設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制技術(shù)的發(fā)展研究

趙 華

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030031）

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)能夠?yàn)橹参锷a(chǎn)提供適宜的生長環(huán)境，屬于高投入高產(chǎn)出，資金、技術(shù)、勞動(dòng)力密集型的產(chǎn)業(yè)[1]。利用人工建造的設(shè)施，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步擺脫自然的束縛，走向現(xiàn)代工廠化農(nóng)業(yè)、環(huán)境安全型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及無毒農(nóng)業(yè)，同時(shí)也是打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的季節(jié)性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的反季節(jié)上市，進(jìn)一步滿足多元化、多層次消費(fèi)需求的有效方法。隨著人們對食品安全和質(zhì)量的要求不斷提高，溫室大棚作為一種高效的農(nóng)業(yè)種植方式受到越來越多的關(guān)注。智能控制裝備的應(yīng)用可進(jìn)一步提升溫室大棚的生產(chǎn)效率和農(nóng)作物品質(zhì)[2]。

我國設(shè)施農(nóng)業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比目前還存在較大差距，主要表現(xiàn)為設(shè)施水平低，抗御自然災(zāi)害能力差；機(jī)械化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大；設(shè)施栽培技術(shù)不配套，科技含量低。我國溫室的覆蓋材料差，透光、抗化、防塵等常規(guī)要求的性能都遠(yuǎn)低于國外，并且壽命短；環(huán)境控制系統(tǒng)基本靠人工經(jīng)驗(yàn)管理，多為半機(jī)械化操作。加快我國溫室智能控制關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)是我國溫室產(chǎn)業(yè)走出發(fā)展瓶頸的重要一環(huán)。目前，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的技術(shù)開發(fā)、管理的高素質(zhì)人才極度缺乏，溫室關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)管理水平與國外存在較大差距[3]。

1 設(shè)施大棚智能控制技術(shù)研究的意義

設(shè)施農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境的精確調(diào)控，根據(jù)作物的需求和生長階段，自動(dòng)控制溫度、濕度、光照等參數(shù)，提供最適宜的生長條件，從而提高產(chǎn)量和質(zhì)量。智能控制技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，農(nóng)民可通過手機(jī)或電腦遠(yuǎn)程監(jiān)測大棚環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)效率和管理便利性。①提高生產(chǎn)效率。溫室大棚智能控制設(shè)備的使用可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光照等） 進(jìn)行精確監(jiān)測和調(diào)控，從而提供最適宜的生長條件給作物?？商岣咦魑锏纳a(chǎn)效率和產(chǎn)量，縮短生長周期，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。②節(jié)約資源。智能控制設(shè)備可對水、肥料和能源進(jìn)行精確供給和調(diào)控，避免浪費(fèi)和過量使用。通過精確的灌溉、施肥和能源控制，可最大限度地減少資源的浪費(fèi)，提高資源的利用效率。③優(yōu)化環(huán)境條件。溫室大棚智能控制設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)測溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)作物的需求進(jìn)行調(diào)整。通過自動(dòng)控制溫度、濕度、CO2濃度等參數(shù)，可提供最適宜的作物生長環(huán)境，從而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。④減少人工管理成本。傳統(tǒng)的溫室大棚管理需要大量的人工參與，而智能控制設(shè)備可自動(dòng)完成一些重復(fù)性的任務(wù)，如溫度調(diào)節(jié)、灌溉和施肥等?？蓽p少人工管理的工作量和成本，并提高管理的效率和準(zhǔn)確性。⑤數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析。溫室大棚智能控制設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄溫室內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)和作物生長情況。通過數(shù)據(jù)的收集和分析，可為農(nóng)民提供決策支持和優(yōu)化管理的參考，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)性和可控性。

溫室大棚智能控制設(shè)備可提高生產(chǎn)效率、節(jié)約資源、優(yōu)化環(huán)境條件，減少人工管理成本，并通過數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析提供科學(xué)支持，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展。

2 設(shè)施大棚智能控制技術(shù)的發(fā)展歷程

溫室大棚智能控制技術(shù)的發(fā)展歷程可追溯到上世紀(jì)80 年代：①初期階段（20 世紀(jì)80 年代—90 年代初）。這一階段的溫室大棚智能控制主要依賴于傳感器和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。傳感器被用于感知溫室內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集、處理和控制這些數(shù)據(jù)。然而，由于硬件設(shè)備和通信技術(shù)的限制，智能控制系統(tǒng)的功能和應(yīng)用受到一定的限制。②發(fā)展階段（20 世紀(jì)90 年代中期—21 世紀(jì)初）。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，溫室大棚智能控制系統(tǒng)逐漸實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的功能?；ヂ?lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使得溫室大棚的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。同時(shí)，傳感器和執(zhí)行器的性能和精度也得到了改進(jìn)，提高了智能控制系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。③現(xiàn)代化階段（21 世紀(jì)初—至今）。溫室大棚智能控制正朝著現(xiàn)代化方向發(fā)展。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的興起，智能控制系統(tǒng)的功能進(jìn)一步提升。通過對大量采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，可實(shí)現(xiàn)更精確的環(huán)境控制和決策支持。同時(shí)，智能控制系統(tǒng)也更加注重節(jié)能和環(huán)保，通過優(yōu)化能源利用和資源管理，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

溫室大棚智能控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從傳感器與計(jì)算機(jī)控制到遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，再到現(xiàn)代化的階段。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能控制系統(tǒng)的功能和應(yīng)用不斷提升，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更高效、精確和可持續(xù)的解決方案。

3 設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制的關(guān)鍵技術(shù)

（1） 傳感器技術(shù)。利用各種傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測溫室內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)，如光照強(qiáng)度、溫度、濕度、CO2濃度等。利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可為溫室大棚提供準(zhǔn)確的環(huán)境信息。通過監(jiān)測溫度和濕度的變化，可及時(shí)調(diào)整溫室的通風(fēng)、加熱、降溫等設(shè)備，以保持適宜的環(huán)境條件。

（2） 自動(dòng)化控制技術(shù)。利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)溫室大棚的灌溉、通風(fēng)、溫度、濕度等參數(shù)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的閾值和算法，自動(dòng)控制各種設(shè)備和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的精確控制。

（3） 數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對溫室內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)。中央控制系統(tǒng)可對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提供決策支持和優(yōu)化調(diào)整。

（4） 人機(jī)交互技術(shù)。通過人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。操作員可通過計(jì)算機(jī)、手機(jī)等設(shè)備，隨時(shí)隨地監(jiān)控溫室的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警信息，同時(shí)可對溫室大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和調(diào)整。

（5） 多傳感器融合技術(shù)。將不同類型的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和處理，提高環(huán)境監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，可通過融合溫度、濕度和光照強(qiáng)度等多個(gè)參數(shù)，對溫室內(nèi)的生長環(huán)境進(jìn)行精確控制。

（6） 人工智能和決策支持技術(shù)。利用人工智能算法和決策支持系統(tǒng)，對溫室大棚的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和預(yù)測。通過智能算法的優(yōu)化調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的能源利用、作物生長和灌溉等方面的最優(yōu)化控制。

設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、人工智能和決策支持技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用可以提高溫室大棚的生產(chǎn)效率、資源利用率和環(huán)境友好性。

4 設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

（1） 溫度和濕度控制。針對溫室內(nèi)的溫度和濕度變化，設(shè)計(jì)和開發(fā)了智能控制系統(tǒng)，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測溫濕度數(shù)據(jù)，并利用控制算法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的恒溫恒濕。

（2） 光照控制。光照是溫室植物生長的重要因素之一。研究光照傳感器和光照控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對光照強(qiáng)度和光照時(shí)間的精確控制，以提供適宜的光照條件促進(jìn)植物生長。

（3） CO2濃度控制。溫室內(nèi)的CO2濃度對植物的光合作用和生長有著重要影響。研究人員探索了利用CO2傳感器和控制系統(tǒng)來監(jiān)測和調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的CO2濃度，以提供適宜的CO2水平，促進(jìn)植物的生長。

（4） 灌溉和營養(yǎng)控制。智能灌溉系統(tǒng)可根據(jù)土壤濕度、植物需水量等參數(shù)，自動(dòng)控制灌溉設(shè)備的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的灌溉。同時(shí)，研究人員探索了利用智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)植物營養(yǎng)液的自動(dòng)配比和供應(yīng)，以滿足植物的營養(yǎng)需求。

（5） 數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析。智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄，通過數(shù)據(jù)分析和處理，提供溫室管理者與決策者所需的信息，以優(yōu)化溫室運(yùn)營和管理。

目前，溫室大棚智能控制裝備的研究主要集中在溫濕度控制、光照控制、CO2濃度控制、灌溉和營養(yǎng)控制及數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析等方面[4]。

5 設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制技術(shù)在應(yīng)用過程中可能面臨的一些問題

（1） 技術(shù)成本高。智能控制技術(shù)的引入需要投入大量的資金，包括購買和安裝傳感器、控制設(shè)備及相關(guān)軟件系統(tǒng)等。這些費(fèi)用對于一些小型農(nóng)戶或農(nóng)場來說可能難以承擔(dān)，限制了技術(shù)的推廣應(yīng)用。

（2） 技術(shù)復(fù)雜性。智能控制技術(shù)往往需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行安裝、調(diào)試和維護(hù)。對于缺乏相關(guān)技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)民來說，學(xué)習(xí)和操作這些技術(shù)可能存在一定的困難。

（3） 數(shù)據(jù)處理和分析。智能控制技術(shù)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照等。如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理和分析，提取有用的信息，并進(jìn)行合理的決策，是一個(gè)挑戰(zhàn)；同時(shí)，數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護(hù)也是需要考慮的問題。

（4） 兼容性問題。由于智能控制技術(shù)的供應(yīng)商眾多，設(shè)備和軟件之間的兼容性可能存在問題。不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互和通信可能需要額外的工作和投入，增加了技術(shù)整合的復(fù)雜性。

（5） 可靠性和穩(wěn)定性。智能控制技術(shù)在溫室環(huán)境中需要穩(wěn)定運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障或技術(shù)問題，可能會(huì)導(dǎo)致溫室內(nèi)的環(huán)境變化，影響作物生長。因此，技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

（6） 技術(shù)更新和升級。智能控制技術(shù)日新月異，不斷有新的設(shè)備和系統(tǒng)問世。對于農(nóng)戶和農(nóng)場來說，及時(shí)了解和采用最新的技術(shù)可能存在一定的困難，需要不斷進(jìn)行技術(shù)更新和升級。

針對這些問題，需要政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)共同努力，提供技術(shù)支持、培訓(xùn)和服務(wù)，降低技術(shù)成本，提高技術(shù)可行性和適用性，推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室智能控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用[5]。

6 結(jié)語

設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制技術(shù)可以根據(jù)作物的需求和環(huán)境條件，精確控制溫室大棚的溫度、濕度、光照等參數(shù)，提供最適宜的生長環(huán)境，促進(jìn)作物的健康生長和高產(chǎn)，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。還可以根據(jù)實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)和需求進(jìn)行精確的控制，避免能源和資源的浪費(fèi)。根據(jù)土壤濕度、植物需水量等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，避免過量或不足的灌溉，提高水的利用效率。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理，可有效降低病蟲害的發(fā)生率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)效益。通過云平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。農(nóng)場管理者可通過手機(jī)、平板電腦等終端設(shè)備隨時(shí)隨地對溫室內(nèi)的環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制，提高管理的便捷性和有效性。

綜上所述，設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制技術(shù)可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源和資源、優(yōu)化水資源利用、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理，并且實(shí)現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的推廣，溫室大棚智能控制裝備將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用。