国内日光温室顶通风驱动系统研究进展及评价指标体系构建 ...

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摘要: 日光温室通常依赖顶风口控制温湿度，顶通风驱动系统极大促进了日光温室的低成本自动化环境控制。该文综述了目前国内日光温室顶通风驱动系统研究进展，阐述了应用特点和存在的主要问题，构建了评价指标体系并进行了验证，提出提高温室整体温湿度检测及控制能力、促进顶通风驱动系统制造和使用规范化、探索合理传感器和电机安装布局等建议，以期形成具有中国特色的日光温室顶通风驱动系统控制方案。
关键词: 设施农业；日光温室；顶通风系统；温湿度；评价指标体系
日光温室以其结构简单、便于施工及造价低廉等特点在中国得到了大面积推广，是具有中国特色的设施类型。自然通风是日光温室进行热环境调控的重要手段，顶通风与底通风相配合形成空气对流，促进温室内空气流动，根据室内外的环境差异和作物的生长要求，适时的控制顶通风的进风口大小，可有效降低温室内温度、湿度，并可以及时补充室内CO2浓度，满足植物的生长需求。相比于风机通风，自然通风能量消耗低，这对于能源相对比较昂贵的中国设施农业生产来说，优先考虑采用自然通风方式有一定的现实意义。北方冬季寒冷干燥，温湿度变化幅度大，且大风和极端雨雪天气时有发生，温室放风也经历由爬上温室顶部手动放风到在温室内部手拉绳放风的转变，劳动强度大，放风时间和风口大小需要具有专业经验，如不能及时根据作物生长需求调整进风口位置，与无法预估傍晚关风口时间，容易出现关风口较晚而导致夜间温度偏低情况。自动化实现顶通风系统的运行是温室环境控制的必要条件，可有效降低成本、减少人力投入、缩短劳动时间。目前我国设施农业90%以上为家庭单元为主的小农户经营，市场上各类自动化顶通风驱动系统质量参差不齐，种植户安装的试错成本大。因此，迫切需要围绕市场上日光温室自动化顶通风驱动系统的耐用性、故障率、通风位置反馈等情况进行筛选对比，构建相关评价指标体系，配合环境控制系统，提出改进意见和优化方案，形成运行稳定、适合推广的温室顶通风自动控制方案，促进产业的发展与进步。因此，本文概述了顶通风系统相关的应用，分析了其应用特点和存在的问题，针对日光温室顶通风驱动系统构建评价指标体系，确定了各项指标制定原则和内容，并对市场上5套顶通风驱动系统进行了初步验证，以期对国内日光温室顶通风驱动系统的应用和研究领域提供参考。1.
日光温室顶通风驱动系统发展现状及存在问题
1.1   顶通风驱动系统应用及研究设施种植业在国外经过长期的发展，从上世纪开始，关于温室通风的气流运动、风速、通风口面积及风口位置、通风对温室内环境的影响等，国内外都进行了较多的研究，但日光温室为我国特有的设施类型，所以国外相关研究较少，主要以连栋温室和塑料薄膜温室为主。相比于国外，我国设施种植业起步较晚，关于温室内通风的相关研究相对较少，但针对日光温室通风的研究相对较为丰富，在风速、通风口面积和位置、不同通风方式等方面都进行了一系列的研究。西安建筑大学的Hou等[1]采用顶通风与底通风相结合的方式在自然通风下以西北地区的成熟植株温室、幼苗植株温室、无植株温室为研究对象，研究了日光温室内不同高度的温度、相对湿度和太阳辐射强度以及土壤温度的小气候特征，表明了合理的自然通风对创造良好的日光温室环境具有重要的作用。谢迪等[2]研究了顶通风对日光温室内温湿度的影响，设置了3种情况进行测定，分别是不同外界风速、不同天气情况、不同开窗面积，结果表明，外界风速越大温度湿度降幅越大，晴天比阴天下降速度快，开窗面积大通风率大。针对自动化顶通风驱动系统也有较多的研究，多是结合温度检测来调整通风口的位置，顶通风系统通常由电机、支架、滚轴、卷绳和控制器组成。为了解决温室内顶通风不能多段控制的问题，尹义蕾等[3]研究了两段和三段式顶通风系统对温室温度的影响并计算了智能顶通风装备对劳动强度和经济效益的影响。牟华伟等[4]设计了顶通风多部位控制装置，将温室划分为多个区域，根据不同区域设置的温度传感器随时分别打开顶通风口开口大小，相比于人工通风获得了较好的效果。为了让只有风口控温时温度更加精准，于玉婷[5]从温度传感器的布置、温度数据的处理、风口调控参数三个方面进行详细的研究，在构建智能控制模型后设计了风口智能测控系统，实现了温度的自动控制和远程控制，有较好的控制效果。曹新伟等[6]设计了电动齿轮齿条开窗通风系统，结构紧凑能够自锁，采用铝合金制作，可防止因外部风力等因素的损坏。刘林等[7]设计了多路“平拉”顶通风结构，采用STM32单片机等实现了手动、遥控、短信和自动的控制通风口大小范围，降低了人工劳动强度。自动化顶通风驱动系统可根据早上和傍晚温度梯度变化提前预估风口开启和关闭时间，有助于促进产量提高。日光温室自动顶通风驱动系统结构和控制程序设计简单，学术研究较少，因此，随着我国设施农业的发展，各温室生产区和北京上海等地均出现了覆盖当地和全国的供应商，并相继推出了自动化顶通风驱动系统，特点各异，北京市出现了脉冲式控制电机，取消机械限位实时获取精确风口位置，如图1a所示，山东青州出现了链条式电机取代卷管式顶通风系统，如图1b所示，各类系统大部分可实现手机远程控制、分时控温、分段控温等功能，经过了一定时期的生产检验，已积累了一定的用户数量，但由于农业生产环境复杂突发状况多变，其难点在于温室控制精度和全生产季的运行稳定能力。

当前小种植农户以手动放风为主，胡永军等[8]介绍了手动放风通风滑轮的安装和使用方式，改进了现有顶通风口的方式，设计了挡风增光膜，选用一面黑色（面向顶风口）一面银白色的调风膜，既可调整空气流又可增加室内光照。马健等[9]也介绍了电动顶通风装置的安装和使用方式，相比于手动拉绳放风较大的提高了生产效率，但依然需要人工每天操纵开启和关闭顶风口。此外，在安装时还应注意顶部滑轮的位置和绳的软硬程度，当顶部两滑轮位置接近时会出现两绳互缠现象，如图2a所示，当绳较硬时会出现单股绳自缠现象，如图2b所示，两者均会导致顶风口处设施损坏。

1.2   顶通风驱动系统应用特点国内设施种植业的现代化控制技术应用在近十年逐渐出现，多为工业应用场景下的技术向农业应用场景的转移，日光温室顶通风驱动系统有以下特点。1.2.1工作环境恶劣温室内高温高湿昼夜温差大，湿度大时会形成凝露，在植保作业时会产生弥雾，在夏季时会喷雾降温，闷棚时期温度可达70℃，恶劣的环境条件会使温湿度传感器失效和数据漂移甚至是损坏，需要进行多重防护措施。1.2.2设备价格低、操作简单且稳定可靠设施农业的发展对成本较为敏感，从业人员文化水平一般不高，对设备的维护能力不足，设备一旦故障将影响植株生长和破坏棚膜。因此，驱动系统需兼顾价格低廉和稳定可靠，能在较差环境下稳定连续工作数年，减少维护次数。1.2.3依赖准确的温湿度数据日常风口及晨风控制依赖准确的温湿度数据，北方冬季阳光充足，会出现温室内温度未达到阈值但传感器受光照直射导致温度升高的情况，湿度大时会造成传感器漂移检测不准的情况，导致风口开启时间及大小不合理。1.2.4具备信息化能力一般农户会管理2～4个温室，手机端远程控制及数据分析功能需求逐渐凸显，在控制上主要是时间控制、手动控制和温湿度控制，一般上传云端数据为温湿度、顶风口开启时间和大小等。1.3   顶通风驱动系统发展现状及存在问题日光温室顶通风驱动系统整体呈现控制技术偏低、使用难度大、应用布局不合理等的现状，并存在6个方面问题。1.3.1数据精度不准  控制能力有待提高温湿度传感器多不具备遮光措施，受太阳光直射导致升温，温度误差增大，最高可达10℃以上[10]，致使控制能力下降，顶风口提前打开或开口过大。当温室较大时，温度分布不均匀，单一传感器难以获取整体温室温湿度情况，此外，在湿度较大时，湿度数据通常不准。1.3.2功能各具特点  标准不统一各厂家互相借鉴独立发展，基本结构和功能一致，但也存在电机转速、获取风口位置方式、云端数据存储时间、电机安装方式等不统一的情况，大部分采用电机转速与控制电机启停时间相结合的方式估计风口开启位置，并结合机械限位做安全保障，也有厂家采用电子脉冲的形式准确获取电机转动位置进而得到准确的风口位置。1.3.3质量参差不齐  用户试错成本大单套系统动辄千元，用户难以判断众多顶通风驱动系统优劣，各厂家制造水平和产品体验不一，电机安装孔与温室立柱不适配造成不易固定，甚至出现标识转速相同的两个电机转速明显不一致情况。1.3.4软件使用难度大  容易误操作各软件对本地控制和云端控制的侧重点不一致，有的厂家将全部配置操作置于云端，本地控制器只保留手动操作按钮，云端配置完成后传输至本地控制器，有的厂家则将大部分配置操作置于本地控制器，云端只有数据分析功能。值得注意的是，很多厂家只提供1年物联网，超出期限后需额外付费。1.3.5应用布局不合理种植户为节省成本通常在温室不太大时只安装一套系统，单套系统难以准确获取及控制较大温室的全局温湿度。在实践中为提高控制的准确性通常一套系统控制温室长度为30 m，当温室为南北向时，两侧均需安装。1.3.6应用面积和农户信任度有待提高在寿光等种植大区农户种植经验丰富、厂家及当地农技部门服务完善，安装普及率较高，但在河北永清等发展较晚或设施种植业规模较小地区普及率较低，种植户存在不信任情况，顶风口开闭方式现多数为手拉绳式，其原因也包括劳动力成本低和家庭式温室种植管理。
2.
日光温室顶通风驱动系统评价指标体系构建
日光温室顶通风驱动系统评价指标体系设置一级指标1个，二级指标8个。①一级指标为顶通风驱动系统整体水平；②二级指标划分为使用年限、平均无故障时间、开闭风口运行时长、结构复杂及安装难易程度、经济性、数据获取准确度及控制能力、风口位置反馈能力、数字化水平共8个。评价指标权重见表1。评价指标统计数据解释见表2，全部指标转换为10分制进行计算，顶通风驱动系统整体水平按式（1）计算：
A=0.1×A1+0.2×aA2+0.1×A3+0.1×A4+0.1×A5+0.2×A6+0.1×A7+0.1×A8……………（1）

3.
日光温室顶通风驱动系统评价指标体系应用
选取北京市D1、河北唐山市D2、上海市D3、山东青州市D4和自研D5共5个顶通风驱动系统作为评价对象，在多个日光温室中安装并进行指标评价分析，结果见表3。

4.
结论与展望
对国内顶通风驱动系统的研究和应用进展做了综述，阐述了主要特点及问题，构建了评价指标体系，并对国内5个不同品牌的顶通风驱动系统进行了初步验证，验证结果表明，指标容易理解，统计数据易获得，指标体系具有可行性。当前我国设施农业正在逐步实现信息化、数字化，工业控制技术已相对成熟，但工业技术向农业领域的转移正处于发展阶段，顶通风驱动系统也趋于成熟，但尚有众多问题。未来应从以下三方面进行改进，一是要提高对温室整体温湿度的检测及控制能力，分段检测、多传感数据融合促进温室整体环境参数的检测，探究不同温室结构、跨度等条件下传感器布局对整体环境参数的检测能力，优化控制系统，实现时间和多段温度阈值相融合的精准控制，根据用户输入的目标值自动分布阈值，探索阈值的最优设置方式；二是要促进顶通风驱动系统的制造和使用规范化，制定统一标准，提高制造水平和与温室的融合程度，降低软件操作使用难度，简化操作流程，提高综合控制的安全性，指导种植户安全使用，切实避免出现保温被与顶通风膜相冲突的情况，降低用户试错成本。三是探索合理的传感器和电机安装布局，完善当地农技部门和供应商服务水平提高使用效果，入户入棚指导种植户安全使用，促进安装应用面积提高，提高信任度，切实降低种植户劳动强度提高生产效率。通过上述措施，使设施种植业的顶通风驱动系统得以优化和推广，提升精细化生产能力，促进中国设施种植业的现代化发展。


作者简介：杜肖鹏(1996-)，工程师，研究方向：设施农业的智能装备研究。通信作者：丁小明(1976-)，男，研究员，研究方向：设施农业技术标准和装备研究开发工作。