基于無線傳感器網絡的溫室大棚太陽能集熱調溫系統

李明+王昆+于俊洋

摘要：為了改善日光溫室大棚內的晝夜溫度更適合作物的生長，利用大棚支撐骨架和水作為熱循環的主體，白天吸收太陽能并儲存，晚上將儲存的能量釋放給溫室加熱。借助無線傳感器網絡設計太陽能集熱調溫系統，系統主要由溫度采集、執行節點和中心決策節點組成，通過采集室外溫度、骨架內水溫和棚內溫度，中心決策節點再根據控制策略將相應的指令發送給對應的執行節點對循環泵、閥門和加熱設備進行控制，從而實現對棚內溫度的自動智能調節。通過對比試驗發現，設計的太陽能集熱調溫系統工作穩定，可提高夜間大棚內的平均溫度（達2.78 ℃），避免作物被凍傷而減產，還可平衡中午棚內過高的溫度，將其控制在最適宜的范圍（20～25 ℃）內，從而有效延長作物進行光合作用的時間，更利于作物的生長。

關鍵詞：溫室大棚；太陽能集熱；無線傳感器網絡；控制策略；智能調溫；自動調節

中圖分類號： TP273+.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0197-04

收稿日期：2017-03-07

基金項目：國家自然科學基金（編號：61602525）；河南省科技攻關項目（編號：172102210358）。

作者簡介：李 明（1981—），男，河南周口人，碩士，講師，主要從事計算機應用與通信工程。E-mail：leem81@126.com。 隨著我國人們生活的不斷提高，使北方人能夠在冬季吃上綠色蔬菜已不是難事，這得益于政府大力發展的“菜籃子”工程，其中溫室大棚起至關重要的作用[1-3]。眾所周知，溫室是作物生長的關鍵因素，影響作物各種酶的活性，在冬季一般都會采取覆蓋保溫“被子”來保持大棚內的溫度，傳統的溫室大棚取暖還有土鍋爐加熱、熱風爐和電加熱管等多種方法[4-5]，但這些方法不僅污染大而且成本非常高。太陽能被視為一種取之不盡、用之不竭的能源，而且沒有任何污染，佟雪姣等以聚碳酸酯中空板（PC陽光板）為材料設計太陽能集熱裝置[6]，閆彥濤等利用太陽能集熱板吸收太陽輻射并儲存在相變材料內，均取得了不錯的效果[7]，但是都采用了特殊的材料，對于農戶經營生產的成本過高。結合溫室大棚的結構，將支撐骨架作為熱循環的主體，將水作為熱采集和存儲的媒介，設計太陽能集熱調溫系統，白天將水泵到骨架空腔，吸收存儲太陽能熱量，也有利于平衡中午溫室大棚內溫度易高的現象，由于水的比熱容較高，而溫室大棚內的空氣溫度下降得較快，就可將儲存的能量傳導給大棚內的空氣。這樣不僅節省了取暖設備的空間，而且實現了零能耗和零污染，如遇到極寒天氣還可以開啟加熱設備進行應急操作。通過對比試驗發現，設計的系統工作穩定可靠，對大棚室內的溫度控制實現了自動調節，且效果明顯，經濟價值高。

1 溫室大棚骨架結構與工作原理

1.1 溫室大棚骨架結構

傳統日光溫室大棚的基建部分主要由地基、墻體、骨架、薄膜和保溫被（電動卷簾）等組成[8-9]。這種結構的大棚的主要特點是易搭建、易管理、成本低，其中在建造的過程中使用了骨架作為薄膜和保溫被子的支撐，而骨架是由大量的鋼管焊接而成的，本研究設計的太陽能集熱系統充分利用了這些鋼管，在不改變原有支撐作用的前提下，將它們聯通起來，同時讓水能夠在鋼管的內部循環[10]，改造后的溫室大棚的截面示意圖如圖1所示。由于鋼管及其內部的水比熱容遠高于空氣，在太陽充足時，設計的太陽能集熱系統會吸收太陽光能并轉化成熱能，同時由于作物的光合作用釋放大量的熱能，集熱系統也吸收過剩的熱量并進行儲存；到傍晚時，光線變弱，保溫被子放下后，作物停止光合作用，溫室大棚內的空氣溫度會慢慢降低，此時鋼管及其內部的水會向外逐漸釋放熱量；當太陽能集熱系統內部的溫度與溫室大棚內的空氣溫度達到平衡時，再將循環水回流至蓄水池。

1.2 溫度自動調節系統及控制策略

溫度自動調節系統主要由太陽能集熱骨架、循環泵、自動閥門、蓄水池、電加熱設備和管道等組成[11]，其構成如圖2所示。

溫度自動調節系統根據室外溫度TO、骨架內溫度TF、溫室大棚內溫度TI和蓄水池的溫度TP進行判斷和決策，從而控制整個循環系統的工作。一般陽光充足的情況下， 作物在

20～25 ℃的范圍內進行光合作用最佳，夜間的最低溫度不能低于10 ℃，以免凍傷作物。冬季一般有效的日照時間段為09：00—17：00，假設下半夜所有管道內的循環水回流到蓄水池，控制策略如下：情況1，太陽出來后，太陽光透過薄膜照射整個溫室大棚，大棚內部溫度逐漸升高，同時溫室大棚內的作物進行光合作用，并釋放大量的熱能，當TI>20 ℃時，管道閥門1和2自動打開，循環泵自動開啟將冷卻的水泵入骨架管道內，此時骨架及其內部的水溫度較低，會吸收太陽光能和溫室大棚內的過剩熱能；情況2，如果太陽光或者溫室內溫度足夠高，當TF>TI時，管道閥門1和2自動打開，循環泵自動開啟將熱水回流到蓄水池，同時將冷卻的水再次泵入骨架管道內，用來降低大棚內的溫度，且盡量控制大棚內的溫度在 20～25 ℃的范圍內；情況3，到下午太陽光逐漸變弱，棚內的作物光合作用也減緩，棚內的溫度會逐漸下降，由于太陽能集熱系統的溫度比空氣中的溫度下降得慢，通過熱交換，棚內溫度會緩慢下降，作物光合作用的酶活性仍然活躍，從而延長了進行光合作用的時間；情況4，作物在夜間的生長環境溫度要求一般不低于10 ℃，如遇到極寒天氣TO<-20 ℃，且白天儲存的能量消耗盡時，此時系統會自動開啟電加熱設備，將蓄水池內的水加熱到TP=50 ℃后，通過循環泵注入骨架中，這樣就能有效提升棚內溫度TI，使其達到10 ℃以上，避免作物被凍傷。

2 溫度智能調節系統

溫度智能調節系統是基于無線傳感器網絡構建的，由溫度采集節點、執行節點和中心決策節點組成。溫度采集和執行節點主要包括室外溫度采集節點、骨架水溫采集節點、室內溫度采集節點、閥門控制節點、循環水泵控制節點和蓄水池溫度管理節點，中心決策節點跟這些分布的節點組成星型網絡[12]。溫度智能調節系統網絡結構如圖3所示。中心決策節點負責匯聚各節點發來的溫度數據和設備運行狀態等信息，然后根據預設的策略將控制指令發送到相應的執行節點上，從而實現對整個大棚溫度的自動調節。endprint

2.1 節點硬件設計

考慮到通信距離和功耗等因素，節點選擇CC2530 F256作為硬件平臺進行開發設計，它在單個芯片上整合ZigBee射頻單元、內存和微控制器等，且內置了業界標準的增強型8051 CPU、8 kB RAM和256 kB的可編程閃存，同時還具有豐富的接口，具有1個IEEE 802.15.4兼容無線收發器，能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點[13-14]。節點硬件平臺上的模塊主要有溫度采集傳感器DS18B20、無線射頻單元、蓄水池加熱設備控制、循環水泵控制、自動閥門控制以及電源管理單元等組成，其構成如圖4所示。

溫度是決定控制策略的重要依據，由于氣體的流動性存在不穩定性，為了使每個節點采集的溫度數據更加準確，本研究利用5個溫度傳感器DS18B20設計了傳感器陣列，通過剔除偏差超過5%的數據，然后取剩余溫度傳感器測量的平均值，這樣有效避免了測量的誤差[15]。對蓄水池加熱設備、循環泵和閥門的控制通過控制繼電器的通斷來操作完成，繼電器與CC2530的I/O之間增加了驅動電路，實現了用低壓電路來控制高壓電路；利用CC2530的ADC接口采集鋰電池的電壓信號，通過預設的電壓-電量關系曲線估算剩余電量，避免電池耗盡影響設備的正常運行。

2.2 節點軟件設計

系統主要由溫度采集/執行和中心決策節點2種類型，在軟件設計上均采用循環函數的方法，其優點是程序短小精悍且運行穩定可靠[16]，軟件流程如圖5所示。

溫度采集/執行節點主要負責室外溫度、骨架內水溫、大棚內溫度的采集以及對設備的控制，節點啟動后首先進行初始化，包括寄存器初始化、自身節點ID的讀取、配置射頻通信參數、建立網絡連接、溫度傳感器DS18B20和I/O接口的初始化等，然后查看是否接收到來自中心決策節點的指令，如果有則進行相應的參數配置和操作，否則根據設置的讀取周期對獲取溫度傳感器DS18B20陣列的數值和設備的狀態，再根據均值算法得到該節點處的最終溫度值，最后將采集時間、節點ID、溫度、設備狀態和電量信息打包，并通過ZigBee網絡發送到中心決策節點，根據設置的采集周期，延時n秒后進入下一次循環。

中心決策節點主要負責接收各節點發來的溫度數據和設備的運行狀態信息，根據制定的控制策略將相應的指令反饋給各執行節點，中心決策節點啟動后，也首先進行初始化，然后等待接收來自各節點發來的數據，收到數據后根據通信協議將數據包解析，然后進行歸類并存儲在對應的空間，同時根據節點類型的溫度信息判斷是否要觸發執行控制策略，并向對應的執行節點發送指令，再進入下一次循環，等待接收新數據。

3 對比試驗與結果分析

為了驗證本研究設計的溫室大棚太陽能集熱調溫系統的實際效果進行對比試驗，選取處在同一地理坐標的2棟日光溫室大棚A和B，長度80 m，跨度9 m，且2棟溫室大棚的基礎建設均相同。經過前期驗證可知，2棟大棚在不啟用集熱調溫系統時，棚內同一時刻的溫度幾乎完全一致，說明滿足作為參照對比試驗條件。期望的結果有2個：（1）在白天日照充足的情況下，盡量控制棚內的溫度在20～25 ℃之間，因為此時作物進行光合作用的酶活力最強；（2）在夜間控制棚內的溫度不能低于10 ℃，如果低于10 ℃，作物就有被凍傷的風險，甚至導致作物死亡。在試驗的過程中，A啟用了本研究設計的溫室大棚太陽能集熱調溫系統，而B則沒有。通過對2棟溫室大棚內的溫度進行24 h的記錄，溫度采集周期為 60 s，記錄周期60 min，記錄的數據為整點前后各30 min的均值，得到的試驗結果如表1所示。從表1可以看出，11：00時太陽光充足，大棚A和B的溫度均高于20 ℃，能夠正常進行光合作用，其棚內溫度還有上升的趨勢，為了控制溫度，此時大棚A內的調溫系統啟動， 循環泵開始向骨架內泵冷水用來降溫，同時骨架內的水溫會吸收太陽能和棚內的熱量，到 14：00 時溫度達到最大值（為39.57 ℃），隨后由于太陽光逐漸減弱，溫度降低，但大棚A骨架內有儲存的能量，會通過熱傳導釋放給棚內空氣，這樣在夜間大棚A內的溫度就能高于大棚B，直到夜間03：00時，大棚A骨架內的溫度與其內部空氣的溫度達到平衡，均在14 ℃左右，此次骨架內的水失去熱能價值，將其回流至蓄水池。

為了能夠直觀對比2個溫室大棚內的溫度情況，將大棚A和B的室內空氣溫度制成時間-溫度曲線，結果如圖6所示。

從圖6可以直觀地看出，白天日光溫室大棚B在20 ℃以上的時間段為11：00—16：00，最佳光合作用時長為5 h；日光溫室大棚A在20 ℃以上的時間段為10：00—17：00，最佳光合作用時長為7 h，且有效地控制了高于25 ℃的時間；同時，溫室大棚B在04：00—07：00的溫度低于10 ℃，而溫室大棚A在整個夜間的最低溫度為10.32 ℃，且A比B在整個夜間時間段18：00—09：00內的平均溫度提升了2.78 ℃，有效避免了作物被凍傷而減產。

4 結束語

充分利用日光溫室大棚骨架作為熱循環系統的主體，幾乎不產生額外的成本，白天吸收太陽光能，夜間釋放存儲的熱量，并將無線傳感器網絡引入調溫系統，將ZigBee控制器CC2530F256作為硬件平臺設計節點，并對其軟件設計部分進行闡述，借助溫度傳感器DS18B20實現了對室外、骨架水溫和棚內溫度的采集，無線通信避免了繁瑣布線，根據不同作物制定不同的控制策略，對循環水泵、閥門和加熱設備進行控制，自動調節大棚內的溫度以適合作物生長。通過對相同條件的2個溫室大棚進行對比試驗，使用太陽能集熱調溫系統的大棚能夠控制夜間的氣溫在10 ℃以上，提升的平均氣溫達到2.78 ℃，避免作物被凍傷；也能夠控制中午棚內溫度過高的現象，使光合作用的酶活性保持活躍，延長作物進行光合作用的時間，從而使農戶獲得最大的經濟收益。

參考文獻：endprint

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