基于物聯(lián)網(wǎng)的北方溫室環(huán)境調(diào)控規(guī)程

劉志洋

摘要溫室的主要功能是通過改變溫室環(huán)境條件以滿足溫室內(nèi)作物的生長需求。通過不同調(diào)控機(jī)構(gòu)的組合可實(shí)現(xiàn)溫室的環(huán)境調(diào)控。制定了基于物聯(lián)網(wǎng)的北方溫室環(huán)境調(diào)控規(guī)程，提高了溫室監(jiān)控的智能水平。

關(guān)鍵詞溫室；環(huán)境調(diào)控；規(guī)程

中圖分類號(hào)S626.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）30-0187-04

AbstractThe main function of the greenhouse is to meet the growing demand of crops by changing the conditions of the greenhouse environment. Through the combination of different regulatory agencies， it achieved the environmental control in the greenhouse. In this study， it developed the northern greenhouse environment control procedures based on the Internet of things， and improved the intelligent level of greenhouse monitoring.

Key wordsGreenhouse；Environment control；Regulation

現(xiàn)代溫室要在多變的自然氣候條件下，為作物生長創(chuàng)造一個(gè)適宜的環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)出、高品質(zhì)、低成本、高效益等可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)。溫室是一個(gè)封閉的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度是該系統(tǒng)中重要的環(huán)境因子，它們之間相互依賴、相互作用，共同影響作物的生長、發(fā)育，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[1]。筆者以哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控智能溫室為試驗(yàn)點(diǎn)，利用已建成的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，制定了基于物聯(lián)網(wǎng)的北方溫室環(huán)境調(diào)控規(guī)程，為推動(dòng)智能溫室的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1典型作物對(duì)溫室環(huán)境的需求

1.1溫度

溫度是對(duì)作物生長發(fā)育影響最顯著的因子。維持作物生長發(fā)育的生物學(xué)下限溫度、最適溫度以及生物學(xué)的上限溫度合稱為“三基點(diǎn)溫度”，是最基本的溫度指標(biāo)。多數(shù)園藝作物三基點(diǎn)溫度大致范圍：下限溫度5～15 ℃，最適溫度20～28 ℃，最高溫度30～35 ℃[2]（表1）。

此外，晝夜溫差對(duì)農(nóng)作物也有相當(dāng)?shù)挠绊憽Ｔ谝欢囟确秶鷥?nèi)，白天溫度越高越好，晚上溫度越低越好，因此利用晝夜大溫差原理可以提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。

一般冬季時(shí)溫室內(nèi)溫度很低，而夏季又往往過高，因而需要結(jié)合溫室輔助設(shè)備調(diào)節(jié)室溫，以使溫室始終保持在適宜作物生長的范圍內(nèi)。

1.2濕度

濕度是影響作物生長蒸騰、光合、病害發(fā)生及生理的重要因子?？諝鉂穸却螅趄v作用就弱，植物運(yùn)輸?shù)V物質(zhì)營養(yǎng)的能力就下降，同時(shí)葉片也有可能被灼傷。當(dāng)空氣濕度過大或過小時(shí)，光合作用就會(huì)減慢甚至停止。高濕或者高溫低濕等環(huán)境都適宜病菌的繁殖；高濕還會(huì)使葉面水分凝結(jié)，造成葉面細(xì)胞破裂損害溫室作物的生長。

溫室設(shè)施環(huán)境的顯著特點(diǎn)是高濕，在夜間尤為突出。白天空氣相對(duì)濕度下降。

作物生長適宜的相對(duì)濕度根據(jù)季節(jié)和作物種類的不同而有所不同，一般在50%～85%為宜[3]。

1.3光照

光照的強(qiáng)度和時(shí)間對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要的影響。作物對(duì)光照強(qiáng)度的要求通常用光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)來表示，它們就是光合作用對(duì)光強(qiáng)度要求的低限和高限，也分別代表光合作用對(duì)弱光和強(qiáng)光的利用能力。

一般來講，陰生植物的光補(bǔ)償點(diǎn)是100 lx，喜光作物是500～1 000 lx；陰生植物的光飽和點(diǎn)一般為5 000～10 000 lx，喜光作物光飽和點(diǎn)為20 000～25 000 lx。

作物種類分為長日照、短日照、日中性作物3類。在自然條件下，光照強(qiáng)度和光照時(shí)間不僅隨著溫室所處的緯度不同而不同，而且也和季節(jié)天氣等狀況高度相關(guān)[3]。

1.4二氧化碳

一般情況下，光合作用速度隨著光強(qiáng)度增加或者大氣中的二氧化碳濃度增加而增加。

夜間溫室內(nèi)的二氧化碳濃度較大，最高時(shí)溫室內(nèi)二氧化碳濃度比溫室外要高將近1倍；進(jìn)入白天，溫室內(nèi)二氧化碳濃度變低。

研究表明，一般適合植物生長的二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為 1.0%～1.5%。

由于溫室生產(chǎn)經(jīng)常處于密閉的狀態(tài)，使得作物經(jīng)常處于二氧化碳饑餓狀態(tài)，從而影響到作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，因而對(duì)溫室進(jìn)行二氧化碳施肥。考慮到生產(chǎn)成本問題，本溫室中暫且沒有將二氧化碳施肥設(shè)備添加進(jìn)去，而是將依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，每隔一定時(shí)間進(jìn)行溫室通風(fēng)，以補(bǔ)充作物生長發(fā)育所需的二氧化碳[3]。

2環(huán)境控制設(shè)備與溫室小氣候?qū)?yīng)關(guān)系

溫室的調(diào)控機(jī)構(gòu)可根據(jù)其作用的功能不同分為自然通風(fēng)系統(tǒng)、強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、增濕降溫系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、二氧化碳增施系統(tǒng)等[4]，各機(jī)構(gòu)的主要設(shè)施及其所影響的溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)見表2，溫室內(nèi)環(huán)境因子與調(diào)控機(jī)構(gòu)的關(guān)系見表3。

3溫室小環(huán)境單因子控制策略

3.1正常天氣溫度控制

溫度單因子調(diào)控是通過通風(fēng)窗的開啟、保溫幕的開啟、濕簾風(fēng)機(jī)的開啟以及加熱系統(tǒng)的開啟來實(shí)現(xiàn)的。溫度調(diào)控組合情況見表4。

3.2正常天氣濕度控制

濕度調(diào)控是通過通風(fēng)窗的開啟以及濕簾風(fēng)機(jī)的開啟來實(shí)現(xiàn)的。濕度調(diào)控組合見表5。

3.3正常天氣光照控制

光照的控制是通過外遮陽開啟、內(nèi)遮陽開啟以及補(bǔ)光設(shè)備的開啟來實(shí)現(xiàn)的。光照調(diào)控組合見表6。

3.4極端天氣溫室環(huán)境控制

極端天氣主要指暴風(fēng)雨、冰雹、大雪、霜凍、臺(tái)風(fēng)、溫差或濕度差過大等情況。極端天氣下要做好溫室設(shè)備的保護(hù)工作。極端天氣溫室調(diào)控組合見表7。

4溫室小環(huán)境多因子控制策略

4.1溫室環(huán)境控制決策過程

溫室環(huán)境控制主要有兩部分：自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。前者主要是 ARM板上實(shí)現(xiàn)，日常時(shí)候系統(tǒng)默認(rèn)自動(dòng)運(yùn)行；后者是來自溫室現(xiàn)場(chǎng)控制柜（手動(dòng)開關(guān)）和遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)的指令信號(hào)，主要是在特殊情況（極端天氣）和緊急情況下（溫室發(fā)生病蟲害）使用。后者的處理優(yōu)先級(jí)要高于前者[5]。

手動(dòng)控制：憑長期積累的經(jīng)驗(yàn)和直覺推測(cè)及判斷，手動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境因子也是根據(jù)種植者的經(jīng)驗(yàn)來控制?？紤]到手動(dòng)控制的便捷性和方便性，設(shè)施園藝管理者文化素質(zhì)比較低，手動(dòng)控制在溫室園藝中依舊十分有必要。

自動(dòng)控制：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制理論對(duì)溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器的實(shí)際測(cè)量值與事先設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱、降溫和通風(fēng)等動(dòng)作。

4.2溫室環(huán)境多因子控制策略

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，控制器讀入控制策略控制表（表8）和作物數(shù)據(jù)庫表（表1），并讀入現(xiàn)場(chǎng)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行工況的邏輯判別，隨后根據(jù)判斷情況立即做出控制決策。這些表格可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作的實(shí)際需要可自動(dòng)進(jìn)行更新。系統(tǒng)具有靈活性、可配置性、可擴(kuò)展性的特點(diǎn)。

工況判斷順序（優(yōu)先級(jí)）：天氣>溫度>濕度>光照，溫室的控制流程中首先判斷當(dāng)前的天氣屬于正常氣候還是非正常氣候，如果屬于非正常氣候，則不再進(jìn)行后續(xù)溫、濕度等其他參數(shù)的判斷，直接進(jìn)行非正常情況控制；如果屬于正常氣候的話，隨后依次進(jìn)入溫度、濕度、光照等判別，最后組合出相應(yīng)的決策（即執(zhí)行器的控制狀態(tài)）[6]。

5結(jié)語

該研究基于典型作物對(duì)溫室環(huán)境的需求，以環(huán)境控制設(shè)備與溫室小氣候?qū)?yīng)關(guān)系為切入點(diǎn)，綜合考慮各單因子調(diào)控策略。以此為基礎(chǔ)建立了溫室環(huán)境多因子控制策略，該調(diào)控規(guī)程適用于我國北方城市的溫室調(diào)控，但是僅是面向該系統(tǒng)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，需要針對(duì)目前的溫室作物環(huán)境信息感知設(shè)備，構(gòu)建基于本體的溫室作物、環(huán)境和裝備的標(biāo)準(zhǔn)描述，以實(shí)現(xiàn)完整意義上的作物-環(huán)境-裝備之間的信息交互。

參考文獻(xiàn)

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