淺談智能溫室建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

楊 涓，李玉嶺，張 原，成雅京

（北京市植物園管理處，北京 100093）

1 智能溫室相關(guān)概念

1.1 智能溫室的定義

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[1]。而智能溫室系統(tǒng)是一種資源節(jié)約型高效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)[2]，它以普通溫室為框架，結(jié)合現(xiàn)代計算機自控技術(shù)、智能傳感技術(shù)以及人工智能和專家系統(tǒng)等高科技，通過計算機綜合控制，提供與季節(jié)無關(guān)的適合植物生長的環(huán)境，以實現(xiàn)各種植物的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的工廠化生產(chǎn)。其中，專家系統(tǒng)是運用人工智能的專家系統(tǒng)技術(shù)，在收集了植物知識、模型和專家經(jīng)驗等前提下，采用合適的知識表示技術(shù)和推理技術(shù)建立的知識庫，和計算機控制系統(tǒng)相互配合，根據(jù)當(dāng)前的植物、季節(jié)和時間對植物生長的最佳環(huán)境因子提供決策支持（手動設(shè)定）和設(shè)定（完全自動）。

1.2 智能溫室的技術(shù)

智能溫室采用的高新技術(shù)主要有無土栽培技術(shù)、營養(yǎng)控制技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測控制技術(shù)、機械化作業(yè)技術(shù)、節(jié)水灌溉技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)[3]、短距離無線通信技術(shù)、全球定位控制系統(tǒng)，將計算機控制技術(shù)融于各類技術(shù)之中，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動監(jiān)測與集中控制，甚至實現(xiàn)植物生長情況的可視化仿真，反映其變化規(guī)律。智能溫室的發(fā)展集中體現(xiàn)了生物工程、信息工程、農(nóng)業(yè)工程等多領(lǐng)域的高新技術(shù)在植物栽培中的應(yīng)用狀況，發(fā)展智能溫室產(chǎn)業(yè)必須依靠這些高新技術(shù)。

1.3 智能溫室的監(jiān)控系統(tǒng)

溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)采用無線嵌入式數(shù)據(jù)采集儀，可實時采集溫度、濕度、照度、CO2濃度、土壤溫度、土壤濕度等多種環(huán)境參數(shù)并進行分析判斷。其主要功能是利用傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對溫室環(huán)境的實時監(jiān)控，并通過監(jiān)控數(shù)據(jù)智能控制溫室設(shè)備的運行。溫度室的環(huán)境參數(shù)盡可能保持在有利于作物生長的條件下，使作物不受外界自然氣候的影響，實現(xiàn)高效、工業(yè)化、高產(chǎn)值的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?？墒箿厥疑a(chǎn)更加智能化、簡單化，使客戶感到更加舒適，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)的樂趣。

2 智能溫室發(fā)展現(xiàn)狀

目前，智能溫室建筑面積呈擴大化趨勢，立體栽培、機械化作業(yè)、潮汐灌溉、滴灌系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，覆蓋材料多功能、系列化。其中，北歐國家多用玻璃溫室，南歐國家多用塑料溫室。20 世紀(jì)50 年代開始，荷蘭溫室開始發(fā)展，他們依托玻璃溫室技術(shù)，大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。以荷蘭為代表的歐美國家設(shè)施園藝規(guī)模大、自動化程度高、生產(chǎn)效率高，設(shè)施農(nóng)業(yè)主體設(shè)備溫室內(nèi)的光、水、氣、肥等均實現(xiàn)了智能化控制。以色列的智能溫室可根據(jù)植物對環(huán)境的不同要求，通過計算機對內(nèi)部環(huán)境進行自動監(jiān)測和調(diào)控，實現(xiàn)溫室植物全天候、周年性的高效生產(chǎn)。美國、日本等國推出了全封閉式生產(chǎn)體系——應(yīng)用人工補光、采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和視頻技術(shù)對溫室環(huán)境進行遠程控制與診斷，由機械人或機械手進行移栽作業(yè)。

我國溫室大棚的發(fā)展起步較晚，20 世紀(jì)60 年代，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單的塑料大棚；70 年代后期，新型環(huán)保日光溫室大棚才開始普及，受當(dāng)時技術(shù)水平所限，智能溫室對生態(tài)環(huán)境因素的控制多采用單因子控制，主要是控制溫度，其次是空氣濕度和土壤濕度；20 世紀(jì)80 年代，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，智能溫室開始采取多因素綜合控制方法，即利用計算機控制溫室環(huán)境因素的方法，將各種植物在不同生長發(fā)育階段需要的適宜環(huán)境條件要求輸入計算機程序，當(dāng)某一環(huán)境因素發(fā)生改變時，其余因素自動進行相應(yīng)修正或調(diào)整；20 世紀(jì)90 年代，在多因子環(huán)境控制中，智能溫室采用了模糊控制、多變量控制等先進技術(shù)[4]，并采用這些先進技術(shù)開發(fā)環(huán)境自動控制的計算機軟件系統(tǒng)，可根據(jù)植物的要求和特點，對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因素進行自動調(diào)控，利用溫差管理技術(shù)可實現(xiàn)對植物的花期和果期控制，以滿足生產(chǎn)和市場的需要。

溫室大棚設(shè)施化栽培可顯著改善花卉、蔬菜等農(nóng)作物生長環(huán)境條件，提升產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。我國在“九五”“十五”期間，在科技部領(lǐng)導(dǎo)和組織下，實施了“工廠化高效農(nóng)業(yè)研究與示范”項目，利用引進的現(xiàn)代化溫室設(shè)備及配套技術(shù)，通過消化吸收與技術(shù)創(chuàng)新，進行了品種選育、設(shè)施栽培、配套設(shè)備及溫室中溫度、濕度和CO2等環(huán)境因素綜合調(diào)控技術(shù)的研究與攻關(guān)，使一大批科技成果相繼誕生[6]，有效推動了我國智能溫室的發(fā)展。例如，2014年程瑞等[7]介紹了國內(nèi)正在應(yīng)用的4 種典型的環(huán)境控制硬件系統(tǒng)：基于單片機的溫室智能控制系統(tǒng)、基于工業(yè)控制機（IPC）的溫室智能控制系統(tǒng)、基于可編程邏輯控制器（PLC）的溫室智能控制系統(tǒng)、基于現(xiàn)場總線的分布式智能控制系統(tǒng)；北京世園公園的生產(chǎn)溫室，應(yīng)用了Priva 計算機環(huán)境控制系統(tǒng)進行溫室環(huán)境的調(diào)控，在環(huán)境控制與栽培技術(shù)等方面進行了卓有成效的研究；北京豐臺的鑫盛芳園藝有限責(zé)任公司的生產(chǎn)溫室已實現(xiàn)智能環(huán)境控制、內(nèi)外雙層遮陽控制、微霧降溫、水肥監(jiān)測等技術(shù)，利用豪根道自動化系統(tǒng)通過手機遙控控制溫室內(nèi)的環(huán)境，實現(xiàn)了保溫精準(zhǔn)化[8]；北京鑫天碧農(nóng)業(yè)設(shè)施工程技術(shù)有限公司在“中國北郎中鮮切菊”的項目中，使用了豪根道自動化系統(tǒng)，客戶可使用更少的水域能源生產(chǎn)出品質(zhì)更高的菊花。

植物種類多樣，習(xí)性、生長狀態(tài)各有不同，給智能溫室的環(huán)境控制及分區(qū)增加了難度。從已引進的智能溫室使用情況來看，智能溫室需要大量高層次的技術(shù)人員與管理人員，而智能溫室從業(yè)人員流動性大、社會化用工老齡化等問題或?qū)⒆璧K自動化系統(tǒng)在溫室中發(fā)揮更佳功效。有關(guān)“適合各地方日光溫室群環(huán)境智能化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用”方面的研究和報道較少，即使有，也是單因素的監(jiān)控系統(tǒng)較多，多因素復(fù)合監(jiān)控系統(tǒng)很少。張曉文等[9]認(rèn)為，單因子控制技術(shù)在保證植物獲得最佳環(huán)境條件方面有一定局限性，但實際操作中，多因素復(fù)合監(jiān)控系統(tǒng)因系統(tǒng)的復(fù)雜性，且每個分區(qū)都是不同系統(tǒng)，在控制上會比單因素監(jiān)控系統(tǒng)更具難度。此外，由于成套系統(tǒng)較為昂貴、溫室所占面積受限等因素，智能溫室大面積推廣具有一定難度，如北京普瑞瓦2016 年的重點項目之一銅川現(xiàn)代智能玻璃溫室草莓栽培項目，玻璃溫室占地5 萬m2，總投資2 億元。從國外引進的智能溫室在氣候特征方面暫不能完全契合我國的運行模式，因此，在引進設(shè)備前，需要充分調(diào)研當(dāng)?shù)厍闆r，如天氣、水質(zhì)、水費等。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能溫室的控制技術(shù)也在發(fā)生變化，在實現(xiàn)了作業(yè)和控制自動化的同時，進行了人工智能的廣泛應(yīng)用研究，開發(fā)了用于溫室管理、決策、咨詢等方面的專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室的遠程監(jiān)控、管理診斷、實時環(huán)境監(jiān)控、完全自動化，同時為工作人員提供產(chǎn)品購銷市場、信息技術(shù)支持與服務(wù)、氣象信息等各類信息服務(wù)。其中，溫室計算機遙控技術(shù)，可觀察、遙控50 km 以外溫室內(nèi)的溫、光、氣、水等環(huán)境因子狀況。未來，一體化的溫室網(wǎng)絡(luò)管理體系模型將得到完善。將氣候調(diào)節(jié)、灌溉系統(tǒng)與營養(yǎng)供給系統(tǒng)作為一個整體，根據(jù)不同傳感器的輸入來協(xié)調(diào)各部分動作，從而達到更經(jīng)濟的效果。工作人員在遠離溫室的計算機控制室就能完成所有操作，也可通過上網(wǎng)，在通信平臺上的界面完成控制。

3 智能溫室的控制系統(tǒng)

溫室控制系統(tǒng)的架構(gòu)由信號采集輸入部分、信號轉(zhuǎn)換與處理部分、輸出及控制部分、灌溉控制4 部分組成。溫室控制系統(tǒng)能幫助人們測算環(huán)境因素，優(yōu)化溫室內(nèi)氣候環(huán)境、降低能耗，而最終決定植物品質(zhì)的因素還在于種植者本身的栽培管理。例如，當(dāng)溫室需要通風(fēng)降溫時，控制系統(tǒng)能分析出具體該開多大角度的天窗，并對開窗后室內(nèi)環(huán)境的“連鎖反應(yīng)”作出相應(yīng)調(diào)整，如是否需要打開噴霧、風(fēng)機、濕簾、遮陽網(wǎng)等。目前，世界上有三大主流環(huán)境控制系統(tǒng)，分別是普瑞瓦（Priva）、豪根道（Hoogendoorn）以及騎士（Ridder）。

3.1 普瑞瓦

荷蘭普瑞瓦（Priva）公司成立于1959年，有著60多年的歷史，業(yè)務(wù)遍布日本、韓國、馬來西亞、新加坡、印度等。1977 年，普瑞瓦推出了園藝方面的氣候控制計算機；1983 年，其開發(fā)了樓宇控制系統(tǒng)；2001年，阿納姆市的Van Beek 公司成為荷蘭普瑞瓦的一部分[10]，實現(xiàn)在能源監(jiān)控領(lǐng)域強強聯(lián)手；2007 年，該公司開始利用地下冷、熱儲存罐調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，減少CO2排放；2006 年普瑞瓦在中國成立了分公司，通過與溫室公司的合作，讓中國用戶獲得和國際同步的先進溫室自動化控制技術(shù)[11]；2016年，Priva Vialux M-Line中壓紫外線消毒機和Priva FS Performance管理系統(tǒng)兩款新品在第十八屆中國國際花卉園藝博覽會上展示；2016年，普瑞瓦荷蘭總部在上海設(shè)立辦公室。

普瑞瓦依靠產(chǎn)品的品質(zhì)和信譽開拓市場，“硬件”和“軟件”都力求盡善盡美，通過互聯(lián)網(wǎng)遠程控制的方式，在用戶授權(quán)后，與系統(tǒng)服務(wù)器建立連接，幫助解決現(xiàn)場使用問題，在技術(shù)支持和售后服務(wù)上具有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

技術(shù)支持：普瑞瓦做專業(yè)的項目，提供專業(yè)的解決方案，確保每個方案行之有效，并履行所有的承諾。在每一個項目開展之前，普瑞瓦都會與客戶進行許多溝通，發(fā)現(xiàn)客戶真正的需求，提出有針對性、行之有效的解決方案。智能溫室中Priva 計算機軟件系統(tǒng)及相關(guān)傳感器可實現(xiàn)各種栽培參數(shù)的自動控制，實現(xiàn)水肥循環(huán)利用，能較大程度地提高水肥利用率[12]。

售后服務(wù)：普瑞瓦確保每個項目都有非常完善的售后服務(wù)，包括設(shè)備的線路連接、安裝、調(diào)試以及后期針對種植者進行設(shè)備使用培訓(xùn)等。目前，北京普瑞瓦可為種植者提供施肥機、消毒機、氣象站等10 余種產(chǎn)品，以及集成過程管理控制、水資源管理、氣候管理等多種解決方案，還會有專業(yè)工程師通過微信解答問題，或通過實地指導(dǎo)、遠程操控解決難題。

3.2 豪根道

園藝自動化制造商的領(lǐng)先者荷蘭豪根道，擁有50 多年的園藝領(lǐng)域自動化經(jīng)驗，在全球超過70 個國家與地區(qū)跨越多個時區(qū)、多種語言開展業(yè)務(wù)，具備強大的文化適應(yīng)性。豪根道在日本、韓國和中國等亞洲國家都擁有自動化項目。豪根道系統(tǒng)的功能涵蓋灌溉、氣候以及能源等方面[13]。豪根道注重了解當(dāng)?shù)貧夂驐l件，提供的建議與解決方案能夠與客戶要求完全一致。軟件語言可根據(jù)客戶意愿設(shè)置，提供用戶友好的中文軟件、本土化服務(wù)、技術(shù)支持與培訓(xùn)，使客戶能夠優(yōu)化使用功能，從而達到更高產(chǎn)量。

為了與我國的溫室制造商與種植者分享經(jīng)驗與推廣可能性的生產(chǎn)方式，豪根道于2014 年2 月28 日在北京農(nóng)展館舉辦了培訓(xùn)研討會[14]。2014 年4 月23日，豪根道在北京正式成立新公司。

3.3 騎士

騎士[15]作為一家國際化的荷蘭家族企業(yè)，在農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域從業(yè)60 多年，通過與終端用戶長期合作，開發(fā)了多功能跟蹤和便于操作的管理系統(tǒng)。騎士充分利用荷蘭的園藝專業(yè)的知識儲備和豐富的技術(shù)經(jīng)驗，打造適應(yīng)性技術(shù)的解決方案，結(jié)合當(dāng)?shù)氐男枨蠛蜅l件，因地制宜，為種植者量身定制解決方案。騎士簡化了數(shù)據(jù)錄入，將簡單易懂的符號設(shè)置為輸入按鍵，降低了輸入失誤率。種植者可通過系統(tǒng)了解自己的工作成果和效率；可在實地勞作時，使用溫室圖表瀏覽工具或輸入端輕松記錄植物病害、死株、破損等情況；可使用MiniMaX 手持式終端，實現(xiàn)原地操作，精確地知道記錄的地點；對于病蟲害可早發(fā)現(xiàn)、早報告，并第一時間進行治理防護，減少擴散，及時反饋防治效果；經(jīng)過數(shù)據(jù)積累，可提前預(yù)防、改進。

4 智能溫室的應(yīng)用——以北京世園公園生產(chǎn)溫室為例

4.1 溫室分區(qū)合理規(guī)劃

北京世園公園生產(chǎn)溫室是一個溫室群，溫室與溫室之間有頂棚相連，學(xué)術(shù)名詞是智能連棟玻璃溫室。溫室群占地3 萬m2，為多因素復(fù)合監(jiān)控，有記錄和預(yù)警功能，用于植物的工廠化生產(chǎn)，具有空間大、密閉性好、環(huán)境穩(wěn)定等特性。在生產(chǎn)中，智能溫室更容易實現(xiàn)機械化、自動化，同時隔絕外部病蟲害侵染，為植物生長提供均一穩(wěn)定的環(huán)境，使植物生長、植物株形品相具有一致性。其中，生產(chǎn)溫室的作業(yè)空間非常廣闊，里面有水處理系統(tǒng)（見圖1）、自動栽培系統(tǒng)（見圖2）、肥料處理系統(tǒng)等。生產(chǎn)溫室按照植物的特點分低溫溫室、中溫溫室、高溫溫室、母本溫室等。各個溫室根據(jù)環(huán)境的要求，所選設(shè)備也有所不同。溫室環(huán)境全部由計算機操控，還可在電腦、手機、平板上實現(xiàn)對溫室環(huán)境——如溫度、濕度、光照、CO2濃度及水肥的調(diào)控。該生產(chǎn)溫室采用Priva 計算機環(huán)境控制系統(tǒng)進行溫室環(huán)境的調(diào)控，電腦操作需要有專人負(fù)責(zé)。工作人員將各類傳感器布置在溫室中，負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并傳輸?shù)娇刂贫恕珉娔X、手機上?？刂贫烁鶕?jù)環(huán)境數(shù)據(jù)，將指令傳遞給溫室內(nèi)的設(shè)備。設(shè)備接收指令后執(zhí)行，完成對溫室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控。設(shè)置好的數(shù)據(jù)不是一成不變的，而是可根據(jù)室外條件手動微調(diào)的。如果在控制環(huán)節(jié)有疑問，Priva 公司會通過微信用英語進行指導(dǎo)。

圖1 水處理系統(tǒng)（RO反滲透系統(tǒng)制水）

圖2 自動栽培系統(tǒng)

4.2 溫度調(diào)控系統(tǒng)設(shè)置

生產(chǎn)溫室采取的是獨立供暖系統(tǒng)。其中，中溫溫室的溫度比較恒定，溫室上部和下部都設(shè)有暖氣，最低溫可保證在18℃。而北京延慶室外最低溫可達-25℃。高溫溫室具備了好幾套不同種類的加溫設(shè)備，除了傳統(tǒng)的暖氣加熱外，還增加了高層供暖、地暖和花期補光燈（見圖3），晚上還會拉上內(nèi)保溫層，以供冬天保溫之用。生產(chǎn)溫室利用送風(fēng)系統(tǒng)控制溫度，整個溫室高空均勻分布有帶有孔洞的塑料薄膜管道，由表冷器向管道內(nèi)送風(fēng)，風(fēng)的溫度通過電腦控制，從而形成一個微正壓的溫室，溫室塑料薄膜管道布置見圖4，溫室表冷器布置見圖5。此外，生產(chǎn)溫室的苗床下有加熱系統(tǒng)，水溫可在6 ℃～50 ℃之間調(diào)整。生產(chǎn)溫室的天花板有一層膜結(jié)構(gòu)，能制造一層空氣隔層用以保溫。

圖3 花期補光燈

圖4 溫室塑料薄膜管道布置

圖5 溫室表冷器布置

4.3 灌溉系統(tǒng)設(shè)置

由于北京延慶的水質(zhì)偏酸性，故生產(chǎn)溫室采用自來水進行灌溉。灌溉方式為潮汐灌溉和滴水灌溉。潮汐灌溉的灌溉時間可通過電腦進行控制，如一天灌溉幾次，每次多長時間。潮汐灌溉用水經(jīng)過消毒，可回收再利用。潮汐灌溉的植物（見圖6），植株體量統(tǒng)一、密度偏大、盆器較小、周期較短，多為觀賞花卉，如“仙客來”等，潮汐灌溉的苗床為可蓄水的封閉式苗床。滴灌可節(jié)水節(jié)肥，并提高水肥效能，滴水灌溉的植物（見圖7），植株體量一般較大。滴水灌溉的苗床為不能存水式網(wǎng)眼苗床。此外，施肥機由電腦控制，可設(shè)置澆清水還是肥水。肥水可設(shè)置濃度，也可設(shè)置多個配方，還可根據(jù)植物的需求，調(diào)整EC 值和pH值，由電磁閥控制。

圖6 潮汐灌溉

圖7 滴水灌溉

4.4 病蟲害防護系統(tǒng)設(shè)置

在溫室水簾外及側(cè)窗上增加了防蟲網(wǎng)，既防止了害蟲，又起到了防塵、防土、防楊絮柳絮的作用。通風(fēng)有助于防護病蟲害，生產(chǎn)溫室內(nèi)有多個內(nèi)循環(huán)風(fēng)機時刻運作，加強室內(nèi)空氣循環(huán)。母本溫室及扦插生根溫室對于病蟲害防治的要求比其他溫室高。工作人員進入該區(qū)域前要洗手消毒、更換工作服和工作鞋、并腳在消毒地墊上踩踏數(shù)次，洗手消毒裝置區(qū)域見圖8，工作服和工作鞋更換區(qū)域見圖9。緩沖區(qū)與卷簾門禁止同時打開。當(dāng)母本溫室出苗后，下一批苗進入前，工作人員還要在溫室內(nèi)統(tǒng)一進行一遍殺菌處理（見圖10）。母本區(qū)工作人員不得進入其他溫室，其他溫室人員不得進入母本區(qū)，母本及扦插生根溫室的工作人員的工作服、工作鞋需每日清洗，各溫室之間不得交叉使用。此外，各種藥品要統(tǒng)一存放于藥庫中，藥品被放于紙箱中，統(tǒng)一放在藥架上。藥架的利用，既方便了工作人員尋找藥品，又起到防治返潮的作用（見圖11），藥庫中還存放有計量秤（見圖12），方便量取重量。溫室地面為不露土的水泥地面，避免土中的雜草和病蟲害與苗床中的苗木產(chǎn)生交叉感染。

圖8 洗手消毒區(qū)域

圖9 工作服和工作鞋更換區(qū)域

圖10 工作人員溫室內(nèi)統(tǒng)一進行殺菌處理區(qū)域

圖11 藥架

圖12 計量秤

5 智能溫室建設(shè)建議

5.1 全面智能化分步實施

人們追求全自動化控制的溫室，但在建造一個智能溫室前，管理者還應(yīng)考慮投入成本。管理者希望資金一步到位，可實現(xiàn)全面電腦操控，而如果受資金、上級支持等因素影響很難做到一步到位時，也可考慮分步到位，或者考慮性價比高的操作系統(tǒng)在部分區(qū)域試行，如采用以單片機為主對溫室環(huán)境進行自動監(jiān)測與控制[16]。此外，水電費也是管理者需要重點考慮的，一些地方的地下水，價格便宜，但水質(zhì)不好，會造成滴灌設(shè)備堵塞，維修費用會拉高成本等。而自來水的質(zhì)量雖好于地下水，但成本高于地下水。因此，管理者在決策時，應(yīng)優(yōu)先考慮性價比。

5.2 采用數(shù)字化管理

溫室管理應(yīng)實現(xiàn)數(shù)字化。溫室的環(huán)境應(yīng)該可受人及電腦的控制，達到植物需要的理想溫濕度，并且這個環(huán)境是穩(wěn)定的、可控制調(diào)整的。溫室的環(huán)境和植物的基質(zhì)狀態(tài)應(yīng)實現(xiàn)數(shù)字化，如溫濕度、酸堿度等。工作區(qū)域應(yīng)具備各種傳感器及測量設(shè)備，用于進行環(huán)境記錄、基質(zhì)配比及分析植物的生長情況。未來，智能溫室可根據(jù)植物不同生長階段的需求制定出檢測標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)精準(zhǔn)的智能水肥灌溉，滴灌量與植物生長期匹配，實現(xiàn)智能化實時監(jiān)測及控制。

5.3 融入機械化

智能溫室可幫助一部分體力勞動實現(xiàn)機械化，從而大大提高工作效率。在工作區(qū)域設(shè)計控制臺，可方便操作。如移動式放置盆器架（見圖13），工作人員來到苗床，將需要換盆、修剪的植物放在移動架上，一次性地移動大量植物到工作區(qū)域。又如可將各種基質(zhì)攪拌均勻、自動裝桶的基質(zhì)攪拌器——工作人員只需要將基質(zhì)按比例倒進機器，就可在之后回收裝滿基質(zhì)的容器。

圖13 移動式放置盆器架

5.4 提高溫室自動化程度

程俊峰等[17]2020 年的研究表明，在蔬菜溫室大棚中應(yīng)用智能水肥一體化技術(shù)，使年效益提高了2倍。未來的智能溫室應(yīng)是智能化與人工合理結(jié)合，并因地制宜，且有一個標(biāo)準(zhǔn)，如通過機械、電腦等設(shè)備輔助，就可很輕松地科學(xué)管理一個很大的區(qū)域，工作人員通過計算機或者手機的操作，就可完成一天的環(huán)境管控及澆水施肥打藥任務(wù)。為智能溫室的自動化控制設(shè)置參數(shù)，溫室建設(shè)者可根據(jù)參數(shù)考量不同類型的智能溫室之間的性價比，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%。隨著社會的進步與發(fā)展，人們已逐漸看清傳統(tǒng)純?nèi)斯す芾砟Ｊ降谋锥?，為了更好地栽培植物，在?jīng)費不足以支撐一整套智能溫室的建設(shè)時，管理者應(yīng)考慮實現(xiàn)部分區(qū)域的部分自動化及一些有益的舉措或計劃，如實現(xiàn)潮汐灌溉、滴灌灌溉、獨立供暖等，既能夠節(jié)省大量人力資源及能源，工作人員也可更精細地完成栽植、修剪等工作。

5.5 引進專業(yè)技術(shù)人才

技術(shù)人員需要在智能溫室建立之初就開始接受專業(yè)培訓(xùn)，并有志向在智能溫室長期服務(wù)。有經(jīng)驗的技術(shù)人員將會使自動化系統(tǒng)在溫室中發(fā)揮最佳功效。此外，相對簡單的操作終端、便于升級和擴展的系統(tǒng)、中文界面，將有利于技術(shù)人員更好地完成控制工作。一些維修維護工作也必不可少，需要配備專業(yè)人員。

5.6 具有科普功能

智能溫室部分區(qū)域有條件地對外開放，具備一定的科普功能及參與功能。參觀區(qū)、活動區(qū)與工作區(qū)彼此隔離。工作人員在進行溫室作業(yè)時，會有訪客在室外的參觀區(qū)域進行觀察，他們互不打擾、沒有交集。訪客無法進入溫室，這樣可避免將病蟲害帶進溫室或者帶走植物。這些觀察區(qū)可設(shè)置一些等離子電視，用于介紹放映溫室及特色植物。工作人員和訪客唯一交集處應(yīng)是事先劃定好的活動區(qū)。工作人員可在事先劃定好的活動區(qū)教給訪客們一些最基本的種植植物的知識，并進行實操等互動。當(dāng)然，這些活動園方必須提前進行詳細的規(guī)劃，且需要訪客提前預(yù)約才能參加。這些活動可以是公益的，也可以收取一部分成本費用，這取決于舉辦活動方的目的是公益性還是營利性。

5.7 分區(qū)科學(xué)規(guī)劃

溫室可按植物的生長習(xí)性分類。智能溫室應(yīng)根據(jù)需要實施分區(qū)管理，如工作區(qū)、休息區(qū)、操控區(qū)、管理區(qū)、活動區(qū)、接待區(qū)等。合理的分類將降低管理難度，節(jié)省資源。

6 智能溫室的發(fā)展前景

我國在土地、人力、資源等方面都有著得天獨厚的優(yōu)勢，潛力巨大，園藝產(chǎn)業(yè)上正處于穩(wěn)步增長階段。我國已成為世界最大花卉生產(chǎn)中心，智能溫室發(fā)展前景廣闊。

2005 年至今，越來越多的農(nóng)業(yè)自動化項目在中國落地生根，開花結(jié)果。隨著今后中國溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及中國老齡化問題加劇，“手動”種植者將逐漸轉(zhuǎn)變思維模式，向“自動化”轉(zhuǎn)化。溫室環(huán)境控制系統(tǒng)將向分布式、自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[18]。其中，分布式網(wǎng)絡(luò)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，可根據(jù)溫室規(guī)模和用戶的不同要求，任意增減設(shè)備，將控制箱體直接安裝在設(shè)備附近[19]，采用了預(yù)測式和反饋式控制策略及報警功能。而自動化可幫助種植者以更有效的方式使用水、養(yǎng)分和能量。人們也將更加注重控制系統(tǒng)在硬件方面和軟件方面的安全性。

智能溫室使植物產(chǎn)品工廠化生產(chǎn)成為現(xiàn)實，令植物產(chǎn)品更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化，并提高植物的產(chǎn)量，降低溫室能耗。此外，智能溫室不僅可令高商業(yè)價值的植物得到更好的管理，還可讓具有較高觀賞性和生態(tài)意義的珍稀瀕危植物得到更好的環(huán)境管控和保護。其中，范郁爾等[20]于2014 年發(fā)表的研究表明，對照普通設(shè)施栽培溫室，智能控制系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)設(shè)施栽培溫室的溫度變化更平穩(wěn)、病蟲害發(fā)生率降低、培育周期縮短、育成率提高、用工量減少、能耗更節(jié)省，智能溫室為植物的生長與低溫春化提供更加適宜的環(huán)境條件。王衛(wèi)平[21]2019 年研究了在智能溫室中的鐵皮石斛栽培技術(shù)，認(rèn)為智能溫室對中藥材的生產(chǎn)和園林景觀工程運用有積極深遠的意義。謝志勇等[22]2021年的研究認(rèn)為，智能溫室能確保反季節(jié)水果蔬菜有合適的生長環(huán)境。

隨著科技進步，國內(nèi)將會有更多公司加入智能溫室的建設(shè)中來，如河南云飛科技發(fā)展有限公司等一大批智能化溫室公司正在搶占智能溫室的藍海。毋庸置疑，智能溫室包含的科技也將日新月異，其智能種植植物的理念將逐步進入家庭，一些家庭智能種植機將應(yīng)運而生。

2022 年4 月18 日，國家植物園正式在北京掛牌（見圖14），園內(nèi)設(shè)有萬生苑（見圖15），其智能溫室在未來的發(fā)展與建設(shè)，是溫室技術(shù)發(fā)展的整體趨勢，是現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，代表著國家形象和實力，勢在必行。

圖14 國家植物園

圖15 國家植物園內(nèi)的萬生苑

7 結(jié)語

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)迅猛發(fā)展，溫室大棚化種植被廣泛應(yīng)用。溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已占據(jù)越來越重要的地位。蔬菜、花卉、果品是人民生活不可缺少的農(nóng)產(chǎn)品，隨著生活水平的提高，對種植自動控制系統(tǒng)產(chǎn)品的需求日益增長，產(chǎn)品的附加值也不斷提高，經(jīng)濟效益顯著。通過大型現(xiàn)代化溫室及配套設(shè)施的引進，可進行實時測控，從而實現(xiàn)溫室大棚科學(xué)、智能化、高效率的管理，促進溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計建筑更加科學(xué)合理，使得設(shè)施內(nèi)的光、溫、水、氣環(huán)境得以優(yōu)化，有利于作物生長發(fā)育，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。