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摘要：为实现日光温室、智能温室无人管理下的智能通风控温，设计1种温度差动式日光温室通风系统。该系统采用闭环智能控制，首先用户根据不同季节、不同作物设定不同的上下限温度值；其次系统采集用户设定值、室内作物生长环境温度和室外环境温度，最后通过3个指标之间的差动运算控制日光温室通风口的大小。调试结果表明，温度差动式日光温室通风系统可以将温度准确地控制在设定值范围，上下浮动误差不超过1 ℃，夜间温度提高2～5 ℃。研究表明系统能较好地控制日光温室内温度，减少温度因通风口开合而引起的骤升骤降，而且能改善恶劣天气突袭的影响，精准控制温室温度，同时优化日落时风口的关闭，有利于夜间温室内部的保温，保证作物早熟、增产。
关键词：日光温室；通风系统；温度差动式；通风率；精准控制；系统设计
中图分类号： S625.5 3 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2016）11-0366-03
从20世纪80年代开始，日光温室在中国北方地区不推而广，它可用于栽培瓜果、蔬菜、花卉、药材和食用菌等，逐渐成为现代农业的重要组成部分。通风是提高日光温室作物产量的重要途径，已成为日光温室亟须解决的问题。为了保持温室内适宜的二氧化碳浓度，当室内温度升高到一定程度后应及时开窗通风，引进新鲜空气，提高二氧化碳浓度，可以有效提高作物产量，同时排出温室中的湿气，降低空气的相对湿度，预防多种病虫害的发生。目前，温室通风口广泛使用人工操作，工作量大，有时还需要亲自到温室顶部手動开关通风口[1-2]。国内机械化日光温室多采用卷膜通风，通过电机或者人力带动卷膜杆打开通风口薄膜，但这种通风方式会导致整栋温室通风口大小一致，不能根据温室内不同温度来控制通风口的大小。李金设计的《温室及大棚智能温控系统》可有效地控制温室温度，在许多智能温室中得到较好地应用，但这种温控器主要用于控制调温窗，控制成本较高，不适合普通日光温室[3]。美国、韩国、荷兰等国家研制的风机针对连栋温室[4]，也均通过传感器采集温室内部温度，从而控制风机的开启和转速，且成本较高，不符合目前我国倡导节能型日光温室的发展要求[5-6]。因此，只依据作物的室内环境温度控制日光温室的通风，均很难把握通风速率，一般是采用恒定的通风速率，夏季和冬季通风差异较大，很难实现准确通风控温[7-12]。
本研究设计一种温度差动式日光温室通风系统[13-16]，单片机采集温室内部温度和外界环境温度，通过差动分析控制通风口的大小，改进传统通风系统的不足，为现代温室的自动化发展奠定了基础[17-18]。
1 总体结构与工作原理
1.1 总体结构
该通风系统采用总线通信温度差动式控制方式，主要由机械系统和控制系统组成，机械系统包括减速器、卷杆、滑轮等；控制系统包括温湿度采集系统、信息传输系统、用户交互系统和温度差动分析系统等（图1）。
1.2 工作原理
温度差动式日光温室通风系统自动工作过程为用户设定上下限温度和最大通风口大小后系统进入正常工作状态。下位机采集温室内温度和温室外环境温度，上位机通过地址扫描方式逐个采集下位机上的信息，地址配对成功的下位机将相应数据上传，综合比较分析温室内外温度差、上下限温度，并判断通风口的位置，再控制下位机驱动对应位置的步进电机动作，带动减速器正反转，从而控制通风口的大小，同时上位机采集的温室内外温度和通风速率会在屏幕上实时显示。
为满足用户特定要求，该系统设置手动工作。用户选择手动模式，此时下位机上的无线接收模块开始工作，当接收到对应编码遥控器的控制信号时，下位机根据不同按键的键值控制步进电机的正反转。
2 机械系统设计
机械系统主要包括减速系统、执行系统、卷杆、固定架等（图2）。根据实地测量可知，温室最大通风口宽度为0.8 m；冬季最大常用通风宽度为0.3 m；通风口开关拉力约为50 N。
2.1 执行系统设计
执行系统主要由换向滑轮、拉绳、换向支撑轮等组成（图2）。工作时，控制系统按照不同温差下的通风速率，向步进电机驱动器发送工作指令并驱动步进电机运行，从而驱动减速器带动卷杆转动，带动执行机构开关通风口。针对卷膜通风存在的通风口大小一致等问题，设计1种分区柔性通风装置，通风口采用尼龙绳穿边，并由多组执行系统分区控制通风口开关，这样也可以解决大功率步进电机和驱动器成本过高问题。
2.2 减速系统设计
因通风口的开关需要较大力矩，且速度较慢，所以需要较大的减速比，故选定2级蜗轮蜗杆减速和1级齿轮减速，这样不但能实现较大的传动比，而且结构紧凑，最重要的是使系统能够自锁，防止通风口因外部风力等因素而关闭。
步进电机的常用转速为300～600 r/min，为获得平稳速度和较大转矩，故选转速nm=300 r/min，工作卷杆转速nw≤0.5，分配传动装置各级传动比分别为10、10、6，各轴转速如表1所示。
3 控制系统设计
温度差动式日光温室通风控制系统包括温度采集系统、信息传输系统、用户交互系统和温度差动分析系统等。其中上位机主要由单片机、MAX485通信模块、触摸屏；下位机主要由单片机、温度传感器、步进电机驱动器、MAX485通信模块、手动无线遥控模块（图3）。
4 温度差动分析
4.1 实时必要通风率的确定
必要通风率是指使室内空气温度、湿度、CO2浓度维持在适宜作物生长水平所必须的通风率，主要与作物生长要求、室内外气象环境等条件有关。根据温室通风的目的可将必要通风率区分为满足排除室内多余热量、抑制室内高温的必要通风率，满足排除室内多余水汽、抑制高湿度的必要通风率和满足补充CO2要求的必要通风率三者。
因北方地区温度控制最为重要，故选择排除室内多余热量、抑制室内高温的必要通风率作为必要通风率。参考《温室通风设计规范》[19]温室内吸收的太阳辐射热量、温室围护覆盖层的传热量、室内植物蒸腾和地面水分蒸发吸收的热量以及通风排除热量的动态平衡关系，得到该项必要通风率的计算公式，通过改编方程，得到一天内不同时间的必要通风速率方程： 综合以上分析，推断ΔT与θ关系，再由单片机通过采集温室内外温度并通过分析计算，与用户设置的上下限温度比较，从而计算出最适的单次动作量，由步进电机带动通风口动作。
5 调试结果与分析
该系统在山东省寿光市进行安装调试，安装环境为 110 m 普通日光温室，共安装3套通风设备。
5.1 温度日变化测试
试验地点为寿光蔬菜产业控股集团，温控器设置参数为上限30 ℃、下限26 ℃。
普通温控通风温度波动范围较大，10：00之后仍然会出现明显低于10：00之前的温度，并且同一时间段的温差较大（表2），这主要是没有考虑室外环境温度而机械地控制通风口的大小，造成温度的骤升骤降。温度差动通风上午升温较快，并且14：00前温度持续稳定升高；下午降温缓慢，夜间温度明显提高。因此采用温度差动通风能够较好地控制温度的波动，能够降低下午热量散失，提高夜间的平均温度，使植物营养生长和生殖生长更合理，积温和养分同化达到最佳效果。
5.2 正午温度变化测试
试验地点为山东农业大学试验基地，温控器设置温度参数分别为上限30 ℃、下限29 ℃。从图4可以看出，普通温控在温度低于29 ℃后通风口关闭后，会有1个上升高峰；达到温度最高点后因通风口的打开又会有1个较大的下降，温度曲线波动很大。差动温控能够根据室外环境温度与室内环境的温度差自动调节通风口每次动作的大小，使温度变化很小，基本表现不出温度因通風口的开关而出现的骤变，关键原因在于差动温控是一种综合内外环境的反馈式控制，属于真正的日光温室温度智能控制。
6 结论
温度差动式日光温室通风系统不但能较好地控制日光温室内温度，减少温度因通风口开合而引起的骤升骤降，而且能够优化下午风口的关闭，从而有利于夜间温室内部保温。相对于过去机械式的开关通风口，温度差动式温控系统采用闭环智能控制，在综合考虑用户设定值、室内作物生长环境温度和室外环境温度后，通过运算精准控制日光温室通风口的大小，更有助于植物生长，还能节约大量的人力物力。
参考文献：
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[3]李 金. 温室及大棚智能温控系统：201120102385.4[P]. 2011-09-21.
[4]齐 飞，周新群，张跃峰，等. 世界现代化温室装备技术发展及对中国的启示[J]. 农业工程学报，2008，24（10）：279-285.
[5]陈国辉，郭艳玲，宋文龙. 温室发展现状及我国温室需要解决的主要问题[J]. 林业机械与木工设备，2004，32（2）：11-12.
[6]方宪法，陈 志，苏文凤，等. 中国农业装备产业发展战略研究[J]. 农业工程学报，2007，23（2）：267-272.
[7]孟凡英，刘 美. 自然通风单栋温室内流场的CFD模拟[J]. 黑龙江农业科学，2012 （2）：128-130.
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[10]Boulard T，Meneses J F，Mermier M，et al. The mechanisms involved in the natural ventilation of greenhouse [J]. Agricultural and Forest Meteorology，1996，79（1）：61-77.
[11]Kittas C，Papadakis G，Boulard T. Greenhouse ventilation rates through combined roof and side openings：an experimental study[J]. Acta Horticulturae，1997，443：31-38.
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[16]周 溯. 夏季自然通风日光温室温湿度试验研究与模拟优化[D]. 太原：太原理工大学，2012.
[17]王 钟，张盛龙，房安康，等. 基于无线传感器网络的温室控制系统的设计[J]. 安徽农业科学，2015，43（9）：374-376.
[18]马庆功，莫玉华，郑恩兴. 基于RS485多机通信系统设计[J]. 电子世界，2012，1（12）：132-133.
[19]中华人民共和国农业部. 温室通风设计规范：NY/T 1451—2007[S]. 北京：中国农业出版社，2007.
关键词：日光温室；通风系统；温度差动式；通风率；精准控制；系统设计
中图分类号： S625.5 3 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2016）11-0366-03
从20世纪80年代开始，日光温室在中国北方地区不推而广，它可用于栽培瓜果、蔬菜、花卉、药材和食用菌等，逐渐成为现代农业的重要组成部分。通风是提高日光温室作物产量的重要途径，已成为日光温室亟须解决的问题。为了保持温室内适宜的二氧化碳浓度，当室内温度升高到一定程度后应及时开窗通风，引进新鲜空气，提高二氧化碳浓度，可以有效提高作物产量，同时排出温室中的湿气，降低空气的相对湿度，预防多种病虫害的发生。目前，温室通风口广泛使用人工操作，工作量大，有时还需要亲自到温室顶部手動开关通风口[1-2]。国内机械化日光温室多采用卷膜通风，通过电机或者人力带动卷膜杆打开通风口薄膜，但这种通风方式会导致整栋温室通风口大小一致，不能根据温室内不同温度来控制通风口的大小。李金设计的《温室及大棚智能温控系统》可有效地控制温室温度，在许多智能温室中得到较好地应用，但这种温控器主要用于控制调温窗，控制成本较高，不适合普通日光温室[3]。美国、韩国、荷兰等国家研制的风机针对连栋温室[4]，也均通过传感器采集温室内部温度，从而控制风机的开启和转速，且成本较高，不符合目前我国倡导节能型日光温室的发展要求[5-6]。因此，只依据作物的室内环境温度控制日光温室的通风，均很难把握通风速率，一般是采用恒定的通风速率，夏季和冬季通风差异较大，很难实现准确通风控温[7-12]。
本研究设计一种温度差动式日光温室通风系统[13-16]，单片机采集温室内部温度和外界环境温度，通过差动分析控制通风口的大小，改进传统通风系统的不足，为现代温室的自动化发展奠定了基础[17-18]。
1 总体结构与工作原理
1.1 总体结构
该通风系统采用总线通信温度差动式控制方式，主要由机械系统和控制系统组成，机械系统包括减速器、卷杆、滑轮等；控制系统包括温湿度采集系统、信息传输系统、用户交互系统和温度差动分析系统等（图1）。
1.2 工作原理
温度差动式日光温室通风系统自动工作过程为用户设定上下限温度和最大通风口大小后系统进入正常工作状态。下位机采集温室内温度和温室外环境温度，上位机通过地址扫描方式逐个采集下位机上的信息，地址配对成功的下位机将相应数据上传，综合比较分析温室内外温度差、上下限温度，并判断通风口的位置，再控制下位机驱动对应位置的步进电机动作，带动减速器正反转，从而控制通风口的大小，同时上位机采集的温室内外温度和通风速率会在屏幕上实时显示。
为满足用户特定要求，该系统设置手动工作。用户选择手动模式，此时下位机上的无线接收模块开始工作，当接收到对应编码遥控器的控制信号时，下位机根据不同按键的键值控制步进电机的正反转。
2 机械系统设计
机械系统主要包括减速系统、执行系统、卷杆、固定架等（图2）。根据实地测量可知，温室最大通风口宽度为0.8 m；冬季最大常用通风宽度为0.3 m；通风口开关拉力约为50 N。
2.1 执行系统设计
执行系统主要由换向滑轮、拉绳、换向支撑轮等组成（图2）。工作时，控制系统按照不同温差下的通风速率，向步进电机驱动器发送工作指令并驱动步进电机运行，从而驱动减速器带动卷杆转动，带动执行机构开关通风口。针对卷膜通风存在的通风口大小一致等问题，设计1种分区柔性通风装置，通风口采用尼龙绳穿边，并由多组执行系统分区控制通风口开关，这样也可以解决大功率步进电机和驱动器成本过高问题。
2.2 减速系统设计
因通风口的开关需要较大力矩，且速度较慢，所以需要较大的减速比，故选定2级蜗轮蜗杆减速和1级齿轮减速，这样不但能实现较大的传动比，而且结构紧凑，最重要的是使系统能够自锁，防止通风口因外部风力等因素而关闭。
步进电机的常用转速为300～600 r/min，为获得平稳速度和较大转矩，故选转速nm=300 r/min，工作卷杆转速nw≤0.5，分配传动装置各级传动比分别为10、10、6，各轴转速如表1所示。
3 控制系统设计
温度差动式日光温室通风控制系统包括温度采集系统、信息传输系统、用户交互系统和温度差动分析系统等。其中上位机主要由单片机、MAX485通信模块、触摸屏；下位机主要由单片机、温度传感器、步进电机驱动器、MAX485通信模块、手动无线遥控模块（图3）。
4 温度差动分析
4.1 实时必要通风率的确定
必要通风率是指使室内空气温度、湿度、CO2浓度维持在适宜作物生长水平所必须的通风率，主要与作物生长要求、室内外气象环境等条件有关。根据温室通风的目的可将必要通风率区分为满足排除室内多余热量、抑制室内高温的必要通风率，满足排除室内多余水汽、抑制高湿度的必要通风率和满足补充CO2要求的必要通风率三者。
因北方地区温度控制最为重要，故选择排除室内多余热量、抑制室内高温的必要通风率作为必要通风率。参考《温室通风设计规范》[19]温室内吸收的太阳辐射热量、温室围护覆盖层的传热量、室内植物蒸腾和地面水分蒸发吸收的热量以及通风排除热量的动态平衡关系，得到该项必要通风率的计算公式，通过改编方程，得到一天内不同时间的必要通风速率方程： 综合以上分析，推断ΔT与θ关系，再由单片机通过采集温室内外温度并通过分析计算，与用户设置的上下限温度比较，从而计算出最适的单次动作量，由步进电机带动通风口动作。
5 调试结果与分析
该系统在山东省寿光市进行安装调试，安装环境为 110 m 普通日光温室，共安装3套通风设备。
5.1 温度日变化测试
试验地点为寿光蔬菜产业控股集团，温控器设置参数为上限30 ℃、下限26 ℃。
普通温控通风温度波动范围较大，10：00之后仍然会出现明显低于10：00之前的温度，并且同一时间段的温差较大（表2），这主要是没有考虑室外环境温度而机械地控制通风口的大小，造成温度的骤升骤降。温度差动通风上午升温较快，并且14：00前温度持续稳定升高；下午降温缓慢，夜间温度明显提高。因此采用温度差动通风能够较好地控制温度的波动，能够降低下午热量散失，提高夜间的平均温度，使植物营养生长和生殖生长更合理，积温和养分同化达到最佳效果。
5.2 正午温度变化测试
试验地点为山东农业大学试验基地，温控器设置温度参数分别为上限30 ℃、下限29 ℃。从图4可以看出，普通温控在温度低于29 ℃后通风口关闭后，会有1个上升高峰；达到温度最高点后因通风口的打开又会有1个较大的下降，温度曲线波动很大。差动温控能够根据室外环境温度与室内环境的温度差自动调节通风口每次动作的大小，使温度变化很小，基本表现不出温度因通風口的开关而出现的骤变，关键原因在于差动温控是一种综合内外环境的反馈式控制，属于真正的日光温室温度智能控制。
6 结论
温度差动式日光温室通风系统不但能较好地控制日光温室内温度，减少温度因通风口开合而引起的骤升骤降，而且能够优化下午风口的关闭，从而有利于夜间温室内部保温。相对于过去机械式的开关通风口，温度差动式温控系统采用闭环智能控制，在综合考虑用户设定值、室内作物生长环境温度和室外环境温度后，通过运算精准控制日光温室通风口的大小，更有助于植物生长，还能节约大量的人力物力。
参考文献：
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[8]谢 迪，须 晖，李天来，等. 顶部通风对日光温室内温湿度的影响[J]. 江苏农业科学，2010（6）：573-575.
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[11]Kittas C，Papadakis G，Boulard T. Greenhouse ventilation rates through combined roof and side openings：an experimental study[J]. Acta Horticulturae，1997，443：31-38.
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[15]林 文. 单开口热压自然通风的实验研究及模拟仿真[D]. 长沙：湖南大学，2008.
[16]周 溯. 夏季自然通风日光温室温湿度试验研究与模拟优化[D]. 太原：太原理工大学，2012.
[17]王 钟，张盛龙，房安康，等. 基于无线传感器网络的温室控制系统的设计[J]. 安徽农业科学，2015，43（9）：374-376.
[18]马庆功，莫玉华，郑恩兴. 基于RS485多机通信系统设计[J]. 电子世界，2012，1（12）：132-133.
[19]中华人民共和国农业部. 温室通风设计规范：NY/T 1451—2007[S]. 北京：中国农业出版社，2007.