基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的水稻育秧棚內(nèi)溫濕度變化規(guī)律研究＊

張立國(guó)，董淏鳴，衣淑娟，李衣菲，孫殿棋

（1.北大荒農(nóng)墾集團(tuán)有限公司建三江分公司農(nóng)業(yè)發(fā)展部，黑龍江 佳木斯 154000；2.中國(guó)人壽大慶分公司，黑龍江 大慶 163319；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

20 世紀(jì)80 年代中后期，我國(guó)開始研究適合我國(guó)國(guó)情的溫室大棚環(huán)境控制技術(shù)。90 年代中后期，各大高校掀起了研究的熱潮，幾十年的時(shí)間里，這項(xiàng)研究有了顯著的成果。由于我國(guó)在這方面的研究起步晚，目前處于轉(zhuǎn)型階段，研究成果還存在很多不足之處。筆者通過試驗(yàn)，找到了水稻育秧棚內(nèi)外空氣溫濕度的相互關(guān)系，并根據(jù)此關(guān)系設(shè)計(jì)了控制方式，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展過程中的價(jià)值。

1 系統(tǒng)智能控制流程圖

圖1為溫室大棚智能控制系統(tǒng)流程圖。上位機(jī)、下位機(jī)和無線通信構(gòu)成了系統(tǒng)三大核心部分。其中，下位機(jī)主要是完成育秧現(xiàn)場(chǎng)溫濕度等數(shù)據(jù)采集以及控制執(zhí)行工作；上位機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)監(jiān)視與控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與比較、歷史數(shù)據(jù)查詢等工作。育秧棚內(nèi)主要是通過無線通信和中央控制室的控制端完成雙向通信。每個(gè)棚內(nèi)布置三個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)采集棚內(nèi)的空氣溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸過程為：子節(jié)點(diǎn)把采集的數(shù)據(jù)傳輸給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)再把數(shù)據(jù)傳輸給控制核心部分的單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后做出執(zhí)行操作，進(jìn)而合理地調(diào)控大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的最適宜環(huán)境[1]。

圖1 溫室大棚智能控制系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of greenhouse intelligent control system

2 傳感器測(cè)試地點(diǎn)設(shè)置

選取長(zhǎng)寬高分別為100 m、18 m和3 m，總面積為1 800 m2的水稻秧棚作為實(shí)驗(yàn)棚。將試驗(yàn)棚平均分為室內(nèi)外截面設(shè)計(jì)相同的三部分，每部分設(shè)8 個(gè)測(cè)試點(diǎn)。室內(nèi)設(shè)置12 個(gè)空氣溫濕度測(cè)試點(diǎn)，室外1個(gè)[2]。選取的傳感器測(cè)試地點(diǎn)編號(hào)及具體位置分布圖如圖2所示。

圖2 傳感器測(cè)試地點(diǎn)編號(hào)分布圖Fig.2 Sensor test location number distribution

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)采用的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將連續(xù)采集到的室內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電腦中，每隔1 h存儲(chǔ)一次。相關(guān)參數(shù)如表1 所示。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選取連續(xù)10 天內(nèi)能代表北方春季氣候變化的連續(xù)3 天（2015 年4 月16 日晴天，2015年4月17日雨天，2015年4月18日陰天）監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和分析。

表1 ZigBee 傳感器相關(guān)參數(shù)Table 1 ZigBee Sensor parameters

3.1 水稻育秧棚內(nèi)空氣溫度結(jié)果分析

如圖3 所示，試驗(yàn)棚內(nèi)外空氣溫度在連續(xù)10 天的監(jiān)測(cè)時(shí)間里隨時(shí)間的變化曲線圖。

由圖可知，試驗(yàn)棚內(nèi)外的最高溫度值出現(xiàn)在12—14時(shí)之間。同時(shí)，室內(nèi)的空氣溫度隨著室外的溫度成正比例關(guān)系變化。棚內(nèi)最高溫度可達(dá)40℃以上，出現(xiàn)在12—14時(shí)之間。

秧苗生長(zhǎng)的最適宜溫度是20℃～25℃，當(dāng)室內(nèi)溫度超過了這個(gè)范圍，傳感器通過節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給下位機(jī)，下位機(jī)再通過無限傳輸模塊將信號(hào)傳給上位機(jī)，系統(tǒng)將指令傳輸給下位機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；此時(shí)，卷簾門卷起，對(duì)試驗(yàn)棚進(jìn)行通風(fēng)，降低棚內(nèi)溫度，當(dāng)溫度降到25℃以下時(shí)，卷簾門自動(dòng)關(guān)閉[3]。本文選取不同氣候條件下，連續(xù)3天棚內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，做出對(duì)比分析曲線圖，是為了更加清晰地了解棚內(nèi)外溫度的變化規(guī)律。

空氣溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，如表2所示。將表2中的試驗(yàn)棚內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)做出對(duì)比分析折線圖，如圖4 所示。4月16—18 日，不同氣象條件下，試驗(yàn)棚內(nèi)外監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖4 不同氣象條件下室內(nèi)外空氣溫度曲線圖 Fig.4 Indoor and outdoor air temperature profile under different weather conditions

圖5 4 月16 日室內(nèi)外空氣溫度曲線圖Fig.5 April 16 indoor and outdoor air temperature graph

圖6 4 月17 日水稻育秧棚內(nèi)外空氣溫度曲線圖Fig.6 April 17 Air temperature curve inside and outside rice seedling shed

圖7 4 月18 日水稻育秧棚外空氣溫度曲線圖Fig.7 April 18 Air temperature curve outside rice seedling shed

表2、圖4至圖7顯示，在連續(xù)3天特殊的天氣變化情況下，晴天時(shí)，試驗(yàn)棚內(nèi)溫度變化規(guī)律為：室外升高1 ℃，室內(nèi)升高6℃；正午時(shí)，棚內(nèi)溫度達(dá)到最高，接近40℃，下午時(shí)，棚內(nèi)溫度范圍在10℃～15℃。雨天時(shí)，室內(nèi)外溫度沒有太大的變化，處于平穩(wěn)狀態(tài)。陰天無太陽時(shí)，室內(nèi)外溫度變化也不是很明顯，但午后太陽出來以后，在陽光的照射下，棚內(nèi)溫度開始逐漸升高至30℃。

3.2 水稻育秧棚內(nèi)空氣濕度結(jié)果分析

如圖8 所示，試驗(yàn)棚內(nèi)外的空氣濕度在連續(xù)十天的監(jiān)測(cè)時(shí)間里隨時(shí)間的變化曲線圖。由圖可知，夜間時(shí)，棚內(nèi)出現(xiàn)大量水霧，原因是棚內(nèi)釋放白天儲(chǔ)存的大量熱量，濕度會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。4 月17 日、18 日、19 日均為陰雨天氣，白天試驗(yàn)棚外的濕度很高，幾乎達(dá)到100%，而棚內(nèi)由于溫度高，濕度下降，這樣一來，棚內(nèi)外空氣濕度變化產(chǎn)生明顯的差異。4月15日、16日、25日這三天試驗(yàn)棚內(nèi)外空氣濕度無明顯變化[4]。不同氣象條件下，棚內(nèi)外空氣濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法同表1，處理結(jié)果見表3、圖9至圖12。

圖8 水稻育秧棚內(nèi)外空氣濕度變化Fig.8 Changes of air humidity inside and outside rice seedling shed

表3 空氣濕度在不同氣象條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)值（%）Table3 Experimental data of air humidity under different meteorological conditions (%)

圖9 不同氣象條件下室內(nèi)外空氣濕度曲線圖Fig.9 Indoor and outdoor air humidity curves under different meteorological conditions

由表3、圖9 至圖12 可以看出，試驗(yàn)棚內(nèi)外空氣濕度變化比較有規(guī)律。晴天時(shí)，室內(nèi)外濕度變化幅度較大。雨天時(shí)，午時(shí)室外空氣濕度高于試驗(yàn)棚內(nèi)空氣濕度，夜間棚內(nèi)空氣濕度開始持續(xù)升高[5]。陰天時(shí)，室內(nèi)外空氣濕度變化不明顯，變化范圍保持在60%～100%之間。

圖10 4 月16 日水稻育秧棚內(nèi)外空氣濕度曲線圖Fig.10 April 16 Air humidity curve inside and outside rice seedling shed

圖11 4 月17 日室內(nèi)外空氣濕度曲線圖Fig11 April 17 indoor and outdoor air humidity curve outside rice seedling shed

4 結(jié)論

1）只有在雨天，育秧棚內(nèi)的空氣濕度低于室外的空氣濕度，其他天氣時(shí)則相反。棚內(nèi)空氣濕度最低值出現(xiàn)在午時(shí)，晚20時(shí)至次日早晨5時(shí)棚內(nèi)空氣濕度達(dá)到飽和。

圖12 4 月18 日水稻育秧棚內(nèi)外空氣濕度曲線圖Fig12 April 18 Air humidity curve inside and outside rice seedling shed

2）試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在一天當(dāng)中，水稻育秧棚內(nèi)外的空氣溫度成正比例關(guān)系變化。棚內(nèi)最高溫度可達(dá)40℃以上，出現(xiàn)在12—14時(shí)之間，在棚內(nèi)其他環(huán)境參數(shù)的影響下，棚內(nèi)溫度基本保持在5℃～25℃之間。

3）秧苗生長(zhǎng)的最適宜溫度是20℃～25℃，當(dāng)室內(nèi)溫度超過了這個(gè)范圍，傳感器通過節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給下位機(jī)，下位機(jī)再通過無限傳輸模塊將信號(hào)傳給上位機(jī)，系統(tǒng)將指令傳輸給下位機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；此時(shí)，卷簾門卷起，對(duì)試驗(yàn)棚進(jìn)行通風(fēng)，降低棚內(nèi)溫度，當(dāng)溫度降到25℃以下時(shí)，卷簾門自動(dòng)關(guān)閉。