基于无线传感器网络的温室大棚太阳能集热调温系统

时间：2024-05-21

李明+王昆+于俊洋

摘要：为了改善日光温室大棚内的昼夜温度更适合作物的生长，利用大棚支撑骨架和水作为热循环的主体，白天吸收太阳能并储存，晚上将储存的能量释放给温室加热。借助无线传感器网络设计太阳能集热调温系统，系统主要由温度采集、执行节点和中心决策节点组成，通过采集室外温度、骨架内水温和棚内温度，中心决策节点再根据控制策略将相应的指令发送给对应的执行节点对循环泵、阀门和加热设备进行控制，从而实现对棚内温度的自动智能调节。通过对比试验发现，设计的太阳能集热调温系统工作稳定，可提高夜间大棚内的平均温度（达2.78 ℃），避免作物被冻伤而减产，还可平衡中午棚内过高的温度，将其控制在最适宜的范围（20～25 ℃）内，从而有效延长作物进行光合作用的时间，更利于作物的生长。

关键词：温室大棚；太阳能集热；无线传感器网络；控制策略；智能调温；自动调节

中图分类号： TP273+.5 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）18-0197-04

收稿日期：2017-03-07

基金项目：国家自然科学基金（编号：61602525）；河南省科技攻关项目（编号：172102210358）。

作者简介：李明（1981—），男，河南周口人，硕士，讲师，主要从事计算机应用与通信工程。E-mail：leem81@126.com。随着我国人们生活的不断提高，使北方人能够在冬季吃上绿色蔬菜已不是难事，这得益于政府大力发展的“菜篮子”工程，其中温室大棚起至关重要的作用[1-3]。众所周知，温室是作物生长的关键因素，影响作物各种酶的活性，在冬季一般都会采取覆盖保温“被子”来保持大棚内的温度，传统的温室大棚取暖还有土锅炉加热、热风炉和电加热管等多种方法[4-5]，但这些方法不仅污染大而且成本非常高。太阳能被视为一种取之不尽、用之不竭的能源，而且没有任何污染，佟雪姣等以聚碳酸酯中空板（PC阳光板）为材料设计太阳能集热裝置[6]，闫彦涛等利用太阳能集热板吸收太阳辐射并储存在相变材料内，均取得了不错的效果[7]，但是都采用了特殊的材料，对于农户经营生产的成本过高。结合温室大棚的结构，将支撑骨架作为热循环的主体，将水作为热采集和存储的媒介，设计太阳能集热调温系统，白天将水泵到骨架空腔，吸收存储太阳能热量，也有利于平衡中午温室大棚内温度易高的现象，由于水的比热容较高，而温室大棚内的空气温度下降得较快，就可将储存的能量传导给大棚内的空气。这样不仅节省了取暖设备的空间，而且实现了零能耗和零污染，如遇到极寒天气还可以开启加热设备进行应急操作。通过对比试验发现，设计的系统工作稳定可靠，对大棚室内的温度控制实现了自动调节，且效果明显，经济价值高。

1 温室大棚骨架结构与工作原理

1.1 温室大棚骨架结构

传统日光温室大棚的基建部分主要由地基、墙体、骨架、薄膜和保温被（电动卷帘）等组成[8-9]。这种结构的大棚的主要特点是易搭建、易管理、成本低，其中在建造的过程中使用了骨架作为薄膜和保温被子的支撑，而骨架是由大量的钢管焊接而成的，本研究设计的太阳能集热系统充分利用了这些钢管，在不改变原有支撑作用的前提下，将它们联通起来，同时让水能够在钢管的内部循环[10]，改造后的温室大棚的截面示意图如图1所示。由于钢管及其内部的水比热容远高于空气，在太阳充足时，设计的太阳能集热系统会吸收太阳光能并转化成热能，同时由于作物的光合作用释放大量的热能，集热系统也吸收过剩的热量并进行储存；到傍晚时，光线变弱，保温被子放下后，作物停止光合作用，温室大棚内的空气温度会慢慢降低，此时钢管及其内部的水会向外逐渐释放热量；当太阳能集热系统内部的温度与温室大棚内的空气温度达到平衡时，再将循环水回流至蓄水池。

1.2 温度自动调节系统及控制策略

温度自动调节系统主要由太阳能集热骨架、循环泵、自动阀门、蓄水池、电加热设备和管道等组成[11]，其构成如图2所示。

温度自动调节系统根据室外温度TO、骨架内温度TF、温室大棚内温度TI和蓄水池的温度TP进行判断和决策，从而控制整个循环系统的工作。一般阳光充足的情况下，作物在

20～25 ℃的范围内进行光合作用最佳，夜间的最低温度不能低于10 ℃，以免冻伤作物。冬季一般有效的日照时间段为09：00—17：00，假设下半夜所有管道内的循环水回流到蓄水池，控制策略如下：情况1，太阳出来后，太阳光透过薄膜照射整个温室大棚，大棚内部温度逐渐升高，同时温室大棚内的作物进行光合作用，并释放大量的热能，当TI>20 ℃时，管道阀门1和2自动打开，循环泵自动开启将冷却的水泵入骨架管道内，此时骨架及其内部的水温度较低，会吸收太阳光能和温室大棚内的过剩热能；情况2，如果太阳光或者温室内温度足够高，当TF>TI时，管道阀门1和2自动打开，循环泵自动开启将热水回流到蓄水池，同时将冷却的水再次泵入骨架管道内，用来降低大棚内的温度，且尽量控制大棚内的温度在 20～25 ℃的范围内；情况3，到下午太阳光逐渐变弱，棚内的作物光合作用也减缓，棚内的温度会逐渐下降，由于太阳能集热系统的温度比空气中的温度下降得慢，通过热交换，棚内温度会缓慢下降，作物光合作用的酶活性仍然活跃，从而延长了进行光合作用的时间；情况4，作物在夜间的生长环境温度要求一般不低于10 ℃，如遇到极寒天气TO<-20 ℃，且白天储存的能量消耗尽时，此时系统会自动开启电加热设备，将蓄水池内的水加热到TP=50 ℃后，通过循环泵注入骨架中，这样就能有效提升棚内温度TI，使其达到10 ℃以上，避免作物被冻伤。

2 温度智能调节系统

温度智能调节系统是基于无线传感器网络构建的，由温度采集节点、执行节点和中心决策节点组成。温度采集和执行节点主要包括室外温度采集节点、骨架水温采集节点、室内温度采集节点、阀门控制节点、循环水泵控制节点和蓄水池温度管理节点，中心决策节点跟这些分布的节点组成星型网络[12]。温度智能调节系统网络结构如图3所示。中心决策节点负责汇聚各节点发来的温度数据和设备运行状态等信息，然后根据预设的策略将控制指令发送到相应的执行节点上，从而实现对整个大棚温度的自动调节。endprint

2.1 节点硬件设计

考虑到通信距离和功耗等因素，节点选择CC2530 F256作为硬件平台进行开发设计，它在单个芯片上整合ZigBee射频单元、内存和微控制器等，且内置了业界标准的增强型8051 CPU、8 kB RAM和256 kB的可编程闪存，同时还具有丰富的接口，具有1个IEEE 802.15.4兼容无线收发器，能够以非常低的成本建立强大的网络节点[13-14]。节点硬件平台上的模块主要有温度采集传感器DS18B20、无线射频单元、蓄水池加热设备控制、循环水泵控制、自动阀门控制以及电源管理单元等组成，其构成如图4所示。

温度是决定控制策略的重要依据，由于气体的流动性存在不稳定性，为了使每个节点采集的温度数据更加准确，本研究利用5个温度传感器DS18B20设计了传感器阵列，通过剔除偏差超过5%的数据，然后取剩余温度传感器测量的平均值，这样有效避免了测量的误差[15]。对蓄水池加热设备、循环泵和阀门的控制通过控制继电器的通断来操作完成，继电器与CC2530的I/O之间增加了驱动电路，实现了用低压电路来控制高压电路；利用CC2530的ADC接口采集锂电池的电压信号，通过预设的电压-电量关系曲线估算剩余电量，避免电池耗尽影响设备的正常运行。

2.2 节点软件设计

系统主要由温度采集/执行和中心决策节点2种类型，在软件设计上均采用循环函数的方法，其优点是程序短小精悍且运行稳定可靠[16]，软件流程如图5所示。

温度采集/执行节点主要负责室外温度、骨架内水温、大棚内温度的采集以及对设备的控制，节点启动后首先进行初始化，包括寄存器初始化、自身节点ID的读取、配置射频通信参数、建立网络连接、温度传感器DS18B20和I/O接口的初始化等，然后查看是否接收到来自中心决策节点的指令，如果有则进行相应的參数配置和操作，否则根据设置的读取周期对获取温度传感器DS18B20阵列的数值和设备的状态，再根据均值算法得到该节点处的最终温度值，最后将采集时间、节点ID、温度、设备状态和电量信息打包，并通过ZigBee网络发送到中心决策节点，根据设置的采集周期，延时n秒后进入下一次循环。

中心决策节点主要负责接收各节点发来的温度数据和设备的运行状态信息，根据制定的控制策略将相应的指令反馈给各执行节点，中心决策节点启动后，也首先进行初始化，然后等待接收来自各节点发来的数据，收到数据后根据通信协议将数据包解析，然后进行归类并存储在对应的空间，同时根据节点类型的温度信息判断是否要触发执行控制策略，并向对应的执行节点发送指令，再进入下一次循环，等待接收新数据。

3 对比试验与结果分析

为了验证本研究设计的温室大棚太阳能集热调温系统的实际效果进行对比试验，选取处在同一地理坐标的2栋日光温室大棚A和B，长度80 m，跨度9 m，且2栋温室大棚的基础建设均相同。经过前期验证可知，2栋大棚在不启用集热调温系统时，棚内同一时刻的温度几乎完全一致，说明满足作为参照对比试验条件。期望的结果有2个：（1）在白天日照充足的情况下，尽量控制棚内的温度在20～25 ℃之间，因为此时作物进行光合作用的酶活力最强；（2）在夜间控制棚内的温度不能低于10 ℃，如果低于10 ℃，作物就有被冻伤的风险，甚至导致作物死亡。在试验的过程中，A启用了本研究设计的温室大棚太阳能集热调温系统，而B则没有。通过对2栋温室大棚内的温度进行24 h的记录，温度采集周期为 60 s，记录周期60 min，记录的数据为整点前后各30 min的均值，得到的试验结果如表1所示。从表1可以看出，11：00时太阳光充足，大棚A和B的温度均高于20 ℃，能够正常进行光合作用，其棚内温度还有上升的趋势，为了控制温度，此时大棚A内的调温系统启动，循环泵开始向骨架内泵冷水用来降温，同时骨架内的水温会吸收太阳能和棚内的热量，到 14：00 时温度达到最大值（为39.57 ℃），随后由于太阳光逐渐减弱，温度降低，但大棚A骨架内有储存的能量，会通过热传导释放给棚内空气，这样在夜间大棚A内的温度就能高于大棚B，直到夜间03：00时，大棚A骨架内的温度与其内部空气的温度达到平衡，均在14 ℃左右，此次骨架内的水失去热能价值，将其回流至蓄水池。

为了能够直观对比2个温室大棚内的温度情况，将大棚A和B的室内空气温度制成时间-温度曲线，结果如图6所示。

从图6可以直观地看出，白天日光温室大棚B在20 ℃以上的时间段为11：00—16：00，最佳光合作用时长为5 h；日光温室大棚A在20 ℃以上的时间段为10：00—17：00，最佳光合作用时长为7 h，且有效地控制了高于25 ℃的时间；同时，温室大棚B在04：00—07：00的温度低于10 ℃，而温室大棚A在整个夜间的最低温度为10.32 ℃，且A比B在整个夜间时间段18：00—09：00内的平均温度提升了2.78 ℃，有效避免了作物被冻伤而减产。

4 结束语

充分利用日光温室大棚骨架作为热循环系统的主体，几乎不产生额外的成本，白天吸收太阳光能，夜间释放存储的热量，并将无线传感器网络引入调温系统，将ZigBee控制器CC2530F256作为硬件平台设计节点，并对其软件设计部分进行阐述，借助温度传感器DS18B20实现了对室外、骨架水温和棚内温度的采集，无线通信避免了繁琐布线，根据不同作物制定不同的控制策略，对循环水泵、阀门和加热设备进行控制，自动调节大棚内的温度以适合作物生长。通过对相同条件的2个温室大棚进行对比试验，使用太阳能集热调温系统的大棚能够控制夜间的气温在10 ℃以上，提升的平均气温达到2.78 ℃，避免作物被冻伤；也能够控制中午棚内温度过高的现象，使光合作用的酶活性保持活跃，延长作物进行光合作用的时间，从而使农户获得最大的经济收益。

参考文献：endprint

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