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論文題目： 溫室環(huán)境測控系統及其發(fā)展趨勢
摘要：本文闡述了溫室環(huán)境測控系統在國內外的發(fā)展情況，包括從溫室誕生起，美國、日本、荷蘭等溫室測控技術(shù)發(fā)展比較先進(jìn)的國家在各自領(lǐng)域內的研究成果，以及國內引進(jìn)溫室技術(shù)后，各個(gè)高校及專(zhuān)業(yè)人員就自己擅長(cháng)的方面進(jìn)行探索并取得一定的研究成果。其次淺談了溫室測控系統的發(fā)展前沿，即該領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，如無(wú)線(xiàn)電監控系統、GPRS技術(shù)、遠程溫室大棚控制系統等。最后具體講述了溫室測控中主要的影響因素，包括溫度、濕度、光照、CO2濃度，以及當下比較適宜的處理辦法。
關(guān)鍵詞: 溫室環(huán)境測控;無(wú)線(xiàn)電監控;遠程監控
Greenhouse environment controling systems and its
development
Abstract : This paper said the development of the greenhouse environment control system at home and aborad , since the birth of greenhouse , United States , Japan , the Netherlands and other greenhouse monitoring and control technology more advanced countries in their respective areas of research , and after the introduction of greenhouse technology as well as domestic , various universities and professionals to explore their own good and have made certain aspects of the research results . Second ,on the forefront of the development of the greenhouse control system , such as radio control system , GPRS technology , remote control system of greenhouse and so on . Finally , Specific about the main factors of greenhouse monitoring and control , Including temperature, humidity , light , CO2 concentration and the more appropriate approach at present Keyword: greenhouse monitoring and control technology ; radio control system ; remote control system of greenhouse.
引言
目前，我國農業(yè)正處于從傳統農業(yè)向以?xún)?yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目標的現代化農業(yè)轉化新階段。而溫室作為現代化設施農業(yè)的重要產(chǎn)物，在國內多數地區得到了廣泛應用。溫室可以模擬成一個(gè)由人工智能監測的半封閉生態(tài)系統，它可以避開(kāi)外界種種不利因素的影響，人為控[1]制或創(chuàng )造適宜農作物生長(cháng)的氣候環(huán)境。由于溫室中各種環(huán)境因素是可以人為控制的，因此控制技術(shù)直接決定著(zhù)溫室中農作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。
溫室測控系統一般包括三個(gè)模塊：環(huán)境信息采集模塊、數據處理模塊和執行模塊。在目前的測控系統中，環(huán)境因子的采集主要包括溫度、濕度、CO2濃度、光照強度、土壤濕度等。
1溫室環(huán)境測控在國內外的發(fā)展
自二十世紀七十年代溫室誕生以來(lái)，各國對測控技術(shù)的研究越來(lái)越多，也越來(lái)越深入，逐步向著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化、智能化、綜合化的方向發(fā)展[2]
1.1國外溫室技術(shù)發(fā)展概況
美國是最早發(fā)明計算機的國家，也是將計算機應用于溫室控制和管理最早、最多的國家之一。美國開(kāi)發(fā)的溫室計算機控制與管理系統可以根據溫室作物的特點(diǎn)和要求，對溫室內光照、溫度、水、氣、化肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)調控，還可利用溫差管理技術(shù)實(shí)現對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開(kāi)花和成熟期進(jìn)行調節及控制。
在日本,作為設施農業(yè)主要內容的設施園藝建設相當發(fā)達,比如塑料溫室和其它人工栽培設施達到普遍應用,設施栽培面積位居世界前列,蔬菜、花卉、水果等普遍實(shí)行設施溫室生產(chǎn)，并針對種苗生產(chǎn)設施的高溫、多濕等不良環(huán)境進(jìn)行了若干設施項目的研究[3],主要有設施內播種裝置、苗接觸刺激裝置、苗灌水裝置和遮光裝置的開(kāi)閉裝置、缺苗不良苗的檢測及去除和補栽裝置、CO2施肥裝置等方面的自動(dòng)化研究[4]。
2002年，英國倫敦大學(xué)農學(xué)院利用計算機遙控技術(shù)，可以觀(guān)測50km以外溫室內的溫度、濕度等環(huán)境狀況并遠程控制。另外針對CO2濃度對作物的影響這一點(diǎn)，溫室中通常安裝通風(fēng)機,攪動(dòng)空氣使溫室中的CO2濃度一致[5]。
荷蘭園藝溫室發(fā)展較早,由于地處高緯度地區,日照短,全年平均氣溫較低等不利于作物生長(cháng)的氣候因素,因此集中較大力量發(fā)展經(jīng)濟價(jià)值高的鮮花和蔬菜,大規模地發(fā)展玻璃溫室和配套的工程設施并且全部采用計算機控制，大大提高了作物的產(chǎn)出及品質(zhì)要求。
現今隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展,國外溫室業(yè)正致力于高科技的廣泛應用。遙測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、控制局域網(wǎng)已逐漸應用于溫室的管理與控制中,近幾年各國溫度控制技術(shù)提出建立溫室行業(yè)標準并朝著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化，大規模，無(wú)人化的方向發(fā)展[6]。
1.2國內溫室技術(shù)發(fā)展概況
國內的計算機應用開(kāi)始于70年代中期,當時(shí)主要用于數據的統計分析和計算。自70年代末起,我國陸續從美國、日本、荷蘭等國引進(jìn)了許多先進(jìn)的現代化溫室技術(shù),在借鑒及學(xué)習發(fā)達國家高科技溫室技術(shù)的基礎上,我國農業(yè)科研工作人員進(jìn)行了溫室內部溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子控制技術(shù)的綜合研究，在邊學(xué)習邊發(fā)展的道路上我國溫室技術(shù)也有了長(cháng)足的進(jìn)步。
早期溫室技術(shù)引進(jìn)是1987年中國農業(yè)科學(xué)院引進(jìn)了FELIXC 512系統,并建立了全國農業(yè)系統的第一個(gè)計算機應用研究機構[7]。到了90年代初期,計算機開(kāi)始用于溫室的管理和控制領(lǐng)域。
2000年，金鈺研究了工業(yè)控制機IPC在自動(dòng)化溫室控制中的應用[8]。該研究是以工業(yè)控制機為核心采集環(huán)境信息，控制外圍設施執行控制。實(shí)現了溫室的封閉環(huán)境控制，但該系統布線(xiàn)復雜,維護困難且成本過(guò)高。
2005年，杜輝等研究了基于藍牙技術(shù)的分布式溫室監控系統[9]。該系統將藍牙技術(shù)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)相結合運用于溫室群的監控，提高了系統的可靠性、降低了數據傳輸過(guò)程中干擾。但由于藍牙技術(shù)本身的不成熟，與其他技術(shù)相結合以后會(huì )導致系統的紊亂，難以調控，顧該系統的實(shí)際應用仍需要深入研究。
2007年，唐娟等研究了基于新型AVR單片機的溫室測控系統[10]。該系統把個(gè)體生產(chǎn)和規�；a(chǎn)相結合，在單個(gè)溫室大棚生產(chǎn)實(shí)現智能自動(dòng)化的基礎上實(shí)現連棟溫室大棚的規�；a(chǎn)。
2008年，周茂雷，郭康權研究出了基于A(yíng)RM7微處理器的溫室控制器系統[11]。該系統能通過(guò)AD算法實(shí)現溫室各路模擬量、開(kāi)關(guān)量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，將采集到的數據經(jīng)處理后定時(shí)保存并送出控制量。
2 溫室技術(shù)新型發(fā)展
現代化農業(yè)設施技術(shù)得到了極大的發(fā)展，利用不同的先進(jìn)科技創(chuàng )造了利于作物生長(cháng)的溫室環(huán)境，下面講述了五種新型溫室技術(shù)。
2.1無(wú)線(xiàn)電監控系統
隨著(zhù)生產(chǎn)規模的不斷擴大,大棚數量的增多,有線(xiàn)監測系統布線(xiàn)復雜、維護困難、不能任意增加節點(diǎn)等缺點(diǎn)就暴露出來(lái)了. 隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展,出現了一體化的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF905，該芯片體積小巧,外圍只需添加少量幾元件即可工作,而且編程簡(jiǎn)單，可實(shí)現信息的無(wú)線(xiàn)傳輸, 以上位機為信息處理終端,構成了溫室大棚環(huán)境參數監控系統, 該系統具有無(wú)需布線(xiàn)、可以任意增減采集點(diǎn)、結構簡(jiǎn)單、功耗低及組網(wǎng)方便等特點(diǎn),因而具有較高的實(shí)用價(jià)值[12]
2.2 GPRS技術(shù)的應用
GPRS (General Packet Radio Service)是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種基于GSM (Global System for Mobile Communications)系統的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)。同一無(wú)線(xiàn)信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享，只有當某個(gè)用戶(hù)需要發(fā)送或接收數據的時(shí)候才會(huì )占用信道資源，從而有效地利用了信道資源。監控中心服務(wù)器通過(guò)GPRS 可以在移動(dòng)狀態(tài)下使用各種采集到的信息數據， 在移動(dòng)通信服務(wù)商提供的GPRS業(yè)務(wù)平臺上構建溫室大棚環(huán)境監控信息數據傳輸系統， 實(shí)現智能化溫室控制信息采集點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數據傳輸，監控系統同時(shí)可以實(shí)現資料、指令的反向傳輸，以達到遠程控制的目[13]。的溫室大棚環(huán)境監控中心也可以通過(guò)服務(wù)器來(lái)瀏覽各個(gè)溫室大棚的作物生長(cháng)狀況。
2.3 基于CAN和Profibus總線(xiàn)的溫室分布式監控系統
CAN(controller area network)總線(xiàn)是一種分布式實(shí)時(shí)控制系統的串行通信局域網(wǎng)[14-15],其信號傳輸采用短幀結構,具有傳輸時(shí)間短、受干擾的概率低、實(shí)時(shí)性強、性能好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應用于各種控制系統中的檢測和執行機構之間的數據通信。
Profibus總線(xiàn)的溫濕度分布式測控系統也和CAN總線(xiàn)的功能差不多。在現有的各種現場(chǎng)總線(xiàn)中, Profi2bus 總線(xiàn)占有很大的市場(chǎng)份額, 并提供了DP、PA3和FMS三種協(xié)議類(lèi)型。
2.4 虛擬儀器的應用
溫室大棚測量系統的發(fā)展經(jīng)過(guò)了模擬儀器、分立元件儀器、數字化儀器和智能化儀器,到現在發(fā)展到了虛擬儀器。虛擬儀器以計算機為核心組成的虛擬儀器平臺,可以通過(guò)不同的虛擬儀器軟件實(shí)現多種測試功能,能由虛擬儀器代替部分傳統的儀器硬件,并利用虛擬儀器強大的數據采集和數據分析功能,進(jìn)行各種信息的處理，然后將結果送出顯示或控制調節機構,調節大棚的環(huán)境參數[16]。
2.5 遠程溫室大棚控制系統
為實(shí)現農民對大棚的簡(jiǎn)捷控制,實(shí)現農民增產(chǎn)增收，遠程溫室大棚控制系統顯然是一項值得研究和推廣的工程。該系統實(shí)時(shí)要求很高, 傳輸距離較遠, 對穩定性以及抗干擾性的要求也很高, CC2Link造價(jià)低廉, 能滿(mǎn)足現場(chǎng)環(huán)境的通訊要求而成為主要的新型現場(chǎng)通訊方式，另外以太網(wǎng)實(shí)時(shí)、高速且傳輸距離較遠, 而成為主流的遠程通訊方式。兩者相結合便實(shí)現了溫室大棚遠程控制網(wǎng)[17]。
3 影響作物生長(cháng)的各項因素及處理辦法
作物的生長(cháng)發(fā)育，一方面取決于作物本身的遺傳特性，另一方面取決于外界環(huán)境條件。在生產(chǎn)上，則要通過(guò)優(yōu)良的栽培技術(shù)及創(chuàng )造適宜的環(huán)境條件來(lái)控制生長(cháng)和發(fā)育。
影響作物生長(cháng)發(fā)育的主要環(huán)境條件包括：溫度(空氣溫度及土壤溫度)、光照(光的強度和光周期)、水分(空氣濕度和土壤濕度)、土壤(土壤肥力及土壤溶液的反應)、空氣(大氣及土壤中空氣的特性，CO2的含量，有毒氣體的含量)、生物條件(土壤微生物及病蟲(chóng)害)等。下面就溫度、濕度、光照、CO2濃度這四方面進(jìn)行具體的論述。
3.1 溫度
作物的生長(cháng)發(fā)育環(huán)境中以溫度最為敏感，也是最重要的。自然環(huán)境下，溫度在時(shí)間上隨
四級變化而周期變化，在空間上隨緯度和海拔的升高而降低。
另外在室內的話(huà)，由于作物的茂密生長(cháng)會(huì )使得溫度的空間變得比較復雜，實(shí)際上溫度的空間分布受室外氣候因子、室內調控方式、植物群體結構的綜合影響，空氣溫度不論在水平方向還是在垂直方向往往都不均勻。
處理辦法：
目前溫室的溫度調控主要包括增溫、保溫、降溫[18]。加溫有熱風(fēng)采暖系統、熱水采暖系統、土壤加溫三種形式;保溫包括減少貫流放熱和通風(fēng)換氣量、增大保溫比、增大地表熱流量;降溫最簡(jiǎn)單的途徑是通風(fēng).
3.2 濕度
適宜的空氣濕度和土壤濕度是溫室內作物健康生長(cháng)的重要條件。根據研究發(fā)現，除了陰雨天以外，室內午后過(guò)低的空氣濕度會(huì )導致作物發(fā)生光合作用的午休現象。
一般情況下，作物適宜的相對濕度是60%～80%。所以溫室內空氣相對濕度的大小直接影響作物的光合作用，影響作物生產(chǎn)的質(zhì)量;另外，空氣濕度過(guò)大，作物植株也易于生病。
土壤濕度對植物的影響也很大，若溫室內排水不良，灌水不當，土壤滲水性不好，造成土壤水分過(guò)剩，使土壤中的氧氣減少，植物根部呼吸的水分減少，從而影響植物的水分代謝，阻滯植物的生長(cháng)或者發(fā)生根部腐爛的情況[19]。
處理辦法：
除濕的方法有通風(fēng)換氣、加溫除濕、覆蓋地膜、使用除濕機、除濕型熱交換通風(fēng)裝置。 加濕的方法包括噴霧加濕、濕簾加濕、溫室內頂部安裝噴霧系統[20]。這幾種方法除了有加濕功能還可以達到降溫的功效.
3.3 光照強度
光照是作物生長(cháng)發(fā)育的關(guān)鍵條件之一。沒(méi)有光照，就談不上植物的生長(cháng)，光照不足，勢必影響植物的生長(cháng)發(fā)育。
光照的強度直接影響到作物光合作用的強度。與室外相比較，室內光明顯的差異表現在數量減少，光質(zhì)改變及光分布不均勻等三個(gè)方面，從而形成獨特的溫室光環(huán)境[21]。
處理辦法：人工調節大棚外部設施的方法來(lái)改變溫室內的光照強度
(1)改變設施的透光率;
(2)應用反光幕;
(3)人工補光;
(4)遮光。
3.4 CO2濃度
CO2是作物進(jìn)行光合作用的主要原料，蔬菜作物的產(chǎn)量90%～95%靠光合作用制造。在露天大田生產(chǎn)條件下，空氣中的CO2濃度為300ppm即 0.03%，一般能滿(mǎn)足光合作用的需要，但是在密閉的溫室中栽培蔬菜卻顯得嚴重不足，如果二氧化碳不足，盡管光照好，水分足，植物仍不能進(jìn)行旺盛的光合作用，使營(yíng)養物質(zhì)積累少，作物生長(cháng)衰弱，難以早熟高產(chǎn)。
處理辦法：增施CO2的方法一般采用兩種方式
(1)短時(shí)間通風(fēng);
(2)利用CO2發(fā)生器人工增施CO2;
小結
本文主要從溫室環(huán)境測控的起源及其發(fā)展等方面展開(kāi)討論，對國內外的溫室系統的各個(gè)階段的成果及不足之處都做了比較詳細的說(shuō)明，相對國內而言國外的技術(shù)比較成熟，而且在溫控的實(shí)施上也會(huì )因地域的差別而有所限制，其次簡(jiǎn)述了幾項溫室測控的前沿技術(shù)，也綜合評價(jià)了這些技術(shù)的實(shí)用性，另外淺談了作物生長(cháng)的影響因素及解決各種不利因素的調節系統。主要是針對溫度、濕度、光照、CO2濃度這幾點(diǎn)的具體講述。
目前國內的溫室測控系統主要依賴(lài)PC機、單片機等作為處理的核心，但運用起來(lái)往往對環(huán)境調節的準確性低、可靠性差，且成本高，效率低等問(wèn)題也會(huì )相繼出現。另外國內外的控制系統在網(wǎng)絡(luò )化、智能化等方面還需要有重大改進(jìn)。
因此，實(shí)現成本低廉、控制效率高、網(wǎng)絡(luò )化、智能化程度高的溫室控制系統將是未來(lái)農業(yè)生產(chǎn)要解決的主要問(wèn)題。
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