北方后墙体塑料大棚绿色采暖智能控制方案

2023-10-13杨宏业侯彦泽王景怡

农业工程 2023年6期

贾超，杨宏业，侯彦泽，张奥，王景怡

（1.内蒙古工业大学航空学院，内蒙古呼和浩特 010010； 2.大连市气象服务中心，辽宁大连 116092）

0 引言

设施农业已经成为全球新型农业产业的重要一环。美国的一体化温室网络管理系统通过融合气候调节、农田灌溉与作物的肥料供应，结合信息感知、无线网络和自动控制等技术对各种生产管理以经济有效的手段实现协调和控制。以色列温室农业采用具有先进的温室结构及空气温湿度的计算机环境调控系统。监控室内的中心计算机与现场控制器相互通信，配合幕帘、天窗等辅助设备，实现对光线强度、滴灌和微喷灌系统的自动控制和调节[1-3]。

从宏观上讲，虽然我国是温室种植起源最早的国家，但在城市化建设进程逐步加快的背景下，可耕种土地面积具有逐年减小的趋势[4]。到2022 年，中共中央、国务院连续发布了19 个指导“三农”工作的中央1 号文件；2021 年国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案》中提出，推进重点设备节能增效来强化生产，大力发展绿色低碳循环农业，推进农光互补、“光伏+设施农业”等低碳农业模式，对我国正处于从“粗放式、低效率的生产模式”转变为“精细农业生产模式”过渡时期的设施农业，提出了更高要求。在人工智能、大数据、物联网等技术推动下，虽有了明显提升，但在应用推广方面，相较发达国家仍有差距[5]。特别是西北地区农业生产高能耗、抗极端天气能力差等问题凸显，现代化水平依然相对滞后。

北方后墙体塑料大棚是北方农村的重要农业设施。由于气温较低，在冬季夜间必须采暖。目前，大多数大棚利用燃烧煤炭或燃油进行供暖，以满足生产的基本需求[6]。然而，这种供暖方式带来了高污染和高成本等问题，与目前倡导“碳中和”和“绿水青山就是金山银山”的发展理念相矛盾。

北方地区春季、冬季及秋冬更迭的平均温度相较南方普遍偏低。以西北地区某地4 月初气温为例，气温波动的幅度较大（-1～18 °C），会出现“倒春寒”和连续阴雨的状况。这样多变的气候条件不利于农业生产，甚至会导致颗粒无收。因此，应对“倒春寒”等极端气候是北方设施农业保证农产品质量和收益的关键[6-7]。

北方冬季在晴天中午时塑料大棚内的温度较高。当温度持续超过35 °C，作物会被灼伤，这将对设施农业生产带来较大危害，此时须及时通风[7-8]。而集中连片的大棚，人工难以做到所有大棚同时、及时通风，因此通风必须实现自动化。

本方案提出北方后墙体塑料大棚绿色采暖智能控制系统，旨在解决以上痛点问题。

1 系统设计方案

北方后墙体塑料大棚绿色采暖智能控制系统如图1所示。在大数据背景下，相对于传统的依靠局域网络来实现对塑料大棚的监管，云端平台受到了广泛的青睐。提出的北方后墙体塑料大棚绿色采暖智能控制系统解决方案可利用云平台实现对塑料大棚的远程监控。云端平台作为系统信息处理的主要载体，绿色环保、实时高效，是有效利用大数据实现农业生产信息化的新型可靠手段。Web 服务器是针对系统网站的服务器，可以处理浏览器等Web 客户端的请求并返回相应响应，通过放置数据文件，为客户实现在线查询和在线浏览的功能。对应系统的手机APP，可充分拓展浏览器等Web 客户端在空间和时间上的应用范围，通过5G 网络满足远程监控等用户需求。

图1 系统方案示意Fig.1 Schematic diagram of system scheme

系统主要由传感网络层、汇聚层和服务应用层3部分组成，如图2 所示。传感网络层由可以满足使用需求的传感器组成，通过接受来自云端的指令，实现精准控制，同时可以进行异常预警；汇聚层则由WIFI模块通过MQTT 协议连接云端，实现信息数据的上传下达；服务应用层通过云端或者APP 发挥远程监测和控制等相应功能。

图2 系统架构示意Fig.2 System architecture diagram

系统以STM32 为控制核心，以太阳能集热器为绿色能源，以电地热系统为应急采暖方式，每隔一定时间，对温度传感器、湿度传感器和光照强度传感器进行采集，通过对塑料大棚温湿度、光照强度的研判，协调控制循环泵、电地热系统和通风设施的工作。

2 绿色环保模块设计

2.1 绿色采暖集热设施

绿色采暖集热设施是由空气循环泵、铝箔曲面、玻璃纤维管、外壳、支架和热交换管道等部件组成，如图3 所示，核心是太阳能集热器。它利用阳光的热辐射对管内空气进行加热，当管内温度高于设定阈值时，启动循环泵推动集热器内的高温气体流入地下，通过热交换管道给土壤加温，进而实现高热气体通过流动的方式将热量传递到塑料大棚的土壤中，这样就完成了对棚内土壤的储热蓄能。

图3 绿色采暖集热设施集热原理Fig.3 Principles of green heating and heat collection facilities

2.2 电地热装置

电地热系统由地上和地下两部分组成，地上部分主要为电力配线盒，地下部分是碳纤电缆，采取蛇形盘绕方式深埋地下约0.5 m，利用电流的热效应维持土壤温度。当发生极端性天气时，主控核心通过土壤温度传感器和光敏传感器采集的信息，依据程序设定和判断，开启电地热系统，加热棚内土壤，使温度维持到8 °C 以上。

3 系统软硬件设计

3.1 物联网架构通信模块

数据传输的实时性与安全性尤为重要，特别是农作物精准化管控作业，消息推送需要保证较高的实时性和准确性，也要确保网络下发设备操作的可靠性和安全性[7-8]。

目前，物联网硬件控制单元与客户端通信方式多数是基于超文本传输协议（HTTP），存在对网络资源消耗较大、传输延迟较高、稳定性和安全性差强人意的短板。而对紫峰Zigbee 通信协议来说，远距离通信能力较弱，易受干扰，将其应用于远程物联网智能大棚也显得“水土不服”[9]。MQTT 协议，是一种基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，代码占用空间低，可应用于严重受限的设备硬件和高延迟、宽带有限的网络[10-11]。blinker 作为云平台，其远程通信（MQTTNbiot）通过公有云代理服务器（broker）进行，它提供了API 接口，可以连接到阿里云平台[12]。它的友好简洁的UI 界面一目了然，易于上手操作，用户可按需制定相应功能。同时还提供相应的手机APP，支持云存储、数据处理、边缘计算等实际功能[13]。

NodeMCU 是一个开源的物联网开发平台，该平台推出的由意法半导体制造的NodeMCU 物联网模块价格实惠、支持多种软件编程、开源易操作，并内置ESP8266 芯片，支持WIFI 链接，它通过串口通信模式来实现STM32 与Nodemcu（MU2）的通信。主控核心STM32 可通过外接硬件实现更加完善的控制功能，其IDE 软件部分可将控制程序烧写入STM32 控制板控制外接硬件电路。NodeMCU 编程可靠兼容，使二者得以良好的协同。

3.2 硬件系统

STM32 系列 MCU，依靠ST 官方免费提供的STM32Cube 开发生态系统和完备的HAL 固件库及其他扩展库，开发者可以顺利实现MCU 的系统功能和外设图形化配置、生成项目框架代码并在初始项目的基础上添加修改应用程序代码等一系列实际的功能[14-15]。本方案主控核心即STM32，是F103 型开发平台；数据采集模块由意法半导体的LM235 型温度传感器、意法半导体的DHT11 型湿度湿度传感器、ROHM 的BH1750FVI 型光照传感组成；执行机构由卷帘、循环泵（采用耐高温Y5-47 型）、滴灌装置、电地热装置和通风装置组成。各个硬件模块的相互连接关系如图4所示。

3.3 软件系统

根据简约实用、成本低、运行费用小的设计原则，突出解决北方大棚的3 个痛点问题，对系统功能进行简化。主程序主要包含以下模块（子程序）：初始化模块、数据采集模块、数据显示模块、控制模块、数据上传模块和异常处理模块。主程序流程如图5 所示。

图5 主程序流程Fig.5 Main program flow

（1）初始化模块。除完成对各个管脚和临时缓存的复位工作之外，还要设置2 个程序运行入口参数。一是通过程序设置数据采集频次，设定范围10～60 s，默认值60 s；二是数据包上传监控中心的时间间隔，也就是多长时间上传1 次。这里，时间间隔范围是5～10 min，系统默认初值为5 min。

（2）数据采集模块。各点位传感器通过识别主机芯片指令完成大棚内各指定点位的数据采集工作，并对采集到的数据进行数字滤波。

（3）数据显示模块。将处理后的数据信息经解码器解析并显示在LCD1602 屏幕上。

（4）控制模块。对由数据采集模块得到的各指定点的信息进行判断，将判断结果反馈到主控芯片处理后，产生控制信号对各执行机构进行控制动作。

（5）数据上传模块。负责对规定时间间隔内收集到的数据进行打包，上传到云端。同时由终端发出的控制指令也是通过该模块进行下达的。

（6）异常处理模块。用于监控程序的运行状况，即程序出现“死循环”和“卡死”的现象可及时“跳出”重启。可实现异常声光预警。同时，还具备手动“急停”重启功能。

3.4 系统特点

3.4.1 节能降耗，绿色环保

太阳能集热器，采用常见材料，经济环保，设计结构简单，易于维护。它的应用，充分发挥了太阳能这一清洁能源的环保作用，从北方冬季气候特点的角度，更好地契合了当今北方农业生产的切实需要。另外，在水资源日渐稀缺的背景下，通过空气循环进行热交换的方式显然具备更加明显的低碳环保优势。特别在内蒙古自治区农业生产中，能充分利用太阳能实现棚内地下储能和温度的维持，无疑是更加节能环保的选择。

3.4.2 有效应对极端性天气

我国北方气候条件具有多风、日照时长短、低温天气持续周期较长，春季经常出现倒春寒等极端性天气，这是北方后墙体塑料大棚种植户的痛点。北方后墙体塑料大棚大多采用燃烧煤炭或燃油取暖的方式，也有一部分温室大棚采取城市集中供暖。该方案采取电地热应急采暖方式，一方面内蒙古自治区煤炭资源丰富，火力发电厂多，电力充足，再加上农业用电优惠，以2021 年呼和浩特市电价标准为例0.28 元/（kW·h），相较于城市民用电费0.46 元/（kW·h），费用更低，在有效降低生产成本的基础上，可实现绿色环保、节能减排的目标。