溫室大棚集中供暖自動監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

徐瑞麗+孫銀生

摘要：針對我國北方寒冷地區(qū)溫室大棚保溫差和抵御嚴寒能力弱的問題，設計了溫室大棚集中供暖系統(tǒng)：熱力站根據(jù)棚內(nèi)溫度和外界氣候的變化，通過控制水溫和循環(huán)水泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了對整個棚區(qū)的溫度調(diào)節(jié)。同時，為了提高棚內(nèi)自身溫度的調(diào)節(jié)能力，又設計了供暖自動監(jiān)控系統(tǒng)：溫室大棚內(nèi)的監(jiān)控節(jié)點通過傳感器DS18B20采集棚內(nèi)的溫度，再通過nRF2401無線模塊發(fā)送到棚內(nèi)管理終端；管理終端根據(jù)作物的生長需要，控制風機和熱水管道進水調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)了溫室大棚獨立的溫度調(diào)節(jié)。通過對6個大棚進行24 h的恒溫（20.5 ℃）試驗，測得全天平均溫度為 20.67 ℃，表明系統(tǒng)能夠實現(xiàn)棚內(nèi)溫度的自動調(diào)節(jié)，適應晝夜溫差較大和極寒天氣，對農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化具有重要意義。

關鍵詞：溫室大棚；供熱系統(tǒng)；溫度采集；集中監(jiān)測；自動控制

中圖分類號： TP277.2；S625.3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0389-03

收稿日期：2014-01-20

基金資助：國家自然科學基金面上項目（編號：61374128）；國家自然科學基金（編號：61104022）。

作者簡介：徐瑞麗（1975—），女，河南鄧州人，碩士，講師，主要研究方向為電氣與自動化控制。E-mail：xuruili75@126.com。溫室大棚的蓬勃發(fā)展豐富了人們的菜籃子，尤其是對于生活在我國北方的人們來說，能夠在嚴寒的冬季吃上各式各樣的新鮮蔬菜[1]。在國家政策的鼓勵下，越來越多的農(nóng)民和企業(yè)從事溫室大棚蔬菜的種植和管理，很多地區(qū)都已形成了相當?shù)囊?guī)模。眾所周知，溫室大棚的溫度很難控制，尤其是在我國北方高緯度省份，如遼寧省、吉林省和黑龍江省等冬季嚴寒地區(qū)，普通的溫室大棚單純靠保溫無法為蔬菜提供適宜的生長環(huán)境，遇到暴雪或者連續(xù)陰天等極寒天氣，氣溫有可能驟降到-40～-30 ℃，大棚保溫措施無法抵御嚴寒，會導致棚內(nèi)作物無法正常生長，甚至大面積死亡[2-3]。有些大棚會采用生爐火加溫的方式來抵御嚴寒天氣，這種方式雖然簡單，但爐火周圍容易局部溫度過高，產(chǎn)生過多的二氧化碳，熱量損耗大、成本高，耗時耗力，且不容易控制溫度。本研究針對目前已成規(guī)模的溫室大棚群，借鑒小區(qū)集中供暖的方式，設計了溫室大棚集中供暖自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)溫室大棚內(nèi)的溫度，熱力站自動控制水溫和熱水的循環(huán)速度，能夠更加合理地利用煤炭資源，也為農(nóng)戶大大攤薄了管理成本。同時，溫室大棚自身根據(jù)作物對最適生長溫度的需要，可通過供熱管道調(diào)節(jié)閥和換氣風機設施進行自我溫度調(diào)節(jié)，使大棚內(nèi)的溫度更加均勻，其中換氣風機設施還可以帶走棚內(nèi)過多的水蒸氣和氧氣，補充二氧化碳，更利于作物的生長。

1暖通與自動監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.1暖通系統(tǒng)

針對已成規(guī)模的溫室大棚種植基地，為了能夠分攤成本和提高管理質(zhì)量，設計了溫室大棚集中供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由熱力站、循環(huán)水泵、熱力管道、散熱管道、散熱片、管道開關調(diào)節(jié)閥和風機設施等單元組成（圖1）。每個溫室大棚有3組散熱片、1個開關調(diào)節(jié)閥和2臺風機[4]?？紤]到系統(tǒng)的整體供熱需求，增加了循環(huán)泵，當溫室大棚溫度普遍偏低的時候，可增大循環(huán)泵的轉速，使熱水更加迅速地傳送到每個溫室大棚內(nèi)；同時，為了實現(xiàn)每個溫室大棚的溫度獨立調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)采用了供熱管道的并聯(lián)方式，在每個大棚散熱管道入口處有1個開關控制閥，通過調(diào)節(jié)控制閥可以控制流入的熱水量，從而獨立調(diào)節(jié)溫室大棚的溫度，而且管道并聯(lián)的方式能夠避免由于某一個故障點（泄露或者堵塞）而造成整個供暖系統(tǒng)的癱瘓。

即便使用散熱片的方式，也難免會使大棚內(nèi)的溫度冷熱不均，非常不適宜作物的生長。因此，系統(tǒng)還設計了1個進風風機和1個排風風機，啟動后能夠加速大棚內(nèi)的空氣流動，使每個角落的溫度更加均勻；同時，也能夠帶走作物光合作用產(chǎn)生的氧氣和水蒸氣，補充二氧化碳，更利于作物的生長。

1.2自動監(jiān)控系統(tǒng)

目前有些熱力站運行管理仍處于手工操作階段，工作人員以到現(xiàn)場測溫的方式收集大棚內(nèi)溫度，然后指導供暖鍋爐的燃燒控制，但這種方式效率低且數(shù)據(jù)不完整，影響了集中供熱優(yōu)越性的充分發(fā)揮，經(jīng)常造成棚內(nèi)忽冷忽熱，使供熱參數(shù)未能在最佳工況下運行，供熱量與需熱量不匹配，難以實現(xiàn)量化管理。為了確保供熱管網(wǎng)經(jīng)濟運行，并實現(xiàn)熱網(wǎng)現(xiàn)代化管理水平，設計了溫室大棚供暖的自動監(jiān)控系統(tǒng)，主要由熱力站監(jiān)控中心、溫室大棚前端設備和傳輸網(wǎng)絡3個部分組成，前端設備主要由大棚管理終端和監(jiān)控節(jié)點組成，自動監(jiān)控系統(tǒng)總體結構如圖2所示。

監(jiān)控節(jié)點按照一定的規(guī)則和需求部署在溫室大棚內(nèi)，負責采集大棚內(nèi)的溫度，并通過2.4 G無線網(wǎng)絡發(fā)送到溫室大棚管理終端進行處理，實時獲取整個供熱系統(tǒng)的運行工況，也能控制調(diào)節(jié)閥和風機的狀態(tài)；溫室大棚管理終端與熱力站工控機通過CAN總線相連。熱力站工控機上運行著專業(yè)設計的管理軟件，負責收集各溫室大棚內(nèi)的溫度信息，并實時直觀集中地顯示在監(jiān)視器上，根據(jù)從現(xiàn)場監(jiān)測到的溫度參數(shù)調(diào)節(jié)換熱站運行工況；同時，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫以便進行歷史查詢使用，也能完成歷史曲線分析、歷史報表統(tǒng)計和自動報警等功能[5]。如果天氣驟然變冷使棚內(nèi)的溫度普遍降低，管理軟件

會接收到來自溫室大棚管理終端的報警信號，通過自動控制增加鍋爐的水溫和循環(huán)水泵的轉速，以提高整體溫室大棚群內(nèi)的溫度到合適的水平；當天氣轉暖時，會根據(jù)監(jiān)控管理軟件反映的實時數(shù)據(jù)，適當降低供水溫度和輸出流量，從而保證整個供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，也達到了節(jié)能減排的目標。

2前端設備構成與工作原理

系統(tǒng)中的前端設備——溫室大棚管理終端和監(jiān)控節(jié)點共用同一個硬件平臺設計，都采用控制器C8051F020作為核心，只是在其擴展接口上添加相應的功能模塊，并編寫程序[6]。

2.1監(jiān)控節(jié)點硬件設計

硬件平臺主要由控制器C8051F020、2個溫度傳感器DS18B20、固態(tài)FLASH、2.4G無線模塊nRF2401、LED顯示屏、風機控制接口和電源管理單元組成（圖3）。

在每個溫室大棚的部署4個監(jiān)控節(jié)點，主要負責利用溫度傳感器DS18B20采集棚內(nèi)溫度。為了避免氣流不確定因素的影響，采用雙傳感器的方案，將2個傳感器的輸出平均值，實時顯示在LED顯示屏上，再通過2.4 G無線模塊nRF2401發(fā)送到溫室大棚管理終端。當通信鏈路中斷時，固態(tài)FLASH會在本地保存測得的溫度數(shù)據(jù)，當通信恢復正常時再將存在本地的數(shù)據(jù)自動上傳，保證溫室大棚管理終端對每個節(jié)點數(shù)據(jù)的完整性；同時，溫室大棚管理終端根據(jù)棚內(nèi)的溫度和預期溫度，可向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送控制風機運行的指令，加速氣體流動，使溫度更加均衡，調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度到預期值。

2.2溫室大棚管理終端硬件設計

溫室大棚管理終端主要由控制器C8051F020、LED顯示屏、管道開關自動調(diào)節(jié)閥、2.4 G無線模塊nRF2401、CAN總線控制器和電源管理單元等組成（圖4）。

溫室大棚管理終端硬件是監(jiān)控節(jié)點與熱力站通信的紐帶， 主要負責通過nRF2401通信模塊接收各監(jiān)控節(jié)點上傳的

溫度數(shù)據(jù)并進行處理，為控制棚內(nèi)溫度設備運轉提供決策。當接收到4個監(jiān)控節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)偏差不大時，表明棚內(nèi)溫度比較均衡，取4個點的溫度均值即可反映出整個棚內(nèi)的溫度狀態(tài)；當這4個點的溫度有較大偏差時，說明此時棚內(nèi)空氣流通較差，導致棚內(nèi)溫度不均，此時會自動向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送控制風機轉動指令，同時啟動報警裝置，直到4個監(jiān)測節(jié)點的溫度達到預期的均衡范圍；當監(jiān)測到棚內(nèi)的溫度過高或者過低時（超出預設的溫度范圍），也會啟動報警裝置，管理終端自動控制從熱力站過來的熱水的管道開關調(diào)節(jié)閥，控制熱水進入量（減小或者增大），使棚內(nèi)的溫度迅速向預設的溫度值靠近，同時不斷監(jiān)測棚內(nèi)的溫度，直到在適宜作物生長的范圍內(nèi)。

溫室大棚管理終端與熱力站的工控機通過CAN總線連接，將經(jīng)過處理的溫度數(shù)據(jù)連同管理終端自身的ID進行打包并定時上傳到熱力站工控機，為熱力站的供熱提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而給整個溫室大棚群制定出更加合理的供熱策略。

3熱力站管理與試驗結果

熱力站部署1臺工控機，并配置了CAN采集卡（PCICAND），與各溫室大棚的管理終端通過CAN總線連接進行數(shù)據(jù)通信，并開發(fā)了專業(yè)的管理軟件。在熱力站就可以直觀地看到各溫室大棚的溫度狀態(tài)，并可控制水溫和管道內(nèi)的水流速度，調(diào)節(jié)整個溫室大棚群的溫度。

PCICAND是一種PCI總線板卡，符合CAN總線的通訊協(xié)議，并兼容CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，同時也符合ISO11898的規(guī)范，利用了光電隔離技術，使隔離電壓達到了 1 000 V，由于其同步工作頻率可達33 MHz，高傳輸速率可達132 Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸距離最長為10 km，每路可連接110個CAN總線節(jié)點，完全滿足本系統(tǒng)的需要[7]。

3.1工控機管理軟件

運行在工控機上的管理軟件采用C++Builder設計，通過調(diào)用CAN采集卡提供的集成動態(tài)庫（DLL）里的接口函數(shù)，實現(xiàn)對來自各溫室大棚管理終端數(shù)據(jù)的接收和質(zhì)量的發(fā)送等操作。利用SQL 2000作為數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，該軟件具有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、顯示、統(tǒng)計分析、日志、報表打印、報警單元和控制接口等多個模塊[8]。

通過熱力站管理軟件實時獲取供暖質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對供暖質(zhì)量作出及時評估，為換熱站供熱控制系統(tǒng)提供準確及時的溫度信息，使供熱控制系統(tǒng)作出正確的判斷，修正給定參數(shù)，使溫室大棚內(nèi)的溫度穩(wěn)定在良好的范圍，同時可以有效提高供熱系統(tǒng)效率，達到節(jié)能減排的目的，降低運營成本[9]。

3.2驗證試驗及分析

冬季晝夜溫差較大，為了驗證整個系統(tǒng)的工作性能和對溫度的調(diào)節(jié)能力，從溫室大棚群里選取了6個大棚作為抽樣參考，進行了24 h的恒溫試驗，并對這6個大棚的溫度變化趨勢進行了記錄。其中恒溫設置為20.5 ℃（允許變化范圍為 20～21 ℃），每3 h記錄1次數(shù)據(jù)，8個時間的溫度如表1所示。表16個大棚的溫度測量結果

溫室大棚編號8個時間的溫度（℃）00：0003：0006：0009：0012：0015：0018：0021：00全天平均1#19.9019.7020.0020.6020.9021.2020.7020.2020.402#20.4021.0020.4020.9021.4021.6021.0020.6020.913#20.1019.9020.3020.8021.1021.3021.0020.3020.604#20.5021.2020.4021.1021.5021.8021.2020.6021.045#19.819.7019.9020.5020.8021.1020.5020.0020.296#20.3020.9020.4020.8021.3021.5020.8020.7020.77平均20.1720.4020.2320.7821.1421.4220.8720.4020.67

從表1中可以看出，6個抽樣大棚24 h內(nèi)的平均溫度為20.67 ℃，在允許的20～21 ℃范圍之內(nèi)；雖然夜間氣溫較低，但是通過熱力站的自動調(diào)節(jié)，棚內(nèi)的溫度僅略微低于白天；另外，在12：00—15：00，由于日照的作用，棚內(nèi)溫度有小幅升高，但是通過溫室大棚內(nèi)的管理終端控制風機運行進行通風調(diào)節(jié)后，溫度又回到了預期范圍。試驗結果表明，該系統(tǒng)具有極強的溫度自動調(diào)節(jié)能力，對農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化具有重要意義。

4結論

本研究設計的溫室大棚集中供暖系統(tǒng)能夠通過控制水溫和循環(huán)速度調(diào)節(jié)整個棚區(qū)的溫度。該集中供暖自動監(jiān)控系統(tǒng)采用了三級管理結構，監(jiān)控節(jié)點與大棚管理終端之間采用 2.4 G 無線通信，避免了大面積的布線，并且可靈活放置于棚

內(nèi)的任何位置；大棚管理終端與熱力站之間采用CAN總線通信，實時提供溫度數(shù)據(jù)，作為調(diào)節(jié)溫度的依據(jù)，實現(xiàn)了分布式溫度監(jiān)測點的集中管理；采用控制棚內(nèi)風機和熱水管道調(diào)節(jié)閥方法，實現(xiàn)了大棚自身的獨立溫度控制，為作物生長提供了精準的溫度環(huán)境。通過對6個抽樣大棚進行24 h的恒溫試驗表明，即便在晝夜溫差較大的情況下也能控制棚內(nèi)的溫度在 20～21 ℃ 之間，有效解決了傳統(tǒng)粗放式的供熱方式帶來的弊端，分攤了管理成本，也達到了節(jié)能減排的目標。

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在每個溫室大棚的部署4個監(jiān)控節(jié)點，主要負責利用溫度傳感器DS18B20采集棚內(nèi)溫度。為了避免氣流不確定因素的影響，采用雙傳感器的方案，將2個傳感器的輸出平均值，實時顯示在LED顯示屏上，再通過2.4 G無線模塊nRF2401發(fā)送到溫室大棚管理終端。當通信鏈路中斷時，固態(tài)FLASH會在本地保存測得的溫度數(shù)據(jù)，當通信恢復正常時再將存在本地的數(shù)據(jù)自動上傳，保證溫室大棚管理終端對每個節(jié)點數(shù)據(jù)的完整性；同時，溫室大棚管理終端根據(jù)棚內(nèi)的溫度和預期溫度，可向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送控制風機運行的指令，加速氣體流動，使溫度更加均衡，調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度到預期值。

2.2溫室大棚管理終端硬件設計

溫室大棚管理終端主要由控制器C8051F020、LED顯示屏、管道開關自動調(diào)節(jié)閥、2.4 G無線模塊nRF2401、CAN總線控制器和電源管理單元等組成（圖4）。

溫室大棚管理終端硬件是監(jiān)控節(jié)點與熱力站通信的紐帶， 主要負責通過nRF2401通信模塊接收各監(jiān)控節(jié)點上傳的

溫度數(shù)據(jù)并進行處理，為控制棚內(nèi)溫度設備運轉提供決策。當接收到4個監(jiān)控節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)偏差不大時，表明棚內(nèi)溫度比較均衡，取4個點的溫度均值即可反映出整個棚內(nèi)的溫度狀態(tài)；當這4個點的溫度有較大偏差時，說明此時棚內(nèi)空氣流通較差，導致棚內(nèi)溫度不均，此時會自動向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送控制風機轉動指令，同時啟動報警裝置，直到4個監(jiān)測節(jié)點的溫度達到預期的均衡范圍；當監(jiān)測到棚內(nèi)的溫度過高或者過低時（超出預設的溫度范圍），也會啟動報警裝置，管理終端自動控制從熱力站過來的熱水的管道開關調(diào)節(jié)閥，控制熱水進入量（減小或者增大），使棚內(nèi)的溫度迅速向預設的溫度值靠近，同時不斷監(jiān)測棚內(nèi)的溫度，直到在適宜作物生長的范圍內(nèi)。

溫室大棚管理終端與熱力站的工控機通過CAN總線連接，將經(jīng)過處理的溫度數(shù)據(jù)連同管理終端自身的ID進行打包并定時上傳到熱力站工控機，為熱力站的供熱提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而給整個溫室大棚群制定出更加合理的供熱策略。

3熱力站管理與試驗結果

熱力站部署1臺工控機，并配置了CAN采集卡（PCICAND），與各溫室大棚的管理終端通過CAN總線連接進行數(shù)據(jù)通信，并開發(fā)了專業(yè)的管理軟件。在熱力站就可以直觀地看到各溫室大棚的溫度狀態(tài)，并可控制水溫和管道內(nèi)的水流速度，調(diào)節(jié)整個溫室大棚群的溫度。

PCICAND是一種PCI總線板卡，符合CAN總線的通訊協(xié)議，并兼容CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，同時也符合ISO11898的規(guī)范，利用了光電隔離技術，使隔離電壓達到了 1 000 V，由于其同步工作頻率可達33 MHz，高傳輸速率可達132 Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸距離最長為10 km，每路可連接110個CAN總線節(jié)點，完全滿足本系統(tǒng)的需要[7]。

3.1工控機管理軟件

運行在工控機上的管理軟件采用C++Builder設計，通過調(diào)用CAN采集卡提供的集成動態(tài)庫（DLL）里的接口函數(shù)，實現(xiàn)對來自各溫室大棚管理終端數(shù)據(jù)的接收和質(zhì)量的發(fā)送等操作。利用SQL 2000作為數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，該軟件具有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、顯示、統(tǒng)計分析、日志、報表打印、報警單元和控制接口等多個模塊[8]。

通過熱力站管理軟件實時獲取供暖質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對供暖質(zhì)量作出及時評估，為換熱站供熱控制系統(tǒng)提供準確及時的溫度信息，使供熱控制系統(tǒng)作出正確的判斷，修正給定參數(shù)，使溫室大棚內(nèi)的溫度穩(wěn)定在良好的范圍，同時可以有效提高供熱系統(tǒng)效率，達到節(jié)能減排的目的，降低運營成本[9]。

3.2驗證試驗及分析

冬季晝夜溫差較大，為了驗證整個系統(tǒng)的工作性能和對溫度的調(diào)節(jié)能力，從溫室大棚群里選取了6個大棚作為抽樣參考，進行了24 h的恒溫試驗，并對這6個大棚的溫度變化趨勢進行了記錄。其中恒溫設置為20.5 ℃（允許變化范圍為 20～21 ℃），每3 h記錄1次數(shù)據(jù)，8個時間的溫度如表1所示。表16個大棚的溫度測量結果

溫室大棚編號8個時間的溫度（℃）00：0003：0006：0009：0012：0015：0018：0021：00全天平均1#19.9019.7020.0020.6020.9021.2020.7020.2020.402#20.4021.0020.4020.9021.4021.6021.0020.6020.913#20.1019.9020.3020.8021.1021.3021.0020.3020.604#20.5021.2020.4021.1021.5021.8021.2020.6021.045#19.819.7019.9020.5020.8021.1020.5020.0020.296#20.3020.9020.4020.8021.3021.5020.8020.7020.77平均20.1720.4020.2320.7821.1421.4220.8720.4020.67

從表1中可以看出，6個抽樣大棚24 h內(nèi)的平均溫度為20.67 ℃，在允許的20～21 ℃范圍之內(nèi)；雖然夜間氣溫較低，但是通過熱力站的自動調(diào)節(jié)，棚內(nèi)的溫度僅略微低于白天；另外，在12：00—15：00，由于日照的作用，棚內(nèi)溫度有小幅升高，但是通過溫室大棚內(nèi)的管理終端控制風機運行進行通風調(diào)節(jié)后，溫度又回到了預期范圍。試驗結果表明，該系統(tǒng)具有極強的溫度自動調(diào)節(jié)能力，對農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化具有重要意義。

4結論

本研究設計的溫室大棚集中供暖系統(tǒng)能夠通過控制水溫和循環(huán)速度調(diào)節(jié)整個棚區(qū)的溫度。該集中供暖自動監(jiān)控系統(tǒng)采用了三級管理結構，監(jiān)控節(jié)點與大棚管理終端之間采用 2.4 G 無線通信，避免了大面積的布線，并且可靈活放置于棚

內(nèi)的任何位置；大棚管理終端與熱力站之間采用CAN總線通信，實時提供溫度數(shù)據(jù)，作為調(diào)節(jié)溫度的依據(jù)，實現(xiàn)了分布式溫度監(jiān)測點的集中管理；采用控制棚內(nèi)風機和熱水管道調(diào)節(jié)閥方法，實現(xiàn)了大棚自身的獨立溫度控制，為作物生長提供了精準的溫度環(huán)境。通過對6個抽樣大棚進行24 h的恒溫試驗表明，即便在晝夜溫差較大的情況下也能控制棚內(nèi)的溫度在 20～21 ℃ 之間，有效解決了傳統(tǒng)粗放式的供熱方式帶來的弊端，分攤了管理成本，也達到了節(jié)能減排的目標。

參考文獻：

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[8]程曼，袁洪波，高立艾. 基于太陽能供電的溫室無線傳感器網(wǎng)絡精量監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學，2013，40（3）：179-181.

[9]蔡志端，毛建華，王培良. 基于模糊免疫自適應PID的工業(yè)電爐多點溫度協(xié)調(diào)控制[J]. 制造業(yè)自動化，2013，35（1）：40-43.

在每個溫室大棚的部署4個監(jiān)控節(jié)點，主要負責利用溫度傳感器DS18B20采集棚內(nèi)溫度。為了避免氣流不確定因素的影響，采用雙傳感器的方案，將2個傳感器的輸出平均值，實時顯示在LED顯示屏上，再通過2.4 G無線模塊nRF2401發(fā)送到溫室大棚管理終端。當通信鏈路中斷時，固態(tài)FLASH會在本地保存測得的溫度數(shù)據(jù)，當通信恢復正常時再將存在本地的數(shù)據(jù)自動上傳，保證溫室大棚管理終端對每個節(jié)點數(shù)據(jù)的完整性；同時，溫室大棚管理終端根據(jù)棚內(nèi)的溫度和預期溫度，可向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送控制風機運行的指令，加速氣體流動，使溫度更加均衡，調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度到預期值。

2.2溫室大棚管理終端硬件設計

溫室大棚管理終端主要由控制器C8051F020、LED顯示屏、管道開關自動調(diào)節(jié)閥、2.4 G無線模塊nRF2401、CAN總線控制器和電源管理單元等組成（圖4）。

溫室大棚管理終端硬件是監(jiān)控節(jié)點與熱力站通信的紐帶， 主要負責通過nRF2401通信模塊接收各監(jiān)控節(jié)點上傳的

溫度數(shù)據(jù)并進行處理，為控制棚內(nèi)溫度設備運轉提供決策。當接收到4個監(jiān)控節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)偏差不大時，表明棚內(nèi)溫度比較均衡，取4個點的溫度均值即可反映出整個棚內(nèi)的溫度狀態(tài)；當這4個點的溫度有較大偏差時，說明此時棚內(nèi)空氣流通較差，導致棚內(nèi)溫度不均，此時會自動向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送控制風機轉動指令，同時啟動報警裝置，直到4個監(jiān)測節(jié)點的溫度達到預期的均衡范圍；當監(jiān)測到棚內(nèi)的溫度過高或者過低時（超出預設的溫度范圍），也會啟動報警裝置，管理終端自動控制從熱力站過來的熱水的管道開關調(diào)節(jié)閥，控制熱水進入量（減小或者增大），使棚內(nèi)的溫度迅速向預設的溫度值靠近，同時不斷監(jiān)測棚內(nèi)的溫度，直到在適宜作物生長的范圍內(nèi)。

溫室大棚管理終端與熱力站的工控機通過CAN總線連接，將經(jīng)過處理的溫度數(shù)據(jù)連同管理終端自身的ID進行打包并定時上傳到熱力站工控機，為熱力站的供熱提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而給整個溫室大棚群制定出更加合理的供熱策略。

3熱力站管理與試驗結果

熱力站部署1臺工控機，并配置了CAN采集卡（PCICAND），與各溫室大棚的管理終端通過CAN總線連接進行數(shù)據(jù)通信，并開發(fā)了專業(yè)的管理軟件。在熱力站就可以直觀地看到各溫室大棚的溫度狀態(tài)，并可控制水溫和管道內(nèi)的水流速度，調(diào)節(jié)整個溫室大棚群的溫度。

PCICAND是一種PCI總線板卡，符合CAN總線的通訊協(xié)議，并兼容CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，同時也符合ISO11898的規(guī)范，利用了光電隔離技術，使隔離電壓達到了 1 000 V，由于其同步工作頻率可達33 MHz，高傳輸速率可達132 Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸距離最長為10 km，每路可連接110個CAN總線節(jié)點，完全滿足本系統(tǒng)的需要[7]。

3.1工控機管理軟件

運行在工控機上的管理軟件采用C++Builder設計，通過調(diào)用CAN采集卡提供的集成動態(tài)庫（DLL）里的接口函數(shù)，實現(xiàn)對來自各溫室大棚管理終端數(shù)據(jù)的接收和質(zhì)量的發(fā)送等操作。利用SQL 2000作為數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，該軟件具有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、顯示、統(tǒng)計分析、日志、報表打印、報警單元和控制接口等多個模塊[8]。

通過熱力站管理軟件實時獲取供暖質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對供暖質(zhì)量作出及時評估，為換熱站供熱控制系統(tǒng)提供準確及時的溫度信息，使供熱控制系統(tǒng)作出正確的判斷，修正給定參數(shù)，使溫室大棚內(nèi)的溫度穩(wěn)定在良好的范圍，同時可以有效提高供熱系統(tǒng)效率，達到節(jié)能減排的目的，降低運營成本[9]。

3.2驗證試驗及分析

冬季晝夜溫差較大，為了驗證整個系統(tǒng)的工作性能和對溫度的調(diào)節(jié)能力，從溫室大棚群里選取了6個大棚作為抽樣參考，進行了24 h的恒溫試驗，并對這6個大棚的溫度變化趨勢進行了記錄。其中恒溫設置為20.5 ℃（允許變化范圍為 20～21 ℃），每3 h記錄1次數(shù)據(jù)，8個時間的溫度如表1所示。表16個大棚的溫度測量結果

溫室大棚編號8個時間的溫度（℃）00：0003：0006：0009：0012：0015：0018：0021：00全天平均1#19.9019.7020.0020.6020.9021.2020.7020.2020.402#20.4021.0020.4020.9021.4021.6021.0020.6020.913#20.1019.9020.3020.8021.1021.3021.0020.3020.604#20.5021.2020.4021.1021.5021.8021.2020.6021.045#19.819.7019.9020.5020.8021.1020.5020.0020.296#20.3020.9020.4020.8021.3021.5020.8020.7020.77平均20.1720.4020.2320.7821.1421.4220.8720.4020.67

從表1中可以看出，6個抽樣大棚24 h內(nèi)的平均溫度為20.67 ℃，在允許的20～21 ℃范圍之內(nèi)；雖然夜間氣溫較低，但是通過熱力站的自動調(diào)節(jié)，棚內(nèi)的溫度僅略微低于白天；另外，在12：00—15：00，由于日照的作用，棚內(nèi)溫度有小幅升高，但是通過溫室大棚內(nèi)的管理終端控制風機運行進行通風調(diào)節(jié)后，溫度又回到了預期范圍。試驗結果表明，該系統(tǒng)具有極強的溫度自動調(diào)節(jié)能力，對農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化具有重要意義。

4結論

本研究設計的溫室大棚集中供暖系統(tǒng)能夠通過控制水溫和循環(huán)速度調(diào)節(jié)整個棚區(qū)的溫度。該集中供暖自動監(jiān)控系統(tǒng)采用了三級管理結構，監(jiān)控節(jié)點與大棚管理終端之間采用 2.4 G 無線通信，避免了大面積的布線，并且可靈活放置于棚

內(nèi)的任何位置；大棚管理終端與熱力站之間采用CAN總線通信，實時提供溫度數(shù)據(jù)，作為調(diào)節(jié)溫度的依據(jù)，實現(xiàn)了分布式溫度監(jiān)測點的集中管理；采用控制棚內(nèi)風機和熱水管道調(diào)節(jié)閥方法，實現(xiàn)了大棚自身的獨立溫度控制，為作物生長提供了精準的溫度環(huán)境。通過對6個抽樣大棚進行24 h的恒溫試驗表明，即便在晝夜溫差較大的情況下也能控制棚內(nèi)的溫度在 20～21 ℃ 之間，有效解決了傳統(tǒng)粗放式的供熱方式帶來的弊端，分攤了管理成本，也達到了節(jié)能減排的目標。

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[8]程曼，袁洪波，高立艾. 基于太陽能供電的溫室無線傳感器網(wǎng)絡精量監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學，2013，40（3）：179-181.

[9]蔡志端，毛建華，王培良. 基于模糊免疫自適應PID的工業(yè)電爐多點溫度協(xié)調(diào)控制[J]. 制造業(yè)自動化，2013，35（1）：40-43.