智能溫室大棚全方位調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 歡

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710077）

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最終目標(biāo)是在有限的可使用土地上獲取最大產(chǎn)量，然而農(nóng)作物的產(chǎn)量不僅與品種本身的遺傳因素有關(guān)，還會(huì)因環(huán)境而影響產(chǎn)量。在農(nóng)作物生長過程中，影響其生長的首要因素便是環(huán)境溫度。當(dāng)然，基于農(nóng)作物的種類不同生長階段對于溫度的要求也會(huì)有所差異。針對華北寒冷地區(qū)的溫室大棚而言，其內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境相對復(fù)雜，在農(nóng)作物生長過程中對環(huán)境溫度的控制較為困難。以往的溫室大棚大部分都是從太陽中收集熱量來維持溫室內(nèi)的溫度，但是要遇到極端寒冷的天氣，極大可能直接對農(nóng)作物造成威脅甚至死亡，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低。所以，將網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)、控制技術(shù)有效結(jié)合與應(yīng)用，運(yùn)用在溫室大棚的管理運(yùn)營中，設(shè)計(jì)出一套全面可控的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過收集溫室內(nèi)的實(shí)時(shí)空氣與土壤的溫度，并依據(jù)農(nóng)業(yè)專家信息數(shù)據(jù)庫獲取農(nóng)作物對內(nèi)外溫度的所需要求，采用PID控制方式控制循環(huán)液在管路中的流量和溫度，以最低的能耗量完成對內(nèi)外溫度的智能化調(diào)節(jié)，保證農(nóng)作物在最合適的溫度環(huán)境中健康生長。

1 智能溫室大棚調(diào)溫系統(tǒng)概述及設(shè)計(jì)

1.1 智能溫室大棚調(diào)溫系統(tǒng)概述

基于溫室大棚的內(nèi)環(huán)境大，其內(nèi)部溫度的整體控制產(chǎn)生較大的滯后性，相較比熱容而言土壤要比空氣大很多，所以溫度的變化往往是非線性的，加之易受到內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境因素所影響，所以對其進(jìn)行有效控制較為困難[1]。我國以往的溫室大棚溫控方法相對簡單、便于操作，一般采用日光采暖、通風(fēng)、遮光降溫和夜間保溫被罩等方式，上述方法使用成本偏低，操作控制簡單，但容易使空氣和土壤的相對溫度分散不均勻，導(dǎo)致調(diào)溫效果緩慢，一旦碰到極端寒冷天氣，若不及時(shí)將溫度調(diào)至作物成活適宜的范圍，就會(huì)造成農(nóng)作物凍傷導(dǎo)致產(chǎn)量降低，甚至無收成。為讓溫室大棚內(nèi)的溫度不受外界環(huán)境的完全影響，并能自己有效地調(diào)節(jié)溫度，目前急需解決溫室的升溫、制冷和熱量平衡3個(gè)問題，以此提出相應(yīng)的解決方案。

（1）升溫。依據(jù)城市集中供暖的理念，利用供暖管道和地下管道將熱量快速傳遞到棚內(nèi)的空氣和土壤中。

（2）制冷。冬季室外環(huán)境極為寒冷，假如中午陽光直射過強(qiáng)，溫室大棚內(nèi)的溫度極有可能會(huì)超出預(yù)定的安全閾值，此時(shí)可以使用對流風(fēng)扇與外界產(chǎn)生對流，從而在最短的時(shí)間內(nèi)降低棚內(nèi)溫度。

（3）熱量平衡。安裝并使用空氣均衡風(fēng)扇，使溫室大棚內(nèi)的空氣進(jìn)行有效循環(huán)，將熱量從高溫區(qū)帶到低溫區(qū)，快速達(dá)到熱量平衡。

為能對溫室大棚進(jìn)行全維度的溫度控制，運(yùn)用埋地管道對土壤產(chǎn)生的溫度場產(chǎn)生溫度，并在相對側(cè)安裝散熱片來調(diào)節(jié)溫度，將能量有效傳輸給附近的土壤與空氣，替換了傳統(tǒng)收集光熱的方法，最終實(shí)現(xiàn)迅速控溫的目的，即使在非常寒冷的天氣，也能快速將大棚內(nèi)溫度調(diào)試到適宜農(nóng)作物生長的范圍。

為更準(zhǔn)確地控制內(nèi)外環(huán)境的溫度，將棚內(nèi)空間調(diào)節(jié)分為A、B、C和D 4個(gè)區(qū)域，由3個(gè)均流風(fēng)機(jī)將4個(gè)區(qū)域分開，讓相鄰空間區(qū)域之間相互流通。此外，溫室墻壁2端還安裝了對流風(fēng)扇，其首要目的是與外界空氣進(jìn)行對流與交換，從而降低大棚的內(nèi)部溫度。基于大棚內(nèi)的土壤溫度調(diào)控，分為3個(gè)區(qū)域，可以對區(qū)域土壤溫度進(jìn)行具有針對性地調(diào)整與把控。除此之外，由于傳熱具有一定的滯后性，過高的土壤溫度難以對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此需要提前對環(huán)境溫度進(jìn)行預(yù)測，選擇最優(yōu)的控制方式。

1.2 智能調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用無線網(wǎng)絡(luò)、電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)方式，設(shè)計(jì)一套綜合智能溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由地溫管控模塊、集中管控平臺(tái)、供熱機(jī)制管控、大棚內(nèi)部溫度管控模塊、云端服務(wù)器和農(nóng)戶智能手機(jī)端構(gòu)成[2]。棚內(nèi)智能控溫體系利用4級架構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包括環(huán)境溫度測控終端、集中管控平臺(tái)、云端服務(wù)器和農(nóng)戶智能手機(jī)端。環(huán)境溫度監(jiān)控終端通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與溫室管控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，有效防止因節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多而導(dǎo)致的繁瑣布線。每片土壤、空氣分區(qū)配備并放置1個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中被賦予1個(gè)且唯一的ID賬號，這些節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)或設(shè)備作業(yè)情況信息實(shí)時(shí)發(fā)送到集中溫度管理平臺(tái)。溫度集中管理服務(wù)器經(jīng)過分析，會(huì)依據(jù)農(nóng)作物的種類及生長階段，計(jì)算出最適合農(nóng)作物生長的土壤環(huán)境和氣候條件，進(jìn)而選擇相應(yīng)的控制設(shè)備。

2 智能溫室大棚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與溫度控制

2.1 溫室大棚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)開發(fā)中選擇高度集成的芯片作為節(jié)點(diǎn)的核心零件，該芯片不光具有微控制器，還集成了無線網(wǎng)上協(xié)議（ZigBee）射頻板塊，完成大棚內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的通信。該節(jié)點(diǎn)主要分為以下模塊：高增益天線、溫度傳感器、加熱管道溫度控制單元及鋰電池。開發(fā)節(jié)點(diǎn)主要有以下2個(gè)任務(wù)：首先是利用溫度傳感器收集土壤、空氣和循環(huán)液體中的實(shí)時(shí)溫度數(shù)值，進(jìn)而利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器終端；其次是接收集中管理平臺(tái)發(fā)出的指令，有效控制供暖、交流泵或循環(huán)閥門等具有執(zhí)行作用部件的安全運(yùn)行。

2.2 熱交換與傳導(dǎo)模型

因?yàn)榭諝獗葻崛葺^低，流動(dòng)性能較強(qiáng)，其熱傳導(dǎo)的速度相對較快，可通過風(fēng)扇在內(nèi)部循環(huán)或與外部環(huán)境置換氣體，較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度。土壤內(nèi)部溫度主要會(huì)受到埋地管道熱傳導(dǎo)和空氣熱交換2種因素的影響，但是土壤的熱傳導(dǎo)具有一定的滯后性。為更加準(zhǔn)確控制土壤熱傳導(dǎo)，則需要構(gòu)建1個(gè)熱傳導(dǎo)模型。在建模的理想狀態(tài)下，需要假設(shè)以下條件：①埋地管道、循環(huán)液體和附近土壤是共通不一且均勻的材料；②埋地管道的導(dǎo)熱系數(shù)與溫室土壤的導(dǎo)熱系數(shù)相同；③埋地管道與土壤之間的熱交換被稱為三維熱傳導(dǎo)；④忽略沿埋管道延伸方向的溫度差；⑤埋地管道彎曲截面按直管計(jì)算。

2.3 模型控制方案

依據(jù)以往相關(guān)經(jīng)驗(yàn)得知，土壤溫度不僅與埋地管道的直徑、深度和鋪設(shè)距離等相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生聯(lián)系，還與管道循環(huán)液的溫度及流動(dòng)速度相關(guān)，前者是鋪設(shè)完成后的非可調(diào)節(jié)參數(shù)，后者則是可調(diào)節(jié)參數(shù)。所以，引入有效控制的觀念，并通過溫度采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用構(gòu)建的三維非定常熱導(dǎo)方程，通過RBF-PID控制循環(huán)液溫度和流動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，在以往的PID控制中增加了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了土壤溫度RBF-PID的調(diào)節(jié)，自覺適應(yīng)環(huán)境調(diào)節(jié)溫度參數(shù)，提升系統(tǒng)的靈活性。利用網(wǎng)絡(luò)識(shí)別器的信息，可以隨時(shí)調(diào)整控制器的比例、積分及微分等參數(shù)，并在調(diào)整過程中進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，進(jìn)而使溫度調(diào)整更精準(zhǔn)、更快捷[3]。基于各不相同的內(nèi)外環(huán)境條件，集中管理平臺(tái)預(yù)設(shè)的相對應(yīng)的管控方針如下。

案例1：如果發(fā)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)整體的溫度偏高，立即開啟對流風(fēng)機(jī)與外界冷空氣進(jìn)行置換，直到大棚內(nèi)溫度處于安全閾值內(nèi)。

案例2：如果大棚內(nèi)各區(qū)域的溫度不平衡，立即開啟均衡風(fēng)機(jī)，根據(jù)各個(gè)區(qū)域?qū)嶋H溫度情況，將高溫區(qū)的氣體吹向低溫區(qū)，直至棚內(nèi)各區(qū)域溫度處于平衡狀態(tài)。

案例3：假設(shè)碰到連續(xù)陰雨天氣或極端寒冷天氣等惡劣天氣，大棚內(nèi)相對氣溫低于適合農(nóng)作物生長的溫度時(shí)，應(yīng)開啟電加熱設(shè)備的加熱系統(tǒng)，打開管道循環(huán)閥門，啟動(dòng)相應(yīng)的循環(huán)泵進(jìn)行相對溫度循環(huán)，實(shí)時(shí)監(jiān)測相對空氣溫度。如發(fā)現(xiàn)棚內(nèi)區(qū)域溫度不平衡等現(xiàn)象，可自動(dòng)遵循案例2使用原則進(jìn)行操作。

案例4：假如溫室內(nèi)土壤溫度無法滿足農(nóng)作物生長需求，第一步就是依據(jù)傳熱模型與傳熱公式估算液體循環(huán)速度所需的熱量與溫度，并利用RBF-PID對上述2個(gè)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。基于土壤的傳熱速度較緩慢，傳熱時(shí)間相對較長，需要持續(xù)監(jiān)測埋地管道附近土壤的溫度變化，當(dāng)調(diào)整到規(guī)定閾值內(nèi)時(shí)，且外部環(huán)境能夠保持土壤溫度幾乎不變時(shí)，此時(shí)將循環(huán)液分流回儲(chǔ)罐中。

3 智能溫室大棚調(diào)溫管控平臺(tái)測試與應(yīng)用

3.1 溫室大棚調(diào)溫智能系統(tǒng)測試結(jié)果

為有效檢測設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和控溫的準(zhǔn)確性，在同一個(gè)溫室集群中選擇了2個(gè)結(jié)構(gòu)（朝向、面積、高度和材質(zhì)）相同的1號溫室和2號溫室，并且2個(gè)溫室處在相同的地理位置。本研究設(shè)計(jì)的綜合智能調(diào)溫系統(tǒng)安裝于2號溫室，1號溫室不對其進(jìn)行過多處理作為參考比較。選擇一段時(shí)間下午5時(shí)至次日凌晨3時(shí)作為測試時(shí)間，驗(yàn)證溫控系統(tǒng)的性能與功能。溫控設(shè)備在開機(jī)前，當(dāng)天下午5時(shí)的土壤和空氣的初始溫度分別為16.3℃和17.2℃。因?yàn)闇厥覂?nèi)外環(huán)境在不斷發(fā)生變化，5時(shí)后日照效應(yīng)逐漸退去，使得大棚內(nèi)的溫度快速降低。為控制溫度最大程度接近預(yù)定溫度值，在無光照的情況下，需要啟動(dòng)供暖系統(tǒng)，依據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，自適應(yīng)調(diào)節(jié)水溫和循環(huán)管道中的水流速度[4-5]。5時(shí)以后大棚外部溫度從0℃左右快速下降，深夜降到了-16℃左右。雖然對大棚進(jìn)行了保溫措施，但受外界冷空氣因素的影響，大棚內(nèi)部溫度下降速度迅速，最低氣溫約8℃，最低土溫也降到7℃左右，如果長期處于這樣的環(huán)境中，農(nóng)作物就會(huì)出現(xiàn)凍傷的危險(xiǎn)。

2號大棚在同樣的天氣條件下，使用了全方位的智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，研究數(shù)據(jù)得出，即使外部環(huán)境溫度很低，但通過使用加熱和循環(huán)系統(tǒng)，在循環(huán)開始階段液體溫度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均較高，為進(jìn)行高效傳熱，在整個(gè)過程中，隨著外界溫度的變化，智能調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和循環(huán)液的溫度也會(huì)隨之變化。測試結(jié)果表明：啟動(dòng)調(diào)溫設(shè)備后，空氣與土壤的溫度分別達(dá)到了預(yù)定的溫度閾值，由此便能保證農(nóng)作不被受外界極端天氣所影響，有助于農(nóng)作物產(chǎn)量增加。

3.2 溫度集中管控終端

溫室大棚中的集中管控平臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)連接網(wǎng)絡(luò)終端的服務(wù)器，功能模塊齊全。主要由登錄權(quán)限管理、網(wǎng)絡(luò)配置、云端服務(wù)器接口管理、溫度監(jiān)控、溫室分區(qū)管理、作物專家信息數(shù)據(jù)庫和分析數(shù)據(jù)等構(gòu)成。服務(wù)終端利用板卡與溫室內(nèi)的溫度監(jiān)測和溫度調(diào)節(jié)設(shè)備節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)交換，采集溫室內(nèi)各個(gè)區(qū)域的氣溫、土壤溫度和設(shè)備作業(yè)情況，并將信息發(fā)送到云端服務(wù)器將其保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫中。依據(jù)目前溫室種植的農(nóng)作物的種類及生長周期從信息庫中獲取合適的生長溫度信息，然后服務(wù)器運(yùn)行得到相應(yīng)的溫度控制方式，將具體的執(zhí)行方案發(fā)送到需要執(zhí)行設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)智能化溫度調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)收集、農(nóng)業(yè)信息處理及農(nóng)業(yè)信息管理等需要通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與相應(yīng)的傳感器對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與整理。數(shù)據(jù)管理工作者基于傳感器的相關(guān)信息系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和研究，最后利用人工處理方式或系統(tǒng)自動(dòng)處理方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步加工，自動(dòng)干預(yù)操作設(shè)備完成作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)信息化、智能農(nóng)業(yè)機(jī)械化、輔助農(nóng)業(yè)管理人員決策和輔助農(nóng)作物種植人員種植農(nóng)作物等目標(biāo)。以往的日光溫室抗寒能力較差，而且在調(diào)溫方面只考慮氣溫對農(nóng)作物的影響，忽視了土壤表面溫度是農(nóng)作物生長的首要環(huán)境因素。所以，文章利用集中供暖的理念，綜合溫度智能控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，依據(jù)氣候變化狀況，采用大熱源管道分別對空氣及土壤進(jìn)行加熱，另在溫室內(nèi)安裝均衡風(fēng)機(jī)，有效緩解溫室內(nèi)氣流不暢所造成的溫度分布不平衡現(xiàn)象。同時(shí)，建立土壤三維非定常溫度與傳熱數(shù)學(xué)模型，利用智能控制達(dá)到對土壤溫度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，在根源上解決溫度調(diào)節(jié)的滯后與不平衡問題。