智慧溫室大棚的環境監測與控制技術研究

陳治瑀

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

隨著社會的進步和人們生活水平的提高，社會對于農產品的需求量明顯上升，且對于農產品的品質和種類豐富性有了更高的要求。為滿足農產品的優質供給，溫室大棚的生產模式得到普及，大棚的種植方式和生產技術也得到了快速的發展，現階段來看，溫室大棚已成為蔬菜水果等產出的重要農業設施。為進一步提高溫室大棚生產的技術性和合理性，智慧控制技術全面應用于溫室大棚之中，其中環境監測與自動控制是溫室大棚的重要技術體系，對于優化作物生長環境，實現增產增收意義重大。從現階段的溫室大棚技術應用來看，環境監測與自動控制技術得到快速普及的同時，技術應用的合理性和全面性還需增強，智慧溫室大棚還有較大的提升空間。

1 溫室大棚應用與發展情況

傳統的大田農業生產對自然條件的依賴性很強，加之露天生產的設備條件落后，存在農業產出不穩定、經濟效益不能良好保障的問題。因此，高效、可控、智能的農業生產新模式一直是農業生產探索研究的重要方向。隨著我國科研能力的不斷提升，自動化技術、智能控制技術、局部環境控制技術得到了快速發展應用，這為設施農業的優化發展創造了可能性。大棚生產是設施農業的典型代表，在農業生產中進行應用能有效提高資源利用率，達到穩產、高產、優產的目的[1]。同時，溫室大棚能夠實現反季節、全天候的生產，并利用現代化技術實現自動生產作業。從國際技術看，溫室大棚在亞洲地區的應用更為廣泛，日本的設施農業大棚技術處于世界先進水平，除此之外，荷蘭、美國等發達國家的溫室大棚自動化技術也處于世界前列。發達國家在20世紀60年代就開始研究農業大棚的工廠化栽培模式，很多先進的溫室大棚中廣泛配備了環境控制系統，能通過計算機系統對大棚內部的溫、光、水、氣、肥等進行智能調控[2]。

我國是世界溫室大棚應用面積較大的國家之一，我國的溫室大棚技術研究和應用起步較晚，自20 世紀 80年代引進國外溫室技術用于農業生產后，到21世紀以后的近20年，我國的溫室大棚技術才得到了快速的發展和應用。現階段，我國的先進農業溫室大棚中配套有濕簾降溫設備、水肥機、卷簾機、供熱升溫設備、通風系統、育苗設備等先進設備和控制技術，但現代化大棚的應用范圍不廣，大部分溫室大棚的技術仍比較落后[3]。

2 智慧溫室大棚原理

溫室大棚的外部結構如圖1所示，其外部多采用PO膜或玻璃隔絕環境，其建造的目的是為農產品創造一個與自然環境有效隔離的生長條件，從而有效避免惡劣的氣候、溫度等條件對農產品生長的影響，以此保證農產品健康生長并提高產出。溫室大棚的內部環境和裝置如圖2所示，在日常工作中環境監測與作物管理是最重要也是工作量最大的工作，根據溫室內部的環境條件采取合理的植保、澆灌、遮陽、通風、施肥等作業能更好地保證農產品的生長。傳統的溫室大棚生產主要通過人工檢測環境條件并采取相應的工作措施，不僅費時費力，而且相關的農藝操作精確度不高，很難為農產品創造最佳的生長環境[4]。

圖1 溫室大棚的外部結構

圖2 溫室大棚的內部結構與布局

隨著人工智能技術和自動控制技術的快速發展，智慧大棚應運而生，在現代化技術的應用下，農業大棚中布置了大量的數據監測、數據傳輸、分析處理、自動控制裝置，能夠將傳統人工作業的經驗與現代化的邏輯判斷、自動操控相結合，達到大棚環境實時監測、生產工序自動執行的效果。智慧大棚的運行采用了大量的先進技術，例如，模糊控制技術、數據算法技術、網絡控制技術、專家系統等，結合現代化的機械技術和自動控制技術，能夠有效保證溫室大棚在最合理的模式下展開生產，有利于實現農產品的穩產優產[5]。

3 環境監測與控制總體技術

環境監測與設備控制是關聯性的兩項工作，在實際的農業生產過程中，首先利用環境監測設備實現對生產環境各項數據的獲取，常用的環境數據獲取裝置包括多種傳感器和視覺圖像獲取設備；在環境數據獲取完成后，通過通信模塊和網絡技術等信息傳輸技術實現數據的快速傳輸，數據傳輸到數據處理中心后通過計算機程序進行分析運算，并生成合理的控制方案傳輸給各個可控設備，此過程也可通過人工調整控制方案再向可控設備發送指令，智慧大棚中的設備收到控制指令后執行灌溉、噴霧、通風等相關操作，系統運行關系如圖3所示。

圖3 環境監測與控制系統運行關系

4 環境監測技術的實施

4.1 環境監測的主要項目

環境監測的項目主要針對影響農產品生長的要素開展，現階段智慧大棚環境監測的要素主要包括：土壤溫濕度、空氣濕度、室內溫度、光照度、二氧化碳濃度、作物病蟲害情況等。以上項目的監測實施主要有兩種模式，一是實時監測，即對溫室內部的環境實施24 h的連續監測；二是定時監測，即通過控制系統設置指定的時間間隔，按照特定的時間周期進行數據監測，實時監測的數據精確度更高，但系統運行成本和設備初期建設成本更高，現階段來看，合理的定時監測更適合智慧大棚使用[6]。

4.2 環境監測的關鍵技術

4.2.1 傳感器技術

傳感器技術是智慧大棚環境監測中最重要的技術之一，智慧大棚中常用的傳感器包括土壤溫濕度傳感器、空氣含水率傳感器、電子溫度計、光照傳感器、二氧化碳傳感器、EC值傳感器等。傳感器在智慧大棚中采用聯網布置，通常需要每種傳感器應用多個，并采用適當的間隔分布于溫室之中，在進行數據收集和處理時，能夠通過多點分布的傳感器綜合考慮溫室內部的環境情況，有利于獲得真實、客觀的環境數據。

4.2.2 視覺識別技術

視覺識別技術是監測室內圖像環境變化的有效手段，用于替代傳統人眼獲取的環境信息，視覺識別技術主要通過攝像機和圖像處理軟件開展工作。在應用中，視覺識別技術能夠有針對性地獲取環境信息，并同時去除無關的其他圖像信息，提高數據分析的準確性。視覺識別的環境監測主要針對病蟲害和作物長勢分析兩方面進行，可在發現病蟲害的第一時間將數據提供給信息傳輸系統；對于作物長勢的監測可用于劃分作物的不同生長期，有利于系統在不同生長期采取不同的農藝技術科學開展大棚管理工作。

4.2.3 集中供電與聯網技術

在眾多傳感器和視覺設備安裝布置的過程中，需要合理對其進行電源供給，并將其進行信息聯網以滿足信息傳輸的功能要求。由于不同的傳感器所需的供電電壓各不相同，因此，通常在智慧大棚內部設置有統一的多接口變電柜，在大棚建設初期將電源管路預設于人行道或大棚周邊不影響耕種的位置，從而實現多個位置傳感器和攝像頭的統一供電。信息獲取設備之間的聯網有三種形式，包括線路直連、Wi-Fi連接和藍牙組網，根據大棚的條件合理選擇聯網形式。

4.2.4 故障檢測技術

故障檢測是環境監測系統運行的輔助技術，當某個位置的傳感器或攝像頭出現故障后，系統會通過信息設備進行故障提醒，大棚管理人員可通過系統提供的故障元件信息快速找到故障元件，以便于對其進行維修或更換。

5 智慧大棚的控制技術

5.1 自動灌溉控制

智慧大棚多采用現代化的灌溉技術，主要以微灌、滴灌、噴灌等形式為主，這些技術通過管路進行輸水，通過在各個分管道位置安裝電控閥門，能夠實現對不同區域的灌溉控制。當土壤濕度傳感器檢測到含水率不足時，控制系統控制相應區域的閥門開啟，對其進行定量灌溉，灌溉完成后自動控制管路關閉。

5.2 自動濕度控制

當空氣含水率高于大棚栽培預設值，系統會控制氣窗自動開啟，并控制換氣扇啟動，將潮濕空氣抽離，當濕度適宜后，氣窗和換氣扇自動關閉。當空氣含水率低于系統預設值，系統控制濕簾電機啟動，濕簾自動展開增加室內濕度，濕度達標后自動收回[7]。

5.3 光照調整控制

當溫室內光照過于強烈，光線傳感器會發送強光指令，系統控制遮陽簾自動開啟，遮擋陽光，當光線正常時，遮陽簾自動關閉。當室內光照不足時，系統控制補光燈開啟，補充室內光線。

5.4 農藥噴施控制

當視覺識別設備檢測作物產生病蟲害，系統會與數據庫進行比對并確定病蟲害種類和嚴重程度，提醒大棚管理人員采取相應措施，當噴藥系統中裝入農藥后，系統自動對病蟲害位置進行噴施。

6 結語

智慧大棚是現代化農業生產中不可或缺的生產形式，利用現代化的環境感知和自動控制技術能有效提高大棚生產的智慧化程度，提高生產質量和最終收益。智慧大棚的環境監測技術應重視在數據獲取全面性和傳感器使用耐久性方面作相應提升，并通過合理化設計降低智慧大棚的建設成本，幫助智慧大棚不僅提高技術水平，還能促進該技術的進一步普及和應用。