一种蔬菜大棚换气系统及其智能控制方法

技术领域

本发明属于设施农业技术领域，特别是涉及一种蔬菜大棚换气系统及其智能控制方法。

背景技术

随着智慧农业技术的推进以及温室种植技术的标准化，蔬菜产量的稳定和质量的一致性是市场提出的新要求。自动化管理的温室系统需具备更为先进的设备和控制方法，对蔬菜大棚的自动换气问题，本发明提供了相应的技术解决方案。

目前，蔬菜大棚换气方法为通过人工打开温室塑料膜实现自然放风，或者在玻璃温室开启排气扇使得室内形成负压，将温室外空气引入温室内。以上方法将温室外空气直接引入温室，当温室外温度过低时很容易造成冻害，尤其在冬天更为明显。

在空气交换方法中，对温室外空气预处理的方式有显热交换器和全热交换器两种。显热交换方式是利用温室内较高温度的空气加热温室外空气，只提高温室外空气的温度而不改变空气成分；全热交换方式是利用温室内温度和湿度较高的空气使得温室外较冷且干燥的空气升温提湿。而蔬菜大棚对温湿度要求是有一定范围的，通过结合以上两种空气交换方法采用智能化换气策略，保证了温室内温湿度的稳定，保持作物质量的一致性，实现蔬菜大棚生产的增产增效。

发明内容

本发明目的是提供一种蔬菜大棚智能换气系统及其控制方法，可以在与室外进行气体交换的基础上，保持温室内温湿度始终保持在适合作物生长的温湿度范围内，保持作物质量的一致性，实现蔬菜大棚生产的增产增效。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种蔬菜大棚换气系统，它包括复合式热交换器1、智能控制器2、室内传感器3、室外传感器4和排气扇9；所述的复合式热交换器1集成了显热交换单元和全热交换单元，显热交换单元排出温室内的湿空气，保持温室内温度，全热交换单元维持温室内温湿度不变；所述的室外传感器4包括室外温湿度传感器和日光照度传感器；所述的室内传感器3包括室内温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器；所述的智能控制器2、室内传感器3和排气扇9放置在蔬菜大棚内；所述的复合式热交换器1和室外传感器4放置在蔬菜大棚外。

进一步地，所述的复合式热交换器1的横切面包括五层通道结构，第一层、第三层、第五层为温室气体排出通道、第二层为显热交换通道、第四层为全热交换通道；所述的复合式热交换器1通过显热交换通道和全热交换通道与蔬菜大棚连接，在显热交换通道内放置第一挡板5，第一挡板5由第一挡板驱动电机7驱动，在全热交换通道内放置第二挡板6，第二挡板6由第二档板驱动电机8驱动；所述的排气扇9将蔬菜大棚内空气通过复合式交换器1的温室气体排出通道排出。

进一步地，所述的五层通道结构中第二层显热交换通道与第一层、第三层温室气体排出通道由金属箔分隔，第四层全热交换通道与第三层、第五层温室气体排出通道由透水薄纸芯或透水有机高分子薄膜分隔。

进一步地，所述的金属箔为锡箔、铝箔或不锈钢箔制成。

进一步地，所述的温室气体排出通道中第一层、第三层、第五层与第二层、第四层的厚度比为1:1.5。

进一步地，所述的复合式热交换器1的正视图为六边形。

进一步地，所述的一种蔬菜大棚换气系统的智能控制方法具体包括一个主流程和两个子流程，所述主流程为通过传感器技术,采集温室内外温湿度、日光照度和温室内二氧化碳浓度等环境参数，当满足子流程条件时则进入子流程的处理；所述子流程包括两个子流程即灾害处理子流程和专家控制策略子流程，灾害处理子流程的优先级高于专家控制策略子流程，可在任意时刻中断专家控制策略子流程的运动；专家控制策略子流程是本控制算法的核心，进入专家控制策略子流程的条件1为室内外温度差满足复合式热交换器的热交换效率，此温度差值由专家系统给出；条件2为根据日光照度来判别当前是否满足作物对光照的最低需求，由于作物种类不同，对光照需求不同，因此由专家系统给出最低日光照度；进入专家控制策略子流程后，则进入湿度判别环节，当湿度超出蔬菜大棚设定的阈值时，则全速开启排气扇排除室内的湿热空气，同时，打开显热交换通道，对室外空气进行加温；当湿度满足作物生长需求时，根据二氧化碳浓度调节排气扇的转速，同时，开启全热交换通道，对室外空气进行加温提湿；灾害处理子流程具备最高优先级，当温室外温湿度不适宜作物生产时，此时控制系统需关闭排气扇，关闭所有热交换通道的挡板，不再进行换气操作，直到室外传感器检测到适宜作物生产的气象条件。

进一步地，所述换气的原理是将温室内空气排出后，造成温室内负压从而由两个热交换通道之一引入温室外空气。

进一步地，所述的正视图为六边形的复合式热交换器1的每个通道只有两个对边所在的侧面是相通的，其他四个边所在的侧面是封闭的。

本发明有益效果：本发明对进入温室的室外空气进行了预处理，使得温室环境始终保持稳定；同时，相比自然放风，热交换模块为层式结构，避免了温室外的害虫、有害动物进入温室，保证了温室作物的质量一致性和产量稳定性；本发明提出的复合式热交换器，气体是单向流动的，各层之间互不流通，免维护，无须清理；本发明的智能控制策略由专家系统生成，根据环境反馈的数据，自动启动相应的换气控制策略，无须人为干预。

附图说明

图1为蔬菜大棚换气系统示意图；

图2为复合式热交换器的空气流通示意图；

图3为复合式热交换器的五层基本结构示意图；

图4为蔬菜大棚换气系统硬件控制系统结构图；

图5为蔬菜大棚智能换气算法流程图；其中(a)为主流程图、(b)为专家控制策略子流程、(c)为灾害处理子流程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-5说明本实施方式：如图1所示，本发明所给出的蔬菜大棚换气系统由核心部件复合式热交换器1、智能控制器2、室内传感器3、室外传感器4和排气扇9构成。复合式热交换器1集成了显热交换单元和全热交换单元；室内传感器3包含室内温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器，是作物赖以生长的必要环境因素，室外传感器4包含室外温湿度传感器和日光照度传感器，是智能控制器2判断当前气象条件的必备条件。智能控制器2、室内传感器3和排气扇9放置在蔬菜大棚内；复合式热交换器1和室外传感器4放置在蔬菜大棚外。复合式热交换器1具备三个通道，即室内空气通道、显热交换通道、全热交换通道。由排气扇9主动将蔬菜大棚内的气体通过室内空气通道排出，室内气体通过复合式热交换器1时，将该气体的温度或水分传送给其他通道；在显热交换通道内放置第一挡板5，第一挡板5由第一挡板驱动电机7驱动，在全热交换通道内放置第二挡板6，第二挡板6由第二档板驱动电机8驱动；当对应通道的挡板驱动电机带动挡板打开时，该通道即被选通，由于蔬菜大棚内的气体被排气扇9主动排出，温室内呈负压状态，因此被选通的热交换通道便可使得温室外空气自动吸入温室内。当温室外气体流经复合式热交换器1时，显热交换通道可以吸收温室内气体的热能，从而温室外气体被加热后进入温室内，此时，由于没有回收温室内的水分，蔬菜大棚内的总体湿度得以下降；全热交换通道可以吸收温室内气体的热能和水分，使得蔬菜大棚内的温度和湿度都得到保持。具备智能控制算法的控制器2通过专家控制策略对蔬菜大棚进行自动化换气控制，保持温室内的作物始终具备稳定且适宜的生长条件。

如图2、3所示，复合式热交换器的五层通道结构为六边形复合式热交换器截面图的基本构成单元，复合式热交换器具备多个该五层通道结构基本单元，可随温室规模，增加该五层通道结构基本单元数量，获得更大的换气量。六边形的复合式热交换器的每个通道只有两个对边所在的侧面是相通的，其他四个边所在的侧面是封闭的。基本单元中，第一、三、五层是室内空气通道，第二层是显热交换通道，第四层是全热交换通道。显热交换通道和室内空气通道之间由金属箔作为分隔层，金属箔可为锡箔、铝箔或不锈钢箔，具备导热性；全热交换通道和室内空气通道之间由透水薄纸或透水的高分子薄膜作为分隔层，具备导热和透水性。

如图4所示，蔬菜大棚换气系统的硬件控制系统的结构主要由微处理器系统、电源系统、环境感知系统、排气扇、显热通道挡板驱动电机和全热通道挡板驱动电机构成。微处理器系统可采用STM32控制器系列，由该控制器芯片构建最小微处理器系统；电源系统为UPS不间断电源，市电导通时采用接入市电电网，当断电时启动内部蓄电池模块为全部硬件控制系统供电；环境感知系统由传感器模块构成，连接方式不限于总线连接或无线连接，传感器模块包含温室内的温湿度和二氧化碳传感器以及温室外的温湿度和日光照度传感器；排气扇为PWM调速风扇，该风扇转速随着温室内二氧化碳浓度降低而升高；显热通道挡板驱动电机和全热通道挡板驱动电机是一种舵机，由微处理器发出的PWM信号旋转至指定位置，从而带动挡板打开或关闭换热通道。

如图5所示，蔬菜大棚智能换气算法流程图包括一个主流程和两个子流程，所述主流程为通过传感器技术,采集温室内外温湿度、日光照度和温室内二氧化碳浓度等环境参数，当满足子流程条件时则进入子流程的处理；所述子流程包括两个子流程即灾害处理子流程和专家控制策略子流程，灾害处理子流程的优先级高于专家控制策略子流程，可在任意时刻中断专家控制策略子流程的运动；专家控制策略子流程是本控制算法的核心，进入专家控制策略子流程的条件1为室内外温度差满足复合式热交换器的热交换效率，此温度差值由专家系统给出；条件2为根据日光照度来判别当前是否满足作物对光照的最低需求，由于作物种类不同，对光照需求不同，因此由专家系统给出最低日光照度；进入专家控制策略子流程后，则进入湿度判别环节，当湿度超出蔬菜大棚设定的阈值时，则全速开启排气扇排除室内的湿热空气，同时，打开显热交换通道，对室外空气进行加温；当湿度满足作物生长需求时，根据二氧化碳浓度调节排气扇的转速，同时，开启全热交换通道，对室外空气进行加温提湿；灾害处理子流程具备最高优先级，当温室外温湿度不适宜作物生产时，此时控制系统需关闭排气扇，关闭所有热交换通道的挡板，不再进行换气操作，直到室外传感器检测到适宜作物生产的气象条件。

以上对本发明所提出的一种蔬菜大棚换气系统及其智能控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。