节能型日光温室智能加温控制系统设计*

宫志宏，董朝阳，于 红，黎贞发**，薛庆禹



节能型日光温室智能加温控制系统设计*

宫志宏1，董朝阳1，于 红2，黎贞发1**，薛庆禹1

（1.天津市气候中心，天津 300074；2.天津市武清区气象局，天津 301700）

在北方冬季节能型日光温室生产中常出现极端低温天气，气温低于作物致死温度，导致温室作物大幅减产甚至绝收。为精准调控温室温度，降低低温带来的损失，本研究设计了一套日光温室智能加温控制系统，其硬件设备由感知模块、主控模块、通讯模块、伺服模块、执行设备组成。系统实现了日光温室温度环境的智能控制，可自动采集温室内气温数据，并根据主控模块内设置的加温控制阈值实现温度执行设备的自动开关，同时可通过Android远程客户端进行数据查看及执行设备状态控制。系统应用与验证结果表明：二代砖墙日光温室最低温度维持6～8℃，则系统日开启时间需4.9h，日资金投入146元；维持10～12℃，则系统日开启时间6.1h，日资金投入194元。应用过程中系统性能稳定，实现了温度环境的精细化、无人值守智能调控，夜间加温效果良好。

日光温室；低温；监测；智能控制；加温

日光温室主要依靠接收太阳辐射以及良好的温室围护结构保温来满足蔬菜生长所需要的热量条件[1-3]，日光温室生产已成为中国北方农业生产中发展速度最快、经济效益最好和增加农民收入最多的新兴产业之一[4]。在冬季日光温室生产过程中经常会遇到低温天气，延迟了作物的发育进程、降低了作物品质[5-8]，如果不能及时采取加温措施，往往会导致大幅减产甚至绝收[9-11]。为了保证温室内作物能够在冬季正常生长，部分温室内安装了加温设备，但在现有农业气象服务和实际生产过程中，农户大多凭经验来判断日光温室是否需要采取加温措施，而低温往往又出现在夜间，这给实际生产带来了诸多不便。近年来，国内外学者对自动增温进行了大量研究。目前，温室加温原理主要有热水加热、热风加热和辐射加热，加温技术主要包括地源热泵技术、温室地下蓄热加温技术、太阳能辅助技术等[12-16]。但是，其中多数加热设备需要耗费大量的能源，还可能产生CO、SO2和NO等有害气体[17]；且大多温室加温方法需要对现有温室进行大范围改造，也无法精准控制温度[18-21]。电能精准 调控加温是一种有效且易于控制的手段，但目前主要应用于大型连栋智能温室[22-23]，通常集通风、灌溉、卷帘、加温补光于一体，价格较昂贵，无法直接移植到节能型日光温室利用。

本文拟设计一种性价比较高的温室智能加温系统，通过电加温的方式实现节能型日光温室温度环境实时监测与智能调节控制，以创造农作物良好适宜的温度环境，从而达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

1 系统结构设计

日光温室智能加温控制系统是将温度要素监测、设备控制、网络化应用集于一体的面向现代农业的自动化系统。系统通过采集温室内空气温度，并根据农作物生长需求设置进行智能温度控制，自动开启/关闭指定的环境调节设备，达到适时加温的目的，而且用户也可通过互联网随时了解温室的温度环境信息并完成远程控制。整个系统由感知模块、主控模块、通讯模块、伺服模块和执行设备组成，其框架结构如图1所示。

（1）感知模块

主要负责温室内空气温度数据感知，由空气温度传感器及防辐射罩组成。其中空气温度传感器型号为SHT20，测定范围为-40～125℃，精度为±0.4℃。数据感知模块将数据通过I2C总线传输给主控模块。

（2）主控模块

主控模块负责收集实时环境监控数据，并提供数据查询、后续数据分析及决策，对伺服模块进行管理操控，实现加温控制。其核心处理器采用STM32F103VET6芯片，可以提供较强的处理能力。主控模块可通过两种方式进行设置，包括RS485总线与电脑接连进行设置和Android终端控制软件进行远程操控。

（3）通讯模块

通讯模块采取GPRS、3G方式与远程中心连接，实现远程控制中心对温室的加温操作和温室实时监测数据的传输。

（4）伺服模块

伺服模块主要完成温室中各种设备的管理控制，其与主控模块通过RS485总线连接，通过内置的CPU（型号为STM32F103C8T6处理器）接收主控模块发来的控制指令，按照控制指令通过220V AC控制信号启动完成强电设备的开关控制，并监测控制设备的执行状态，将控制指令执行情况上报给主控模块。一个伺服模块可以有一个或多个伺服通道，从而实现执行设备的分步控制。

（5）执行设备

执行设备主要包括增温设备。增温设备采用热风机，每台设备功率15kW，采用380V AC供电，可以有效覆盖半径为15～20m的空间升温。通过壁挂的方式安装在温室内后墙体顶部。

2 系统实现与运行

2.1系统实现

温室智能控制器的工作流程如图2所示，包括控制器模块1，继电器模块2，空气开关模块3，加温执行模块4，指示灯模块5，以及交流监测模块和选择开关模块。

模块1由微控制单元（MCU）、电源模块、开关状态检测电路和驱动电路组成，电源模块、开关状态检测电路和驱动电路均与MCU相连；MCU通过485总线与主控模块相连进行通讯，主控模块连接温度传感器。MCU通过驱动电路驱动继电器，继电器通过空气开关连接加热器。继电器通过交流检 测模块将220V转成3.3V并与MCU相连。交流检测模块用于检测继电器的开关状态，并将开关状态信号反馈给MCU。指示灯与继电器相连，用于指示各继电器的开关状态。选择开关模块通过开关状态监测电路与MCU相连，选择开关分为“自动”、“手动”、“停止”3个档位，用于控制继电器的运行状态。选择“自动”档位时，由MCU控制继电器开关状态，指示灯为红色；选择“手动”档位时，控制加热器的继电器为开状态，指示灯绿色；选择“停止”档位时，控制加热器的继电器为关状态，指示灯关闭。

运行过程为：MCU根据检测的数据对继电器进行智能控制，继电器控制加热器来实现调节温室大棚内的温度；MCU通过交流检测模块实时监测各继电器的开关状态，并将开关状态信号反馈给MCU，当MCU监测到继电器工作不正常时，MCU做出相应反应；指示灯可以直观反应继电器的开关状态；通过选择开关模块实现手动/自动功能的切换。

2.2系统关键技术

2.2.1 安全控制基本规则

当设备控制开关在“自动”档时，可根据实际生产中用户设置的上下限温度值自动开启和关闭加温设备；在“手动”档时，可根据用户设置的上限温度自动关闭加温设备。为了保证系统的安全性，空气温度传感器设2个，数据采集密度每秒1次，主动上传密度每10分钟1次，触发系统自动开启功能时，需要两个空气温度传感器同时达到开启下限，触发系统自动关闭功能时，只需一个空气温度传感器达到上限即可关闭。

为了实现人机交互的友好性，系统具备如下基本功能：（1）温度低于设置下限时，用户可选择两种方案，分别为设备发送短信提示用户“温度值低于下限+当前温度值+是否启动加温设备”或“温度值低于下限+当前温度值+已自动启动加温设备”；（2）即使温度未达到设置下限值，用户可使用手机发送短信命令控制方式，控制受控温室加温设备开关；（3）当用户发送开启或关闭命令后，系统根据设备实际执行情况返回开启成功、失败及失败原因。如，当前设备已经开启，用户再次发送开启命令，则返回“开启失败，原因：当前设备已经开启”；（4）当系统开启加温设备后，温室每提升X℃则自动向用户发送短信，提示用户当前温室温度（X值可手动设置）；（5）当温度值高于上限，控制器自动关闭加温设备，并向用户发送短信，提示用户“温度高于上限+当前温度值+设备已关闭”。

2.2.2 系统设置方法

主要指主控模块的设置，可通过RS485总线与电脑连接（现场有线）和Android终端控制软件（远程无线）两种方式进行操控。RS485总线与电脑接连时，首先选择伺服通道，有上下限模式、时间模式和混合模式3种控制模式可供选择。上下限模式即超出上限执行上限动作，超出下限执行下限动作；时间模式即在时间范围内执行起始动作，在时间范围外，不进行任何操作；混合模式即在时间范围内采集值超出上限执行上限动作，超出下限执行下限动作，在时间范围外，不进行任何操作。上限值和下限值的取值区间参考对应的感知模块温度传感器的测量区间，起始时间和截止时间不能相同。为了方便管理者根据作物生长发育需求随时设置加温控制时间和区间，研究开发了可供管理人员远程使用的基于Android版本的终端控制软件。运用Android手机终端远程设置，需在主控模块为终端手机号码开通相应权限。主要设置界面如图3所示。

2.3 系统应用与验证

2.3.1 试验介绍

对天津市1981-2010年气候资料分析可知，1月是全年气温最低的月份，日照时数仅略高于11月和12月，综合气温和日照的分布特点，1月是天津市日光温室气象灾害主发时段，因此，选择1月观测数据并进行比较分析。观测时间为2016年1月19-25日，观测地点为天津市西青区二代砖墙日光温室。选取两个相邻日光温室，进行室内外温度对比分析，两个温室的结构和管理方式一致，其中一个安装智能加温控制系统，一个不安装，作为对照。温室跨度8.5m，长度60m，后墙高2.5m，屋脊高3.5m。其中试验温室安装了智能加温控制系统，2套温度传感器安装在温室中心向东5m和向西5m，离地高度1.5m，加温执行设备选用功率15kW，380V AC工业用热风机4台，均匀分布于温室内后墙离地面1.8m高度处。设置智能加热控制系统自动开启时间为0～24h，为避免加热器启动频繁，将加热设定为一个区间范围，第1-3天的温度开-关阈值为6～8℃，第4-6天为10～12℃。对照温室不做任何控制，仅进行气温的实时观测，监测密度为每10分钟1次，室外监测方法与对照温室相同。

2.3.2 加温结果分析

根据2016年1月19-25日观测结果，除21日夜间室外温度为-8.2℃（21日白天日照时数为0），其余5d夜间室外最低温度均低于-10℃，达到了低温灾害指标[24]。由图4可见，连续6d观测中，天津市西青区试验基地温室外白天最高温度为5.4℃，夜间温度最低为-20.4℃。同期温室内温度明显升高，白天最高达26.9℃，加温温室与对照温室相差较小，但是夜间气温相差较大，其中未安装加温系统的温室内夜间最低温度仅0.6℃左右，安装加温系统温室根据实际设定的阈值均达到所需温度。可见，温室内气温低于下限时，智能加热设备自动开启，温度开始上升，当气温达到阈值上限时，加热设备自动关闭，且整个加温过程中温室内气温始终保持在阈值下限以上，达到了预期的加温作用，这对于保证作物所需的热环境至关重要。

2.3.3 加温成本分析

以天津三类主要日光温室[24]中保温性较差的二代砖墙日光温室为研究对象，选取全年最冷月（1月）连续6d低温灾害天气过程作为研究时段，计算日开启时间及日资金投入成本，并以此为标准，计算三类日光温室冬季生产阶段加温所需的最大投入。

对设备开启时间和用电量的分析结果显示，第1-3天的温度开-关阈值为6～8℃，开启时间共计14.6h，用电量845kW；第4-6天的温度开-关阈值为10～12℃，开启时间共计18.2h，用电量1121kW。 按农村每千瓦电0.52元计算，在冬季最冷月，当温度开-关阈值为6～8℃，平均每天开启时间4.9h，总用电量为281.7kW，合计需人民币146元，当温度开-关阈值为10～12℃，每天开启时间6.1h，总用电量373.7kW，合计人民币194元。

根据2016年1月19-25日试验结果，对2015年12月-2016年2月天津三类日光温室冬季生产阶段小于6、8、10℃天数加温成本进行分析，如表1所示，土墙温室内最低温度普遍高于10℃，基本不需要加温，二代砖墙日光温室最低温度低于6～10℃占67%～95%，多数时间需要加温，成本较高。高标准日光温室最低温度低于6～10℃占4%～62%，冬季生产阶段需开启加温设备4～56d，花费584～10864元，其中保证日最低气温高于8℃最大花费约为4000元。生产中可在12月-翌年2月根据实际种植作物可承受的最低温度设置最佳阈值，从而保证作物顺利度过低温冷害过程。

表1 2015年1月-2016年2月3种温室内最低温度小于6、8、10℃的天数和比例

3 结论与讨论

（1）系统实现了温室小气候要素的采集、传输监测功能，同时基于监测数据可以实现智能加温功能，缩短了从数据采集传输、专家评估及措施采取的响应时间，对保证温室作物生长发育所需的热量条件起到了相应的效果。经过在天津市西青区二代砖墙日光温室内的安装测试，日光温室自动加温系统表现出良好的稳定性，测试期间，白天温度与对照温室差距不明显，但是夜间加温温室最低温度优于对照温室，均在设置温度阈值内，加温效果好。

（2）二代砖墙日光温室最低温度维持6～8℃，日开启时间需4.9h，日资金投入146元，维持10～12℃，日开启时间6.1h，日资金投入194元。保证冬季生产阶段高标准日光温室最低温度高于6～10℃，需开启加温设备4～56d，花费584～10864元，其中保证日最低气温高于8℃花费约为4000元。由于本研究选取时间为年度最冷月持续低温过程，且日加温时间以保温性较差的二代砖墙日光温室为例，因此，高标准日光温室其实际加温投入应小于本研究结果。另外，研究中发现，阈值间隔2℃与阈值间隔1℃相比，开启时间将翻倍，后期试验中加温阈值的设定有待进一步研究。

（3）与传统节能型日光温室的加温设备相比，本研究可以根据日光温室的温度环境，作物各阶段的生长特性，设置相应的时间、温度阈值，自动调控加温设备，从而实现日光温室温度环境的精细化及无人值守智能调控，且设备安装对温室改造较小，进一步降低了温室运行的调控成本。

（4）目前本研究中日光温室智能加温控制系统尚处试验与调试阶段，各环节仍需进一步深入研究，其中执行设备选型、系统安装规范以及作物的生理指标研究显得尤为重要。

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Design of Intelligent Heating Control System of Energy-Saving Solar Greenhouse

GONG Zhi-hong1, DONG Chao-yang1,YU Hong2, LI Zhen-fa1, XUE Qing-yu1

(1.Tianjin Climate Center, Tianjin 300074, China; 2.Wuqing Meteorological Administration, Tianjin 301700）

Extremely low temperature often occurs in energy-saving solar greenhouse in the winter of North China, which will lead to sharp decrease of greenhouse crop production or crop failures when the temperature is below lethal temperatures of corps. In order to control the greenhouse temperature accurately and reduce the loss caused by the low temperature, an intelligent heating control system has been designed, which is composed of sensing module, main control module, communication module, servo module and executive devices. The system can automatically collect temperature data, realize the automatic switch of temperature executive devicescorresponding toheating control model in the main control module. In addition, the system can view data and perform device state control by remote client. Therefore, the system has initially realized the intelligent control of the greenhouse temperature environment. Application and verification of the system in second-generation brick wall solar greenhouse showed that, it needs running 4.9 hours to keep air temperature above 6-8℃ with the cost of 146￥. Accordingly, it needs running 6.1 hours to keep air temperature above 10-12℃ and costing 194￥. This study suggests the performance of system is very stable during application. The system realizes fine and unmanned intelligent control of temperature environment to ensure better heating at night time.

Solar greenhouse; Low temperature; Monitor; Intelligent control; Heating

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.06.004

2016-09-26

天津市科技支撑计划项目（13ZCZDNC00300）

宫志宏（1985-），硕士，工程师，主要从事农业气象信息化研究。E-mail:gong041@126.com

宫志宏,董朝阳,于红,等.节能型日光温室智能加温控制系统设计[J].中国农业气象,2017,38(6):361-368

**通讯作者。E-mail:lzfaaa@126.com