日光温室光照调控系统的设计

王敏达

摘 要：该文主要介绍了日光温室光照调控系统的设计方案，即采用无线传感器网络技术与计算机技术结合起来，进行温室环境中光照调节控制系统的硬件及软件设计。为了使温室能够提供足量的够植物生长的太阳辐射能，可在硬件的光照监测系统中调控光照量的参数，实现其自动采集；利用遮阳幕实现了温室中光照环境的智能调节和控制。软件上基于无线传感器网络开发平台，选择合适的光照传感器，完成温室内光照信息的采集、数据的处理，从而方便、安全、精确的实现光照的调节和控制。

关键词：日光温室；光照；调控；设计

中图分类号 S625.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）23-42-02

随着生活水平的不断提高，人们基本上已经摆脱依靠储菜过冬的模式，新鲜蔬菜即便不在时令季节也依然出现在人们的餐桌上。为了满足人们对绿色果蔬的需求，各式各样的温室大棚应运而生。日光温室是近年来出现的一种以保温好、投资少、节约能源为特色的温室大棚，又被称为暖棚，是因受到外界的冷空气影响而产生的一种可以调节气温和湿度的种植设施。在种植区域内，依靠太陽光来调节室内温度，从而缓解冬季寒冷提供蔬菜作物对温度的生长需求。而这一过程主要是通过光合作用的过程来满足植物所有的营养，也就是说光照是植物吸收土壤肥料、水分，改变室内适宜温度，以及植株生长发育、开花结果的决定性因素。同时，植物能定时开花、显示出不同颜色、生长出不同高度等都与光照有着十分密切的关系。因此，光照调控系统的设计与应用对于日光温室具有重要的意义。

1 系统总体方案

1.1 网络模型 无线传感器网络体系结构有对等式和层次分布式，本体系采用层次分布式。系统的最底层是监测区域，监测设备通过分布在不同地方的传感节点组建成网络，通过每个传感节点将自己覆盖区域内的数据进行采集和收集并传给簇头，然后簇头传送到基站节点。基站节点通过网络连接将基站收到的数据向远程控制站的终端进行汇总、输送并集中处理，形成了基于无线传感器网络的光照量的监测系统网络结构。

1.2 硬件结构 对于温室环境监控系统的硬件设计，主要包括光照参数检测系统的设计和光照调控系统的设计2个方面。系统结构为：光照-传感器-数据采集器-计算机控制中心；计算机控制中心通过收到的数据采集分别发送到不同的装置包括：报警装置、键盘控制、数据采集器；数据采集器再通过计算机控制中心反馈回来的信息再发送给继电器或电磁阀、执行机构、遮阳幕等。最终实现光照数据采集、传输和反馈以及调控的过程。

1.2.1 节点的硬件设计 传感器是整个系统数据采集的最基本设施，它不仅要具备监测、采集的功能，还应具备信息存储与比较的功能。传感器节点根据其不同的功能分区分别由不同的部分组成，一共分为以下4个部分模块：（1）数据采集模块：传感器-AD/DC。主要负责对监测区域内信息的采集与信息的转换。（2）控制模块：执行机构-内存-CPU。控制模块的作用是负责存储和处理本传感器节点采集的数据和其他节点发送来的数据。处理器的主要功能是控制节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据。（3）无线通信模块：网络-MAC-收发器。本模块的作用主要用于连接节点与节点之间的通信，负责信号的发送与接收。（4）能量供应模块：此模块的作用主要是所有节点在工作过程中需要的电能。以上这4个模块由能量供应其他3个模块所有的能量，3个模块在工作状态下由数据采集模块将信息发送到控制模块，控制模块将信息发到无线通信模块，经过信息处理后再将信息反馈给控制模块，从而完成传感器节点的所有任务与功能。

1.2.2 传感器的选用 要实现对日光的调控，就要用到光照传感器，本系统选用TAOS公司的光照传感器TSL2550。传感器的作用主要是加强对背景光的强度判断，使其更加精准，甚至接近人眼的反应。其原理是通过2个传感器，一个检测红外光和可见光，另一个只检测红外光，根据2个组合传感器推导出数据然后由光传感器输出，通过将2个传感器的信息数字化处理后得出可见光的光强以及红外线的影响，从而对其背景照明做出适宜的调整。

2 系统的软件设计

软件的主要功能是完成温室内光照信息的采集、数据的处理，从而实现光照的调节和控制。植物生产中一般根据植物种类控制其光照时间，同时也通过间歇补光或遮光的方式调节光照时间。在光照过多时使用遮光网，过少时使用人为加光设置。这些可以通过警报系统控制程序，遮阳网控制程序，外加光照系统控制程序来加以调控，其程序如图1所示。

由于不同的作物在不同的生长时期对光照参数的要求不同，同一作物在不同发育期对光照的要求也有所不同，所以把光照参数作为控制参数向数据实时采集控制模块中发送，以创造更好的满足生物生长所需的环境。系统参数设置功能主要用于设定人为要求的光照因子的适宜数值。本系统的控制部分就是通过计算机显示出的各种数据以及报警信号，执行操作对温室内的各种环境因子进行调控，从而满足适宜作物生长的各种环境。

3 日光温室光照调节方法

日光温室对光照的调节需要根据室内对光的需求进行调整，主要包括补光与遮光2个方面。室内光照的调控方式主要有温度构造和建设方位的选择、内外遮光处理、光调节性覆盖材料的选用、人工光源补光、反射板的利用以及覆盖材料的清洗和替换等。光质调控方式可以采用特定光谱的光源补光和覆盖材料。通过覆盖材料将不需要的光进行分光过滤，同时控制光芽分化、果叶着色、花卉数量等，再结合人工光源组合获得不同的光源环境，从而给植株提供更有利的生长环境。在日光温室调控的过程中，不仅要调整光质，还应调整光周期以及光照强度、光照时间以及各种辐射的比例等，从而实现增大光的利用效率和优化配置。

4 温室大棚的选择

在建立温室的时候，首先要保证主题架构的稳定性、结实性以及合理性，对于其所占空间的大小以及棚脊的角度与高度都要进行合理的规划设计。温室一般采用热浸镀锌钢骨架，肩高4～5m，脊高5.5～6m，跨度长6～7m，屋面拱跨3.5～4m，天窗高度1.5m，通风向长度根据地块分配可以控制在25～40m。温室半拱形屋面应采用高强、抗老化、无滴薄膜进行覆盖。为了实现温室保温、保湿、调节光照的作用，可采用自动调控的遮阳幕。为了更好的调节大棚内的温度与温度，应在通风口处配置可开闭的高强薄膜，温室的侧墙也可采用半固定或半开闭式的，但为了保持大棚的稳定性在侧墙的下半部分应使用全固定式。这些可以开闭的墙与天窗可以根据气候温度的高低进行配合开关。对于雨水天气，可以在棚内设置天沟，以方便雨水的收集和排放。

5 结语

本文在分析光照对植物生长的至关重要性的条件下，综合考虑日光温室的基础上，果蔬生长和光照的特点，设计能够完成特殊区域——光照量的数据采集、分析和处理的系统等方面，再利用无线传感器网络技术和现代计算机技术，构建了一个基于无线传感器网络在日光温室中调控光照的系统。

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（责编：张宏民）