《溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)研究（論文）》

摘要溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)是通過對(duì)溫室內(nèi)的濕度、光照、空氣濕度、土壤濕度等環(huán)境因子的綜合采集，并根據(jù)上述參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度情況、濕度情況、光照情況的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，控制注室環(huán)境適合農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而達(dá)到了溫室大棚自動(dòng)控制的目的。本文通過對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境因素的剖析，確定了玫瑰、康乃馨、菊花等植物的最佳生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境條件，并以花朵的自動(dòng)控制溫室環(huán)境作為研究的對(duì)象，設(shè)計(jì)了以ARM為核心控制器的玻璃溫室內(nèi)溫度環(huán)境的閉環(huán)控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：溫室；環(huán)境控制；系統(tǒng)引言隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，因此對(duì)于溫室花朵種植培養(yǎng)的面積不斷地?cái)U(kuò)大。在通常溫室環(huán)境條件下往往難以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的目的，所以就需要通過運(yùn)用現(xiàn)代科技化手段，進(jìn)行對(duì)環(huán)境的智能化控制來滿足花朵培育的最佳生長(zhǎng)要求。在目前的階段，國(guó)內(nèi)外已實(shí)行推出多種溫室的氣候控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的栽培，但是如何使這類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而為花朵提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境，一直是我國(guó)學(xué)者和、專業(yè)人士和研究者面臨的一項(xiàng)非常關(guān)鍵的問題。本文將以玻璃溫室作為研究對(duì)象，通過采用ARM為核心控制器，進(jìn)行設(shè)計(jì)溫室的溫度環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)花朵的培育中，提高花朵的產(chǎn)能和質(zhì)量的目的。環(huán)境條件的內(nèi)容眾所周知，植物的生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)節(jié)，主要涉及到的環(huán)境條件因素應(yīng)該包括:溫度因素、光照因素、水分因素、土壤因素、空氣因素、生物條件因素，一共六個(gè)條件因素。其中，溫度條件因素包括空氣溫度因素和土壤溫度因素；光照條件因素包括光組成、光強(qiáng)度因素和光周期因素；水分條件因素包括空氣濕度因素和土壤濕度因素；土壤條件因素包括土壤肥力因素、化學(xué)組成因素、物理性質(zhì)因素和土壤溶液的反應(yīng)因素；空氣條件因素包括大氣及土壤中空氣的特性因素、二氧化碳的含量因素和有毒氣體的含量因素；生物條件因素包括土壤微生物因素和雜草及病蟲害因素。所有這些條件都是相互作用相互聯(lián)系的，而對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響也都是它們綜合作用的結(jié)果。影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的氣候條件是溫度因素、光照因素、濕度因素及氣體條件因素。因此在設(shè)計(jì)溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)中，需要有針對(duì)性的對(duì)不同的植物，設(shè)置不同的溫度因素、光照因素、濕度因素和氣體條件因素，這樣才能合理的促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，從而達(dá)到提高植物的產(chǎn)能和質(zhì)量的目的。2.1溫度條件在影響玫瑰、康乃馨和菊花等植物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境條件中，以溫度最敏感，每一種都有溫度的“三基點(diǎn)”，即為：最低溫度、最適宜溫度和最高溫度?；ǘ涞姆N類不同，那么對(duì)溫度的要求也是存在差異性的(見表2-1)。不但如此，同一種花朵在不同發(fā)育期周期所對(duì)應(yīng)的適宜生長(zhǎng)溫度也是有不同的要求的(見表2-2)。由于自然光周期的晝夜作用，適宜光合作用的溫度一般要高于適宜生長(zhǎng)溫度，在植物的生長(zhǎng)過程中，生理上也要適應(yīng)這種晝熱夜涼的溫度。因此，溫度周期的作用與光照周期的作用存在密切的關(guān)系。就作物本身的這種性狀，適合于變溫管理。因此在設(shè)計(jì)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中同樣要考慮變溫設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)光照時(shí)間。分類種類適宜溫度（白天）適宜溫度（夜間）耐寒溫度耐熱溫度耐寒玫瑰20~3512~15冬季≥15夏季≤30耐寒康乃馨19~219~11冬季≥9夏季≤35耐寒菊花18~219~11冬季≥10夏季≤32表1不同種類花朵對(duì)溫度的要求（單位：℃）種類發(fā)芽期幼苗期生長(zhǎng)期生殖期成熟期耐寒10~15低于發(fā)芽溫度充足陽光適當(dāng)提高溫度更高溫度表2不同種類花朵對(duì)溫度的要求（單位：℃）2.2光照條件植物的生長(zhǎng)主要是通過陽光進(jìn)行光合作用，因此光照時(shí)間設(shè)置則會(huì)直接影響到植物的光合作用情況，同時(shí)也影響到幼苗的存活率、植株的生長(zhǎng)速度及植株的產(chǎn)量高低情況。不同種類的花朵對(duì)于光照的條件的需求是存在差異性的。光照的質(zhì)量對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育同樣也是有一定的關(guān)系。植物在接受光照的同時(shí)，太陽光中被植物葉綠素吸收最多的是紅光，其次是黃光，另外藍(lán)綠光的同化吸收作用效率僅為紅光百分之十四。在太陽散射光中，紅光和黃光占百分之五十到百分之六十之間，而在太陽直射光中，最多只有百分之三十七。所以，對(duì)在弱光中生長(zhǎng)的花朵散射光比直射光具有更大的實(shí)質(zhì)性效用。2.3濕度條件對(duì)于植物生長(zhǎng)的濕度條件因素，主要是指空氣中的水分和上壤中的水分。水分與光照環(huán)境和溫度環(huán)境存在一定的相關(guān)性。隨著環(huán)境溫度的升高，空氣中的相對(duì)濕度則會(huì)有所下降；環(huán)境溫度的下降，同樣會(huì)導(dǎo)致空氣中的相對(duì)濕度有所增大。然而環(huán)境中的相對(duì)濕度的大小則會(huì)直接影響到植物的光合作用能力，植物在進(jìn)行光合作用過程中，光合作用情況越強(qiáng)，對(duì)于環(huán)境的水分需求也就越大。所以，在環(huán)境溫度相對(duì)較高的情況下，同時(shí)光照條件也相對(duì)較強(qiáng)的時(shí)候，那么植物對(duì)于環(huán)境的水分需求也在增大，通過對(duì)環(huán)境的水分增加，才能夠讓植物更加有利的進(jìn)行光合作用，實(shí)現(xiàn)增加植物淀粉的積累，從而加快植物的生長(zhǎng)周期。2.4氣體條件對(duì)于植物的生長(zhǎng)環(huán)境的氣體條件因素，其中氣體條件中影響植物的主要是空氣中的二氧化碳的含量，二氧化碳是植物進(jìn)行光合作用的必須品，因此適當(dāng)?shù)耐ㄟ^增加大棚空氣中二氧化碳的含量，則會(huì)在一定程度上，對(duì)植物的光合作用的程度具有促進(jìn)作用，從而達(dá)到增加栽培花朵的產(chǎn)量的目的，同時(shí)也能夠提高植物的質(zhì)量，在加快植物的生長(zhǎng)也有一定的功效。環(huán)境可控溫室的結(jié)構(gòu)在植物的適宜生長(zhǎng)環(huán)境中，涉及到的方面是非常多的，因此人工控制作物生長(zhǎng)環(huán)境的溫室的結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括:建筑結(jié)構(gòu)及其覆蓋材料、通風(fēng)系統(tǒng)、自動(dòng)降溫系統(tǒng)、自動(dòng)加熱系統(tǒng)、自動(dòng)遮光系統(tǒng)、水平方向的空氣循環(huán)系統(tǒng)、二氧化碳含量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動(dòng)施肥系統(tǒng)、人工光照系統(tǒng)和氣候控制系統(tǒng)。在建筑結(jié)構(gòu)的覆蓋材料方面選用玻璃作為覆蓋材料，主要是玻璃使用壽命長(zhǎng)，相對(duì)于塑料薄膜而言是非常環(huán)保的，同時(shí)透光率也比塑料薄膜要好些。通風(fēng)系統(tǒng)主要是對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的水分和二氧化碳含量進(jìn)行控制。自動(dòng)降溫系統(tǒng)和自動(dòng)加熱系統(tǒng)是為了適應(yīng)植物的晝夜溫差的調(diào)節(jié)和各個(gè)生長(zhǎng)周期適宜的生長(zhǎng)溫度的調(diào)節(jié)。自動(dòng)遮光系統(tǒng)是為了模擬植物生長(zhǎng)環(huán)境的晝夜生長(zhǎng)周期，促進(jìn)植物更好的生長(zhǎng)。水平方向的空氣循環(huán)系統(tǒng)是模擬植物的戶外生長(zhǎng)情況。二氧化碳含量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、人工光照系統(tǒng)和自動(dòng)施肥系統(tǒng)是為了促進(jìn)植物更好的進(jìn)行光合作用。氣候控制系統(tǒng)是為了控制不同的植物對(duì)氣候的不同需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，通過上述的系統(tǒng)的設(shè)置，溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)才能有效的針對(duì)不同品種的植物起到增加產(chǎn)能和提升質(zhì)量的目的。2.1玻璃溫室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用玻璃做覆蓋材料，透光率可以達(dá)到百分之八十以上，保溫性好，壽命25年以上.花面玻璃可減少光線的反射，增加散射光強(qiáng)度。支承骨架采用防腐濁的鍍鋅鋼材，其接點(diǎn)均采用螺栓和螺母連接，易于安裝。雙坡屋頂結(jié)構(gòu)可增加受光面積，通風(fēng)天窗設(shè)在屋脊，是最佳的通風(fēng)口。2.2溫室環(huán)境的調(diào)控系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)有自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)兩種，可用來調(diào)節(jié)溫室的溫度條件和濕度條件，并確?？諝舛趸嫉暮刻幱诤侠淼乃健Ｔ摐厥也捎玫淖匀煌L(fēng)系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)。但僅依靠通風(fēng)降溫是不夠的，還須采用降溫系統(tǒng)。該溫室采用噴霧采用的是噴霧降溫系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用情況溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制器采用YX-2010數(shù)據(jù)采集控制器?？刂破鞑捎肁RM為控制核心的控制器，具備4路模擬量輸人，4個(gè)開關(guān)量輸人和4個(gè)開關(guān)量輸出，并且具有模塊化功能擴(kuò)展，能夠進(jìn)行用戶升級(jí)和功能擴(kuò)展。每臺(tái)數(shù)據(jù)采集器連接溫濕度、光照、二氧化碳多種傳感器，從而實(shí)現(xiàn)多種信息的采集，復(fù)雜流程的實(shí)現(xiàn)。整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、實(shí)時(shí)顯示環(huán)境的基本參數(shù)、實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的錄人、信息采集、運(yùn)行情況的監(jiān)控等，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的流程控制，更可脫離上位機(jī)(計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件)單獨(dú)運(yùn)行，改控制器可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)聯(lián)機(jī)控制，并且可以直接和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。該系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的監(jiān)視、控制為主要功能，并對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)不間斷采集、整理、統(tǒng)計(jì)、制圖。（圖4-1）圖4-1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系結(jié)論確定了溫室環(huán)境控制的方向。在溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中采用了先進(jìn)的ARM為控制器。本系統(tǒng)在確定溫度控制參數(shù)時(shí)打破了傳統(tǒng)的恒溫控制模式，采用了更適于植物生長(zhǎng)發(fā)育的變溫控制，同時(shí)也為溫室生產(chǎn)節(jié)約了能源。本系統(tǒng)具有通用性，可滿足不同植物對(duì)溫度條件的不同要求。本系統(tǒng)對(duì)溫度以外的環(huán)境還不能實(shí)行自動(dòng)控制。在生態(tài)效益方面，通過項(xiàng)目的具體實(shí)施，有效提高病蟲害防治效率，農(nóng)藥用量減少百分之二十到百分之四十，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)無公害生產(chǎn)。在經(jīng)濟(jì)效益方面，通過項(xiàng)目的具體實(shí)施，不但推動(dòng)地方現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)工作，同時(shí)也帶動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，提高我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。參考文獻(xiàn)[1].宜科智慧溫室物聯(lián)網(wǎng)解決方案[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù),2018,21(05):48+50.[2]王琦,梁鐸耀,孫竹梅,武斌.光熱感應(yīng)溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2018,39(09):59-62.[3]薛占方.自動(dòng)控制技術(shù)在溫室大棚中的應(yīng)用研究[J/OL].河南科技:1[2018-11-07]./kcms/detail/41.1081.T.20180912.0826.006.html.[4]陸海峰.大型展覽溫室環(huán)境控制技術(shù)淺析[J].居舍,2018(17):192-193.[5]宋昊.農(nóng)業(yè)溫室測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北方工業(yè)大學(xué),2018.[6]劉亞偉.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2018.[7]宗哲英.溫室群環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與參數(shù)時(shí)空分布規(guī)律研究[D].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2018.[8]邢希君.基于多變量控制的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的開發(fā)[D].太原理工大學(xué),2018.[9]宋曉萌.草