智能化溫室控制的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李娜　孔德志

【摘 要】隨著計算機(jī)智能控制技術(shù)和自動化程度的迅速發(fā)展，智能控制在我國得到了更加廣泛的應(yīng)用。本文介紹了國內(nèi)外溫室控制的現(xiàn)狀，分析了我國溫室控制存在的問題，并對溫室控制的發(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)展帶來了新的契機(jī)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)非常依賴于溫室環(huán)境，溫室是一個獨(dú)立的為農(nóng)作物生長創(chuàng)造環(huán)境的設(shè)施，由于農(nóng)作物的培育對于溫度、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)的自動化控制系統(tǒng)，所以智能溫度控制系統(tǒng)對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展有非常重要的意義。

智能溫室是專門為農(nóng)業(yè)溫室、農(nóng)業(yè)環(huán)境控制等開發(fā)生產(chǎn)的智能控制系統(tǒng)。可測量溫度、濕度、光照、氣壓、紫外線、土壤溫濕度以及CO2濃度等農(nóng)業(yè)環(huán)境要素。

將自動化控制系統(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)植物生長的環(huán)境，再通過控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，由一些控制器來進(jìn)行自動化控制，從而調(diào)節(jié)到適合農(nóng)作物生長的環(huán)境。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

溫室控制技術(shù)在國外的發(fā)展要追溯到羅馬時期。從20世紀(jì)70年代開始，計算機(jī)控制技術(shù)也開始應(yīng)用到溫室控制當(dāng)中，最開始是用現(xiàn)場采集技術(shù)，發(fā)展到后來應(yīng)用了較為高級的分布式控制系統(tǒng)。目前，美國已經(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)國家在溫室控制方面都有較為深入的研究。

國內(nèi)外對溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研究也為其帶來的飛速的發(fā)展，在控制手段的技術(shù)上經(jīng)歷了“手動—自動機(jī)械—分散電動—集中電子—計算機(jī)集成”五個階段。其中，溫室控制系統(tǒng)的難點(diǎn)在于對環(huán)境參數(shù)的采集，然后針對于環(huán)境做出相應(yīng)的控制動作，這對于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)來說是一個挑戰(zhàn)。從20世紀(jì)80年代開始，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個行業(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)也帶來了巨大的革新，人們已經(jīng)不滿足于自動化控制，而是追求全自動化、無人化控制，例如荷蘭在生產(chǎn)它們作為標(biāo)志性的花卉及蔬菜時，自動化控制占85%。針對于一些較為復(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，英國有一家專門機(jī)構(gòu)來進(jìn)行研究，這樣，全自動化溫室控制技術(shù)就能更便捷的發(fā)展。目前日本研究出無人化的溫室大棚，對只能溫室控制及現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展都帶來了新的啟發(fā)。

總的來說，國外在溫度控制系統(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，以及無人化的實現(xiàn)。但溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還有很多問題亟待解決，因為農(nóng)作物的生長有許多經(jīng)驗性的因素存在，所以要達(dá)到完全的自動化生產(chǎn)還需要更多的仿真數(shù)據(jù)及實踐研究。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國將溫室應(yīng)用于農(nóng)作物生長起步較晚。20世紀(jì)60年代簡易塑料大棚開始出現(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，全國有節(jié)能型日光溫室115萬畝，大棚400萬畝，總面積達(dá)515萬畝。直到近幾年，溫室種植技術(shù)才開始廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而溫室自動控制系統(tǒng)能夠大大提高溫室的工作效率，現(xiàn)在國內(nèi)許多機(jī)構(gòu)都在著手研究，但是溫室自動控制系統(tǒng)主要問題有以下幾點(diǎn)：

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

（2）技術(shù)要求高，一般用戶不易掌握，限制了其使用范圍。

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

所以，研究出一個適合我國氣候環(huán)境，并且能夠推廣開來的溫室自動控制系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。基于上述各類因素，我國農(nóng)業(yè)自動化領(lǐng)域的學(xué)者在吸收了外國智能溫室技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了我國溫室環(huán)境中各種參數(shù)變化的研究。從而越來越多的溫室自動控制系統(tǒng)產(chǎn)品問世，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，國內(nèi)智能溫度控制技術(shù)的發(fā)展正逐漸成型。

2 我國溫室存在的主要問題

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

（2）技術(shù)單一。目前的技術(shù)研究僅限于單個溫室，沒有針對于多個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題。

（3）通信方式落后。目前，我國溫室測控系統(tǒng)的通信主要是485總線以及CAN總線等有線方式。因為有線通信方式存在諸多弊端，例如布線復(fù)雜，空間限制級故障率高，維修維護(hù)復(fù)雜等等。而現(xiàn)在由于無線傳感技術(shù)正逐漸成熟，無線通信技術(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)驗因素，溫度控制系統(tǒng)則需要更多的農(nóng)業(yè)專家進(jìn)行實時控制管理系統(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。而這些材料沒有國家統(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%，而自動化溫度控制需要對溫度、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，沒有大型的機(jī)械等輔助進(jìn)行生產(chǎn)等行為的實施。

3 智能溫室控制的發(fā)展趨勢

智能溫室控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來了便利，而放眼未來，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。也將會有越來越高科技的產(chǎn)品的出現(xiàn)來促進(jìn)農(nóng)業(yè)及自動化行業(yè)的發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要從以下幾個方面

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

（2）相對簡單的操作終端，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的操作者并非自動化行業(yè)的從業(yè)者，所以相對簡單的用戶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，從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的角度出發(fā)，會有越來越多的功能加入，所以智能溫室控制系統(tǒng)需要更加的有可開發(fā)性。

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[責(zé)任編輯：王楠]