溫度差動式日光溫室通風系統的研制

牟華偉+劉雙喜+王金星

摘要：為實現日光溫室、智能溫室無人管理下的智能通風控溫，設計1種溫度差動式日光溫室通風系統。該系統采用閉環智能控制，首先用戶根據不同季節、不同作物設定不同的上下限溫度值；其次系統采集用戶設定值、室內作物生長環境溫度和室外環境溫度，最后通過3個指標之間的差動運算控制日光溫室通風口的大小。調試結果表明，溫度差動式日光溫室通風系統可以將溫度準確地控制在設定值范圍，上下浮動誤差不超過1 ℃，夜間溫度提高2～5 ℃。研究表明系統能較好地控制日光溫室內溫度，減少溫度因通風口開合而引起的驟升驟降，而且能改善惡劣天氣突襲的影響，精準控制溫室溫度，同時優化日落時風口的關閉，有利于夜間溫室內部的保溫，保證作物早熟、增產。

關鍵詞：日光溫室；通風系統；溫度差動式；通風率；精準控制；系統設計

中圖分類號： S625.5+3 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0366-03

從20世紀80年代開始，日光溫室在中國北方地區不推而廣，它可用于栽培瓜果、蔬菜、花卉、藥材和食用菌等，逐漸成為現代農業的重要組成部分。通風是提高日光溫室作物產量的重要途徑，已成為日光溫室亟須解決的問題。為了保持溫室內適宜的二氧化碳濃度，當室內溫度升高到一定程度后應及時開窗通風，引進新鮮空氣，提高二氧化碳濃度，可以有效提高作物產量，同時排出溫室中的濕氣，降低空氣的相對濕度，預防多種病蟲害的發生。目前，溫室通風口廣泛使用人工操作，工作量大，有時還需要親自到溫室頂部手動開關通風口[1-2]。國內機械化日光溫室多采用卷膜通風，通過電機或者人力帶動卷膜桿打開通風口薄膜，但這種通風方式會導致整棟溫室通風口大小一致，不能根據溫室內不同溫度來控制通風口的大小。李金設計的《溫室及大棚智能溫控系統》可有效地控制溫室溫度，在許多智能溫室中得到較好地應用，但這種溫控器主要用于控制調溫窗，控制成本較高，不適合普通日光溫室[3]。美國、韓國、荷蘭等國家研制的風機針對連棟溫室[4]，也均通過傳感器采集溫室內部溫度，從而控制風機的開啟和轉速，且成本較高，不符合目前我國倡導節能型日光溫室的發展要求[5-6]。因此，只依據作物的室內環境溫度控制日光溫室的通風，均很難把握通風速率，一般是采用恒定的通風速率，夏季和冬季通風差異較大，很難實現準確通風控溫[7-12]。

本研究設計一種溫度差動式日光溫室通風系統[13-16]，單片機采集溫室內部溫度和外界環境溫度，通過差動分析控制通風口的大小，改進傳統通風系統的不足，為現代溫室的自動化發展奠定了基礎[17-18]。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

該通風系統采用總線通信溫度差動式控制方式，主要由機械系統和控制系統組成，機械系統包括減速器、卷桿、滑輪等；控制系統包括溫濕度采集系統、信息傳輸系統、用戶交互系統和溫度差動分析系統等（圖1）。

1.2 工作原理

溫度差動式日光溫室通風系統自動工作過程為用戶設定上下限溫度和最大通風口大小后系統進入正常工作狀態。下位機采集溫室內溫度和溫室外環境溫度，上位機通過地址掃描方式逐個采集下位機上的信息，地址配對成功的下位機將相應數據上傳，綜合比較分析溫室內外溫度差、上下限溫度，并判斷通風口的位置，再控制下位機驅動對應位置的步進電機動作，帶動減速器正反轉，從而控制通風口的大小，同時上位機采集的溫室內外溫度和通風速率會在屏幕上實時顯示。

為滿足用戶特定要求，該系統設置手動工作。用戶選擇手動模式，此時下位機上的無線接收模塊開始工作，當接收到對應編碼遙控器的控制信號時，下位機根據不同按鍵的鍵值控制步進電機的正反轉。

2 機械系統設計

機械系統主要包括減速系統、執行系統、卷桿、固定架等（圖2）。根據實地測量可知，溫室最大通風口寬度為0.8 m；冬季最大常用通風寬度為0.3 m；通風口開關拉力約為50 N。

2.1 執行系統設計

執行系統主要由換向滑輪、拉繩、換向支撐輪等組成（圖2）。工作時，控制系統按照不同溫差下的通風速率，向步進電機驅動器發送工作指令并驅動步進電機運行，從而驅動減速器帶動卷桿轉動，帶動執行機構開關通風口。針對卷膜通風存在的通風口大小一致等問題，設計1種分區柔性通風裝置，通風口采用尼龍繩穿邊，并由多組執行系統分區控制通風口開關，這樣也可以解決大功率步進電機和驅動器成本過高問題。

2.2 減速系統設計

因通風口的開關需要較大力矩，且速度較慢，所以需要較大的減速比，故選定2級蝸輪蝸桿減速和1級齒輪減速，這樣不但能實現較大的傳動比，而且結構緊湊，最重要的是使系統能夠自鎖，防止通風口因外部風力等因素而關閉。

步進電機的常用轉速為300～600 r/min，為獲得平穩速度和較大轉矩，故選轉速nm=300 r/min，工作卷桿轉速nw≤0.5，分配傳動裝置各級傳動比分別為10、10、6，各軸轉速如表1所示。

3 控制系統設計

溫度差動式日光溫室通風控制系統包括溫度采集系統、信息傳輸系統、用戶交互系統和溫度差動分析系統等。其中上位機主要由單片機、MAX485通信模塊、觸摸屏；下位機主要由單片機、溫度傳感器、步進電機驅動器、MAX485通信模塊、手動無線遙控模塊（圖3）。

4 溫度差動分析

4.1 實時必要通風率的確定

必要通風率是指使室內空氣溫度、濕度、CO2濃度維持在適宜作物生長水平所必須的通風率，主要與作物生長要求、室內外氣象環境等條件有關。根據溫室通風的目的可將必要通風率區分為滿足排除室內多余熱量、抑制室內高溫的必要通風率，滿足排除室內多余水汽、抑制高濕度的必要通風率和滿足補充CO2要求的必要通風率三者。

因北方地區溫度控制最為重要，故選擇排除室內多余熱量、抑制室內高溫的必要通風率作為必要通風率。參考《溫室通風設計規范》[19]溫室內吸收的太陽輻射熱量、溫室圍護覆蓋層的傳熱量、室內植物蒸騰和地面水分蒸發吸收的熱量以及通風排除熱量的動態平衡關系，得到該項必要通風率的計算公式，通過改編方程，得到一天內不同時間的必要通風速率方程：

綜合以上分析，推斷ΔT與θ關系，再由單片機通過采集溫室內外溫度并通過分析計算，與用戶設置的上下限溫度比較，從而計算出最適的單次動作量，由步進電機帶動通風口動作。

5 調試結果與分析

該系統在山東省壽光市進行安裝調試，安裝環境為 110 m 普通日光溫室，共安裝3套通風設備。

5.1 溫度日變化測試

試驗地點為壽光蔬菜產業控股集團，溫控器設置參數為上限30 ℃、下限26 ℃。

普通溫控通風溫度波動范圍較大，10：00之后仍然會出現明顯低于10：00之前的溫度，并且同一時間段的溫差較大（表2），這主要是沒有考慮室外環境溫度而機械地控制通風口的大小，造成溫度的驟升驟降。溫度差動通風上午升溫較快，并且14：00前溫度持續穩定升高；下午降溫緩慢，夜間溫度明顯提高。因此采用溫度差動通風能夠較好地控制溫度的波動，能夠降低下午熱量散失，提高夜間的平均溫度，使植物營養生長和生殖生長更合理，積溫和養分同化達到最佳效果。

5.2 正午溫度變化測試

試驗地點為山東農業大學試驗基地，溫控器設置溫度參數分別為上限30 ℃、下限29 ℃。從圖4可以看出，普通溫控在溫度低于29 ℃后通風口關閉后，會有1個上升高峰；達到溫度最高點后因通風口的打開又會有1個較大的下降，溫度曲線波動很大。差動溫控能夠根據室外環境溫度與室內環境的溫度差自動調節通風口每次動作的大小，使溫度變化很小，基本表現不出溫度因通風口的開關而出現的驟變，關鍵原因在于差動溫控是一種綜合內外環境的反饋式控制，屬于真正的日光溫室溫度智能控制。

6 結論

溫度差動式日光溫室通風系統不但能較好地控制日光溫室內溫度，減少溫度因通風口開合而引起的驟升驟降，而且能夠優化下午風口的關閉，從而有利于夜間溫室內部保溫。相對于過去機械式的開關通風口，溫度差動式溫控系統采用閉環智能控制，在綜合考慮用戶設定值、室內作物生長環境溫度和室外環境溫度后，通過運算精準控制日光溫室通風口的大小，更有助于植物生長，還能節約大量的人力物力。

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