)者可以順利實現(xiàn)MCU 的系統(tǒng)功能和外設(shè)圖形化配置、生成項目框架代碼并在初始項目的基礎(chǔ)上添加修改應(yīng)用程序代碼等一系列實際的功能[14-15]。本方案主控核心即STM32，是F103 型開發(fā)平臺；數(shù)據(jù)采集模塊由意法半導(dǎo)體的LM235 型溫度傳感器、意法半導(dǎo)體的DHT11 型濕度濕度傳感器、ROHM 的BH1750FVI 型光照傳感組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由卷簾、循環(huán)泵（采用耐高溫Y5-47 型）、滴灌裝置、電地?zé)嵫b置和通風(fēng)裝置組成。各個硬件模塊的相互連接關(guān)系如圖4所示。

3.3 軟件系統(tǒng)

根據(jù)簡約實用、成本低、運行費用小的設(shè)計原則，突出解決北方大棚的3 個痛點問題，對系統(tǒng)功能進(jìn)行簡化。主程序主要包含以下模塊（子程序）：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊和異常處理模塊。主程序流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow

（1）初始化模塊。除完成對各個管腳和臨時緩存的復(fù)位工作之外，還要設(shè)置2 個程序運行入口參數(shù)。一是通過程序設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻次，設(shè)定范圍10～60 s，默認(rèn)值60 s；二是數(shù)據(jù)包上傳監(jiān)控中心的時間間隔，也就是多長時間上傳1 次。這里，時間間隔范圍是5～10 min，系統(tǒng)默認(rèn)初值為5 min。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。各點位傳感器通過識別主機(jī)芯片指令完成大棚內(nèi)各指定點位的數(shù)據(jù)采集工作，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。

（3）數(shù)據(jù)顯示模塊。將處理后的數(shù)據(jù)信息經(jīng)解碼器解析并顯示在LCD1602 屏幕上。

（4）控制模塊。對由數(shù)據(jù)采集模塊得到的各指定點的信息進(jìn)行判斷，將判斷結(jié)果反饋到主控芯片處理后，產(chǎn)生控制信號對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制動作。

（5）數(shù)據(jù)上傳模塊。負(fù)責(zé)對規(guī)定時間間隔內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，上傳到云端。同時由終端發(fā)出的控制指令也是通過該模塊進(jìn)行下達(dá)的。

（6）異常處理模塊。用于監(jiān)控程序的運行狀況，即程序出現(xiàn)“死循環(huán)”和“卡死”的現(xiàn)象可及時“跳出”重啟。可實現(xiàn)異常聲光預(yù)警。同時，還具備手動“急停”重啟功能。

3.4 系統(tǒng)特點

3.4.1 節(jié)能降耗，綠色環(huán)保

太陽能集熱器，采用常見材料，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)。它的應(yīng)用，充分發(fā)揮了太陽能這一清潔能源的環(huán)保作用，從北方冬季氣候特點的角度，更好地契合了當(dāng)今北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的切實需要。另外，在水資源日漸稀缺的背景下，通過空氣循環(huán)進(jìn)行熱交換的方式顯然具備更加明顯的低碳環(huán)保優(yōu)勢。特別在內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，能充分利用太陽能實現(xiàn)棚內(nèi)地下儲能和溫度的維持，無疑是更加節(jié)能環(huán)保的選擇。

3.4.2 有效應(yīng)對極端性天氣

我國北方氣候條件具有多風(fēng)、日照時長短、低溫天氣持續(xù)周期較長，春季經(jīng)常出現(xiàn)倒春寒等極端性天氣，這是北方后墻體塑料大棚種植戶的痛點。北方后墻體塑料大棚大多采用燃燒煤炭或燃油取暖的方式，也有一部分溫室大棚采取城市集中供暖。該方案采取電地?zé)釕?yīng)急采暖方式，一方面內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭資源豐富，火力發(fā)電廠多，電力充足，再加上農(nóng)業(yè)用電優(yōu)惠，以2021 年呼和浩特市電價標(biāo)準(zhǔn)為例0.28 元/（kW·h），相較于城市民用電費0.46 元/（kW·h），費用更低，在有效降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能減排的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

為解決北方后墻體塑料大棚綠色采暖，應(yīng)對極端性氣候等痛點問題，設(shè)計了北方后墻體塑料大棚綠色采暖智能控制方案。方案基于北方設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特點，利用風(fēng)光互補和采用電地?zé)嵯到y(tǒng)解決冬季塑料大棚采暖，運維成本低、綠色環(huán)保，可廣泛推廣應(yīng)用落地。