温室全方位智能调温系统在智慧农业中的应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（１．河南工程学院艺术设计学院，河南新郑 ４５１１９１；２．东华理工大学长江学院信息工程系，江西抚州 ３４４０００）
摘要：为了调节日光温室大棚内的环境温度使其更适宜作物的生长，借鉴集中供暖的思想设计了全方位智能调温 系统，系统主要由地温管理控制单元、棚内温度管理控制单元、供暖系统控制、云服务器以及农户智能手机终端等组 成。利用供热管道对土壤和空气进行全方位的热传递，同时，建立了三维非稳态地温传热数学模型，根据采集到的管 道周围土壤和空气的温度信息，利用 ＲＢＦ－ＰＩＤ控制算法对水温、循环泵和均衡风扇进行控制，从而实现对温室大棚 的全方位温度调节。试验结果表明：设计的全方位智能调温系统工作稳定可靠，能够将大棚内的土壤和空气温度自动 控制在预设的范围，最大平均误差分别仅为 ０．３℃和 ０．５℃，而且实现了农户的远程监测和管理，为推动智慧农业的 发展奠定了基础。 关键词：温室大棚；智慧农业；温度均衡；控制策略；智能交互 中图分类号：ＴＰ２７３＋．５；Ｓ６２５．５＋１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１３０２（２０１９）１５－０２４７－０４
为了能够对温室大棚进行全方位的温度调节，利用地埋 管道产生的温度场对土壤增温，并在棚内靠墙侧安装散热片 对空气温度进行调节，能量传递给周围的土壤和空气，改变了 单靠收集光照热量的方式，实现了快速调温的目的，即便遇到 极寒天气，也能够迅速将棚内的温度调节到适宜作物生长的 范围。温室大棚内温度自动调节系统结构如图 １所示。 为了对温度的控制更精准，将棚内空间调节划分 Ａ、Ｂ、Ｃ 和 Ｄ４个区域，中间用 ３台均衡风扇隔开，使不同相邻区域的 空间流通。另外，在大棚的两侧壁上也分别安装了对流风扇， 主要目的是与外界进行交换，用来降低棚内的温度；针对棚内 土壤温度的调节，将其划分为 ３个区域，可以有针对性地进行 区域土壤的温度调节。另外，由于热量传递有一定的迟滞性， 而且对于土壤温度过高的降温调节难度较大，所以在控制上 需要提前做好预测，选择适合的控制策略。
针对不同的环境条件，在集中管理平台中预先设置了相 应的控制策略：
Ｃａｓｅ１：如发现棚内温度整体过高，就启动对流风扇与外 界的冷空气进行交换，直到棚内的温度处于预设的范围；
Ｃａｓｅ２：如监测到棚内分区的温度不均衡，则启动均衡风 扇，根据不同分区的温度情况，将高温气体吹向低温区域，直 到棚内各区域的温度达到平衡；
（２）
地埋管通过循环液将能量传递给土壤，使土壤温度升温，
同时，地表与空气之间也存在热交换，热流密度 ｑｗ（Ｗ／ｍ２）可
表示为：
江苏农业科学 ２０１９年第 ４７卷第 １５期
— ２４９—
[ ( ) ( ) ] ｑｗ ＝∑σεｉＸｉ
ｔｐ＋２７３４ ＋ １００
ｔｉ＋２７３ ４ １００
＋２．１７（ｔｐ－ｔｉ）１．３１。
节点主要有 ２个任务：（１）利用温度传感器阵列采集土
壤、空气、循环 液体 的 温度，并 通过 ＺｉｇＢｅｅ网络 上传 到 服务
器；（２）接收集 中 管 理 平 台 反 馈 的 指 令，控 制 加 热、循 环 泵 或
者阀门等执行部件进行作业。
２．２ 热传导模型与热交换
由于空气的比热容更低，流动性更强，所以其热传导速度
农业生产追求在有限的土地面积上获得最大的产量，而 作物产量除了与品种自身的遗传基因有关外，同时也受周围 环境因素的影响 ［１－３］。其 中，温 度 是 作 物 生 长 发 育 最 重 要 的 环境参数之一，且不同的作物在不同的生长阶段所需的环境 温度也有所差异。对于我国北方寒冷地区的温室大棚来讲， 温室大棚内外的复杂环境，使得对作物生长环境的控制极其 困难 ［４］。传统的 温 室 大 棚 大 多 通 过 收 集 来 自 太 阳 光 的 热 量 来维持棚内的温度，但如果遇到极寒天气，就很有可能对作物 造成损害而减产，甚至死亡。文献［５－７］均提出了采用加热 的方式对温室进行增温，取得了不错的效果。但这些方法均 忽略了对土壤温度的控制，由于作物的根系是吸收营养物质 的主要通道，更需要适宜的温度环境。作物在进行正常呼吸 作用时会释放热量，同时，土壤也会与棚内空气进行热交换， 均对土壤的温度造成影响，所以需要对土壤温度进行调节，使 作物根系处于最佳的生长环境中。
由于温室大棚内部空间较大，使得对其内部温度的控制 有很大的迟滞性，且土壤的比热容要远大于空气，从而温度的 变化趋于非线性，再加上容易受内外环境因素的影响，所以更 难于对其进行控制。传统温室大棚的调温方法较为简单，一 般采取日照取暖、通风遮阳降温和夜间棉被覆盖保温的方法， 虽然这些方法成本较低，控制方法简单，但容易使棚内的空气 和土壤温度分布不均，而且对于温度的调节见效慢，一旦遇到 极寒天气，如不能将温度及时调整到适宜作物生存的范围，就 会导致作物遭受冻伤而减产，甚至绝收 。 ［８－９］ 为了使棚内的 温度不完全受外部环境的影响，能够自适应调节温度，需要解 决温室的增温、降温和热均衡 ３个问题，本研究提出了相应的 解决方案：（１）增温。借鉴集中供暖的思想，通过暖气管道和 地埋管为棚内的空气和土壤快速输送热量。（２）降温。冬季 外部环境寒冷，如果在中午太阳直射光照过强的情况下，棚内 温度可能会超过预设的安全范围，可启用与外界的对流风扇， 快速降低棚 内 温 度。 （３）热 均 衡。 安 装 空 气 均 衡 风 扇，使 棚 内空气循环，将热量从高位区带到低温区，迅速达到平衡。
服务器通过 ＺｉｇＢｅｅ－ＰＣＩ板卡与温室大棚内的温度监测 和调温执行设备节点进行通信，收集温室大棚内各区域的空 气温度、土壤温度以及设备的运行状态等信息，并上传至云服 务器，同时保存在本地的数据 ＳＱＬｉｔｅ中，根据当前温室大棚 内生长的作物（品种、生长期）从专家信息库中获取适宜生长 的温度信息，然后服务器运算得到对应的控制策略，最后将具 体的执行命令通过 ＺｉｇＢｅｅ网络发送到设定的执行设备，实现 对温度的智能调节。 ３．２ 智能交互终端
— ２４８—
江苏农业科学 ２０１９年第 ４７卷第 １５期
解温室大棚内的情况，也可以控制大棚内的设备，实现农户远 程管理和调节温室大棚内的温度。
２ 节点设计与温度控制
２．１ 节点设计 选取高集成度的芯片 ＣＣ２５３０Ｆ２５６为节点的核心部件开
发设计，该芯片不仅带有微控制器，还集成了 ＺｉｇＢｅｅ无线射 频模块，实现温室大棚内节点间的通信［１１］。节点主要由温度 传感器阵列、高增益天线、供热管道的温控单元以及锂电池等 组成。节点结构如图 ３所示。
流速有关，铺设完毕后前者为非可调参数，而后者为可调参
数，为此，引入了控制的思想，利用采集到各监测点的温度数
据，并借助建立的三维非稳态导热方程，通过 ＲＢＦ－ＰＩＤ控制
循环液的温度和流速，来达到调节土壤温度的目的，控制模型
如图 ４所示。
服务器，具有完备的功能模块，主要由登陆权限管理、网络配 置（ＺｉｇＢｅｅ和互联 网 ）、云 服 务 器 接 口 管 理、温 度 监 测 和 控 制 策略、大棚分区管理、作物专家信息库、ＳＱＬｉｔｅ数据库、数据分 析统计和报表管理等组成［１５］。软件架构如图 ５所示。
江苏农业科学 ２０１９年第 ４７卷第 １５期
吴 涛，李里亚．温室全方位智能调温系统在智慧农业中的应用［Ｊ］．江苏农业科学，２０１９，４７（１５）：２４７－２５１． ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１９．１５．０５７
— ２４７—
温室全方位智能调温系统在智慧农业中的应用
吴 涛１，李里亚２
壤的热量交换认为是三维热传导；（４）忽略沿地埋管延伸方
向的温度变化；（５）地埋管折弯段遵循直管道进行计算。
文献［１２］中于威等建立了土壤温度场扩散方程，计算平
面区域的热传递是三维非稳态导热问题，其微分方程为：
( ) ρＣ＝Ｔｔ＝λ ２ｘＴ２ ＋２ｙＴ２ ＋２ｚＴ２
（１）
式中：Ｃ代表土壤比热容，取 ２０００Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）；ρ代表土壤密 度，取 １７５３ｋｇ／ｍ３；λ代表热导系数，取 １Ｗ／（ｍ·Ｋ）；ｔ代表
ＲＢＦ－ＰＩＤ在传统的 ＰＩＤ控制上增加了 ＲＢＦ神经网络， 从而能够自适应地调节各参数，具有更佳的灵活性。本研究 借助 ＲＢＦ网络识别器的信息，能够实时调节控制器的比例 （ｋｐ），积分（ｋｉ）和微分（ｋｄ）３个参数，在调节的过程中自我学 习，从而使得对温度的调节相应速度更快且精度更高［１３－１４］。
时间，单位 ｓ；Ｔ代表土壤温度，单位℃。
温室大棚内的地埋管采用蛇形方式进行铺设，因为相临
管的距离（３０～５０ｃｍ）相对于管道的纵向长度（７０～９０ｍ）来
说可以忽略，就能够将管道两侧的温度场看成是对称的状态，
所以可认为在两管对称垂直面上的热流量（交换）是 ０，符合
第二边界条件：
Ｔ ＝０ ｙ ｘ＝０
１．２ 系统设计 采用无线通信、电子技术和计算机等技术，设计了全方位
智能调温系统，该系统主要由地温管理控制单元、棚内温度管 理控制单元、供暖系统控制、集中管理平台、云服务器以及农 户智能手机终端等组成，温室智能调温系统结构如图 ２所示。
温室智能调温系统采用四层级架构设计，包括：温度监测 控制端、集中管理平台、云服务器和农户智能手机客户端［１０］。 温度监测控制端与温室管理平台通过 ＺｉｇＢｅｅ网络进行数据 通信，避免了由于节点众多而大量布线的繁琐，每个土壤 ／空 气分区都配置 １个节点，并赋予每个节点在网络中的唯 一 ＩＤ，这些节点将采集的温度数据或者设备的运行状态信息通 过 ＺｉｇＢｅｅ无线网络发送到温度集中管理平台。温度集中管 理服务器会根据作物的品种和生长阶段，经过分析后计算出 最适宜作物发育的土壤和空气温度，从而控制相应的设备；温 室管理平台通过移动 ４Ｇ网络或者宽带接入互联网，与云服 务器实现数据的交换，上传温室大棚内的温度数据和设备状 态信息；农户的智能终端则可以通过 ＡＰＰ访问云服务器来了
ห้องสมุดไป่ตู้
（３）
式中：σ是常数，取 ６．５Ｗ／（ｍ２·℃）；εｉ代表围护结构表明 黑度，取值范围（０，１），Ｘｉ则是与土壤表面的角度系数；ｔｐ 代 表土壤表层温度；ｔｉ代表围护结构表面温度。 ２．３ 控制模型与策略
根据经验可知，土壤的温度除了跟地埋管的直径、埋深和
铺设间距等固定参数有关外，还与管道内循环液体的温度和
随着我国人口红利逐渐消失，人力成本不断上升，为此， 将互联网与智能控制技术相结合，引入到温室大棚的管理作 业当中来，设计了全方位智能调温系统，通过采集温室大棚内 空气和土壤的实时温度，并根据作物专家信息库获取不同作 物对温度的生长习性，利用 ＰＩＤ控制方法对管道内循环液的 流速和温度进行控制，实现用最低的能耗对温度进行智能调 节，使作物生长在最适宜的温度环境中。
１ 问题描述及系统设计
１．１ 问题描述及解决方案
收稿日期：２０１８－０４－１９ 基金项目：江西省自然科学基金（编号：２０１５１ＢＡＢ２０７０３４）；河南省重
点科技攻关计划（编号：１４２１０２２１００８３）；河 南 省 自 然 科 学 基 金 （编 号：１４２３００４１０２５０）。 作者简介：吴 涛（１９８０—），男，河南郑州人，硕士，实验师，研究方向 为计算机软件与交互设计。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｔａｏ８０＠１２６．ｃｏｍ。
更快，通过风机进行内部循环，或者与外界交换气体，迅速达
到预设的温度。由于土壤的温度主要受地埋管热传导和空气
热交换的影响，但土壤热传导存在迟滞性，为了对其进行精确
控制，需要建立热导模型。在理想状态下建模，需要假设条件
如下：（１）管道、循环液及周围土壤是各向同性且均匀的 物
质；（２）地埋管的热导特性与温室内土壤相同；（３）管道与土
Ｃａｓｅ３：如果遇到连日阴雨天气或者极寒天气，棚内空气 温度低于适宜作物生长的要求时，启动供暖系统的电加热设 备，同时，打开棚内温度循环管道阀门，并启动对应的循环泵， 同时监测棚内的空气温度，如发现存在分区温度不均衡的现 象，则会自动执行 Ｃａｓｅ２的操作；
Ｃａｓｅ４：如温室大棚内土壤温度达不到作物生长所需时， 首先根据热传导模型与热交换公式估算出所需供暖系统循环 液体的温度值和流速，并借助 ＲＢＦ－ＰＩＤ对这 ２个参数进行 自适应调整，由于土壤温度的热传递较慢，需要的时间会相对 长一些，并不断监测管道周围土壤的温度变化情况，当调整到 预设范围内时，且外部环境能够保持土壤温度波动不大时，将 循环液导流回储存罐中。
摘要：为了调节日光温室大棚内的环境温度使其更适宜作物的生长，借鉴集中供暖的思想设计了全方位智能调温 系统，系统主要由地温管理控制单元、棚内温度管理控制单元、供暖系统控制、云服务器以及农户智能手机终端等组 成。利用供热管道对土壤和空气进行全方位的热传递，同时，建立了三维非稳态地温传热数学模型，根据采集到的管 道周围土壤和空气的温度信息，利用 ＲＢＦ－ＰＩＤ控制算法对水温、循环泵和均衡风扇进行控制，从而实现对温室大棚 的全方位温度调节。试验结果表明：设计的全方位智能调温系统工作稳定可靠，能够将大棚内的土壤和空气温度自动 控制在预设的范围，最大平均误差分别仅为 ０．３℃和 ０．５℃，而且实现了农户的远程监测和管理，为推动智慧农业的 发展奠定了基础。 关键词：温室大棚；智慧农业；温度均衡；控制策略；智能交互 中图分类号：ＴＰ２７３＋．５；Ｓ６２５．５＋１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１３０２（２０１９）１５－０２４７－０４
为了能够对温室大棚进行全方位的温度调节，利用地埋 管道产生的温度场对土壤增温，并在棚内靠墙侧安装散热片 对空气温度进行调节，能量传递给周围的土壤和空气，改变了 单靠收集光照热量的方式，实现了快速调温的目的，即便遇到 极寒天气，也能够迅速将棚内的温度调节到适宜作物生长的 范围。温室大棚内温度自动调节系统结构如图 １所示。 为了对温度的控制更精准，将棚内空间调节划分 Ａ、Ｂ、Ｃ 和 Ｄ４个区域，中间用 ３台均衡风扇隔开，使不同相邻区域的 空间流通。另外，在大棚的两侧壁上也分别安装了对流风扇， 主要目的是与外界进行交换，用来降低棚内的温度；针对棚内 土壤温度的调节，将其划分为 ３个区域，可以有针对性地进行 区域土壤的温度调节。另外，由于热量传递有一定的迟滞性， 而且对于土壤温度过高的降温调节难度较大，所以在控制上 需要提前做好预测，选择适合的控制策略。
针对不同的环境条件，在集中管理平台中预先设置了相 应的控制策略：
Ｃａｓｅ１：如发现棚内温度整体过高，就启动对流风扇与外 界的冷空气进行交换，直到棚内的温度处于预设的范围；
Ｃａｓｅ２：如监测到棚内分区的温度不均衡，则启动均衡风 扇，根据不同分区的温度情况，将高温气体吹向低温区域，直 到棚内各区域的温度达到平衡；
（２）
地埋管通过循环液将能量传递给土壤，使土壤温度升温，
同时，地表与空气之间也存在热交换，热流密度 ｑｗ（Ｗ／ｍ２）可
表示为：
江苏农业科学 ２０１９年第 ４７卷第 １５期
— ２４９—
[ ( ) ( ) ] ｑｗ ＝∑σεｉＸｉ
ｔｐ＋２７３４ ＋ １００
ｔｉ＋２７３ ４ １００
＋２．１７（ｔｐ－ｔｉ）１．３１。
节点主要有 ２个任务：（１）利用温度传感器阵列采集土
壤、空气、循环 液体 的 温度，并 通过 ＺｉｇＢｅｅ网络 上传 到 服务
器；（２）接收集 中 管 理 平 台 反 馈 的 指 令，控 制 加 热、循 环 泵 或
者阀门等执行部件进行作业。
２．２ 热传导模型与热交换
由于空气的比热容更低，流动性更强，所以其热传导速度
农业生产追求在有限的土地面积上获得最大的产量，而 作物产量除了与品种自身的遗传基因有关外，同时也受周围 环境因素的影响 ［１－３］。其 中，温 度 是 作 物 生 长 发 育 最 重 要 的 环境参数之一，且不同的作物在不同的生长阶段所需的环境 温度也有所差异。对于我国北方寒冷地区的温室大棚来讲， 温室大棚内外的复杂环境，使得对作物生长环境的控制极其 困难 ［４］。传统的 温 室 大 棚 大 多 通 过 收 集 来 自 太 阳 光 的 热 量 来维持棚内的温度，但如果遇到极寒天气，就很有可能对作物 造成损害而减产，甚至死亡。文献［５－７］均提出了采用加热 的方式对温室进行增温，取得了不错的效果。但这些方法均 忽略了对土壤温度的控制，由于作物的根系是吸收营养物质 的主要通道，更需要适宜的温度环境。作物在进行正常呼吸 作用时会释放热量，同时，土壤也会与棚内空气进行热交换， 均对土壤的温度造成影响，所以需要对土壤温度进行调节，使 作物根系处于最佳的生长环境中。
由于温室大棚内部空间较大，使得对其内部温度的控制 有很大的迟滞性，且土壤的比热容要远大于空气，从而温度的 变化趋于非线性，再加上容易受内外环境因素的影响，所以更 难于对其进行控制。传统温室大棚的调温方法较为简单，一 般采取日照取暖、通风遮阳降温和夜间棉被覆盖保温的方法， 虽然这些方法成本较低，控制方法简单，但容易使棚内的空气 和土壤温度分布不均，而且对于温度的调节见效慢，一旦遇到 极寒天气，如不能将温度及时调整到适宜作物生存的范围，就 会导致作物遭受冻伤而减产，甚至绝收 。 ［８－９］ 为了使棚内的 温度不完全受外部环境的影响，能够自适应调节温度，需要解 决温室的增温、降温和热均衡 ３个问题，本研究提出了相应的 解决方案：（１）增温。借鉴集中供暖的思想，通过暖气管道和 地埋管为棚内的空气和土壤快速输送热量。（２）降温。冬季 外部环境寒冷，如果在中午太阳直射光照过强的情况下，棚内 温度可能会超过预设的安全范围，可启用与外界的对流风扇， 快速降低棚 内 温 度。 （３）热 均 衡。 安 装 空 气 均 衡 风 扇，使 棚 内空气循环，将热量从高位区带到低温区，迅速达到平衡。
服务器通过 ＺｉｇＢｅｅ－ＰＣＩ板卡与温室大棚内的温度监测 和调温执行设备节点进行通信，收集温室大棚内各区域的空 气温度、土壤温度以及设备的运行状态等信息，并上传至云服 务器，同时保存在本地的数据 ＳＱＬｉｔｅ中，根据当前温室大棚 内生长的作物（品种、生长期）从专家信息库中获取适宜生长 的温度信息，然后服务器运算得到对应的控制策略，最后将具 体的执行命令通过 ＺｉｇＢｅｅ网络发送到设定的执行设备，实现 对温度的智能调节。 ３．２ 智能交互终端
— ２４８—
江苏农业科学 ２０１９年第 ４７卷第 １５期
解温室大棚内的情况，也可以控制大棚内的设备，实现农户远 程管理和调节温室大棚内的温度。
２ 节点设计与温度控制
２．１ 节点设计 选取高集成度的芯片 ＣＣ２５３０Ｆ２５６为节点的核心部件开
发设计，该芯片不仅带有微控制器，还集成了 ＺｉｇＢｅｅ无线射 频模块，实现温室大棚内节点间的通信［１１］。节点主要由温度 传感器阵列、高增益天线、供热管道的温控单元以及锂电池等 组成。节点结构如图 ３所示。
流速有关，铺设完毕后前者为非可调参数，而后者为可调参
数，为此，引入了控制的思想，利用采集到各监测点的温度数
据，并借助建立的三维非稳态导热方程，通过 ＲＢＦ－ＰＩＤ控制
循环液的温度和流速，来达到调节土壤温度的目的，控制模型
如图 ４所示。
服务器，具有完备的功能模块，主要由登陆权限管理、网络配 置（ＺｉｇＢｅｅ和互联 网 ）、云 服 务 器 接 口 管 理、温 度 监 测 和 控 制 策略、大棚分区管理、作物专家信息库、ＳＱＬｉｔｅ数据库、数据分 析统计和报表管理等组成［１５］。软件架构如图 ５所示。
江苏农业科学 ２０１９年第 ４７卷第 １５期
吴 涛，李里亚．温室全方位智能调温系统在智慧农业中的应用［Ｊ］．江苏农业科学，２０１９，４７（１５）：２４７－２５１． ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１９．１５．０５７
— ２４７—
温室全方位智能调温系统在智慧农业中的应用
吴 涛１，李里亚２
壤的热量交换认为是三维热传导；（４）忽略沿地埋管延伸方
向的温度变化；（５）地埋管折弯段遵循直管道进行计算。
文献［１２］中于威等建立了土壤温度场扩散方程，计算平
面区域的热传递是三维非稳态导热问题，其微分方程为：
( ) ρＣ＝Ｔｔ＝λ ２ｘＴ２ ＋２ｙＴ２ ＋２ｚＴ２
（１）
式中：Ｃ代表土壤比热容，取 ２０００Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）；ρ代表土壤密 度，取 １７５３ｋｇ／ｍ３；λ代表热导系数，取 １Ｗ／（ｍ·Ｋ）；ｔ代表
ＲＢＦ－ＰＩＤ在传统的 ＰＩＤ控制上增加了 ＲＢＦ神经网络， 从而能够自适应地调节各参数，具有更佳的灵活性。本研究 借助 ＲＢＦ网络识别器的信息，能够实时调节控制器的比例 （ｋｐ），积分（ｋｉ）和微分（ｋｄ）３个参数，在调节的过程中自我学 习，从而使得对温度的调节相应速度更快且精度更高［１３－１４］。
时间，单位 ｓ；Ｔ代表土壤温度，单位℃。
温室大棚内的地埋管采用蛇形方式进行铺设，因为相临
管的距离（３０～５０ｃｍ）相对于管道的纵向长度（７０～９０ｍ）来
说可以忽略，就能够将管道两侧的温度场看成是对称的状态，
所以可认为在两管对称垂直面上的热流量（交换）是 ０，符合
第二边界条件：
Ｔ ＝０ ｙ ｘ＝０
１．２ 系统设计 采用无线通信、电子技术和计算机等技术，设计了全方位
智能调温系统，该系统主要由地温管理控制单元、棚内温度管 理控制单元、供暖系统控制、集中管理平台、云服务器以及农 户智能手机终端等组成，温室智能调温系统结构如图 ２所示。
温室智能调温系统采用四层级架构设计，包括：温度监测 控制端、集中管理平台、云服务器和农户智能手机客户端［１０］。 温度监测控制端与温室管理平台通过 ＺｉｇＢｅｅ网络进行数据 通信，避免了由于节点众多而大量布线的繁琐，每个土壤 ／空 气分区都配置 １个节点，并赋予每个节点在网络中的唯 一 ＩＤ，这些节点将采集的温度数据或者设备的运行状态信息通 过 ＺｉｇＢｅｅ无线网络发送到温度集中管理平台。温度集中管 理服务器会根据作物的品种和生长阶段，经过分析后计算出 最适宜作物发育的土壤和空气温度，从而控制相应的设备；温 室管理平台通过移动 ４Ｇ网络或者宽带接入互联网，与云服 务器实现数据的交换，上传温室大棚内的温度数据和设备状 态信息；农户的智能终端则可以通过 ＡＰＰ访问云服务器来了
ห้องสมุดไป่ตู้
（３）
式中：σ是常数，取 ６．５Ｗ／（ｍ２·℃）；εｉ代表围护结构表明 黑度，取值范围（０，１），Ｘｉ则是与土壤表面的角度系数；ｔｐ 代 表土壤表层温度；ｔｉ代表围护结构表面温度。 ２．３ 控制模型与策略
根据经验可知，土壤的温度除了跟地埋管的直径、埋深和
铺设间距等固定参数有关外，还与管道内循环液体的温度和
随着我国人口红利逐渐消失，人力成本不断上升，为此， 将互联网与智能控制技术相结合，引入到温室大棚的管理作 业当中来，设计了全方位智能调温系统，通过采集温室大棚内 空气和土壤的实时温度，并根据作物专家信息库获取不同作 物对温度的生长习性，利用 ＰＩＤ控制方法对管道内循环液的 流速和温度进行控制，实现用最低的能耗对温度进行智能调 节，使作物生长在最适宜的温度环境中。
１ 问题描述及系统设计
１．１ 问题描述及解决方案
收稿日期：２０１８－０４－１９ 基金项目：江西省自然科学基金（编号：２０１５１ＢＡＢ２０７０３４）；河南省重
点科技攻关计划（编号：１４２１０２２１００８３）；河 南 省 自 然 科 学 基 金 （编 号：１４２３００４１０２５０）。 作者简介：吴 涛（１９８０—），男，河南郑州人，硕士，实验师，研究方向 为计算机软件与交互设计。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｔａｏ８０＠１２６．ｃｏｍ。
更快，通过风机进行内部循环，或者与外界交换气体，迅速达
到预设的温度。由于土壤的温度主要受地埋管热传导和空气
热交换的影响，但土壤热传导存在迟滞性，为了对其进行精确
控制，需要建立热导模型。在理想状态下建模，需要假设条件
如下：（１）管道、循环液及周围土壤是各向同性且均匀的 物
质；（２）地埋管的热导特性与温室内土壤相同；（３）管道与土
Ｃａｓｅ３：如果遇到连日阴雨天气或者极寒天气，棚内空气 温度低于适宜作物生长的要求时，启动供暖系统的电加热设 备，同时，打开棚内温度循环管道阀门，并启动对应的循环泵， 同时监测棚内的空气温度，如发现存在分区温度不均衡的现 象，则会自动执行 Ｃａｓｅ２的操作；
Ｃａｓｅ４：如温室大棚内土壤温度达不到作物生长所需时， 首先根据热传导模型与热交换公式估算出所需供暖系统循环 液体的温度值和流速，并借助 ＲＢＦ－ＰＩＤ对这 ２个参数进行 自适应调整，由于土壤温度的热传递较慢，需要的时间会相对 长一些，并不断监测管道周围土壤的温度变化情况，当调整到 预设范围内时，且外部环境能够保持土壤温度波动不大时，将 循环液导流回储存罐中。