溫室監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

李 偉 段翠芳 滑偉娟

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校機(jī)電工程系，河南新鄉(xiāng) 453002)

1 國外溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究狀況

20世紀(jì)70年代，國外的溫室生產(chǎn)開始以較快的速度發(fā)展，特別是歐美發(fā)達(dá)國家，如荷蘭、美國等國家實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。當(dāng)時(shí)由于水平的限制，對于生態(tài)環(huán)境因素采用單因子控制，即對溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度進(jìn)行單獨(dú)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(shí)，控制的只是溫度的改變，而不影響到其它因素，要改變其它因素，則要實(shí)施另外的控制過程，才能達(dá)到一定溫度條件下其它相關(guān)環(huán)境因素的配合。但是，外界氣候的變化隨時(shí)影響到溫室內(nèi)的小氣候，靠人工指令隨時(shí)進(jìn)行相應(yīng)改變難以辦到，并且各控制變量之間相互影響、相互耦合，如陰雨天需要補(bǔ)光，補(bǔ)光又會(huì)帶來溫度上升和相對濕度下降，要達(dá)到擬定的控制效果，又涉及到幾個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這是一個(gè)復(fù)雜的控制過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代采取多因素綜合控制方法，這是利用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法。此方法是將各種作物在不同生長發(fā)育階段需要的適宜環(huán)境條件要求輸入計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)某一環(huán)境因素發(fā)生改變時(shí)，其余因素自動(dòng)做出相應(yīng)修正或調(diào)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4個(gè)主要環(huán)境因素隨時(shí)處于最佳配合狀態(tài)。20世紀(jì)90年代，在多因子環(huán)境控制中，采用了模糊控制、多變量控制等先進(jìn)技術(shù)，并采用這些先進(jìn)技術(shù)開發(fā)環(huán)境自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。目前日本、荷蘭、以色列、美國等發(fā)達(dá)國家可以根據(jù)作物的要求和特點(diǎn)，對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。美國和荷蘭還利用溫差管理技術(shù)，對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)和市場的需要［1］。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，溫室控制技術(shù)也在發(fā)生日新月異的變化。一些國家在實(shí)現(xiàn)了作業(yè)和控制自動(dòng)化的同時(shí)，也進(jìn)行人工智能的廣泛應(yīng)用研究，開發(fā)用于溫室管理、決策、咨詢等方面的專家系統(tǒng)軟件，利用遙測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行溫室的遠(yuǎn)程控制、管理診斷、實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控，為用戶提供各類信息服務(wù)，如產(chǎn)品購銷市場、信息技術(shù)支持與服務(wù)、氣象信息，真正做到無人值班、遠(yuǎn)程監(jiān)控、完全自動(dòng)化。倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀察、遙控50km以外溫室內(nèi)的溫、光、氣、水等環(huán)境因子狀況，并進(jìn)行調(diào)控。美國學(xué)者Alves－Serodio，C.M.J等人在 ISIE＇98國際會(huì)議中提出了一體化的溫室網(wǎng)絡(luò)管理體系模型，該系統(tǒng)將氣候調(diào)節(jié)、灌溉系統(tǒng)與營養(yǎng)供給系統(tǒng)作為一個(gè)整體，根據(jù)不同傳感器的輸入來協(xié)調(diào)各部分動(dòng)作，從而達(dá)到以最經(jīng)濟(jì)的方式來控制。而且，這種控制要求在遠(yuǎn)離溫室的計(jì)算機(jī)控制室就能完成。該網(wǎng)絡(luò)還連接有幾個(gè)通訊平臺，用戶可以在遙遠(yuǎn)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(tǒng)對話。

2 國內(nèi)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究狀況

我國是一個(gè)歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國，早在兩千多年前就有蔬菜、花卉的溫室栽培。可見我國的溫室產(chǎn)業(yè)源遠(yuǎn)流長。20世紀(jì)30年代，我國遼寧南部和北京地區(qū)就己經(jīng)開始在冬季利用不進(jìn)行人工加熱的“日光溫室”生產(chǎn)新鮮蔬菜。但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，嚴(yán)冬季節(jié)這種溫室內(nèi)的光、熱環(huán)境只能維持耐寒性強(qiáng)的野菜類和蔥蒜類蔬菜生長，而不能生產(chǎn)喜溫的黃瓜、番茄等果菜。20世紀(jì)80年代中期，人們開始對原有的日光溫室，如建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境調(diào)控技術(shù)和栽培技術(shù)進(jìn)行了全面的改進(jìn)，在完全不加熱或僅有極少量加熱的條件下，在嚴(yán)冬生產(chǎn)喜溫果菜。其中遼寧省農(nóng)民創(chuàng)建的海城日光溫室和瓦房店日光溫室是我國設(shè)施蔬菜栽培史上的重大突破，但產(chǎn)量相對較低。

我國的溫室栽培管理一直主要靠人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，直到20世紀(jì)70年代從國外引進(jìn)了設(shè)施環(huán)境控制設(shè)備與手段都很先進(jìn)的溫室設(shè)施，一方面由于現(xiàn)代化溫室在我國能源消耗太大，國情國力難以承受;另一方面，溫室生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的過程，是硬件設(shè)施和軟件技術(shù)的統(tǒng)一體，而我們?nèi)狈ο鄳?yīng)的管理人才;再者，由于地域、水土、氣候，乃至資源的差異，引進(jìn)的國外系統(tǒng)并不完全適合于我國國情，引進(jìn)的設(shè)備并沒能充分發(fā)揮其作用，且成本高、維護(hù)困難，而且引進(jìn)的國外系統(tǒng)一般都不具備數(shù)據(jù)存儲功能，無法與管理系統(tǒng)聯(lián)系，以至于這些巨資引進(jìn)的設(shè)施基本上虧損經(jīng)營。

上世紀(jì)80年代末90年代初，在引進(jìn)、吸收、消化的基礎(chǔ)上，我國有關(guān)科研、教學(xué)單位圍繞著主要蔬菜的環(huán)境控制問題展開了試驗(yàn)研究，取得了一定成效。特別是“九五”期間，國家科技部提出的工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程推動(dòng)了我國溫室監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)出一批具有我國知識產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)。但總休來講，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)中環(huán)境控制能力低，自動(dòng)化程度十分落后，抵御自然災(zāi)害能力差。

目前，我國溫室自動(dòng)控制研究有兩個(gè)方向，一是由江蘇理工大學(xué)李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能環(huán)境控制系統(tǒng)，它采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為溫室控制系統(tǒng)的核心，如圖1所示。該系統(tǒng)為多變量輸入輸出控制系統(tǒng)，通過傳感器檢測溫室中各環(huán)境參數(shù)，得到模擬輸出量，經(jīng)相應(yīng)變送器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，在自編軟件支持下，經(jīng)接口板采集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析將輸入量與設(shè)定量比較后，輸出開關(guān)量，通過驅(qū)動(dòng)電路控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)［2］。

圖1 一種溫室監(jiān)控系統(tǒng)模型

二是由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)電子電力工程學(xué)院設(shè)計(jì)的華北型連棟溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用以單片機(jī)為主對溫室環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測與控制。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通過友好的人機(jī)接口界面觀測與遙控溫室內(nèi)環(huán)境狀況，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)、外溫度、濕度、光照、土壤溫度等環(huán)境參數(shù)值，并進(jìn)行顯示與存儲。

在溫室因素控制方面，我國的溫室監(jiān)控系統(tǒng)還停留在單因子控制階段。如范云翔等研制開發(fā)的智能噴水控制器，能根據(jù)環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)整噴水量，吉林大學(xué)于海業(yè)等研究的溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，做到了溫室內(nèi)溫度、濕度的自動(dòng)檢測，并建立了一個(gè)溫室操作的專家系統(tǒng)，但沒有定型產(chǎn)品，沒有形成產(chǎn)業(yè)化機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在也有專家進(jìn)行多因子綜合因素的大系統(tǒng)控制研究，這將代表我國溫室監(jiān)控系統(tǒng)今后研究的方向［3］。

3 存在的問題及發(fā)展方向

3.1 存在的問題

3.1.1 從引進(jìn)的溫室使用情況來看，由于溫室規(guī)模大，散熱面積大，在我國北方地區(qū)的燃料消耗比傳統(tǒng)溫室高2～3倍，散熱裝置在我國過高溫季節(jié)的降溫效果也達(dá)不到預(yù)期要求。從經(jīng)濟(jì)效益來看，上世紀(jì)80年代引進(jìn)的溫室大部分虧損經(jīng)營，不符合我國現(xiàn)有國情。

3.1.2 從對溫室中環(huán)境因子采用的控制方法來看，其控制水平、控制精度及控制穩(wěn)定性方面都有待進(jìn)一步的提高，主要表現(xiàn)在對溫度的控制上，現(xiàn)在大多數(shù)溫室中對環(huán)境因子的控制主要采用傳統(tǒng)的一些控制方法，如最簡單的雙位調(diào)節(jié)及常規(guī)的PID調(diào)節(jié)等，它們在獲得最佳環(huán)境條件方面有一定的局限性。

3.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)大多仍然是以單片機(jī)控制為主的現(xiàn)場控制，一些上位機(jī)(PC機(jī))對溫室的管理只限于存儲歷史數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)性控制與采集，不僅給溫室管理人員造成工作上的不方便和不舒適，還導(dǎo)致工作效率低下。

3.1.4 一些具有現(xiàn)代化溫室特點(diǎn)的控制系統(tǒng)一則由于處于研究試用階段，二則由于價(jià)格高，沒有形成系列產(chǎn)品而難以在市場上推廣使用，嚴(yán)重阻礙了我國溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.1.5 我國是一個(gè)人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是急需推進(jìn)的目標(biāo)。而現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是知識與技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，科技含量高，需要大量高層技術(shù)與管理人才，但目前我國還十分缺乏這方面的高水平人才及其專家管理系統(tǒng)。

3.2 發(fā)展方向

3.2.1 提高溫室環(huán)境控制水平。在控制方法上，一方面從對溫室單測點(diǎn)的角度來考慮，繼續(xù)進(jìn)行單因子控制方法的研究，著重在于如何提高溫室環(huán)境因子控制精度和穩(wěn)定度;另一方面從溫室整體環(huán)境的要求來考慮，采取多因素綜合控制的控制方法，如多變量輸入輸出控制系統(tǒng)的研究。從而發(fā)展適合溫室環(huán)境特點(diǎn)的控制系統(tǒng)。

3.2.2 在溫室管理方面，研制、開發(fā)新型的溫室計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，利用實(shí)用的軟件平臺開發(fā)友好的用戶界面，研制開發(fā)針對性強(qiáng)、具有高水平的專家管理系統(tǒng)，提高溫室的管理水平。

3.2.3 利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控、信息收集、產(chǎn)品網(wǎng)上交易。

［1］ 趙忠彪.nRF401在溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008年21(3).

［2］ 奚 強(qiáng).溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)研究［D］.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005年.

［3］ 梁建華，肖申平.基于NRFO4I的無線監(jiān)控探頭的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006年，19(1).