淺談溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

薄英男，郭 輝，張學軍，劉 宇，楊相飛，盛 會，陳恒峰

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實驗室重點實驗室）

淺談溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

薄英男1，2，郭 輝1，2，張學軍1，2，劉 宇1，2，楊相飛1，2，盛 會1，2，陳恒峰1，2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實驗室重點實驗室）

溫室大棚內(nèi)部溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素與植物生長有密切的關(guān)系，適宜的環(huán)境能促進植物生長甚至縮短植物生長周期，因此溫室大棚環(huán)境監(jiān)測對指導作物種植具有重要意義。文中介紹了國內(nèi)外溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及我國溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題，提出了溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。經(jīng)濟可靠的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高我國溫室大棚的生產(chǎn)效率。對于溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展狀況的詳細了解有利于溫室監(jiān)測系統(tǒng)的研究與發(fā)展。

溫室大棚；環(huán)境因素；單片機；傳感器

0 引言

溫室大棚內(nèi)部環(huán)境與其內(nèi)部植物生長密切相關(guān)，當環(huán)境不適宜時會影響作物生長速度引發(fā)病蟲害甚至作物死亡，給溫室大棚所有者造成嚴重的經(jīng)濟損失，因此對溫室大棚內(nèi)部環(huán)境進行監(jiān)控有十分重要的意義[1]。

溫室大棚內(nèi)部環(huán)境因素在外部環(huán)境影響和內(nèi)部設(shè)備調(diào)控的作用下不停的發(fā)生變化。及時了解溫室大棚內(nèi)部溫度、濕度及各種氣體濃度等環(huán)境因素的變化，可以幫助我們了解植物的生長狀況，根據(jù)植物不同生長階段對環(huán)境的需求不同做出調(diào)整，滿足植物的生長要求。我國大部分地區(qū)緯度較高，地理特征復雜多樣，四季溫度變化較大，靠人工經(jīng)驗很難對溫室大棚環(huán)境做出準確的判斷。將環(huán)境檢測系統(tǒng)應(yīng)用于溫室大棚內(nèi)部，可以準確的檢測溫室大棚內(nèi)部溫度、濕度、氨氣濃度等環(huán)境因素。根據(jù)溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)的檢測結(jié)果，及時調(diào)整溫室內(nèi)部水泵、煤爐等設(shè)備可以節(jié)約資源[3]，還能減輕人工勞動量。

1 國內(nèi)外溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

國外在20紀70年代開始用簡易手動測量工具如溫度計、濕度計等對溫室大棚環(huán)境進行測量記錄，這種方式勞動量大而且易出現(xiàn)錯誤。20世紀80年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展人們開始應(yīng)用單片機、PLC、傳感器及計算機等組建系統(tǒng)，對溫室大棚環(huán)境進行檢測[6]。這一時期出現(xiàn)了很多溫室大棚模型，其中比較有代表性的是荷蘭的文洛型。以色列、日本、英國、荷蘭等發(fā)達國家在電子計算機、通訊、傳感器等領(lǐng)域的科技較為發(fā)達，而且對于農(nóng)業(yè)方面的研究投入較多，在溫室大棚智能化技術(shù)研究及溫室大棚環(huán)境監(jiān)控方面的研究水平較高[7]。美國、荷蘭、以色列等發(fā)達國家能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室大棚內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境因素的計算機監(jiān)控，從育苗、栽培到收獲加工逐漸形成了完整的技術(shù)體系[8]。美國是最早將計算機技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚環(huán)境監(jiān)控研究的國家，利用其在計算機電子方面的領(lǐng)先科技，設(shè)計出迄今為止領(lǐng)先的獨立封閉溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)。荷蘭在20世紀將計算機大量應(yīng)用于溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫室大棚的集中化管理。以色列的溫室大棚的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚的供水、施肥、環(huán)境的自動化管控。目前國外計算機技術(shù)、無線通訊技術(shù)和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展促進了溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展[9]。國外溫室大棚產(chǎn)業(yè)已走向商業(yè)化，溫室大棚的生產(chǎn)形成了一定的行業(yè)標準。國外溫室大棚計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)作物的特點和生長所需要的條件，對大棚內(nèi)的光照、溫度、濕度等環(huán)境因素進行自動調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)根據(jù)溫室大棚內(nèi)植物的生長規(guī)律設(shè)定參數(shù)，通過傳感器的檢測值與計算機中的設(shè)定參數(shù)相對比，根據(jù)對比結(jié)果由計算機控制相應(yīng)設(shè)備對溫室大棚澆水、光照控制、加溫、施肥等。近年來國外還利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、計算機通訊技術(shù)、有線及無線局域網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，把溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)連接在一起，通過計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對溫室大棚的遠程化和大規(guī)模管理[10]。國外溫室大棚的生產(chǎn)大多是工廠化模式，機械化程度很高，從育種、移栽到澆水、施肥等全部靠機械來完成，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，減輕了勞動量[11～12]。近年來機器人等人工智能技術(shù)的發(fā)展也促進了溫室大棚生產(chǎn)向無人化方向發(fā)展。

1.2 國內(nèi)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國溫室大棚的生產(chǎn)一直靠經(jīng)驗進行，這種傳統(tǒng)方式比較簡單粗放，效率低下。20世紀70年代起，開始陸續(xù)從西方發(fā)達國家購買溫室配套設(shè)備，這些設(shè)備當時大多用于科研機構(gòu)實驗研究及珍貴植物種植的溫室大棚內(nèi)部[13]。20世紀90年代，我國開始從國外引進成套的現(xiàn)代化的連棟溫室大棚，總面積達到140 hm2，由計算機管理，科技含量較高，人工勞動強度較低。由于成本較高，這些溫室大棚一般用于科學研究使用，很少用于實際的生產(chǎn)。我國在20世紀90年代研發(fā)出一些溫室大棚系統(tǒng)，如河北職業(yè)技術(shù)學院的溫濕度檢測系統(tǒng)、合肥機械研究所DTR軟件及智能控制系統(tǒng)、中國農(nóng)業(yè)大學的WJG-1系統(tǒng)、河南農(nóng)科院的GCS-I系統(tǒng)、中國農(nóng)業(yè)大學的計算機分布式系統(tǒng)等[14]。這些系統(tǒng)都是基于工業(yè)計算機或單片機協(xié)調(diào)管理，取得了很大進展。溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)的成本隨著計算機、電子元器件的價格迅速下降而不斷降低，我國溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)開始應(yīng)用于部分生產(chǎn)花卉、中草藥的高檔溫室大棚中。但由于我國溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究起步較晚，溫室大棚監(jiān)控技術(shù)整體落后于國外先進水平。

2 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類

（1）總-分機結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)有多個處理模塊，其中一個模塊為總控模塊?？偪啬K對其他模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，協(xié)調(diào)各模塊的工作，管理其他模塊及設(shè)備。這種系統(tǒng)可以對成片溫室群進行管理，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復雜，系統(tǒng)維護困難，成本較高。

（2）非總-分機結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)只有一個處理模塊，此模塊采集并對數(shù)據(jù)進行處理，管理其他設(shè)備。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格便宜，但系統(tǒng)對處理器模塊的CPU要求較高，系統(tǒng)內(nèi)部一旦出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)都會受到影響。

（3）處理器模塊：處理器模塊種類、型號較多，常用的有工業(yè)計算機、單片機、PLC等。工業(yè)計算機的結(jié)構(gòu)、接口已經(jīng)標準化，使用方便，功能強大，能滿足復雜系統(tǒng)的設(shè)計要求，但價格較高。單片機成本較低，使用靈活，組建大型的系統(tǒng)時電路設(shè)計復雜，維護不便。PLC使用方便，通用性較好，但價格較高。

3 我國溫室監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題

（1）我國溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)智能化水平較低，系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性差[15]，很多地方不夠完善，大部分都處于實驗階段。

（2）我國從國外引進了溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，雖然這些系統(tǒng)的智能化水平較高，但價格昂貴，能耗較大，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、參數(shù)的修改、系統(tǒng)的維護等較困難。很多系統(tǒng)不能適應(yīng)我國的氣候特點，甚至與我國氣候相沖突[16]，最后不得不面臨關(guān)閉。

（3）溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)大都是基于計算機開發(fā)設(shè)計的，對于管理人員的專業(yè)知識要求較高[17]。我國中小型溫室大棚的管理者缺乏相關(guān)專業(yè)知識，因此在這些系統(tǒng)的操作使用上有一定的困難。

（4）目前我國溫室大棚以中小型塑料大棚為主，溫室大棚的管理靠經(jīng)驗。溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)大都用于科研和名貴花卉的生產(chǎn)，雖然隨著計算機、PLC、單片機等電子產(chǎn)品的價格下降，溫室大棚監(jiān)測控系統(tǒng)成本有所降低，但是中小型所有者仍然難以承受溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)投入。

4 溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

（1）高智能化：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和國家的鼓勵引導和資金支持，溫室大棚的規(guī)模不斷擴大，數(shù)量不斷增加，需要管理的范圍加大，因此需要利用溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)對大量數(shù)據(jù)進行采集、分析和處理。當系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障自動報警，并對故障自行診斷，通過對比與預(yù)置數(shù)據(jù)對比后對溫室進行相應(yīng)的管理。隨著計算機人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室大棚的智能化程度將不斷提高，溫室大棚的工作管理人員將逐步減少，并逐步實現(xiàn)溫室大棚生產(chǎn)的無人化。

（2）易于操作維護：我國目前溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)缺乏定性產(chǎn)品，溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)以普通計算機或工業(yè)計算機為操控中心，計算機與單片機、PLC等協(xié)同管理。溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)缺乏配套的計算機軟件，單片機等硬件電路結(jié)構(gòu)、接口沒有統(tǒng)一標準，更換維護不便。隨著溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，溫室大棚系統(tǒng)的計算機操作界面將朝著人性化、一鍵式操作方向發(fā)展，參數(shù)的設(shè)定修改更加便捷；單片機等硬件電路將形成固定的模塊，統(tǒng)一的接口形式維護更加方便。

（3）網(wǎng)絡(luò)化：目前借助手機、電腦等設(shè)備及相關(guān)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚內(nèi)簡單環(huán)境數(shù)據(jù)的短信發(fā)送及網(wǎng)絡(luò)傳輸。歐美發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)了溫室大棚的部分網(wǎng)絡(luò)化管理，網(wǎng)絡(luò)化程度不斷提高。借助于各種網(wǎng)絡(luò)終端把溫室大棚內(nèi)部各種設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，把所有信息匯總到一臺計算機，對大片溫室進行管理，隨著網(wǎng)絡(luò)化的提高效率也不斷提高。

（4）系統(tǒng)價格不斷降低：現(xiàn)有溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)大都用于科學研究和一些栽培高端作物的溫室中，農(nóng)民自建溫室大棚還沿用手工方式進行操作，其中一個重要的原因就是現(xiàn)有系統(tǒng)價格比較昂貴，超出了中小型溫室大棚所有者的負擔能力。隨著電子產(chǎn)品價格不斷降低和溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的價格將不斷下降。

5 結(jié)論

溫室大棚因其經(jīng)濟效益優(yōu)于傳統(tǒng)種植業(yè)，已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)的重要重要部分，無論是對促進農(nóng)民增收還是緩解冬季蔬菜瓜果供應(yīng)問題都有重要意義。目前我國溫室大棚的面積已經(jīng)躍居世界第一，隨著經(jīng)濟的發(fā)展溫室大棚的數(shù)量和規(guī)模還將不斷增長。我國目前用于蔬菜、水果等生產(chǎn)的溫室大棚仍使用手動工具測量的方法，勞動量大且測量結(jié)果易出錯。溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)可以極大提高生產(chǎn)率，減輕管理人員的勞動量，增加產(chǎn)量、節(jié)約資源。溫室大棚管理的智能化及無人化植物工廠是科技發(fā)展的必然結(jié)果，并將逐漸改變原有溫室大棚的生產(chǎn)方式。

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Present Situation and Development Trend of Greenhouse EnvironmentMonitoring System

BOYing-nan1，2,GUOHui1，2,ZHANGXue-jun1，2,LIUYu1，2,YANGXiang-fei1，2,SHENG Hui1，2, CHENHeng-feng1，2

(1.Mechanical and Traffic College,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,830052,China;2.Key Laboratory of Xinjiang Agricultural Equipment Innovation Design Laboratory）

The greenhouse internal temperature,hum idity,carbon dioxide concentration and other environmental factorshas close relationship w ith plantgrow th,the rightenvironment can promote plantgrow th or even shorten the plantgrow th cycle,so thegreenhouseenvironmentmonitoring hasavery importantsignificance.Economicaland reliable application greenhouse environmentmonit oring system can improve the production efficiency of the greenhouse.Formore information about the developmentofgreenhouse environmentmonitoring system isconducive to research and developmentof the greenhouse monitoring system.

Greenhouse;Environmental factors;SCM;Sensor

1007-7782（2016）05-0037-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.05.010

S625.5

A

2016-10-10

新疆維吾爾自治區(qū)高技術(shù)研究發(fā)展項目（201411110）

郭輝