植物工廠環(huán)境控制技術(shù)研究

孫先明 孫錦秀 譚增鑫

摘 要：植物工廠環(huán)境控制包括營養(yǎng)液配制系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、移栽機器人及視覺攝像系統(tǒng)，以及計算機控制系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成。對上述系統(tǒng)進行了介紹，并提出了我國植物工廠研究應(yīng)注意的問題。隨著科技進步和國民經(jīng)濟發(fā)展，植物工廠技術(shù)的應(yīng)用得到快速推進。植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的高等級階段，是一種高技術(shù)、高投入、高產(chǎn)出、裝備精良的生產(chǎn)體系，植物工廠車間是比較完善的保護地生產(chǎn)設(shè)施，利用這種設(shè)施可以人工控制環(huán)境條件，一年四季進行各類花卉、蔬菜和水果的生產(chǎn)。20世紀(jì)以來，科技進步特別是大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用成本的降低，植物工廠車間環(huán)境調(diào)節(jié)和控制技術(shù)水平不斷提高，植物工廠車間智能綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在美國、韓國、日本、荷蘭、法國和加拿大等國家獲得飛速發(fā)展，已經(jīng)進入互聯(lián)網(wǎng)智能化階段。

關(guān)鍵詞：植物工廠;控制;計算機

中圖分類號：S316? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

1 植物工廠車間設(shè)施環(huán)境

1.1 營養(yǎng)液配制系統(tǒng)

營養(yǎng)液是植物生長基礎(chǔ)，營養(yǎng)液配比合理和供給順暢，是植物生長發(fā)育的必要條件。營養(yǎng)液控制系統(tǒng)有兩方面的功能，一是根據(jù)指令在每個營養(yǎng)液罐內(nèi)單獨配制不同配比的肥料，另一個是根據(jù)植物的生長需要進行綜合分析，根據(jù)分析結(jié)果，指令營養(yǎng)液罐的動作機構(gòu)將營養(yǎng)元素、液體肥料和水混合成不同配比的營養(yǎng)液，供植物根系利用吸收。

1.2 灌溉系統(tǒng)

滴灌和微噴組成了植物工廠車間內(nèi)的灌溉系統(tǒng)。滴灌設(shè)備分為滴灌帶和滴灌頭，滴灌帶是通過直徑約10 mm毛管上的孔口、滴灌頭是通過滴頭，將水分送到作物根部進行局部灌溉。兩種方式都采用特殊結(jié)構(gòu)防止水孔阻塞。微噴使用微噴機進行，微噴機根據(jù)計算機指令按照設(shè)定好的程序進行作業(yè)。

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)

車間通風(fēng)包括自然通風(fēng)和強制通風(fēng)。自然通風(fēng)系統(tǒng)是利用開窗機構(gòu)將天窗打開依靠空氣自然流動進行通風(fēng)，一般效率較低。強制通風(fēng)是在自然通風(fēng)的基礎(chǔ)上，使用風(fēng)機進行空氣流通。車間天窗有抽拉式、翻動式、揚落式及升降式等多種形式。天窗的開窗機構(gòu)和風(fēng)機都是根據(jù)計算機指令進行動作。

1.4 溫度控制系統(tǒng)

植物工廠車間的溫度是可控的。降溫主要依靠通風(fēng)和濕簾降溫系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)上面介紹過。濕簾降溫系統(tǒng)對環(huán)境要求較高，環(huán)境相對濕度較低時，降溫可達7～8 ℃;當(dāng)車間內(nèi)環(huán)境溫度濕度較高時，降溫效果并不明顯。植物工廠車間的加溫設(shè)備有熱水爐、太陽能加熱器、電加熱器和熱風(fēng)爐等。這些設(shè)備分別通過輻射、傳導(dǎo)等方式向車間提供熱量。為了保溫，一般車間都有保溫幕設(shè)施。保溫幕有外幕和內(nèi)幕之分。內(nèi)幕采用較多，分為單頂型、內(nèi)拱型、屋檐—屋脊型及可調(diào)高度型等形式。

1.5 智能視覺攝像系統(tǒng)及移栽機器人

智能視覺攝像系統(tǒng)包括工業(yè)智能相機和智能視覺軟件，可以采集秧苗圖像數(shù)據(jù)，這些圖像數(shù)據(jù)為系統(tǒng)指令移栽機器人動作和操作人員智能化管理、研判生產(chǎn)條件和狀況提供條件。移栽機器人可以減輕人工的作業(yè)強度，可將穴盤內(nèi)的幼苗移栽到具有大苗孔的苗盤內(nèi)。移栽機器人具有智能觸覺及智能視覺功能，可以替代人的手工勞動，提高移栽速度5～6倍，并且移栽質(zhì)量穩(wěn)定。移栽機器人多為一套機電一體化設(shè)備，具有自動辨別秧苗質(zhì)量的功能，根據(jù)預(yù)定指令自主識別和剔除壞苗。

2 植物工廠車間的控制系統(tǒng)組成

2.1 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)硬件有三種類型：工控機、分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)和分布式智能數(shù)據(jù)采集與處理網(wǎng)絡(luò)。工控機用于數(shù)據(jù)分析與處理等、分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)通常應(yīng)用于車間的群控，分布式智能數(shù)據(jù)采集與處理網(wǎng)絡(luò)采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常用于大中型場、站的自動化管理。

工控機主要由計算機系統(tǒng)和外圍設(shè)備等組成。計算機系統(tǒng)包括主機和外圍設(shè)備;主機由CPU 和內(nèi)存儲器 （RAM，ROM）組成，它是計算機控制系統(tǒng)的核心。外圍設(shè)備可分為輸入、輸出設(shè)備、通信設(shè)備和外存設(shè)備。輸入設(shè)備有智能觸摸屏、鼠標(biāo)、專用操作臺、鍵盤等，用來輸入操作命令、數(shù)據(jù)和程序。輸出設(shè)備有打印機、顯示器、繪圖機和各種專用的顯示臺。常用的外存設(shè)備有磁盤、磁帶、光盤等，有輸入輸出功能，存放程序和數(shù)據(jù)。

分布式系統(tǒng)由中央處理單元（CPU）、存儲器和外設(shè)等3大部分組成。CPU是計算機的核心，所有運算及操作都在CPU的協(xié)調(diào)和控制下進行;存儲器是存儲數(shù)據(jù)和程序的芯片;外設(shè)包括外部設(shè)備和I/O接口，一般有顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機等。分布式系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€環(huán)境要素進行巡回檢測，并根據(jù)規(guī)定的數(shù)學(xué)模型，發(fā)出控制信號，直接控制被控的對象。

2.2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

依靠計算機軟件控制車間環(huán)境有以下兩種方法：

（1） 以自適應(yīng)控制論和系統(tǒng)論為依據(jù)，把植物工廠車間作為一個多輸入多輸出的黑箱模型來考慮，其系數(shù)一般通過對系統(tǒng)的輸入輸出值的在線測量，再通過最小二乘法估算得出。例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在車間氣候控制中得到應(yīng)用。賽格內(nèi)爾等用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對車間氣候進行控制。車間氣候因素包括作物移栽日期、作物狀態(tài)、太陽輻射，室內(nèi)外溫度標(biāo)準(zhǔn)差以及車間所消耗能量與作物市場價格的比值等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用這些輸入變量預(yù)測第二天的溫度控制點，以便對車間內(nèi)氣候進行控制。

（2） 以作物生長模式、車間環(huán)境模式為依據(jù)，通過對車間內(nèi)植物生理特性以及導(dǎo)熱介質(zhì)物理過程的分析，建立分析模型。這類模型既可以用于控制，也可用于車間結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。如某些植物工廠車間控制的物理模型，把車間控制模型分為動態(tài)模型和靜態(tài)模型，指出動態(tài)模型是減少能量消耗的有效方法，而自適應(yīng)控制系統(tǒng)對減少加熱系統(tǒng)的能耗，收到良好的效果。

進入21世紀(jì)，產(chǎn)生了植物工廠車間分級控制系統(tǒng)。該模型分為三級，第一級是車間溫度濕度控制、營養(yǎng)液濃度配制、灌溉水的定時供應(yīng)，是分級控制系統(tǒng)，該級的任務(wù)是控制和測量車間內(nèi)的各類環(huán)境參數(shù)，受第二級控制;第二級控制是車間內(nèi)在線植物生長的優(yōu)化，受第三級控制;第三級由產(chǎn)品計劃、經(jīng)濟模型、病蟲害防治、商業(yè)預(yù)測等系統(tǒng)組成，第三級可以離線運行。

3 系統(tǒng)的發(fā)展與需要解決的問題? 我國植物工廠車間控制系統(tǒng)的研究起步晚、水平低，從目前來看，我國的植物工廠車間控制系統(tǒng)科研水平與國外差距較大，主要表現(xiàn)在以下四個方面：

（1）自行研制的控制系統(tǒng)軟件數(shù)量少，引進的控制系統(tǒng)不適應(yīng)我國國情，運行費用高，變相提高了生產(chǎn)成本。實際生產(chǎn)中，車間內(nèi)的光照量、溫度、CO2濃度和濕度等環(huán)境要素，是彼此產(chǎn)生影響的，當(dāng)某一項發(fā)生改變時，其他要素會變到一個不適宜的水平上，需要綜合調(diào)控優(yōu)化，國內(nèi)缺少此類綜合優(yōu)化軟件。這就要求開發(fā)跟植物工廠生產(chǎn)現(xiàn)狀相適應(yīng)的環(huán)境控制軟件時要結(jié)合作物的生長模型、車間物理模型和植物工廠生產(chǎn)的經(jīng)濟模型。

（2）需要研究植物工廠車間新結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同地區(qū)的氣候條件。車間結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到植物工廠生產(chǎn)的經(jīng)濟性。

（3）有關(guān)植物工廠車間結(jié)構(gòu)的國家標(biāo)準(zhǔn)較少、陳舊，需要建立和更新標(biāo)準(zhǔn)。車間結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了較大的更新，控制執(zhí)行機構(gòu)也千差萬別，而現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)針對性較強，不適應(yīng)車間結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

（4） 需要增加科研投入，支撐植物工廠相關(guān)技術(shù)和裝備的研究。開發(fā)適合植物工廠生產(chǎn)的播種生產(chǎn)線、移栽機，探討植物工廠的管理技術(shù)，研制適合植物工廠生產(chǎn)的優(yōu)良蔬菜水果品種等。

參考文獻：

[1] 蘇臣. 國外現(xiàn)代化園藝設(shè)施的發(fā)展動向[J]. 江蘇理工大學(xué)學(xué)報，1995，16（2）：6-11.

[2] 白廣存. 計算機數(shù)據(jù)采集與控制應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1995，11（增刊）：180-184.