淺談溫室農(nóng)業(yè)關鍵環(huán)境參數(shù)的控制

黎龍卓

摘 要：近年來，我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，溫室在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到了關鍵作用，為了抵御惡劣的自然環(huán)境，保證作物快速生長，對溫室進行智能化監(jiān)控是一種重要的技術(shù)手段。本文設計了一套智能溫室環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫室溫度、濕度、光照強度和 CO2濃度4個參數(shù)的高效監(jiān)控。由于比傳統(tǒng)的有線監(jiān)控網(wǎng)絡更加簡潔高效，本文的研究具有廣闊的市場前景。

關鍵詞：智能監(jiān)控；溫室環(huán)境；無線網(wǎng)絡

文章編號：1004-7026（2018）12-0090-02 中國圖書分類號：S625 文獻標志碼：A

溫室是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施，由于溫室內(nèi)的環(huán)境更適合作物生長，因而被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域廣泛應用。溫室必須要抵抗自然界的各種型業(yè)務環(huán)境，因而就涉及到對溫室的監(jiān)控問題。溫室的監(jiān)控水平是農(nóng)業(yè)自動化的重要體現(xiàn)。隨著溫室規(guī)模的進一步擴大，人們對作物產(chǎn)量和長勢要求的提高，溫室控制變得越來越困難。如果溫室環(huán)境不能滿足作物生長要求，將會嚴重影響作物的生長，帶來不可估量的經(jīng)濟損失。

1 溫室控制技術(shù)現(xiàn)狀

我國在農(nóng)業(yè)設施方面的研究起步較晚，約在20世紀七十年代才開始有學者關注[1]。目前已經(jīng)歷了近半個世紀的探索，有了很大的成就，但在信息技術(shù)高度發(fā)達的今天，我國現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)設施仍然不能滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展要求，有許多技術(shù)難題需要解決。我國地域?qū)拸V，環(huán)境條件差異巨大，而各地對農(nóng)產(chǎn)品的需求卻越來越多元化，因此發(fā)展了溫室技術(shù)進行作物種植。

隨著科技的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平日益提高，許多先進的科學技術(shù)開始應用到溫室環(huán)境的控制中來，農(nóng)業(yè)種植不再是傳統(tǒng)的自然大棚方式，而是根據(jù)農(nóng)作物對環(huán)境的需求，有針對性地按需求對溫室內(nèi)的環(huán)境進行控制，保證生產(chǎn)效率的提高[3]。從目前溫室控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，溫度是是溫室控制的重要參數(shù)，因為作物的生長要求環(huán)境溫度長期處于比較適宜的狀態(tài)。因此有人提出，只需要將溫度控制在一個很小的變化范圍內(nèi)而無需硬件反復動作，因而可以減少能源消耗。近年來，有學者提出將計算機控制系統(tǒng)引入到溫室大棚的控制領域中來，以抵抗自然環(huán)境的不利影響，只要把控制參數(shù)事先輸入到系統(tǒng)中，就可以實現(xiàn)按該參數(shù)對環(huán)境參數(shù)進行控制[4]。隨著溫室控制技術(shù)的進一步發(fā)展，在不久的將來還能夠?qū)Σ∠x害進行檢測和預測，使溫室內(nèi)的作物不但生長在適宜的環(huán)境中，更是直接避免了害蟲侵擾。盡管現(xiàn)在的溫室控制系統(tǒng)已能夠較輕易實現(xiàn)，但其性能還有極大的發(fā)展空間，因為溫室監(jiān)控系統(tǒng)采集的是是環(huán)境溫度，與作物本身真實的環(huán)境要求還有一定的誤差[5]。另外，考慮到溫室環(huán)境的控制策略與外部環(huán)境有很大關系，因此可以將天氣預報與溫室控制系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)溫室控制的更智能化，避免極端天氣對溫室環(huán)境的擾亂，把環(huán)境對作物生長的影響減至最小。

2 溫室控制的參數(shù)及要求

對溫室的環(huán)境參數(shù)進行精確控制，一直是農(nóng)業(yè)信息化的關鍵技術(shù)。由于作物對環(huán)境的要求是動態(tài)的，因而溫室控制系統(tǒng)的設計也應具有一定的靈活性，可以滿足作物生長環(huán)境的動態(tài)變化。環(huán)境中的光合作用、蒸騰作用、呼吸作用等都直接影響著作物的生長效率，另一方面，環(huán)境參數(shù)之間相互聯(lián)系的，因此溫室控制要同時考慮到環(huán)境因素之間的內(nèi)在關系，才能實現(xiàn)精確的環(huán)境控制。大量農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)經(jīng)驗表明，在眾多環(huán)境因素中，溫度、濕度、光照強度和 CO2濃度4個參數(shù)對作物的生長起著關鍵性的控制作用，因此本文將重點研究這4個因素的控制。

2.1溫度的控制

溫度作為植物生長的最關鍵因素之一，直接影響著作物的生長效率和存活率，作物的生理活動與環(huán)境溫度息息相關，因而溫度成為溫室控制系統(tǒng)的首要因素。實際上，溫度是通過影響酶的活性來影響作物生理活動的。本系將實現(xiàn)對溫室內(nèi)溫度的最大值、最小值、平均值和最佳值進行動態(tài)控制，以滿足不同地區(qū)溫室控制的需求。

2.2 濕度的控制

濕度與空氣中的水分有關。水作為生命基本物質(zhì)，在作物的光合作用中起到了關鍵的作用，沒有水就沒有生命。因此濕度的控制極其重要。本文將同時考慮空間的濕度和土壤的濕度，對溫室內(nèi)的濕度進行全方位控制。實際上，作物對濕度的要求并不嚴格，也就是濕度可以比較大的范圍進行波動，不會對作物產(chǎn)生明顯的影響。因此本文采用了廉價的控制模塊即可滿足濕度的控制要求，以節(jié)省開發(fā)成本。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗和生物學理論，本系統(tǒng)將白天的溫室濕度控制在80%以下，如果溫度較高則控制在85%，以實現(xiàn)最佳的生產(chǎn)效率。

2.3 光照強度的控制

光是作物光合作用的能量來源，因此光照的控制非常重要。本文主要考慮對光照強度、光質(zhì)和光照時間三個光學參量進行控制。由于溫室往往與外界環(huán)境只有一層薄膜，因此不同的外部條件對溫室光照條件的影響不同，在多云和陰天的條件下對光線進行補償，在盛夏的正午進行恰當?shù)恼诠?，保證光照處于最佳狀態(tài)。

2.4 CO2濃度的控制

CO2是光合作用的重要原料，同時植物活動也會釋放CO2，因此必須對CO2的濃度進行控制，使其保持在一個平衡狀態(tài)。不同的時間段對CO2的濃度要求是不一樣的，必須符合作物的生理特征，動態(tài)控制CO2的濃度。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗，本文的控制策略是，在日出后 1小時開始施放CO2，持續(xù)2小時，結(jié)束施放后，至少隔1小時才能進行通風，保證作物生長需要。

3 溫室控制系統(tǒng)設計

本文根據(jù)對溫室種植的環(huán)境要求進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，溫室的環(huán)境控制主要涉及到兩方面的內(nèi)容，即環(huán)境的監(jiān)測與環(huán)境的控制。這兩個方面是相輔相成的，環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境控制的依據(jù)，環(huán)境控制是環(huán)境監(jiān)測的目標。

從數(shù)據(jù)看出，本系統(tǒng)主要分為溫室環(huán)境采集部分和控制部分，采集的參數(shù)包括溫度、濕度、光照強度、CO2濃度4個關鍵環(huán)境量。只要對這4個關鍵參數(shù)進行嚴格控制，基本上就能夠保證溫室環(huán)境保持在適宜作物生產(chǎn)的狀態(tài)?？刂撇糠钟梢幌盗袌?zhí)行機構(gòu)組成，包括卷簾裝置、供暖裝置、噴灑裝置、通風裝置、風機、灌溉裝置、指示燈等等，當溫室內(nèi)的環(huán)境與預測值產(chǎn)生偏差時，控制中心對對環(huán)境參數(shù)的采集會及時發(fā)現(xiàn)，并通過控制器向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送控制指令，使相應的執(zhí)行機構(gòu)動作，完成環(huán)境的控制。例如，隨著夜晚的到來，溫室內(nèi)的環(huán)境會慢慢下降，此時采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心進行處理，發(fā)現(xiàn)溫度比預設的值低，此時會向供暖裝置發(fā)送一條開啟指令，使供暖裝置工作，溫室環(huán)境會慢慢上升，直到回升至預設值，控制中心檢測到當前溫度已恢復正常，再次向供暖裝置發(fā)一條停止指令，使其停止工作。這樣一來，溫室內(nèi)的溫度就可以始終保持在固定的范圍內(nèi)，為作物提供最佳環(huán)境溫度。這就是本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處。

結(jié)束語

隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，溫室的智能監(jiān)控也會受到越來越多的重視，通過對實現(xiàn)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的智能化設計將是一種重要的發(fā)展趨勢。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，除了本文研究的4個關鍵參數(shù)之外，更多的環(huán)境參數(shù)也將考慮進來，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的全方位控制。因此本文的研究具有重要的市場前景。

參考文獻：

[1]邱增帥.溫室大棚的環(huán)境參數(shù)控制[D].沈陽工業(yè)大學，2013.

[2]吳小偉，史志中，鐘志堂，武文娟，張璐，丁莉，崔軍.國內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進展[J].農(nóng)機化研究，2013，35（04）：1-7+18.

[3]張得龍.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2016（15）：12-12.