淺談溫室環境監控系統的現狀及發展趨勢

薄英男，郭 輝，張學軍，劉 宇，楊相飛，盛 會，陳恒峰

（1.新疆農業大學機械交通學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室）

淺談溫室環境監控系統的現狀及發展趨勢

薄英男1，2，郭 輝1，2，張學軍1，2，劉 宇1，2，楊相飛1，2，盛 會1，2，陳恒峰1，2

（1.新疆農業大學機械交通學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室）

溫室大棚內部溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境因素與植物生長有密切的關系，適宜的環境能促進植物生長甚至縮短植物生長周期，因此溫室大棚環境監測對指導作物種植具有重要意義。文中介紹了國內外溫室大棚環境監控系統的發展現狀，分析了溫室大棚環境監控系統的結構及我國溫室大棚環境監控系統存在的主要問題，提出了溫室大棚環境監控系統的發展趨勢。經濟可靠的溫室大棚環境監測系統的應用可以提高我國溫室大棚的生產效率。對于溫室大棚環境監測系統的發展狀況的詳細了解有利于溫室監測系統的研究與發展。

溫室大棚；環境因素；單片機；傳感器

0 引言

溫室大棚內部環境與其內部植物生長密切相關，當環境不適宜時會影響作物生長速度引發病蟲害甚至作物死亡，給溫室大棚所有者造成嚴重的經濟損失，因此對溫室大棚內部環境進行監控有十分重要的意義[1]。

溫室大棚內部環境因素在外部環境影響和內部設備調控的作用下不停的發生變化。及時了解溫室大棚內部溫度、濕度及各種氣體濃度等環境因素的變化，可以幫助我們了解植物的生長狀況，根據植物不同生長階段對環境的需求不同做出調整，滿足植物的生長要求。我國大部分地區緯度較高，地理特征復雜多樣，四季溫度變化較大，靠人工經驗很難對溫室大棚環境做出準確的判斷。將環境檢測系統應用于溫室大棚內部，可以準確的檢測溫室大棚內部溫度、濕度、氨氣濃度等環境因素。根據溫室大棚監測系統的檢測結果，及時調整溫室內部水泵、煤爐等設備可以節約資源[3]，還能減輕人工勞動量。

1 國內外溫室大棚監控系統發展現狀

1.1 國外溫室大棚監控系統的發展現狀

國外在20紀70年代開始用簡易手動測量工具如溫度計、濕度計等對溫室大棚環境進行測量記錄，這種方式勞動量大而且易出現錯誤。20世紀80年代，隨著電子技術的發展人們開始應用單片機、PLC、傳感器及計算機等組建系統，對溫室大棚環境進行檢測[6]。這一時期出現了很多溫室大棚模型，其中比較有代表性的是荷蘭的文洛型。以色列、日本、英國、荷蘭等發達國家在電子計算機、通訊、傳感器等領域的科技較為發達，而且對于農業方面的研究投入較多，在溫室大棚智能化技術研究及溫室大棚環境監控方面的研究水平較高[7]。美國、荷蘭、以色列等發達國家能夠實現對溫室大棚內溫度、濕度等環境因素的計算機監控，從育苗、栽培到收獲加工逐漸形成了完整的技術體系[8]。美國是最早將計算機技術應用于溫室大棚環境監控研究的國家，利用其在計算機電子方面的領先科技，設計出迄今為止領先的獨立封閉溫室大棚智能監控系統。荷蘭在20世紀將計算機大量應用于溫室大棚監控系統，實現了對溫室大棚的集中化管理。以色列的溫室大棚的發展經歷了三個階段，能夠實現溫室大棚的供水、施肥、環境的自動化管控。目前國外計算機技術、無線通訊技術和圖像處理技術的不斷發展促進了溫室大棚環境監測系統向智能化方向發展[9]。國外溫室大棚產業已走向商業化，溫室大棚的生產形成了一定的行業標準。國外溫室大棚計算機監控系統可以根據作物的特點和生長所需要的條件，對大棚內的光照、溫度、濕度等環境因素進行自動調節。這種調節根據溫室大棚內植物的生長規律設定參數，通過傳感器的檢測值與計算機中的設定參數相對比，根據對比結果由計算機控制相應設備對溫室大棚澆水、光照控制、加溫、施肥等。近年來國外還利用衛星遙感技術、計算機通訊技術、有線及無線局域網等技術的發展，把溫室大棚監測系統連接在一起，通過計算機網絡實現對溫室大棚的遠程化和大規模管理[10]。國外溫室大棚的生產大多是工廠化模式，機械化程度很高，從育種、移栽到澆水、施肥等全部靠機械來完成，極大地提高了勞動生產率，減輕了勞動量[11～12]。近年來機器人等人工智能技術的發展也促進了溫室大棚生產向無人化方向發展。

1.2 國內溫室大棚監控系統的發展現狀

我國溫室大棚的生產一直靠經驗進行，這種傳統方式比較簡單粗放，效率低下。20世紀70年代起，開始陸續從西方發達國家購買溫室配套設備，這些設備當時大多用于科研機構實驗研究及珍貴植物種植的溫室大棚內部[13]。20世紀90年代，我國開始從國外引進成套的現代化的連棟溫室大棚，總面積達到140 hm2，由計算機管理，科技含量較高，人工勞動強度較低。由于成本較高，這些溫室大棚一般用于科學研究使用，很少用于實際的生產。我國在20世紀90年代研發出一些溫室大棚系統，如河北職業技術學院的溫濕度檢測系統、合肥機械研究所DTR軟件及智能控制系統、中國農業大學的WJG-1系統、河南農科院的GCS-I系統、中國農業大學的計算機分布式系統等[14]。這些系統都是基于工業計算機或單片機協調管理，取得了很大進展。溫室大棚監測系統的成本隨著計算機、電子元器件的價格迅速下降而不斷降低，我國溫室大棚監控系統開始應用于部分生產花卉、中草藥的高檔溫室大棚中。但由于我國溫室大棚監控系統的研究起步較晚，溫室大棚監控技術整體落后于國外先進水平。

2 溫室大棚監控系統結構分類

（1）總-分機結構：系統有多個處理模塊，其中一個模塊為總控模塊。總控模塊對其他模塊發送的數據進行處理，協調各模塊的工作，管理其他模塊及設備。這種系統可以對成片溫室群進行管理，系統穩定性較好。該系統結構比較復雜，系統維護困難，成本較高。

（2）非總-分機結構：系統只有一個處理模塊，此模塊采集并對數據進行處理，管理其他設備。這種系統結構簡單，使用方便，價格便宜，但系統對處理器模塊的CPU要求較高，系統內部一旦出現故障，整個系統都會受到影響。

（3）處理器模塊：處理器模塊種類、型號較多，常用的有工業計算機、單片機、PLC等。工業計算機的結構、接口已經標準化，使用方便，功能強大，能滿足復雜系統的設計要求，但價格較高。單片機成本較低，使用靈活，組建大型的系統時電路設計復雜，維護不便。PLC使用方便，通用性較好，但價格較高。

3 我國溫室監控系統存在的主要問題

（1）我國溫室大棚監測系統智能化水平較低，系統的精確性和穩定性差[15]，很多地方不夠完善，大部分都處于實驗階段。

（2）我國從國外引進了溫室大棚監控系統，雖然這些系統的智能化水平較高，但價格昂貴，能耗較大，系統的調節、參數的修改、系統的維護等較困難。很多系統不能適應我國的氣候特點，甚至與我國氣候相沖突[16]，最后不得不面臨關閉。

（3）溫室大棚監控系統大都是基于計算機開發設計的，對于管理人員的專業知識要求較高[17]。我國中小型溫室大棚的管理者缺乏相關專業知識，因此在這些系統的操作使用上有一定的困難。

（4）目前我國溫室大棚以中小型塑料大棚為主，溫室大棚的管理靠經驗。溫室大棚監控系統大都用于科研和名貴花卉的生產，雖然隨著計算機、PLC、單片機等電子產品的價格下降，溫室大棚監測控系統成本有所降低，但是中小型所有者仍然難以承受溫室大棚監控系統投入。

4 溫室大棚環境監控系統的發展趨勢

（1）高智能化：隨著經濟的發展和國家的鼓勵引導和資金支持，溫室大棚的規模不斷擴大，數量不斷增加，需要管理的范圍加大，因此需要利用溫室大棚監控系統對大量數據進行采集、分析和處理。當系統內部出現故障自動報警，并對故障自行診斷，通過對比與預置數據對比后對溫室進行相應的管理。隨著計算機人工智能技術的不斷發展，溫室大棚的智能化程度將不斷提高，溫室大棚的工作管理人員將逐步減少，并逐步實現溫室大棚生產的無人化。

（2）易于操作維護：我國目前溫室大棚監控系統缺乏定性產品，溫室大棚監控系統以普通計算機或工業計算機為操控中心，計算機與單片機、PLC等協同管理。溫室大棚監控系統缺乏配套的計算機軟件，單片機等硬件電路結構、接口沒有統一標準，更換維護不便。隨著溫室大棚監控系統的不斷發展，溫室大棚系統的計算機操作界面將朝著人性化、一鍵式操作方向發展，參數的設定修改更加便捷；單片機等硬件電路將形成固定的模塊，統一的接口形式維護更加方便。

（3）網絡化：目前借助手機、電腦等設備及相關軟件能夠實現溫室大棚內簡單環境數據的短信發送及網絡傳輸。歐美發達國家已經實現了溫室大棚的部分網絡化管理，網絡化程度不斷提高。借助于各種網絡終端把溫室大棚內部各種設備接入網絡，把所有信息匯總到一臺計算機，對大片溫室進行管理，隨著網絡化的提高效率也不斷提高。

（4）系統價格不斷降低：現有溫室大棚監控系統大都用于科學研究和一些栽培高端作物的溫室中，農民自建溫室大棚還沿用手工方式進行操作，其中一個重要的原因就是現有系統價格比較昂貴，超出了中小型溫室大棚所有者的負擔能力。隨著電子產品價格不斷降低和溫室大棚監控系統的廣泛應用，溫室大棚監控系統的價格將不斷下降。

5 結論

溫室大棚因其經濟效益優于傳統種植業，已經成為我國農業的重要重要部分，無論是對促進農民增收還是緩解冬季蔬菜瓜果供應問題都有重要意義。目前我國溫室大棚的面積已經躍居世界第一，隨著經濟的發展溫室大棚的數量和規模還將不斷增長。我國目前用于蔬菜、水果等生產的溫室大棚仍使用手動工具測量的方法，勞動量大且測量結果易出錯。溫室大棚監控系統可以極大提高生產率，減輕管理人員的勞動量，增加產量、節約資源。溫室大棚管理的智能化及無人化植物工廠是科技發展的必然結果，并將逐漸改變原有溫室大棚的生產方式。

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Present Situation and Development Trend of Greenhouse EnvironmentMonitoring System

BOYing-nan1，2,GUOHui1，2,ZHANGXue-jun1，2,LIUYu1，2,YANGXiang-fei1，2,SHENG Hui1，2, CHENHeng-feng1，2

(1.Mechanical and Traffic College,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,830052,China;2.Key Laboratory of Xinjiang Agricultural Equipment Innovation Design Laboratory）

The greenhouse internal temperature,hum idity,carbon dioxide concentration and other environmental factorshas close relationship w ith plantgrow th,the rightenvironment can promote plantgrow th or even shorten the plantgrow th cycle,so thegreenhouseenvironmentmonitoring hasavery importantsignificance.Economicaland reliable application greenhouse environmentmonit oring system can improve the production efficiency of the greenhouse.Formore information about the developmentofgreenhouse environmentmonitoring system isconducive to research and developmentof the greenhouse monitoring system.

Greenhouse;Environmental factors;SCM;Sensor

1007-7782（2016）05-0037-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.05.010

S625.5

A

2016-10-10

新疆維吾爾自治區高技術研究發展項目（201411110）

郭輝