溫室全方位智能調(diào)溫系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

　　摘要：為了調(diào)節(jié)日光溫室大棚內(nèi)的環(huán)境溫度使其更適宜作物的生長，借鑒集中供暖的思想設(shè)計(jì)了全方位智能調(diào)溫系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由地溫管理控制單元、棚內(nèi)溫度管理控制單元、供暖系統(tǒng)控制、云服務(wù)器以及農(nóng)戶智能手機(jī)終端等組成。利用供熱管道對(duì)土壤和空氣進(jìn)行全方位的熱傳遞，同時(shí)，建立了三維非穩(wěn)態(tài)地溫傳熱數(shù)學(xué)模型，根據(jù)采集到的管道周圍土壤和空氣的溫度信息，利用ＲＢＦ-ＰIＤ控制算法對(duì)水溫、循環(huán)泵和均衡風(fēng)扇進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的全方位溫度調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的全方位智能調(diào)溫系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)⒋笈飪?nèi)的土壤和空氣溫度自動(dòng)控制在預(yù)設(shè)的范圍，最大平均誤差分別僅為０．３℃和０．５℃，而且實(shí)現(xiàn)了農(nóng)戶的遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理，為推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：溫室大棚；智慧農(nóng)業(yè)；溫度均衡；控制策略；智能交互

　　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求在有限的土地面積上獲得最大的產(chǎn)量，而作物產(chǎn)量除了與品種自身的遺傳基因有關(guān)外，同時(shí)也受周圍環(huán)境因素的影響［１-３］。其中，溫度是作物生長發(fā)育最重要的環(huán)境參數(shù)之一，且不同的作物在不同的生長階段所需的環(huán)境溫度也有所差異。對(duì)于我國北方寒冷地區(qū)的溫室大棚來講，溫室大棚內(nèi)外的復(fù)雜環(huán)境，使得對(duì)作物生長環(huán)境的控制極其困難［４］。傳統(tǒng)的溫室大棚大多通過收集來自太陽光的熱量來維持棚內(nèi)的溫度，但如果遇到極寒天氣，就很有可能對(duì)作物造成損害而減產(chǎn)，甚至死亡。文獻(xiàn)［５-7］均提出了采用加熱的方式對(duì)溫室進(jìn)行增溫，取得了不錯(cuò)的效果。但這些方法均忽略了對(duì)土壤溫度的控制，由于作物的根系是吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要通道，更需要適宜的溫度環(huán)境。作物在進(jìn)行正常呼吸作用時(shí)會(huì)釋放熱量，同時(shí)，土壤也會(huì)與棚內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，均對(duì)土壤的溫度造成影響，所以需要對(duì)土壤溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使作物根系處于最佳的生長環(huán)境中。

　　１問題描述及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　?。保眴栴}描述及解決方案

　　由于溫室大棚內(nèi)部空間較大，使得對(duì)其內(nèi)部溫度的控制有很大的遲滯性，且土壤的比熱容要遠(yuǎn)大于空氣，從而溫度的變化趨于非線性，再加上容易受內(nèi)外環(huán)境因素的影響，所以更難于對(duì)其進(jìn)行控制。傳統(tǒng)溫室大棚的調(diào)溫方法較為簡單，一般采取日照取暖、通風(fēng)遮陽降溫和夜間棉被覆蓋保溫的方法，雖然這些方法成本較低，控制方法簡單，但容易使棚內(nèi)的空氣和土壤溫度分布不均，而且對(duì)于溫度的調(diào)節(jié)見效慢，一旦遇到極寒天氣，如不能將溫度及時(shí)調(diào)整到適宜作物生存的范圍，就會(huì)導(dǎo)致作物遭受凍傷而減產(chǎn)，甚至絕收［８-９］。為了使棚內(nèi)的溫度不完全受外部環(huán)境的影響，能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)溫度，需要解決溫室的增溫、降溫和熱均衡３個(gè)問題，本研究提出了相應(yīng)的解決方案：（１）增溫。借鑒集中供暖的思想，通過暖氣管道和地埋管為棚內(nèi)的空氣和土壤快速輸送熱量。（2）降溫。冬季外部環(huán)境寒冷，如果在中午太陽直射光照過強(qiáng)的情況下，棚內(nèi)溫度可能會(huì)超過預(yù)設(shè)的安全范圍，可啟用與外界的對(duì)流風(fēng)扇，快速降低棚內(nèi)溫度。（３）熱均衡。安裝空氣均衡風(fēng)扇，使棚內(nèi)空氣循環(huán)，將熱量從高位區(qū)帶到低溫區(qū)，迅速達(dá)到平衡。

　?。保?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　采用無線通信、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了全方位智能調(diào)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由地溫管理控制單元、棚內(nèi)溫度管理控制單元、供暖系統(tǒng)控制、集中管理平臺(tái)、云服務(wù)器以及農(nóng)戶智能手機(jī)終端等組成，溫室智能調(diào)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　２節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與溫度控制

　　2．１節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　選取高集成度的芯片ＣＣ2５３０Ｆ2５６為節(jié)點(diǎn)的核心部件開發(fā)設(shè)計(jì)，該芯片不僅帶有微控制器，還集成了ＺｉｇＢｅｅ無線射頻模塊，實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的通信［１１］。節(jié)點(diǎn)主要由溫度傳感器陣列、高增益天線、供熱管道的溫控單元以及鋰電池等組成。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖３所示。

　　2．2熱傳導(dǎo)模型與熱交換

　　由于空氣的比熱容更低，流動(dòng)性更強(qiáng)，所以其熱傳導(dǎo)速度更快，通過風(fēng)機(jī)進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，或者與外界交換氣體，迅速達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度。由于土壤的溫度主要受地埋管熱傳導(dǎo)和空氣熱交換的影響，但土壤熱傳導(dǎo)存在遲滯性，為了對(duì)其進(jìn)行精確控制，需要建立熱導(dǎo)模型。在理想狀態(tài)下建模，需要假設(shè)條件如下：（１）管道、循環(huán)液及周圍土壤是各向同性且均勻的物質(zhì)；（2）地埋管的熱導(dǎo)特性與溫室內(nèi)土壤相同；（３）管道與土壤的熱量交換認(rèn)為是三維熱傳導(dǎo)；（４）忽略沿地埋管延伸方向的溫度變化；（５）地埋管折彎段遵循直管道進(jìn)行計(jì)算。

　?。硿囟燃泄芾砥脚_(tái)及智能交互終端

　　３．１溫度集中管理平臺(tái)

　　溫室大棚內(nèi)的集中管理平臺(tái)實(shí)際上是一臺(tái)接入互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器，具有完備的功能模塊，主要由登陸權(quán)限管理、網(wǎng)絡(luò)配置（ＺｉｇＢｅｅ和互聯(lián)網(wǎng)）、云服務(wù)器接口管理、溫度監(jiān)測和控制策略、大棚分區(qū)管理、作物專家信息庫、ＳＱＬｉｔｅ數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)和報(bào)表管理等組成［１５］。軟件架構(gòu)如圖５所示。

　?。常?智能交互終端

　　云服務(wù)器是溫室大棚本地管理服務(wù)器與農(nóng)戶智能交互終端的紐帶，通過向兩者開放不同的端口提供服務(wù)，云平臺(tái)不僅存儲(chǔ)溫室大棚各節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，還傳送智能終端對(duì)溫室內(nèi)執(zhí)行設(shè)備發(fā)出的控制指令。為了讓農(nóng)戶更方便地管理溫室大棚內(nèi)的溫度，在智能手機(jī)終端上開發(fā)了與云服務(wù)器進(jìn)行交互的ＡＰＰ。智能手機(jī)終端的主要任務(wù)是獲取并顯示管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并與使用者（農(nóng)戶）進(jìn)行人機(jī)交互。在智能手機(jī)ＡＰＰ設(shè)計(jì)方面，主要涉及到兩大部分：ＵI界面和通信。ＡＰＰ采用了分層架構(gòu)，把數(shù)據(jù)處理的部分獨(dú)立出一層ＤａｔａＭａｎａｇｅｒｓ來，對(duì)上層ＵI提供數(shù)據(jù)接口，這樣就不需要Ａｃｔｉｖｉｔｙ和Ｆｒａｇｍｅｎｔ提供的資源，ＵI層不用關(guān)心數(shù)據(jù)的來源（內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、緩存）。同時(shí)，ＤａｔａＭａｎａｇｅｒｓ層向下，Ａｃｔｉｖｉｔｙ和Ｆｒａｇｍｅｎｔ剝離了數(shù)據(jù)處理的責(zé)任后，持有ＤａｔａＭａｎａｇｅｒ的引用，負(fù)責(zé)獲取數(shù)據(jù)并展示，向ＤａｔａＭａｎａｇｅｒ傳遞數(shù)據(jù)，絕不進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求和緩存讀寫，大幅減輕Ａｃｔｉｖｉｔｙ／Ｆｒａｇｍｅｎｔ的壓力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。智能手機(jī)交互軟件架構(gòu)如圖６所示。

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