2. 智能温室环境参数与监控需求分析
智能温室HMI监控画面的设计，起点不是“画得好看”，而是“把哪些环境因子、以什么形式、在什么条件下呈现给操作者”。温室是一个多因子耦合的受控生态系统，温度、湿度、光照、CO₂浓度与土壤参数彼此影响，又共同决定作物光合、蒸腾、呼吸与养分吸收的效率。如果画面只罗列传感器读数，操作者很难判断“当前是否偏离目标、偏离多少、该先动哪个执行机构”。因此本节先梳理关键环境因子的物理含义与作物响应，再据此推导监控画面必须承载的数据类型、组织方式与报警需求。
一、五类关键环境因子及其对作物的影响
温度是决定作物代谢速率的核心因子。它同时存在“空气温度”和“根区温度”两个层面：气温影响光合与呼吸的平衡，根温影响根系吸收水分和养分的能力。以番茄为例，白天适宜气温约22～28℃，夜间13～18℃，超过32℃花粉活力下降、坐果率降低，低于10℃生长基本停滞。温室中温度呈明显分层，顶部与冠层、冠层与地面之间存在梯度，因此监控画面上的温度不应只有一个数字，而应体现测点位置。
空气湿度通常以相对湿度（RH）表示，它直接控制叶片蒸腾与病害发生。RH长期高于85%时，叶面结露、灰霉病与霜霉病风险显著上升；RH低于50%则蒸腾过强，可能出现萎蔫与气孔关闭。湿度与温度强耦合——升温会降低RH，通风会同时改变两者，所以画面中温湿度应并置呈现，便于观察二者的联动。
光照是光合作用的能量来源，工程上关注光照强度（lux或PPFD，μmol·m⁻²·s⁻¹）与日累积光量（DLI，mol·m⁻²·d⁻¹）。多数果菜类作物DLI适宜区间约12～20 mol·m⁻²·d⁻¹，阴天不足时需补光，强光高温时需遮阳。光照还影响冠层温度与蒸腾，是判断“是否需要遮阳/补光”的直接依据。
CO₂浓度是光合速率的限制因子。大气CO₂约400～420 ppm，温室密闭后白天可降至200 ppm以下，成为光合瓶颈；而补充至800～1000 ppm可显著提高产量。但CO₂浓度过高（如超过1500 ppm）既浪费又对人员有窒息风险，因此它既是“调控参数”也是“安全参数”。
土壤参数包括土壤含水量（体积含水率VWC或基质含水率）、EC值（电导率，反映可溶性盐浓度）、pH值与根区温度。含水量决定水分供给，EC过高会造成盐胁迫、根系吸水困难，pH偏离5.5～6.5会阻碍养分有效性。无土栽培中这些参数由基质传感器或灌溉液监测获得，是灌溉决策的直接输入。
二、从因子到画面：数据类型的分层组织
监控画面需要呈现的数据可分为四层：实时值（当前测量值）、目标值与偏差（设定值与实测值之差）、趋势（近1小时/24小时的曲线）、状态与统计（设备状态、日累积量、超限次数）。只给实时值，操作者无法判断变化方向；只给曲线，又难以快速读取精确数值。合理的做法是“数值+偏差色标+迷你趋势”三者结合。
以温度卡片为例，可设计为：主数值显示当前气温26.4℃，副标注设定值25.0℃与偏差+1.4℃，背景色按偏差区间着色（±1℃内为绿、1～3℃为黄、超过3℃为红），右侧附一条近1小时趋势线。这样操作者一眼即可完成“读数—判断—定位”三步。同理，湿度卡片应同时显示RH与露点温度，因为露点更直接反映结露风险；CO₂卡片应显示浓度与“是否处于补气窗口”；土壤卡片应显示含水率、EC与pH三个子值。
三、报警需求的分级设计
报警不是“越多越好”，而是要与作物的耐受边界和执行机构的响应能力匹配。建议按三级设计：提示级（黄色，偏离目标但仍在适宜区间，如温度偏差1～3℃）、警告级（橙色，接近耐受边界，如RH达85%）、严重级（红色，已越过耐受边界或存在安全风险，如CO₂超过1500 ppm、温度超过35℃）。每级报警应绑定明确的触发条件、延时确认时间与建议动作，避免传感器瞬时抖动造成误报——例如温度报警可设30秒持续超限才触发。
此外还需区分工艺报警与设备故障报警：前者是环境参数越限，后者是传感器断线、执行器无反馈、通信中断。两类报警在画面上应有不同的视觉通道（如参数越限用色块，设备故障用图标+文字），否则操作者无法快速区分“环境出了问题”还是“测量本身不可信”。
四、教学示例：番茄温室夏季午间的参数判读
假设某番茄温室夏季午间采集到一组数据（示例假设值）：气温31.2℃、设定28.0℃；RH 62%、露点23.5℃；PPFD 1150 μmol·m⁻²·s⁻¹；CO₂ 380 ppm；基质含水率58%、EC 2.6 mS/cm、pH 6.1。按前述规则判读：温度偏差+3.2℃已进入警告级，且PPFD偏高，说明强光导致冠层升温，应优先启动遮阳而非单纯通风；RH 62%尚在适宜区，但露点23.5℃接近气温，若继续升温需警惕局部结露；CO₂ 380 ppm在强光下明显不足，光合受限，应开启CO₂补充至800 ppm左右；EC 2.6 mS/cm略偏高，可结合含水率58%判断是否需要一次小幅淋洗。这一组判读说明：画面必须让五个因子同屏可见、偏差可读、趋势可查，操作者才能做出“先遮阳、再补碳、后调灌溉”的排序决策，而不是逐个卡片孤立处理。
五、监控画面的组织原则
基于以上分析，画面组织应遵循三条原则。第一，按作物分区而非按传感器编号组织：同一栽培区的温、湿、光、CO₂、基质参数应聚合为一个“区卡片”，避免操作者在几十个测点间跳转。第二，偏差优先于绝对值：颜色、箭头、进度条都应围绕“与目标的距离”设计，因为操作者关心的是“要不要动”。第三，报警可追溯：每条报警应记录触发时间、持续时长、当时的相关参数快照与操作者确认状态，便于事后复盘是环境异常还是控制策略不当。
需要强调的是，本节给出的温度、湿度、CO₂、EC等区间均为教学示例，真实项目中必须依据作物品种、生育阶段、栽培基质与当地气候进行标定，并通过一段时间的运行数据修正报警阈值。监控需求分析的成果，最终应落实为一份“参数—测点—目标值—报警阈值—建议动作”的对照表，作为后续画面布局与组态实现的输入。