摘要：為了調節日光溫室大棚內的環境溫度使其更適宜作物的生長，借鑒集中供暖的思想設計了全方位智能調溫系統，系統主要由地溫管理控制單元、棚內溫度管理控制單元、供暖系統控制、云服務器以及農戶智能手機終端等組成。利用供熱管道對土壤和空氣進行全方位的熱傳遞，同時，建立了三維非穩態地溫傳熱數學模型，根據采集到的管道周圍土壤和空氣的溫度信息，利用ＲＢＦ-ＰIＤ控制算法對水溫、循環泵和均衡風扇進行控制，從而實現對溫室大棚的全方位溫度調節。試驗結果表明：設計的全方位智能調溫系統工作穩定可靠，能夠將大棚內的土壤和空氣溫度自動控制在預設的范圍，最大平均誤差分別僅為０．３℃和０．５℃，而且實現了農戶的遠程監測和管理，為推動智慧農業的發展奠定了基礎。

　　關鍵詞：溫室大棚；智慧農業；溫度均衡；控制策略；智能交互

　　農業生產追求在有限的土地面積上獲得最大的產量，而作物產量除了與品種自身的遺傳基因有關外，同時也受周圍環境因素的影響［１-３］。其中，溫度是作物生長發育最重要的環境參數之一，且不同的作物在不同的生長階段所需的環境溫度也有所差異。對于我國北方寒冷地區的溫室大棚來講，溫室大棚內外的復雜環境，使得對作物生長環境的控制極其困難［４］。傳統的溫室大棚大多通過收集來自太陽光的熱量來維持棚內的溫度，但如果遇到極寒天氣，就很有可能對作物造成損害而減產，甚至死亡。文獻［５-7］均提出了采用加熱的方式對溫室進行增溫，取得了不錯的效果。但這些方法均忽略了對土壤溫度的控制，由于作物的根系是吸收營養物質的主要通道，更需要適宜的溫度環境。作物在進行正常呼吸作用時會釋放熱量，同時，土壤也會與棚內空氣進行熱交換，均對土壤的溫度造成影響，所以需要對土壤溫度進行調節，使作物根系處于最佳的生長環境中。

　　１問題描述及系統設計

　　１．１問題描述及解決方案

　　由于溫室大棚內部空間較大，使得對其內部溫度的控制有很大的遲滯性，且土壤的比熱容要遠大于空氣，從而溫度的變化趨于非線性，再加上容易受內外環境因素的影響，所以更難于對其進行控制。傳統溫室大棚的調溫方法較為簡單，一般采取日照取暖、通風遮陽降溫和夜間棉被覆蓋保溫的方法，雖然這些方法成本較低，控制方法簡單，但容易使棚內的空氣和土壤溫度分布不均，而且對于溫度的調節見效慢，一旦遇到極寒天氣，如不能將溫度及時調整到適宜作物生存的范圍，就會導致作物遭受凍傷而減產，甚至絕收［８-９］。為了使棚內的溫度不完全受外部環境的影響，能夠自適應調節溫度，需要解決溫室的增溫、降溫和熱均衡３個問題，本研究提出了相應的解決方案：（１）增溫。借鑒集中供暖的思想，通過暖氣管道和地埋管為棚內的空氣和土壤快速輸送熱量。（2）降溫。冬季外部環境寒冷，如果在中午太陽直射光照過強的情況下，棚內溫度可能會超過預設的安全范圍，可啟用與外界的對流風扇，快速降低棚內溫度。（３）熱均衡。安裝空氣均衡風扇，使棚內空氣循環，將熱量從高位區帶到低溫區，迅速達到平衡。

　　１．2系統設計

　　采用無線通信、電子技術和計算機等技術，設計了全方位智能調溫系統，該系統主要由地溫管理控制單元、棚內溫度管理控制單元、供暖系統控制、集中管理平臺、云服務器以及農戶智能手機終端等組成，溫室智能調溫系統結構如圖2所示。

　　２節點設計與溫度控制

　　2．１節點設計

　　選取高集成度的芯片ＣＣ2５３０Ｆ2５６為節點的核心部件開發設計，該芯片不僅帶有微控制器，還集成了ＺｉｇＢｅｅ無線射頻模塊，實現溫室大棚內節點間的通信［１１］。節點主要由溫度傳感器陣列、高增益天線、供熱管道的溫控單元以及鋰電池等組成。節點結構如圖３所示。

　　2．2熱傳導模型與熱交換

　　由于空氣的比熱容更低，流動性更強，所以其熱傳導速度更快，通過風機進行內部循環，或者與外界交換氣體，迅速達到預設的溫度。由于土壤的溫度主要受地埋管熱傳導和空氣熱交換的影響，但土壤熱傳導存在遲滯性，為了對其進行精確控制，需要建立熱導模型。在理想狀態下建模，需要假設條件如下：（１）管道、循環液及周圍土壤是各向同性且均勻的物質；（2）地埋管的熱導特性與溫室內土壤相同；（３）管道與土壤的熱量交換認為是三維熱傳導；（４）忽略沿地埋管延伸方向的溫度變化；（５）地埋管折彎段遵循直管道進行計算。

　　３溫度集中管理平臺及智能交互終端

　　３．１溫度集中管理平臺

　　溫室大棚內的集中管理平臺實際上是一臺接入互聯網的服務器，具有完備的功能模塊，主要由登陸權限管理、網絡配置（ＺｉｇＢｅｅ和互聯網）、云服務器接口管理、溫度監測和控制策略、大棚分區管理、作物專家信息庫、ＳＱＬｉｔｅ數據庫、數據分析統計和報表管理等組成［１５］。軟件架構如圖５所示。

　　３．2智能交互終端

　　云服務器是溫室大棚本地管理服務器與農戶智能交互終端的紐帶，通過向兩者開放不同的端口提供服務，云平臺不僅存儲溫室大棚各節點的溫度數據，還傳送智能終端對溫室內執行設備發出的控制指令。為了讓農戶更方便地管理溫室大棚內的溫度，在智能手機終端上開發了與云服務器進行交互的ＡＰＰ。智能手機終端的主要任務是獲取并顯示管理平臺的數據，并與使用者（農戶）進行人機交互。在智能手機ＡＰＰ設計方面，主要涉及到兩大部分：ＵI界面和通信。ＡＰＰ采用了分層架構，把數據處理的部分獨立出一層ＤａｔａＭａｎａｇｅｒｓ來，對上層ＵI提供數據接口，這樣就不需要Ａｃｔｉｖｉｔｙ和Ｆｒａｇｍｅｎｔ提供的資源，ＵI層不用關心數據的來源（內存、網絡、緩存）。同時，ＤａｔａＭａｎａｇｅｒｓ層向下，Ａｃｔｉｖｉｔｙ和Ｆｒａｇｍｅｎｔ剝離了數據處理的責任后，持有ＤａｔａＭａｎａｇｅｒ的引用，負責獲取數據并展示，向ＤａｔａＭａｎａｇｅｒ傳遞數據，絕不進行網絡請求和緩存讀寫，大幅減輕Ａｃｔｉｖｉｔｙ／Ｆｒａｇｍｅｎｔ的壓力，實現數據統一管理。智能手機交互軟件架構如圖６所示。

　　參考文獻：

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