日光温室结构设计（共12篇）
日光温室结构设计 篇1
日光温室是适合在冬季寒冷地区但太阳光充足的地方反季节种植农业经济作物的一种高效节能的农业设施。对日光温室的理论要求是: (1) 应该具有角度良好的采光屋面, 能够最大限度地透过阳光; (2) 保温和蓄热能力比较强, 能够最大限度地减少温室散热; (3) 温室结构及其所有构件应符合GB50205、GB502043和N/T1145的规定, 具有抵抗纵横方向挠曲、振动和变形, 使温室安全稳固。 (4) 要方便环境控制和农业操作。
1 日光温室的主要参数
(1) 前屋面角, 是由前屋面最高点到其前坡着地点处的所连直线与水平地面夹角a。 (2) 太阳高度角, 是太阳光线与水平面的夹角b。 (3) 太阳入射角, 是太阳光线与前屋面垂直法线的夹角c。 (4) 后坡角, 是后屋面内侧与水平面之间的夹角d。 (5) 跨度, 是后墙内则到前屋面骨架基础内则距离L。 (6) 前屋面垂直投影距离L1。 (7) 后屋面垂直投影的距离L2。 (8) 脊高, 是前屋面棚架前支点水平后延平面到屋脊的垂直距H。 (9) 后墙高度, 是基准地面到后坡基面的垂直距离h。
2 北方冬季太阳相对位置及太阳光照在一天内的大致变化情况
地球围绕太阳的运行情况见图2, 冬至日北纬40°太阳光照和正午时太阳高度角见图3, 春分和秋分时北纬40°太阳日照时间和正午太阳高度角见图4。
从图3和图4可以看出, 以北纬40°地区为例, 正午时太阳高度角从9月秋分时的50°降至冬至日26.5°, 再从此逐渐增加到春分日的50°。日照时间从春分的12 h减少到冬至的7.35 h, 再逐渐增加到春分日的12 h。
太阳高度角在一天内变化见图5, 从早晨日出的0°逐渐增加到中午最高位置, 然后又逐渐减小到日落的0°。
3 从温室采光性保温性热合理利用性安全实用性来探讨温室的结构
3.1 合理的采光性
温室主要是通过太阳光的短波辐射得到能源, 光线通过前屋面透明物体后一部分被棚面吸收, 另一部分被反射, 其余部分被透射。吸收率+反射率+透过率=100%。棚面材料吸收率是一定的, 透过率主要由反射率的大小决定, 而反射率的大小主要由太阳光的入射角决定的, 太阳冬至日高度角与棚面的入射角关系 (图1) 是入射角越小、透射率越大。
太阳高度角b的计算为:
b=90°-当地纬度值-23.5° (地轴偏倾角) 以北纬40°为例, b=90°-40° (当地纬度) -23.5° (冬至日的赤纬度) , b=26.5°。
太阳入射角c的计算公式为:
c=90°-a-b.
式中:a———前屋面角。太阳高度角b是一定的, 要想减小入射角c的值, 就只有增加前屋面的角度a, 入射角c等于零时光线垂直照射屋面, 透射率最大, a=90°-b。如北纬40°冬至日正午太阳高度角是26.5°, 前屋面角=90°-26.5=63.5°, 就是说前屋面角是63.5°时透射率是最高的。
不同入射角照射光对塑膜的透过率见图6。由图6可知, 塑膜光线透过率与照射阳光的投射角不呈单调的线性关系。当投射角在0°～40°时, 照射光的透过率变化不大, 能保证透过率大于80%, 只有入射角大于45°时, 透过率才明显减小, 大于60°时急剧减小, 故照射光线对棚面的太阳入射角在40°以内时, 即能获得较好的光线透过效果。
适宜屋面角= (90°-40°) -太阳高度角。北纬40°地区, 适宜的角度就是50°-26.5°=23.5°, 但这个计算只是根据冬至日正午的太阳高度来计算的, 如果要保证在1 d内有几个小时的良好采光, 还要兼顾9点到15点时太阳的高度角计算 (北纬38°冬至日正午太阳高度角的日变化见表2) 。
从其他时间看, 太阳高度角比正午不同程度的减小, 正午前后2 h内太阳高度角有大约6°的减小, 再往后的2 h内更有大约15°的减小, 则正午前后的这4 h的太阳光照最强, 以温室的主要进光时间算, 冬至日正午时计算出的太阳高度角适宜角度就应当再至少增加6°～7°做为修正, 这样才符合太阳一天内太阳高度角变化的平均值水平, 所以修正后的公式应是:
适宜前屋面角a= (90°-40°) -当地冬至正午时的太阳高度角b+6.5°。
如北纬40°地区适宜屋面角就是56.5°-26.5°=30°, 这个值应当是最小值, 如条件允许可以适当增加0°～3°, 这样可以更有利于光的入射, 只是加大前屋面角会增加温室的成本。
前屋面角а优化值与后坡角度d优化值见表3。
由以上的分析可知, 在建造温室时首先要确定前屋面角, 根据当地的纬度, 算出角度, 计算出脊高与前坡垂直投影长度的比。在温室宽度定了以后, 可以算出适宜的高度值H。后坡的角坡设计是以冬季太阳光照射尽量不被后坡遮挡, 北方冬至太阳高度角为最小, 如果以这一天为准, 后坡的角度只要大于这个角度就不会遮挡太阳光的照射。但是, 从冬至再往前3个月和往后3个月, 太阳高度角都会有增加, 前后3个月的总变化为23.5°。3个月是从春分或秋分到冬至, 假设变化是平均的, 那每月就有7.8°的变化, 冬至前后2个月就有15.5°左右的增加, 再有从正午前后2 h, 太阳高度角却有6°左右的减少。这样经过修正, 后坡的角度就应当是冬至正午时的太阳高度角再增加15.5°减少6°左右, 则:
后坡的角度=当地冬至正午时的太阳高度角+9.5°。
如北纬40°地区温室后坡的角度=26.5°+9.5°=36°, 北纬34°至42°适宜的后坡角度也在表3。前屋面角度和后坡角度定了以后, 第3步就是根据温室的跨度定前屋面垂直投影L1和后坡垂直投影L2的距离。
在冬季, 纬度低的南方地区太阳高度角相对高, 纬度高的北方太阳高度角相对低, 所以南方地区后坡的角度就应大些, 北方地区后坡的角度就应小一些。另外, 南方的温度略高, 后坡的长度可适当缩短;北方的温度低, 后坡适当加长。通过调节后坡的长度, 后墙的高度可以在前屋面角度和后坡面角度不变的情况下的构成较理想结构。
3.2 保温的注意事项
日光温室保温设计应注意事项: (1) 侧面的山墙要建成结实的砖墙, 增加横拉筋的强度, 通过山墙用地猫固定, 以减少棚内支撑柱的数量, 减少挡光。 (2) 要用长杆子包海棉等软物品经常擦抹棚面, 保持棚面的透亮。 (3) 建防寒沟、排水沟, 减少热传导散失。 (4) 安装卷帘机, 加快保温帘的起落速度, 增加和延长光照时间。 (5) 选良好保温被, 以阻挡前屋面的热传导和长坡散热。 (6) 经常检查棚面及接合处, 不能有漏洞缝隙, 减少热对流的散失。 (7) 在内部增设二道幕, 以提高温室温度 (5℃左右) 。为了保证白天的光照, 二道幕应该为活动式, 白天可以收起。
3.3 热的储存和充分利用
温室的温度达到30°以上时就要放风, 热空气是从低的地方向高的地方传递, 所以温室内上部和下部的温度能有5°左右的差异, 放风会白白地浪费热量。如果能把上部的热量传导到地下储存起来, 就可在晚上缓慢地释放出来。日光温室地下热交换土壤蓄热系统工作原理就是利用风机把太阳辐射产生的棚内热空气, 通过地下管道送入地下, 在热空气通过地下时, 由于土壤温度低, 就在地下产生热量交换, 土壤吸收一部分热空气中的热量, 将多余热量贮存起来。气温与地下土壤温度差越大, 则吸收的热量就越多。当气温与土壤温度相等时, 就不会产生热交换了。若遇冬季长时间阴天, 还可在进气口接上热风炉, 进行加热式储热。
3.4 温室骨架的材料
材料大致是钢结构、钢木结构、复合材料3种结构。钢结构经久耐用, 安全性高, 遇大雨大雪等突发事件不会发生灾害, 内部支柱少, 遮光少, 农事操作方便, 是最好的选择;钢木结构的成本虽略低, 其中的竹子易腐坏, 安装和更换都很费工, 横拉筋多, 内部支柱多, 遮光且不便机械化的农业操作;复合结构生产安装方便, 成本低, 但是材料氧化快, 易老化变脆, 使用寿命短, 遇大雪大风易产生突发性灾害, 安全性差。
日光温室结构设计 篇2
我国处于急速发展的阶段，由于改革开放，我国吸收来自外界很多先进的技术，促进我国科学技术的发展，从而促进我国经济产业的发展。我国智能温室电气工程利用当代传感器技术、电子技术、通讯技术、网络技术和采集技术等多种电气工程的先进技术共同构建智能温室的各个系统。智能温室的电气工程与农业种植技术相结合现农业产品连续生产并且高产量高品质的目标。智能温室为农业产品创建良好的生长环境，避免受到季节、温度、湿度等客观条件限制的同时，也避免多种化学污染。随着自动化的不断深化，农业产品的成本不断降低，从而整体提升农业产品的经济效益;当代技术的加入，智能温室通过信息采集系统反应的全面精确的数据信息，加深对智能温室的控制力度和完善其管理体系。
1.2智能温室的问题
温室大棚设计建造技术 篇3
摘要：温室又称暖房，在不适宜植物生长的季节，能提供作物生长所需的温湿条件，北方应用比较广。本文从大棚选材、设计、布局等方面详细介绍了温室大棚设计建造技术。
关键词：大棚；设计；布局；建造
中图分类号： S629 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.22.0039
1 总体设计
1.1 选址
选择建造地址时要综合考虑以下几方面因素：
1.1.1 光 光是大棚及温室的主要热源，光合作用的主要光源。因而要选择地势平坦的向阳地，在温室的附近不能有树木、建筑等遮荫物。
1.1.2 土壤 土壤肥沃、土层较厚、地下水位低、排灌良好的黑色壤土或砂壤土。
1.1.3 水 水源必须充足。
1.1.4 电 要有电源。
1.1.5 风 避开风口。如果冬季风力较大，在不影响光的情况下，可在冬季季风方向设屏障（风障、大围墙、防风林带）。
1.1.6 污染 远离工厂污气、污水、尘土等污染源。
1.1.7 交通 靠近交通要道和村庄，便于运输和管理。
1.2 温室大棚群布局
温室群布局：温室前后排间距，要求不遮荫又不浪费土地，温室前后栋距离为脊高的2.5～3倍。排列要整齐，要有交通干道以便通风运输。
大棚群布局：大棚左右距离2～3米即可，前后栋棚顶之间距离5～6米为宜，要排列整齐便于通风运输。供应大棚用苗的温室应处在大棚群中间位置。
1.3 建造方位
温室原则上采取东西延长、坐北朝南的方位，这样有利于冬季接受较多的太阳辐射。坡面向南偏西5～8度为宜，有利于北方寒冷地区揭开覆盖物较晚的情况下能尽量提高午后的室温，对夜间保温有利。大棚属于全光照设施，应南北延长，有利于上下午均匀采光。
1.4 建造尺寸
建造尺寸设计要按照较理想的采光要求，尽可能节约建材的标准设计，根据地理位置及太阳高度角计算合理采光角度，然后综合其他因素确定建造尺寸。
1.5 保温防寒设施
1.5.1 墙体 土墙厚度要达到1.2～1.5米，山墙两侧堆放稻草等保温；砖墙要建成0.5～0.6米厚的夹心层，中间夹苯板或其他隔热材料。
1.5.2 后屋墙 一是保证后屋面长度；二是要选好保温材料如秫秸、稻草等。
1.5.3 防寒沟 为防止地中传热，温室前坡底角外侧应挖深0.5～0.6米的深沟，衬上旧薄膜，填充稻草、马粪等保温隔热材料。
1.5.4 不透明覆盖 冬季进行生产的温室夜间要用棉被保温，春季生产可用草苫子保温。
1.5.5 透明物覆盖 选用保温及透光好的无滴膜。
2 建材
2.1 骨架建材
2.1.1 木材 可做门、后坡、中柱、立柱、透明面的框或拉杆。
2.1.2 竹材 可做大棚拱杆、拉杆、压杆，也可做温室透明面。
2.1.3 钢材 钢材质骨架没有立柱，遮荫面积小。虽然一次性投入较大，但使用年限比较长，是目前大棚温室主要骨架材料。
2.2 覆盖材料
目前主要应用的塑料薄膜有聚乙烯长寿无滴膜、聚氯乙烯无滴膜、聚乙烯紫光膜。
不透明覆盖材料主要有草苫和棉被。
3 建造
3.1 温室基槽开挖
基槽开挖前的测量与放线：按照设计图纸进行测量放线。
基槽开挖：灰线撒好后即可基槽开挖，挖宽约为0.6米的墙基，墙基深度一般应达到冻土层厚度，然后填入10～15厘米掺有石灰的二合土并夯实。
3.2砌后墙及山墙
砌后墙厚度为60厘米，采用双24厘米，中间夹苯板或珍珠岩保温，北墙设有通风窗，距地面150厘米，间距约4～4.5米。
3.3 进出口设置
温室山墙一端应设进出口，进出口设在东山墙为宜，以防西北风冷风侵袭。
3.4 上骨架
骨架间距1米左右，安装骨架要做到前屋底脚处的切线角应保持60度左右。骨架中间切角线应保持30度，拱架上端的切线角保持20度左右即可。
3.5 铺设后屋面
后屋面骨架上可直接铺木板，木板上面抹草泥，后屋面下半部可铺炉渣做保温层。
3.6 扣棚膜
薄膜最好用无滴膜，一般温室要留上通风口，因此要扣三大块膜，先扣顶膜，然后扣中膜，最后扣裙膜。两幅的链接缝相互重叠20厘米，两骨架之间设一压膜线。
3.7 上保温被
可分为移动式和固定式，移动式卷帘机可以安装在温室的一头，固定式的卷帘机一般只固定安装在温室顶部。
日光温室结构拓扑优化设计 篇4
随着日光温室广泛应用于设施农业中,对温室结构优化的研究越来越多。目前,我国日光温室结构优化设计的研究主要包括:根据日光温室采光设计的理论,确定最优采光屋面角和采光面形状;研究蓄热保温构造,设计实现提高温室保温性能;研究保证温室安全性的承重结构设计,以降低温室成本。
结构设计是工程设计的重要组成部分,一个优秀的结构设计方案应该保证结构满足安全性、可靠性、适用性和持久性[1],同时还应考虑结构的经济性。结构设计一般分为结构强度设计、结构刚度设计、结构稳定性设计、结构可靠性设计和结构优化设计。结构拓扑优化又称为结构布局优化,是一种根据约束、载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法。通常把结构优化按照设计变量的类型划分成3个层次,即结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
本研究以新疆焉耆地区日光温室为研究对象,根据拓扑优化原理,采用满应力法,进行有限元分析得到各单元在节点处的最大应力(Voa Misses),并围绕对每一单元进行应力分析,通过增加下部杆件、迭代不断改变各单元所受力,使杆件所受的应力趋近最大的允许值,达到满应力的设计目的。
1 日光温室上弦受力分析
1.1 日光温室上弦有限元模型的建立
日光温室尺寸的取值应满足在一年中最冷的一天当地时间11:00(正午前1h)太阳直射光能直射在后墙底处。上弦曲线采用周长吉[3]提出的以抛物线和圆组合的屋面曲线为合理受力曲,得到日光温室上弦模型图,如图1所示。
在有限元分析中,上弦单元类型为Beam3。Beam3单元是一种可承受拉压弯作用的单轴单元,每个单元有2个节点,每个节点有3个自由度。上弦使用Q235的钢管ϕ30×2,定义弹性模量为2.1E-11Pa,泊松比为0.3。定义前,屋面前脚处O节点和后屋面E节点有XY方向的约束,得到日光温室有限元模型如图2所示。其中,主要关键节点位置如表1所示。
1.2 日光温室上弦所承受荷载的确定
日光温室所承受的荷载包括恒载和活载。本文参照《建筑结构荷载规范》[4],根据日光温室使用过程在结构上可能同时出现的荷载,以雪后人上屋顶操作工况来确定荷载组合,得到日光温室上弦的受力情况,如图3所示。表1中,列出了部分节点所受荷载情况。
节点所受荷载可由温室所受的均布荷载转化而得。
1.3 日光温室上弦受力分析
应用ANSYS10.0对温室上弦进行静态受力分析,得到弯矩图如图4所示。
在上弦前屋面前脚处,所受的弯矩最大,最大值为4 329N·m;在上弦脊顶处和上弦中部,所受弯矩较大。由弯矩图可以把上弦分成5段进行受力分析:第1段由节点1～15组成;第2段由节点15～37组成;第3段由节点37～46组成;第4段由节点46～51组成;第5段由节点51～59组成。
2 温室结构的拓扑优化设计
2.1 结构的满应力优化设计
满应力设计是优化准则法中的一种主要方法,是直接从结构力学的原理出发,以满应力为其准则,使得杆件的材料能够得到充分利用的一种方法[5,6,7]。本文的设计思想是对一个未知的结构布局,通过构件的组合,使布局未定的结构在多种载荷作用下,结构的每一构件至少在一种载荷情况下的应力达到容许应力,此时就认为结构最合理。
2.2 结构优化基本原理
温室上弦采用梁结构,在进行强度校核时,只考虑弯矩引起的弯矩应力和轴力引起的正应力。由此可以通过弯矩图把上弦分为5段进行受力分析,选择合适的方式使其承受的弯矩减少,使结构承受的最大应力趋近许用应力,从而满足结构的强度要求,也达到了节省材料的目的。以前屋面曲线第1段为实例进行结构优化设计,如图5所示。
利用结构力学的知识,可求得
F′x=Fx+N1cos(b-a) (1)
F′y=Fy+N1sin(b-a) (2)
undefined (3)
N(x)=qxsinb-F′ysinb-F′xcosb (4)
在x处截面处的最大应力值为
undefined (5)
式中 γ—截面塑性发展系数,对于圆截面取γ=1.15;
Wz—截面抵抗矩。
为了用料最省,可以使材料的每一单元承受的最大应力趋近于材料的许用应力,表达式为
σmax=[σ] (6)
式中,[σ]为材料的许用应力,可通过材料的拉伸压缩试验得到,也可查《材料手册》查得每一种材料的许用应力。建造温室通常使用的材料为ϕ235的钢,其许用应力为215MPa。
2.3 拓扑优化模型的建立
由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可得
undefined
undefined (7)
在弯矩图(图4)中,节点7处所受弯矩最大。由于上弦采用的是梁结构,对结构进行受力分析时主要考虑弯矩,所以可以取节点7的位置作为满应力的位置。用力法对模型(图2)求解,得到在1点处的x,y方向的支座返利大小为:Fx=10 312N,Fy=14 595N。温室前屋面所承受的荷载由表1可以得到。
在本设计研究中,上弦材料采用Q30*2的圆管,查材料表可以得到A和WZ的大小。腹杆采用ϕ12的圆钢,以其能所承受的最大拉压力N1为设计值,对上弦进行设计,最大拉压力N1可查材料表得。代入式(7)可得,α=7.8°。
过节点7做法向量与下弦交于点X1,从而得到点X1(1.08,1.48)。
根据上述原理,依次可求得点X2,X3,X4的位置,如表2所示。计算过程在此不做赘述。
综上所述,对下弦曲线进行优化设计,得到设计模型如图6所示。
图6中,下部分杆件为Q235材料的ϕ12圆钢的桁架杆件,腹杆用Q235材料的ϕ12圆钢,上弦杆件与腹杆半铰链接在一起,下弦杆件与腹杆铰链接在一起。
2.4 利用有限元分析软件对优化结构进行分析
把优化设计模型导入ANSYS10.0中,定义上弦单元为Beam3,定义下部分杆件单元为Link1。求解后,得到上弦结构所受最大应力分布图如图7所示,结构所受轴力分布图如图8所示,结构所受弯矩图如图9所示。
由最大应力图可知:优化后的结构最大应力值基本接近于2×108N/m2,最大值为1.99×108N/m2,最小值为1.27×107 N/m2。由轴力等值线图可以看出:最大轴力23 953N,为压力;最小轴力982N,为压力。由弯矩等值线图可知,最大弯矩为1 207N·m,最小弯矩为107N·m。
3 结语
1)本研究是基于拓扑优化原理,应用满应力法确定日光温室拱架合理的骨架结构,优化结果使温室骨架各构件受力均趋近于满应力状态;而以往日光温室结构优化方法得到的平行弦桁架骨架(如图10所示),其经验性的成分较多。所以,本方法具有明显的科学性和合理性。
2)应用满应力法设计的日光温室结构模型简单、明了。除日光温室拱架上弦据采光设计取曲梁外,其他构件都是链杆,而且数量大为减少,使得结构计算简单。
3)优化后得到的日光温室骨架结构所受的应力分布均匀,由最大应力图(图7)和轴向应力图(图8)可知,大部分单元杆件所受的应力值都趋近于1×108～2×108Pa,使所有构件承受的应力接近于材料许用应力,达到节省材料的目的。 优化后的温室骨架与跨度、高度相同的传统日光温室骨架相比,用钢量能节省2.9%。
4)拓扑优化后得到的骨架模型应用于施工建造中,较现有日光温室骨架减少了焊接点,既降低了工程量,又避免因焊点过多而造成的质量隐患。
参考文献
[1]程勤阳.温室结构设计的基本方法(一)-温室结构设计基本要求及构件计算[J].农业工程技术—温室园艺,2006(9):11-12.
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[6]J.M.Guedes,J.E.Taylor.On the prediction of materialproperties and topology for optimal continuum structures[J].Springer-Verlag,1997(2):193-199.
温室大棚毕业设计论文正文 篇5
1.1 课题背景及研究意义
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中、小规模，要在大棚内引人自 动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，结合郊区农户的需要，设计了一套低成本的温湿度自动控制系统。该系统采用传感器技术和单片机相结合，由上位机和下位机(都用单片机实现)构成，采用485接口进行通讯，实现温室大棚自动化控制。
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。1
在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。
目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。
1.2国内外温室控制技术发展概况
温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。
国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:
（1）手动控制。
这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。（2）自动控制。
这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。（3）智能化控制。
这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
1.3 选题的目的和意义
温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可自动控制加热、降温、通风。根据需要，通过按键将温度信息输入MCU，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。本文将使用8051型单片机对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度、湿度等的控制系统。目的是通过这次毕业设 3
计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中。
第2章 温室大棚自动控制系统的控制方案设计
目前 ,我国农村使用的简易日光温室绝大部分采用手动控制 ,生产效率低下 ,单位产品的生产成本偏高。随着温室产业的发展 ,温室作物趋向于多样化 ,对温室的控制要求也随之提高 ,手动控制因其控制精度低已开始不能满足温室生产的需求 ,需要设计一种控制器减少手动控制。而当今国内常见的智能温室系统都是采用工控机或者 PLC方案 ,价格昂贵 ,较大部分用户经济能力承受不起。因此 ,在系统的设计过程中要充分考虑用户的经济承受能力 ,减少温室设计中的各种成本 ,提高劳动生产率 ,这在温室上具有较为深远的意义。为此 ,针对简易日光温室对温度、湿度以及光照度等环境因素的控制要求 ,设计和开发了基于 STC89C58RD +单片机的低成本温室自动化控制系统。
2.1 控制方案设计
植物的生长是在一定环境中进行的 ,在生长过程中受到环境中各种因素的影响 ,其中对植物生长影响最大的是温度、湿度和光照度。环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大 ,对植物生长极为不利。现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制 ,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。因此 ,本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高 ,控制操作方便 ,性价比高的应用于农业种植生产的温室大棚测控系统。该系统由单片机对温度、湿度等参数进行巡回测量 ,并对测量的结果进行优化补偿 ,并进行调控 ,此外主控制器还可以同时完成系统参数测量 ,数据存储等，硬件总体设计结构如图2.1所示。由图2.1可知 ,整个系统采用 STC89C58RD +单片机为处理核心 ,通过温室现有的各种传感器检测温室的温度、湿度、光照度等环境因素 ,经由控制系统的 8路模拟量、数字量输入接口传输到 CPU中 ,并与系统设定值进行比较、判断、处理以及相关数据的存储。然后将 CPU处理后各种控制结果通过 16路开关量输出口传送到电机和电磁阀等执行机构上 ,从而实现对温室的控制。温室独立控制系统上还包扩各种人机界面和数据传输接口 ,实现了人机交换方式以及实时参数的设定。本控制系统采用宏晶科技公司生产 STC 51系列单片机控制器(STC89C58RD +)。该单片机具有强加密性 ,无法解密，具有超强的抗干扰性能 ,且芯片内部自带看门狗。STC89C58RD +单片机最 5
高时钟频率为0～80MHz,32k的 Flash存储器、1280字节的RAM、拥有 P4口适合需要多 I/O的系统设计、16k字节的E2PROM可以提供比其它单片机更多的存储空间。其不需要依靠任何烧录器 ,直接通过电脑上的串口以ISP方式进行烧录。这种单片机的烧录方式操作简单容易 ,程序的调试灵活 ,修改方便 ,且不受地域、时间和环境的影响和限制 ,可为以后产品的改进和升级提供方便。
图2.1 总体结构图
2.2 系统硬件结构
整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器ADC0809 ,由下位单片机AT89S51读取，单片机将数据通过485总线送给上位机，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制通风和喷灌装置，也可以通过键盘强制控制。智能温室大棚控制系统的组成基于两个方面：单栋温室大棚控制系统和集约化生产连栋温室大棚控制系统。6
后者建立在前者的基础上，前者适于我国农村个体经营的现状。对于单栋温室大棚控制系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了RS-232 和 RS-485通讯接口，便于和上位机通信，实现集散控制系统，其模式如图2.2。另外，在设计过程中考虑到农生产的特点，每个系统的各部分接口都作了模块化设计，并增加备用接口和功能，便于大棚生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性，扩大了适用范围。
图2.2 集散控制系统实现
2.3 温室大棚的硬件组成
温室大棚的硬件组成原理如图2.3所示：
图2.3 温室大棚系统的主要硬件组成原理图
2.3.1 传感器
本系统设计了对与作物生长发育有关的环境温度、湿度、光照度、CO2含量及土壤水量等参数进行采集的功能，实现温室大棚内各种参数的数据采集任务，传感器负责对温室环境因子的采集，将采集信转换为0-5伏的电压信号，送入ADC0809, 再经过数模转换, 供单片机使用，而使用的各种类型传感器，分别介绍如下：
1.温度传感器
温度传感器的选择余地较大 可选用集成温度传感器 铂电阻传感器及数字式传感器本系统采用广州市科技发展公司自动化研究室生产的“可选通式温度传感器” 型号为KSG。优点是内置选通码和数字信号传输，测温范围为-10℃-50℃，精度为：≤0.3℃，适用于远距离传输。
2.湿度传感器
温室的湿度如果能控制在一定范围内，则可以大大降低双霉病、炭霉病及疫害病的发病率。本系统的湿度传感器选用 Honeywell公司的集成湿度传感器HIH3610, 该传感器采用热固,聚脂电容式传感头, 同时在内部集成了信号处理功能电路, 因此该传感器可完成将相对湿度值转换为线性电压输出的任务。传感器的输出电压为 0.8ⅴ-3.9ⅴ，A/D 采集电路的标准电压为0ⅴ-5ⅴ,故需进行电压变换。该传感器的性能指标如表2.1所示。但当该湿度传感器工作的温度发生变化时，相同的湿度值，其输出电压值也将不同，其输出电压与湿度的关系曲线如图2.4所示，因此该传感器在使用时还需进行温度补偿。
表2.1 HIH3610相对湿度传感器的性能指标
参数
RH精度 RH互换性 RH线性 RH迟滞 RH重复性 RH反应时间 RH稳定性 供电电压 消耗电流 输出电压 温度补偿
指标
±2%RH，13%～100%RH非凝结，25℃（供电电压=5VDC）
±5% RH,0%～-60% RH ±0.5% RH典型值 ±1.2%的RH最大量程 ±0.5%RH
30s，慢流动的空气中
±1%RH典型值，50%RH，5年时间内 4～9VDC（传感器在5 VDC下标定）0.2mA 5 VDC,2mA典型值 9 VDC V1=V0[0.0062(sensor%RH)-0.16] RH=(sensor %RH)/(1.0546-0.0216)8
图2.4 HIH3610输出电压与湿度的关系曲线
3.光照传感器
光照传感器选用硅太阳能电池的感应元件及滤光系统构成光照传感器, 该传感器将0-150000LX的光照信号转换为电压信号，此信号经运放电路放大为0ⅴ-5ⅴ电压输出。
4.土壤水分传感器
土壤水分传感器采用中科院南京土壤研究所研制的电阻式土壤湿度传感器，该传感器由陶头、塑料连接管、压阻传感器、真空表头四部分组成，该传感器输出为电压值 此电压值虽能反映出土壤水势的状态变化 但它不能直观地反映土壤水势指标值，所以需对传感器进行重新标定。
5.CO2传感器
CO2传感器选用红外线气敏传感器，此传感器具有精度高，选择性好，浓度检测范围大等特点，此传感器将质量分数范围在0-1000×10-6浓度的CO2转换为0-5ⅴ电压输出。传感器输出的电压信号，直接送至A/D转换器，经A/D转换后由单片机进行相应的运算、显示和储存。
2.3.2 单片机控制系统和微机系统
它主要包括：ADC0809 数模转换、单片机89C51、继电器、侍服电机、本系统采用启动三环计算机厂生产的 SCB-51-IU 单片机应用板，采用片选法 配备了89C51、2764、ADC0809、8155等芯片, 具有较强的抗干扰能力微机系统采用普 9
通的微机即可。
1.A/D 转换
该设计选用ADC0809 把各被检测电压信号转换为数字信号送至主控制器，其优点在于换精度高，抗干扰能力强，线性度高，并可通过软件程下直接实现温度、土壤含水率等参数的切换。
2.系统控制器
该设计选用20K 字节内存存储器和内部256 字节RAM 的单片机 AT89C55作为主控器。该系统由单片机对温度湿度等参数进行巡回测量，并对测量的结果进行优化补偿，并进行调控，此外，主控制器还可以同时完成系统参数测量，数据存储，以及与上位机通信等功能。主控器控制功能主要包括调湿、调温和室外保温等控制。调湿，通过AT89C55 控制加热炉和风机完成升温，室内降温主要通过排气扇完成和风机完成。土壤调湿主要通过浇水、加肥来实现，可自动完成或采用辅助报警，由人工完成。室外保温通风调光主要采用自动或半自动得外部设备完成。键盘和显示由HD7279A完成。
2.4 温室大棚的软件组成
系统软件设计包括单片机程序设计和微机程序设计。
2.4.1 单片机软件设计
它的主要功能模块有：采集模块、控制模块、通讯模块。1.采集模块
采集模块主要完成对ADC0809的通道的控制和转换结果的读取，并将结果暂存人数据区。通过对AT89S51定时器T0的计数实现定时，每15min 采集1 次，用定时器T ,定时来确定三个参量的采集时间间隔，定为0.50s。温室内布置有温度、湿度、土壤水分、光照传感器、温度传感器将采集的信号送到89C51内的定时器T0的输入端, 通过对定时器 T0的计数,实现温度的采集;度、土壤水分、光照传感器采集的电压值分别通过校正，转换为标准的0ⅴ-5ⅴ电压，送到ADC0809 的输入端，再经过数模转换，变换为数字信号，送到89C51。由于传感器、ADC0809 的采集、转换速度快，一分钟内可以采集成千上万条数据，温室内环境因子变化没有这么快，在实际应用中，没有必要对这些数据都进行处理，所以要对采集的周期加以控制。本实验每五分钟采集一次温度、湿度、土壤水分、光照传感器，将采集值送到89C51。
2.控制模块
控制模块分温度控制、空气湿度控制、光照控制、土壤湿度控制。根据不同的控制要求,发出不同的控制信号, 通过继电器、行程开关、电机, 控制开关窗、屋顶喷淋、遮阳网、滴灌, 达到实时控制的要求控制模块实现对通风和喷灌装置的控制，当接收到上位机的控制信号时，将相应的引脚置零即可开通通风和喷灌装置。控制模块分温度控制、湿度控制、光照控制，当温室内的温度高于设定的温度上限时，通过开窗装置开窗通风，喷淋装置在屋顶上喷淋，达到温室降温的目的，当温室内的温度低于设定的温度下限时，通过关窗来实现保温目的。湿度的控制同样是通过开关窗和温室内喷淋来实现光照控制是通过遮阳网来实现，当太阳的光照强度高于设定的光照值时，关遮阳网，低于设定的值，开遮阳网，滴灌控制是当土壤水分传感器的值低于设定的值时，打开滴灌装置进行灌溉。
3.通信模块
通讯模块可将采集到的参量传到上位机，并接收上位机发来的控制信息。实现上位机和单片机之间的通信，便于用户远程管理，单片机将采集的数据和控制装置当前的状态信息通过RS-485送到上位机，实现信息的上传。通讯模块首先需要初始化设置,设置串口的工作方式、波特率、定时器的工作方式, 设置串口中断位和全局中断位。其次设置传输数据的帧格式,向上位机发送的数据有温度、湿度、光照、当前设备的状态等,不同的数据之间需要有区分标志, 在数据区的头部加上联络标志和结束标志；接收到上位机的数据有各种控制信号, 在各个控制信号间有区分标志,同样在数据区的头尾有标志信号,目的是区分是有效数据还是误码。如果是误码, 则不处理,不执行控制处理程序, 直接退出中断；如果是有效数据, 则接收, 并根据控制信号进行操作,向控制部件发送命令,控制开关窗、遮阳网等部件, 达到实时控制的目的。最后在主程序中, 使用顺序方式向微机发送数据;使用中断方式接受微机发来的数据。
单片机串行通信的工作方式如下: MOV TMOD, #25H；选用定时器T1作为波特率发生器,工作模式 2。MOV TH1, #0F3H；定时器初植,波特率为 1200B/S。MOV TL1, #0F3H；8 位重装。
MOV SCON, #50H；串行口工作方式设置为方式 1,REN=1。MOV PCON, #00H；设置波特率的选择位。SETB TR1；启动定时器 T1。SETB ES；串口中断允许 SETB EA；中断允许。
2.4.2 微机软件设计
微机软件设计也由动态显示模块、控制模块、数据库模块、通信模块四个部分组成，通过动态显示模块可以及时监控各环境因子的变化，控制模块可对整个系统进行监控，如开关窗、喷淋等控制，数据库模块是为作物生长环境的设定而积累数据，通信模块是实现上位机和单片机之间的通信，上位机将控制信号通过RS-485送到单片机 实现信息的下传。
下面给出主程序流程图，如附录所示：
温室大棚种植提高了人们的生活水平并得到了迅速的推广和应用.温室大棚种植的环境 ,如温度、湿度和二氧化碳含量等是对农作物生长影响最大的因素 ,传统的人工检测方式难以实现对农业综合生态信息管理与科学种植的要求 ,国内对温室大棚参数自动监控系统的研究与应用尚在起步阶段 ,而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵 ,很难适合中国农村的实际需求.为此 ,作者研制了一种性价比较高、运行可靠的自动测试系统 ,以适合中国温室大棚种植科学化管理的推广与应用。
2.5 测试系统的组成及原理
本系统采用最简捷的数字采集系统将其动态参数实时地测量并显示 ,设计分为硬件部分和软件部分.硬件方框图如图2.5所示。分为传感器及其整理电路模块、A/D转换模块、单片机模块、按键与显示模块.传感器把被测参数转换为电信号,并经过整理电路调理变为 0～5V的直流电压信号,再经过 A/D转换器转换为数字信号,送入单片机内,经过计算,以分时显示的形式,把 3个被测信号实时地轮流显示出来.软件采用汇编语言的程序模块构成。
图2.5 动态参数测试系统方框图
2.5.1 测试系统的设计
设计的关键是传感器及其整理电路。传感器性能的好坏直接影响到测量精度、测量范围和响应速度。因此，选择合适的传感器直接关系到整个系统的性能.温度传感器选用单片双端集成温度传感器AD590,湿度传感器选用湿敏电容 HS1100, CO2传感器选用固态电化学型 CO2传感器TGS4160。
（1）温度测量电路
采用温度传感器 AD590,其测温放大电路设计如2.6示。电路中的 ICL7650S芯片是斩波稳零运算放大器。直流电压 +12V通过电阻 R1、电位器RP1加到 AD590上 ,AD590的输出电流在 R1 , RP1上产生电压降 ,使放大器 I CL7650S反相输入端的电位随温度而变化 ,在其输出端获得与被测温度成正比的直流电压。电路中的电位器 RP1用于调零, RP3用于调满刻度 ,这样可以极大地改善 AD590非线性引起的误差 , R用于调节放大器 I CL7650S的输入失调 , I CL7650S输出端的 R5 和 C1 构成滤波器用于滤除斩波尖峰干扰。电路的测温范围为 0～100℃,相应输出为 0～5V,呈现线性关系。
图2.6 温度传感器 AD590的检测电路
（2）湿度测量电路
采用的 HS1100湿度传感器是 Sensation公司基于独特工艺设计的电容元件，HS1100湿度传感器的原理是由湿度传感器的干湿介质在外界的相对湿度变化时，吸附/脱附空气中的水汽分子 ,使感湿介质的介电常数发生变化,引起湿度传感器的电容值改变.湿度传感器实际上相当于1个可变电容 ,其电容的变化值与空气中 13 的相对湿度成一一对应的正比线性关系 ,相对湿度越大 ,湿度传感器的电容越大;相对湿度越小 ,湿度传感器的电容越小。
将电容的变化量准确地转变为单片机接受的信号 ,常用 2种方法:一是将该湿敏电容置于运放与容阻组成的放大器电路中,所产生的电压信号经直流放大、再经 A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于振荡电路中,将电容值的变化转为与之呈反比的电压频串信号,可直接被计算机所采集。在此采用第 1种测量方法 ,测量电路如图 2.7示。Uf为外加的 10 kHz方波信号。C2 是固定电容 ,为了获得最佳的灵敏度放大系数取其电容值为180 pF,由此将相对湿度的基准点定为 55%,并且与湿度传感器 HS1100的电容 CT构成一开关电容分压放大电路, CT 与 C2 的连接点电压UC为运放的同相输入电压信号, U02为运放输出电压信号,其输入/输出特性:当输入电压UC减小时,输出电压U02增大。当相对湿度减小时, CT 容抗增大,UC增大,而U02减小,反之当湿度增大时,U02增大。
图2.7 湿度/电压转换电路
（3）CO2含量测量电路
采用 TGS4160型 CO2 传感器测量 CO2 ,它是一种电化学型气体的敏感元件 ,当该元件暴露在CO2气体环境中时 ,就会产生电化学反应,通过监测 S(+),S(1,但根据温室大棚 CO2 含量的实际情况 ,在此设定所测量的 CO2 含量在 350～900 mL·L1,输出为 0～3.46 V。运用程序进行数据处理可达到要求的精度。
第3章 温室大棚的数据采集系统
随着我国经济的发展 ,农民增收缓慢的问题逐渐成为阻碍我国经济稳定发展的一大隐患。解决此问题的关键是大力发展农业科技 ,逐步走向农业现代化。温室大棚技术在农业中有着举足轻重的作用 ,是提高农业科技水平的关键。
3.1 系统设计
3.1.1 系统组成
本系统采用的是网络式的数据采集结构。上位机由AT89S51 单片机作为控制器 ,外加 LCD1602 和若干按键构成人机交互界面 ,同时设有报警装置。上位机硬件框图如图3.1所示:上位机主要完成的功能是接收下位机传递的数据并显示温室大棚中的平均温度和平均湿度。用户可以通过按键对进行温度和湿度的设定。同时 ,还具有报警机制 ,当某处的温度和湿度出现异常时进行声光报警并显示异常点。下位机由ATtiny2313和温湿度传感器组成。主要完成的工作是温度信号与湿度信号的采集,同时传输给上位机。ATtiny2313是 AT2MEL 公司发布的AVR 系列中的一款低端产品。该芯片采用的 RISC结构,比相同时钟的51单片机执行速度快约12倍。它有20个引脚,其中有18个是可编程的 I0口,具有丰富的扩展功能,并且内部集成了RC振荡器,无需外部晶振。芯片还具有三个定时器其中一个带有捕获功能,两个外部中断。芯片价格低廉也是其优点之一。上位机与下位机通信采用的 RS485总线形式,这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信,它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。
图3.1 上位机硬件框图
3.1.2 系统工作原理
数据采集系统的下位机采集现场温度和湿度 ,经过数字滤波处理后存储在控制器中 ,当上位机查询下位机时 ,下位机通过RS485 总线将温度值和湿度值传输至上位机。上位机每隔 10 分钟查询一次所有的下位机 ,将采集到的数据经行处理 ,排除干扰值 ,确定当前的温室大棚的温度和湿度 ,同时将其显示在 LCD 屏上。上位机根据当前温室大棚的温度和湿度 ,判断是否需要操作相应的执行机构。上位机除了正常的数据收集和显示作用外 ,还可以通过按键进行温湿度的设定 ,查询每个下位机的具体值。同时还具有报警功能 ,当系统检测到温湿度异常时能经行声光报警。
3.2 系统软件设计
3.2.1 上位机软件设计
上位机软件主要有键盘模块 ,显示模块 ,控制决策模块 ,通讯模块 ,和报警模块。键盘模块功能包括参数和功能设置,下位机查询。显示模块是用于同时显示测得的温度值和湿度值。控制决策模块根据下位机传输的数据判断当前是否需要调温或调湿。通讯模块功能是与下位机经行数据的传输。报警模块是指温度或湿度出现异常时,发出警报。
3.2.2 下位机软件设计
下位机软件主要有采集模块 ,通讯模块和控制模块。采集模块主要完成温度 19
采集和湿度采集。通讯模块主要完成向上位机传输数据的工作。控制模块功能是控制调温装置和调湿装置。
3.3 误差分析
系统误差来源有两个 ,一个是系统硬件 ,另一个是系统软件。硬件带来的误差包括传感器选型,采样电路器件选型和电路设计等方面。软件误差主要是指异常数据的干扰和数值处理的精度。
减小误差的方法有以下几种:（1）选择高精度的传感器。（2）设计抗干扰性强的电路。（3）选择支持浮点运算的控制器。（4）对数据进行数字滤波 ,排除干扰。（5）数值处理利用定点算法。
本系统在选择合适的器件和合理的电路同时 ,在软件上也采用了数字滤波和定点算法 ,减小了系统误差。
3.4 可靠性设计
用于工业控制场合的系统对可靠性有较高的要求, 只有具有较高可靠性的系统才具有实用价值。系统的可靠性包括软件的可靠性和硬件的可靠性。
3.4.1 硬件可靠性设计
单片机硬件系统的抗干扰能力与元器件质量、装配质量等因素都有关系, 但其中起决定作用的是设计过程, 因此在设计中我们采取了以下抗干扰措施:(1)采用光电隔离；(2)采用过压保护电路；(3)采用抗干扰稳压电源；(4)采用良好的接地系统。
3.4.2 软件可靠性设计
软件部分可靠性主要通过抗干扰设计实现, 其中本系统中的抗干扰设计主要包括以下部分:(1)采用数字滤波方法来抑制输入通道的干扰；(2)对数字输出信号处理；(3)对部分关键控制设备的运行状态进行监测；(4)采用指令冗余、软件陷阱、“ 看门狗” 等方法避免程序混乱。
第4章 温室大棚的GPRS监控系统
GRPS的温室自动控制系统,是基于目前我国温室大棚生产的特点,既能满足个体农民生产的需要,又便于企业规模的生产的需要。该系统不但能完成对温室大棚参数实时高精度测量,而且能实现棚内温湿度调节、灌溉等的智能控制及报警提示,而且也能自动实现保湿、通风和光照调节。并可联网实时显示及语音播报,进行温度报警。报警通过GPRS网络以短信的方式发送到管理员的手机上,以便及时处理。
4.1 系统结构
系统主要由两部分组成:下位机系统和上位机系统。下位机系统以AVR单片机ATmega16为核心,采用数字温湿度传感器SHT15测量温室温度和湿度。ATmega16接受多路传感器模块信息并进行处理、判断,控制LCD液晶模块FYD12864-0402B实时显示现场的环境参数；然后控制温度、湿度、光照控制器调节温室环境参数,最后通过GPRS网络传输到监控中心；监控中心为通过串口与GPRS模块连接的计算机,完成各种信息的存储、统计和控制命令发送功能。如系统出现异常,则通过控制GPRS模块将异常信号发送到管理员的手机上。本设计采用Sony／Ericsson公司工业GPRS模块GR64。该模块接收ATmega16指令信息, 将信息传输到上位机。上位机系统是以X86计算机为核心的C/ S 模型的网络,可以实现对数据的复杂处理和保存。数据存储是以数据库的方式存储的,以SQL Server 2005为数据库管理系统[3,4]。数据库数据访问采用ODBC方式,用SQL 语句进行数据库的操作。保存在数据库中的数据,可以通过表格控件显示其数据,也可以通过图形控件画出用户所需的各种曲线。用户还可以根据需要打印数据表格和图形。系统结构如图4.1所示。
图4.1 系统结构图
4.2 硬件电路设计
4.2.1 信号检测
温室大棚各点的温度、湿度及光照等与位置的不同而分布不均匀,各点差异较大,为提高测量精度, 对于室内不同位置,采用多点检测和循环检测的方式。
4.2.2 空气温湿度的检测
湿湿度的检测即温室内的空气温度和湿度,采用数字温度传感器 SHT15,该传感器是瑞士 Sensirion 推出的 SHTxx系列数字温湿度传感器,基于领先世界的CMOSens®数字传感技术,具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。全量程标定,两线数字接口,可与单片机直接相连,大大缩短研发时间、简化外围电路并降低费用。此外,体积微小、响应迅速、低能耗、可浸没、抗干扰能力强、温湿一体,兼有露点测量,性价比高,使该产品能够适于多种场合的应用。
4.2.3 温室参数的 LCD显示
LCD 模块选用带中文字库的FYD12864-0402B ,它是可以显示8 ×4 行16×16汉字的带背光的液晶模块。可以很方便地从LCD 直观地读出温度数据。
4.2.4 GPRS通信模块
GPRS 通用分组无线业务(general packet radio service)作为第二代移动通信技术(GSM)向第三代移动通信(3G)的过渡技术,采用先进的无线分组技术,将移动通信与INTERNET紧密结合GPRS数据终端支持TCP /IP、PPP协议和透明数据传输,每个用户可占用多个信道,同一信道又可以为多个用户共享。GPRS无线网的优势在于能提高资源利用率,在通信过程中不需要建立保持电路,符合数据通信突发性的特点,它组网迅速灵活、成本低、覆盖范围广、实时在线、按数据流量计费、登录网络快捷等。由于GPRS的这些特点,使它适合多点分散的远程数据传输。本系统选用GPRS通信取代GSM短消息的原因,是因为该设计对系统实时性要求较高,GPRS具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点,所以无论从性能或是经济角度, GPRS 较GSM 短信都有很大优势。设计中采用GPRS模块GR64, GR64是Sony/Ericsson公司最新推出的一款内嵌TCP/IP协议栈的GSM/GPRS模块,可向下兼容GR4,基于EGSM 900/GSM 1800 网络,串行接口符合V24 协议,支持语音、数据、传真和短信息功能。本文采用其串行接口,SIM卡接口和电源接口。通过连接开通GPRS 功能的SIM卡系统就能够通过GPRS 网络 22
连接到Internet上。在本系统中 ,它带有GSM /GPRS全套语音和数据功能,具有M2M通信解决方案的全部核心功能。GR64内嵌TCP/IP协议栈,通过其异步串行通信接口UART1,使用相应AT指令进行开发,可方便地实现GPRS通信。
4.2.5 系统控制器
该设计AVR单片机ATmega16作为主控器。该系统由单片机对温度湿度等参数进行巡回测量,并对测量的结果进行优化补偿,并进行调控。当启动温湿度转换后, SHT15 开始转换。转换结束后的数据值暂存在AVR单片机ATmega16的寄存器中,最后通过GPRS网络发送到监控中心。通过AVR单片机ATmega16控制SHT15 每3 s启动一次转换。此外,主控制器同时完成系统参数测量,数据存储, LCD显示以及与上位机通信等功能。主控器控制功能主要包括调湿、调温、调节光照、自动灌溉等控制。调湿调温通过AVR单片机ATmega16控制加热炉和风机完成升温,室内降温主要通过水帘、风机完成。土壤调湿主要通过浇水来实现,由自动喷头来完成。室外保温通风调光主要采用自动顶棚（带遮光布）、自动侧窗完成。当超过报警限时,通过语音芯片和发光二极管进行声光报警。GPRS通信通过ATmega16向GPRS模块发送AT指令实现。
4.3 软件系统设计
系统软件采用C51语言设计。该语言库函数丰富、运算速度快、占用资源少、可靠性高。在设计中采用模块化方式,主要由主程序,温度、湿度、光照、土壤湿度等参数采集子程序, 外围设备控制子程序, GPRS模块控制子程序等模块组成。软件系统主要包括两部分,一部分是单片机软件,一部分是控制中心计算机软件。
4.3.1 单片机部分软件
主要完成的功能是: 接收温度、湿度数据采集信息,与设定值进行比较, 如果超出设定范围向GPRS模块发送告警信息,通过GPRS网络向监控中心和管理者告警。接收手机模块中的控制信息控制温湿度等控制器,如果在预定的时间内接受不到控制信息, 则对于大棚参数数据按照默认参数自动调节。AVR单片机与GPRS模块的通信其实就是单片机通过AT 指令控制GPRS模块,通过向GPRS手机模块写入不同的AT 指令能完成多种功能,如网络登陆、发送GPRS消息、读取GPRS消息等。
4.3.2 计算机部分软件
主要完成对温室大棚的控制以及信息管理,通过串口与工业GPRS模块连接, 读取模块中接收到的信息流,进行相关处理,或者完成控制信息的发送。同样是通过AT 指令完成,也就是通过串口向GPRS模块发送AT 指令。
4.3.3 常用的GPRS AT指令以及设置
通过PC 的超级终端使用AT 命令对GPRS 模块进行控制,从而实现SOCKET 通信。
(1)建立一个TCP通信: AT*E2IPO=X,“XXX.XXX.XXX.XXX”,PORT 建立SOCKET 连接,XXX.XXX.XXX.XXX为监控中心计算机端IP 地址,PORT 为端口号。
(2)接收数据: AT*E2IPACT=XX=1时为接收数据共享是在局域网中共享的,通过Windows 套接字实现的。用户目前可以使用两种套接字,它们是数据报套接字(datagram socket s)和流式套接字(stream socket s)。数据报套接字使用用户数据报协议(UDP),流式套接字使用传输控制协议(TCP)。由于温度数据的共享是随机访问的,不需要一直访问数据,所以本文使用UDP方式。UDP典型的通信过程为：在服务器端一直采集串口的数据,默认情况下每5分钟存入一次数据库中,可以随时读取当前的温度值和画出温度曲线。在客户端也可以随时请求服务器端的数据,以达到温度数据的共享。
第5章 温室大棚监测控制系统
近年来，我国的设施农业得到了较大的发展，温室大棚作为新的农作物种植技术，已突破了传统农作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。而温室大棚的检测控制系统是实现其生产自动化、高效化的最关键、最为重要的环节。
目前我国的温室大棚，多依靠人工经验进行管理，或以单片机控制的单参数单回路的较多，自动化程度不高，效率低下，就农作物的生长环境而言，温度、湿度、光照、二氧化碳是其最基本的要素，作为检测控制系统必须能够实现对以上要素的数据采集与分析处理，并进行相应的控制，以使温室大棚为农作物的生长提供一个良好的环境。
5.1 系统的总体结构和特点
5.1.1 系统的总体结构
温室大棚检测控制系统为满足室内环境检测的实时性要求，应采用多级子系统分布式结构。该系统总体结构包括传感器子系统、数据采集子系统、信息处理子系统和伺服子系统4部分。
1.传感器子系统
传感器子系统是检测控制系统的主要信息来源，它关系到整个系统检测，分析加工和控制的可靠性与准确性。传感器主要包括检测温室大棚内部温度的温度传感器、检测室内空气及土壤水分的湿度传感器、检测室内光照度的光照传感器、检测二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器。由于温室大棚一般构造面积较大，传感器属定点使用的一次性仪表，故各类传感器的使用数量较多。
2.数据采集子系统
数据采集子系统主要完成对传感器子系统传送来的信号进行A/D转换和采样。在检测控制系统中，为满足实时性要求，一般应选用速度较高，多种采样触发方式，多路采样保持的多通道数据采集卡。为了减轻后级处理工作量，数据采集子系统对采得的原始数据应进行一定程度的预处理。
3.信息处理子系统
信息处理子系统是整个系统的核心部分，包括环境参数预设置、信号处理和控制3个部分。环境参数预设置一方面可将某一时间范围内，农作物正常生长对温 25
度、湿度、光照和二氧化碳浓度的要求进行设置。另一方面可将作物不同生长期对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度要求进行设置，进而对其进行数据拟合，以确定其在整个生长过程中对上述因素的要求。信号处理实现测量数据与本阶段环境参数值进行比较分析，为控制提供决策依据，控制部分则由此发出各种相应的控制信号。
4.伺服子系统
该子系统包括温度调节机构，通过对降温设备（如湿帘风机）、加热设备（如热风机）的工作方式及时间的控制以实现对温度的调节功能。湿度调节机构，通过对温室天窗、侧窗启闭部件以及喷雾器的控制以完成对湿度的调节。照明机构，通过对照明灯的开或关，以实现对温室内光照度的调节。二氧化碳施放机构完成对温室内二氧化碳施放。
5.2 主要特点
5.2.1 信号检测的多元化
本特点指检测信号有温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等多种不同类型的信号，并且同一种类型的信号又有若干多个检测点。
5.2.2 信号检测的连续化
系统对温室内多种环境参数信息的检测是一个动态的连续过程。由于外界气候环境的变化具有很大的随机性，要实时保持温室内环境的相对稳定，必须对其进行连续监测。
5.2.3数据采集与处理的实时化
为了保证实时地检测温室内环境的变化，数据采集与处理要满足一定的时间限制，以便能实时做出评价，采取相应的控制措施，抵御自然灾害的袭击，预防意外事故发生。
5.2.4系统功能的易扩充性
系统设计采用面向对象机制和模块化结构设计，在不需改动系统结构的情况下，容易增加新的模块，使系统的功能扩充容易、方便。
5.3硬件结构
该系统的硬件结构如图5.1所示，它由3部分组成：（1）信号转换部分。其功能为通过传感器拾取温室大棚内的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度信号，以满足数据采集卡对信号的要求；(2)信号采集分析处理和控制部分。其功能为实现数据采集,对采集数据进行分析加工处理，输出相应的控制信号；(3)伺服机构部分。其功能是执行相应的控制命令。
图5.1 系统硬件结构
5.4系统软件设计
5.4.1控制系统软件结构
整个系统的结构如图5.2所示。从图中可以看出，整个系统软件由3大部分组成：1数据采集软件，包括系统的初始化、数据采集卡的初始化、数据采集和数据传输；2信号处理和控制软件。包括信号比较分析、决策控制信息的传输。数据 27
采集和数据处理两部分是互相联系的，它们之间用数据缓冲区作为联系的纽带；3伺服软件。包括温度调节、湿度调节、光照调节和二氧化碳施放程序。
图5.2 系统软件结构
5.4.2软件的实现
就一般的数据采集卡，一方面随卡提供的说明书包括了有关该卡的地址及功能说明，编程及硬件说明，并提供了相应的高级语言（常见的有BASIC、C语言）操作例程。另一方面随卡还提供了一个高级语言库的原码程序。这样整个系统软件的实现完全可以使用相应的高级程序设计语言通过调用原码库来完成，可以方便、灵活地设计出用户界面良好、质量优良的系统软件。
第6章 总结
整个设计报告共分为6章，其中第1章主要讲述了温室大棚的一般概况及工作原理；第2章讲述了温室大棚自动控制的工作原理和硬软件组成，讲述了温室，第3章主要讲述了温室大棚的数据采集系统，4--5章主要讲述了GPRS监测系统、监测控制系统及各自的工作原理。第6章为总结，这些数据都是真实可靠的。
温室大棚自动控制系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段发展起来的。温室控制主要是根据外界环境的温度、湿度、CO2，含量、光照以及风速、风向、雨量等气候因素，来控制温室内的温度、湿度、通风、光照，创造出适合作物生长的最佳环境，同时还需对影响作物生长的各种营养元素进行动态的配方管理。在这种控制中，温度、湿度、C02含量、光照等被控量之间存在着强烈的相互关系，某个被控量的改变，会影响到其他被控量的变化。所以对这些参数的控制是至关重要的。
本设计为一闭环控制系统，由89C51单片机，A/D转换电路，温度检测电路，湿度检测电路、控制系统组成。温度检测电路将检测到的温度转换成电压，该模拟电压经ADC0809转换后，进入89C51单片机，单片机通过比较输入温度与设定温度来控制风扇或电炉驱动电路，当棚内温度在设定范围内时，单片机不对风扇或电炉发出动作。实现了对大棚里植物生长温度及土壤和空气湿度的检测，监控，并能对超过正常温度、湿度范围的状况进行实时处理，使大棚环境得到了良好的控制。总结了温室环境控制系统的发展趋势，分析了现有温室环境控制系统存在的不足。温室环境控制的目的是把各被控变量(温室环境因子)，如光照、温度、湿度、CO2浓度等，维持在作物生长发育要求的范围内，所以本论文还分析了各环境因子对作物生长发育的影响以及各环境因子之间的相互耦合关系。该设计还具有对温度的实时显示功能，对棚内环境温度的预设功能。
温室大棚自动控制系统是配备有温室环境控制系统的资源集约型高效农业生产方式，它在调控温室内小气候环境以适应作物生长发育要求的同时，不仅实现了作物的反季节生产，还提高了作物的质量以及作物生产的效率。近年来随着传感器技术、计算机技术、网络技术、智能控制技术以及生物技术等高新技术和手段的飞速发展，带来了温室环境控制方面的一场革命。温室环境控制系统正在不断吸收相关领域新的理论和方法，结合温室作物种植的特点，不断创新，逐步完 善。
参 考 文 献
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日光温室结构设计 篇6
关键词 大棚温室；环境因素；自动调控
中图分类号：S625 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.30.058
1 自动调控系统的设计背景
近年来，设施园艺栽培技术在各地区得到广泛推广，在温室中栽培瓜果蔬菜的情况也逐年增加。不仅在农业示范园，由于简易温室大棚技术的普及和建造成本的大幅度降低，很多农村地区已采用大棚温室种植反季节瓜果蔬菜。但由于温室大棚属于密闭环境，影响作物生长发育因素的变化较快，需要一套行之有效的自动调控系统实施监控。使栽培环境中温湿度、光照等条件达到作物生长所需的最佳环境条件。
2 土壤因素对大棚温室作物生长的影响及调控方法
温室大棚内影响作物生长的土壤因素主要有土壤温度、湿度、pH值及肥力水平，此外土壤的透气性也影响到作物的生长发育，同时土壤因素也存在着此消彼长、相互影响的情况。
2.1 土壤温度
土壤温度影响着植物的生长、发育和土壤的形成，是影响土壤肥力的重要因素之一。土壤温度主要和土壤热学性质有关，即和土壤结构有直接关系。土壤的透气性好，作物根系发育也会较好，但较高土壤的透气性也会导致土壤水平蒸发过快，土壤温度降低，影响土壤的保温效果。但是如果土壤透气性很差，土壤易板结，伴随而来的是作物根系生长缺乏充足的氧气供应，易导致作物烂根。而为了提高地温，温室大棚中普通采用的是铺设地膜来提高土壤的温度，同时地膜还具有保持土壤湿度，减少大棚内土壤水分蒸发，从而解决了棚内空气湿度过高问题。
2.2 土壤湿度
大棚土壤的湿度决定作物的水分供应情况。土壤湿度低，土壤干旱，农作物光合作用过程受到抑制，农产量和品质随之降低；土壤湿度过高，土壤通气性变差，土壤氧气含量低，土壤中微生物活动受限，作物根系的呼吸、生长等生命活动就会受到阻碍，作物地上部分的正常生长就会受到影响，造成作物徒长、倒伏、病害滋生等情况的发生[1]。特别是在大棚温室环境中，土壤湿度过高，水分蒸发过快，必然会导致大棚温室环境空气湿度过高，从而滋生病虫害。
2.3 温室土壤因素自动调控方法
2.3.1 土壤温度调控
基本了解大棚土壤因素对作物的影响后，要考虑人为调控方法。目前在设施园艺方面对于调控大棚温室环境中土壤温湿度，普遍采用的是棚内地膜覆盖技术。在相对较低成本的简易温室大棚建设过程中，采用该项技术可以在较低投入的情况下较好地控制土壤温湿度。
2.3.2 土壤湿度调控
第一，调控方法。调节土壤湿度主要方法就是控制好土壤水分的进和出。土壤水分的进通过控制灌溉频率和水量，湿度过低时，提高灌溉频率和水量，过高时降低供水量；而土壤水分的出即控制土壤水分的蒸发量，采用地膜覆盖方式可有效降低土壤水分蒸发。特别是夏季控制光照强度也能有效的控制土壤水分的蒸发量。
第二，调控设备。主要采用湿度控制器、灌溉设备。实现大棚土壤温湿度的实时控制，就需要实时监测棚内土壤温湿度。目前常用的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型。其中FDR型具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程和少标定等优点。土壤湿度控制器可可以控制灌溉设备实现自动灌溉，需要灌溉管线已事先铺设到大棚的栽培作物旁边，其中以滴灌设备最佳。当土壤湿度传感器探测到土壤湿度低于设定湿度最低值时，自动闭合灌溉系统阀门电源进行灌溉，当湿度达到土壤最大湿度设定值时关闭灌溉系统。
3 空气因素对大棚温室作物生长的影响及调控方法
温室大棚内空气因素对作物生长的影响主要表现在大棚内空气温度、湿度、CO2浓度，这三个因素直接影响作物的生存环境和生长速度。
3.1 空气温度
植物生长需要一个合适的环境温度范围，超过这个温度范围，作物就无法正常生长，甚至根本就无法生存。农业生产中调节种植作物环境温度从而实现反季节作物种植是采用温室大棚种植作物的主要目的。温室建材多种多样，不同材质的建设成本也不相同，其中，“钢筋龙骨+塑料薄膜”简易结构因其造价相对较低被普遍采用。同时为进一步提高大棚内栽培环境的温度，对于某些对种植温度要求较高的作物可在棚内再加小拱棚的形式。
3.2 空气湿度
温室大棚内的空气湿度是由土壤水分的蒸发和作物体内水分的蒸腾在密闭环境情况下形成的。由于棚室内作物长势强、代谢旺、作物叶面积指数高，就会通过蒸腾作用释放出大量的水蒸气。加之棚室内的空间狭小、气流稳定无风，棚室内水蒸气极易接近或达到饱和状态，棚室内外温差大时易形成水滴[2]。高湿是温室大棚栽培环境的一个突出特点。棚室内的空气湿度与作物的蒸腾作用、光合作用、病害及生理活性等都有很强的关联性影响。
3.3 空气中CO2浓度
温室大棚是密闭环境，由于棚室温度相对较高，植株生长比较旺盛，特别是晴天正午时间光合作用强，加至棚室内作物种植相对较密，导致温室内空气CO2浓度在光照强度较强时浓度偏低。进而影响作物的快速生长，更是直接影响大棚作物的产量。所以一般采用温室反季节栽培作物往往需要考虑该项因素。
3.4 温室空气因素自动调控方法设计
3.4.1 棚内空气温度调控
第一，调控方法。因大棚温室主要目的是提高栽培环境温度，所以目前温室大棚棚温的调节主要是提高棚室温度。而棚室加温的主要方法有棚内加热、提高光照强度、棚室草帘保温等。但冬季昼夜温差巨大，仅通过提高光照强度和棚室草帘保温等方法已无法有效提高棚室温度，通常做法是棚内加温。但有时不可避免出现棚室温度过高，此时温室就需要进行降温处理，只是棚室降温方法和手段较为简单，只需将棚室通风遮阳即可。
第二，调控设备。主要棚室调温设备有棚室加溫锅炉、降温降湿风机、遮阳设备和空气温度控制器。通过温度控制器实时监测棚室内温度，进而控制棚室加温锅炉热水循环泵、降温降湿风机、遮阳设备等的联动运行。当温度控制器中温度传感器监测到棚室内温度低于设定值时，温度控制器闭合锅炉热水循环泵开关，进行棚室加温。而当棚室温度高于设置最高值时，温度控制器闭合降温除湿风机、遮阳等设备的开关，进行遮阳通风降温处理。
3.4.2 棚内空气湿度调控
第一，调控方法。温室大棚中空气湿度过大时，一般采取加强通风、适当范围的加热可以降低相对湿度，也可以增加光照、相对减少灌溉水量、减少地面裸露土壤面积、减少喷雾次数及水量，其中主要管控措施还是通过通风降湿。湿度过低一般是由土壤湿度过低，光照强度过大，大棚密闭性太差跑风漏气造成，一般情况下提高灌溉水量即可。
第二，调控设备。主要设备有湿度控制器、鼓风机、空气循环机。因温室大棚内地面已采取地膜覆盖，如再采取滴灌技术的情况下棚内湿度依然很高，就需要进行湿度调节。考虑到成本因素，一般情况下采取风机通风除湿（大棚内外温差小）和棚内加热除湿（大棚内外温差大）。棚内安装湿度传感器，棚口出安装鼓风机，棚内部安装空气循环风机。设定湿度控制器开机及关闭湿度值，当湿度超过最大湿度设定值时，湿度控制器闭合温室大棚内鼓风机和空气循环机开机降湿。当湿度降低到设置的最低湿度值时断开风机电源。
3.4.3 CO2浓度调控
第一，调控方法。棚室内CO2浓度的调控主要是对高光照强度下作物光合作用强烈导致的棚室内空气中CO2浓度不足的调控。一般规模设施园艺中采用的方法是向设施温室中补充CO2气体。但考虑到成本因素，一般简易温室大棚不采用此种方法，而主要使用通风换气的手段。
第二，调控设备。主要有空气CO2浓度监测控制器、换气风机等。安装在棚室内部的CO2浓度监测探头，实时监测棚室内空气中CO2浓度，当低于设定最低值时，控制器启动换气风机（此处风机可采用降温降湿风机）。
4 光照强度对大棚温室作物生长的影响及调控方法
4.1 光照强度和时长
光照强度对作物生成发育影响很大。一切绿色植物必须在阳光下才能进行光合作用，植物体重量的增加与光照强度密切相关。植物器官、组织的正常发育，也与光照强度直接关联。想要作物结果多，就要开花多；花多，花芽必须多，而花芽的分化又与光照强度相关联[3]。
4.2 棚室光照强度和时长自动调控方法设计
第一，调控方法。大棚温室中，依据所栽培作物的习性，对光照强度进行调控。在正午高光照强度下可采取遮阳处理；而在其他的大部分时间，由于棚室塑料薄膜的透光性较差，棚室内光照强度相比室外较弱，对于一些光照强度要求较高的作物就需要进行补光处理。相对作物对光照强度的要求来说，光照时长的调控方法也更为简单，短日照作物可采取遮光措施，而长日照作物可采取补光处理。
第二，调控设备。主要由光照强度控制器、补光灯、遮光设备和定时器等组成。在正午时分高光照强度下，光照强度控制器探头监测到棚室内光照强度超过设定值时，启动遮阳网卷帘机，打开遮阳网遮阳；当光照强度低于设定值时启动补光灯（一般为专用的红蓝补光灯），进行补光处理。而对于光照时长的调控可通过定时器控制补光灯进行夜间补光，实现短日照季节里，形成大棚温室中的长日照环境。
5 系统特性
本系统通过简要的控制设备实现在简易温室大棚环境中实现影响作物生长发育因素的实施调控，并做到低成本高效率的联动处理。在系统调控设计中对棚室温度的调节，如当棚室内温度过高时，土壤蒸发量加大，土壤湿度降低到设定值以下，灌溉系统启动，升高棚室内温度。高温高湿激发温湿度控制设备启动，棚室遮阳设备打开，降温降湿风机启动。在降低室内温度的同时也会降低棚室内的湿度，此举可有效防止棚室内高温高湿带来的病虫害问题。
总体来说本系统的设计得益于目前先进的传感器技术。但影响作物生长的因素还有很多，并且彼此关联，需要探索发现的知识还有很多，相信通过越来越成熟的传感器技术将会使温室种植越来越简单高效。
参考文献
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日光温室结构设计 篇7
西北地区是经济和技术相对比较落后的地区。在西北地区日光温室发展的初期,由于对西北地区气候资源的认识和利用粗浅,大部分农村建设日光温室几乎千篇一律的照抄山东“寿光式”或辽宁“琴弦式”日光温室结构参数[1]。由于没有利用当地的气候资源和自然条件,无法充分发挥日光温室的节能高效生产的效果,经济效益不理想,严重挫伤了广大农民进行设施农业生产的积极性[2]。
新疆吐鲁番市地理坐标处于东经89°55′,北纬42°54′,属于典型的大陆性暖温带荒漠气候,日照充足,热量丰富但又极端干燥,降雨稀少且大风频繁,年平均降雨量仅16.6mm;全年日照时数为3000h左右,冬季极端最低气温-28.7℃,夏季最高气温可达到49.6℃,故有“火洲”之称[3],具有发展设施农业理想的地理环境。该地区是新疆发展设施农业较早的地区,但经济效益始终徘徊不前,其主要原因是设施结构不合理,果菜不能进行越冬生产。因此,设计结构合理的节能日光温室对于吐鲁番市乃至整个新疆设施农业的发展具有重要的意义。
1 日光温室结构参数优化设计
1.1 吐鲁番地区地理气象信息采集
设计温室前要充分了解当地的地理气象信息,为温室设计提供设计依据, 包括当地地理纬度、当地极端最低气温、冬至日太阳高度角等数据。其相关数据如表1所示。
1.2 温室方位的确定
温室坐北朝南,东西延长,方位应该采用南偏西10°。对于吐鲁番市节能日光温室的方位的确定根据具体当地地形而定,让温室尽可能吸收下午阳光,设计南偏西8°。
1.3 温室几何尺寸的确定
日光温室主要几何尺寸有温室跨度、前坡屋面角、温室脊高、温室后墙高度和后坡仰角等[4]。
1.3.1 温室跨度的确定
吐鲁番地区北纬42°~44°,温室跨度宜为6~7m。各地可根据本地地理纬度选择合适的温室跨度,如表2所示。考虑到吐鲁番地区光照资源丰富,年平均气温和地温都有利于温室栽培,故从经济角度,适当增加其跨度,从而扩大栽培面积,节约成本,跨度可以取到8m。
1.3.2 温室前坡屋面角的确定
温室的前坡屋面角是温室接受太阳光源的直接因素。日光温室的前坡屋面形状对采光率影响很小,不同的屋面形状,采光率相差不超过3%。温室结构中影响采光率的主要参数为温室的前屋面角。根据农业部2005年实施的《日光温室建设标准》(NYJ/T07-2005)中7.0.3规定合理的前屋面角β宜按照下式确定,即
β≥φ-δ-35° (1)
式中 β—屋面角(°);
φ—当地地理纬度(°);
δ—太阳赤纬(°),冬至日太阳赤纬-23.5°。
本次计算使用43°,计算得出该地区β应不小于31.5°。
1.3.3 温室后坡水平投影长度的确定
日光温室的后坡水平投影长度主要决定了温室的夜间保温能力,投影长度越长,夜间保温能力越好,但过长也会导致温室栽培区部分遮光,根据国家标准《日光温室和塑料大棚结构与性能要求》中6.2.2的规定[5]:后屋面投影宽度与跨度之比在0.17~0.25范围内。根据吐鲁番地区气候条件这里取值为0.2, 吐鲁番温室后坡水平投影长度取值为1.6m。
1.3.4 温室脊高的确定
在温室的跨度、前屋面角和后坡投影长度确定后,可以根据直角三角形原理确定出温室的脊高。温室脊高的确定应考虑前屋面角的大小和后坡长度的影响。高度大有利于提高采光性能,但过大的高度又会增大温室内的空间,既浪费材料,又加大散热量。合理的高度取值应达到光照和保温相互协调的目的。温室的脊高经计算后应为4m。
1.3.5 温室后坡仰角的确定
对于吐鲁番地区的日光温室,后坡仰角β的确定应保证在冬至日前后1.5个月内,后墙内侧全高范围内能得到阳光照射,并依赖后墙的反射作用保持温室内靠后墙附近的一定范围内有较为理想的照度。根据此原则,后坡仰角应比当地冬至日正午太阳高度角大8°以上。当地冬至日正午太阳高度角为23.6°,将温室后坡仰角选取大于31°为宜,此处后屋面仰角设计为40°。
1.4 温室的保温设计
1.4.1 温室主体结构的保温设计
温室的围护结构所选用的材料,既要有保温性能,又要有一定的蓄热能力。围护结构的保温性能可用材料的热阻R来评价。日光温室维护结构的低限热阻如表3所示,围护结构所具有的热阻应大于所要求的低限热阻。
由多层材料共同组成的围护结构的总热阻可以用下式计算,即
Ro=δ1/λ1 +δ2/λ2 + … +δn/λn (2)
式中 Ro—总热阻;
δi—第i层材料厚度(m);
λi-第i层材料导热系数。
按照温室外设计温度确定了低限热阻后,按照公式(2)和表3可计算出围护结构的材料的厚度。在吐鲁番地区从经济角度考虑干打垒土墙最为合适墙体厚度由计算可得为0.93×2.1=1.953。故设计的温室墙体厚度保证在2m。温室外设计温度-24℃,后墙及山墙的低限热阻Ro为2.1m2·K/W,后屋面的低限热阻Ro为4.0m2·K/W。第1层芦苇板的厚度λ为0.1m,第2层芦苇捆的厚度λ为0.3m,第3层散草的厚度λ为0.2m,第4层草泥的厚度λ为0.1m。计算其总热阻为Ro=5.14>4.0m2·K/W,计算得出满足后屋面低限热阻。
1.4.2 温室前屋面的保温设计
温室的前屋面是温室采光和摄取能源的主要途径。但在夜间,前屋面的貫流散热又占到了温室整个散热量的绝大部分,占到整个散热量的75%~80%。因此,加强前屋面的夜间保温对提高日光温室室内的夜间温度具有至关重要的作用。吐鲁番地区冬季雨雪较少,考虑到这一条件,此次选用1.4kg/m2的棉被作为前屋面夜间覆盖保温材料。
1.4.3 温室间距与长度的保温设计
应以前栋温室保证后栋温室内作物在冬至日的光照时间不少于4h为确定原则。温室间距示意图,如图1所示。两栋温室南北之间距离应不小于下列公式计算的数值,即
D =h/tanα- L+R (3)
式中 h—日光温室的脊高与保温被高度之和;
L—日光温室后屋面投影与后墙厚度之和;
α—当地的温室生产离冬至日最近日期正午太阳高度角;
R—修正值,一般取值为1m。
以吐鲁番地区北纬43°为例:冬至日太阳高度角为23.6°,建造日光温室高度为4m,加上保温被高度0.5m,后墙宽为2m,脊高投影点距后墙内侧位1.4~2m,按照式(3)计算,前后两排温室的合理间距应为
D=4.5/tan23.6-3.6+1≈8m
即温室间距约为温室高度的2倍。
每栋温室长度一般不小于50m,常用50~60m;若超出60m时,设计时应考虑温室屋面纵向联系构件材料热胀冷缩的不利影响;如果前屋面保温采用联动卷被时,温室长度的确定不能超过卷帘机的工作长度。考虑到建设地理位置及建造成本的经济性,日光温室长度宜取120m,操作间放置在中间将120m温室一分为二,每座60m。
1.4.4 临时加温设备
对于吐鲁番市节能日光温室的设计,如果遇上灾害性天气,温室中需要增加临时加温设备。此次临时加温设备采用DRF-2型燃煤热风炉。
2 优化结构保温性能验证
为了从实践生产中验证优化结构日光温室的性能,本研究以吐鲁番市当地的山东寿光式日光温室为比较对象,测定温室内的温度,以此来对比优化前后温室的保温性能。
优化前后日光温室室内温度变化如图2所示。实验结果表明:①优化后温室即使在-12.4℃外界低温度下,其温室内的最低温度也能达到14.5℃,而未优化温室最低室温仅为10.2℃,两种温室室内最低温度温差4.3℃;②优化后的温室在早晨10:30揭帘后温室室内温度迅速上升,在中午15:00达到33℃;而未优化的温室由于跨度和前屋面角不合理,温室室内升温慢,最高温度仅为18℃;③优化后的日光温室在冬至日最低室温为14.5℃,持续时间短,完全适合普通果菜的越冬生产。
测试数据为2007年月12月22日数据的平均值,天气晴,两座温室在早晨7:30-10:30中使用相同型号的燃煤热风炉进行了补充加温,耗煤量相同。
3 结论
优化后温室在冬至日当天的最低室温在14.5℃,而且因为有补充加温设备使得持续低温时间较短;经过优化后温室室内温度能够保持平均18.4℃,可以满足大部分作物越冬生长的需要。经过优化设计的“抗寒冷生产型”日光温室不仅结构优异、采光和保温性能好,而且跨度大、土地利用率高,尤其是在吐鲁番这种冬季外界温度较低的条件下的地区能对蔬菜进行越冬生产,这对于其它气候寒冷地区的日光温室建造具有极好的参考与借鉴意义。
摘要：根据新疆吐鲁番地区的自然条件和气候特征,针对当地日光温室经济效益徘徊不前的现状,优化设计该地区的日光温室结构参数。优化结构的日光温室性能试验结果表明:两种温室室内温差4.3℃,经优化设计后的日光温室结构优异、保温性能好、跨度大、土地利用率高,在吐鲁番地区能对蔬菜进行越冬生产,这对于其它气候寒冷地区的日光温室建造具有极好的参考与借鉴意义。
关键词：日光温室,优化设计,结构参数,保温
参考文献
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[3]帕尔哈特.乌斯曼.新疆气象学会成立4周年论文集[M].北京:气象出版社,2005:235-237.
[4]程勤阳.温室结构设计的基本方法(一)—温室结构设计基本要求及构件计算[J].农业工程技术—温室园艺,2006(9):11-12.
日光温室加温装置设计及研究 篇8
日光温室在农业产业调整结构, 发展反季节生产, 均衡淡季蔬菜供应, 确保“菜篮子”丰富和稳定, 有效增加农民收入等方面做出了巨大贡献, 日光温室已经成为我国北方农业生产中发展速度最快、经济效益最好和增加农民收入最多的新兴产业之一。持续降雪低温天气, 严重危及发展日光温室反季节生产。2008年2月, 罕见的持续降雪低温天气, 使甘肃省河西不少地方最低气温降到-26℃。受低温天气的影响, 一些日光温室大棚蔬菜被冻死、冻坏, 受灾农户心急如焚。为了解决冬季日光温室安全过冬的问题, 笔者与企业联合共同研制适宜甘肃省的日光温室加热装置, 通过近3年的试验研究, 一套适宜于甘肃省西部地区冬季日光温室的加热装置被广泛应用, 并取得了良好的社会和经济效益。
2 日光温室加温装置结构原理
1.加热装置2.排烟口3.蒸汽输出管4.溴锂真空超导散热器接口5.第三级液汽分离装置6.第二级液汽分离装置7.第一级液汽分离装置8.补水箱9.加煤口10.排渣口
该装置工作原理是以煤为燃料, 以水蒸气为加热介质, 采用溴锂真空超导散热器 (无水运行) 为热交换介质。燃料加热夹层水箱中的水产生水蒸气, 水蒸气通过三级液汽分离箱分离出的蒸汽通过溴锂真空超导散热器与温室内的空气进行热交换。该装置无热交换鼓风机和热水循环泵;运行安全可靠, 不受供电影响;无燃烧废气排入温室内, 具有热效率高、升温快、操作简单、设备运行无噪声、移动和燃料获取方便等特点。其结构原理如图1所示。
长方形炉体分为两部分, 前端是加热装置的炉膛部分和后端为高温箱, 它们两侧面、前面和后面是双层的夹层水箱相连通, 在炉膛前面的加煤口和排渣口, 整个加热装置相当于一个小型的常压锅炉, 炉膛向后延伸凸起部分为二次加热的高温箱, 将其中的蒸汽进一步加热, 3个液汽分离箱将热蒸汽与水逐步分离, 到达第3级时, 可获得温度和纯度很高的蒸汽, 蒸汽通过联接管进入溴锂真空超导散热器中, 在热蒸汽通过溴锂真空超导散热器时加热散热器, 达到提高温室内温度的目的, 最后一级溴锂真空超导散热器的出口端与室内相通, 利用高温气体余热给温室加湿。燃烧后的废气通过排烟口排出温室外, 可根据需要由补水箱即时补充消耗所需的水分。根据温室面积和温室的需要, 可串接数组溴锂真空超导散热器, 达到作物所需温度要求。
3 热负荷的设计及计算
(1) 室内设计温度ti。一般来说, 温室最大加热负荷出现在冬季最寒冷的夜间。不同作物、不同品种及不同生长阶段, 对环境温度有不同要求。常见瓜果植物的适温范围见表1。
(2) 室外设计温度t0。周年使用的温室, 建议取近20年最冷日温度的平均值作为室外设计温度t0值。若无近期当地气象统计数据, 我国北方室外设计温度t0值可用表2所列数值。
对于非周年使用温室, 可根据具体使用季节的天气情况, 选用不同的室外设计温度t0值。
(3) 传热损失Q1。透过温室围护结构的传热损失Q1可由式下计算:
式中Q1———温室围护结构 (包括墙体、透光屋面、不透光后坡和门窗等) 的传热损失, W;
uj———第j种围护结构的传热系数 (见表3) , W/ (m2·K) ;
Aj———第j种围护结构的表面积, m2;
n———围护结构种数;
ti———室内设计温度, ℃;
t0——室外设计温度, ℃。
传热系数u是热阻的倒数。对于多层复合围护结构, 传热系数u可由下式计算:
式中R———围护结构总热阻, m2·K/W;
δi———第i层围护材料厚度, m;
λi———第i层围护材料导热系数 (见表4) , W/ (m·K) ;
n———围护结构层数。
(4) 渗透热损失Q2。通过缝隙渗透空气, 发生室内外空气交换造成的热损失包括显热和潜热两部分。但是热负荷计算的环境条件基本上发生在寒冬季节的凌晨, 潜热交换有限, 在工程计算上可忽略不计。因而渗透热损失可用下式计算:
式中Q2———渗透热损失, W;
V———温室空气体积, m3;
N———每小时换气次数;
k风速———风力因子。
(5) 地面热损失Q3。温室地面散热的快慢与计算点和外围护结构间的距离有关, 工程上可将温室的土地按与外围护结构的距离分成3个区域。不同区域按各自的传热系数和面积求出热损失, 然后求和, 便得到Q3:
式中Q3———地面热损失, W;
ui———第i区地面传热系数 (见表3) , W/ (m2·K) ;
Ai———第i区面积, m2。
(6) 温室热负荷Q。用下式计算温室热负荷:
(7) 散热器数量计算。温室需要的散热器数量 (片数或长度) 可用下式计算
式中n———需用散热器片数 (或长度) , 片或m;
Q———温室热负荷, W;
q———散热器单位 (每片或每米) 散热量, W/片或W/m;
β1———组装片数 (柱型) 或长度 (扁管型和板型) 修正系数;
β2———支管连接形式修正系数;
β3———流量修正系数。
4 日光温室加温装置的安装和使用
该温室加热装置是以冬季较冷天气条件维持温室内作物正常生长而设计的。在实际使用过程中, 用户应根据温室内的实际温度适时调整加热装置的工作时间, 以保证作物正常生长, 同时在安装散热器时表面至少要距离植物本体0.4 m以上, 安装的散热器数量应以设计量为准, 不得随意增减。
参考文献
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[2]林志杰, 刘皓, 黄琳, 刘德昌.稻谷壳流化床的燃烧特性[J].华中理工大学学报, 1994 (03) .
[3]张莹, 刘文合, 于威, 王铁良.东北型日光温室太阳能辅助加温系统试验研究[J].水电能源科学, 2010 (03) .
日光温室结构设计 篇9
温室是指采用透光材料作为全部或部分围护结构的覆盖材料,可在冬季或其他不适宜栽培植物的季节栽培植物的建筑物。日光温室是一种在室内不加热的温室,即使在最寒冷的季节,也只依靠太阳光来维持室内的温度水平,以满足蔬菜作物生长的需要[1]。
近年来,日光温室在我国北方各省(区)迅猛发展,取得了显著的经济效益和社会效益[2]。但在日光温室发展过程中也出现了一些问题:由于温室设计不合理和建造不规范,导致温室采光性能弱、升温保温能力差、使用寿命短和可种植的作物种类少;有些温室造价偏高,使广大农民难以接受,甚至有些不能启用,在生产中造成了严重的损失。因此,急需设计出一种低造价和高性能的温室,来满足农业生产的需要。
北方农村能源生态模式(简称模式)是辽宁省农业科技人员和农民不断努力、反复实践研制出来的一种高产、优质与高效的农业生产模式。该模式依据生态学、生物学、经济学和系统工程学原理,以土地资源为基础、太阳能为动力、沼气为纽带,种养业相结合,通过生物转换技术,利用农户庭院或田园等将沼气池、厕所、猪禽舍与日光温室连结在一起,组成“模式”综合利用体系[3]。它可以解决北方地区沼气池安全越冬问题,使之常年产气,既能促进生猪的生长发育,缩短育肥时间,节省饲料,提高养猪效益,又能为温室作物提供充足的无公害肥源,提高作物的产量和品质,增加农户收入。它是在同一块土地上实现产气与积肥同步,种植与养殖并举,建立生物种群较多、食物链结构健全、能流与物流较快循环的能源生态系统工程,成为发展“两高一优”农业、促进农业经济发展、改善生态环境和提高人民生活质量的一项重要措施[4]。
1 日光温室结构断面尺寸参数设计
1.1 几何尺寸的定义
日光温室的几何尺寸见图1所示。
跨度L为后墙内侧至前屋面骨架基础内侧的距离;后墙高h为基准地面至后坡与后墙内侧交点;温室高度H为基准地面至屋脊骨架上侧的距离;后坡仰角α为后墙内侧斜面与水平面夹角;温室长度M为两山墙内侧距离;温室面积为温室跨度与长度的乘积。
1.2 跨度
日光温室的跨度视种植的作物和栽培方式而定。种植蔬菜、果树及多层立体栽培等宜选较大跨度。由对比实验得知,在一定的范围内,温室跨度对日光温室温光性能影响较小,从而为跨度的设计提供了方便。如果从结构上考虑,要避免脊高过大。北纬41°以北地区不宜超过7m,北纬36°~40°地区不宜超过7.5m,北纬35°以南地区不宜超过8m。由于脊高的限制,纬度愈高,跨度应愈小,本研究取跨度L=7m。
1.3 后墙高及后坡仰角
后墙高与后坡仰角有关,二者相互制约。后坡是日光温室的重要组成部分,其参数的选择关系到保温效果和温室后部光照的强弱。长后坡(L2≥2m)会造成温室后部光照不好,短后坡或无后坡又忽视了后坡的保温作用,都是不可取的。
合理的后坡水平投影长度L2取值由试验和计算得出。北纬41°以北地区为1.4~1.5m,北纬36°~40°地区为1.2~1.4m,北纬35°以南地区为1.0~1.2m。
后坡内侧仰角α取值同样关系到后部光照,较适宜的角度为35°~45°,不宜小于30°。α的合理取值将会使整个最冷时期阳光不仅能照射到北墙,而且能照射到后坡,形成暖后坡,保证温室光照度,改善后部光照条件。温室后墙高度h≥1.8m,不宜低于1.6m。
综合上述参数,本研究选择后墙高度h=2m,后坡水平投影长度L2=1.3m。
1.4 透明屋面采光角α0的设计
日光温室通过透明屋面接受太阳直射光、散射光及地面反射光。后两项无方向性,均可透过塑膜进入日光温室,但光辐射中占主要份额的直射光却和透明屋面的入射角有关。日光温室受光面的设计要保证直射光透过量为最大。
由光学理论知道,以垂直照射单斜面的直射光进入日光温室的辐射量为最大,如图2所示。亦即当λ=0时,进入斜面OB(与地面夹角为α0)的直射日辐射量为最大。
当温室参数确定后,由于太阳高度角随时在变,要保证光线总是垂直照射到OB斜面上是做不到的。一般来说,日光温室采光面是由薄的塑膜所覆盖(花窖一般为玻璃),而直射光对透明塑膜的透过性与光线的入射角并不呈单调的线性关系。
当入射角λ在0°~40°范围内变化时,直射光的透过率与垂直入射的透过率相差不大;当光线入射角λ在40°~45°之间时,透过率减弱的程度也较小;只有当入射角λ>45°时,透过率才明显减小;当入射角λ>60°时,透过率急剧下降[5]。透明薄膜的这一特性为日光温室棚面设计提供了方便条件。
对半拱型棚面的日光温室可采用各种曲面形式,用计算机进行温室采光总量数学模拟计算。结果表明,当采光屋面最高点B和其水平投影跨度固定后,不论采用椭圆、双曲线、半圆、对数和抛物线等何种形式,采光量差别甚微,采光量的多少只与透明屋面最高点到其前缘着地处连接的直线OB与水平地面的夹角α0有关。采光总量与单斜面温室相比仅略有减少,不超过5%,而日光温室地面上的采光量却略有增加,最多不超过2%,这就为半拱形温室屋面设计提供了可能与方便。
显然,角度α0是日光温室设计中的一个重要设计参数,它被称为日光温室屋面设计采光角。塑膜覆盖日光温室的光照设计以冬至日为基础,冬至日前后是北方温室的主生产期。当冬至日温室光照符合要求时,其他时日就没有问题了。然而,温室生产仅仅能保证冬至日正午能达到较好的光照条件是不够的。经过多年的实践,农业专家提出了温室生产冬至日前后每日应保证有4h以上较好的光照条件,也就是要求冬至日10~14时,太阳直射光对温室斜面OB入射角应控制在40°以内,这就是温室合理采光时段的理论基本点。
近年来,日光温室已在高纬度地区迅速发展起来。如果满足日光温室冬至日有4h的较高光照,要求的温室脊高会很高,这就为结构设计又带来了不便。为此,对光照的要求不得不稍为放松,以使节能日光温室在高寒地区得以发展。另一方面,由于建造温室材料及温室生产规模的发展,考虑到综合经济效益,温室跨度有增大的发展趋势。跨度增加了,按合理采光时段要求,脊高也在增加,使得结构上难于采用。加之高寒地区生产期有向后延的特点,在设计温室时适当放宽要求是必要的[6]。经推导,在北纬33°~43°地区日光温室透明屋面设计采光角α0的优化值如表1所示。本研究取α0=29°。
1.5 透明屋面在水平投影宽度1L及温室高度H透明屋面在水平投影宽度确定为
温室高度确定为
1.6 棚面形状
虽然棚面形状与采光量多少无关,但从棚面牢固性出发,棚面摔打现象与棚面弧度有关。棚面摔打现象是由棚内外空气气压不等造成的。当棚外风速大时,空气压强(静压)减小,棚内产生举力,棚膜向外鼓起;但在风速变化的瞬间,由于压膜线的拉力,棚膜又返回棚架。如此反复,棚膜就反复摔打。
根据理论分析可知,对于跨度为6.5m和7.0m的温室,棚面曲线的合理轴线设计公式为[5]
本研究取ϕ=39°,L=7.0m,H=3.16m。经计算可得日光温室弧线点高如表2所示。
1.7 日光温室结构断面尺寸参数
如前所述,设计的日光温室结构断面尺寸参数如表3所示。
2 结束语
日光薄膜温室是北方农村能源生态模式的基本框架和主体结构。沼气池、猪禽舍、厕所和蔬菜栽培室都置于温室中,形成全封闭状态。日光温室的作用就是为沼气池、猪舍和蔬菜创造良好的温湿度条件。本研究以沈阳地区为例,优化设计了日光温室结构参数,得到了最佳的采光角、后坡仰角、透明屋面水平投影宽度、后坡水平投影长度、后墙高度和温室高度,为推广北方农村能源生态模式提供了科学的依据。
摘要：日光温室是北方农村能源生态模式的基本框架和主体结构,日光温室的作用就是为沼气池、猪舍和蔬菜创造良好的温湿度条件。优化设计日光温室结构参数,对推广北方农村能源生态模式具有重要意义。为此,根据理论分析及生产实践经验,对北方农村能源生态模式中日光温室的跨度、后墙高、后坡仰角、透明屋面设计采光角、日光温室透明屋面在水平面上的投影宽度、温室高度及棚面形状方面几何尺寸进行了优化设计,给出了沈阳地区日光温室结构参数的优化结果。
关键词：园艺学,日光温室,设计,能源生态模式
参考文献
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寒地日光温室监控系统设计 篇10
北方寒地冬季蔬菜种植的主要农业设施是日光温室。日光温室东、西、北三面一般采用砖墙作为围护结构,向阳的一面采用塑料膜覆盖。当夜间温室内温度低于作物生长发育适宜温度时,将保温被展开覆盖温室,必要时再利用温室内加热设备使温度保持在适宜的范围内。日光温室在靠后墙的上方设计了卷膜开窗机构,用于温室降温排湿。
2 温室环境监控要求
在日光温室中,温度、湿度和光照强度等环境因子直接或间接地决定着温室作物的生长发育情况。传统日光温室无法创造出良好的温室环境,因此,需要采取相应设施或设备来创造适合作物生长的环境。对温室的控制要达到节约能源、节约资源、控制简单方便和增产增收的效果。温室环境是一个非线性、时变性、多变量耦合的复杂系统,当温室环境中温度、湿度和光照强度等环境因子的某一个改变时,其它因子也随着改变,且温室作物的生长对温室环境因子也有反作用。在北方寒地,温度和湿度是温室控制的主要因子。
2.1 温度监控要求
温室作物由于品种和类型的不同,对温室内温度的要求也有很大的区别,对于同一种温室作物来说,在生根发芽、幼苗生长和开花结果等时期对温度的要求也不相同。对于北方寒地的日光温室来说,冬季温室内温度通常很低,在夏季则是相对偏高。温度的监控分冬季和夏季,在冬季需要通过采暖设备给温室加温,夏季可通过自然通风和湿帘等方式降低温室内温度。温度控制的标志性指标有满足作物生长的温度最低值,温度最高值和适合作物生长的适宜温度范围。
2.2 湿度监控要求
温室内湿度由空气湿度和土壤湿度组成,两者对温室作物生长都有很大的影响。一般温室作物生长所需要的适宜空气湿度最低值为55%RH,最高值为90%RH。在温室生产过程中,对湿度的控制包括增加湿度和降低湿度,可通过相应设备的动作完成。
3 控制方案设计
整个控制系统主要由感知部分、控制部分和执行机构等几大部分组成。其中参数采集部分(感知部分)由采用ZigBee无线通信技术开发的无线数据采集模块完成温室参数的采集和传输。作为系统控制核心,可编程控制器PLC将传感器采集到的数据与设定的温室适宜温度和湿度进行比较和分析,得出控制结果,将控制结果传递给相应的执行机构,执行机构执行相应的动作来完成温室内温度和湿度的调节。人机交互界面的设计采用MCGS组态软件进行,主要功能有切换温室环境的自动控制与手动控制,显示当前温度值和湿度值,曲线显示,报表输出和报警设置等。在执行机构中,采用地热采暖设备提高温室温度;通过卷膜开窗设施降低温室内温度;灌溉系统采用喷灌设备;通过开启通风排湿装置来降低温室湿度。控制系统的整体结构如图1所示。
3.1 低温热水辐射采暖系统设计
传统温室通过提高温室温度间接提高地温,从而提供温室作物良好的生长环境,土壤温度升高较慢,消耗能源多且热效率低。该系统采用低温热水地板辐射技术(简称“地热”)升高土壤温度和温室温度。该加热技术温度控制范围较广,可以适应不同温室作物的种植需求。
3.2 喷灌系统设计
日光温室主要用于反季蔬菜的种植,种植类型随着市场需求不断变化。为了保证灌溉系统可以应用于大多数蔬菜的种植,本文采用喷灌系统。喷灌系统将喷头倒挂在温室骨架上,从喷头中喷洒水流浇灌作物。还可根据生产需要,配备随水追肥系统。喷灌管道和喷头安装于温室顶部,不占用温室地面空间,对田间其它作业也没有影响。
3.3 降温排湿系统设计
该系统主要由通风扇降低温室内湿度,通过卷膜开窗机构来调整温室内温度和空气质量。这两种执行设备都是通过PLC控制执行,通风扇是控制启停来完成温室内湿度的调整,可进行手动控制和自动控制。当室内温度发生改变时,通过控制卷膜开窗机构的电机正转、反转或停止,来调节室内温度。
3.4 遮阳保温系统设计
日光温室的保温,主要方法是在温室顶部覆盖保温被,减少温室内热量的散失。保温系统采用时间控制的方式控制温室的卷帘机,从而完成保温被的收拢和展开。这种控制方式是典型的正反转控制,在设计卷帘机构时,在卷帘的最下端和最上端需要放置限位开关。当卷帘机将保温被展开或收拢到边界时,限位开关输出信号,使卷帘机关闭,避免由于动作过度而造成温室建筑和覆盖材料的损坏。系统一般设在早7时收拢保温被,在晚19时展开保温被。北方各地温度和日光照射情况大同小异,可根据气候条件人为改变控制时刻。在夏季时,由于光照强,需要对温室进行遮阳。在这期间,将保温被取下,换上遮阳网,对卷帘机进行适当的调整即可成为温室的遮阳设施。
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日光温室结构设计 篇11
关键词：温室监测；无线传感器网络；6LoWPAN；IPv6；IEEE802.15.4
中图分类号： TP393；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0371-03
收稿日期：2013-11-30
基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目（编号：KJ2012B151）；合肥学院科研发展基金（编号：13KY01ZR）。
作者简介：干开峰（1974—），男，安徽和县人，实验师，研究方向为嵌入式系统，无线传感网络。Tel：（0551）62158573；E-mail：gankf@hfuu.edu.cn。无线传感器网络（WSN）作为一种新兴的网络，在近年来得到了迅速发展。其中，IEEE 802.15.4-2006标准于2006年9月份正式发布，是众多WSN的基础。WSN一般并不以孤立网络的形式存在，而是通过一定的方式与互联网相连，以便通过互联网上的设备对其进行管理、控制和访问[1]。IPv6巨大的地址空间可以为每个嵌入式监测设备分配1个全局唯一的IP地址，满足特定应用环境下WSN节点的全球唯一标识的需求[2]。将IPv6引入WSN后，可以很方便地接入互联网，省去了复杂的协议转换，同时降低了应用成本，极大地扩展了WSN的应用[3]。IPv6和WSN的结合是目前国内外一个较为热门的研究方向，2004年，IETF（the internet engineering task force）工作组提出了一种解决方案——6LoWPAN（IPv6 over LoWPAN），实现了IPv6和IEEE802.15.4网络的无缝连接[4]，并且正式成立了6LoWPAN工作组。随着设施农业的发展，全国的大棚数量已经超过百万公顷，但其中80%的大棚缺乏环境监测、监控手段及信息化管理手段[5]。将无线传感器网络应用于农业大棚环境监测系统中已经成为温室监测领域研究的热点。本研究设计基于6LoWPAN的无线传感网络系统，以农业温室大棚环境监测为背景。
1系统总体设计
1.16LoWPAN概述
IEEE 802.15.4作为LoWPAN网络标准，只定义了物理层（PHY层）和MAC层。PHY层包括射频收发器和底层控制模块；MAC层为上层访问物理信道，提供点到点通信的服务接口[6]。IETF 6LoWPAN定义IPv6在IEEE 802.15.4链路上的通信，同时实现与其他IPv6设备之间的互操作。6LoWPAN的网络协议栈如图1所示。
6LoWPAN网络底层采用IEEE802.15.4标准，网络层采用IPv6协议。为了使IPv6能运行在IEEE 802.15.4标准之上，6LoWPAN在协议栈中引入了1个适配层，该层可以实现网络拓扑管理、地址管理、分片和重组、头部压缩、组播支持等功能[7-8]。采用6LoWPAN体系结构构建的WSN，能够实现设备以全IP方式进行互连。
1.2系统总体方案
基于6LoWPAN无线传感器网络的农业温室大棚环境监测系统包括6LoWPAN无线传感器网络、6LoWPAN网关、Internet 主干网和远程终端用户等4个部分，详见图2。
2系统实现
2.16LoWPAN节点设计
6LoWPAN节点硬件结构主要由无线收发模块、数据处理MCU模块、传感器和电源组成。
无线收发模块选用TI公司推出的第二代IEEE 802.15.4 RF收发器CC2520射频芯片。CC2520主要用于2.4GHz的ISM频段，为各种应用提供了广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲通道评估、链接质量指示以及数据包计时信息等，从而降低了主机控制器上的负载[9]。
数据处理MCU选用ATmega128L处理器，ATmega128L为8位低功耗、高性能的微处理器，具有片内128 kB 的FLASH、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM；同时具有UART、SPI、I2C等总线接口[10]。
在应用于温室大棚环境监测，采集监测区域的温度、湿度和光照强度等信息的过程中，基于性能和价格考虑，温度传感器选用DS18B20，湿度传感器选用HS1101，光照强度传感器
选用Po188。
6LoWPAN节点的硬件接口图见图3。
6LoWPAN节点接收来自远程终端用户的查询命令，进行传感器数据采集并发送的数据帧流程见图4。
从无线接口接收的IEEE802.15.4数据帧格式见表1，IEEE802.15.4帧头中的源地址为传感器节点的16位短地址，这样既提高了分片利用率，又加快了节点对数据包的处理速度。
2.26LoWPAN网关设计
6LoWPAN 网关的硬件结构主要由无线收发模块、数据处理MCU模块、有线传输网络接口模块和电源组成。
数据处理MCU模块选用Samsung 推出的S3C2440A微处理器，S3C2440A是一种16/32位的RISC結构芯片，内核为ARM920T，采用MMU、AMBA、BUS和Harvard的高速缓存结构，具有独立的8字长16 kB 指令缓存器和16 kB数据缓存本系统中由于6LoWPAN节点实现IP方式，6LoWPAN 网关不再负责协议转换，其主要功能是连接WSN与互联网，实现数据包的路由转发[13]。网关内部存储了一张地址映射表，用于传感器节点的IPv6地址和16位短地址的双向快速转换。
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6LoWPAN 网关收发数据帧流程如图6所示。
4结论
本研究基于无线传感网络技术的发展，以农业温室大棚环境监测为背景，架构6LoWPAN无线传感器网络实时监控系统，对6LoWPAN节点和6LoWPAN的硬件部分和软件部分的设计进行了详细的阐述。通过测试，本系统很好地实现了WSN与IPv6网络之间的直接互联和数据交互，有利于对农业温室大棚环境实时监测、预警以及科学指导。本系统可以在基于IPv6网络的多种无线监测领域进行应用，具有很大的
研究前景和推广价值。
参考文献：
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日光温室可开闭式内保温系统设计 篇12
研究表明, 温室76%的热损发生在夜间, 因此采用内外多层保温幕减少夜间室内热量向外散失是温室节能的关键。由于日光温室特有的曲面结构和长季节生产植物茎秆悬吊在骨架上等问题, 本实验在辽沈IV型大跨度日光温室内设计了可开闭式内保温系统, 保温幕白天拉开, 置于后坡下, 不影响温室采光和蓄热, 夜间关闭减少热量散失。为提高日光温室夜间保温能力进行了有益的探索。
一、日光温室内保温系统整体骨架结构设计
为降低造价, 必须设计一种结构简单, 易被农民接受的承力支撑骨架。骨架结构以二寸钢管为主要材料, 由垂直支柱和水平横梁焊接而成, 形状像“门”形, 跨度为3米, 支柱下部打水泥桩埋入地下0.5米。在水平横梁上绑有托幕线和吊蔓线, 保温幕在托幕线上运行 (见图1) 。
二、日光温室内保温系统的安装调试
1. 钢管骨架安装
门字形骨架支柱焊有钢筋拉向前底角, 水平方向的横梁钢管有数条钢丝斜拉, 间距40～50厘米, 立柱在垂直方向不会因植株吊重而发生倾斜。东侧与温室东墙联接, 固定在墙上, 西侧留出1米的空间供电机和支臂的运行 (如图2) 。
安装时上部水平钢管横梁要与前拱采光骨架间留出15厘米左右空间, 缝隙过小会使幕布卷到水平钢管时被卡住或产生摩擦, 影响保温幕运行, 甚至损坏幕布。
2. 托幕线及吊蔓线的安装
托幕线与吊蔓线采用直径3毫米的镀塑钢丝, 托幕线上部固定在后坡中间的骨架上, 在前水平钢管上绕一周向下拉至前底角焊好的钢筋上, 两头用卡头固定, 再用紧线器适度拉紧。托幕线及吊蔓线的密度是与外骨架对应, 每间两空设1根, 高度要高出前水平骨架10～20厘米, 以适应吊蔓后钢丝形变下坠。吊幕线前部绕钢管下拉至前底角固定, 后部固定在后墙钢筋上, 最后用紧线器拉紧。
3. 保温幕的安装
选用无纺布 (40克/平方米) 作保温幕, 除保温外还具有吸湿作用, 对调节夜间室温有一定的作用。根据温室前屋面的尺寸将幕缝合为60米长、14米宽的一整块幕。缝合用普通的家用缝纫机即可, 两块幕缝合线最好是南北方向, 以免操作时被扯开。安装前先将驱动轴接好置于托幕线与外骨架之间的前底角, 以备保温幕固定好后安装前驱动轴。驱动轴是由8根4分钢管组装而成的, 西侧的一头与电机相联。
安装时将幕从温室的中间在托幕线与外骨架之间向两侧展开, 再沿一个边将幕顺着托幕线向上拉到后坡, 将幕用卡簧卡在事先焊好的卡槽内, 最好将这个边多折两层, 便于卡牢。注意卡齐, 掌握好留出的长度。
后坡固定好后将幕的前边缘与驱动轴固定, 固定时要将幕向下扯平, 且前底角与钢管固定后距地面的高度要保持一定。可先将驱动轴架起一定的高度, 然后将幕与驱动轴用卡箍固定, 卡箍间距在1.5米左右。驱动轴西侧与550瓦减速电机相联 (如图3) 。
4. 系统密封处理
系统密闭性不良是导致内保温效果差的主要原因, 因此系统密封处理非常重要。前底角内侧加一层1米高的透明塑料膜以阻止前底角缝隙放热, 上边用卡头水平固定在托幕线上, 下边埋入土中。温室东侧在幕下加一层幕布, 在内保温幕关闭时, 两幕有1.5米的重合, 降低空气流动。后坡整体用幕布覆盖, 下边用卡槽固定在后坡上, 并将幕布与墙之间的缝隙用多余的幕布封严。西侧用一整块塑料膜做一个隔断面 (图4) 。
5. 传动系统
传动系统主要由传动轴和减速电机组成。传动轴由4分管组装而成, 将保温幕用卡箍卡在4分管上, 由温室西侧的电机带动4分管转动, 卷起内保温幕实现幕的开闭。电机为550瓦、12转/分钟减速机, 配有正反转开关, 并带有自锁功能。电机上联有伸缩臂。内保温幕开关时间大概为8分钟。
三、日光温室内保温系统的安装成本核算
内保温系统的整体造价为5267元, 具体成本明细如表1。
四、总结与讨论
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