溫室環境監控系統的發展歷史及趨勢

胡東亞+童孟軍

摘 要： 隨著各國現代化農業的不斷發展，溫室大棚開始廣泛應用于各種作物的種植。溫室大棚環境監控系統對于農業生產工作效率的提高起到了巨大的推動作用。本文主要介紹國內外溫室大棚環境監控系統的歷史及發展趨勢，分析該技術存在的主要問題，并指出其發展方向，為我國設施農業發展提供借鑒。

關鍵詞： 溫室監控系統； 農業生產； 歷史； 發展趨勢

中圖分類號：S625.3 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）03-06-04

Abstract： With the development of modern agriculture， greenhouses have been widely applied in various crops planting. Greenhouse environment monitoring system plays a huge role in the promotion of agricultural production working efficiency. This article deals with the development history and trend of greenhouse monitoring system at home and abroad， makes analysis on the existent problems and development trend so as to provide reference for the growth of China's facility agriculture.

Key words： greenhouse monitoring system； agricultural production； history； trend

0 引言

農業是國家重要的支柱產業，我國作為世界第一農業大國，農業生產在經濟建設和社會發展中占有舉足輕重的地位。良好的氣候與生態環境條件是農業生產的重要保障，而我國幅員遼闊，氣候與生態環境條件相對惡劣，制約農業的發展。我國人多地少，人均占有耕地面積不及世界平均水平的三分之一，在21世紀的未來一段時間內，我國人口將持續增長，而耕地面積卻正在逐年減少。研究如何用較少的土地去養活更多的人口以解決這一尖銳矛盾具有戰略意義。作物受地域適應性、季節性及自然災害的影響比較大，在純自然的條件下，大部分時間不能進行正常農業生產，造成人力、物力的大量浪費[1]。

建造溫室大棚的目的就是為了模擬適于作物生長的氣候條件，創造人工氣象環境以消除外界對作物生長不利的環境因素來促進作物生長，使其部分或全部克服外界氣候的制約，從而縮短農作物的生長周期，提高作物的產量，獲得可觀的經濟效益。

溫室環境監控系統能夠對溫室內的空氣溫度、濕度、光照強度等農作物生長環境密切相關的參數進行環境測控，通過對監測數據的分析，結合農作物生長發育規律，控制環境條件，實現溫室大棚管理的自動化和科學化，以達到優質、高產和高效的栽培目標，有利于緩解季節矛盾，提高作物產量，對于促進農業增產、增收，推進我國農業智能化進程具有極為重要的意義，因此，在我國研究溫室相關控制系統，具有其獨特的科研價值和實用性。

1 國內外發展

1.1 國外的發展

國外對溫室光照環境控制技術研究較早，20世紀70年代電子技術的迅猛發展和微型計算機的問世，使溫室環境控制技術產生了革命性的變化，國外的溫室生產開始以較快的速度發展，特別是歐美發達國家，如荷蘭、美國等國家實現了機械化。由于當時技術水平的限制，對生態環境因素的控制采用單因子控制，即對溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度進行單獨分別控制的方法，主要是控制溫度，其次是濕度（空氣濕度、土壤濕度）。例如，在控制溫度時，控制的只是溫度的改變，而不影響到其他因素，要改變其他因素，則要實施另外的控制過程，才能達到一定溫度條件下其他相關環境因素的配合。但是，外界氣候的變化隨時影響到溫室內的小氣候，靠人工指令隨時進行相應改變很難實現，并且各控制變量之間相互影響、相互融合，如陰雨天需要補光，補光又會帶來溫度上升和相對濕度下降，要達到擬定的控制效果，又涉及到幾個執行機構，這是一個復雜的控制過程。

隨著計算機技術的發展，80年代末出現了分布式控制系統。采取多因素綜合控制方法，即利用計算機控制溫室環境因素的方法。此方法是將各種作物在不同生長發育階段需要的適宜環境條件要求輸入計算機程序，當某一環境因素發生改變時，其余因素自動做出相應修正或調整。一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和二氧化碳濃度為隨便因素，使這四個主要環境因素隨時處于最佳配合狀態。20世紀90年代，在多因子環境控制中，采用了模糊控制、多變量控制等先進技術，并采用這些先進技術開發環境自動控制的計算機軟件系統。目前日本、荷蘭、以色列、美國等發達國家可以根據作物的要求和特點，對溫室內光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進行自動調控。美國和荷蘭還利用溫差管理技術，實現對花卉、果蔬等產品的開花和成熟期進行控制，以滿足生產和市場的需要[2]。

荷蘭在1974年將計算機作為溫室氣候控制系統使用商品的核心部分，推向荷蘭及世界市場。目前，荷蘭全國現有的1萬平方公里的玻璃溫室由這種氣候控制計算機操縱控制，其可以同時控制各個溫室單元，形成網絡化的溫室管理體系。在日本，作為設施農業主要內容的設施園藝相當發達，塑料溫室得到普遍應用，設施栽培面積位居世界前列。在韓國，自1992年以來政府就把設施園藝作為重點事業來推進發展，到92年底，帶環境控制的現代化設施的面積占10%左右。以色列的溫室從80年代到90年代更新了三代，科學家成功開發了一系列計算機軟、硬件，實現了溫室供水、施肥和環境自動化控制。英國農業部對溫室發展也很重視，科學家先后進行了溫室環境與作物生理，溫室環境因子的計算機優化，溫室節能，溫室自動控制，溫室作物栽培與產后處理的研究。從國際發展趨勢看，溫室正致力于高科技應用。遙測技術，網絡技術，控制局域網已逐漸應用到溫室的控制與管理中。

溫室控制技術正在發生日新月異的變化。一些國家在實現了作業和控制自動化的同時，也進行人工智能的廣泛應用研究，開發用于溫室管理、決策、咨詢等方面的專家系統軟件，利用遙測技術、網絡技術進行溫室的遠程控制、管理診斷及實時環境監控，為用戶提供各類信息服務，如產品購銷市場、信息技術支持與服務、氣象信息等，真正做到無人值班、遠程監控、完全自動化。倫敦大學農學院研制的溫室計算機遙控技術，可以觀察、遙控50km以外溫室內的溫、光、氣、水等環境因子狀況，并進行調控。美國學者Alves-Serodio，C.M.J等人在ISIE'98國際會議中提出了一體化的溫室網絡管理體系模型，該系統將氣候調節、灌溉系統與營養供給系統作為一個整體，根據不同傳感器的輸入來協調各部分動作，從而達到以最經濟的方式來控制。而且，這種控制要求能在遠離溫室的計算機控制室就能完成。該網絡還連接有幾個通訊平臺，用戶在遙遠的地方通過形象、直觀的圖形化界面就可以與這種分布式的控制系統對話[1]。

1.2 國內的發展

我國是一個歷史悠久的農業大國，早在2000多年前就有蔬菜、花卉的溫室栽培。20世紀30年代，我國遼寧南部和北京地區就已經開始在冬季利用不進行人工加熱的“陽光溫室”生產新鮮蔬菜。但限于當時的技術水平，嚴冬季節這種溫室內的光、熱環境只能維持耐寒性強的野菜類和蔥蒜類蔬菜生長，而不能生產喜溫的黃瓜、番茄等果蔬。60年代僅利用簡易式塑料大棚來種植蔬菜，1966年吉林省長春市建造我國第一座塑料大棚，面積僅500平方米，到了70年代，節能型日光溫室開始在我國應用，并得到較快發展，到1981年，根據19個省市，自治區統計，保護地面積為1.6萬公頃，占蔬菜種植面積的4.35%，其中溫室僅1500公頃，占菜地面積的0.4%。而大型玻璃結構溫室在我國發展一直較慢，直到80年代初，才先后從同本，美國，荷蘭和保加利亞等國引進了40套左右的現代化溫室成套設備，主要分布在北京，上海，廣州等大城市周圍，我國自己生產的玻璃溫數量較少，也由于其內部設施較為簡陋，產品質量與使用性能都低于國外先進產品，從而影響了國產溫室的推廣和使用[3]。80年代中期，人們開始對原有日光溫室的建筑結構、環境調控技術和栽培技術進行了全面改進，在完全不加熱或僅有極少量加熱的條件下，在嚴冬生產喜溫果菜。其中遼寧省農民創建的海城日光溫室和瓦房店日光溫室是我國栽培史上的重大突破，但產量相對較低。

目前，我國溫室自動控制研究有兩個方向。一個方向是以江蘇理工大學李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能環境控制系統為代表，它采用工業控制計算機作為溫室控制系統的核心。該系統為多變量輸入輸出控制系統，通過傳感器檢測溫室中各環境參數，得到模擬輸出量，經相應變送器轉變成數字信號，在自編軟件支持下，經接口板采集數據，計算機進行處理分析，將輸入量與設定量比較后，輸出開關量，通過驅動電路控制各執行機構[4]。

另一個方向是由中國農業大學電子電力工程學院設計的華北型連棟溫室自動控制系統為代表，它采用以單片機為主對溫室環境進行自動監測與控制。單片機與計算機通過友好的人機接口界面觀測與遙控溫室內環境狀況，系統可實現實時采集溫室內、外溫度、濕度、光照、土壤溫度等環境參數值，并進行顯示與存儲。在溫室因素控制方面，我國的溫室監控系統還停留在單因子控制階段。如范云翔等研制開發的智能噴水控制器，能根據環境的變化，自動調整噴水量；吉林大學于海業等研究的溫室環境自動監測系統，做到了溫室內溫度、濕度的自動檢測，并建立了一個溫室操作的專家系統。但沒有定型產品，沒有形成產業化結構，這也導致了我國溫室產業的發展緩慢。現在也有專家進行多因子綜合因素的大系統控制研究，這將代表我國溫室監控系統今后研究的方向[5]。

2 問題分析

2.1 歷史問題

我國的溫室栽培管理一直主要靠人工經驗，直到20世紀70年代從國外引進了設施環境控制設備與手段都很先進的溫室設施。雖然這些國外溫室技術領先，設備先進，但在我國使用過程中還存在較嚴重的問題，溫室自動控制系統突出的問題有以下幾點。

⑴ 投入產出低，運行經濟效益差，而且引進價格高，國內農業生產難以接受。

⑵ 技術要求過高，一般的用戶很難掌握，限制了溫室的適用范圍。

⑶ 不適合我國的氣候特征。引進的溫室的一些運營模式沒有與中國的實際結合起來，因此不能適應我國的氣候特征。

所以，研究開發出符合我國國情，產生明顯經濟效益并適用于大面積推廣應用的自控溫室系統迫在眉睫。基于以上種種原因，我國的農業工程技術人員在吸收發達國家高科技溫室生產技術的基礎上，進行了溫室中溫度，濕度，光照等單項環境因子的控制技術研究。在80年代，實現了對人工氣候室進行的微機控制，如重慶柑橘所人工氣候室的單片機控制系統，如上海植生所的人工氣候室等。其后對計算機溫室控制系統的研究一直沒有中斷，到1995年，北京農業大學研制成功的“WJG-1型實驗溫室環境監控計算機管理系統”，該系統屬于小型分布式數據采集控制系統；江蘇理工大學研制成功的基于工控機進行管理的植物工廠系統；吉林工業大學研制成功的用于溫室的智能噴水控制器，能夠根據溫室內的溫度，濕度和光照度來自動調節噴水量；中國農業機械化科學研究院研制成新型智能溫室，由大棚本體，通風降溫系統，太陽能貯存系統，燃油熱風加熱系統，灌溉系統，計算機環境參數測控系統等組成。還有許多高等院校，科研院所進行溫了相關研究，并且許多單位都已建起溫室控制系統的總體框架。1997年以來，中國農業大學在溫室環境的自動控制技術方面取得了一定的成果。

2.2 我國現有溫室的特點

⑴ 在分布上，我國溫室大部分集中在東北，華北，謠北等地區的大中城市周圍。

⑵ 在結構上國產溫室分為塑料溫室和塑料大棚溫室兩種。國產溫室大部分是因地制宜的選擇設施結構及覆蓋材料，結構簡單，日光溫室占很大比重。

⑶ 在控制和管理上，國產溫室自動化程度低。近年來國內也進行了一些溫室的自動控制的研究，但這些研究基本上是單因素檢測和控制，沒有進行全面系統的研究。

從目前的研究情況來看，我國的溫室自動控制系統科研水平與先進國家相比仍有較大差距，主要表現在以下幾個方面。

一是尚未建立起溫室結構的國家標準，研究者給出的控制系統大都有較強針對性。由于溫室結構千差萬別，執行機構各不相同，對于控制系統的優劣缺乏橫向可比性。

二是缺乏與我國氣候特點相適應的溫室自動控制軟件。我國引進溫室自動控制系統大多投資大，運行費用過高，并且控制系統中所側重考慮的環境參數與我國的氣候特點存在矛盾，如荷蘭由于溫度變化很小，故降溫，通風問題考慮很少，而采光問題考慮較多，如果將這種溫室應用于我國新疆地區，肯定不合適，因為新疆的溫差變化大。

三是我國綜合環境控制技術的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單個環境因子調控技術的階段，而實際上，溫室內的日照量，氣溫，地溫，空氣濕度，土壤濕度，Co2。濃度等環境因素，是在相互影響，相互制約的狀態中對作物的生長產生影響的，環境因素的空間變化，時間變化都很復雜。此外，優化值的設定是一項復雜的工作，作物生長是多因素綜合作用的結果，當我們改變某一環境因子時，常會把其他環境因子變到一個不適宜的水平。因此，將溫室內的物理模型，作物的生長模型，溫室生產的經濟模型結合起來，進行作物生長環境參數的優化研究，開發出與我國溫室生產現狀相適應的環境控制軟件是很重要的[3]。

3 未來發展趨勢

80年代末，隨著信息技術的發展，美國，加拿大等國又提出了精確農業的概念，它是一種適用于包括溫室在內的以知識為基礎的農業微觀管理系統。它的全部概念建立在空間差異的數據采集與數據處理上，核心是根據當時當地測定的實際需要確定對作物的投入。應用精確農業技術可以在減少投入的情況下增加產量，提高農產品質量，降低成本，減少環境污染，節約資源和保護生態環境。因此精確農業是信息技術發展的必然產物，也是今后現代溫室技術發展的趨勢。

“十三五”規劃綱要中首次提出：發展智慧農業，依靠智慧農業，實現農業精細化、高效化、綠色化發展。

實現精細化，保障資源節約、產品安全。一方面，借助科技手段對不同的農業生產對象實施精確化操作，在滿足作物生長需要的同時，保障資源節約又避免環境污染。另一方面，實施農業生產環境、生產過程及生產產品的標準化，保障產品安全。生產環境標準化是指，通過智能化設備對土壤、大氣環境、水環境狀況實時動態監控，使之符合農業生產環境標準；生產過程標準化是指，生產的各個環節按照一定技術經濟標準和規范要求通過智能化設備進行生產，保障農產品品質統一；生產產品標準化是指，通過智能化設備實時精準地檢測農產品品質，保障最終農產品符合相應的質量標準。

實現高效化，提高農業效率，提升農業競爭力。云計算、農業大數據讓農業經營者便捷靈活地掌握天氣變化數據、市場供需數據、農作物生長數據等等，準確判斷農作物是否該施肥、澆水或打藥，避免了因自然因素造成的產量下降，提高了農業生產對自然環境風險的應對能力；通過智能設施合理安排用工、用時、用地，減少勞動和土地使用成本，促進農業生產組織化，提高勞動生產效率。互聯網與農業的深度融合，使得諸如農產品電商、土地流轉平臺、農業大數據、農業物聯網等農業市場創新商業模式持續涌現，大大降低信息搜索、經營管理的成本。引導和支持專業大戶、家庭農場、農民專業合作社、龍頭企業等新型農業經營主體發展壯大和聯合，促進農產品生產、流通、加工、儲運、銷售、服務等農業相關產業緊密鏈接，農業土地、勞動、資本、技術等要素資源得到有效組織和配置，使產業、要素集聚從量的集合到質的激變，從而再造整個農業產業鏈，實現農業與二、三產業交叉滲透、融合發展，提升農業競爭力。

實現綠色化，推動資源永續利用和農業可持續發展。2016年中央一號文件指出，必須確立發展綠色農業就是保護生態的觀念。智慧農業作為集保護生態、發展生產為一體的農業生產模式，通過對農業精細化生產，實施測土配方施肥、農藥精準科學施用、農業節水灌溉，推動農業廢棄物資源化利用，達到合理利用農業資源、減少污染、改善生態環境，即保護好青山綠水，又實現產品綠色安全優質。借助互聯網及二維碼等技術，建立全程可追溯、互聯共享的農產品質量和食品安全信息平臺，健全從農田到餐桌的農產品質量安全過程監管體系，保障人民群眾“舌尖上的綠色與安全”。利用衛星搭載高精度感知設備，構建農業生態環境監測網絡，精細獲取土壤、墑情、水文等農業資源信息，匹配農業資源調度專家系統，實現農業環境綜合治理、全國水土保持規劃、農業生態保護和修復的科學決策，加快形成資源利用高效、生態系統穩定、產地環境良好、產品質量安全的農業發展新格局。

美國、日本等發達國家的農業實踐表明，智慧農業是農業發展進程中的必然趨勢。據美國農業部門統計，2012年已有69.6%的美國農場使用互聯網進行有關農業的生產經營活動，有38.5%、23.7%農場分別使用DSL（數字用戶線路）服務和衛星遙感服務。日本人均耕地僅有0.7畝，但通過農業信息網絡、農業數據庫系統、精準農業、生物信息、電子商務等現代信息技術，實現了播種、控制與質量安全及農產品物流等方面的智慧化，農業安全生產和農產品流通效率位居世界前列。目前我國智慧農業呈現良好發展勢頭，但整體上還屬于現代農業發展的新理念、新模式和新業態，處于概念導入期和產業鏈逐步形成階段，在關鍵技術環節方面和制度機制建設層面還面臨支撐不足的問題，且缺乏統一、明確的頂層規劃，資源共享困難和重復建設現象突出，一定程度上滯后于信息化整體發展水平[6]。

4 結束語

農業是國家發展進步的基礎，通過不斷的改革創新，我國農業迎來了前所未有的發展機遇。設施農業能有效彌補自然環境的缺陷，提升農業生產效率，是我國農業現代化轉型的必由之路。目前，各類設施溫室大棚不斷推廣普及，但在大規模應用方面仍有很多問題需要解決，如數據安全、系統維護、偏遠惡劣環境下的電源問題等，只有將這些問題都合理解決后，我國的農業物聯網技術才能真正走向成熟。

參考文獻（References）：

[1] 楊利春.大棚溫室環境監控系統的設計[J].湖南科技學院，2010.31（4）.

[2] 趙忠彪.nRF401在溫室大棚監控系統中的應用研究[J].工業控制計算機，2008（3）：21.

[3] 托普農業物聯網整體解決方案[J].中國農業物聯網，2012.

[4] 奚強.溫室大棚監測控制系統研究[D].中國農業大學，2005.

[5] 梁建華，肖申平.基于NRF04I的無線監控探頭的設計[J].機電產品開發與創，2006.1：19

[6] 陳世清.對稱經濟學[M].中國時代經濟出版社，2010.