基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)

李明+王昆+于俊洋

摘要：為了改善日光溫室大棚內(nèi)的晝夜溫度更適合作物的生長(zhǎng)，利用大棚支撐骨架和水作為熱循環(huán)的主體，白天吸收太陽能并儲(chǔ)存，晚上將儲(chǔ)存的能量釋放給溫室加熱。借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由溫度采集、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和中心決策節(jié)點(diǎn)組成，通過采集室外溫度、骨架內(nèi)水溫和棚內(nèi)溫度，中心決策節(jié)點(diǎn)再根據(jù)控制策略將相應(yīng)的指令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)對(duì)循環(huán)泵、閥門和加熱設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)溫度的自動(dòng)智能調(diào)節(jié)。通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可提高夜間大棚內(nèi)的平均溫度（達(dá)2.78 ℃），避免作物被凍傷而減產(chǎn)，還可平衡中午棚內(nèi)過高的溫度，將其控制在最適宜的范圍（20～25 ℃）內(nèi)，從而有效延長(zhǎng)作物進(jìn)行光合作用的時(shí)間，更利于作物的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；太陽能集熱；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；控制策略；智能調(diào)溫；自動(dòng)調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)： TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）18-0197-04

收稿日期：2017-03-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61602525）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：172102210358）。

作者簡(jiǎn)介：李 明（1981—），男，河南周口人，碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用與通信工程。E-mail：leem81@126.com。 隨著我國(guó)人們生活的不斷提高，使北方人能夠在冬季吃上綠色蔬菜已不是難事，這得益于政府大力發(fā)展的“菜籃子”工程，其中溫室大棚起至關(guān)重要的作用[1-3]。眾所周知，溫室是作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，影響作物各種酶的活性，在冬季一般都會(huì)采取覆蓋保溫“被子”來保持大棚內(nèi)的溫度，傳統(tǒng)的溫室大棚取暖還有土鍋爐加熱、熱風(fēng)爐和電加熱管等多種方法[4-5]，但這些方法不僅污染大而且成本非常高。太陽能被視為一種取之不盡、用之不竭的能源，而且沒有任何污染，佟雪姣等以聚碳酸酯中空板（PC陽光板）為材料設(shè)計(jì)太陽能集熱裝置[6]，閆彥濤等利用太陽能集熱板吸收太陽輻射并儲(chǔ)存在相變材料內(nèi)，均取得了不錯(cuò)的效果[7]，但是都采用了特殊的材料，對(duì)于農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)的成本過高。結(jié)合溫室大棚的結(jié)構(gòu)，將支撐骨架作為熱循環(huán)的主體，將水作為熱采集和存儲(chǔ)的媒介，設(shè)計(jì)太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)，白天將水泵到骨架空腔，吸收存儲(chǔ)太陽能熱量，也有利于平衡中午溫室大棚內(nèi)溫度易高的現(xiàn)象，由于水的比熱容較高，而溫室大棚內(nèi)的空氣溫度下降得較快，就可將儲(chǔ)存的能量傳導(dǎo)給大棚內(nèi)的空氣。這樣不僅節(jié)省了取暖設(shè)備的空間，而且實(shí)現(xiàn)了零能耗和零污染，如遇到極寒天氣還可以開啟加熱設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急操作。通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，對(duì)大棚室內(nèi)的溫度控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，且效果明顯，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。

1 溫室大棚骨架結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 溫室大棚骨架結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)日光溫室大棚的基建部分主要由地基、墻體、骨架、薄膜和保溫被（電動(dòng)卷簾）等組成[8-9]。這種結(jié)構(gòu)的大棚的主要特點(diǎn)是易搭建、易管理、成本低，其中在建造的過程中使用了骨架作為薄膜和保溫被子的支撐，而骨架是由大量的鋼管焊接而成的，本研究設(shè)計(jì)的太陽能集熱系統(tǒng)充分利用了這些鋼管，在不改變?cè)兄巫饔玫那疤嵯?，將它們?lián)通起來，同時(shí)讓水能夠在鋼管的內(nèi)部循環(huán)[10]，改造后的溫室大棚的截面示意圖如圖1所示。由于鋼管及其內(nèi)部的水比熱容遠(yuǎn)高于空氣，在太陽充足時(shí)，設(shè)計(jì)的太陽能集熱系統(tǒng)會(huì)吸收太陽光能并轉(zhuǎn)化成熱能，同時(shí)由于作物的光合作用釋放大量的熱能，集熱系統(tǒng)也吸收過剩的熱量并進(jìn)行儲(chǔ)存；到傍晚時(shí)，光線變?nèi)?，保溫被子放下后，作物停止光合作用，溫室大棚?nèi)的空氣溫度會(huì)慢慢降低，此時(shí)鋼管及其內(nèi)部的水會(huì)向外逐漸釋放熱量；當(dāng)太陽能集熱系統(tǒng)內(nèi)部的溫度與溫室大棚內(nèi)的空氣溫度達(dá)到平衡時(shí)，再將循環(huán)水回流至蓄水池。

1.2 溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)及控制策略

溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由太陽能集熱骨架、循環(huán)泵、自動(dòng)閥門、蓄水池、電加熱設(shè)備和管道等組成[11]，其構(gòu)成如圖2所示。

溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)室外溫度TO、骨架內(nèi)溫度TF、溫室大棚內(nèi)溫度TI和蓄水池的溫度TP進(jìn)行判斷和決策，從而控制整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的工作。一般陽光充足的情況下， 作物在

20～25 ℃的范圍內(nèi)進(jìn)行光合作用最佳，夜間的最低溫度不能低于10 ℃，以免凍傷作物。冬季一般有效的日照時(shí)間段為09：00—17：00，假設(shè)下半夜所有管道內(nèi)的循環(huán)水回流到蓄水池，控制策略如下：情況1，太陽出來后，太陽光透過薄膜照射整個(gè)溫室大棚，大棚內(nèi)部溫度逐漸升高，同時(shí)溫室大棚內(nèi)的作物進(jìn)行光合作用，并釋放大量的熱能，當(dāng)TI>20 ℃時(shí)，管道閥門1和2自動(dòng)打開，循環(huán)泵自動(dòng)開啟將冷卻的水泵入骨架管道內(nèi)，此時(shí)骨架及其內(nèi)部的水溫度較低，會(huì)吸收太陽光能和溫室大棚內(nèi)的過剩熱能；情況2，如果太陽光或者溫室內(nèi)溫度足夠高，當(dāng)TF>TI時(shí)，管道閥門1和2自動(dòng)打開，循環(huán)泵自動(dòng)開啟將熱水回流到蓄水池，同時(shí)將冷卻的水再次泵入骨架管道內(nèi)，用來降低大棚內(nèi)的溫度，且盡量控制大棚內(nèi)的溫度在 20～25 ℃的范圍內(nèi)；情況3，到下午太陽光逐漸變?nèi)?，棚?nèi)的作物光合作用也減緩，棚內(nèi)的溫度會(huì)逐漸下降，由于太陽能集熱系統(tǒng)的溫度比空氣中的溫度下降得慢，通過熱交換，棚內(nèi)溫度會(huì)緩慢下降，作物光合作用的酶活性仍然活躍，從而延長(zhǎng)了進(jìn)行光合作用的時(shí)間；情況4，作物在夜間的生長(zhǎng)環(huán)境溫度要求一般不低于10 ℃，如遇到極寒天氣TO<-20 ℃，且白天儲(chǔ)存的能量消耗盡時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟電加熱設(shè)備，將蓄水池內(nèi)的水加熱到TP=50 ℃后，通過循環(huán)泵注入骨架中，這樣就能有效提升棚內(nèi)溫度TI，使其達(dá)到10 ℃以上，避免作物被凍傷。

2 溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的，由溫度采集節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和中心決策節(jié)點(diǎn)組成。溫度采集和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)主要包括室外溫度采集節(jié)點(diǎn)、骨架水溫采集節(jié)點(diǎn)、室內(nèi)溫度采集節(jié)點(diǎn)、閥門控制節(jié)點(diǎn)、循環(huán)水泵控制節(jié)點(diǎn)和蓄水池溫度管理節(jié)點(diǎn)，中心決策節(jié)點(diǎn)跟這些分布的節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)[12]。溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。中心決策節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯聚各節(jié)點(diǎn)發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的策略將控制指令發(fā)送到相應(yīng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)大棚溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。endprint

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

考慮到通信距離和功耗等因素，節(jié)點(diǎn)選擇CC2530 F256作為硬件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，它在單個(gè)芯片上整合ZigBee射頻單元、內(nèi)存和微控制器等，且內(nèi)置了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU、8 kB RAM和256 kB的可編程閃存，同時(shí)還具有豐富的接口，具有1個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器，能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[13-14]。節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)上的模塊主要有溫度采集傳感器DS18B20、無線射頻單元、蓄水池加熱設(shè)備控制、循環(huán)水泵控制、自動(dòng)閥門控制以及電源管理單元等組成，其構(gòu)成如圖4所示。

溫度是決定控制策略的重要依據(jù)，由于氣體的流動(dòng)性存在不穩(wěn)定性，為了使每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，本研究利用5個(gè)溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)了傳感器陣列，通過剔除偏差超過5%的數(shù)據(jù)，然后取剩余溫度傳感器測(cè)量的平均值，這樣有效避免了測(cè)量的誤差[15]。對(duì)蓄水池加熱設(shè)備、循環(huán)泵和閥門的控制通過控制繼電器的通斷來操作完成，繼電器與CC2530的I/O之間增加了驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了用低壓電路來控制高壓電路；利用CC2530的ADC接口采集鋰電池的電壓信號(hào)，通過預(yù)設(shè)的電壓-電量關(guān)系曲線估算剩余電量，避免電池耗盡影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由溫度采集/執(zhí)行和中心決策節(jié)點(diǎn)2種類型，在軟件設(shè)計(jì)上均采用循環(huán)函數(shù)的方法，其優(yōu)點(diǎn)是程序短小精悍且運(yùn)行穩(wěn)定可靠[16]，軟件流程如圖5所示。

溫度采集/執(zhí)行節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)室外溫度、骨架內(nèi)水溫、大棚內(nèi)溫度的采集以及對(duì)設(shè)備的控制，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化，包括寄存器初始化、自身節(jié)點(diǎn)ID的讀取、配置射頻通信參數(shù)、建立網(wǎng)絡(luò)連接、溫度傳感器DS18B20和I/O接口的初始化等，然后查看是否接收到來自中心決策節(jié)點(diǎn)的指令，如果有則進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置和操作，否則根據(jù)設(shè)置的讀取周期對(duì)獲取溫度傳感器DS18B20陣列的數(shù)值和設(shè)備的狀態(tài)，再根據(jù)均值算法得到該節(jié)點(diǎn)處的最終溫度值，最后將采集時(shí)間、節(jié)點(diǎn)ID、溫度、設(shè)備狀態(tài)和電量信息打包，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心決策節(jié)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)置的采集周期，延時(shí)n秒后進(jìn)入下一次循環(huán)。

中心決策節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，根據(jù)制定的控制策略將相應(yīng)的指令反饋給各執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，中心決策節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，也首先進(jìn)行初始化，然后等待接收來自各節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包解析，然后進(jìn)行歸類并存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的空間，同時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型的溫度信息判斷是否要觸發(fā)執(zhí)行控制策略，并向?qū)?yīng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，再進(jìn)入下一次循環(huán)，等待接收新數(shù)據(jù)。

3 對(duì)比試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的溫室大棚太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)的實(shí)際效果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選取處在同一地理坐標(biāo)的2棟日光溫室大棚A和B，長(zhǎng)度80 m，跨度9 m，且2棟溫室大棚的基礎(chǔ)建設(shè)均相同。經(jīng)過前期驗(yàn)證可知，2棟大棚在不啟用集熱調(diào)溫系統(tǒng)時(shí)，棚內(nèi)同一時(shí)刻的溫度幾乎完全一致，說明滿足作為參照對(duì)比試驗(yàn)條件。期望的結(jié)果有2個(gè)：（1）在白天日照充足的情況下，盡量控制棚內(nèi)的溫度在20～25 ℃之間，因?yàn)榇藭r(shí)作物進(jìn)行光合作用的酶活力最強(qiáng)；（2）在夜間控制棚內(nèi)的溫度不能低于10 ℃，如果低于10 ℃，作物就有被凍傷的風(fēng)險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致作物死亡。在試驗(yàn)的過程中，A啟用了本研究設(shè)計(jì)的溫室大棚太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)，而B則沒有。通過對(duì)2棟溫室大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行24 h的記錄，溫度采集周期為 60 s，記錄周期60 min，記錄的數(shù)據(jù)為整點(diǎn)前后各30 min的均值，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，11：00時(shí)太陽光充足，大棚A和B的溫度均高于20 ℃，能夠正常進(jìn)行光合作用，其棚內(nèi)溫度還有上升的趨勢(shì)，為了控制溫度，此時(shí)大棚A內(nèi)的調(diào)溫系統(tǒng)啟動(dòng)， 循環(huán)泵開始向骨架內(nèi)泵冷水用來降溫，同時(shí)骨架內(nèi)的水溫會(huì)吸收太陽能和棚內(nèi)的熱量，到 14：00 時(shí)溫度達(dá)到最大值（為39.57 ℃），隨后由于太陽光逐漸減弱，溫度降低，但大棚A骨架內(nèi)有儲(chǔ)存的能量，會(huì)通過熱傳導(dǎo)釋放給棚內(nèi)空氣，這樣在夜間大棚A內(nèi)的溫度就能高于大棚B，直到夜間03：00時(shí)，大棚A骨架內(nèi)的溫度與其內(nèi)部空氣的溫度達(dá)到平衡，均在14 ℃左右，此次骨架內(nèi)的水失去熱能價(jià)值，將其回流至蓄水池。

為了能夠直觀對(duì)比2個(gè)溫室大棚內(nèi)的溫度情況，將大棚A和B的室內(nèi)空氣溫度制成時(shí)間-溫度曲線，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以直觀地看出，白天日光溫室大棚B在20 ℃以上的時(shí)間段為11：00—16：00，最佳光合作用時(shí)長(zhǎng)為5 h；日光溫室大棚A在20 ℃以上的時(shí)間段為10：00—17：00，最佳光合作用時(shí)長(zhǎng)為7 h，且有效地控制了高于25 ℃的時(shí)間；同時(shí)，溫室大棚B在04：00—07：00的溫度低于10 ℃，而溫室大棚A在整個(gè)夜間的最低溫度為10.32 ℃，且A比B在整個(gè)夜間時(shí)間段18：00—09：00內(nèi)的平均溫度提升了2.78 ℃，有效避免了作物被凍傷而減產(chǎn)。

4 結(jié)束語

充分利用日光溫室大棚骨架作為熱循環(huán)系統(tǒng)的主體，幾乎不產(chǎn)生額外的成本，白天吸收太陽光能，夜間釋放存儲(chǔ)的熱量，并將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入調(diào)溫系統(tǒng)，將ZigBee控制器CC2530F256作為硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行闡述，借助溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)了對(duì)室外、骨架水溫和棚內(nèi)溫度的采集，無線通信避免了繁瑣布線，根據(jù)不同作物制定不同的控制策略，對(duì)循環(huán)水泵、閥門和加熱設(shè)備進(jìn)行控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度以適合作物生長(zhǎng)。通過對(duì)相同條件的2個(gè)溫室大棚進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，使用太陽能集熱調(diào)溫系統(tǒng)的大棚能夠控制夜間的氣溫在10 ℃以上，提升的平均氣溫達(dá)到2.78 ℃，避免作物被凍傷；也能夠控制中午棚內(nèi)溫度過高的現(xiàn)象，使光合作用的酶活性保持活躍，延長(zhǎng)作物進(jìn)行光合作用的時(shí)間，從而使農(nóng)戶獲得最大的經(jīng)濟(jì)收益。

參考文獻(xiàn)：endprint

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