戈壁地区日光温室智能防冻控制系统设计与实现_祁正荣.pdf

2 0 2 5年 第8期 中国农机装备 设施农业装备 戈壁地区日光温室智能防冻控制系统设计与实现 戈壁地区日光温室智能防冻控制系统设计与实现 祁正荣 1 2 1 酒泉职业技术大学 酒泉 735000 2 甘肃省太阳能发电系统重点实验室 酒泉 735000 摘要 为克服戈壁地区低温 干旱等自然条件影响 日光温室逐步成为戈壁地区发展现代农业的主要形式 为提升温室主动适 应作物生长需求能力 可自主调控温度的主动式温室得到了广泛的应用 在分析戈壁地区主动式温室自动控制需求的基础上 设计了一种温室智能控制系统 可实现温室自动加热 控温功能 达到智能防冻系统调控温室温度的目的 关键词 日光温室 智能防冻 控制系统 设计 在我国甘肃 宁夏 青海 新疆 内蒙古等地区 有大片戈壁地貌 因其深居内陆 大部分位于中高纬 地带 受地理位置和地形的影响 冬季低温持续时间 久 昼夜温差大 地表干旱少雨等特点 致使在戈壁 地区发展农业存在一定限制 尽管自然条件恶劣 但 西北戈壁地区的农业发展已经取得了一定的成就 为 了应对干旱和土壤贫瘠的问题 西北戈壁地区积极引 进和推广节水灌溉技术 土壤改良技术和植物培育技 术 其中 日光温室技术和绿色防控技术的应用有效 提升了土壤保肥保水性能 是戈壁地区最具代表性的 农业生产形式 传统日光温室很好地解决了戈壁地区发展农业受 限的问题 但大部分日光温室结构单一 仅能实现保 温功能 为适应不同作物的生产需求 国内外农业研 究人员开发了一种主动蓄热 增温 保湿 通风等功 能于一体的智能温室 能根据不同作物生产需求 保 持温室内温度恒定 特别是在冬季 防止因低温造成 对作物的损害是对智能温室的基本功能需求 本文对 日光温室智能防冻系统的需求进行分析 并设计了一 种智能控制系统 1 1 控制系统需求分析 温室大棚温度调控是设施农业环境控制的核心环 节 其调控策略需基于植物生理特性与昼夜温度变化 规律进行优化设计 根据植物光合作用与呼吸作用的 热力学需求 可将 24 小时温度调控划分为四个特征 时段 午前时段 高光合效率期 在光照强度达 到峰值 08 00 12 00 期间 为最大化光合作用效率 建议维持 25 30 的最优温度区间 该温度范围 可有效激活 Rubisco 酶活性 促进卡尔文循环的进行 午后时段 光合衰减期 随着光照强度减弱 12 00 18 00 植物光合速率呈指数衰减 此时 应将温度调控至 20 25 此策略可降低暗呼吸 速率 实现光合同化产物的净积累最大化 前半夜 时段 呼吸主导期 日落后 18 00 24 00 维持 10 12 的低温环境具有双重效益 抑制线粒体呼 吸作用对同化物的过度消耗 避免低温胁迫造成的膜 脂相变 需特别注意的是 阴天条件下的昼间温度应 较晴天基准降低 5 以弥补光照不足带来的热力学 失衡 后半夜时段 低温蓄能期 在午夜至凌晨 00 00 06 00 保持适度低温 可有效降低植物代 谢消耗 同时为次日光合作用储备能量 在戈壁荒漠等寒冷地区 冬季夜间常出现极端低 温 20 导致传统温室的热惯性不足以维持上 述温度区间 特别是当环境温度骤降时 温室热平衡 方程中的传导和对流项显著增大 使得保温系统面临 严峻挑战 这种现象会引发细胞膜流动性降低 酶活 性抑制 光系统 II 损伤 渗透调节失衡等问题 为此 研究提出开发基于模糊 PID 控制的智能防冻系统 1 1 实现温室智能防冻 根据不同作物生长对环境温度的需求 在系统中 设定启动温度 最低温度 和待机温度 最高温度 后 系统根据实时测得的环境温度数据 控制防冻系 统运行和待机 以达到智能防冻的目的 以种植西红 柿大棚为例 西红柿属于喜温性蔬菜 白天适宜生长 温度范围为 20 28 左右 晚上适宜温度范围为 作者简介 祁正荣 1988 01 副教授 硕士研究生 研究方向 电气工程 自动化控制 新能源应用技术 Email zroong 2 0 2 5年 第8期 15 18 左右 适宜昼夜温差为 10 15 因此 设定系统白天的启动温度为 20 当温室内环境温度 随增温装置的加热逐渐升高达到 28 时 系统停止加 温保持待机 考虑到燃料燃烧特性和增温装置热惯性 设定系统白天的停机温度为 26 同理 设定系统夜 间的启动温度为 15 停机温度为 18 1 2 实现远程自动控制 通过自定义规则 根据温室内作物生产需求 设 定系统燃烧炉点火温度 自动进料时间 单次进料量 鼓风换热等参数 让智能防冻系统随环境参数变化自 动控制 以种植西红柿大棚为例 根据温室空间大小 和室外环境温度 当空间较小 且室外温度较高时 可设定单次进料量在 2 3kg 之间 间隔时间可设定 为 30 40min 如室外环境温度较低且温室空间较大 则可相应提高单次进料量并缩短间隔时间 增大燃烧 炉进气压力 2 控制系统总体设计 根据功能需求 设计的智能防冻系统主要功能是 实时监测一天内日光温室环境温度变化 以此来调控 智能防冻系统 实现自动燃料供给和自动点火 从而 控制燃炉燃烧来释放高温烟气 并经换热系统与进入 的冷空气进行换热后吹到温室内实现温室内增温 2 如果在规定的四个时间段内温度低于温室内要求的温 度 自动点火装置就会自动点火 点燃生物质颗粒燃 料为温室供暖 如果温室内的温度超过需要的温度 燃炉内的燃烧会自动停止 3 核心关键研发技术主要 是控制系统实现对日光温室内温度实时监测 燃烧装 置自动给料 根据炉膛温度控制加热时间等功能 设 计的智能防冻系统总体功能如图 1 所示 3 控制系统硬件设计与实现 3 1 控制器选型 控制器是整个智能防冻系统的核心 相当于人类 的大脑 要对温室内温度和炉膛内温度进行实时检测 并根据不同时间段的温度要求进行决策分析 通过分 析结果来控制点火装置实现智能防冻系统的自动点 火 系统需求中对参数检测较少 需要的内存也较少 控制复杂度低 因此在设计中选用简单 价格便宜且 广泛应用的 AT89C51 作为控制器 通过构建最小应 用系统即可工作 4 构建的最小应用系统电路如图 2 所示 3 2 炉膛温度检测元件选型与设计 炉膛是智能防冻系统中生物质颗粒燃料燃烧的空 间 其作用是将生物质颗粒进行燃烧 并将所散发的 热量传递出去 为了很好地控制烧燃时间来控制散热 温度 需要对炉膛内的温度进行实时监测 系统中选 用 K 型热电偶作为监测元件 K 型热电偶是一种常用 的工业温度传感器 它可以直接测量各种生产中从 到 1300 范围的气液介质或固体表面温度 5 K 图 1 智能防冻系统总体功能 中国农机装备 设施农业装备 戈壁地区日光温室智能防冻控制系统设计与实现 2 0 2 5年 第8期 型热电偶通常由感温元件 安装固定装置 和接线盒等主要部件组成 热电偶丝直径 一般为 1 2 4 0mm 型热电偶具有线 性度好 热电动势较大 灵敏度高 稳定 性和均匀性较好 抗氧化性能强和价格便 宜等优点 能用于氧化性惰性气氛中 由于热电偶输出信号为模拟量信号且 信号一般较弱 因此在设计中选择一款精 密的热电偶数字转换器 MAX6675 与 K 型 热电偶配合使用 MAX6675 内置 12 位模 数转换器 ADC 还包括冷端补偿检测 和校正 数字控制器 SPI 兼容接口以及 相关的控制逻辑 有关 MAX6675DE 详细 引脚功能和使用说明较为成熟 可以参考 其芯片说明书 在此不再叙述 系统中与 K 型热电偶的连接电路如图 3 所示 3 3 温室温度检测元件选型与设计 根据温室内部的温度分析 温度范围 为0 3 5 因此 系统选择集成 RS232 串口的智能温度传感器实现温室内 温度的实时监测 6 为了将温度传感器监 测数据实时传输到防冻系统 选择 AS32 TTL 1W LoRa 无线通信 LoRa 进行数据传 输和接收 与温度传感器进行连接的实际 接口如图 4 所示 智能防冻系统控制器串 口端添加 LoRa 通信模块 LoRa 对应传输 模式是一种广播模式 系统中实现与温度 传感器端的通信功能 当温度传感器完成 温度采集后将通过 LoRa 串口通信将读取 图 2 AT89C51 最小系统 图 3 K 型热电偶与 MAX6675 电路连接 图 4 无线通控制信 LoRa 模块与传感器连接电路 中国农机装备 设施农业装备 戈壁地区日光温室智能防冻控制系统设计与实现 2 0 2 5年 第8期 的温度值实时发送给智能防冻系统 其中 LoRa 通信 模块的详细应用资料公开可查 此处不详细列出 3 4 人机交互电路设计 考虑到操作者能够方便 简单地对智能防冻系统 在工作过程中进行操作 在系统设计过程中专门设置 了一套人机交互模式 当智能防冻系统监测到温室内 温度不在合理的范围之后 可以手动启动按钮操作系 统进行点火 同时显示器会显示出通过温度传感器测 出来的温室温度 人机对话部分的设计是为了能够更 好地对温室内部的温度进行设置 便于对温室温度进 行人工操控 3 4 1 显示部分设计 系统采用 4 位数码管显示器显示大棚内部的温 度 当智能防冻系统燃炉燃烧和停止燃烧时 显示器 显示温室内和炉膛内恒定温度 可以通过按键切换实 现显示 由于控制器资源有限 系统通过 TM16504 进行扩展 5 位数码管显示的连接方式如图 5 所示 3 4 2 键盘设计 为了针对不同日光温室内温度范围的变化 通过 设计按键来实现对系统中温度参数范围的修改以及其 余简单控制功能的调整 设计选取简单常用的独立按 键 其连接接口如图 6 所示 矩阵键盘按键分别是 0 9 键和 A B C D E 和 F 键 与 AT89C51 中的 P1 口实现连接 通过键盘 可以进行室内温度和炉膛温度切换显示 系统的启停 设置 手动 自动模式选择 风机调速等 3 5 报警电路设计 温室温度不在不同阶段的范围内时都对温室内农 作物的生长产生影响 这就需要设计对应的报警系统 对温室温度超出合理区间后进行相应的报警处理 及 时把信息反馈给温室看守 人员 让看守 人员通过人机 交互系统进行重新设置或者找出对应故障 尽快恢复 图 5 用 TM16504 扩展数码管显示 图 6 键盘接线图 图 7 温室系统报警电路 中国农机装备 设施农业装备 戈壁地区日光温室智能防冻控制系统设计与实现 2 0 2 5年 第8期 系统运行 从而降低相应的经济损失 因此 报警系统 设计对于整个系统必不可少 其电路原理如图 7 所示 当温室内部的温度超过对应的设置值时 其 P2 3 就会将信号传递给蜂鸣器 看守人员通过蜂鸣器就会 及时了解到故障 从而对其进行对应的巡查和解决 3 6 自动点火元件选型和设计 整个控制系统利用点火枪吹出热风来点燃生物质 颗粒 实现防冻系统的自动点火 该自动点火系统安 装于燃烧炉炉膛侧壁 由电加热元件 热送风电机 控制器等组成 当监测温度低于室内温度要求时 通 过控制器控制点火枪接通电源启动 实现防冻系统中 自动点火功能 解决了传统操作预估时间点进行手动 点火的问题 提高了点火效率 实现了精准控制 智能防冻系统中的燃烧炉自动点火系统具有安装 方便 控制简单 点火速率快 稳定性高 使用寿命 长等特点 由窜激电机 高温点火芯 涡旋风嘴组成 窜激电机功率小风力强 高温点火芯为进口 2080 电 热丝和氮化硅点火棒 涡旋风嘴火力集中至 900 点火枪的窜激电机为 220V 10W 点火芯 220V 400W 涡旋风嘴材料为 201 不锈钢 设计的点火枪驱动控制电路如图 8 所示 当温室 内温度低于设定的温度时 控制器引脚输出低电平信 号 该信号经驱动门 7407 放大后使得 MOC3061 内部 的光电耦合器导通 其输出端 6 脚与 4 脚之间得到输 出电压 触发双向可控硅 KS 导通 使电点火枪获得 220V 工作电压进行点火 4 控制系统软件设计 4 1 智能防冻系统主程序设计 基于日光温室大棚温度变化控制生物质热风炉自 动启停 自动点火 自动给料的单片机控制流程如图 9 所示 当戈壁温室内温度低于影响农作物生长的临 界温度时 热风炉开启 自动给料装置开始工作 燃 料仓内的生物质颗粒燃料从进料管进入炉膛 燃料在 炉膛堆积一定量后 自动点火装置开始工作 吹入炉 膛的高温空气将燃料加热至浓烟冒起时 温室外排烟 图 8 自动点火驱动电路 图 9 系统软件流程图 中国农机装备 设施农业装备 戈壁地区日光温室智能防冻控制系统设计与实现 2 0 2 5年 第8期 口处引风机开始工作 炉膛内形成负压 助燃空气从 进气管进入炉膛 生物质颗粒被点燃 随后 温室内 热风出口处引风机开始工作 换热器内形成负压 室 内冷空气从炉膛操作口侧壁进入 通过炉体侧壁加热 后进入换热箱进一步被加热 在排风引风机的作用下 经过热风管道排向温室的另一端 使温室内空气循环 加热 主程序中函数定义如下 void Init void 初始化函数 u8 ReceData void 接收室内温度数据函数 void diaohuo 点火函数 u8 lutangT u8 str 炉膛温度读取 void fanqidong void 散热风机启动 4 2 RoLa 通信功能程序设计 R o L a模块分别与智能防冻系统的控制器 AT89C51 串口连接 同时与基于 RS232 接口的温度 传感器连接 温度传感器实时采集的数据可以通过发 送端 LoRa 模块发送到接收端 其发射和接收数据基 本流程如图 10 和图 11 所示 主要函数定义如下 include 52 h typedef struct 定义设备参数 u8 addr 设备地址 u8 chn 信道 u8 power 发射功率 u8 wlrate 空中速率 u8 wltime 休眠时间 u8 mode 工作模式 u8 mode sta 发送状态 u8 bps 串口波特率 u8 parity 校验位 LoRa CFG extern LoRa CFG LoRa CFG extern u8 Lora mode 模式设定函数 void Lora at response u8 mode 响应函数 u8 Lora check cmd u8 str 校验函数 u8 Lora send cmd u8 cmd u8 ack u16 waittime 发送命令函数 u8 LoRa Configure void 配置函数 void LoRa Init void 初始化函数 void Aux Int u8 mode 工作状态设置 void LoRa Set void 设置函数 void LoRa SendData u8 Data 发送数据函数 u8 LoRa ReceData void 接收数据函数 5 总结 基于戈壁地区温室内作物防冻害的需求 对智能 防冻系统进行了总体设计和分析 对智能防冻系统模 块组成部分的控制器 温度检测电路 人机交互电路 报警电路和点火装置等硬件进行了选型和设计 并对 系统软件工作流程进行了分析 设计的戈壁地区温室 智能防冻系统对于提高温室内作物的生产能力和生产 质量具有重要作用 图 10 温度传感器端 LoRa 发送数据流程 图 11 防冻系统端 LoRa 接收数据流程 中国农机装备 设施农业装备 戈壁地区日光温室智能防冻控制系统设计与实现