一種溫室大棚遠程控制智能設(shè)備的研究

安 邦

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

發(fā)展高效設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化是推動設(shè)施農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效的重要舉措，也是推進山西省農(nóng)業(yè)機械化全程全面高質(zhì)高效發(fā)展、加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。2020 年6 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《關(guān)于加快推進設(shè)施種植機械化發(fā)展的意見》（農(nóng)機發(fā)〔2020〕3 號），文件要求“推進設(shè)施裝備智能化。加快信息化和機械化融合，推廣環(huán)境自動調(diào)控、水肥一體化智能控制和作物生長信息監(jiān)測等技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，提升設(shè)施種植機械化水平。加大科技攻關(guān)力度，重點突破設(shè)施種植裝備專用傳感器、自動作業(yè)、精準作業(yè)和智能運維管理等關(guān)鍵技術(shù)裝備，研制嫁接、授粉、巡檢、采收等農(nóng)業(yè)機器人和全自動植物工廠，實現(xiàn)信息在線感知、精細生產(chǎn)管控、高效運維管理?！碑斍?，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)為引領(lǐng)和支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了強有力的科技支撐，依托信息技術(shù)的發(fā)展紅利，智能設(shè)備的推廣和應(yīng)用為設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了有力的支撐，加快了設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程。

1 概述

1.1 設(shè)施農(nóng)業(yè)的概念

設(shè)施農(nóng)業(yè)是采用人工技術(shù)手段，改變自然光溫條件，創(chuàng)造優(yōu)化動植物生長的環(huán)境因子，使之能夠全天候生長的設(shè)施工程。設(shè)施農(nóng)業(yè)涵蓋設(shè)施種植、設(shè)施養(yǎng)殖和設(shè)施食用菌等。關(guān)鍵技術(shù)是能夠最大限度利用太陽能的覆蓋材料，做到寒冷季節(jié)高透明高保溫；夏季能夠降溫防苔；能夠?qū)⑻柟鉄o用光波轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)光合需要的光波；良好的防塵抗污功能等。它根據(jù)不同的種養(yǎng)品種需要設(shè)計成不同設(shè)施類型，同時選擇適宜的品種和相應(yīng)的栽培技術(shù)。筆者所述智能設(shè)備主要以設(shè)施種植中溫室大棚使用為主。

1.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國現(xiàn)代化的栽培技術(shù)起步較晚，同設(shè)施農(nóng)業(yè)較為發(fā)達的荷蘭、以色列、加拿大等發(fā)達國家有較大的差距，但是近些年隨著我國信息技術(shù)、裝備制造技術(shù)的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)其整體設(shè)施以及相關(guān)技術(shù)和裝備都得到了迅猛發(fā)展。目前，我國主要應(yīng)用的溫室種植技術(shù)有塑料棚技術(shù)、溫室大棚技術(shù)、現(xiàn)代溫室技術(shù)，其所栽種的作物有花卉、種苗、瓜果、蔬菜等等。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計，到2018 年末，我國各類設(shè)施農(nóng)業(yè)面積超過333.33×104hm2，大棚、日光溫室、連棟溫室等使用年限10年以上的設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積超過186.67×104hm2，居世界第一。但是，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展還相對滯后，綜合機械化水平僅為33%，機械化、自動化、智能化程度還較低，特別是機播、機收裝備技術(shù)供給不足，還不能滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，亟待加快發(fā)展。因此，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展，不僅要從栽培技術(shù)上發(fā)力，同時要在機械和裝備上下大的力氣。

1.3 智能設(shè)備適用的溫室大棚種類介紹

溫室指由透光屋面和圍護結(jié)構(gòu)組成，能充分采光、保溫、抵御惡劣天氣條件，有效控制植物生長環(huán)境的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建筑。目前，溫室大棚主要分為日光溫室、塑料大棚和連棟溫室。

1.3.1 日光溫室

以日光為主要能量來源的溫室，一般由透光前坡、外保溫簾（被）、后坡、后墻、山墻和操作間組成?；境蜃背?，東西向延伸。圍護結(jié)構(gòu)具有保溫和蓄熱的雙重功能。適合于冬季寒冷，但光照充足地區(qū)反季節(jié)種植蔬菜、花卉和瓜果。

1.3.2 塑料大棚

完全用塑料薄膜作為覆蓋材料的大型保護地栽培設(shè)施。一般塑料大棚的跨度大于或等于4.5 m，高度大于或等于2.5 m，都采用單棟拱形結(jié)構(gòu)。塑料大棚在晴天日間能大幅度提高棚內(nèi)溫度，但夜間保溫性較差。塑料大棚適合于春提早、秋延后栽培及冬季多層覆蓋育苗。

1.3.3 連棟溫室

至少有兩個跨度以上，跨間屋面以天溝連接的溫室。連棟溫室面積大，空間高，適合于較大規(guī)模的機械化園藝生產(chǎn)的組織和管理。

2 當前設(shè)施農(nóng)業(yè)存在問題和不足

2.1 設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化水平整體偏低

目前，除卷簾、耕地、打藥環(huán)節(jié)機械化水平較高外，其他環(huán)節(jié)基本上靠人工來完成。特別是種植、起壟、灌溉施肥、放風(fēng)、采收運輸環(huán)節(jié)相對費工，生產(chǎn)勞動強度大，農(nóng)民迫切需要提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化水平，解放勞動力，降低生產(chǎn)成本。

2.2 人工成本高，設(shè)施生產(chǎn)效益低

當前從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力普遍存在高齡老化等問題，以山西省為例，大棚生產(chǎn)管理人員主要為50～60 歲，日工費為女工50～80 元/d、男工80～100 元/d，城郊區(qū)域工費相對偏高。每個大棚（按0.067 hm2算）用工0.8～1 個/d，種植周期約11 個月，休棚期約1 個月，0.067 hm2大棚年用工成本約為1.5×104～2×104元。年生產(chǎn)資料投入成本約0.5×104～1×104元，0.067 hm2大棚毛收入約4×104～5×104元，除去人工和生產(chǎn)資料等成本，0.067 hm2大棚年純收益僅為1×104元以上，遇上病害年份或行情不好，基本沒有效益，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益不高。

2.3 人力勞動重復(fù)性高，效率低，安全性差

目前，溫室大棚的卷簾、通風(fēng)、灌溉等操作基本靠人工完成，即使部分使用了機械，也需要人工參與操作，需要大量人力每天重復(fù)操作；此外，遇到惡劣天氣或者操作不當時，存在很大的安全隱患，如一旦沒有按時關(guān)閉卷簾機電源可能就會導(dǎo)致大棚主體結(jié)構(gòu)損壞；在天氣突變時，沒能及時有效地控制大棚，導(dǎo)致農(nóng)作物受損等等情況.

因此，現(xiàn)代化手段參與度不高是導(dǎo)致目前大棚種植行業(yè)出現(xiàn)這些問題的重要因素，如果一種在溫室大棚中使用的智能設(shè)備，可以根據(jù)溫度、濕度，自動控制大棚卷簾、通風(fēng)、噴灌，不僅大大節(jié)省了人力，同時保障了大棚農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和效益。

3 主要原理和設(shè)計結(jié)構(gòu)

3.1 主要原理

大棚智能控制設(shè)備主要以“物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算”為驅(qū)動，借助智能手機，通過手機app 整合實時收到的大棚內(nèi)環(huán)境等數(shù)據(jù)，并進行運算和分析，對預(yù)設(shè)的參數(shù)進行對比后，自動調(diào)節(jié)和操作大棚內(nèi)各類機械，使棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)達到作物生長所需的合適范圍。

3.2 主要結(jié)構(gòu)

大棚智能控制設(shè)備主要組成部件有：電器柜、限位器、卷膜（卷簾）電機及配套支架、電纜和智能手機。電器柜是智控設(shè)備的關(guān)鍵部件，裝有電器開關(guān)、控制器、指示燈等，是整個設(shè)備的大腦。限位器是執(zhí)行卷簾電機可靠運行的關(guān)鍵元件，主要控制卷簾和卷膜的極限位置，因此需要周期性對其進行巡視和檢修，保障設(shè)備安全運行。卷膜（卷簾）電機及配套支架是指對人工操作的大棚進行機械改造，連接電機后，接入電器柜。電纜是連接電器柜和大棚內(nèi)各類機械設(shè)備和裝置的電線，按需配置。智能手機用于下載遠程控制電器柜手機app的操作端，也可進行可視化管理。主要工作原理如圖1 所示。

3.3 設(shè)計特點

3.3.1 差異化編程控制器

大棚智控設(shè)備內(nèi)部采用了PLC（可編程邏輯控制器），能夠滿足大棚控制的個性化需求：通過將大棚中需要控制和操作的機械設(shè)備，按照一定的邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算輸入PLC 中，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制大棚設(shè)施設(shè)備。

3.3.2 記憶保護裝置

為了避免斷電等情況發(fā)生，智控設(shè)備添加了EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器）存儲芯片，其作用是在掉電后保存主要數(shù)據(jù)，保證重啟后繼續(xù)之前的任務(wù)。保障了大棚設(shè)備在特殊情況下，可按計劃完成規(guī)定動作，保障農(nóng)產(chǎn)品安全。

3.3.3 卷（放）簾設(shè)計

卷簾的操作元件使用自復(fù)位按鈕，按鈕按下持續(xù)輸出，同時引入互鎖電路保證設(shè)備的單一方向運轉(zhuǎn)。電動卷膜器通過輸入電壓方向的改變實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，在電路中使用兩個1 組轉(zhuǎn)換繼電器，將卷膜電機與繼電器公共端連接，常閉引腳與電源負極相連，常開引腳與電源正極相連，每一時刻導(dǎo)通一個繼電器，就能夠改變電機的旋轉(zhuǎn)方向。同時，引入自恢復(fù)保險，保障設(shè)備的安全運行。

4 主要功能介紹

4.1 手機程序控制

使用一部普通手機，下載該智控裝備的操作程序（手機app），程序頁面就可以看到當前大棚內(nèi)環(huán)溫度、濕度以及光照強度等數(shù)據(jù)。通過提前設(shè)置好的作物生長的溫度、濕度，智控系統(tǒng)實現(xiàn)自動開（關(guān)）風(fēng)口，打開（關(guān)閉）噴灌。

4.2 智慧管理

該系統(tǒng)還可對當?shù)貧庀蟛块T發(fā)布的天氣預(yù)警實施分析，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)判自動鋪棚、卷棚等操作，在用戶忘記設(shè)置和錯誤設(shè)施操作程序后，會智能控制各項設(shè)備的啟閉，規(guī)避人工失誤，防止作物損失。

4.3 數(shù)字服務(wù)

大棚智控系統(tǒng)還會記錄每天、每周、每月、每年的不同數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)自己需求，啟動記憶功能，一鍵設(shè)置各類數(shù)據(jù)。智控系統(tǒng)會根據(jù)之前設(shè)置的農(nóng)作物種類、溫度、濕度、作業(yè)時長，自動為用戶提供數(shù)據(jù)庫中，最佳的控制參數(shù)。

4.4 衍生服務(wù)

大棚智控系統(tǒng)除了提供工作臺之外，用戶還可以在生活圈發(fā)布短視頻、圖文等內(nèi)容，向外界分享農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中遇到的趣事。同時，也可以面向更廣闊的人群發(fā)布農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)情況，實現(xiàn)輕松工作、快樂生活的目標。。

5 展望

農(nóng)業(yè)機械化和信息化的深度融合，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的變革和經(jīng)濟效益，互聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、遠程監(jiān)控等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為設(shè)施農(nóng)業(yè)提供了技術(shù)支撐，特別是對于農(nóng)產(chǎn)品溯源，應(yīng)用智能控制設(shè)備逐漸拓展到產(chǎn)品溯源，溯源系統(tǒng)將提供溫室大棚農(nóng)作物從生產(chǎn)、加工、運輸?shù)戒N售環(huán)節(jié)的全程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)可視化、數(shù)字化管理，從源頭到末端全過程保障農(nóng)產(chǎn)品安全。