秋季温室番茄环境因子变化规律研究——基于无线传感网络

0 引言

番茄是人们日常生活中不可缺少的蔬菜产品，具有非常高的营养价值。温室番茄产量除受品种影响外，与温室环境因子密切相关，且不同生长发育期对生长环境要求不同。赵玉萍等研究了不同温度对温室番茄生长发育及产量的影响; 杨延杰等指出光照强度对番茄植株株高、茎粗、根系活力、产量等均有影响; 程智慧等确定了 7 个环境因子对果实生长的影响及果实生长适宜的环境变量范围。温室环境不仅与室外温度、湿度、光照强度等因素有关，而且还受番茄生长发育状况及温室结构影响。所以，实时监测温室环境，科学准确地调节温室内环境因素以适应番茄生长对提高产量具有重要现实意义。
无线传感器网络( Wireless Sensor Network ，WSN)因其具有实时、高效、省力等优点，已被广泛应用于环境监测领域。在温室农业方面: 王福禄等研究了无线传感器温室环境监测系统，实现了对温室环境数据实时监测; 郭文川等利用 WSN 设计了一款具有功耗低、组网灵活、可扩展性强等优点的温室环境信息监测系统，能较好满足温室环境监测需求。在温室调控方面: Anaslying 等利用作物的光辐射吸收、叶片的光合作用和呼吸作用预测模型建立了根据自然光照控制温室温度的环境控制系统; Henten根据2 个时间尺度( 长期和短期) 方法建立了温室优化控制系统，解决了长期和短期控制问题。但对番茄温室环境因子全面、系统采集并深入研究的较少，尤其缺乏与实际生产指导相结合的针对性研究。基于此，笔者利用 WSN 记录了温室番茄不同生育期、高度、位置下的环境因子数据，并研究其温湿度、光照强度和二氧化碳浓度变化规律，尝试为连栋温室环境调控提供参考依据和决策支持。

1 材料与方法

1． 1 试验条件

试验地点: 北京市昌平区特菜大观园西区长55m、宽50m，采用荷兰环境调控设备进行调控的连栋温室进行，温室内北置湿帘，南置风扇。番茄采用无土栽培方式种植，行距1．5m，株距30cm。为了全面地覆盖整个温室，在温室内不同的位置布置 9 个传感器节点，传感器节点通过支架固定在西红柿种植行内，可自由调节高度。温室结构如图1 所示。

1． 2 数据采集系统总体结构
连栋温室的无线传感网络监测系统由番茄生长物联网监测网站、番茄生长监测主机系统、中心节点及无线采集节点和传感器等设备构成。系统采用 ZigBee网络协议组成无线网络，实现对温室环境信息实时采集; 所采集信息经中心节点传送给番茄生长监测主机系统，主机系统分别将数据存储在本地数据库和远程数据库，番茄生长物联网监测网站通过远程数据库查询温室环境信息。系统总体结构如图2 所示。

1． 3 数据采集
番茄植株平均高度在 9、10、11 月为 2、2． 5、3m，分别处于结果期和果实着色期。试验通过温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器对 9 个节点番茄 3个高度( 冠层、中间、根部) 的温湿度、2 个高度( 冠层、中间) 的光照强度和温室内的二氧化碳浓度进行监测，每20min 记录一次，共记录数据47 304 条。

2 结果与分析

2． 1 不同育期高度温室内环境因子变化规律
2． 1． 1 温湿度
温湿度是影响番茄生长发育的重要因素，温室内温湿度是否正常，直接关系到番茄单果质量和产量高低。图3 是无线传感网络记录的不同生育期不同高度温室温湿度变化曲线。




由图3( a) 可见:9、10 月温室温度波动在12．06 ～44℃ 之间，湿度在 24． 81 ～ 93． 12% 之间变化，波动范围较大;11 月温湿度波动范围相对较小。而苏伟指出番茄结果期适温为白天 24 ～26℃，夜间 12 ～17℃，着色期适温为20 ～25℃，空气相对湿度为 45 ～50%。从监测数据看，建议注意通风，适时延长风扇工作时间，减少灌溉次数。由图 3 可知，一天内，温度变化呈“单峰”型，湿度变化呈“单谷”型; 温室温湿度在日出之前分别达到最低和最高，上午 8 时左右温湿度上升、下降迅速，并于中午 12 点至下午 2 点左右之间分别达到最高和最低，下午 14 时左右温湿度下降、上升较快，18 时后变化缓慢; 而 11 月温度下降时间提前;番茄中间、根部的温湿度上升和下降的时间稍晚于冠层，且速度比冠层慢，上午 8 时至下午 18 时左右冠层温度比中间和根部高，湿度比中间和根部低，而中间温湿度与根部温湿度相差较小。9、10、11 月 3 个高度温度最大值差幅分别为28．17%、26． 55%、9． 65%，湿度最小值差幅分别为50．28%、43．51%、31．65%。
2． 1． 2 光照强度
番茄是喜温蔬菜，光照强度与其生长发育密切相关。光照强度不足不仅影响番茄植株生长，而且会影响其产量。不同生育期不同高度温室光照强度变化如图4 所示

由图4( a) 可见: 温室光照强度逐渐减弱，这是由于天气和季节原因所致。9 月份温室光照强度最高达50 000lux 左右; 10 月份光照强度变化较多; 这是由于10 月份北京雾霾天气出现较多，11 月份光照强度最高达30 000lux 左右，且 11 月光照强度上升时间出现延迟，并且波峰变窄，原因是白昼时间变短。而番茄生长发育适宜光照强度为 40 000 ～50 000lux，所以建议在雾霾等光照较弱的天气使用悬挂生物效应灯、反光幕等为温室补充光照。从图 4 中可见: 冠层光照强度明显强于中间，说明冠层为光合作用主要部分，也是反应温室光照强度关键层; 11 月份冠层光照强度波峰比9、10 月窄，说明11 月份光照时间变短，建议人工延长光照时间。9 －11 月冠层与中间层光照强度最大值差幅分别为 40． 25%、70． 92% 和 73． 97%;10、11 月差幅较大，是由于 10、11 月番茄比 9 月更加茂盛，遮挡情况更加严重，建议适当为番茄剪枝。
2． 1． 3 二氧化碳浓度
二氧化碳是植物进行光合作用重要成分，如图 5所示。由图5 可知:9 月中旬至 10 月中旬二氧化碳浓度波动范围在440．63 ×10－ 6～ 656． 25 × 10－ 6之间，而10 月中旬至 11 月二氧化碳浓度波动范围较广，最低为403．12 ×10－ 6，最高达687． 5 ×10－ 6，3 个月二氧化碳浓度最大差幅分别为16．08%、23．62%和25．91%。文献指出当二氧化碳浓度达到 1 000 × 10－ 6～ 1500 × 10－ 6时，番茄生长旺盛，开花提前，产量提高。所以，在上午9 －11 时可适量增施浓度为0．0006%左右的二氧化碳气肥。一天内，9、10 月二氧化碳浓度于上午7 时左右开始迅速下降，11 月二氧化碳浓度下降时间与最小值出现时间均推迟; 而 2 个生育期二氧化碳浓度的上升时间却相近，说明 11 月份番茄进行光合作用的时间变短，会影响植物营养摄入，建议 11 月以后人工延长番茄光照时间。


2． 2 不同位置温室内环境因子变化规律

2． 2． 1 温度
不同位置的温室温度变化如图6 所示。由图6 可以看出: 各位置的温度变化趋势相同，各位置的温度都是日出之前最低; 上午6:42 节点1 至节点9 温度分别为20．69、19．31、21．19、20、19．31、21．44、20．5、20、20． 12℃ ，12: 42 节点 1 至节点 9 温度分别为 34． 75、34． 25、34． 06、33． 31、32． 75、32． 38、34． 81、34． 25、34．06℃ ，18: 429 个节点温度分别为 21． 19、20． 94、20、21． 75、20． 5、19． 75、21． 31、20、19． 88℃ 。监测数据显示，温度由南向北呈高到低之势，平均最大差幅为9． 26% 。

2． 2． 2 湿度
由图7 可知: 不同位置的空气湿度夜间最大，下午1 时左右湿度达到一天最小值。而不同节点湿度最小值之间相差约15．43%，平均最大差幅为 16． 18%; 但不同节点的湿度变化趋势相同，且都是在温室内温度升高、光照强度增强之后逐渐变小，并随着温度、光照强度下降而开始上升。从图 7 可知: 靠近湿帘的节点3、6、9 湿度较大，而靠近风机的 1、4、7 节点湿度比其它节点要低，所以节点 2、5、8 更能反应温室内真实湿度。

2． 2． 3 光照强度
由图8 可以看出: 一天内温室光照强度从日出开始上升，并于中午 12 时左右达到一天最大值，下午 1时左右开始下降。从图8 也可以看出: 除节点2 外，不同位置的光照强度相近，最大相差 6 562．5lux，差幅为30% ; 而节点 2 比其他位置光照强度明显偏低是由于存在枝叶遮挡情况，说明温室的光照均匀性较好。同时，为了保证数据精确，建议平常生产管理中保持节点不被枝叶遮挡，适当进行修剪管理。

2． 2． 4 二氧化碳
由图9 可知: 温室内二氧化碳浓度夜间高白天低，于上午8 时左右开始降低，9 －11 时达到一天最小值，随后缓慢上升，最终达到最大值。这是由于植物一天内在9 －11 时进行光合作用最强，随后缓慢减弱，而植物进行光合作用除需利用光照外，还需要消耗二氧化碳。不同位置二氧化碳浓度最大相差 93． 76 ×10－ 6，差幅为18．18%。


3 结论与讨论
为了精准指导温室番茄生产管理，探索环境因子变化规律对其生产影响。本文利用 WSN 记录了温室番茄不同生育期、高度、位置下的环境因子数据，并研究了其温湿度、光照强度和二氧化碳浓度变化规律。研究表明: 不同育期、高度和位置环境因子变化趋势相同，但由于温室结构、番茄生长发育、外界环境等因素影响，使得不同育期、高度和位置的环境因子之间存在差异。综上所述，WSN 监测数据可为番茄连栋温室环境调控提供参考和决策支持。
本文使用的 WSN 能较好地连续采集有效数据，可用于番茄生长发育监测。本文不仅考虑了作物与环境因子之间相互影响，而且从多个角度进行分析，但，所用数据仅为一年秋季观测。为更精确地指导温室番茄生产，应当长期对不同季节、更多生长发育期环境因子进行监测，结合数年不同季节的环境监测数据进行对比分析研究，总结番茄温室环境因子年变化规律。
参考文献（略）