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淺析溫室大棚智能控制系統:溫室大棚智能控制系統設計探索

【摘要】基于物聯網技術的溫室大棚，能夠改變傳統農業受地域、自然環境、氣候等諸多因素的限制，對農業生產具有重大意義。本文設計了一種基于物聯網技術的溫室大棚智能控制系統，實現溫室大棚的溫、濕度等環境監測、智能調控等，為智能農業提供了一個典型案例。

【關鍵詞】物聯網技術；溫室大棚；智能控制系統；智能農業

1.引言

隨著物聯網技術的快速發展，農業智能化成為現代農業的主要發展趨勢。近年來，農作物溫室環境智能控制技術為農業智能化提供了新的動力，基于物聯網技術的溫室大棚，突破了傳統農業受地域、自然環境、氣候等諸多因素的限制，對農業生產產生了重大意義。美國、以色列等西方國家在農業溫室環境智能控制技術方面發展迅速，相繼出現了融合氣候調節、農田灌溉與作物的肥料供應的一個整體的一體化的溫室網絡管理系統，該系統通過對各種生產管理進行融合，然后根據傳感器的輸入來調節各部分進行執行動作，以達到最經濟最有效的手段進行溫室控制。目前我國的農作物溫室環境控制技術智能化程度較低，通信傳輸及數據控制方法較為落后，缺乏多信息融合、分析及處理的大數據支撐。因此導致的灌溉不合理，土壤酸堿度失衡，農業污染嚴重，生產效率低下，農產品品質下降等問題影響了農作物溫室環境智能控制技術的發展，進而影響了整個農業智能化的發展進程。因此，本文設計了一種基于物聯網技術的溫室大棚智能控制系統，實現溫室大棚的溫、濕度等環境監測、智能調控等，為智能農業提供一個典型案例。

2.系統整體方案設計

2.1應用場景（見圖1-1）通過在溫室大棚中布設溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、土壤水分傳感器、光照傳感器、風向傳感器、風速傳感器等環境信息采集設備，實時采集大棚溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照、風向、風速及土壤濕度等環境參數，并將所采集的信息通過通信網絡上傳到上層監控平臺，經過分析、處理后，可利用移動智能終端或PC實時監控溫室大棚的情況，并可對排風扇、水泵、噴頭、遮陽簾、補光燈、加熱燈等可執行設備進行遠程操控，整個系統可用太陽能進行能量供給。2.2整體結構設計（見圖1-2）本系統由應用層、傳輸層、感知層這三個層次構成。應用層：采用應用開發平臺作為運行和管理平臺，應用開發平臺是一個集成的部署、測試、開發環境，具有完善的業務接入系統、業務處理系統、數據庫管理系統和高效的運營支撐系統。用戶可通過電腦上的平臺實現智能農業的實時監控、遠程監控、節點管理、信息管理、可控設備管理等功能。傳輸層：系統可通過有線和無線的通信網絡，將感知層中的終端機具采集的數據上傳到應用層，同時將應用層的指令下發給感知層中的設備，作為中間數據交互的承載體。感知層：主要包含排風扇、噴頭、加熱燈、遮陽簾、傳感器等設備，通過傳感器采集環境信息并通過通信網絡層上傳給平臺；通過接收上層下發的控制命令，可實現對排風扇、噴頭、遮陽簾、加熱燈等設備的控制。2.3整體技術設計描述系統利用微電網自發電系統提供的綠色新能源作為整個系統運行的能量供應，在大棚中布置溫度、濕度、光照、CO2等工業級傳感器采集環境信息，在土壤中布置土壤水分、PH值等工業級傳感器對土壤進行監測，實現智能農業溫室環境的整體監測設計；通過本系統的數據分析及大數據參考，提供最合理的溫室環境調節方案，保障各項調節設備的高效率運行；通過大數據分析及實時數據分析，控制溫室設備的通風、溫度、濕度、補光、灌溉等調控設備的可靠運行；利用無線傳輸技術將收集的信息傳送至云服務器，利用云計算與大數據技術參考歷史數據的綜合分析后，再將無線傳輸控制信號傳輸至設備端，智能化調控加熱燈、霧化噴頭、補光燈、通風扇等可控設備，為農作物健康快速生長營造一個綠色、環保、舒適的環境。

3.系統實現效果

通過本方案設計的溫室大棚，能夠很好地節能，以60m*10m大的溫室大棚為例，其中所有設備的每天運行能耗情況如下表所示，每天總能耗約24度。在太陽能發電方面，采用的是功率為2000W的太陽能光伏發電系統，每天的總發電量為14度。本項目將微電網太陽能光伏發電系統每天的發電量供給溫室大棚設備的日常運作，溫室大棚每天的總耗電量為24.218度，微電網每天總發電量為14度，因此可節約整個溫室大棚57.8%的外部電網供電。

4.結束語

本文圍繞基于物聯網技術進行溫室大棚智能控制系統設計展開研究，給出了總體方案，限于篇幅，沒有附上系統的詳細實現，但通過實驗，總體效果不錯，能夠很好地節能減排，為智能農業提供了一個可借鑒的典型案例。

作者：胡自強 單位：福建電力職業技術學院

淺析溫室大棚智能控制系統:關于溫室大棚智能控制系統的研究

【關鍵詞】溫室 大棚 智能 系統

溫室大棚管理涉及到環境科學、生物學、控制技術、通信技術、計算機技術等多個方面，綜合性高、復雜性強。如果想要合理控制必須根據環境變化的規律、植物生長的特點對于智能系統進行科學的設計。

1 系統總體設計

溫室大棚總體處在封閉的一種狀態下，其中培育生長的作物生長狀況和大棚內部的各種因素都有關聯性。創造出適合的環境可以讓作物保持良好的生長狀態。其中和環境參數相關的因素包括土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、二氧化碳濃度等等。通過智能化的控制和調節能夠保證好的環境基礎，這也是大棚應用的最大優勢之處。通過智能化的控制保證資源的最大化利用，通過合理的監控，能夠創造出滿足生長條件的最佳環境。

2 大棚環境參數分析

2.1 空氣溫度

保證溫度是植物生長過程中的必然因素，其對于植物的所有生命活動具有影響，包括植物的發芽、根系生長、呼吸作用、光合作用等等。不同植物對于溫度的需求不一致，通常狀況分析，由于需要光合作用，因此白天的溫度應該比晚上的溫度高一些。大部分的果菜類植物生長溫度白天控制在二十度到三十度之間，夜晚為十度到十八度之間。通過智能系統合理的控制溫度及時的調節能夠促進植物的生長代謝。

2.2 空氣濕度

大棚內空氣的相對濕度是需要監控的外部因素之一。通過調整濕度能夠降低植物蒸騰量，促進光合作用，保證植物生長需求。如果濕度過高會影響植物莖葉生長，甚至容易發生病蟲害，反之濕度過低就會影響水分吸收。因此最好將濕度控制在百分之五十到百分之八十五。

2.3 光照強度

光照也是植物生長中必須的能量源頭，通過智能系統對于棚內光照強度和時間進行合理控制，結合不同植物的種類進行智能化調整，滿足植物的生長能量來源。

2.4 二氧化碳強度

研究分析發現二氧化碳也是植物生長中必須的物質。在大棚中空氣流通能力不好，作物會消耗二氧化碳造成濃度的進一步降低，最終削弱光合作用，通過智能化系統將棚內部的二氧化碳濃度始終保持在適宜的范圍內能夠促進植物發育。

2.5 土壤濕度

大棚中土壤的水分含量將對于植物的存活甚至生長起到決定性作用。如果土壤的水分含量過低，容易影響植物光合作用，造成生長發育不良；如果土壤濕度過高，對于土壤內部的微生物造成作用，影響植物根系的呼吸、生長，造成吸收效果不好。大棚內部的濕度還會受到空氣濕度、光照等因素的影響，所以合理的監控濕度也是必然選擇。

3 控制決策選擇

（1）大棚內部整體環境溫度、濕度的變化是有一定過程的，總體呈現出非線性狀態，如果采用傳統的反饋控制調節手段，將會造成系統的超調，進一步影響生物生長，因此智能控制過程中需要利用模糊邏輯控制的原則管理，同時考慮兩者之間的耦合性，濕度的變化會改變溫度，加熱升溫同時會造成濕度降低。

（2）結合不同植物的光照補償點、飽和點設定強度的最高值和最低數值。如果出現陰雨天氣時候合理利用繼電器進行補光；光照強度高于最大值時候利用遮陽網進行遮擋。

（3）智能監控系統可以采用液態二氧化碳發生器，利用繼電器實現對于濃度變化的監督管理和調節。

（4）土壤濕度營養的變化需要利用繼電器控制水、肥電磁閥來管理。或是采用滴灌的方式，將傳統技術和現代滴灌技術結合到一起，制造出肥水溶液，將肥水溶液通過輸水管道定時、定量的輸送到植物的根系。保證土壤內部水肥的含量始終處于有利的狀態下。這種膜下滴灌技術能夠局部調節，不會造成土壤結構的破壞，水量蒸發損失少，能夠避免水分的回轉。

4 設計基本原則

4.1 穩定安全性

想要保證整個系統能夠正常的運轉，傳感器系統內部的精確度要比較高同時穩定性好，能夠處理面對大棚內復雜環境條件的變化，如果采集信息中出現失誤，應該能夠通過智能系統及時的辨別，最大化保證數據的準確性。

4.2 可擴展性原則

近年來隨著大棚智能控制技術的發展，棚內環境的綜合監控要求進一步提升，系統設計中必須保證可擴展性，進行模塊化的設計，讓產品不斷的更新換代。

4.3 界面調節簡單性原則

用戶最終的操作界面應該應用比較簡單，操作流程、設定參數等各個步驟要方便快捷，滿足使用者的需求標準。實時的監控現實各種數據的變化，提供對應的語言提示功能。

4.4 低成本性原則

無論設計何種系統都必須考慮到經濟投入方面的問題。大棚智能系統的設計過程中應該滿足基本系統運行條件下，控制資金的投入量，縮小系統運行的成本。在滿足基本使用需求的條件上選擇低成本的元器件，設計簡單的電路。

5 硬件部分設計

硬件系統包括數據采集部分和控制單元部分，數據采集部分含有通信模塊、傳感器模塊、微控制器模塊，完成大棚內部各種環境數據的采集傳輸。控制單元包括電源、人機交換部分、微控制器、語音播報、報警模塊、輸出控制部分、通信部分，通過顯示、智能控制、手動控制完成具體的任務。

6 軟件部分設計

軟件部分包括控制單元軟件設計以及數據采集單元軟件設計。控制單元軟件設計包括智能的顯示、控制、數據傳輸、語音播報、超限報警等等，其將收集到的資料和原本預設的數值進行對比，進一步調節整個大棚的環境參數，保證植物生長的最適合條件。數據采集有環境數據的采集和傳輸。實現控制單元和數據采集之間數據交換的為RS485總線通訊方式。

總而言之，設施農業是現代化的標志，溫室大棚是重要的構成部分，提升大棚系統的綜合控制水平，最大化發揮出高效農業規模化的優勢，由此推進我國農業的可持續發展，開創新的局面，帶動我國經濟步入新的臺階。

淺析溫室大棚智能控制系統:蔬菜溫室大棚供熱設備及智能控制系統的研制

摘要：通過采暖熱負荷的計算，從理論上確定了溫室大棚所需供熱的總熱量，為設備的選擇提供了理論基礎。創新性的將工業電磁加熱技術及熱水暖風機技術應用于溫室大棚供熱系統，充分保證了供熱的穩定性及便利性。開發了溫濕度智能系統，將智能控制引入到蔬菜溫室大棚，提高了蔬菜溫室大棚的可控性能。

關鍵詞：溫室大棚；供熱；采暖熱負荷；控制

前言

我國溫室產業起步比較晚。自70年代末起，我國先后從日本、美國、荷蘭和保加利亞等國引進了現代化溫室成套設備[1]。雖然這些溫室技術領先、設備先進，但在我國的使用過程中還存在較嚴重問題[2]。尤其在溫室配套設備方面，還存在許多不足，特別是在溫室采暖方面，我國的溫室采暖設備主要是針對玻璃溫室，這種溫室造價很高，主要是養護花卉等高價作物。然而，對于造價相對較低的蔬菜溫室大棚來說，目前的采暖設備絕大多數是土法取暖，還沒有先進系統的采暖系統，土法采暖方式存在許多缺點，例如浪費燃料、棚內溫度不穩定、不易控制、限制溫室大棚規模等缺點[3]。尤其在我國北方，蔬菜溫室大棚如果冬季不供暖，就無法生產[4]，因此研究一種蔬菜溫室大棚內應用的供熱設備是非常必要的。除此之外，由于價格等問題，針對造價相對較低的蔬菜溫室大棚的溫濕度控制系統嚴重缺乏，目前溫濕度控制只被用于玻璃溫室，而蔬菜溫室大棚基本上沒有相應的控制系統，因此研究一種價格低廉的溫濕度控制系統，也是非常必要的。

1熱負荷計算

溫室大棚的保溫性能取決于溫室樣式、尺寸、外維護結構（屋頂、 立面、 門窗）所用材料的熱性能和厚度等[5]。設計溫室時， 應根據當地氣候條件選擇溫室的類型、 尺寸， 考慮所用材料的熱性能，選擇合適的外維護結構材料和結構， 保證達到理想的保溫效果， 避免冬季溫室內表面結露滴水， 同時在溫室內外采用一些保溫措施。采暖熱負荷是溫室采暖設計中最基本的參數，計算正確與否， 將直接影響到供暖設備的大小， 供暖方案的選擇、制定以及供暖系統的使用效果[6]。

根據本地的氣候特點，大棚結構如下圖1所示，其維護結構參數見表1。

圖1 溫室大棚結構

大棚維護結構參數表：

溫室的散熱分為基本散熱、冷風滲透散熱和溫室地面滲透散熱三部分。基本傳熱量是由于室內外空氣溫度差而通過各部分圍護結構（屋面、 墻體等）從室內傳向室外的熱量；冷風滲透散熱是因溫室維護結構的密封不嚴而造成的熱量損耗；溫室地面滲透散熱是由于溫室內的地面土壤溫度隨著土層深度的改變而降低，從而造成熱量的流失。因此溫室總的采暖熱負荷按下式計算：

基本傳熱量

并且根據當地的氣候條件及蔬菜生長適宜溫度，取室內溫度為零上15℃，取室外溫度為零下20℃，維護結構分為三部分計算，即后墻及東西墻、后坡和前坡三部分，根據結構參數表，將數據帶入公式（2）可計算出：

溫室冷風滲透熱量

溫室地面的失熱量

在溫室大棚內不同位置的地塊溫度不同，靠近維護結構的土壤溫度較低，因此將溫室內的地塊分為三個部分，其面積分別為、、，其傳熱系數分別為=0.465 W/m2 2? ℃、=0.233 W/m 2? ℃、= 0.116 W/m 2 ? ℃。

根據上表結構參數可計算出、、，將相關數據的帶入公式（4），可得

根據溫室結構，選擇溫室的附加修正系數=1.02，風力附加系數=1.0，將、、計算所得的數據及、帶入公式（1），可得

由上式可見，溫室大棚總的采暖熱負荷為34.27（），所以在選擇設備時，只能選擇功率大于34.27（）的供熱設備，否則，溫室大棚內的溫度就達不到預計的零上15℃，就會影響蔬菜的生長。

2 實施方案和技術路線

在總結國內外溫室配套設施的優缺點的基礎上，分析蔬菜溫室大棚的特點及我國北方的氣候特征，確定如下實施方案。

2.1蔬菜溫室大棚供熱設備

工業電磁加熱技術具有升溫快、效率高、可控性好、運行穩定等優點，將其用于采暖設備，可提高采暖設備的可靠性，能保證蔬菜溫室大棚在冬季安全越冬，并且能降低能源的消耗，減少污染物的排放。

高效散熱裝置采用先進的熱水暖風機技術，可大大提高散熱的效率，減少熱量的消耗，并且能使溫室內的空氣產生對流，保證溫室內的各個角落的溫度恒定。

2.2 智能控制系統

如圖2所示，利用溫度傳感器采集溫室內的溫度，當溫度高于設定溫度時控制電磁采暖設備停止運行，直到室內溫度低于設定溫度，此時供熱設備自動啟動向溫室內供熱；

利用濕度傳感器采集溫室內的濕度，當濕度高于設定濕度時自動打開通風口，排放濕氣，直到室內濕度低于設定濕度，控制系統自動關閉通風口。

圖 2蔬菜溫室大棚控制系統原理圖

2.3主要技術指標

根據采暖熱負荷的計算、內地的氣候特點及蔬菜的生長條件，可確定主要技術指標：

1）、溫室大棚規格（長×寬×高）：

64m×10m×3m

2）、溫室內溫度：15℃～30℃

3）、溫室內的相對濕度：白天：50%～60%；夜間：80%～90%

4）、室外平均風速：3m/s

5）、電磁爐功率：40Kw

6）、暖風機總散熱功率：60Kw

結束語

蔬菜溫室大棚供熱設備及智能控制系統的研制，為現有的蔬菜溫室大棚提供了安全越冬及冬季生產的必要條件，該設備及智能控制系統具有運行穩定、價格低廉、安裝維修方便、可控性能好等優點，除此之外，應用該設備大大改善了蔬菜的品相，減少了燃煤造成的空氣污染，并且大大提高了蔬菜種植戶的經濟收入，從而促進當地的經濟發展。

淺析溫室大棚智能控制系統:蔬菜溫室大棚智能控制系統的設計

1P

摘 要：本文是蔬菜溫室大棚智能控制系統的設計，文章主要從系統的總體設計、硬件設計、軟件設計幾個方面詳細的論述系統的實現。此控制系統的主要控制對象是蔬菜溫室大棚內的各項環境因素指標，通過將這些環境因素指標匯集到一起再進行分析，得出實時的環境監測結果，再通過手動或自動的方式進行環境的調整，以此達到為農作物提供一個最佳生長環境的目的。

關鍵詞：蔬菜溫室大棚；智能系統；設計

近些年，計算機技術與控制技術的發展推動了控制管理系統在各個行業中的應用。在農業技術日新月異的今天，以計算機技術與控制技術為基礎的控制管理系統也應運而生，其最具有代表性的就是蔬菜溫室大棚智能控制系統。鑒于我國經濟發展以來，蔬菜在農業產業中的經濟效益顯著提升，作為人們生活必需品的來講，如何在有限的空間中提升它的數量，在數量增加的情況下，還保證其質量不發生變化，這是很多農業科學家探討的課。蔬菜溫室大棚控制系統就是為了實現這一目標而設計的。這也是計算機技術與控制技術在農業生產中的重要應用，也是我國農業走科學發展道路的有效途徑。

一、蔬菜溫室大棚智能控制系統的總體設計

蔬菜溫室大棚的環境系統控制主要通過環境參數的實時采集來實現，環境的主要參數主要有溫濕度傳感器，用于測定農作物生長的環境溫濕度，光線強度傳感器用于測定農作物生長環境的光線強度，而CO2則用于測定農作物生長環境空氣中CO2濃度，系統將這些環境參數收集到一起，再由監控平臺對這些數據進行計算與分析，系統根據數據的計算與分析結果控制命令的執行，以此實現溫室大棚環境的調節。

（一）總體設計方案

本系統選定的被控制量為溫室大棚內有溫度、濕度、光照強度以及CO2濃度，以溫濕度的控制為主；主要控制手段為加熱、加濕、遮陽網、天窗/側窗及風機等。整個蔬菜溫室大棚的控制系統主要由DSP監控平臺、數據匯集點點、無線傳感器節點和執行機構五部分組成。調節方式分為手動調節與自動調節兩種類型。手動調節主要通過手動來進行執行機構的動作，而自動控制模式則需要系統給執行機構發出命令自動進行溫室大棚內環境參數的調整。

（二）ZigBee模塊的選型及電路實現

為了滿足ZigBee模塊的要求，可以選取CC2430芯片，它可以用來嵌入ZigBee技術無線傳輸的片上系統，并且滿足系統低成本、低功耗的要求。基于ZigBee技術的無線傳輸模塊的電路實現主要進行CC2430SoC電路原理設計，其與傳感器接口的電路設計，節點系統時鐘與存儲電路的設計、節點系統供電電路設計、充電電路的設計、節點CC2430的插座及復位電路的設計以及數據匯集節點JYAG接口電路的設計等。

（三）DSP監控平臺的設計

蔬菜溫室大棚的智能控制系統的核心就是DSP監控平臺，它主要由五部分組成，即主控芯片DSP，串口模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、外圍電路。溫室大棚中的環境參數被采集之后，監控平臺要對這些被采集的數據進行處理與分析，采用適宜的算法，完成數據的分析匯總，并發生控制命令。本系統的控制平臺的主控芯片選擇了DSPTMS320VC5509，此芯片具有數據處理速度快，程序執行效率高以及功耗小等特點。選定芯片之后，還要進行DSP電源模塊電路設計，DSP串口電路設計、液晶顯示及鍵盤輸入電路的設計、程序加載模塊電路的設計等。

二、蔬菜溫室大棚智能控制系統的軟件設計

蔬菜溫室大棚智能控制系統的軟件是實現智能控制功能的前提。軟件設計主要包括ZigBee節點程序設計、無線傳感器節點設計等。

（一）ZigBee節點程序設計

本系統軟件開發平臺為TI，使用8051C/C++編譯器對其進行開發，并且是在Z-Stack中的SampleAp工程基礎上進行的各個模塊程序的設計與實現的。此軟件開發平臺的優點在于無需再次實現ZigBee協議棧，應用用戶層主要完成節點程序的設計就可以了。在此系統中，數據采集節點與數據匯聚節點共同組成了ZigBee節點的硬件部分，因此，在進行應用程序的設計時，也要分別進行設計實現。

（二）無線傳感器節點設計

無線傳感器節點主要用來采集溫室大棚內的環境數據，如溫度、濕度、光線強度及CO2濃度等數據采集出來，將通過數據匯集節點將這些數據傳送到DSP控制平臺上。本系統要求數據采集要定時進行，這就需要定義一個周期性掃描函數來實現。除了要對無線傳感節點進行設計外，還要對ZigBee匯聚節點的軟件進行設計，還有低功耗程序設計。

（三）DSP監控平臺設計

DSP監控平臺設計主要包括DSP主程序設計、模糊控制程序設計、液晶顯示與鍵盤輸入程序設計、DSP串口程序設計以及自動加載程序設計。DBP主程序設計首先要進行程序的初始化，然后通過啟動串口中斷來進行數據的采集，數據采集的時間可以手動設定，默認時間為10分鐘。數據采集完成后，各個子節點的數據被整合到一起，得出數據匯總與分析結果，對結果進行完模糊化處理后可以將控制結果輸出來。

三、系統測試

為了了解系統是否具有穩定性與安全可靠性，在系統設計實現后對系統的各項性能進行了測試。系統測試分五步來實施。

（1）將溫度與濕度傳感器模塊的子節點放置距離電暖氣與空氣加濕氣10米的距離，將此時的室內溫濕度進行測量并記錄下來。

（2）將電暖氣與空氣加濕器分開2.5米的距離分開放置，并將溫濕度傳感器模塊均勻的放置二者之間。

（3）每10分鐘進行一次數據采集，取10次檢測結果的平均值，作為最終數據采集結果。

（4）對采集結果進行模糊處理，并將此輸出結果從液晶顯示器顯示出來。

（5）針對液晶顯示器的結果，再對系統的執行機構進行手動設置。以達到農作物的最佳生產環境。

四、結語

此系統在農業生產方面的運用可以通過控制農作物生長條件環境的手段提升農作物的產量與質量。雖然系統的穩定性與可靠性已經得到了驗證，但是其仍然需要繼續改進的方面。例如，系統的遠程控制還沒有實現，電路硬件方面，數據采集節點與匯聚節點的可靠性與抗干擾性應進一步加強，應進一步降低傳感器的功耗，還要繼續降低系統成本，以便其在農業生產中得到廣泛的應用。