日照温室大棚自动卷帘机与智能通风控制系统设计

湖 北 农 业 科 学 2015 年收稿日期 ：20150212基金项目 ：国家自然科学基金项目 （U1304618）作者简介 ：孔国利 （1973），男 ，河南开封人 ，副教授 ，硕士 ，主要从事计算机应用与智能控制研究 ，（电话 ）13838367550（电子信箱 ）kguoli73126com。第 54 卷第 24 期2015 年 12 月湖 北 农 业 科 学Hubei Agricultural SciencesVol 54 No.24Dec.，2015第 卷第 期年 月湖 北 农 业 科 学 l 54 No.24Dec.，日照温室大棚内种植的大多是反季节作物 ，对生长环境的要求极为苛刻 ，尤其是对温湿度 、CO2浓度和光照度的要求更为严格13。 传统日照温室大棚一般采用在日出和日落时通过收放保温卷帘保持夜间棚内的温度 ，通过开窗放风来调节棚内白天的温湿度和 CO2浓度 ，耗费了大量的人力 。 由于不同的作物具有不同的生长周期 ，每个生长周期对环境的参数要求也各不相同 ，如果工人对环境的观察经验不足 ，就会使作物一直处于恶劣的环境中 ，影响作物的正常生长 ，最终导致作物的减产 ，甚至绝收 。因此 ，本研究设计了日照温室大棚自动卷帘机与智能通风控制系统 ，利用在棚内设置温湿度和 CO2浓度采集节点获取环境参数 ，根据系统中的作物生长专家知识库 ，自动对棚内的风机和保温卷帘进行控制 ，使作物始终处在最佳的生长状态 ，实现了现代化温室大棚的精准化管理 ，同时也大大降低了工人的劳动强度 。日照温室大棚自动卷帘机与智能通风控制系统设计孔国利 ，苏 玉（中州大学信息工程学院 ，郑州 450044）摘要 ：针对在传统日照温室大棚管理中存在收放保温卷帘和通风劳动强度大等问题 ，设计了自动卷帘与智能通风控制系统 ，系统主要由环境监测节点 、执行节点和控制决策中心组成 。节点在控制器 C8051F020平台上开发而成 ，实现了对棚内温湿度 、CO2浓度和光照度的监测 ，并通过无线模块 nRF905 上传到控制决策中心 ，根据作物生长专家知识库对风机和自动卷帘机进行控制 ，达到调节棚内环境参数的目的 。 结果表明 ，该系统能准确测量棚内的环境参数 ，并通过控制风机对温湿度进行自动调节 ，为作物的高产创造了条件 ，实现了温室大棚种植的精准化和智能化管理 。关键词 ：温室大棚 ；智能通风 ；自动控制 ；作物生长专家知识库中图分类号 ：TP2735 文献标识码 ：A 文章编号 ：04398114（2015）246386-03DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.076Design on Automatic Rolling Machine and Intelligent VentilationControl System of Sunlight GreenhouseKONG Guoli， SU Yu（Information Engineering College， Zhongzhou University， Zhengzhou 450044， China）Abstract： For the intensity of work of insulation shutter and ventilation in the sunlight greenhouse management，an automaticrolling machine and intelligent ventilation control system which is composed of environment monitoring nodes，action node andthe control decision center is designed The nodes are developed on the platform of Processor C8051F020，which can monitorthe temperature，humidity and CO2concentration，and upload to the control decision center by the wireless module nRF905，thencontrol the fan or autoatic rolling machine to adjust the environment parameters in the greenhouse according to the crop experknowledge baseThe experiment results on the fruit setting period tomato show that the designed system can accurately measurethe environment parameters in the greenhous，and automaticly adjust the temperature and humidity by controlling the fan work-ing condition，which can improve the crop yield and realize the precise and intelligent management of the greenhouse plantingKey words：greenhouse；intelligent ventilation； automatic control；crop expert knowledge base第 24 期1日照温室大棚的总体设计11 日照温室大棚基本构成作物在白天不断进行光合作用 ， 消耗大量的CO2，并释放出 O2。 CO2浓度的降低直接影响光合作用 ，从而影响作物的正常生长 。 同时 ，由于温室温度升高后导致酶的活性增加 ，呼吸作用增强 ，释放大量的水蒸气和热量 ，导致棚内湿度的增加 ，增大了作物发生病虫害的风险 ，而且棚内温度过高影响作物的正常生长 。 为了使温室大棚内的温湿度和 CO2浓度适合作物生长 ，就需要通风换气 。 传统开窗换气的方法如果没有自然风 ，空气无法流动 ，达不到预期效果 ，而且效率特别低 。 为此本设计采用主动排风方法 ，在日照温室大棚的两侧分别设置进风通道和排风通道 ，并安装大功率风机 ，如图 1 所示 。 当两台风机同时工作时 ，棚内空气循环流动 ，不仅能降温和排湿 ，还能补充棚内的 CO2，促进作物的光合作用4，5。当光照度不能满足作物的光合作用需要时 ，或者遇到阴天和雪天时 ，棚内温度就会降低 ，为了避免作物冻伤需要采取保温措施 。 传统方式是人工收放保温卷帘 ，这不仅工作效率低 ，而且工人劳动强度大 。 为此设计了机械化卷帘技术 ，通过电机带动卷帘绳 ，对保温卷帘进行收放 。12 自动智能控制日照温室大棚自动卷帘机与智能通风控制系统主要分为环境监测节点 、执行节点和控制决策中心组成 。 其中 ，环境监测节点主要由光照度监测节点 、CO2浓度监测节点和温湿度监测节点构成6；执行节点主要由保温卷帘控制节点和通风风机控制节点组成 。 考虑到日照温室大棚内环境比较复杂 ，如果采用有线通信方式会使棚内的线路交叉 ，不仅布线困难 ，也不便于日常维护 。 同时 ，由于节点之间的通信距离较短 ， 采用短距离 24 G 无线短距离通信方式即能解决这一问题 。 系统的总体结构如图 2所示 。 由于棚内空间比较大 ，风机不工作时内部空气流动性差 ， 会导致局部 CO2浓度或温湿度不均匀 ，为了更好地调节整个大棚内的 CO2浓度和温湿度 ，控制风机的工作状态 ，采用了 2 个 CO2浓度监测节点和 2 个温湿度监测节点 ，并分别部署在日照温室大棚的不同位置 。 一般布置在大棚长度方向 13和 23 一高一低处 ，这样就能够较全面地测定在不同位置和水平面上的环境参数数据 。管理软件通过作物生长专家知识库分析适合农作物生长 、 提高产量的环境参数和辅助决策 ，将采集到的环境参数 ，向执行节点发出通风和调节光照的指令 ， 温室的气候参数始终保持在最佳状态 。若监测到的环境参数超出阀值 ，会立刻启动相应的执行设备进行调节 。 同时 ，通过短信网关 ，向预设的管理者手机发送报警信息 。2监测和控制节点硬件平台结构由于系统中涉及到的节点种类比较多 ，为了方便设计和使用 ，统一采用了接口资源较丰富的控制器 C8051F020 作为开发硬件平台7。其中 ，需要用的模块主要由温湿度传感器 AM2302、 光照度传感器BH17 （置于温室大棚外 ）、CO2浓度监测变送器 、FLASH 存储器 K9K2G8U0M、风机控制电路 、卷帘机控制电路 、24 G 无线通信模块 nRF905、 显示屏12864 和声音报警模块等组成 。 监测和执行节点硬件平台构成如图 3 所示 。根据不同节点的需要 ， 只要配置对应的模块 ，并向控制器 C8051F020 写入相应的程序即可 。 监测图 2 系统的总体结构光照度监测节点1# 通风风机控制节点 （进风 ）2#CO2 浓度监测节点1# 温湿度监测节点1#CO2 浓度监测节点2# 通风风机控制节点 （出风 ）2# 温湿度监测节点保温卷帘控制节点控制决策中心图 1 日照温室大棚基本构成电机滑轮及支撑保温卷帘风机通道（进风 ）风机通道（排风 ）作物图 3 监测和控制节点硬件平台构成声音报警模块 显示屏12864 通信模块 nRF905温湿度传感器AM2302CO2浓度监测变送器光照度传感器BH17控制器C8051F020存储器 FLASHK9K2G8U0M风机控制电路卷帘机控制电路孔国利等 ：日照温室大棚自动卷帘机与智能通风控制系统设计 6387湖 北 农 业 科 学 2015 年节点主要是通过温湿度传感器 、 光照度传感器和CO2浓度监测变送器采集周围环境参数 ， 由无线通信模块 nRF905 发送至控制决策中心 ，将这些参数和运行状态显示在显示屏上 。当通信出现异常时 ，会将数据暂时保存在本地 FLASH 存储器 K9K2G8U0M上 ，待通信恢复正常后再继续上传 ，保证了数据的连续性和完成性8，9。当监测到的这些数据超出了适宜作物生长的范围 ， 执行节点就会收到来自控制决策中心的指令 ， 启动 关闭风机来调节日照温室大棚内的温湿度和 CO2浓度 ，直到满足作物生长 。光照度监测节点利用传感器 BH17 白天采集温室大棚外的太阳光进行光合作用 ，夜晚温度下降时 ，控制决策中心向卷帘机发送启动信号将保温卷帘放下 ，对大棚进行保温 ；太阳升起后 ，光照度增加作物能够进行光合作用时 ，控制决策中心向卷帘机发送收起卷帘信号 。3控制决策中心管理软件控制决策中心的计算机安装了管理软件 ，管理软件借助数据库 ACCESS2008 在 VC60 环境下开发而成 ，运行在 Windows 操作系统下 。 主要功能由系统配置 登陆管理 、无线通信配置管理 、数据库管理 、 作物生长专家知识库 、 历史数据曲线分析 、统计 报表打印和报警模块等组成10，11。 控制决策中心管理软件功能如图 4 所示 。作物生长专家知识库内部储存了作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施 ， 其中最佳气候参数是用于温室控制最重要 、最直接的参数 ，包括白天 、夜晚植物在不同生长期的最佳温湿度 、光照度和 CO2浓度等 。 计算机通过串口与无线通信模块 nRF905 与各节点进行数据通信 ，采集温室大棚内的温湿度和 CO2浓度 ，并实时显示在控制决策中心的显示屏上 ，同时将数据保存在数据库 ACCESS2008 中 。 根据作物生长专家知识库中的数据 ，再与处在同样生长期内的作物周围环境参数进行比较 ，若超出了最佳生长范围 ，就会通过 nRF905 无线模块向风机或者卷帘执行设备发出指令进行调节 ，同时 ，将报警信息以短消息的形式发送到预设的手机号码上 ， 并向本地发出报警 ，提醒周围的工作人员注意观察 。4测试结果与分析为了测试设计的系统性能 ，在单体标准日照温室大棚内进行了测试试验 。 大棚占地面积 150 m1 m6 m， 种植单一品种番茄 ， 正处于关键的坐果期 。 通过作物生长专家知识库可知 ，番茄属于喜光作物 ，光饱和点为 70 000 lx，一般应保证 30 00035000 lx 的光照度 ，才能维持其正常的光合作用和生长 。 番茄在坐果期对温度的要求白天为 2025，夜间 1518 ，对空气湿度的要求维持在 60左右10。通过报表统计功能得到 24 h 的温湿度曲线分别如图 5 和图 6 所示 。从图 5 可以看出 ，系统对大棚内的温度控制的比较准确 ， 在 8：0018：00 点之间作物进行光合作用时 ，一直保持在 2025 ，但在 13：00 点时温度达到 256 ， 会抑制番茄红素及其他色素的形成 ，影响果实着色 。 控制决策中心向风机执行发送了启动风机工作的信号 ，使温度在 14：00 降到 251 。 夜间温度保持在 17 左右 ，符合番茄作物生长专家知识库的要求 。从图 6 可以看出 ，由于白天光合作用和呼吸作用旺盛 ，产生大量的水蒸气 ，使得棚内的湿度显著图 4 控制决策中心管理软件功能数据库ACCESS2008数据库管理无线通信配置管理系统配置 /登陆管理作物生长专家知识库历史数据曲线分析统计 /报表打印控制决策中心管理平台nRF905 模块 +串口 显示器 短信网关 /本地报警0 5 10 15 20 25时间 /h4035302520151050温度/图 5 24 h 温室大棚内温度变化曲线图 6 24 h 温室大棚内湿度变化曲线0 5 10 15 20时间 /h1009080706050403020100湿度/%（下转第 6393 页 ）6388第 24 期提高 ，此时与温度的变化比较一致 ，但在 13：00 湿度达到 678，随着风机的开启 ，湿度逐渐降低 。 夜间温度降低 ，作物呼吸作用减弱 ，其排出的水蒸气减少 ，所以夜间湿度偏低 ，在 50左右 ，但不影响作物的发育生长 。5小结采用 24 G 短距离无线通信技术设计的日照温室大棚自动卷帘机与智能通风控制系统 ，通过监测温湿度 、CO2浓度和光照度 ，再根据作物生长专家知识库 ，对棚内的环境进行自动调节 。 采用两台风机同时进风和排风的方式 ，大大提高了大棚内外空气的流动效率 ，引入机械化卷帘技术 ，降低了人工劳动强度 。 通过温室大棚对坐果期番茄试验的结果表明 ，系统工作稳定可靠 ，能够准确获取棚内的环境参数信息 ，并能够自动调节 ，为温室大棚管理的信息化和智能化提供了强有力的技术支持和保障 。参考文献 ：1 孙 昊 ，滕光辉 ，张晓飞 ，等 日光温室卷帘机荷载实时测量系统设计与试验 J农业工程学报 ，2014，30（1）：1381452 张 杰 ，卢博友 ，张海辉 基于 ZigBee 的温室卷帘机精准控制系统设计 J农机化研究 ，2013，35（5）：77803 张晓飞 ，滕光辉 ，孙 昊 基于 LabVIEW 的温室卷帘机远程监控系统设计 J沈阳农业大学学报 ，2013，44（5）：5365414 张亚新 ，曹万苍 日光温室大棚自动卷帘控制系统 J中国农机化 ，2012（5）：971005 谭胜男 ，汪小旵 ，保智敏 ，等 温室内喷雾降温系统的 CFD 模拟J江苏农业学报 ，2013，29（2）：2832876 何科爽 ，孙丽娟 ，黄震宇 ，等 南方连栋塑料温室冬季通风除湿开窗优化 J农业机械学报 ，2012，43（11）：1861917 葛建坤 ，汪顺生 ，罗金耀 基于 ANFIS 的温室微气候通风调控模型 J排灌机械工程学报 ，2013，31（4）：3583638 刘艳朋 ，杨宝祝 ，王元胜 基于 BS 的森林火灾预警与指挥系统设计 J计算机工程与设计 ，2013，34（1）：3603659 张永梅 ，王凯峰 ，马 礼 ，等 基于 ZigBee 和 GPRS 的嵌入式远程监测系统的设计 J计算机科学 ，2012，39（6）：222225，23410 董庆庆 ，高丹华 ，杨 恋 ，等 基于 VC的超声无损检测上位机软件设计与实现 J计算机测量与控制 ，2014，22（4）：1307130911 李 丽 ，武照云 ，卢利平 ，等 基于 GPRS 的冷却塔水轮机远程监测系统设计 J制造业自动化 ，2014，36（5）：11611912 王丽娟 ，李天来 ，范文静 苗期夜间低温处理对西红柿叶片蔗糖代谢的影响 J湖北农业科学 ，2011，50（14）：28862888（责任编辑 屠 晶 ）（上接第 6388 页 ）!表 5 2010 年干烟房烟叶评吸结果 （单位 ：分 ）项目对照处理对照处理级别C3FC3FB2FB2F编号YW42110300001YW42110300003YW42110300002YW42110300004香气质 （18）15.015.514.014.5杂气 （16）14.014.013.013.5刺激性 （20）17.017.517.017.0劲头 （5）4.03.54.03.5香气量 （16）13.514.013.513.5余味 （22）17.017.517.017.0合计 （100.0）82.585.080.581.5浓度 （5）4.03.53.53.5灰色 （4）2.02.52.02.0燃烧性 （4）4.04.04.04.0可用性 （5）3.03.52.53.0（责任编辑 屠 晶 ）量高于对照 。3小结与讨论干烟房烟叶干筋后平均重量为烟叶完全变成褐色重量的 660786，平均比例为 720，对照为 536763，平均比例为 636。 干烟房可以缩短晾制时间 ， 白肋烟完全变成褐色后进入干烟房干筋 ，干筋时间 27 d，比对照缩短晾制时间 201 d。干烟房的使用可缩短烟叶调制时间 ，减少了调制过程中烟叶干物质的损耗 。白肋烟晾制完全变褐后进入干烟房干筋 ，不同的温度对于烟叶质量影响差异不明显 ；烟叶在干烟房中进行干筋 ，避免了在普通晾房中因低温高湿导致干筋时间过长 、内含物消耗过多和烟叶出现霉点 、霉筋现象 ， 减少了烂烟损失 ， 比对照提高产量142。 同时 ，干烟房干筋的烟叶光泽鲜明 ，增加了浅红黄烟叶比例 ，烟叶质量显著提高 ，产值增加 46925元 /667m2，收入增加 51684 元 /667m2，烟叶均价增加126 元 kg，上中等烟比例增加 556 个百分点 。 干烟房成本支出 25358 元 /667 m2， 比对照增加 25358元 /667 m2，干烟房平纯收入为 2 04315 元 /667 m2，比对照增加纯收入 26326 元 /667 m2。干烟房干筋可以提高白肋烟的产量和质量 ，缩短晾制时间 ，大幅度减少晾棚占地面积 ，有利于白肋烟生产的规模化经营及推进白肋烟产区现代烟草农业建设 。参考文献 ：1 杨春雷 不同海拔下白肋烟的配套晾制技术研究 J烟草科技 ，2005（5）：39442 柴家荣 ，李西光 ，郭生云 ，等 白肋烟不同类型晾房温湿度变化及晾制效果研究 J云南农业大学学报 ，2001（2）：1371403 朱尊权 坚定优质白肋烟发展的方向 J烟草科技 ，1990（6）：28344 柴家荣 ，李天飞 ，雷丽平 ，等 白肋烟不同晾制条件温湿度变化及体内水分变化规律研究 J云南农业大学学报 ，2000（2）：65685 杨春雷 ，袁国林 ，李进平 ，等 白肋烟晾房内温湿度调控设施研究 J中国烟草科学 ，2007（3）：21236 YCT 1932005，白肋烟晾制技术规程 S7 高 林 ，李进平 ，杨春雷 ，等 调制期间白肋烟烟叶含氮化合物的变化 J烟草科技 ，2006（3）：45488 李章海 ，刘贯山 ，王晓荣 ，等 白肋烟调制过程中外观变化与内在变化关系的研究 J烟草科技 ，1999（6）：3739尤开勋等 ：新型白肋烟晾制干筋辅助加温设施的设计 6393