基于物联网的北方秋冬茬番茄日光温室环境管控技术

　　摘要：农业物联网技术是实现农业生产智能化的重要手段，该研究基于农业物联网技术和石家庄赵县日光温室番茄生产经验，制定了基于温度管理的北方日光温室环境管控技术。白天环境管控模式分别为降温控湿模式、控温降湿模式、保温补光模式，夜晚环境管控模式分别为增大昼夜温差模式和减小昼夜温差模式，并简述了特殊天气的环境管控方法，为日光温室秋冬茬番茄生产实现智能化控制提供参考依据。

　　本文源自黄媛;李瑜玲;陈诚;高欣娜;杜亚茹;杨英茹，北方园艺发表时间：2021-06-15

　　关键词：日光温室;秋冬茬番茄;环境调控;昼夜温差

　　农业物联网技术通过数据采集设备可实时观测农作物环境条件、生长情况、栽培效果[1]，实现机械生产代替人力劳作、远程控制代替亲历躬行、标准化生产代替人脑经验[2-3]。由于农业设施栽培环境相对可控、经济效益较高[4-5]，同时传感器、视频监控、控制器、传输通讯等设备市场化发展迅速[6]，成本不断降低，因此物联网技术在设施农业领域应用发展较快。但由于缺乏作物生长与环境信息的交互模型以及农业种植管理决策的标准[7]，因此设施农业物联网的应用多停留在种植环境观测层面，对于不同作物不同生长阶段的种植方案没能实现精准化决策、智能化控制[8-9]。

　　该研究以石家庄市农林科学研究院赵县农业科技园区(东经114°783′，北纬37°762′)5座日光温室2019年秋冬茬番茄种植生产过程为研究基础[10]，通过设施环境气象站观测了日光温室环境信息，并根据不同季节气象特征、作物不同生育阶段及相应的农事管理特点[11]，将2019年8月下旬至2020年1月日光温室白天均温与昼夜温差分段进行了线性回归分析，建立了以日均温为因变量，昼夜温差为自变量的预测模型，根据番茄生长的理想昼夜温差值，可得到当晚目标调控温度，通过控制温室升、降温设备，实现基于物联网的番茄秋冬茬全生育期的环境精准管控，为该地区农业物联网技术推广应用提供参考依据。

　　1日光温室建设标准

　　1.1日光温室建设

　　日光温室建设标准应符合《日光温室建设标准》NY/T3024-2016[12]规定的要求。占地面积667m2，选择土壤肥沃，平坦开阔地块。

　　1.2日光温室物联网环境观测设备

　　日光温室物联网环境观测设备应符合GB/T38757-2020[13]中关于环境观测设备选用、安装与维护的基本要求。其中，环境观测传感器每30min采集环境信息1次，数据包含空气温度(℃)、空气湿度(%)、光照强度(lx)，8—9月日均温的计算方法为当天06：00—19：30的空气温度数值的平均数，10月日均温的计算方法为当日07：00—19：00的空气温度数值的平均数，11月至翌年1月日均温以棉被开启和放落时间作为计算取值范围。

　　1.3日光温室环境调控设备

　　温室通风降温设备安装应符合NY/T1451-2018[14]中对设备功率、安装数量和位置的要求。具体来说，环流风机悬吊至温室内，距地面2.5m，规格选用18～20寸，功率150～300W，单个环流风机开启空气流量达7500m3·h-1以上，每座日光温室安装8～10个。负压风机安装至日光温室东墙，功率1100～1500W，单个负压风机开启空气流量达55000m3·h-1以上，每座温室安装2个。

　　补光灯吊至日光温室，距地面2m，前后、左右间隔4m一盏，采用红蓝光LED补光灯，功率50～100W。增温灯距地面2m，前后、左右间隔3m一盏，功率100～150W。

　　2日温管控技术

　　番茄是喜温作物，低于15℃或高于34℃可能发生生理性障碍而不能良好生长，因此，日温管理在20～33℃开展，以日均温为基础[15-17]。

　　2.1降温控湿模式

　　8月中旬至9月底为番茄定植至一穗花期间，此时昼长夜短，光照时长可达14～12h，12：00最高光照强度可达38940lx，番茄生长所需的光照通过自然光照可满足，14：00左右日光温室空气温度最高可达44.6℃，日温管理以强制降温为主，同时控制空气湿度。

　　此时，棉被昼夜卷起，棚膜上下风口昼夜打开，10：00启动环流风机，12：00开启遮阴帘、负压风机，16：00关闭环流风机、负压风机，收起遮阴帘。

　　2.2控温降湿模式

　　10月为番茄一穗果膨大，二穗以上陆续开花期间，此时昼长逐渐减少，夜长增加，光照时长10～11h，12：00最高光照强度达34109lx，光照和昼夜温度适宜番茄生长。日出前空气湿度为1d最高时段，可达95.7%，较高的空气湿度持续3～5d易引发晚疫病、灰霉病、叶霉病等番茄病害[18]，因此，日温管理以通风降湿为主，维持自然温度为辅。

　　此时，棉被昼夜卷起，12：00开启棚膜上下风口，12：00开启环流风机，14：00关闭风口、环流风机。

　　2.3保温补光模式

　　11月至翌年1月为番茄一穗果转红，二穗以上果陆续膨大期间[19-20]，此时夜长逐渐增加，气温转低，日光温室日照时长取决于棉被收、放的时间，日温管理以保温为主，同时适当补光。

　　11月每天09：00—09：30打开棉被，12：00开启上、下风口，14：00关闭上、下风口，16：00—16：30盖上棉被，16：00—18：00开启补光灯。

　　12月每天09：30—10：00打开棉被，12：00开启上风口，13：00关闭上风口，16：00—16：30盖上棉被，16：00—18：00开启补光灯、增温灯。

　　1月每天10：00—10：30打开棉被，16：00盖上棉被，15：00—18：00开启补光灯、增温灯。

　　3温差管控技术

　　温差管理以夜均温为基础，番茄生长较适宜的夜间温度为15～25℃。调控方案依据现有研究结论，即当昼均温在30.0～33.9℃时，9.0℃昼夜温差可使番茄生育良好，昼均温在25.0～29.9℃时，6℃昼夜温差适宜番茄生长，昼均温在24.9～20.0℃时，3℃昼夜温差为宜[21-24]。

　　3.1增大温差模式

　　8—9月日光温室昼均温在25.3～37.8℃时，昼夜温差与昼均温满足公式：Y1=0.902Td-21.687(R=0.807)，Y1为未进行温差调控下的昼夜温差值。根据上述公式，可根据当日昼均温计算昼夜温差预测值，比对最优昼夜温差，19：30进行日光温室夜间温差管理。据测算，总功率1200～2000W的环流风机1h可使667m2的日光温室空气温度降低1～2℃，总功率3000～4000W负压风机1h可使667m2的日光温室降温2～4℃，具体增大温差调控建议见表1。

　　3.2减小温差模式

　　11月至翌年1月日光温室昼均温在9.31～34.14℃时，其中昼夜温差与昼均温满足公式为：Y2=0.559X-2.223(R=0.897)，Y2为11月至翌年1月未进行温差调控下的昼夜温差值。根据上述公式，可根据当日昼均温计算昼夜温差预测值，比对最优昼夜温差，在日温管理结束后进行温差管理。据测算，667m2日光温室使用5000～6000W增温灯开启1h温室可升温3～6℃，具体增大温差调控建议见表2。

　　4特殊天气环境管控技术

　　4.1大风、雨、雪、冰雹天气

　　大风、暴雨天气应及时关闭风口，防止棚内进水或湿度过大。夏季冰雹、冬季降雪时，应及时放落棉被，防止棚膜受损。

　　4.2阴天、雾霾天气

　　遇连续阴天、雾霾天气白天应及时开启补光灯、增温灯，保证日照时长6～8h。

　　5结论

　　农业设施生产在一定程度上改变了光、热条件对作物生长的环境限制，通过物联网和园艺栽培技术的融合，可以建立更具应用价值的作物生长与环境控制模型，并不断优化最佳生产控制方案。该研究仅以北方地区常见设施作物番茄为例，为该地区农业物联网技术推广应用提供参考依据。