草莓大棚自动温控系统的设计与实施

王彩凤，沈宝国，王高州，梁佩佩

（1.江苏航空职业技术学院，江苏 镇江 212134；2.江苏大学，江苏 镇江212016；3.镇江宏宇机电设备有限公司，江苏 镇江 212016）

0 引言

随着我国国民经济的发展，人民生活水平日益提高，大棚水果市场逐渐扩大。草莓是一种柔软多汁、甜酸适度、营养丰富的果品，所以依靠农业科技，大力推广塑料大棚种植草莓能更好地满足人民生活需要，同时也是国家菜篮子工程所包含的内容。而影响大棚种植的草莓质量最重要的因素是温度控制，温度太高或太低对于草莓生长都是不利的，必须掌握草莓各生长阶段的温度需要，通过各种方法将温度始终控制在适合草莓生长的范围内，以保证大棚草莓的正常发育乃至高产优质，如果紧靠人工控制既耗人力，又容易发生差错[1]。目前大部分草莓大棚温控都是采用人工自动降温的方式来对大棚内的温度进行控制，即使有少部分是采用自动控制系统来实现温度控制，也都存在一个控制滞后的问题。

因此，笔者设计了草莓大棚的温度自动控制系统，以达到实时控制草莓大棚内的温度，适应生产需求的目的。

1 整体方案设计

受季节影响，如何考虑在炎热的夏季使草莓大棚内的温度能够维持在草莓生长的最佳温度，这与草莓生长的质量密切相关。本文研究的是在夏季草莓大棚中安装喷雾降温系统，可使草莓四周环境温度降低，为草莓的生长提供最适宜的温度环境，从而提高草莓的存活率，同时提高草莓的产量与质量。喷雾降温系统利用散发到空气中的水微粒，在汽化的过程中要吸收大量周围环境中的热量，从而降低周围环境的温度，是快速降温的有效手段。

该系统首先采用进口高性能温度传感器对夏季草莓大棚内的温度进行数据采集，温度传感器的布置尽量分散，保证所采集数据的准确性。同时分析草莓生长的适宜温度，通过在智能温度控制器中预先设置温度的上下限，将温度传感器所采集的数据与设置值进行实时比较，若草莓大棚内的温度超过上限值，则自动开启喷雾降温系统进行降温，一旦草莓大棚内的温度降至下限值时，自动停止降温系统，通过这一系统的调节始终将草莓大棚内的温度自动控制在草莓生长的适宜温度范围之内，具体自动控制系统结构框图如图1所示。

图1 草莓大棚温度自动控制系统结构框图

2 系统硬件设计

自动控制系统硬件部分主要由温度采集系统、温度显示系统、控制系统[2]，以及储水容器、水泵、三级过滤器、喷嘴、管路等辅助元件组成。

2.1 温度采集、显示系统

采用进口高性能温湿度传感器，如图2所示，可同时对温度、湿度信号进行测量控制[3]，并实现液晶数字显示，采用双排大屏幕段式LED数码显示，其中温度4位数码一体，湿度3位数码一体；温度测量和控制，测量范围：0～99.9℃；湿度测量和控制，测量范围：0～99%RH；可分别用按键设置温湿度上/下限值，并实现参数的掉电存贮。该系统不需要再进行标定，因为智能温度控制器本身已经进行了校正，不再需要进行调整，可以直接使用，将采集的数据直接送入单片机，不使用A/D转换器，从而提高系统精度。

图2 温度采集模块

2.2 控制系统

智能温湿度控制器（Intelligent temperature controller，简称ITC）是整个自动控制系统的核心部分，是以先进的单片机为控制核心，还可通过按键对温、湿度分别进行上、下限设置和显示，从而使仪表可以根据现场情况，自动开启喷雾装置，对被测环境的实际温、湿度进行自动调节。动作指示通过两常开触点输出，真正使仪表实现了智能化更能适应复杂多变的现场情况，从而达到有效地保护设备的目的，具体示意图如图3所示。

图3 智能温湿度控制器

该温度自动控制系统有“手动控制”和“温湿度控制”两种模式，当处于“手动模式”时，只要按下启动按钮，就可以随时开启喷雾降温系统，按下停止按钮，即可停止喷雾降温系统；当处于“温湿度控制模式”时，将智能温度控制器的常开触点接入控制电路中，当大棚内环境温度超过设定值的上限值时，常开触点闭合，接通控制电路，自动开启喷雾降温系统；当环境温度降低至设定值的下限值时，常开触点断开，切断控制电路，自动关闭喷雾降温系统，从而达到让大棚内的温度始终保持在草莓生长最适宜的温度。

电气控制原理图如图4所示。

图4 电气控制原理图

以上为控制系统的硬件接线图，当处于“温湿度控制模式”时，控制系统核心的智能温湿度控制器的内部控制流程如图5所示。

图5 控制流程图

3 试验验证及结果分析

3.1 试验环境

试验场所在镇江市农科院的草莓生长大棚。其面积约240 m2左右，东西长40 m，南北宽6 m，是具有保温性能的框架覆膜结构，采用钢结构的骨架，上面覆盖多层保温塑料膜，形成一个温室空间。

试验时间为2016年6月份。草莓大棚内的环境参数为：环境温度28℃，相对湿度50%左右。

根据草莓在该季节的温度要求，系统采用喷雾降温的方式来达到草莓最佳生长效果[4]。根据大棚面积以及喷头喷洒的有效面积，设计喷头线路共四列80行，共320个喷头，每列80个，依次间隔为0.5 m。安装后的效果图如图6所示。

图6 安装效果图

3.2 试验验证

在硬件安装完毕的基础上，将控制系统开启，选择试验的时间段从下午1：00开始至3：30，其中草莓的最适宜温度要求为25℃，当系统开启时，大棚内的实际温度为27.5℃，每隔十五分钟采集一次数据，采集数据如下表1所示。

表1 时间-温度采集表

3.3 试验效果及分析

在以上所述环境下，进行大棚温度自动控制系统的试验，通过对比分析大棚内温度在系统控制前和控制后的变化，得出以下如图7所示的时间-温度时序图，从图中可以看出，该系统能将温度很好地控制在标准温度25℃的有效范围之内，以达到草莓生长的最佳温度效果。

图7 时间-温度时序图

经过试验证明，使用该控制系统可以达到预期效果，试验效果图如图8所示，降温效果较好，智能性好，系统运行稳定。本系统适用范围广，不仅适用于大棚草莓温度自动控制，同时可用于其它大棚农作物的温度控制中。

图8 试验效果图

4 结论

（1）整个控制系统能够在草莓成熟季节的高温状态下，对棚内进行温度的自动控制，控制后的温度能够在原来的基础上最多下降4.6℃左右，从而让温度环境完全满足草莓生长的农艺要求。

（2）本控制系统首次提出了“手动控制”和“温湿度控制”两种模式并用，达到了根据不同的工况采用不同的控制模式效果，更有利于草莓大棚的控制。

（3）采用该控制系统后，让草莓达到最适宜的生长环境，当季草莓产量大大提高，口味也更加鲜美。