一种灰树花菇房温湿度传感器的布点方法
【专利摘要】本发明涉及一种灰树花菇房温湿度传感器的布点方法。该方法，首先，采用CFD方法建立相应的灰树花菇房内温、湿度场的数学物理模型；其次，考虑太阳辐射，菇房条件等因素，对给定的菇房几何形式（域）进行数值模拟；再而，掌握菇房内部温度场和湿度场的分布情况，指导温湿度传感器的初步安装，并设计灰树花菇房温湿度监测系统；最后，根据灰树花菇房温湿度监测系统采集的温湿度测试数据与数值模拟结果进行对比分析，确定精简后的灰树花菇房内温湿度检测的测点位置，进而确定温湿度传感器的优化布点方式。本发明方法使得监测系统能利用尽量少的温湿度传感器，准确地检测出反应菇房内温湿度变化的数据，使所需的人力劳动和检测费用减少，且提高诊断效率。
【专利说明】一种灰树花菇房温湿度传感器的布点方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种灰树花菇房温湿度传感器的布点方法。
【背景技术】
[0002]生长环境的温度和湿度是影响灰树花产量和质量的重要因素，且不同生长阶段的灰树花对于温度和湿度的要求也不同。比如，灰树花菌丝生长的最适宜的外部温度环境是24V _27°C，子实体现象发生的外部最佳环境温度是18-21°C。可以通过灰树花菇房内部温湿度的检测来判断菇房内灰树花生长是否处于正常状态。当菇房内环境因子，特别是温度和湿度不协调，则很容易造成灰树花畸形菇。如:水汽大、通风弱或高温造成黄肿菇；高温、高湿，通风不畅，菇体不蒸发而形成薄肉菇。灰树花高产的前提是温度、湿度、光等因子互相协调。因而对菇房内环境因子的检测，特别是温度和湿度的检测就显得非常重要。
[0003]在流动问题计算中，控制方程的非线性，自变量的多样性以及在计算域中具备的几何形状与其边界条件的复杂性，都使得流体计算问题求解的过程变得困难。同时也不能形象地再现流动情景，无法弥补理论分析方法和实验测量方法的不足，而且无法让用户在问题产生的机理上获得更加具体的理解。
[0004]目前在工程上，大多数灰树花菇房内的温湿度自动控制，普遍是根据设定的温湿度上下限值或者按照一定的时间间隔控制温湿度，自动启动降温和加湿设备。自动控制的测点一般只是在空间内选择一个点的温湿度作为控制依据，测点的选取及布置很少有深入探究和优化，造成数据采集的片面性和不准确性。又或者因为菇房通常被建成大棚套小棚的套间形式，空间比较大，整体的栽培面积也比较大，在机械通风条件下菇房内环境的温度、湿度的分布是不均匀的，在实际测量菇房内多点温湿度值时没有实验参照，造成菇房内温湿度人工测量过程过多的劳动消耗，且测量效率不高。做好灰树花菇房内温湿度传感器的安装位置的研究，是实现灰树花工业化生产的基础。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种灰树花燕房温湿度传感器的布点方法，该方法使得温湿度监测系统能利用尽量少的温湿度传感器，准确地检测出反应菇房内温湿度变化的数据，使所需的人力劳动和检测费用减少，且提高诊断效率。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种灰树花燕房温湿度传感器的布点方法，包括如下步骤，
步骤SOl:采用CFD方法建立灰树花菇房内的温度场和湿度场的数学物理模型，确定灰树花菇房CFD数值计算的控制方程、湍流运动方程及边界条件；
步骤S02:根据步骤SOl所建立的数学物理模型，对给定的灰树花菇房几何形式进行数值模拟，得到灰树花菇房内的温度场和湿度场分布情况；
步骤S03:根据灰树花菇房内部温度场和湿度场的分布情况，初步确定灰树花菇房内温湿度检测的测点位置，并设计灰树花菇房温湿度监测系统； 步骤S04:通过步骤S03灰树花菇房温湿度监测系统对灰树花菇房内部进行温湿度采集，得到多组温湿度测试数据；
步骤S05:将步骤S04获取的温湿度测试数据与步骤S02的数值模拟结果进行对比分析，根据对比分析结果，调整温湿度传感器的布点位置。
[0007]在本发明一实施例中，所述步骤SOl至步骤S02，具体实现过程如下，
步骤S21:考虑太阳辐射对灰树花菇房的影响及灰树花菇房内部的温湿度控制系统，初步建立数值模拟的物理模型，并将灰树花菇房内空气流动的物理模型概括如下:流动流体为低速、常温、不可压缩流体；内部空气等压流动满足气体状态方程；内部空气流动采用Boussinesq假设；内部空气流动为混合对流瑞流流动或等温瑞流流动；
步骤S22:数学模型的建立:首先，对灰树花菇房内温度场进行数值模拟，得到与灰树花菇房内温度场数值模拟相关的质量、动量和能量守恒方程；其次，通过K - E模型，求出数值模拟的湍流控制方程，该湍流控制方程湍流动能方程和湍流耗散率方程;
步骤S23:采用CFD方法解决灰树花菇房温湿度流体力学问题:首先，进行灰树花菇房内温湿度场的数值模拟，其次，对灰树花菇房的几何模型进行网格划分，再而，进行边界条件的设置，最后，运行FLUENT，得到灰树花菇房内的温度场和湿度场分布情况。
[0008]在本发明一实施例中，所述边界条件包括灰树花燕房内外的空气边界条件、灰树花菇房墙体结构边界条件、灰树花菇房进风口边界条件及出风口边界条件。
[0009]在本发明一实施例中，所述灰树花燕房温湿度监测系统由设置于灰树花燕房内的现场检测部分及设置于灰树花菇房外的监测部分组成；所述现场检测部分包括若干节点单片机、与该若干节点单片机连接的若干温湿度传感器和用于发送温湿度传感器所采集的温湿度数据的无线发送模块；所述监测部分包括主节点单片机、与该主节点单片机连接的用于接收温湿度数据的无线接收模块和上位机显示模块。
[0010]在本发明一实施例中，所述温湿度传感器以阵列式排列的方式设置于灰树花燕房的各层菇架上，以形成温湿度传感器阵列。
[0011]在本发明一实施例中，所述步骤S05，具体过程如下，
步骤S51:通过SPSS检验所采集的温湿度测试数据是否满足正态分布，
步骤S52:对多组温湿度测试数据进行相关性分析；
步骤S53:根据步骤S51及步骤S52的分析结果，对温湿度传感器的布点位置进行调
難
iF.0
[0012]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:
1、本发明明确灰树花菇房温湿度系统的设计及测点的布置方法，使得监测系统能利用尽量少的传感器，准确地检测出反应菇房内温湿度变化的数据；
2、通过设计灰树花菇房温湿度监测系统，基于菇房降温加湿系统运行工况下采集的各个测点温、湿度统计数据，形成的这种比较实用的温湿度检测方法，可适用于风机等位置布置相类似的温室、粮仓、图书馆、机房等场合，形成比较切合实际的菇房等温湿度环境控制的数据依据；
3、运用FLUENT分析软件仿真模拟了菇房内的温湿度分布，对温湿度传感器的布置进行合理地规划，使所需的人力劳动和检测费用减少，且提高诊断效率； 4、运用CFD进行数值仿真可让用户在问题产生的机理上获得更加具体的理解，能够指导用户进行相应的实验和整理实验结果并得出相应的规律，有效地提高了工作效率；
5、本发明设计的温湿度监测系统能够高效、便捷的检测出灰树花菇房内部温湿度，以此为数据依据，从而判断菇房内灰树花生长是否处于正常状态，为灰树花工业化生产奠定基础；
6、本发明温湿度监测系统采用适用性高的温湿度传感器及低能耗无线模块芯片，便于温湿度监测系统的推广；
7、本发明温湿度监测系统的上位机界面，能够显示多组温、湿度值，显示丰富，且能绘制出各个测点温、湿度值随时间变化的动态曲线，表现直观，同时具有较大的数据储存功能，便于实验数据的进一步分析统计。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明一种灰树花菇房温湿度传感器的布点方法的流程图。
[0014]图2为本发明灰树花菇房物理模型示意图。
[0015]图3为本发明温湿度测量点分布位置示例示意图。
[0016]图4为本发明灰树花菇房简易三维示意图。
[0017]图5为本发明采用的CFD分析的基本步骤图。
[0018]图6为本发明试验灰树花菇房的整体模型图。
[0019]图7为本发明试验灰树花菇房的网格划分三维图。
[0020]图8为本发明灰树花菇房内温湿度检测点分布示例图。
[0021]图9为本发明灰树花菇房温湿度监测系统示意图。
[0022]图10为本发明灰树花菇房温湿度监测系统的单片机最小系统电路图。
[0023]图11为本发明无线模块芯片与单片机引脚连接图。
[0024]图12为本发明温湿度传感器与单片机引脚连接电路图。
[0025]图13为本发明灰树花菇房温湿度监测系统的电源转换电路图。
[0026]图14为本发明节点单片机程序流程图。
[0027]图15为本发明主节点单片机程序流程图。
[0028]图16为本发明温湿度数据采集系统上位机界面。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0030]本发明一种灰树花菇房温湿度传感器的布点方法，包括如下步骤，
步骤SOl:采用CFD方法建立灰树花菇房内的温度场和湿度场的数学物理模型，确定灰树花菇房CFD数值计算的控制方程、湍流运动方程及边界条件；
步骤S02:根据步骤SOl所建立的数学物理模型，对给定的灰树花菇房几何形式进行数值模拟，得到灰树花菇房内的温度场和湿度场分布情况；
步骤S03:根据灰树花菇房内部温度场和湿度场的分布情况，初步确定灰树花菇房内温湿度检测的测点位置，并设计灰树花菇房温湿度监测系统；
步骤S04:通过步骤S03灰树花菇房温湿度监测系统对灰树花菇房内部进行温湿度采集，得到多组温湿度测试数据；
步骤S05:将步骤S04获取的温湿度测试数据与步骤S02的数值模拟结果进行对比分析，根据对比分析结果，调整温湿度传感器的布点位置。
[0031]所述步骤SOl至步骤S02，具体实现过程如下，
步骤S21:考虑太阳辐射对灰树花菇房的影响及灰树花菇房内部的温湿度控制系统，初步建立数值模拟的物理模型，并将灰树花菇房内空气流动的物理模型概括如下:流动流体为低速、常温、不可压缩流体；内部空气等压流动满足气体状态方程；内部空气流动采用Boussinesq假设；内部空气流动为混合对流瑞流流动或等温瑞流流动；
步骤S22:数学模型的建立:首先，对灰树花菇房内温度场进行数值模拟，得到与灰树花菇房内温度场数值模拟相关的质量、动量和能量守恒方程；其次，通过r - F模型，求出数值模拟的湍流控制方程，该湍流控制方程湍流动能方程和湍流耗散率方程；
步骤S23:采用CFD方法解决灰树花菇房温湿度流体力学问题:首先，进行灰树花菇房内温湿度场的数值模拟，其次，对灰树花菇房的几何模型进行网格划分，再而，进行边界条件的设置，最后，运行FLUENT，得到灰树花菇房内的温度场和湿度场分布情况。
[0032]所述边界条件包括灰树花菇房内外的空气边界条件、灰树花菇房墙体结构边界条件、灰树花菇房进风口边界条件及出风口边界条件。
[0033]所述步骤S05，具体过程如下，
步骤S51:通过SPSS检验所采集的温湿度测试数据是否满足正态分布，
步骤S52:对多组温湿度测试数据进行相关性分析；
步骤S53:根据步骤S51及步骤S52的分析结果，对温湿度传感器的布点位置进行调
難
iF.0
[0034]所述灰树花菇房温湿度监测系统由设置于灰树花菇房内的现场检测部分及设置于灰树花菇房外的监测部分组成；所述现场检测部分包括若干节点单片机、与该若干节点单片机连接的若干温湿度传感器和用于发送温湿度传感器所采集的温湿度数据的无线发送模块；所述监测部分包括主节点单片机、与该主节点单片机连接的用于接收温湿度数据的无线接收模块和上位机显示模块；所述温湿度传感器以阵列式排列的方式设置于灰树花菇房的各层菇架上，以形成温湿度传感器阵列。
[0035]以下为本发明的具体实施例。
[0036]如图1所不,本发明一种灰树花燕房温湿度传感器的布点方法,首先,米用CFD方法建立相应的灰树花菇房内温、湿度场的数学物理模型，考虑太阳辐射，菇房条件等因素，对给定的菇房几何形式(域)进行数值模拟，掌握菇房内部温度场和湿度场的分布情况，指导温湿度传感器的初步安装；设计灰树花菇房温湿度监测系统，测量菇房试验基地的菇房在温湿度控制系统运行条件下其内部的温度值和湿度值；并将灰树花菇房温湿度监测系统测得的温度、湿度数据，进行相应的数据处理；最后，对温湿度传感器的安装位置进行优化研究，确保用尽量少的温湿度传感器得到正确的温、湿度检测数据。
[0037]参考图2和图3，设计了灰树花菇房温湿度监测系统，并且在8月份连续多天，以“设施植物实验室”内菇房试验基地的菇房为实例，在温湿度控制系统运行条件下其内部的温度值和湿度值，并应用CFD方法对菇房内温、湿度场进行数值模拟，对比模拟结果与实验值，验证在菇房内温度和湿度分布的CFD模拟是可靠和合理的。[0038]将灰树花菇房温湿度监测系统测得的温度、湿度数据，进行相应的数据处理，对温湿度传感器的安装位置进行优化研究，确保用尽量少的温湿度传感器得到正确的温、湿度检测数据。
[0039]本发明的一种灰树花菇房温湿度传感器的布点方法的具体流程如下:
步骤SI，首先先考虑太阳辐射对菇房的影响，初步建立数值模拟的物理模型，图2、图4为灰树花菇房的物理简化模型示意图。对于本次实施样例用的灰树花菇房，当阳光照射到菇房的房顶上时，房顶的表面会反射或折射其中一部分太阳辐射，还有一部分太阳辐射会被其吸收。当菇房内部的平均温度超过一定的设定值时，灰树花菇房温湿度环境控制系统就会进行相应的控制，开启风机，在菇房内部形成负压，可以使菇房内外空气形成内循环，结合出风口的开启可以将菇房内外的空气进行对换。该检测方法主要研究菇房在其温湿度控制系统运行情况下，即风机、加湿器共同作用下，内部的温、湿度场的分布情况。
[0040]步骤S2:通过Boussinesq假设建立数值模拟的物理模型，灰树花菇房内的空气满足气体状态方程，方程如下:
P = pRT
式中.P-空气压力(Pa);,-空气密度(kg/m3);f1-空气常数，值约297J/kg ; -空气绝对温度(K)。
[0041]菇房内部空气流速看做是恒定的，则单位体积空气所具有的动能恒定，取菇房空气流动的压力为常数，可得到:
/? = constant
菇房内部空气流动速度基本为低速，从而将菇房内空气当作是不可压缩流体，可得
到:
VJ = H
进一步的，菇房内空气的温度，可相应的推断菇房内空气的密度变化也是不大，可将Bonssinesq假设应用于其内部空气的流动中。在动量守恒方程中，忽略密度的变化对压力
差项、粘性力项以及惯性力项的影响，只探讨其影响质量力项这点。可用冷面温度%作为重
力项中的参考温度，如下式表示为:
P=AMr-U
式中=Pc -与^相对应的流体温度，H -体积膨胀系数。
[0042]菇房内空气流动同时存在热压与风压，且墙体边角也会对其产生相应的限制，湍流流动是不可避免的。而且，进入菇房的空气与菇房内部的空气存在一定温差，因此菇房内强迫对流和自然对流并存，通风时也存在等温强迫流动。所以将菇房内空气流动的物理模型概括如下:流动流体为低速、常温、不可压缩流体；内部空气等压流动满足气体状态方程；内部空气流动采用Boussinesq假设；内部空气流动为混合对流瑞流流动或等温瑞流流动。
[0043]步骤S3:数学模型的建立，
首先得到数值模拟的相关数学方程，菇房内温度场数值模拟相关的数学方程主要有质量、动量和能量守恒方程，具体如下:基于质量守恒定律，得到相应的质量守恒方程:
【权利要求】
1.一种灰树花菇房温湿度传感器的布点方法，其特征在于:包括如下步骤， 步骤SOl:采用CFD方法建立灰树花菇房内的温度场和湿度场的数学物理模型，确定灰树花菇房CFD数值计算的控制方程、湍流运动方程及边界条件； 步骤S02:根据步骤SOl所建立的数学物理模型，对给定的灰树花菇房几何形式进行数值模拟，得到灰树花菇房内的温度场和湿度场分布情况； 步骤S03:根据灰树花菇房内部温度场和湿度场的分布情况，初步确定灰树花菇房内温湿度检测的测点位置，并设计灰树花菇房温湿度监测系统； 步骤S04:通过步骤S03灰树花菇房温湿度监测系统对灰树花菇房内部进行温湿度采集，得到多组温湿度测试数据； 步骤S05:将步骤S04获取的温湿度测试数据与步骤S02的数值模拟结果进行对比分析，根据对比分析结果，调整温湿度传感器的布点位置。
2.根据权利要求1所述的一种灰树花燕房温湿度传感器的布点方法，其特征在于:所述步骤SOl至步骤S02，具体实现过程如下， 步骤S21:考虑太阳辐射对灰树花菇房的影响及灰树花菇房内部的温湿度控制系统，初步建立数值模拟的物理模型，并将灰树花菇房内空气流动的物理模型概括如下:流动流体为低速、常温、不可压缩流体；内部空气等压流动满足气体状态方程；内部空气流动采用Boussinesq假设；内部空气流动为混合对流瑞流流动或等温瑞流流动； 步骤S22:数学模型的建立:首先，对灰树花菇房内温度场进行数值模拟，得到与灰树花菇房内温度场数值模拟相关的质量、动量和能量守恒方程；其次，通过K - F模型，求出数值模拟的湍流控制方程，该湍流控制方程湍流动能方程和湍流耗散率方程; 步骤S23:采用CFD方法解决灰树花菇房温湿度流体力学问题:首先，进行灰树花菇房内温湿度场的数值模拟，其次，对灰树花菇房的几何模型进行网格划分，再而，进行边界条件的设置，最后，运行FLUENT，得到灰树花菇房内的温度场和湿度场分布情况。
3.根据权利要求2所述的一种灰树花燕房温湿度传感器的布点方法,其特征在于:所述边界条件包括灰树花菇房内外的空气边界条件、灰树花菇房墙体结构边界条件、灰树花菇房进风口边界条件及出风口边界条件。
4.根据权利要求1所述的一种灰树花燕房温湿度传感器的布点方法，其特征在于:所述灰树花菇房温湿度监测系统由设置于灰树花菇房内的现场检测部分及设置于灰树花菇房外的监测部分组成；所述现场检测部分包括若干节点单片机、与该若干节点单片机连接的若干温湿度传感器和用于发送温湿度传感器所采集的温湿度数据的无线发送模块；所述监测部分包括主节点单片机、与该主节点单片机连接的用于接收温湿度数据的无线接收模块和上位机显示模块。
5.根据权利要求4所述的一种灰树花燕房温湿度传感器的布点方法,其特征在于:所述温湿度传感器以阵列式排列的方式设置于灰树花菇房的各层菇架上，以形成温湿度传感器阵列。
6.根据权利要求1所述的一种灰树花燕房温湿度传感器的布点方法，其特征在于:所述步骤S05，具体过程如下， 步骤S51:通过SPSS检验所采集的温湿度测试数据是否满足正态分布，步骤S52:对多组温湿度测试数据进行相关性分析；步骤S53:根据步骤S51及步骤S52的分析结果，对温湿度传感器的布点位置进行调整。
【文档编号】G05D27/02GK103995553SQ201410265693
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月14日 优先权日:2014年6月14日
【发明者】叶大鹏, 李海芸, 童向亚, 胡洪钧, 许伟 申请人:福建农林大学