楊 凱

（荊楚理工學(xué)院，湖北 荊門 448000）

大棚智能控溫系統(tǒng)是一種基于電氣自動(dòng)化的棚內(nèi)氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)，新型的系統(tǒng)不僅要調(diào)解大棚內(nèi)的溫度，還要對(duì)作物生長系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控，通過對(duì)室內(nèi)溫度、光照條件、通風(fēng)情況等作物生長因素的監(jiān)測(cè)和綜合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度等生產(chǎn)環(huán)境的最佳控制。

1 基于電氣自動(dòng)化的大棚智能控溫系統(tǒng)的重要價(jià)值

1.1 推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的競爭優(yōu)勢(shì)根本在于科技，農(nóng)業(yè)智能化是未來農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)根本發(fā)展趨勢(shì)。比如以色列農(nóng)業(yè)之所以能夠飛速發(fā)展，很大程度上是因?yàn)楠?dú)特的大棚系統(tǒng)對(duì)抗了炎熱干旱的氣候。從以色列的經(jīng)驗(yàn)可以看到，大棚不僅是冬季種植蔬菜的良好場所，而且還能夠通過溫度控制，應(yīng)對(duì)高溫等氣候條件。通過物聯(lián)網(wǎng)等最新電氣自動(dòng)化技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)智能化管理，又實(shí)現(xiàn)簡易操作，全面檢測(cè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)環(huán)境，為未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。例如：通過智能化系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)大棚在何種溫度條件下作物生長最良好，何種環(huán)境下病蟲害最少，甜菜夜蛾等病害在何種溫度下容易適宜生存。并且根據(jù)這些記錄調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)，可以確保農(nóng)作物處于最優(yōu)生產(chǎn)環(huán)境中。

1.2 更好地控制作物的生長

傳統(tǒng)大棚人工控制作物生長耗時(shí)巨大，耗資也大，但是仍然不能夠滿足作物生長的需要。同時(shí)人工控制精確性不高，以經(jīng)驗(yàn)為主，受到個(gè)人偏好的影響。引入大棚智能溫控系統(tǒng)有利于更好地控制作物的生長，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)作物生長的最佳氣溫，根據(jù)數(shù)據(jù)匹配來識(shí)別采集的大棚溫度是否是作物生長的最佳值。大棚的土壤溫度和空氣穩(wěn)定并不一致，一般在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了避免溫度過低，都是采用施加過量農(nóng)藥化肥的方法，這容易造成污染。通過采用溫控系統(tǒng)調(diào)控土壤溫度，能夠有效降低污染，同時(shí)防治病蟲害。系統(tǒng)還可以對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)控，將各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)清晰地呈現(xiàn)出來，實(shí)時(shí)了解光照強(qiáng)度的變化，給農(nóng)作物生長提供更好的環(huán)境。

2 基于電氣自動(dòng)化的大棚智能控溫系統(tǒng)功能

2.1 作為溫室大棚智慧管理系統(tǒng)的一部分

將溫控系統(tǒng)納入到智能監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，作為溫室智慧管理系統(tǒng)的一個(gè)模塊，綜合監(jiān)測(cè)空氣濕度、溫度、土壤溫度、濕度、pH值等數(shù)據(jù)。操作界面不僅顯示大棚的溫度變化，也實(shí)時(shí)顯示大棚內(nèi)各種環(huán)境指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全面智能化監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過信號(hào)線進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和光照情況，還能夠控制水泵，調(diào)節(jié)環(huán)境濕度，通過風(fēng)扇控制，做好大棚的通風(fēng)。用戶只要點(diǎn)擊操作界面就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、云端控制和手機(jī)端智能控制的功能。為了提升物聯(lián)網(wǎng)智慧應(yīng)用的水平，系統(tǒng)中還可以引入MQTT通信協(xié)議，在大棚中部署多個(gè)傳感器接點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，選擇DHT11和AM2320溫濕度傳感器，融入模糊控制等技術(shù)，采用MySQL開源數(shù)據(jù)庫，降低開發(fā)成本，提升系統(tǒng)的通用性。

物聯(lián)網(wǎng)通過局域網(wǎng)和無線網(wǎng)網(wǎng)關(guān)加入網(wǎng)絡(luò)，方便用戶在PC端和移動(dòng)端操作軟件，用戶不僅可以在大屏幕設(shè)置溫度閾值，而且也可以遠(yuǎn)程操作，設(shè)置各類溫度參數(shù)，不需要在高溫的大棚中長期進(jìn)行勞作?？刂泼姘逋ㄟ^遠(yuǎn)程手機(jī)端、PC端和大棚內(nèi)的液晶顯示屏，系統(tǒng)主要監(jiān)控大棚內(nèi)溫度和氣候變化相關(guān)指標(biāo)，傳感器設(shè)備包括空氣溫度/濕度傳感器、土壤溫度/濕度傳感器、光照傳感器、太陽能傳感器等，都以無線方式傳輸信號(hào)，利用大棚內(nèi)的局域網(wǎng)作為無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，同時(shí)連接到移動(dòng)端網(wǎng)絡(luò)，確保信號(hào)有效傳輸。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)可以自由設(shè)置大棚內(nèi)空氣溫度、土壤溫度、光照度、濕度等各種設(shè)定值，利用傳感器監(jiān)測(cè)和顯示相關(guān)數(shù)值，如果監(jiān)測(cè)值嚴(yán)重超出測(cè)定值，那么系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出自動(dòng)警報(bào)，提醒農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員，在沒有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控的情況下，系統(tǒng)會(huì)開啟調(diào)控裝置，自動(dòng)調(diào)控。同時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)還應(yīng)該在設(shè)置后，能夠自動(dòng)將溫度等指標(biāo)調(diào)控到規(guī)定范圍。系統(tǒng)要確定溫度等閾值的上行值和下行值，當(dāng)超出閾值時(shí)，系統(tǒng)界面發(fā)出警示，并且發(fā)出語言警報(bào)，重復(fù)提醒。同時(shí)在一定延時(shí)內(nèi)自動(dòng)開啟控溫系統(tǒng)，調(diào)整溫度等指標(biāo)。

系統(tǒng)也要設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)功能，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)曲線，精確到年月日、時(shí)分秒，對(duì)某段時(shí)間內(nèi)大棚的溫度、濕度、土壤pH值等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，根據(jù)這些記錄結(jié)果調(diào)整大棚的整體和局部溫度。數(shù)據(jù)不但可以轉(zhuǎn)存、傳輸，還能夠?qū)崟r(shí)打印和下載，確保數(shù)據(jù)的有效性。系統(tǒng)還應(yīng)該設(shè)有建議和判斷功能，根據(jù)當(dāng)前溫度和農(nóng)作物生長條件，采用錄入歷史數(shù)據(jù)的方式給操作人員提供建議，比如西紅柿在何種溫度下生長最好，系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)傳感器做出歷史記錄，據(jù)此提出建議溫度，同時(shí)對(duì)危害溫度發(fā)出警告，提示生產(chǎn)人員在當(dāng)前溫度下西紅柿可能會(huì)出現(xiàn)落果或者空果的現(xiàn)象。溫度控制系統(tǒng)還可以啟用安防功能，比如遠(yuǎn)紅外溫度探測(cè)功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)夜間大棚有人逗留時(shí)，探測(cè)器便向主控中心發(fā)送信號(hào)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行過程

當(dāng)傳感器達(dá)到指標(biāo)，通過通風(fēng)口、加濕器、鼓風(fēng)機(jī)、遮陽網(wǎng)、加熱器、開關(guān)卷簾等設(shè)備調(diào)節(jié)溫度。溫度傳感器獲取大棚內(nèi)空氣溫度的值，將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行判斷，如果系統(tǒng)判斷為否，系統(tǒng)將命令發(fā)回給操作界面，向操作人員提出預(yù)警，操作人員可以選擇手動(dòng)或者是自動(dòng)控制，通過通風(fēng)、加熱、開啟LED燈、開啟遮陽網(wǎng)等方式，調(diào)節(jié)溫度。比如當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度過高時(shí)，通過控制通風(fēng)系統(tǒng)，將室外冷空氣引入到大棚中，降低大棚內(nèi)的溫度。

監(jiān)控系統(tǒng)包括客戶端、繼電器、傳感器、服務(wù)器、串口器、存儲(chǔ)器和視頻監(jiān)控等，能夠無死角調(diào)取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的視頻，在大棚內(nèi)無人的條件下，也能夠利用攝像頭調(diào)取種植信息，方便分析圖像。比如當(dāng)溫度過高，溫度過低，或者是在某一溫度下發(fā)生病蟲害風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)在預(yù)警的同時(shí)，還能夠傳輸病蟲害的圖像，進(jìn)行手機(jī)和大屏幕顯示設(shè)備推送。為了節(jié)約能源和存儲(chǔ)空間，監(jiān)控系統(tǒng)采用縮時(shí)錄像功能，每60 s一抓拍，當(dāng)發(fā)現(xiàn)病害等情況時(shí)，及時(shí)抓拍，重大溫度偏離情況鎖定錄像和照片，方便研究者進(jìn)行分析。

3 以大棚智能溫控系統(tǒng)進(jìn)行智慧化管理的創(chuàng)新

3.1 病蟲害防治

溫控系統(tǒng)要將蟲情和病害控制結(jié)合起來，不僅要調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度，還要根據(jù)種植蔬菜的不同和可能發(fā)生病蟲害的不同，發(fā)揮溫度控制系統(tǒng)的特定功能，實(shí)施功能性滅蟲及防止病害。以西紅柿病蟲害防治為例，西紅柿根腐病在持續(xù)30℃～35℃以及通光性不好的條件下容易產(chǎn)生，因此可以通過對(duì)土壤溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避開這一溫度區(qū)間。同時(shí)，對(duì)土壤實(shí)施溫度殺菌處理，增加通風(fēng)，加強(qiáng)光照，在播種期對(duì)土壤進(jìn)行高溫消毒。灰霉病在20℃～25℃條件下最容易發(fā)生，在系統(tǒng)檢測(cè)到該病害風(fēng)險(xiǎn)下，可以提高溫度，降低濕度，增加光照，及時(shí)通風(fēng)，進(jìn)行控制。

3.2 農(nóng)作物生長管理

還是以西紅柿種植為例，當(dāng)花芽分化期夜溫長時(shí)間低于10℃、日溫高于34℃時(shí)，容易發(fā)生落花落果，在這階段，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。在2～6葉期，夜溫長期低于5℃～8℃，容易造成西紅柿畸形，在這一時(shí)期系統(tǒng)可以自動(dòng)將夜間溫度調(diào)高。在低溫和弱光的情況下，西紅柿容易長成空洞果，為了讓果實(shí)生長良好，系統(tǒng)要開啟增加光照的功能，給果實(shí)一個(gè)良好的生長條件。針對(duì)果實(shí)陽光面變黃，光照不到面呈現(xiàn)紅色的情況，也要通過系統(tǒng)控制溫度，避免溫度過高，加強(qiáng)通風(fēng)，促進(jìn)茄紅素的分泌，提高果品的品質(zhì)。

4 結(jié)語

總之，系統(tǒng)要滿足設(shè)計(jì)要求，在低能耗、成本低、延時(shí)短、容量大、可靠性高及穩(wěn)定性強(qiáng)的原則下，完善各個(gè)系統(tǒng)模塊，強(qiáng)化自動(dòng)控制系統(tǒng)功能。