刘永华温室大棚研究

第1章智能温室控制系统总体方案设计要进行温室控制系统的总体方案设计,首先要了解温室控制的特点和要求以及相关的执行机构的工作状况，然后在此基础上提出温室控制的方案及英控制策略。1.1影响植物生长的环境因子园艺作物的生长发育与产品器官的形成，决定于作物本身的遗传特性及外界环境条件的影响。人们要获得优质高产的园艺产品，就必须使作物更好地适应自然环境或使环境更好地适合园艺作物的生长发育规律，实现作物与环境的统一。温室内环境因子包括温度、湿度、光照、C02、土壤及营养元素等。控制温室的生态环境，就是控制温度、湿度等环境因了，使它们的数值能保持在作物的最佳生长范围内，使在踢地牛产屮不能实现的坏境因子调控成为町能。下面简单介绍影响作物牛长的坏境因子：1.1.1温度温度是环境因子中最为敏感的因子，作物的光合作用、呼吸作用等各种生理活动都需要适宜的温度条件才能顺利地进行。不同植物的牛长发育对温室条件均有一定的要求，都有温度的“三基点”：即最低温度、最适宜温度和最高温度。温室栽培中所种的植物既有像酋瓜、南瓜一类的耐热植物。也冇像石刁柏这样的耐寒植物，种类多样。另外，在白然条件下，一般表现除日温较高和夜温较低的周期性变化，同无温差条件相比，植物牛长更为迅速，即生长温周期现象，人们在此基础上，开发出多段变温管理法和DIF温度管理法（明期和暗期温度逆转管理，即仮温高于昼温进行管理，能促进植株矮化）等来调节植物的生长。1.1.2湿度水是进行光合作用的主要原料，也是植物细胞的主要纽成部分，只冇作物体内含冇充足的水分，才能保证各种光合作用正常进行。不同的作物对空气的湿度有不同的要求，针对温室中所种植的作物的特性，控制系统应当控制相应的湿度，以满足作物的要求。土壤湿度的管理就是把包括渗灌、滴灌、微灌等灌溉技术应用到温室屮來。传统的人水漫灌既浪费水资源，又容易使土壤发生板结，提高了室内湿度。在温室中应用渗灌技术具有灌水均匀，提高地温，保持土壤疏松，降低室内湿度，减轻病害发生，生育期提前等优点。1.1.3光照光照是植物环境中的重要因素，是植物生产有机质的能量来源，是作物生长发育的关键条件之一。光照不足，必然影响到植物的牛长。对作物生产的影响主要表现在光照强度、光照时间、光质三个方面。光质即光波的组成，研究表明作物叶片具有对可见光的高吸收率和对红外线的低吸收率这一习性，这冇利于作物在冇效的利用光能进行光合作用的同时使光合器官免受高温的伤害11()]光照强度肓接影响到光合作用的强度。光照强度过高或过低对作物都有害。当光照强度高于光饱和点时，就需要降低温室内的光照强度。当光照强度低于光补偿点时，就需要进行人工补光。温室中常用的人工光源有白炽灯、卤餌灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等山】o1.1.4C02浓度C02是作物进行光合作川的主要原料。冇关研究表明，蔬菜作物产量的90%~95%來自光合作用。在露天条件下，空气屮的CO?浓度一般能满足光合作用的需耍，但在温室坏境中由于光合作用的不断进行，CO?浓度随之下降，如不及时补充，尽管光照条件好，水肥充足，作物仍然不能进行旺盛的光合作用，使营养物质积累减少，难以实现早熟高产。但是,CO?浓度过高，又可能对作物造成危害，出现叶片周边焦边，严重时英至死亡等现象。C02施肥在国外己经发展到实际应用的水平。人工补充C02己成为发展高产、优质、高效农业的重要措施之一。1.1.5其他环境条件除以上因了外，影响作物生长的环境因了还很多，如土壤和空气湿度、土壤的理化特性以及微生物因素等均影响植物的生长，在此不详细阐述。1.2现代温室的配套设施与应用现代温室的环境控制系统主要包括自然通风系统、加热系统、帘幕系统、降温系统、湿帝一风机系统、室内喷雾降温系统、室内空气循环系统。下面将其主要系统说明如下：1.2.1自然通风系统自然通风系统是温宗通风换气、调节宗温的主要方式，一般分为顶窗通风、侧窗通风和顶侧窗通风等三种方式。利用顶窗和侧窗的开启和关闭进行温室内外空气的交换，以便更好地利用外界白然气候条件来调节和改善温室内的小气候环境。顶窗调节主要起降温和降湿的作用。侧窗配合顶窗的动作，主要起降温和均衡室内温度分布的作用。当顶窗在某些特殊条件下关闭时，侧窗则町以辅助降湿。侧窗的通风效果非常明显，当室外温度不是过高时，室内温度和室外温度基本保持平衡。1.2.2加热系统加热系统与通风系统结合，町为室内作物生长创造适宜的温度和湿度条件。冃前冬季加热方式多采用集中供热、分区控制方式，主要有热水管道加热和热风加热两种系统。热水管道加热是以水为热媒，由于水的热恰性较人，釆暖系统稳定可靠，室温均匀，停止加热后室温下降速度慢；缺点是室温升高慢，设备材料多，一次性投资大，安装维修费时费工。热风加热系统是利川热风炉通过风机把热风送入温室各部分加热的方式。该系统由热风炉、送气管道（一般用PE材料做成）、附件及传感器等组成。热风加热系统采用燃油或燃气加热，其特点是室温升高快，但停止加热示降温也快，且容易形成叶而积水，加热效果不及热水管道加热系统，其优点是节省设备耗材，安装维修方便。此外，温室的加温还冇利用工厂余热、太阳能集热加温器、地下热交换等节能方式。1.2.3幕帘系统根据帘幕安装位置可分为内遮阳保温幕和外遮阳幕两利该系统山保温遮前帘幕、传动机构•动力机构组成。帘幕系统通过齿轮一齿条机构驱动帘幕展开和收拢，进行室内光照度和温度的控制。系统在夏季晴犬可根据作物的光照要求展开进行遮荫与降温；冬季役间展开保温。遮阳网利用遮光率为70%或5()%的透气黑色网幕或缀铝膜，将其覆盖于温室顶上3()~50cm处，这比不覆盖的可降低室温4~7°C,最多时可降10°C,同时可防止作物灼伤，提高品质和质虽。1.2.4降温系统夏天温室内温度较鬲，降温町提高设施利用率，实现冬夏两用型温室的建造冃标。常用的降温系统有：微雾降温系统微雾降温系统使用普通水，经过微雾系统HP配备的两级微米级的过滤系统过滤后进入高压泵，经过加压后通过管路送到喷嘴，高压水流以高速撞击针式雾嘴的针，从而形成微米级雾粒，喷入温室，迅速蒸发以吸收大量空气中的热量，然后将潮湿空气排出室外以达到降温的冃的。湿帘■风机降温系统湿帘-风机降温系统利用水的蒸发原理实现降温。以水泵将水浇灌到温室帘幕上，使特制的疏水湿帘能确保水均匀地淋湿整个降温湿帘墙，湿帘通常安装在温室北墙上，以避免遮光影响作物生长，排风扇则安装在南墙上，当需要降温时启动排风扇将温室内的空气强制抽出，形成负压；室外空气因负压在被吸入室内过程屮以一定速度从湿帘缝隙穿过，与潮湿介质表而的水汽进行热交换，导致水份蒸发和冷却，冷空气流经温室吸收热量后经风扇排岀而达到降温目的。1.2.5二氧化碳施放系统二氧化碳气源可直接使用CO?储气罐或储液罐屮的工业制品用二氧化碳，也可利用二氧化碳发生器将煤油或石油气等碳氢化合物通过燃烧而释放二氧化碳。二氧化碳出气端口安放在循环风扇附近，川动二氧化碳输送设备同吋也川动循环风扇，使被输送的二氧化碳能够均匀地分布在整个温室空间。为及时检测CO2浓度需要在室内安装CO2分析仪，通过计算机控制系统检测并对CC)2浓度的精确控制。1.2.6补光系统主要用于弥补冬季或阴用天的光照不足对冇苗质量的影响。所采用的光源灯具要求有-防潮专业设计、使用寿命长、发光效率高、光输岀量比普通钠灯高10%以上。南京灯泡厂主产的生物效应灯和荷兰飞利汕的农用钠灯(400W),其光谱都近似日光光谱，由于是作为光合作用能源补充阳光不足，要求光强在1万lx以上。悬挂的位置宜与植物行向垂直。1.2.7灌溉和施肥系统灌溉和施肥系统包括水源、储水及供给设施、水处理设施、灌溉和施肥设施、川间管道系统、喷头、滴头等。1.2.8计算机自动控制系统自动控制是现代温室环境控制的核心，可自动测量温室的气候和土壤参数，并对温室内置的所有设备都能实现优化运行而实行自动控制，如开窗、加温、降温、加湿、光照和CO2补气、灌溉施肥和环流通气等。1.3温室环境因子的控制及其特点温室环境因子的控制温室环境因了控制系统包括气候控制系统和灌溉控制系统。主要针对温室内光照度、温度、湿度、C02浓度等气候因子进行的控制，称为气候控制。针对灌溉液的流量和浓度，包括溶液EC,PH值等进行的控制，称为灌溉控制。温度因子控制升温和降温分别对应着加热系统与冷却系统。日前温室在冬犬加热主要有热风加热和热水管道加热两种方式。在夏季高温情况下，必须采用开顶窗、布幕、屋顶喷淋、湿帘风机等冷却系统进行降温。湿度因子控制温室内湿度控制主耍通过通风来实现，通过设定天窗开度来持续通风降湿，或通过排风扇强制通风以降低湿度；当湿度不够时可通过喷灌系统來增湿。CO2浓度控制当二氧化碳浓度降低时，可采用二氧化碳发主器和储液罐进行补充；当浓度较高时，可以通过开天窗或排风扇来降低浓度。光照控制在炎热的夏季，经常会遇到LI照太强导致温室内气温和植株叶温太高的情况，这时可展开遮I莎帘幕。冬春季节日照与温室蔬菜作物的生长需要相比常显不足，人工补光可补充光照來满足作物牛长需要，从而提高产量。温室环境因子的控制特点总体上來讲,温室环境中涉及了很多的环境因素，而且这些环境因索之间是相互作用的,为了能更好地制定相应的调控策略就必须了解温家内部各环境因子之间的关系。在温室环境中既存在着物理现彖，又存在着一些植物生理现彖。因此对温室环境的建模是复杂的，要建立一个全而、完善的模型也是相当困难的。温室环境作为一个控制对彖，是一个非线性、分布参数、吋变、大时延、多变量藕合的复杂对象，12J41O具体分析如下：非线性系统温室内部的气候处于热平衡混沌状态，再加上作物本身的蒸腾现象，使得我们按照一般暖通工程方法无法对其建模。分布参数系统一般温宗而积都比较大，大的有儿十万平方米，小的也有儿百平方米；在这么大的而积里，各个物理量的分布是不均匀的。比如温度，温室内部各点温度都不一样，四周一般都比屮间的低，顶部和底部也有差别，其值的人小依赖于空间位置和气流的方向等各种因素。时变系统作物在牛•长周期的不同阶段，其光合作用能力、吸热散热能力等均有所差别。因而，系统是一个参数随着时间变化的动态系统。滞后系统对于外界所施加的作用，系统并不立即响应，而是经过段时间的延迟才有反应。比如,对系统加热升温，热量传到温室的各个部分需要经过一段吋间的延迟，温度才会有所提高。多变量耦合系统温室是一个多输入多输岀系统，各变量之间并不是互相独立的，各个子系统的控制回路彼此耦合在一起。如温度降低，会使得湿度减小；同样，光照过多，也会使温度升高等等。对系统任何目标的控制，都会影响到其它状态的变化。1.4控制系统的总体方案设计本控制系统是由上位机和下位机组成的智能化温室境控制系统。上位机为一台PC机,下位机为单片机或其他微机系统，实现对数口不等的温室(或温室群)进行环境控制。下位机实现的功能是对各栋温室环境参数的检测与控制，把各种传感器采集的诸如温度、湿度、CO2浓度、光照强度等环境参数转换成数字信号，把这些数据暂时储存起來并与相丿'V的给定值进行比较，经过控制计算，发出相应的控制信号控制加热系统、通风系统、帘幕系统、CO2施放装置、喷灌系统等执行机构的动作，实现对■温家环境的调控以满足温宗内作物生长发育的需耍。上位机通过串行通讯接口分别读取各个温室的数据，并完成数据的统计分析、显示、编辑、存储以及打印输出等操作。本控制系统的原理框图如图2-1所示。I:位机串行通讯接口下位机图温室环境控制系统框图2典型温室（文洛式）的基本组成及技术指标“文洛”温室四周采用10mm厚双层中空玻璃围护，美观性强，且有较强的保温性能。该温室设计具有小屋顶、多雨槽、结露少等特点。由于跨度较大，室內可方便地设置隔间。温室相对低矮的屋而，可人人的节省冬季加温能耗。多雨槽温室有很强的排水能力，结构稳定，外观现代、视觉流畅。1温室技术性能指标：1、 抗风载:0.50KN/m22、 抗雪载：0.40KN/m23、 抗震等级：设防烈度8度4、 最大排雨量:140mm/h5、 配电参数:220V/380V,50Hz图1温室屋架的铅垂荷载的内力图2槐条、大梁的荷载2温室骨架和覆盖材料1、骨架温室骨架形状及材料规格均经过严格周密的计算，并最终通过计算机辅助设计、绘图并制造，确保他们符合建筑标准和耐久性要求。结构计算依据最不利的情况，甚至考虑到各种荷载同时作用下进行了测试，以确保结构的可靠性，各种型材的壁厚除考虑强度满足外还充分考虑了各种锈蚀、腐蚀的作用。立柱采用80*40*2.5矩形热镀锌钢管；墙面標条采用40*60*20*2的C型標条，内外热镀锌防腐；桁架为40*40*2的矩形管；標条和拱杆均采用“几”字钢；雨槽采用2mm厚的热镀锌钢板。温室骨架全部采用定型模具生产、热浸镀锌处理，镀锌质量符合国家标准，骨架的连接均采用镀锌螺栓和自攻螺丝连接，无焊点。2、覆盖材料PC板：温室屋而和四周均采用8mmPC阳光板。PC板的技术参数透光率材质重量标准宽度防LV层厚度热传导系数$80%聚碳酸酯1.5kg/m22.Im^50um3.3W/m2oC2.3温室基础及地面工程:温室基础对整个温室结构起到稳定和加固作用，同时也起到隔绝地温的作用，对温室的保温性能有很大的提高，所以，木温室的基础将由专业土建工程师直接设计，充分考虑到当地的气候特点，为避免不均匀沉降和风荷载引起的桂子扭曲和剪切变形造成玻璃破裂的现象，温室四周采用240mm条形基础，基础埋深1.2mo顶部180mm厚钢筋混凝土圈梁压顶，其上预留埋件，用于连接上部结构。其他受力柱均釆用240x240mm钢筋混凝土独立基础，基础顶部预留埋件，用于连接上部结构柱。中间采用点式基础，四周砌500mm高砖墙。温室基础深根据现场实际勘测地基情况而定，但最小深度不小于当地冻土深度。整个基础结构的设计综合考虑了保温性能、经济性能和美观性能等因索。温室卩q周设宽600mm,厚100mm的橙:散水。2.4通风系统（主要用于春秋季节的通风换气）温室自然通风系统采用屋脊开窗进行通风，开窗方式为每跨一组单侧通常开启，由于热空气向上聚集的特性，在屋脊处开窗的通风效果最好。为保证温室使用性能可靠，温室顶部传动部分配置齿轮齿条电动开窗通风机构，系统维护方便，经济实用。顶窗最大开启角度30°o温室密闭性程度高低述体现在温室与外界进行通风与热交换界而的有效性。即外界的一些不良环境如尘埃、昆虫、杂物等进入温室会引起温室内作物的一些病变。基本配置:乩天窗采用齿轮、齿条传动机构，动力部分采用带行程开关的上海产0.75KW的减速电机，1400转/分、总减速比1：900、限位范围1：7、DWSV-60型蜗轮蜗杆减速电机，传动轴为①25的镀锌钢管，转接处采用连轴器和双排链，天窗与温室搭接处采用双管密封条密封。整个机构要求开起平稳，转动灵活，密封性好。b.天窗框架全部采用50X25X2.5热镀锌方管，天窗横杆（弧形）与纵杆用钏钉现场连接。C.控制部分可采用手动控制也可自动控制，并备有手轮、手链在停电情况下或其他不能电控情况下手动开启天窗。采用口然通风可节约运行费用，同时采用专用的橡胶密封件避免了冷风渗透，较好地解决了冬季封闭不严的难题。2・5内遮阳保温系统夏季晴天可根据作物光照需求启、闭，进行遮阴与降温；冬季夜间可关闭保温。该系统可以从多方面来改善作物的生长环境，保障阳光的合理化运用。它的浸铝合成纤维条能有效折射掉部分阳光。起到遮阳降温的作用。加装遮阳幕后，室内比室外气温低4°C-7°C,这样,遮阳幕不但保证了作物免遭强光灼烧而发黄枯萎，获得更为适宜的生长环境，延长收获期，增加产量，而且能大大提高作物品质。此外，系统在夜间还起到隔热保温的作用，有效地阻止热量散失，降低冬季运行成本。用于不加温温室，可提高室温2°C-3.5°C；用于加温温室,节能率达40%-70%,温室全年能耗费用可降低20%-40%。该系统还在某利程度上可减少温室内作物及土壤水分蒸发，减少灌溉用水量，达

到节水效果。这样就可最大限度的提高温室的保温性能，大大减少了温室能耗，降低了运行成本。系统基本组成：1、 电机温室的内遮阳系统rtl1台拉幕电机带动，电机通过传动机构驱动传动轴缓慢运转，起到开闭遮阳网的冃的。该电机采用上海行传减速电机，功率为0.75KW、电压380V、150-900：1、GW80型减速电机，电机内配备有行程开关，根据遮阳网的宽度来设定电机行程。电机可电动（手动）、自动控制，并能中途停止，中途运行。2、 传动方式：B型齿轮齿条驱动系统示意图3、 传动部分：传动部分由减速电机及配套部件组成，通过电机带动传动轴使齿轮齿条往复运动，传动轴采用①32X3.5热镀锌管。4、 传动轴布置传动轴布置在温室一端，电机安装在传动轴中间，使之两端受力平衡，为了安装及检修方便在电机两端装有联轴器，传动轴采用内套管螺栓连接。5、 幕线幕线采用进口聚酯线，其主要参数为：直径:1.8*2.5mm.抗拉裂强度220kgf.断裂弹性0.08.在-40°C〜70°C温度范围内，能完好地保持机械和体形的稳定性。6、 遮阳网遮阳保温幕采用浸铝合成纤维条遮阳网，遮光率为65%,节能率65%,颜色铝白色，比重85克/m2,使用寿命5年以上。2.6外遮阳系统外遮阳系统能有效的将光线阻挡在温室外，从而起到降温遮荫作用。遮阳网通过减速机及齿轮齿条传动，由控制系统控制开启与关闭。♦特点：1、 系统主要适用于夏季的遮荫、降温，使部分阳光进入温室，保证作物避免强光灼伤，同时降低温室温度。2、 通过调节遮阳网的开启关闭,来满足温室对光线的需求。3、 高强度的遮阳网具有防雹保护作用。♦传动方式：B型齿轮齿条驱动。♦系统基木组成1、 遮阳网采用上海“阳柯”黑色遮阳网，该遮阳网遮光率70%。采用高密度聚乙烯，经紫外线稳定剂及防氧化处理后制成。具有不脱线、抗风力强、防紫外线、抗老化、平整度好等优点，使用寿命5年以上。2、 通过传动轴转动带动齿轮齿条往复运动，每间隔3.2米布置1套B型齿轮齿条，推拉杆采用①32X2热镀锌管，每套齿条连1列,与温室纵向长度基本相等，且遮阳幕活动端与推拉杆固定，带动遮阳保温幕沿开间方向开闭。3、 根据温室面积外遮阳保温系统由1台拉幕电机控制，电机通过传动机构驱动传动轴缓慢运转（1.5转/分），起到开闭遮阳网的目的。该电机采用荷兰进口减速电机功率为0.75KW、电压380V、扭矩800Nm、GW80型减速电机，电机内配备有行程开关，根据遮阳网的宽度来设定电机行程。电机可电动（手动）、自动控制，并能屮途停止,中途运行。4、 系统支撑立柱采用50*50*2.5mm热镀锌方管|古|定在天沟上，利用支座连接，并在支撑立柱顶部沿每个天沟方向布置一根60*40形钢加强外遮阳骨架的稳定。在外遮阳骨架南部及北部立柱顶部沿跨度方向各装一根50*50*2.5mm通长热镀锌方管，将托幕线（间距0.5米/根分托幕线和压幕线）方管上，托幕线采用黑色聚酯线。5、 传动轴布置在开间的中部，传动轴采用①32*3热镀锌管，电机安装在传动轴中间，使之两端受力平衡，为了安装及检修方便在电机两端装有联轴器，传动轴采用内套管螺栓连接。2.7强制通风降温系统该系统主要用于盛夏季节室外温度达30T以上的高温时期降温。1、温室的北墙安装湿帘，湿帘外形图如下。

2、温室南墙每跨设置两台9FJ-1250型大流量轴流风机，共12台。此风机流量43900m3/h,外型尺寸1400mmX1400mmX455mm,电机功率0.75KW/台。轴流风机外形图如下。♦该系统配备2台水泵（1.1KW/台,8m/台供水量,35m杨程）。♦系统配备2套水循环系统，含上、回水系统及循环水限位阀。♦温室内侧靠近北墙设2个3n?的湿帘循环水水池，并配置池主.niLo3、工作原理：当温度高时，风机通屯进行抽风，室内产生负压,迫使室外未饱和的空气流经多孔湿润湿帘表面，从而使得湿帘表面的水分蒸发，迫使进入室内的空气温度下降，湿度增加。因为这个降温过程是基于自然蒸发原理实现的，从湿帘通过的空气流使水分蒸发，湿帘的多孔结构使水分能充分与空气接触，从而能大幅提高蒸发量，达到降温的目的，该系统一般可使室内最高气温比室外最高气温降低3-7°Co2.8内循环系统设计原理：温室内长年处与高湿度环境，而且相对密闭，流动很少，如果没有强制的空气循环搅拌装置，温室内植物极易发生病害，土壤生虫，滋生有害细菌。故在温室内部设环流风机，对温室内空气进行强制搅拌促进空气流动使之均匀，从而给室内植物创造一个健康和谐的环境。特点：该环流风机具有运转平稳、效率高、噪声低、能耗省、且风向稳定、不前后摆动。风机全部由模具冲压成型，具有外型美观大方，安装方便。其综合性能指标均符合GB/T13274-91的标准并超过国内外同类型温室环流风机。♦技术参数：风叶直径(mm):400额定电压(pa)：220输入功率(kw):0.15额定转速(r/min):1350风量(