秋季温室番茄环境因子变化规律研究—基于无线传感网络

谢新华，梁　栋，张东彦，周建军，王　秀，张香倩，王继环

(1.安徽大学 电子信息工程学院，合肥　230601;2.北京农业智能装备技术研究中心，北京　100097)



秋季温室番茄环境因子变化规律研究
—基于无线传感网络

谢新华1,2，梁栋1，张东彦1,2，周建军2，王秀2，张香倩1，王继环2

(1.安徽大学 电子信息工程学院，合肥230601;2.北京农业智能装备技术研究中心，北京100097)

摘要：环境因子是制约蔬菜产量与品质的关键因素。为了精准指导温室番茄生产管理、探索环境因子变化对其影响，利用无线传感网络(Wireless Sensor Network ,WSN)采集了连栋温室番茄在不同生育期、高度、位置下环境因子数据。数据分析发现：不同发育期温湿度变化范围不同，光照强度减弱，光照时间减少，二氧化碳浓度变化延迟；白天，冠层的温度、光照强度比其他高度的大，湿度比其他高度的低，中间层与根部接近，夜间3个高度环境因子相近；不同位置温度由南向北、湿度由北向南呈高到低之势，光照强度和二氧化碳浓度最大差值分别为6 562.5lux及93.76×10-6。测试结果表明：WSN可为番茄连栋温室环境调控提供参考和决策支持。

关键词：WSN；环境因子；变化规律；番茄；连栋温室

0引言

番茄是人们日常生活中不可缺少的蔬菜产品，具有非常高的营养价值。温室番茄产量除受品种影响外，与温室环境因子密切相关，且不同生长发育期对生长环境要求不同。赵玉萍等[1]研究了不同温度对温室番茄生长发育及产量的影响；杨延杰等[2]指出光照强度对番茄植株株高、茎粗、根系活力、产量等均有影响；程智慧等[3]确定了7个环境因子对果实生长的影响及果实生长适宜的环境变量范围。温室环境不仅与室外温度、湿度、光照强度等因素有关，而且还受番茄生长发育状况及温室结构影响。所以，实时监测温室环境，科学准确地调节温室内环境因素以适应番茄生长对提高产量具有重要现实意义。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network ,WSN)因其具有实时、高效、省力等优点，已被广泛应用于环境监测领域[4-5]。在温室农业方面：王福禄等[4]研究了无线传感器温室环境监测系统,实现了对温室环境数据实时监测；郭文川等[5]利用WSN设计了一款具有功耗低、组网灵活、可扩展性强等优点的温室环境信息监测系统，能较好满足温室环境监测需求。在温室调控方面：Anaslying等[6]利用作物的光辐射吸收、叶片的光合作用和呼吸作用预测模型建立了根据自然光照控制温室温度的环境控制系统；Henten[7]根据2个时间尺度(长期和短期)方法建立了温室优化控制系统，解决了长期和短期控制问题。但对番茄温室环境因子全面、系统采集并深入研究的较少，尤其缺乏与实际生产指导相结合的针对性研究。基于此，笔者利用WSN记录了温室番茄不同生育期、高度、位置下的环境因子数据，并研究其温湿度、光照强度和二氧化碳浓度变化规律，尝试为连栋温室环境调控提供参考依据和决策支持。

1材料与方法

1.1试验条件

试验地点：北京市昌平区特菜大观园西区长55m、宽50m，采用荷兰环境调控设备进行调控的连栋温室进行，温室内北置湿帘，南置风扇。番茄采用无土栽培方式种植，行距1.5m，株距30cm。为了全面地覆盖整个温室，在温室内不同的位置布置9个传感器节点，传感器节点通过支架固定在西红柿种植行内，可自由调节高度。温室结构如图1所示。

1.2数据采集系统总体结构

连栋温室的无线传感网络监测系统由番茄生长物联网监测网站、番茄生长监测主机系统、中心节点及无线采集节点和传感器等设备构成。系统采用ZigBee网络协议组成无线网络，实现对温室环境信息实时采集；所采集信息经中心节点传送给番茄生长监测主机系统，主机系统分别将数据存储在本地数据库和远程数据库，番茄生长物联网监测网站通过远程数据库查询温室环境信息。系统总体结构如图2所示。

1.3数据采集

番茄植株平均高度在9、10、11月为2、 2.5、3m，分别处于结果期和果实着色期。试验通过温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器对9个节点番茄3个高度(冠层、中间、根部)的温湿度、2个高度(冠层、中间)的光照强度和温室内的二氧化碳浓度进行监测，每20min记录一次，共记录数据47 304条。

2结果与分析

2.1不同育期高度温室内环境因子变化规律

2.1.1温湿度

温湿度是影响番茄生长发育的重要因素[1,3,8]，温室内温湿度是否正常，直接关系到番茄单果质量和产量高低。图3是无线传感网络记录的不同生育期不同高度温室温湿度变化曲线。

图1　温室结构示意图

图2　系统总体结构示意图

(a)　9月中旬至11月温室不同高度温湿度变化　　　　　　　　　(b)　9月温室不同高度温湿度日变化

(c)　10月温室不同高度温湿度日变化　　　　　　　　　　　(d)　11月温室不同高度温湿度日变化

由图3(a)可见：9、10月温室温度波动在12.06～44℃之间，湿度在24.81～93.12%之间变化，波动范围较大；11月温湿度波动范围相对较小。而苏伟[8]指出番茄结果期适温为白天24～26℃，夜间12～17℃，着色期适温为20～25℃，空气相对湿度为45～50%。从监测数据看，建议注意通风，适时延长风扇工作时间，减少灌溉次数。由图3可知，一天内，温度变化呈“单峰”型，湿度变化呈“单谷”型；温室温湿度在日出之前分别达到最低和最高，上午8时左右温湿度上升、下降迅速，并于中午12点至下午2点左右之间分别达到最高和最低，下午14时左右温湿度下降、上升较快，18时后变化缓慢；而11月温度下降时间提前；番茄中间、根部的温湿度上升和下降的时间稍晚于冠层，且速度比冠层慢，上午8时至下午18时左右冠层温度比中间和根部高，湿度比中间和根部低，而中间温湿度与根部温湿度相差较小。9、10、11月3个高度温度最大值差幅分别为28.17%、26.55%、9.65%，湿度最小值差幅分别为50.28%、43.51%、31.65%。

2.1.2光照强度

番茄是喜温蔬菜，光照强度与其生长发育密切相关[2]。光照强度不足不仅影响番茄植株生长，而且会影响其产量。不同生育期不同高度温室光照强度变化如图4所示。

(a)　9月中旬至11月温室不同高度光照强度变化　　　　　　　　　　(b)　9月温室不同高度光照强度日变化

(c)　10月温室不同高度光照强度日变化　　　　　　　　　　　　(d)　11月温室不同高度光照强度日变化

由图4(a)可见:温室光照强度逐渐减弱，这是由于天气和季节原因所致。9月份温室光照强度最高达50 000lux左右；10月份光照强度变化较多；这是由于10月份北京雾霾天气出现较多，11月份光照强度最高达30 000lux左右，且11月光照强度上升时间出现延迟，并且波峰变窄，原因是白昼时间变短。而番茄生长发育适宜光照强度为40 000～50 000lux[8],所以建议在雾霾等光照较弱的天气使用悬挂生物效应灯、反光幕等[8-9]为温室补充光照。从图4中可见：冠层光照强度明显强于中间，说明冠层为光合作用主要部分，也是反应温室光照强度关键层；11月份冠层光照强度波峰比9、10月窄，说明11月份光照时间变短，建议人工延长光照时间。9-11月冠层与中间层光照强度最大值差幅分别为40.25%、70.92%和73.97%；10、11月差幅较大，是由于10、11月番茄比9月更加茂盛，遮挡情况更加严重，建议适当为番茄剪枝。

2.1.3二氧化碳浓度

二氧化碳是植物进行光合作用重要成分，如图5所示。由图5可知：9月中旬至10月中旬二氧化碳浓度波动范围在440.63×10-6～656.25×10-6之间，而10月中旬至11月二氧化碳浓度波动范围较广，最低为403.12×10-6，最高达687.5×10-6，3个月二氧化碳浓度最大差幅分别为16.08%、23.62%和25.91%。文献[8]指出当二氧化碳浓度达到1 000×10-6～1 500×10-6时，番茄生长旺盛，开花提前，产量提高。所以，在上午9-11时可适量增施浓度为0.000 6%左右的二氧化碳气肥。一天内，9、10月二氧化碳浓度于上午7时左右开始迅速下降，11月二氧化碳浓度下降时间与最小值出现时间均推迟；而2个生育期二氧化碳浓度的上升时间却相近，说明11月份番茄进行光合作用的时间变短，会影响植物营养摄入，建议11月以后人工延长番茄光照时间。

(a)　9月中旬至11月温室二氧化碳浓度变化　　　　　　　　　　　　　(b)　二氧化碳浓度日变化

2.2不同位置温室内环境因子变化规律

2.2.1温度

不同位置的温室温度变化如图6所示。由图6可以看出：各位置的温度变化趋势相同，各位置的温度都是日出之前最低；上午6：42节点1至节点9 温度分别为20.69、19.31、21.19、20、19.31、21.44、20.5、20、20.12℃，12：42节点1至节点9 温度分别为34.75、34.25、34.06、33.31、32.75、32.38、34.81、34.25、34.06℃，18：429个节点温度分别为21.19、20.94、20、21.75、20.5、19.75、21.31、20、19.88℃。监测数据显示，温度由南向北呈高到低之势，平均最大差幅为9.26%。

图6　不同位置冠层温度日变化

2.2.2湿度

由图7可知：不同位置的空气湿度夜间最大，下午1时左右湿度达到一天最小值。而不同节点湿度最小值之间相差约15.43%，平均最大差幅为16.18%；但不同节点的湿度变化趋势相同，且都是在温室内温度升高、光照强度增强之后逐渐变小，并随着温度、光照强度下降而开始上升。从图7可知：靠近湿帘的节点3、6、9湿度较大，而靠近风机的1、4、7节点湿度比其它节点要低，所以节点2、5、8更能反应温室内真实湿度。

图7　不同位置冠层空气湿度日变化

2.2.3光照强度

由图8可以看出：一天内温室光照强度从日出开始上升，并于中午12时左右达到一天最大值，下午1时左右开始下降。从图8也可以看出：除节点2外，不同位置的光照强度相近，最大相差6 562.5lux，差幅为30%；而节点2比其他位置光照强度明显偏低是由于存在枝叶遮挡情况，说明温室的光照均匀性较好。同时，为了保证数据精确，建议平常生产管理中保持节点不被枝叶遮挡，适当进行修剪管理。

图8　不同位置冠层光照强度日变化

2.2.4二氧化碳

由图9可知：温室内二氧化碳浓度夜间高白天低，于上午8时左右开始降低，9-11时达到一天最小值，随后缓慢上升，最终达到最大值。这是由于植物一天内在9-11时进行光合作用最强，随后缓慢减弱，而植物进行光合作用除需利用光照外，还需要消耗二氧化碳。不同位置二氧化碳浓度最大相差93.76×10-6，差幅为18.18%。

图9　不同位置二氧化碳浓度日变化

3结论与讨论

为了精准指导温室番茄生产管理，探索环境因子变化规律对其生产影响。本文利用WSN记录了温室番茄不同生育期、高度、位置下的环境因子数据，并研究了其温湿度、光照强度和二氧化碳浓度变化规律。研究表明：不同育期、高度和位置环境因子变化趋势相同，但由于温室结构、番茄生长发育、外界环境等因素影响，使得不同育期、高度和位置的环境因子之间存在差异。综上所述，WSN监测数据可为番茄连栋温室环境调控提供参考和决策支持。

本文使用的WSN能较好地连续采集有效数据，可用于番茄生长发育监测。本文不仅考虑了作物与环境因子之间相互影响，而且从多个角度进行分析，但，所用数据仅为一年秋季观测。为更精确地指导温室番茄生产，应当长期对不同季节、更多生长发育期环境因子进行监测，结合数年不同季节的环境监测数据进行对比分析研究，总结番茄温室环境因子年变化规律。

参考文献：

[1]赵玉萍,邹志荣,白鹏威,等.不同温度对温室番茄生长发育及产量的影响[J].西北农业学报,2010,19(2):133-137.

[2]杨延杰,李天来,林多,等.光照强度对番茄生长及产量的影响[J].青岛农业大学学报：自然科学版,2007(3):199-202.

[3]程智慧,陈学进,赖琳玲,等.设施番茄果实生长与环境因子的关系[J].生态学报,2011,31(3):742-748.

[4]王福禄,房俊龙,张喜海.基于无线传感网络的温室环境监测系统研究[J].东北农业大学学报,2011,42(2):58-64.

[5]郭文川,程寒杰,李瑞明,等.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统[J].农业机械学报,2010,41(7):181-185.

[6]Aaslyng J M，Lund J B，Ehler N ，et a1． IntelliGrow ： a greenhouse component based climate control system [J]．Environmental Modelling & Software，2003，18(7)：657-666．

[7]Van Henten E J. Greenhouse climate management optimal control approach [D]. Wageningen ：Wageningen Agricultural University,1994.

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[9]张勤,陈卫军,唐文林,等.灵武长枣日光温室环境因子变化规律研究[J].宁夏农林科技,2010(1):13-14.

[10]马万征,王艳,马万敏,等.栽有黄瓜的Venlo 型玻璃温室夏季环境变化规律的研究[J].中国农学通报,2011,27(31):248-251.

[11]陈彩能,潘连公.连栋温室番茄有机生态无土栽培光照强度变化规律研究[J].现代农业科技.2008,23:16-17.

[12]Hwang Y. Optimization of greenhouse temperature and carbon dioxide in subtropical climate[D].Florida:University of Florida,1993.

Research on Regular Pattern of Autumn Environmental Factors in Greenhouse Tomato Based on WSN

Xie Xinhua1，2, Liang Dong1, Zhang Dongyan1，2, Zhou Jianjun2, Wang Xiu2,Zhang Xiangqian1, Wang Jihuan2

(1.School of Electronic and Information Engineering of Anhui University, Hefei 230601，China；2.Beijing Research Center for Intelligent Agricultural Equipment, Beijing 100097，China)

Abstract：The key factors that restrict the yield and quality of vegetables are the environmental factors. In order to explore the change regulation of environmental factors in greenhouse, we used Wireless Sensor Network (WSN) to get the data of environmental factors at different height and location in different time. The results of analysis show that the range of temperature and humility were different, light intensity reduced, illumination time shorter and changes in carbon dioxide concentrations delayed. During the day, the canopy temperature, light intensity is higher than others, the humility is lower than other heights and the intermediate layer close to the root layer, while the three layers were close during the night. Temperature from south to north and humility from north to south were high to low, the maximum difference of light intensity and CO2 concentration are 6562.5lux , 93.76ppm,respectively.Test results show that the WSN can provide reference and decision support for greenhouse environmental control.

Key words：WSN; environmental factors; regular pattern; tomato; greenhouse

文章编号：1003-188X(2016)01-0182-06

中图分类号：S625

文献标识码：A

作者简介：谢新华(1989-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，(E-mail)xiexinhuavip@163.com。通讯作者：王秀(1964-)，男，河北万全人，研究员，博士生导师，(E-mail)wangx@nercita.cn。

基金项目：国家“863计划”项目(2013AA10230704)

收稿日期：2015-03-31