智能温室大棚全方位调温系统设计与应用.pdf

2022 年 17 期智慧农业 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 智能温室大棚全方位调温系统设计与应用 王 欢 西安职业技术学院 西安 710077 我国农业生产的最终目标是在有限的可使用土地 上获取最大产量 然而农作物的产量不仅与品种本身的 遗传因素有关 还会因环境而影响产量 在农作物生长 过程中 影响其生长的首要因素便是环境温度 当然 基 于农作物的种类不同生长阶段对于温度的要求也会有 所差异 针对华北寒冷地区的温室大棚而言 其内环境 与外环境相对复杂 在农作物生长过程中对环境温度的 控制较为困难 以往的温室大棚大部分都是从太阳中收 集热量来维持温室内的温度 但是要遇到极端寒冷的天 气 极大可能直接对农作物造成威胁甚至死亡 最终导 致产量降低 所以 将网络智能技术 控制技术有效结合 与应用 运用在温室大棚的管理运营中 设计出一套全 面可控的温度调节系统 通过收集温室内的实时空气与 土壤的温度 并依据农业专家信息数据库获取农作物对 内外温度的所需要求 采用 PID 控制方式控制循环液在 管路中的流量和温度 以最低的能耗量完成对内外温度 的智能化调节 保证农作物在最合适的温度环境中健康 生长 1 智能温室大棚调温系统概述及设计 1 1 智能温室大棚调温系统概述 基于温室大棚的内环境大 其内部温度的整体控制 产生较大的滞后性 相较比热容而言土壤要比空气大很 多 所以温度的变化往往是非线性的 加之易受到内部 环境与外部环境因素所影响 所以对其进行有效控制较 为困难 1 我国以往的温室大棚温控方法相对简单 便于 操作 一般采用日光采暖 通风 遮光降温和夜间保温被 罩等方式 上述方法使用成本偏低 操作控制简单 但容 易使空气和土壤的相对温度分散不均匀 导致调温效果 缓慢 一旦碰到极端寒冷天气 若不及时将温度调至作 物成活适宜的范围 就会造成农作物冻伤导致产量降 低 甚至无收成 为让温室大棚内的温度不受外界环境 的完全影响 并能自己有效地调节温度 目前急需解决 温室的升温 制冷和热量平衡 3 个问题 以此提出相应 的解决方案 摘 要 该文首先对智能温室大棚调温系统 棚内温度调节系统进行简单概述及设计 基于集中供暖的理念 设计一套综 合智能温度调节系统 其次对智能温室大棚节点设计与温度控制方案进一步阐述 最后对智能温室大棚调温管控平台进行测 试与实际应用研究 测试结果表明 全方位智能调温系统能够保证农作物不受外界极端天气的影响 从而有利于农作物产量 增加 推进我国农业产业的可持续发展 关键词 智能温室大棚 调温系统机制 农业生产 系统设计 控制方案 中图分类号 S126 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2022 17 0022 03 Abstract Firstly the intelligent greenhouse temperature regulating system and the temperature regulating system in the greenhouse are briefly summarized and designed Based on the concept of central heating a set of comprehensive intelligent temperature regulating system is designed Secondly the intelligent greenhouse node design and temperature control scheme are further elaborated Finally the intelligent greenhouse temperature control platform was tested and applied The test re sults show that the all round intelligent temperature control system can ensure that agriculture is not affected by extreme weather outside which is conducive to the increase of crop yield and promote the sustainable development of our agricultur al industry Keywords intelligent greenhouse temperature regulation system mechanism agricultural production system design control scheme 作者简介 王欢 1988 女 硕士 讲师 研究方向为通信技术 DOI 10 20028 j zhnydk 2022 17 008 22 2022 年 17 期 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 智慧农业 1 升温 依据城市集中供暖的理念 利用供暖管道 和地下管道将热量快速传递到棚内的空气和土壤中 2 制冷 冬季室外环境极为寒冷 假如中午阳光直 射过强 温室大棚内的温度极有可能会超出预定的安全 阈值 此时可以使用对流风扇与外界产生对流 从而在 最短的时间内降低棚内温度 3 热量平衡 安装并使用空气均衡风扇 使温室大 棚内的空气进行有效循环 将热量从高温区带到低温 区 快速达到热量平衡 为能对温室大棚进行全维度的温度控制 运用埋地 管道对土壤产生的温度场产生温度 并在相对侧安装散 热片来调节温度 将能量有效传输给附近的土壤与空 气 替换了传统收集光热的方法 最终实现迅速控温的 目的 即使在非常寒冷的天气 也能快速将大棚内温度 调试到适宜农作物生长的范围 为更准确地控制内外环境的温度 将棚内空间调节 分为 A B C 和 D 4 个区域 由 3 个均流风机将 4 个区域 分开 让相邻空间区域之间相互流通 此外 温室墙壁 2 端还安装了对流风扇 其首要目的是与外界空气进行对 流与交换 从而降低大棚的内部温度 基于大棚内的土壤 温度调控 分为 3 个区域 可以对区域土壤温度进行具有 针对性地调整与把控 除此之外 由于传热具有一定的滞 后性 过高的土壤温度难以对其进行调节 因此需要提前 对环境温度进行预测 选择最优的控制方式 1 2 智能调温系统设计 利用无线网络 电子设备及计算机等先进技术方 式 设计一套综合智能温控系统 该系统主要由地温管 控模块 集中管控平台 供热机制管控 大棚内部温度管 控模块 云端服务器和农户智能手机端构成 2 棚内智能 控温体系利用 4 级架构设计 其中包括环境温度测控终 端 集中管控平台 云端服务器和农户智能手机端 环境 温度监控终端通过网络技术与温室管控平台进行数据 交换 有效防止因节点数量众多而导致的繁琐布线 每 片土壤 空气分区配备并放置 1 个节点 每个节点在网 络中被赋予 1 个且唯一的 ID 账号 这些节点通过无线 网络将采集到的环境温度数据或设备作业情况信息实 时发送到集中温度管理平台 温度集中管理服务器经过 分析 会依据农作物的种类及生长阶段 计算出最适合 农作物生长的土壤环境和气候条件 进而选择相应的控 制设备 2 智能温室大棚节点设计与温度控制 2 1 温室大棚节点设计 节点开发中选择高度集成的芯片作为节点的核心 零件 该芯片不光具有微控制器 还集成了无线网上协 议 ZigBee 射频板块 完成大棚内部节点之间的通信 该节点主要分为以下模块 高增益天线 温度传感器 加 热管道温度控制单元及锂电池 开发节点主要有以下 2 个任务 首先是利用温度传感器收集土壤 空气和循环 液体中的实时温度数值 进而利用 ZigBee 网络传送到 服务器终端 其次是接收集中管理平台发出的指令 有 效控制供暖 交流泵或循环阀门等具有执行作用部件的 安全运行 2 2 热交换与传导模型 因为空气比热容较低 流动性能较强 其热传导的速 度相对较快 可通过风扇在内部循环或与外部环境置换 气体 较短时间内达到预定温度 土壤内部温度主要会受 到埋地管道热传导和空气热交换 2 种因素的影响 但是 土壤的热传导具有一定的滞后性 为更加准确控制土壤 热传导 则需要构建 1 个热传导模型 在建模的理想状态 下 需要假设以下条件 埋地管道 循环液体和附近土 壤是共通不一且均匀的材料 埋地管道的导热系数与 温室土壤的导热系数相同 埋地管道与土壤之间的热 交换被称为三维热传导 忽略沿埋管道延伸方向的温 度差 埋地管道弯曲截面按直管计算 2 3 模型控制方案 依据以往相关经验得知 土壤温度不仅与埋地管道 的直径 深度和铺设距离等相关参数产生联系 还与管 道循环液的温度及流动速度相关 前者是铺设完成后的 非可调节参数 后者则是可调节参数 所以 引入有效 控制的观念 并通过温度采集的监测数据 利用构建的 三维非定常热导方程 通过 RBF PID 控制循环液温度 和流动速度的调节 在以往的 PID 控制中增加了 RBF 神经网络 实现了土壤温度 RBF PID 的调节 自觉适应 环境调节温度参数 提升系统的灵活性 利用网络识别 器的信息 可以随时调整控制器的比例 积分及微分等 参数 并在调整过程中进行自我学习 进而使温度调整 更精准 更快捷 3 基于各不相同的内外环境条件 集中 管理平台预设的相对应的管控方针如下 案例 1 如果发现温室大棚内整体的温度偏高 立 即开启对流风机与外界冷空气进行置换 直到大棚内温 度处于安全阈值内 案例 2 如果大棚内各区域的温度不平衡 立即开 启均衡风机 根据各个区域实际温度情况 将高温区的 气体吹向低温区 直至棚内各区域温度处于平衡状态 案例 3 假设碰到连续阴雨天气或极端寒冷天气等 恶劣天气 大棚内相对气温低于适合农作物生长的温度 23 2022 年 17 期智慧农业 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 时 应开启电加热设备的加热系统 打开管道循环阀门 启动相应的循环泵进行相对温度循环 实时监测相对空 气温度 如发现棚内区域温度不平衡等现象 可自动遵 循案例 2 使用原则进行操作 案例 4 假如温室内土壤温度无法满足农作物生长 需求 第一步就是依据传热模型与传热公式估算液体循 环速度所需的热量与温度 并利用 RBF PID 对上述 2 个 参数进行自适应调节 基于土壤的传热速度较缓慢 传热 时间相对较长 需要持续监测埋地管道附近土壤的温度 变化 当调整到规定阈值内时 且外部环境能够保持土壤 温度几乎不变时 此时将循环液分流回储罐中 3 智能温室大棚调温管控平台测试与应用 3 1 温室大棚调温智能系统测试结果 为有效检测设计系统的可行性和控温的准确性 在 同一个温室集群中选择了 2 个结构 朝向 面积 高度和 材质 相同的 1 号温室和 2 号温室 并且 2 个温室处在 相同的地理位置 本研究设计的综合智能调温系统安装 于 2 号温室 1 号温室不对其进行过多处理作为参考比 较 选择一段时间下午 5 时至次日凌晨 3 时作为测试时 间 验证温控系统的性能与功能 温控设备在开机前 当 天下午 5 时的土壤和空气的初始温度分别为 16 3 和 17 2 因为温室内外环境在不断发生变化 5 时后日照 效应逐渐退去 使得大棚内的温度快速降低 为控制温 度最大程度接近预定温度值 在无光照的情况下 需要启 动供暖系统 依据温度监测结果 自适应调节水温和循环 管道中的水流速度 4 5 5 时以后大棚外部温度从 0 左 右快速下降 深夜降到了 16 左右 虽然对大棚进行了 保温措施 但受外界冷空气因素的影响 大棚内部温度下 降速度迅速 最低气温约 8 最低土温也降到 7 左 右 如果长期处于这样的环境中 农作物就会出现冻伤 的危险 2 号大棚在同样的天气条件下 使用了全方位的智 能温度调节系统 研究数据得出 即使外部环境温度很 低 但通过使用加热和循环系统 在循环开始阶段液体 温度和风机转速均较高 为进行高效传热 在整个过程 中 随着外界温度的变化 智能调节设备的运行状态和 循环液的温度也会随之变化 测试结果表明 启动调温 设备后 空气与土壤的温度分别达到了预定的温度阈 值 由此便能保证农作不被受外界极端天气所影响 有 助于农作物产量增加 3 2 温度集中管控终端 温室大棚中的集中管控平台实际上是一个连接网 络终端的服务器 功能模块齐全 主要由登录权限管 理 网络配置 云端服务器接口管理 温度监控 温室分 区管理 作物专家信息数据库和分析数据等构成 服务 终端利用板卡与温室内的温度监测和温度调节设备节 点完成数据交换 采集温室内各个区域的气温 土壤温 度和设备作业情况 并将信息发送到云端服务器将其 保存在本地数据库中 依据目前温室种植的农作物的 种类及生长周期从信息库中获取合适的生长温度信 息 然后服务器运行得到相应的温度控制方式 将具体 的执行方案发送到需要执行设备网络 最终实现棚内 智能化温度调节 4 结束语 农业信息数据收集 农业信息处理及农业信息管理 等需要通过互联网技术与相应的传感器对环境数据进 行采集与整理 数据管理工作者基于传感器的相关信息 系统对采集数据进行处理和研究 最后利用人工处理方 式或系统自动处理方式对数据进行进一步加工 自动干 预操作设备完成作业 最终实现智能农业信息化 智能 农业机械化 辅助农业管理人员决策和辅助农作物种植 人员种植农作物等目标 以往的日光温室抗寒能力较 差 而且在调温方面只考虑气温对农作物的影响 忽视 了土壤表面温度是农作物生长的首要环境因素 所以 文章利用集中供暖的理念 综合温度智能控温系统设 计 依据气候变化状况 采用大热源管道分别对空气及 土壤进行加热 另在温室内安装均衡风机 有效缓解温 室内气流不畅所造成的温度分布不平衡现象 同时 建 立土壤三维非定常温度与传热数学模型 利用智能控制 达到对土壤温度的准确调节 在根源上解决温度调节的 滞后与不平衡问题 参考文献 1 冷令 吴伟斌 张伟杰 等 基于改进 PSO 算法的多温室物联网 群控终端变量协调控制研究 J 中国农机化学报 2021 42 1 179 185 2 韩兵 许张衡 农业智慧大屏监控系统的设计与实现 J 电脑知 识与技术 2021 17 8 67 68 73 3 王龙忠 浅谈智能温室大棚的系统设计 J 农业技术与装备 2020 3 32 33 4 沈剑波 王应宽 中国农业信息化水平评价指标体系研究 J 农 业工程学报 2019 35 24 162 172 5 郭守斌 魏域斌 魏玉杰 对我国智慧农业发展的思考与建议 J 农业科技与信息 2021 9 72 75 24