福建省薄膜溫室溫濕度采集系統的實現及濕熱環境分析

黃語燕 王濤 鄭鴻藝 康育鑫 李傳輝 鐘陳聲 陳永快

摘要：薄膜溫室是福建地區廣泛使用的一種智能溫室，溫室內的環境能夠影響植物的生長發育，特別是夏季高溫是南方地區種植的主要障礙之一。在設計溫濕度自動采集系統的基礎上，以福州1個薄膜溫室為例，分析其在使用過程中的溫濕度情況。通過1年多的數據采集，結果表明，溫室內月平均溫度最高值出現在7月，為30.97 ℃，最低值出現在2月，為18.20 ℃。溫室內月平均濕度為62.3%～77.98%，月份間沒有規律。夏季高溫是福建地區薄膜溫室種植的主要障礙，溫室內夏季日氣溫最高值一般出現在13：00左右，夏季室內日氣溫最低值出現在夜間，并對夏季典型條件下的溫度情況進行分析。冬季薄膜溫室能達到一定的保溫效果，但是夜間室內濕度可達80%左右。夏季開啟濕簾、風機能夠使溫室內溫度驟降、濕度驟升。試驗結果不僅能為福建地區溫室的合理選擇和溫室內環境因子的調控提供參考，而且可為作物的種植茬口安排提供依據。

關鍵詞：薄膜溫室;溫濕度采集;濕熱;分析

中圖分類號： S625.5+1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0264-05

近年來，我國設施園藝發展迅速，截至2017年，設施園藝面積達370萬hm2，居世界首位[1]。設施大棚為作物生長提供了良好的溫濕度環境，了解溫室在實際使用過程中的溫濕度參數，可以為作物的生長提供最佳管理策略，對促進溫室作物的高產、穩產具有重要的意義。

目前，科研人員為了測試溫室的性能，大多數是通過試驗或模擬的方法對溫室內的小氣候環境進行分析，對溫室在實際使用過程中進行環境記錄分析的研究還比較少，而且對北方日光溫室進行環境分析的研究多，對南方智能溫室進行分析的研究少。如，劉彥辰等分析了陜西關中地區3種不同跨度日光溫室的光溫環境[2];王倩等對河南省下沉式日光溫室內溫光環境作了了分析[3];祁光斌等對河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室溫光環境進行了分析[4];劉琮琮對新疆阿拉爾市3種日光溫室進行環境性能測定[5];楊艷超建立了山東省日光溫室小氣候模型[6];柳芳等建立了天津市二代節能型日光溫室內部溫濕度預測模型[7];佟國紅等利用計算流體動力學（CFD）方法模擬了日光溫室的溫度情況[8]。

本研究以福建地區使用較多的薄膜智能溫室作為研究對象，通過1年多的溫濕度數據實時采集、可視化顯示、數據保存等方式詳細記錄了溫室在使用過程中的溫濕度環境。不僅能為福建地區溫室的合理選擇和溫室內環境因子的調控提供參考，而且可為作物的種植茬口安排提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于福建省福州市，位于5°15′～26°39′N，118°08′～120°31′E，屬典型的亞熱帶季風氣候，夏長冬短，溫暖濕潤，陽光充足，雨量充沛，年平均日照時數為 1 700～1 980 h;年平均氣溫為20～25 ℃，最冷月1—2月，平均氣溫達6～10 ℃;最熱月7—8月，平均氣溫為33～37 ℃[9]。試驗溫室為福州市晉安區埔垱村海峽農業現代示范園內1個薄膜智能溫室，采用熱浸鍍鋅骨架作主體，PEP薄膜覆蓋，溫室長43.5 m，寬25 m，檐高4.5 m，頂高6.5 m，溫室拱跨距為9.6 m。溫室內設有內遮陽系統、外風機、頂開窗、濕簾等設備。這種新型的復合塑料溫室，充分彌補了日光溫室不利于在夏秋季種植、單體棚不能越冬的不足，棚內空間大，是南方地區設施栽培最理想的塑料大棚。本溫室內設有營養液膜技術（NFT）栽培系統，常年種植水培蔬菜。

1.2 溫濕度采集系統的設計與實現

為了實時獲取溫室內外的溫濕度數據，使數據能夠實時顯示、自動保存、遠程觀測等。本研究設計了溫室溫濕度自動采集系統，可以采集溫室內外的溫濕度，具有遠程觀測、數據實時顯示、數據保存與下載等功能。溫濕度采集系統結構如圖1所示，溫濕度傳感器實時采集的數據，通過通用分組無線服務技術（GPRS）傳輸模塊，經Modbus協議傳輸到數據采集與監視控制（SCADA）系統主機上，并通過網絡實現遠程監控。

溫濕度采集采用百葉箱型溫濕度傳感器，RS485輸出，測量精度為±0.5 ℃。無線數據傳輸單元（GPRS DTU）采用F2114 GPRS IP MODEM，它是1種物聯網無線數據終端，利用公用GPRS網絡為用戶提供無線長距離數據傳輸功能。該產品采用高性能的工業級32位通信處理器和工業級無線模塊，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐平臺，同時提供RS232和RS485（或RS422）接口，可直接連接串口設備，實現數據的透明傳輸功能;低功耗設計，最低功耗下電流小于1mA;提供5路I/O（輸入/輸出），可實現數字量輸入輸出、脈沖輸出、模擬量輸入、脈沖計數等功能。數據采集與監視控制（supervisory control and data acquisition，簡稱SCADA）系統，即數據采集與監視控制系統，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等功能[10-11]。

由圖2可知2017年8月16日14：45，溫室內溫度為 36.5 ℃，室內濕度為54.8%，室外溫度為43.8 ℃，室外濕度為36.5%。系統曲線圖下方說明欄能自動計算選定時間（X軸）范圍內溫度及濕度（Y軸）的最大值、最小值、平均值、方差、標準差等。系統數據采集間隔可自行設置。

1.3 數據采集與處理

室內溫濕度傳感器安裝在溫室中部，室外溫濕度傳感器安裝在溫室外空曠、無遮擋的位置。月平均溫度、濕度由數據采集系統界面直接設置后取得，相關趨勢圖由系統導出成Excel數據格式后，再用Excel軟件繪制而成。

2 結果與分析

2.1 溫室溫度情況分析

2.1.1 1整年月平均溫度分析 為體現不同月份溫度的差異，取2016年10月至2017年9月1整年的數據為研究對象，得出1—12月溫室內、外月平均溫度及溫差。從表1中可以看出：溫室內月平均溫度最高為30.97 ℃（7月份），最低為18.20 ℃（2月份）;夏季6—8月溫室內、外月平均溫差（月平均內溫-月平均外溫）分別為1.4、-0.99、-0.67 ℃;冬季12月至次年2月室內外溫差分別為 2.40、3.11 、4.36 ℃。溫室大體上能達到夏季降溫、冬季保溫的效果。

2.1.2 夏季溫室內外溫度變化情況分析 福建地區夏季（6—8月）高溫是種植的主要障礙之一，研究夏季溫室內的溫度變化情況意義重大。通過觀察夏季溫室內溫度變化情況，可知溫室內夏季日氣溫最高值一般出現在13：00左右。在溫室正常運行中，極端高溫條件下室內日溫度最高可達 45.24 ℃（室外溫度最高為43.05 ℃，出現在2017年7月27日）。夏季室內日氣溫最低值出現在夜間，這段時間內室內溫度基本保持恒定且接近室外溫度。

2.1.2.1 夏季晴天條件下溫度的變化情況 以2017年7月26日為例，由圖3可知，在夏季晴天天氣條件下，白天室內溫度接近室外溫度，夜間室內溫度比室外溫度高0～2 ℃。這是由于07：00時打開了頂開窗、側窗、濕簾及風機，可降低室內溫度，可是晴天太陽輻射較大，室內溫度只能接近室外溫度，很難比室外溫度低。夜間打開了頂開窗、側窗，未開啟濕簾及風機，室內通風程度低于室外，故夜間室內溫度比室外略高一點。06：00—07：30間，室內溫度有1個驟升和驟降的過程，是由于晴天天氣時06：00的太陽輻射已經較大，濕簾、風機還未開啟，故室內溫度上升較快，07：00時濕簾及風機開啟，故溫度驟降。因此，在晴天條件下，為了室內溫度不至于過高，最好在06：00開啟風機和濕簾降溫。

2.1.2.2 夏季多云天氣條件下溫度的日變化情況 以2017年7月22日為例，由圖4可知，在夏季多云天氣條件下，白天室內溫度一般比室外溫度低1～7 ℃，夜間室內溫度接近室外溫度。這是由于在多云天氣條件下，白天打開了頂開窗、側窗、濕簾及風機。在多云天氣條件下，太陽輻射小，白天室內溫度可略低于室外溫度。

2.1.2.3 夏季陰雨天溫度的變化情況 以2017年7月31日為例，由圖5可知，夏季陰雨天氣室內溫度接近室外溫度，白天室內溫度一般比室外溫度高0～2 ℃。這是由于陰雨天氣白天未開啟頂開窗和濕簾，溫室相對處于一個比較密閉的環境中，室內溫度比室外溫度稍高一點。

2.1.2.4 夏季高溫悶棚條件下溫度的變化情況 高溫悶棚使溫室密閉并利用太陽的高溫，使溫室內的溫度盡量達到最高，以達到消除病菌、殺滅蟲卵、清除雜草的目的。溫室一般每種植1～2年需高溫悶棚1次。夏季高溫時節是閑茬悶棚、預防和防治病蟲害發生的好時機。溫室于2018年6月22—26日進行高溫悶棚。有圖6可知，室內日溫度最高為43～61 ℃，比室外溫度高11～23 ℃。經過連續幾天的高溫悶棚，大部分的病菌和蟲卵可被殺死。

2.1.3 冬季日溫度變化規律 通過觀察冬季室內溫度變化情況，可知冬季溫室能達到一定的保溫效果。以2017年1月15日為例，如圖7所示，本溫室正常使用時，白天溫室內溫度一般比室外高1～4 ℃，室內溫度最高出現在12：00—13：00左右，室內溫度最高值比室外溫度多4 ℃左右。日氣溫最低值出現在19：00—07：00，這段時間溫度值基本保持恒定，室內溫度一般比室外溫度高0～1 ℃。

2.2 溫室濕度情況分析

2.2.1 1整年月平均濕度情況分析 為體現不同月份濕度的差異，取2016年10月至2017年9月1整年溫室內、外濕度數據為研究對象，得出1—12月溫室內、外月平均濕度及濕度差。如表2所示，溫室內月平均濕度在62.30%～78.38%區間內變化，月份間沒有變化規律。由于溫室內配備了濕簾和風機，可以起到調整濕度大小的作用，使濕度能夠保持在植物生長的極限范圍內。

2.2.2 冬季濕度日變化規律 通過觀察冬季濕度的變化規律可知，溫室內濕度變化較平穩。如圖8所示，以2017年1月23日多云天氣為例，溫室內夜間濕度達80%左右，白天室內濕度基本上比室外濕度低。這是由于夜間室內相對較密閉，故室內濕度較大并且穩定在80%左右，白天室內溫度比室外高，故室內濕度比室外低。

2.3 夏季開啟濕簾、風機對室內溫濕度的影響

選擇1個多云天氣，觀察濕簾、風機對溫室內溫、濕度的影響。以2017年8月12日為例（圖9），06：30—08：30隨著室外溫度的升高，室內還沒有開啟濕簾、風機等降溫設備，室內溫度逐漸升高，室內濕度逐漸降低。08：30開啟濕簾和風機后，溫室內溫度驟降，在0.5 h左右室內溫度驟降結束，室內溫度降低到1個較穩定的值，一般比室外溫度低1～5 ℃。同時，濕度驟升，在0.5 h內濕度驟升結束，溫室內、外濕度差趨于穩定，室內濕度一般比室外濕度高20%～35%。在 18：00 關閉濕簾和風機，溫室內溫度驟升，室內濕度驟降，在 1 h 后，室內溫、濕度和室外溫、濕度接近，并趨于穩定狀態。

3 結論與建議

通過1年多的數據采集，結果表明：（1）溫室內月平均溫度最高值出現在7月，為30.97 ℃，最低值出現在2月，為 18.20 ℃。溫室內月平均濕度為62.3%～78.38%，月份間沒有規律。（2）薄膜溫室的熱濕環境大多數情況下能夠適宜植物的生長，但是仍然存在夏季白天溫度偏高的問題。試驗溫室內夏季月平均氣溫為28.67～30.97 ℃，日氣溫最高值一般出現在13：00左右，最低值出現在19：00—06：30，這段時間內室內溫度基本保持恒定且接近室外溫度。（3）在夏季晴天天氣條件下，白天室內溫度接近室外溫度，夜間室內溫度比室外溫度高0～2 ℃。在夏季多云天氣條件下，白天室內溫度一般比室外溫度低1～7 ℃，夜間室內溫度接近室外溫度。夏季陰雨天氣室內溫度接近室外溫度，夜間室內溫度一般比室外溫度高0～2 ℃。在夏季高溫悶棚情況下，室內溫度最高為 43～61 ℃，比室外溫度高11～23 ℃。（4）夏季開啟濕簾和風機，能夠使溫室內溫度驟降，在0.5 h左右溫室內溫度驟降結束，室內溫度降低到一個較穩定的值，一般比室外溫度低 1～5 ℃。同時，濕度驟升，在0.5 h左右濕度驟升結束，溫室內、外濕度差趨于穩定，室內濕度一般比室外濕度高20%～35%。（5）冬季溫室內濕度變化較平穩。以2017年1月23日多云天氣為例，溫室內夜間濕度達80%左右，白天室內濕度基本上比室外濕度低。

綜上所述，筆者建議薄膜智能溫室大體上能達到夏季降溫、冬季保溫的效果，但是仍存在夏季高溫的問題。因此，福建薄膜智能溫室仍要選用耐熱的品種，并以選用濕簾和風機搭配來起到降溫排濕的效果。

參考文獻：

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收稿日期：2019-01-30

基金項目：福建省農業科學院科技創新團隊（編號：STIT2017-2-12）;福建省農業科學院數字農業科技服務團隊（編號：kjfw22）;福建省農業科學院院管A類項目（編號：A2017-36）;福建省農業科學院一般項目（編號：A2018-1）;福建省農業科學院三農業一融合項目（編號：A2017-33）;福建省農業科學院自由探索項目（編號：AA2018-26、ZYTS2019029）。

作者簡介：黃語燕（1987—），女，福建福州人，碩士，研究實習員，主要從事農業電氣化與自動化研究。E-mail：644621043@qq.com。

通信作者：陳永快，碩士，助理，主要從事設施農業研究。E-mail：86467897@qq.com。