浅析温室大棚智能控制系统

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浅析温室大棚智能控制系统:温室大棚智能控制系统设计探索

【摘要】基于物联网技术的温室大棚，能够改变传统农业受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，对农业生产具有重大意义。本文设计了一种基于物联网技术的温室大棚智能控制系统，实现温室大棚的温、湿度等环境监测、智能调控等，为智能农业提供了一个典型案例。

【关键词】物联网技术；温室大棚；智能控制系统；智能农业

1.引言

随着物联网技术的快速发展，农业智能化成为现代农业的主要发展趋势。近年来，农作物温室环境智能控制技术为农业智能化提供了新的动力，基于物联网技术的温室大棚，突破了传统农业受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，对农业生产产生了重大意义。美国、以色列等西方国家在农业温室环境智能控制技术方面发展迅速，相继出现了融合气候调节、农田灌溉与作物的肥料供应的一个整体的一体化的温室网络管理系统，该系统通过对各种生产管理进行融合，然后根据传感器的输入来调节各部分进行执行动作，以达到最经济最有效的手段进行温室控制。目前我国的农作物温室环境控制技术智能化程度较低，通信传输及数据控制方法较为落后，缺乏多信息融合、分析及处理的大数据支撑。因此导致的灌溉不合理，土壤酸碱度失衡，农业污染严重，生产效率低下，农产品品质下降等问题影响了农作物温室环境智能控制技术的发展，进而影响了整个农业智能化的发展进程。因此，本文设计了一种基于物联网技术的温室大棚智能控制系统，实现温室大棚的温、湿度等环境监测、智能调控等，为智能农业提供一个典型案例。

2.系统整体方案设计

2.1应用场景（见图1-1）通过在温室大棚中布设温湿度传感器、二氧化碳传感器、土壤水分传感器、光照传感器、风向传感器、风速传感器等环境信息采集设备，实时采集大棚温度、湿度、二氧化碳浓度、光照、风向、风速及土壤湿度等环境参数，并将所采集的信息通过通信网络上传到上层监控平台，经过分析、处理后，可利用移动智能终端或PC实时监控温室大棚的情况，并可对排风扇、水泵、喷头、遮阳帘、补光灯、加热灯等可执行设备进行远程操控，整个系统可用太阳能进行能量供给。2.2整体结构设计（见图1-2）本系统由应用层、传输层、感知层这三个层次构成。应用层：采用应用开发平台作为运行和管理平台，应用开发平台是一个集成的部署、测试、开发环境，具有完善的业务接入系统、业务处理系统、数据库管理系统和高效的运营支撑系统。用户可通过电脑上的平台实现智能农业的实时监控、远程监控、节点管理、信息管理、可控设备管理等功能。传输层：系统可通过有线和无线的通信网络，将感知层中的终端机具采集的数据上传到应用层，同时将应用层的指令下发给感知层中的设备，作为中间数据交互的承载体。感知层：主要包含排风扇、喷头、加热灯、遮阳帘、传感器等设备，通过传感器采集环境信息并通过通信网络层上传给平台；通过接收上层下发的控制命令，可实现对排风扇、喷头、遮阳帘、加热灯等设备的控制。2.3整体技术设计描述系统利用微电网自发电系统提供的绿色新能源作为整个系统运行的能量供应，在大棚中布置温度、湿度、光照、CO2等工业级传感器采集环境信息，在土壤中布置土壤水分、PH值等工业级传感器对土壤进行监测，实现智能农业温室环境的整体监测设计；通过本系统的数据分析及大数据参考，提供最合理的温室环境调节方案，保障各项调节设备的高效率运行；通过大数据分析及实时数据分析，控制温室设备的通风、温度、湿度、补光、灌溉等调控设备的可靠运行；利用无线传输技术将收集的信息传送至云服务器，利用云计算与大数据技术参考历史数据的综合分析后，再将无线传输控制信号传输至设备端，智能化调控加热灯、雾化喷头、补光灯、通风扇等可控设备，为农作物健康快速生长营造一个绿色、环保、舒适的环境。

3.系统实现效果

通过本方案设计的温室大棚，能够很好地节能，以60m*10m大的温室大棚为例，其中所有设备的每天运行能耗情况如下表所示，每天总能耗约24度。在太阳能发电方面，采用的是功率为2000W的太阳能光伏发电系统，每天的总发电量为14度。本项目将微电网太阳能光伏发电系统每天的发电量供给温室大棚设备的日常运作，温室大棚每天的总耗电量为24.218度，微电网每天总发电量为14度，因此可节约整个温室大棚57.8%的外部电网供电。

4.结束语

本文围绕基于物联网技术进行温室大棚智能控制系统设计展开研究，给出了总体方案，限于篇幅，没有附上系统的详细实现，但通过实验，总体效果不错，能够很好地节能减排，为智能农业提供了一个可借鉴的典型案例。

作者：胡自强 单位：福建电力职业技术学院

浅析温室大棚智能控制系统:关于温室大棚智能控制系统的研究

【关键词】温室 大棚 智能 系统

温室大棚管理涉及到环境科学、生物学、控制技术、通信技术、计算机技术等多个方面，综合性高、复杂性强。如果想要合理控制必须根据环境变化的规律、植物生长的特点对于智能系统进行科学的设计。

1 系统总体设计

温室大棚总体处在封闭的一种状态下，其中培育生长的作物生长状况和大棚内部的各种因素都有关联性。创造出适合的环境可以让作物保持良好的生长状态。其中和环境参数相关的因素包括土壤湿度、空气湿度、空气温度、二氧化碳浓度等等。通过智能化的控制和调节能够保证好的环境基础，这也是大棚应用的最大优势之处。通过智能化的控制保证资源的最大化利用，通过合理的监控，能够创造出满足生长条件的最佳环境。

2 大棚环境参数分析

2.1 空气温度

保证温度是植物生长过程中的必然因素，其对于植物的所有生命活动具有影响，包括植物的发芽、根系生长、呼吸作用、光合作用等等。不同植物对于温度的需求不一致，通常状况分析，由于需要光合作用，因此白天的温度应该比晚上的温度高一些。大部分的果菜类植物生长温度白天控制在二十度到三十度之间，夜晚为十度到十八度之间。通过智能系统合理的控制温度及时的调节能够促进植物的生长代谢。

2.2 空气湿度

大棚内空气的相对湿度是需要监控的外部因素之一。通过调整湿度能够降低植物蒸腾量，促进光合作用，保证植物生长需求。如果湿度过高会影响植物茎叶生长，甚至容易发生病虫害，反之湿度过低就会影响水分吸收。因此最好将湿度控制在百分之五十到百分之八十五。

2.3 光照强度

光照也是植物生长中必须的能量源头，通过智能系统对于棚内光照强度和时间进行合理控制，结合不同植物的种类进行智能化调整，满足植物的生长能量来源。

2.4 二氧化碳强度

研究分析发现二氧化碳也是植物生长中必须的物质。在大棚中空气流通能力不好，作物会消耗二氧化碳造成浓度的进一步降低，最终削弱光合作用，通过智能化系统将棚内部的二氧化碳浓度始终保持在适宜的范围内能够促进植物发育。

2.5 土壤湿度

大棚中土壤的水分含量将对于植物的存活甚至生长起到决定性作用。如果土壤的水分含量过低，容易影响植物光合作用，造成生长发育不良；如果土壤湿度过高，对于土壤内部的微生物造成作用，影响植物根系的呼吸、生长，造成吸收效果不好。大棚内部的湿度还会受到空气湿度、光照等因素的影响，所以合理的监控湿度也是必然选择。

3 控制决策选择

（1）大棚内部整体环境温度、湿度的变化是有一定过程的，总体呈现出非线性状态，如果采用传统的反馈控制调节手段，将会造成系统的超调，进一步影响生物生长，因此智能控制过程中需要利用模糊逻辑控制的原则管理，同时考虑两者之间的耦合性，湿度的变化会改变温度，加热升温同时会造成湿度降低。

（2）结合不同植物的光照补偿点、饱和点设定强度的最高值和最低数值。如果出现阴雨天气时候合理利用继电器进行补光；光照强度高于最大值时候利用遮阳网进行遮挡。

（3）智能监控系统可以采用液态二氧化碳发生器，利用继电器实现对于浓度变化的监督管理和调节。

（4）土壤湿度营养的变化需要利用继电器控制水、肥电磁阀来管理。或是采用滴灌的方式，将传统技术和现代滴灌技术结合到一起，制造出肥水溶液，将肥水溶液通过输水管道定时、定量的输送到植物的根系。保证土壤内部水肥的含量始终处于有利的状态下。这种膜下滴灌技术能够局部调节，不会造成土壤结构的破坏，水量蒸发损失少，能够避免水分的回转。

4 设计基本原则

4.1 稳定安全性

想要保证整个系统能够正常的运转，传感器系统内部的精确度要比较高同时稳定性好，能够处理面对大棚内复杂环境条件的变化，如果采集信息中出现失误，应该能够通过智能系统及时的辨别，最大化保证数据的准确性。

4.2 可扩展性原则

近年来随着大棚智能控制技术的发展，棚内环境的综合监控要求进一步提升，系统设计中必须保证可扩展性，进行模块化的设计，让产品不断的更新换代。

4.3 界面调节简单性原则

用户最终的操作界面应该应用比较简单，操作流程、设定参数等各个步骤要方便快捷，满足使用者的需求标准。实时的监控现实各种数据的变化，提供对应的语言提示功能。

4.4 低成本性原则

无论设计何种系统都必须考虑到经济投入方面的问题。大棚智能系统的设计过程中应该满足基本系统运行条件下，控制资金的投入量，缩小系统运行的成本。在满足基本使用需求的条件上选择低成本的元器件，设计简单的电路。

5 硬件部分设计

硬件系统包括数据采集部分和控制单元部分，数据采集部分含有通信模块、传感器模块、微控制器模块，完成大棚内部各种环境数据的采集传输。控制单元包括电源、人机交换部分、微控制器、语音播报、报警模块、输出控制部分、通信部分，通过显示、智能控制、手动控制完成具体的任务。

6 软件部分设计

软件部分包括控制单元软件设计以及数据采集单元软件设计。控制单元软件设计包括智能的显示、控制、数据传输、语音播报、超限报警等等，其将收集到的资料和原本预设的数值进行对比，进一步调节整个大棚的环境参数，保证植物生长的最适合条件。数据采集有环境数据的采集和传输。实现控制单元和数据采集之间数据交换的为RS485总线通讯方式。

总而言之，设施农业是现代化的标志，温室大棚是重要的构成部分，提升大棚系统的综合控制水平，最大化发挥出高效农业规模化的优势，由此推进我国农业的可持续发展，开创新的局面，带动我国经济步入新的台阶。

浅析温室大棚智能控制系统:蔬菜温室大棚供热设备及智能控制系统的研制

摘要：通过采暖热负荷的计算，从理论上确定了温室大棚所需供热的总热量，为设备的选择提供了理论基础。创新性的将工业电磁加热技术及热水暖风机技术应用于温室大棚供热系统，充分保证了供热的稳定性及便利性。开发了温湿度智能系统，将智能控制引入到蔬菜温室大棚，提高了蔬菜温室大棚的可控性能。

关键词：温室大棚；供热；采暖热负荷；控制

前言

我国温室产业起步比较晚。自70年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了现代化温室成套设备[1]。虽然这些温室技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严重问题[2]。尤其在温室配套设备方面，还存在许多不足，特别是在温室采暖方面，我国的温室采暖设备主要是针对玻璃温室，这种温室造价很高，主要是养护花卉等高价作物。然而，对于造价相对较低的蔬菜温室大棚来说，目前的采暖设备绝大多数是土法取暖，还没有先进系统的采暖系统，土法采暖方式存在许多缺点，例如浪费燃料、棚内温度不稳定、不易控制、限制温室大棚规模等缺点[3]。尤其在我国北方，蔬菜温室大棚如果冬季不供暖，就无法生产[4]，因此研究一种蔬菜温室大棚内应用的供热设备是非常必要的。除此之外，由于价格等问题，针对造价相对较低的蔬菜温室大棚的温湿度控制系统严重缺乏，目前温湿度控制只被用于玻璃温室，而蔬菜温室大棚基本上没有相应的控制系统，因此研究一种价格低廉的温湿度控制系统，也是非常必要的。

1热负荷计算

温室大棚的保温性能取决于温室样式、尺寸、外维护结构（屋顶、 立面、 门窗）所用材料的热性能和厚度等[5]。设计温室时， 应根据当地气候条件选择温室的类型、 尺寸， 考虑所用材料的热性能，选择合适的外维护结构材料和结构， 保证达到理想的保温效果， 避免冬季温室内表面结露滴水， 同时在温室内外采用一些保温措施。采暖热负荷是温室采暖设计中最基本的参数，计算正确与否， 将直接影响到供暖设备的大小， 供暖方案的选择、制定以及供暖系统的使用效果[6]。

根据本地的气候特点，大棚结构如下图1所示，其维护结构参数见表1。

图1 温室大棚结构

大棚维护结构参数表：

温室的散热分为基本散热、冷风渗透散热和温室地面渗透散热三部分。基本传热量是由于室内外空气温度差而通过各部分围护结构（屋面、 墙体等）从室内传向室外的热量；冷风渗透散热是因温室维护结构的密封不严而造成的热量损耗；温室地面渗透散热是由于温室内的地面土壤温度随着土层深度的改变而降低，从而造成热量的流失。因此温室总的采暖热负荷按下式计算：

基本传热量

并且根据当地的气候条件及蔬菜生长适宜温度，取室内温度为零上15℃，取室外温度为零下20℃，维护结构分为三部分计算，即后墙及东西墙、后坡和前坡三部分，根据结构参数表，将数据带入公式（2）可计算出：

温室冷风渗透热量

温室地面的失热量

在温室大棚内不同位置的地块温度不同，靠近维护结构的土壤温度较低，因此将温室内的地块分为三个部分，其面积分别为、、，其传热系数分别为=0.465 W/m2 2・ ℃、=0.233 W/m 2・ ℃、= 0.116 W/m 2 ・ ℃。

根据上表结构参数可计算出、、，将相关数据的带入公式（4），可得

根据温室结构，选择温室的附加修正系数=1.02，风力附加系数=1.0，将、、计算所得的数据及、带入公式（1），可得

由上式可见，温室大棚总的采暖热负荷为34.27（），所以在选择设备时，只能选择功率大于34.27（）的供热设备，否则，温室大棚内的温度就达不到预计的零上15℃，就会影响蔬菜的生长。

2 实施方案和技术路线

在总结国内外温室配套设施的优缺点的基础上，分析蔬菜温室大棚的特点及我国北方的气候特征，确定如下实施方案。

2.1蔬菜温室大棚供热设备

工业电磁加热技术具有升温快、效率高、可控性好、运行稳定等优点，将其用于采暖设备，可提高采暖设备的可靠性，能保证蔬菜温室大棚在冬季安全越冬，并且能降低能源的消耗，减少污染物的排放。

高效散热装置采用先进的热水暖风机技术，可大大提高散热的效率，减少热量的消耗，并且能使温室内的空气产生对流，保证温室内的各个角落的温度恒定。

2.2 智能控制系统

如图2所示，利用温度传感器采集温室内的温度，当温度高于设定温度时控制电磁采暖设备停止运行，直到室内温度低于设定温度，此时供热设备自动启动向温室内供热；

利用湿度传感器采集温室内的湿度，当湿度高于设定湿度时自动打开通风口，排放湿气，直到室内湿度低于设定湿度，控制系统自动关闭通风口。

图 2蔬菜温室大棚控制系统原理图

2.3主要技术指标

根据采暖热负荷的计算、内地的气候特点及蔬菜的生长条件，可确定主要技术指标：

1）、温室大棚规格（长×宽×高）：

64m×10m×3m

2）、温室内温度：15℃～30℃

3）、温室内的相对湿度：白天：50%～60%；夜间：80%～90%

4）、室外平均风速：3m/s

5）、电磁炉功率：40Kw

6）、暖风机总散热功率：60Kw

结束语

蔬菜温室大棚供热设备及智能控制系统的研制，为现有的蔬菜温室大棚提供了安全越冬及冬季生产的必要条件，该设备及智能控制系统具有运行稳定、价格低廉、安装维修方便、可控性能好等优点，除此之外，应用该设备大大改善了蔬菜的品相，减少了燃煤造成的空气污染，并且大大提高了蔬菜种植户的经济收入，从而促进当地的经济发展。

浅析温室大棚智能控制系统:蔬菜温室大棚智能控制系统的设计

1P

摘 要：本文是蔬菜温室大棚智能控制系统的设计，文章主要从系统的总体设计、硬件设计、软件设计几个方面详细的论述系统的实现。此控制系统的主要控制对象是蔬菜温室大棚内的各项环境因素指标，通过将这些环境因素指标汇集到一起再进行分析，得出实时的环境监测结果，再通过手动或自动的方式进行环境的调整，以此达到为农作物提供一个最佳生长环境的目的。

关键词：蔬菜温室大棚；智能系统；设计

近些年，计算机技术与控制技术的发展推动了控制管理系统在各个行业中的应用。在农业技术日新月异的今天，以计算机技术与控制技术为基础的控制管理系统也应运而生，其最具有代表性的就是蔬菜温室大棚智能控制系统。鉴于我国经济发展以来，蔬菜在农业产业中的经济效益显著提升，作为人们生活必需品的来讲，如何在有限的空间中提升它的数量，在数量增加的情况下，还保证其质量不发生变化，这是很多农业科学家探讨的课。蔬菜温室大棚控制系统就是为了实现这一目标而设计的。这也是计算机技术与控制技术在农业生产中的重要应用，也是我国农业走科学发展道路的有效途径。

一、蔬菜温室大棚智能控制系统的总体设计

蔬菜温室大棚的环境系统控制主要通过环境参数的实时采集来实现，环境的主要参数主要有温湿度传感器，用于测定农作物生长的环境温湿度，光线强度传感器用于测定农作物生长环境的光线强度，而CO2则用于测定农作物生长环境空气中CO2浓度，系统将这些环境参数收集到一起，再由监控平台对这些数据进行计算与分析，系统根据数据的计算与分析结果控制命令的执行，以此实现温室大棚环境的调节。

（一）总体设计方案

本系统选定的被控制量为温室大棚内有温度、湿度、光照强度以及CO2浓度，以温湿度的控制为主；主要控制手段为加热、加湿、遮阳网、天窗/侧窗及风机等。整个蔬菜温室大棚的控制系统主要由DSP监控平台、数据汇集点点、无线传感器节点和执行机构五部分组成。调节方式分为手动调节与自动调节两种类型。手动调节主要通过手动来进行执行机构的动作，而自动控制模式则需要系统给执行机构发出命令自动进行温室大棚内环境参数的调整。

（二）ZigBee模块的选型及电路实现

为了满足ZigBee模块的要求，可以选取CC2430芯片，它可以用来嵌入ZigBee技术无线传输的片上系统，并且满足系统低成本、低功耗的要求。基于ZigBee技术的无线传输模块的电路实现主要进行CC2430SoC电路原理设计，其与传感器接口的电路设计，节点系统时钟与存储电路的设计、节点系统供电电路设计、充电电路的设计、节点CC2430的插座及复位电路的设计以及数据汇集节点JYAG接口电路的设计等。

（三）DSP监控平台的设计

蔬菜温室大棚的智能控制系统的核心就是DSP监控平台，它主要由五部分组成，即主控芯片DSP，串口模块、液晶显示模块、键盘输入模块、外围电路。温室大棚中的环境参数被采集之后，监控平台要对这些被采集的数据进行处理与分析，采用适宜的算法，完成数据的分析汇总，并发生控制命令。本系统的控制平台的主控芯片选择了DSPTMS320VC5509，此芯片具有数据处理速度快，程序执行效率高以及功耗小等特点。选定芯片之后，还要进行DSP电源模块电路设计，DSP串口电路设计、液晶显示及键盘输入电路的设计、程序加载模块电路的设计等。

二、蔬菜温室大棚智能控制系统的软件设计

蔬菜温室大棚智能控制系统的软件是实现智能控制功能的前提。软件设计主要包括ZigBee节点程序设计、无线传感器节点设计等。

（一）ZigBee节点程序设计

本系统软件开发平台为TI，使用8051C/C++编译器对其进行开发，并且是在Z-Stack中的SampleAp工程基础上进行的各个模块程序的设计与实现的。此软件开发平台的优点在于无需再次实现ZigBee协议栈，应用用户层主要完成节点程序的设计就可以了。在此系统中，数据采集节点与数据汇聚节点共同组成了ZigBee节点的硬件部分，因此，在进行应用程序的设计时，也要分别进行设计实现。

（二）无线传感器节点设计

无线传感器节点主要用来采集温室大棚内的环境数据，如温度、湿度、光线强度及CO2浓度等数据采集出来，将通过数据汇集节点将这些数据传送到DSP控制平台上。本系统要求数据采集要定时进行，这就需要定义一个周期性扫描函数来实现。除了要对无线传感节点进行设计外，还要对ZigBee汇聚节点的软件进行设计，还有低功耗程序设计。

（三）DSP监控平台设计

DSP监控平台设计主要包括DSP主程序设计、模糊控制程序设计、液晶显示与键盘输入程序设计、DSP串口程序设计以及自动加载程序设计。DBP主程序设计首先要进行程序的初始化，然后通过启动串口中断来进行数据的采集，数据采集的时间可以手动设定，默认时间为10分钟。数据采集完成后，各个子节点的数据被整合到一起，得出数据汇总与分析结果，对结果进行完模糊化处理后可以将控制结果输出来。

三、系统测试

为了了解系统是否具有稳定性与安全可靠性，在系统设计实现后对系统的各项性能进行了测试。系统测试分五步来实施。

（1）将温度与湿度传感器模块的子节点放置距离电暖气与空气加湿气10米的距离，将此时的室内温湿度进行测量并记录下来。

（2）将电暖气与空气加湿器分开2.5米的距离分开放置，并将温湿度传感器模块均匀的放置二者之间。

（3）每10分钟进行一次数据采集，取10次检测结果的平均值，作为最终数据采集结果。

（4）对采集结果进行模糊处理，并将此输出结果从液晶显示器显示出来。

（5）针对液晶显示器的结果，再对系统的执行机构进行手动设置。以达到农作物的最佳生产环境。

四、结语

此系统在农业生产方面的运用可以通过控制农作物生长条件环境的手段提升农作物的产量与质量。虽然系统的稳定性与可靠性已经得到了验证，但是其仍然需要继续改进的方面。例如，系统的远程控制还没有实现，电路硬件方面，数据采集节点与汇聚节点的可靠性与抗干扰性应进一步加强，应进一步降低传感器的功耗，还要继续降低系统成本，以便其在农业生产中得到广泛的应用。