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   温室内温度量测与环控系统效能评估






    

    摘 要

    本研究主要在发展一种简易、快速及准确性佳的验证方式,量测温室内部环境作物生长层温度分布状态,以评估温室环境控制设备之效能是否符合使用者的预期。研究利用无线感测器网路感测器模组,量测温室内部作物生长层温度资料,并传送至后端处理器做资料分析处理,资料处理方式以统计模式中反应曲面设计法,标示植物生长层之位置与温度变化之间的关系,结果再藉由连续立体图形显示温度分布状态,让系统管理人借此视觉化显示介面,立即了解其温室内部温度动态分布,以评估和改善温室环控设备运作之效能。以本次所使用之温室为例,在环控设备全数启动降温状态下,植物生长层温度分布呈凹向上趋势,其中央温度较西侧低约1.2℃,较东侧低约3℃。显示此温室纵轴之中间位置,气流交换量较两侧纵轴交换量高,且有向西侧偏移现象,故须调整风扇位置以提升两侧之通风量。

    关键词:无线感测器网路、反应曲面法、温室系统效能评估。

    前 言

    国内自1911年代开始大力推广设施栽培,至今20余年来各种形式设施结构不一而足,从简易塑胶布防雨结构到完全与外界隔离的精密环控型温室均有其各自运用空间,但无论使用何种设施,必然改变作物栽培环境的微气候因子,其影响程度与范围随着设施结构的配置与所在位置的周边环境而异,因此设施内部微气候环境是否合乎使用者预期,应予详细调查评估,尤其在高价花卉生产之精密温室,通常会运用风扇、水墙与遮阴网等环境控制设备,调节温室内部微气候环境,以提供所栽培作物生长所需之最佳需求,希望藉由外部资源的投入,提升其产品品质与产量,以增加经营者的收益,达到高投入与高报酬之目标。根据研究显示,温室内微气候环境对作物生长影响,主要以作物生长范围为主(1,2),盆栽花卉如蝴蝶兰者与高茎者如蕃茄、甜椒,其生长空间并不相同,相关环境控制系统设备配置与操作模式应以目标作物生长空间所需进行配置与调控,如此方能有效达成系统操作目标,并更进一步节省能源的投入,目前业者环境控制设备配置与操作各依其经验为之,相关设备操作是否达到最佳作  业效果,温室内部环境是否能达到使用者之预期状态尚须仔细进行评估。传统量测方法需于温室内部进行感测器安装与布线,此种方式费时、费工,而且会对温室内作物栽培管理作业产生干扰,操作难度甚高。

    随着无线感测器网路(Wireless Sensing Network, WSN) 技术与设备之快速发展,其中ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4 所制定出的无线传输技术,其设备具低耗、无须布线与快速部署之特点(3),使用上不会对原有之生产作业造成干扰,新的技术使原本不易施作的量测工作得以大幅简化并顺利进行。本研究利用此传输技术之优点,快速取得温室内部植物生长层区域面上的温度分布状态,配合统计分析软体计算其温度分布曲面,再使用绘图软体,以立体图形显示温室内温度分布状态,让系统管理人藉由此视觉化效果,立即了解其温室内部作物生长层温度场之分布状态,以评估和改善其温室环控系统之作业效能。

    材料与方法

    1. 使用硬体包括Pentium4 2.8GHz 之桌上型电脑、Sensing TEK COZ-100 讯号接收模组、Sensing TEK THZ-100温湿度感测器(-10~50 ℃/ ± 0.5℃@ 25℃,0~100%RH/± 4.5% RH @25℃) 。

    2. 力霸钢架结构玻璃温室一栋,呈南北向设置,宽19.2 m ,长度28 m,环境控制设备设置有水墙、风扇。

    3. 系统组成示意如图一、温室内外配置如图二。  

    4. 软体方面:Sata Center v1.1.3 做即时监控、ZB Engineering Tool v1.2.1做群组及试验条件设定、SPSS统计软体做回归分析、SigmaPlot 8.0做立体曲面绘图显示。

    5. 感测器THZ-100 在温室内配置方式,以反应曲面法设计(Response Surface Methodology,RSM)二维度2 因子中央合成设计的方式设置。感测器安装于植床上方50 cm ,其上方并予适当遮蔽,以避免阳光直接照射,影响感测器之正常运作。感测器网路拓朴方式以星状网路传输连结,监测资料每30秒传送1 笔。

    6. 试验设定条件:实验地点方面,对照组和实验组使用同一温室;对照组的温室采自然通风,无任何控制系统作用;实验组温室环境控制系统设定为27℃放下两侧卷扬、28℃启动中间2 个风扇、30℃启动温室全部4 个风扇、32℃启动温室全部4 个风扇及水墙。

    7. 试验结果分析:利用SPSS统计软体做回归分析,使用SigmaPlot软体绘制立体曲面,显示植物生长层之每一整点小时在温室内温度分布状态,其中每一布点位置之统计数值取每一整点小时前后共10笔资料进行运算分析。

    结果与讨论

    THZ-100 温湿度感测器温度校正

    为确保实验过程所量测温度值之正确性,首先将将所使用的25个THZ-100 温湿感测器同时置于恒温加热干燥箱内,并以标准水银温度计进行校验,试验温度范围设定在17~45 ℃,其结果如图三,在回归分析中两者差异值,THZ-100 感测气温度测定值与标准水银温度计相关系数R2=0.9997,显示THZ-100 温湿度感测器温度感测性能合于试验所需。

    THZ-100 温湿度感测器之间温度差异

    试验使用25个THZ-100 感测器同时置于恒温加热干燥箱中,利用恒温加热干燥箱在特定温度控制下,检验试验用25 个感测器之间温度量测误差,试验温度范围设定在17~45 ℃之间,在所设定之7 个温度条件下,感测间之量测误差值结果如图四,各感测器间温度量测标准差最高为0.3℃。

    THZ-100 温湿度感测器资料封包回传率测定

    无线感测模组的资料传输之稳定性和可靠性直接影响是否能长期稳定运作,而通讯效能的差异性常导致资料可靠度有所不同。依据Oshaughnessy et al., 2008提出在Field-WSN ( 星形网路分布) 和Pivot-WSN ( 网状型网路分布) 两种网路分布模式中,以42天试验期来说,Field-WSN 平均封包回收率有9 成皆能维持在93% 状态,而在Pivot-WSN 形态下,平均封包接收率9 成状态只能维持71% 的封包回收率,其干扰原因可能是由于支点的横向传输受金属硬体所影响;在网路性能方面,以广播通讯模式和网状网路通讯模式相比较,发现前者讯号接收延迟时间比后者通讯模式减少37% 延迟传输速率(4)。本试验使用星形网路分布和广播通讯模式,

    为有效评估其资料传输稳定性和可靠度,在试验场地范围内,同时使用25个THZ-100 感测器进行测试,测试感测器同时分别以1、10、15、30、60秒等不同时间间隔发送一笔资料,进行讯号接收模组(Coordinator COZ-100) 回收资料封包数回传稳定试验,每一传送时间间隔试验均以1500笔资料传送为基准。试验结果如图五,感测器THZ-100 以10秒和15秒发送一笔资料时,讯号接收模组COZ-100可回收99% 感测器THZ-100 所传送资料笔数,若感测器THZ-100 以30秒和60秒时间间隔发送一笔资料,则资料回收率可高达100%,因此后续试验选择以30秒为资料传送间隔。

    环控设备运作效能与温度分布测试

    试验在2009年10月间进行,实验组和对照组使用同一栋温室,依序进行,各为期一周,由设备限制试验无法同时进行,故无法指出同一时间,温室内微气候环境,在有、无环境控制设备操作状态下的差异量,但本试验主要在分析其系统温度分布状态,而此与整体试验目标并无冲突,因此以下皆以系统现象来说明此温室温度分布状态。试验结果显示,实验组和对照组在下午7 点至第二天早晨6 点之间,由于时序已入秋,入夜后大气温度下降,平均温度约在25℃以下,各项环控设备均已停止运作,此时实验组与对照组皆无使用外部设备进行环境温度调控,温室内部温度与外部环境相同,此期间量测所得之温度面皆呈现均匀分布,且缓慢下降,直到次日上午7 点起始温度开始呈现小幅上升趋势,此因太阳升起后热源增加所致,但其温度面仍呈均匀分布状态。随热量的移动与温室内外的配置影响,测量时间从早上八点钟至十点钟,温室内东北方温度明显上升聚热,温室内部温度逐渐上升,对照组的温室中央部位温度上升较快,温度分布面开始呈现凹向下趋势,温室中央部分温度明显高于两侧,其温度分布趋势如图六;对照试验组,依环控设备控制条件设定条件,此时温室状态为两旁卷扬已放下,并启动中间2 个风扇作降温功能,此时温度分布面东侧面较西侧面高,整体温度面虽亦呈现凹向下趋势,但与对照组之温度平面弯曲情形相较,其图型显示较为平缓,显示启动温室中央两个通风扇进行降温动作,中央聚热情形明显低于对照组,其温度分布趋势如图七。

    Fig. 6. Temperature distribution in growth layer at 10:00 AM上午11点钟,随着气温逐渐上升,对照组温度分布继续呈现凹向下趋势,其中央部位温度快速上升,温度分布面凹向下情形明显加剧。此时实验组之环控系统,测得温度中间轴位置为30.6 ℃,依环控条件设定启动4 个风扇进行降温功能,此时生长层温度面形状由凹向下形73状,开始转变为由东向西呈现轻微倾斜下降的平面状分布,显示系统通风量上升,对温室中央部位降温效果明显提升。中午12点实验组依温室环控系统条件,启动4 个风扇和水墙进行降温,此时温度分布面由原本凹向下图型反转呈现凹向上趋势,显示启动水墙降温效果明显。下午1 点钟实验组环控系统测得最高温度达32.7 ℃,系统延续前一小时之控温方式,其温度分布如图七,此时以中央轴线取温室靠水墙侧、中间位置及风扇侧三个位置(Y=1.414, 0,-1.414),分析东西两侧即X 轴方向温度差异( 图八),在水墙侧因为水墙所产生之降温效果,其整体温度最低,温度最低点与西侧温度差1.2℃,与东侧温度平均差3.4℃; 随着气流往风扇方向移动过程,空气逐渐升温,比较中心点位置与风扇侧空气温度,其温度分别上升1.2与1.4℃,再分析其X 轴向温度分布,当空气经过温室中间部位时空气温度已经达一稳定值,显示水墙降温效果所影响距离仅在水墙至温室中间位置,另外整体温度分布,中间偏西侧部分温度最低,东侧位置温度又较西侧为高,显示环控系统在气体交换量主要在中轴线偏西部分,对照试验用温室结构设计显示,为迁就环境控制系统电器配盘位置,四个通风扇向西侧偏置,风扇位置并未采平均对称配置,因此温度分布并未如预期中,以南北中心轴线成左右对称分布。

    随温室外日照辐射热的减少,测量时间在下午5 点钟以后,随着外部环境温度下降,温室内部温度因自然散热作用亦逐渐下降,环控系统各项设备也停止作动,对照组与实验组温室内部温度面分布逐渐随外部温度缓慢下降,整个温度面回复最早的平面状态。 

    结论与建议

    现阶段大规模使用完全控制型温室进行农业生产,经济上尚不可行,在资源有限情形之下,如何以最小资源投入,产生最大效益,是经营者最重要的课题之一,目前温室环境控制设备设计上,温度控方面主要以换气量来计算,控制系统感测器一般设置于温室中央,高度1.5 m左右的位置,在实际运作过程中,风扇位置配置是否正确,各个风扇操作顺序是否正确,都会影响其作业效能,目前各个使用者主要依据其经验来操作其设备,整体设备之运作是否,达到最佳化控制之目标有待评估,未来如果可以经由仔细量测、统计分析、绘图等程序,透过立体曲面图型显示温室植物生长层的温度面分布状态,让使用者能更正确掌握其系统运作状态,必能提高整体设备的效能。以本项试验使用温室为例,运用无线感测器网路模组无须布线的快速部署特性,快速取得作物生长层温度分布资料,分析结果显示,实验组在环控设备全系统启动降温状态下,植物生长层温度分布面并未呈现一理想平面状态,而呈凹向上趋势,其中央温度较西侧低约1.2℃,与东侧低约3 ℃。显示此温室纵轴之中间位置,气流交换量较两侧纵轴交换量高,且西侧气体流量亦大于东侧,经对照温室硬体设计,其风扇排列为迁就控制设备安装位置,以致未承对称排列安装,故须调整风扇位置以提升两侧之通风量。目前整个资料分析尚处于离线、批次处理阶段,未来应更进一步将资料收集、统计分析与绘图三个阶段整合,发展成一具立即动态显示的系统,对产业之应用应更有助益。


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