智能化溫室控制的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

李娜　孔德志

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)和自動(dòng)化程度的迅速發(fā)展，智能控制在我國(guó)得到了更加廣泛的應(yīng)用。本文介紹了國(guó)內(nèi)外溫室控制的現(xiàn)狀，分析了我國(guó)溫室控制存在的問(wèn)題，并對(duì)溫室控制的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】溫室；智能控制；現(xiàn)狀；發(fā)展方向

【Abstract】With the rapid development of Computer Intelligent control technology and Automatic level， intelligent control has been widely used in China. This article introduced current situation of the domestic and international greenhouse control technology， analyzed the problems of greenhouse control and finally summarized the development direction.

【Key words】Green House； Intelligent Control； Current Situation； Development Direction

0 引言

自動(dòng)化行業(yè)的飛速發(fā)展為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)非常依賴(lài)于溫室環(huán)境，溫室是一個(gè)獨(dú)立的為農(nóng)作物生長(zhǎng)創(chuàng)造環(huán)境的設(shè)施，由于農(nóng)作物的培育對(duì)于溫度、濕度、CO2濃度等參數(shù)的要求很高，所以溫室管理需要引入更為先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，所以智能溫度控制系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展有非常重要的意義。

智能溫室是專(zhuān)門(mén)為農(nóng)業(yè)溫室、農(nóng)業(yè)環(huán)境控制等開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的智能控制系統(tǒng)?？蓽y(cè)量溫度、濕度、光照、氣壓、紫外線(xiàn)、土壤溫濕度以及CO2濃度等農(nóng)業(yè)環(huán)境要素。

將自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用于溫室當(dāng)中，使得溫室內(nèi)大氣、土壤、光照、CO2濃度、風(fēng)向、風(fēng)速等參數(shù)的采集更加準(zhǔn)確，從而模擬出最適合的棚內(nèi)植物生長(zhǎng)的環(huán)境，再通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，由一些控制器來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化控制，從而調(diào)節(jié)到適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

溫室控制技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展要追溯到羅馬時(shí)期。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用到溫室控制當(dāng)中，最開(kāi)始是用現(xiàn)場(chǎng)采集技術(shù)，發(fā)展到后來(lái)應(yīng)用了較為高級(jí)的分布式控制系統(tǒng)。目前，美國(guó)已經(jīng)將眾多新型技術(shù)應(yīng)用到溫室生產(chǎn)當(dāng)中，包括全球定位控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和遙感技術(shù)等。除此之外，許多發(fā)達(dá)國(guó)家在溫室控制方面都有較為深入的研究。

國(guó)內(nèi)外對(duì)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研究也為其帶來(lái)的飛速的發(fā)展，在控制手段的技術(shù)上經(jīng)歷了“手動(dòng)—自動(dòng)機(jī)械—分散電動(dòng)—集中電子—計(jì)算機(jī)集成”五個(gè)階段。其中，溫室控制系統(tǒng)的難點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集，然后針對(duì)于環(huán)境做出相應(yīng)的控制動(dòng)作，這對(duì)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，也包括溫度控制系統(tǒng)當(dāng)中。

目前世界制造業(yè)的迅猛發(fā)展為溫度控制系統(tǒng)也帶來(lái)了巨大的革新，人們已經(jīng)不滿(mǎn)足于自動(dòng)化控制，而是追求全自動(dòng)化、無(wú)人化控制，例如荷蘭在生產(chǎn)它們作為標(biāo)志性的花卉及蔬菜時(shí)，自動(dòng)化控制占85%。針對(duì)于一些較為復(fù)雜的參數(shù)，例如溫室材料、結(jié)構(gòu)、載荷、微環(huán)境（包括溫濕度、通風(fēng)、光照、CO2濃度等）等，英國(guó)有一家專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行研究，這樣，全自動(dòng)化溫室控制技術(shù)就能更便捷的發(fā)展。目前日本研究出無(wú)人化的溫室大棚，對(duì)只能溫室控制及現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展都帶來(lái)了新的啟發(fā)。

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)外在溫度控制系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)非常的深入，包括參數(shù)采集，控制方式的升級(jí)，以及無(wú)人化的實(shí)現(xiàn)。但溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還有很多問(wèn)題亟待解決，因?yàn)檗r(nóng)作物的生長(zhǎng)有許多經(jīng)驗(yàn)性的因素存在，所以要達(dá)到完全的自動(dòng)化生產(chǎn)還需要更多的仿真數(shù)據(jù)及實(shí)踐研究。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)將溫室應(yīng)用于農(nóng)作物生長(zhǎng)起步較晚。20世紀(jì)60年代簡(jiǎn)易塑料大棚開(kāi)始出現(xiàn)。70年代之后，新型的節(jié)能型日光溫室技術(shù)慢慢普及，發(fā)展至1981年，保護(hù)地的面積約為1.6萬(wàn)公頃，占種植面積的4.35%，其中溫室僅僅1500公頃，占蔬菜種植面積0.4%。到了1994年，全國(guó)有節(jié)能型日光溫室115萬(wàn)畝，大棚400萬(wàn)畝，總面積達(dá)515萬(wàn)畝。直到近幾年，溫室種植技術(shù)才開(kāi)始廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠大大提高溫室的工作效率，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)許多機(jī)構(gòu)都在著手研究，但是溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

（1）投入產(chǎn)出低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差，并且引進(jìn)價(jià)格高。

（2）技術(shù)要求高，一般用戶(hù)不易掌握，限制了其使用范圍。

（3）不適合我國(guó)氣候的特征。從國(guó)外引進(jìn)的溫室不能適合我國(guó)的運(yùn)行模式，從而在氣候特征方面不能完全契合。

所以，研究出一個(gè)適合我國(guó)氣候環(huán)境，并且能夠推廣開(kāi)來(lái)的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急?；谏鲜龈黝?lèi)因素，我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的學(xué)者在吸收了外國(guó)智能溫室技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了我國(guó)溫室環(huán)境中各種參數(shù)變化的研究。從而越來(lái)越多的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)品問(wèn)世，也有相當(dāng)一部分產(chǎn)品應(yīng)用于一些農(nóng)業(yè)示范園，甚至應(yīng)用到量產(chǎn)的農(nóng)作物溫室當(dāng)中。目前，國(guó)內(nèi)智能溫度控制技術(shù)的發(fā)展正逐漸成型。

2 我國(guó)溫室存在的主要問(wèn)題

（1）起步晚、科技水平低。我國(guó)機(jī)械栽培技術(shù)起步晚、基礎(chǔ)差，生產(chǎn)設(shè)備不規(guī)范，沒(méi)有完整的成套電器設(shè)備，也沒(méi)有完善的自動(dòng)化生產(chǎn)體系。

（2）技術(shù)單一。目前的技術(shù)研究?jī)H限于單個(gè)溫室，沒(méi)有針對(duì)于多個(gè)溫室的集中控制系統(tǒng)，目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展有希望解決這一問(wèn)題。

（3）通信方式落后。目前，我國(guó)溫室測(cè)控系統(tǒng)的通信主要是485總線(xiàn)以及CAN總線(xiàn)等有線(xiàn)方式。因?yàn)橛芯€(xiàn)通信方式存在諸多弊端，例如布線(xiàn)復(fù)雜，空間限制級(jí)故障率高，維修維護(hù)復(fù)雜等等。而現(xiàn)在由于無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)正逐漸成熟，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有望更多的應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)中。

（4）缺少合適的上位機(jī)管理系統(tǒng)。目前的溫室控制系統(tǒng)中，一些上位機(jī)只限于存儲(chǔ)采集的歷史數(shù)據(jù)，而之前提到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要許多經(jīng)驗(yàn)因素，溫度控制系統(tǒng)則需要更多的農(nóng)業(yè)專(zhuān)家進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理系統(tǒng)。

（5）設(shè)施抵御自然災(zāi)害的能力差。目前大多建筑材料包括鋼材、玻璃等等。而這些材料沒(méi)有國(guó)家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，且應(yīng)用率不高，僅占設(shè)施栽培面積的10%，而自動(dòng)化溫度控制需要對(duì)溫度、濕度、光照等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而一些自己建造的塑料設(shè)施并不能實(shí)現(xiàn)這些要求，所以設(shè)施的規(guī)范化是目前亟待解決的問(wèn)題。

（6）機(jī)械化水平不高。目前，在操作方面還是以人工為主，沒(méi)有大型的機(jī)械等輔助進(jìn)行生產(chǎn)等行為的實(shí)施。

3 智能溫室控制的發(fā)展趨勢(shì)

智能溫室控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了便利，而放眼未來(lái)，為了完善和加強(qiáng)智能溫室控制系統(tǒng)技術(shù)，還有許多方面需要進(jìn)行研究。也將會(huì)有越來(lái)越高科技的產(chǎn)品的出現(xiàn)來(lái)促進(jìn)農(nóng)業(yè)及自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要從以下幾個(gè)方面

（1）越來(lái)越多的參數(shù)檢測(cè)及控制，除了溫度濕度及氣體濃度等常見(jiàn)的參數(shù)，還需要針對(duì)于不同農(nóng)作物的多種參數(shù)進(jìn)行控制。

（2）相對(duì)簡(jiǎn)單的操作終端，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的操作者并非自動(dòng)化行業(yè)的從業(yè)者，所以相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶(hù)操作界面也非常重要。

（3）便于維護(hù)維修，由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，故障點(diǎn)也較多，所以需要便捷的維護(hù)維修。

（4）系統(tǒng)便于升級(jí)，從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的角度出發(fā)，會(huì)有越來(lái)越多的功能加入，所以智能溫室控制系統(tǒng)需要更加的有可開(kāi)發(fā)性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭世榮，等.我國(guó)設(shè)施園藝概況及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)蔬菜，2012（18）：1-14.

[2]農(nóng)業(yè)部設(shè)施園藝發(fā)展對(duì)策研究課題組.我國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)策研究[J].現(xiàn)代園藝，2011（4）：13-16.

[3]周長(zhǎng)吉，編著.現(xiàn)代溫室工程-第二版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[4]田宏武，申長(zhǎng)軍，鄭文剛，等.基于溫濕度的多模式溫室設(shè)備控制策略設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35（9）：120-124.

[5]卜清，汪小旵.低成本簡(jiǎn)易溫室控制系統(tǒng)的研究[J].節(jié)能技術(shù)，2007（2）：121-127.

[責(zé)任編輯：王楠]