刘永华温室大棚研究

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1、第第 1 章章 智能温室控制系统总体方案设计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其控制策略。1.1 影响植物生长的环境因子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、CO2、土壤及营养元素等。控制温室的生态 环境，就是控制温度、湿度等环境因子，使它们

2、的数值能保持在作物的最佳生长范围内， 使在露地生产中不能实现的环境因子调控成为可能。下面简单介绍影响作物生长的环境因 子：1.1.1 温度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。不同植物的生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 像西瓜、南瓜一类的耐热植物。也有像石刁柏这样的耐寒植物，种类多样。 另外，在自然条件下，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，植物生长更为迅速，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

3、 和 DIF 温度管理法（明期和暗期温度逆转管理，即夜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 湿度湿度水是进行光合作用的主要原料，也是植物细胞的主要组成部分，只有作物体内含有充 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中来。传统的大 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

4、优点。1.1.3 光照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，必然影响到植物的生长。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，这有利于作物在有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10。 光照强度直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、卤钨灯、高压水银荧光灯、

5、高压钠灯、 金属卤化物灯等11 。1.1.4 CO2 浓度浓度CO2是作物进行光合作用的主要原料。有关研究表明，蔬菜作物产量的 90%95%来自 光合作用。在露天条件下，空气中的 CO2浓度一般能满足光合作用的需要，但在温室环境 中由于光合作用的不断进行，CO2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，CO2浓度过高，又可能对作物造成危害，出现叶片周边焦边，严重时甚至死亡等现象。 CO2施肥在国外己经发展到实际应用的水平。人工补充 CO2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

6、境条件其他环境条件除以上因子外，影响作物生长的环境因子还很多，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、 湿帘一风机系统、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自然通风系统是温室通风换气、调节室温的主要方式，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 更好地利用外界自然气候条件来调节和改善温室内的小气候

7、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，侧窗则可以辅助降湿。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 加热系统加热系统加热系统与通风系统结合，可为室内作物生长创造适宜的温度和湿度条件。目前冬季 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，由于水的热惰性较大，采暖系统稳定可靠，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。热风加热系统是利用热风炉

8、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，但停止加热后降温也快，且容易形成叶面积水，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，温室的加温还有利用工厂余热、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种。该系统由保温遮荫帘幕、传 动机构与动力机构组成。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。 系统在夏季晴天可根据作物的光照要求展开进行

9、遮荫与降温；冬季夜间展开保温。遮 阳网利用遮光率为 70或 50的透气黑色网幕或缀铝膜，将其覆盖于温室顶上 3050cm 处，这比不覆盖的可降低室温 47，最多时可降 10，同时可防止作物灼伤，提高品质 和质量。1.2.4 降温系统降温系统夏天温室内温度较高，降温可提高设施利用率，实现冬夏两用型温室的建造目标。常 用的降温系统有： （1)微雾降温系统 微雾降温系统使用普通水，经过微雾系统自身配备的两级微米级 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

10、目的。 （2) 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中以一定速度从湿帘缝隙穿过，与 潮湿介质表面的水汽进行热交换，导致水份蒸发和冷却，冷空气流经温室吸收热量后经风 扇排出而达到降温目的。1.2.5 二氧化碳施放系统二氧化碳施放系统二氧化碳气源可直接使用 CO2储气罐或储液罐中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

11、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，启动二氧化碳输送设备同时也启动循环风扇，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 CO2浓度的精确控制。1.2.6 补光系统补光系统主要用于弥补冬季或阴雨天的光照不足对育苗质量的影响。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、光输出量比普通钠灯高 10%以上。南京灯泡厂 生产的生物效应灯和荷兰飞利浦的农用钠灯（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

12、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、田间管 道系统、喷头、滴头等。1.2.8 计算机自动控制系统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及其特点1.3.1 温室环境因子的控制温室环境因子的控制温室环境因子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、

13、湿度、CO2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。 (1) 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。目前温室在冬天加 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、帘幕、 屋顶喷淋、湿帘风机等冷却系统进行降温。 (2) 湿度因子控制 温室内湿度控制主要通过通风来实现，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来增湿。 (3) CO2浓度控制 当二氧化碳浓度降低时，可采用二氧化碳发生器和储液罐进行补 充；当浓度较高时，可以通

14、过开天窗或排风扇来降低浓度。 (4) 光照控制 在炎热的夏季，经常会遇到日照太强导致温室内气温和植株叶温太高 的情况，这时可展开遮荫帘幕。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来满足作物生长需要，从而提高产量。1.3.2 温室环境因子的控制特点温室环境因子的控制特点总体上来讲，温室环境中涉及了很多的环境因素，而且这些环境因素之间是相互作用 的，为了能更好地制定相应的调控策略就必须了解温室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象，又存在着一些植物生理现象。因此对温室环境的建模是复杂 的，要建立一个全面、完善的模型也是相当困难的。温室环境作为一个控制

15、对象，是一个 非线性、分布参数、时变、大时延、多变量藕合的复杂对象l2 -14。具体分析如下: (l) 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。 (2) 分布参数系统 一般温室面积都比较大，大的有几十万平方米，小的也有几百平方米；在这么大的面积里，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 都比中间的低，顶部和底部也有差别，其值的大小依赖于空间位置和气流的方向等各种因 素。 (3) 时变系统 作物在生长周期的不同阶段，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

16、变化的动态系统。 (4) 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时间的延迟，温度才会有所提高。(5) 多变量耦合系统 温室是一个多输入多输出系统，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，实现对数目不等的温室（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来并 与相应的给定值进行比较，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