中國溫室環(huán)境控制研究進展

皇甫姍姍，朱節(jié)中，楊再強，馬玉翡

（1南京信息工程大學自動化學院，南京210044；2南京信息工程大學物聯(lián)網(wǎng)學院，南京210044；3南京信息工程大學應用氣象學院，南京210044）

0 引言

設施農(nóng)業(yè)不同的地區(qū)有不同的稱呼，例如保護地農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)工廠、可控環(huán)境農(nóng)業(yè)、工廠化農(nóng)業(yè)等多重稱呼[1-2]。大致來說，所謂設施農(nóng)業(yè)是具有一定的基礎執(zhí)行設備、在可控范圍內創(chuàng)造出理想的環(huán)境、為作物生長發(fā)育提供適宜的內部環(huán)境條件并盡量使其免受自然災害，在一定程度上擺脫對自然環(huán)境的依賴[3-9]。現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)的已經(jīng)具有的功能是：環(huán)境合理調控、抵御自然災害、生產(chǎn)工廠化、技術高強度化[10]。中國的設施農(nóng)業(yè)溫室主要為大型塑料大棚、大型玻璃溫室、大型連棟溫室、大型日光溫室、鋼架拱棚、暗室大棚。而且日光溫室是中國自主研發(fā)的[11]。設施農(nóng)業(yè)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和加快中國農(nóng)業(yè)實體經(jīng)濟發(fā)展的重要措施，它的飛速進展為中國創(chuàng)造了經(jīng)濟收益與更多的就業(yè)崗位[12]。

智能溫室大棚作為設施農(nóng)業(yè)的典型代表，由于其對外界環(huán)境因素的可視與可控性而區(qū)別于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式，且溫室環(huán)境的智能可控性使得通過精確控制室內環(huán)境因子來大幅度的提高作物質量、產(chǎn)量、最大程度的節(jié)約資源成為可能。隨著傳感器技術、通信技術、計算機技術的不斷發(fā)展，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應用。溫室大棚可以通過人工的手段構建出適宜農(nóng)作物生長的生產(chǎn)環(huán)境，隔絕外部氣，為中國農(nóng)業(yè)種植溫室全部配備智能自動控制系統(tǒng)是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展的必然方向。

1 國內外設施溫室發(fā)展現(xiàn)狀

荷蘭的設施農(nóng)業(yè)主要以玻璃溫室種植花卉聞名世界，是世界上擁有最多玻璃溫室的國家，溫室面積可達12000 hm2，除了占地面積多外，裝備先進也是荷蘭溫室的一大特點。以色列設施農(nóng)業(yè)的特色微灌溉技術，解決了他們國家水資源短缺問題，水資源利用率可達95%左右。以色列的先進成果歸功于政府實行的主導與對農(nóng)業(yè)技術的重視。日本與中國都屬于亞洲地區(qū)，但日本種植面積小，人均只有0.039 km2，導致大量的人口農(nóng)作物產(chǎn)量部不足以供應需求。為解決產(chǎn)量問題必須提升技術問題，所以日本擁有最先進的果樹栽培技術，日本的成果主要歸功于農(nóng)業(yè)法律健全、政府財政補貼較多、重視農(nóng)業(yè)科研[13-15]。國外先進農(nóng)業(yè)技術產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)對中國的農(nóng)業(yè)發(fā)展有很大啟示。

中國是發(fā)明溫室作物種植栽培最早的國家，早在2000多年前就已經(jīng)能利用一些保護設施來栽培多種農(nóng)作物[16]。但中國的設施農(nóng)業(yè)較國外起步晚，在設施建設、技術研究、裝備研發(fā)、資金投入等方面都與國外發(fā)達國家存在較大差距。2019年全世界塑料大棚與溫室總面積約36萬hm2，中國溫室面積以占世界比重超過80%成為占比第一的國家[17]。從日本、美國、荷蘭、以色列、韓國等地區(qū)引進的面積約占總面積的3/4。雖然中國起步較晚，但發(fā)展速度不容小覷。中國設施園藝面積從1970年的0.7萬hm2增長到1980年的1.03萬hm2，逐漸增長到90年代后期的86.7萬hm2，絕對面積躍居世界第一。2012年已經(jīng)達到約138萬hm2。2018年全國溫室總面積約190萬hm2，其中，日光溫室面積約58萬hm2，占總面積30.5%；塑料大棚約12萬hm2，占總面積比66.6%；連棟溫室5.4萬hm2，占比2.9%與2017年的204.8萬hm2相比2018年總面積下降7.5%；再到2019的420萬hm2左右[18]。

近年來，溫室作物種植在世界范圍內得到了廣泛的應用，隨著智能化、自動化、信息化的推廣，設施溫室自動化控制技術也得到了更長遠的發(fā)展進程。眾所周知，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式不僅生產(chǎn)率低，而且?guī)缀跬耆蕾囉谑彝鈿夂蚝铜h(huán)境。到目前為止，溫室的自動化設備和控制系統(tǒng)種類繁多，可以幫助農(nóng)民解決各個階段的相應問題但對于各類型的控制系統(tǒng)的總體情況及未來發(fā)展趨勢知之甚少[19]。

2 溫室環(huán)境控制技術的發(fā)展歷程

溫室是為作物提供更好的生長條件而被一代代的種植者建立的農(nóng)業(yè)設施。溫室可以保護農(nóng)作物免受外界氣象災害、季節(jié)因素與病蟲害的干擾，并提高農(nóng)作物產(chǎn)量質量[20]。智能溫室是普通溫室隨著現(xiàn)代科技而建立的更高效、更節(jié)能、更精準調控的溫室，智能溫室是農(nóng)業(yè)的高級形態(tài)，是農(nóng)業(yè)的未來的發(fā)展目標，是農(nóng)業(yè)技術進步的設施保障[21]，而能控制溫室實現(xiàn)種植者想要的溫室環(huán)境的智能控制技術是智能溫室的核心內容。設施溫室環(huán)境控制的發(fā)展歷程大致歷經(jīng)了三大階段：定值開關控制階段[22]、傳統(tǒng)自動控制階段和智能控制階段[23]。

2.1 定值開關控制階段

定值開關控制是不考慮滯后性右慣性的初始的手動控制過程。這種控制方式，也可以稱為基于種植經(jīng)驗的手動控制方式。設施溫室的起源最早可追溯到秦始皇時期，那沒有高科技的時候憑借人工為主要控制方式。但是至今為止，中國溫室種植作物還是以人工操作為主，是一個純人工手動控制的階段，僅憑借種植者的經(jīng)驗和直覺對變化著的外界環(huán)境進行簡單粗略的判斷，這是傳統(tǒng)又直接的方式，屬于經(jīng)驗型管理模式。而關于溫室環(huán)境因子的調節(jié)與控制最初歷史上很長一段時間都是用這種最樸素的方式對溫室進行管理。這種方式要求管理者必須要經(jīng)驗豐富，但是效果并不是特別理想，人工管理的弊端在于對作物生長環(huán)境的調控存在人為偏差，精度低，局限性較大，無法在提高產(chǎn)量的同時節(jié)約資源，效率很低，也無法實現(xiàn)大面積或者多溫室的管理。

2.2 傳統(tǒng)自動控制階段

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)跟不上時代發(fā)展的步伐，盡快脫離人工的自動控制逐漸成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。國外對溫室自動控制的研究起步遠早于中國，從1970年起使用模擬式儀表，緊接著在90年代初期又研發(fā)了分布式控制系統(tǒng)。而中國在1970年時大部分技術與設備都是從歐美或者日本引進，花費昂貴；90年代初，中國溫室發(fā)展進入低谷；直到90年代中后期才慢慢有所進步[24]。

傳統(tǒng)的自動控制一般是基于設定值的控制技術，使作物生長環(huán)境維持在我們的設定范圍下。PID控制是溫室中目前應用最廣泛的，主要為Kp、Ki、Kd分別與系統(tǒng)偏差、偏差積分、偏差微分經(jīng)過線性組合形成控制量，消除被控目標的誤差并進行設定值跟蹤控制，相對于手動調節(jié)是跨時代的進步。模型預測控制主要組成為預測模型、反饋校正、滾動優(yōu)化、參考軌跡，可提早對即將出現(xiàn)的轉變做出恰當?shù)恼{整，系統(tǒng)魯棒性、穩(wěn)定性較好。多目標優(yōu)化指把溫室作物的環(huán)境要求、經(jīng)濟收益、能源消耗等多種目標綜合考慮進行全局優(yōu)化。

這種方式已經(jīng)大大節(jié)約了勞動力成本，在一定程度上提高了作物產(chǎn)量與質量，也適合用于大面積種植管理。造成控制系統(tǒng)滯后的原因主要有：傳感器慢、IO轉換慢通信慢、控制器周期長、運算慢；這種控制方式的都是對單一因子進行控制，忽略了溫室環(huán)境的非線性，耦合性欲干擾性，所以控制精準度還是遠遠不夠的；也沒有考慮到不同地區(qū)的不同農(nóng)作物在不同的生長階段所需的最適宜的生長環(huán)境；且經(jīng)濟成本問題也沒有考慮，不適用于大范圍的普及應用。

2.3 智能控制階段

現(xiàn)代的智能控制是熱門研究方向，如專家控制系統(tǒng)、遺傳算法、多目標優(yōu)化控制、模糊控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、解耦控制、仿人工智能控制[22]、基于作物生長模型的模型預測控制等。智能控制算法大多優(yōu)化了多因子強干擾性、模型精準性、多變量控制等問題。多變量的復雜系統(tǒng)不易表達系統(tǒng)的動態(tài)性，傳統(tǒng)控制方法無法做到精準描述動態(tài)特性，對于不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型模糊控制特別適用于非線性、時變、滯后的系統(tǒng)。但是模糊控制的模糊處理降低了控制精度與品質，對于復雜系統(tǒng)難以控制。優(yōu)點也很明顯相對于傳統(tǒng)PID方法，穩(wěn)定周期短、超調量更小。專家系統(tǒng)根據(jù)一些專業(yè)領域知識推理預測變化的條件做出預判，是從一般推理策略探討轉向專業(yè)領域知識的重大突破，針對具體方向性的需求提供針對性模型與產(chǎn)品，滿足對實時大數(shù)據(jù)量處理的更高需求。在傳統(tǒng)PID控制算法中引入模糊控制，通過模糊免疫控制對PID參數(shù)進行在線自適應調整,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)響應時間。相對于傳統(tǒng)PID方法,超調量更小、穩(wěn)定周期短，可大幅提高溫度環(huán)境因子的控制精度。多目標優(yōu)化指把溫室作物的環(huán)境要求、經(jīng)濟收益、能源消耗等多種目標綜合考慮進行全局優(yōu)化。

目前智能控制技術很大程度上解決了溫室大滯后問題，減少超調與震蕩，實現(xiàn)自適應控制，是多變量、大滯后、強耦合的復雜溫室大棚系統(tǒng)最行之有效的控制方法。作為設施農(nóng)業(yè)控制的核心，設施溫室智能控制技術必然具有廣闊的研究和應用前景。如孫治貴[25]等運用移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術，通過多重因素關聯(lián)規(guī)則學習方法，構建了設施農(nóng)業(yè)氣象災害預警和生產(chǎn)管理智能服務專家知識規(guī)則，建立了設施農(nóng)業(yè)氣象災害檢測預警和作物生長適宜性環(huán)境大數(shù)據(jù)中心，結合智能網(wǎng)格氣象預報預警平臺，實現(xiàn)了設施農(nóng)業(yè)氣象災害預警的推送服務[26-27]。

2.4 智能溫室控制系統(tǒng)的研發(fā)現(xiàn)狀

經(jīng)過時間的推移與科學的進步，中國的科研人員對溫室智能控制系統(tǒng)不斷的刻苦研究，也逐漸有了一些較先進的成果，如多目標的全局優(yōu)化方法與基于作物生長模型的控制方法。多目標優(yōu)化是綜合考慮環(huán)境調控、經(jīng)濟收益、資源能耗進行準確預測，但是此方法計算量大，存在很多不確定性。建立作物生長模型是依賴圖像識別與生物科學科技，可在不同生長階段檢測作物的根、莖、葉的長勢，精確到不同生長周期的不同的環(huán)境需求，但感知植物生長微量變化的感知技術還不太成熟，也是我們可以探討的發(fā)展方向。張海峰等[28]以黑龍江省為研究案例為解決大棚發(fā)展規(guī)模與技術服務能力不匹配的狀況，研發(fā)了基于云服務的蔬菜大棚智能系統(tǒng)，主要以專家服務、數(shù)據(jù)挖掘技術和IOT技術為基礎的智能系統(tǒng)；王云風等[29]利用分段控制理論使控制輸出可以精確跟蹤設定值，以PID算法和模糊控制理論結合，并嵌入溫室作物生長模型和專家系統(tǒng)知識，以數(shù)據(jù)庫，知識庫推理出合適的控制策略；崔寧[21]考慮到通風受到白噪聲的干擾，建立溫室溫度系統(tǒng)的隨機微分方程模型，并用數(shù)值模擬進行有效驗證。

隨著網(wǎng)絡信息技術下的人工智能和機電一體化技術應用水平的不斷提高，溫室環(huán)境控制系統(tǒng)和智能設備的大規(guī)模應用成為可能，這對解決世界糧食和蔬菜問題具有重要意義。

3 現(xiàn)代智能溫室控制系統(tǒng)

3.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理

對于溫室環(huán)境因子的實時狀態(tài)監(jiān)測的最好方式為傳感器采集數(shù)據(jù)。通過溫濕度傳感器、氣體傳感器、輻射傳感器等外部硬件設備與系統(tǒng)進行通信，將傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳至系統(tǒng)中進行采集使用。溫室常用的無線傳感器為：GPRS無線傳感器、NB-IOT無線傳感器、Lora無線傳感器、Zig-Bee無線傳感器等[30]。由于溫室中環(huán)境因子的互相干擾性、耦合性，且單一傳感器采集數(shù)據(jù)的單一性、誤差性，為了控制數(shù)據(jù)質量與精度，陳慧等[31]的研究采用1級狄克遜準則，2級自適應加權融合算法的數(shù)據(jù)融合方案，可提高數(shù)據(jù)的可靠性及精度。采集終端采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過無線通信技術傳輸?shù)皆破脚_中儲存下來，然后存入系統(tǒng)底層云存儲介質中，后期數(shù)據(jù)追溯查詢，可隨時通過聯(lián)網(wǎng)的設備登錄系統(tǒng)中查看。通過數(shù)據(jù)交互層可在web終端生成近期的折線圖或柱狀圖[32]。下表為幾種無線傳感器的簡單特性功能對比表。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸--近距離無線通信技術

無線傳輸方式相比于有線傳輸不用鋪設有線線路，節(jié)省人力，節(jié)約一大部分經(jīng)濟成本；無線傳輸不受限于惡劣環(huán)境的影響，應變能力及故障修復也相對簡便；三是擴展性強，靈活性強，簡單適應新環(huán)境的變化。下面為幾種常用的無線傳輸方式的詳細介紹及圖表。

表1 無線傳感器特性對比

超寬帶(UWB)：發(fā)射功率譜密度低，所以有較強的保密性；組成簡單，維護不需要花費較大的成本；明顯的抗干擾能力；傳輸速率快，覆蓋范圍在10 m以上。該技術被廣泛地運用在成像系統(tǒng)、車載雷達系統(tǒng)當中[33-34]。

Zig-Bee技術近距離傳輸10～ 100 m，它的響應速度較快，延遲時間短功耗極低；部署靈活、復雜度較低[35-36]、便于擴展、組網(wǎng)方式靈活最多可支持65000個節(jié)點[37]；沒有協(xié)議費、芯片價格實惠，可節(jié)約成本。

藍牙傳輸技術主要結合FEC模式與二進制調頻技術，提升了通信的穩(wěn)定性并抑制干擾與衰落；技術成本低，維護的工作量也小[38-39]，但現(xiàn)代溫室中藍衣技術已經(jīng)將用的很少了。

無線寬帶(Wi-Fi)：運行成本低，傳輸速率快，最高可達到100 Mb，Wi-Fi方案的設計相對其他方案操作方便。Wi Fi通信方式在日常生活中幾乎隨處可見，使用率遠高于其他的無線通信方式[40-41]。

Lo-Ra：和前面幾種傳輸方式相比，Lo-Ra具有可增大傳輸距離、增長電池壽命、擴大系統(tǒng)容量、擴展絡等功能[38]。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸--遠距離無線通信技術

4G/5G技術：隨著第四代與第五代移動通信技術的出現(xiàn)，GPRS/GSM技術的使用在智能手機方面已逐漸停止使用。尤其是當下熱門的5G技術每秒10 Gb的傳輸速率是它的主要優(yōu)勢，低于1 ms的延遲優(yōu)勢更為顯著，可以說是幾乎無延時。4G的通訊資費是大家可以接受的，暫時來說5G的通訊資費還比較昂貴但5G才是未來發(fā)展的大方向[42]。

無線網(wǎng)橋：利用無線通信技術實現(xiàn)多個局域網(wǎng)之間的連接[43]。無線網(wǎng)橋抗干擾能力強；它微弱的信號很難被監(jiān)測到，保密性與隱蔽性極好；還具有很難被破譯的擴頻碼；無線網(wǎng)橋技術常用在教育行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等[44]。

衛(wèi)星通信：一是它的信號覆蓋范圍非常廣闊，二是應用靈活，不需考慮地理因素，可快速建立站點；三是衛(wèi)星通信的頻率資源多，還在不斷的增加；四是信號傳輸穩(wěn)定，損耗小信號質量高。但衛(wèi)星的距離太遠導致通信效率低且后期維修成本高[45]。

表2 近距離無線傳輸方式對比

短波通信：短波通信的特點是傳輸距離較遠、適應性與抗干擾性較好、后期維修成本較低。缺點是在遠距離通信下它的電離層容易受到氣候與季節(jié)的影響，會帶來噪聲并降低穩(wěn)定性[46-48]。

下面詳細介紹了幾種遠距離無線通信方式，表3列舉了幾種遠距離傳輸方式的特性。

表3 遠距離無線傳輸方式對比

3.4 溫室中常用的硬件執(zhí)行設備

溫室中主要控制要素為：環(huán)境因子與生物因子。環(huán)境因子：空氣或土壤溫濕度、CO2濃度、風速風向、光強、土壤營養(yǎng)成分等；生物因子：葉溫、光合作用、植物含水量、蒸騰作用、氣孔阻抗等；生態(tài)環(huán)境因素自動控制主要是：升降溫、保溫、去濕、加濕、采陽、補光、遮陽、CO2濃度的變化、通風性、適宜的土壤養(yǎng)分等。無論是何種類型的溫室控制，考慮其經(jīng)濟成本都是必要的。李文明[49]在溫室控制系統(tǒng)下建立設備控制成本模型，根據(jù)溫室的需求，在能達到理想的控制前提下盡可能的節(jié)約在設備上的花銷。文中提到了不同設備的間隙調控和連續(xù)調控，區(qū)分不同的調控方式達到更準確地控制成本模型建立。

3.4.1 加溫設備 現(xiàn)代設施溫室中常用加溫方式有：暖風加溫、溫水加溫、蒸汽加溫、電熱加溫等。暖風加溫設備通過燃料燃燒使空氣升溫到想要的溫度后再通過管道輸送到溫室中，來達到升溫效果。暖風設備通常用兩種：燃油暖風機，以柴油為燃料；溫水加溫設備主要用鍋爐加熱熱水，一般將水加熱到80℃左右，經(jīng)過輸送管道在溫室中進行熱水循環(huán)，散發(fā)的熱量達到升溫效果；蒸汽加溫設備類似于溫水加熱設備，但是主要是循環(huán)水蒸氣來散發(fā)熱量。表4為幾種升溫方式具體特性比。

表4 升溫方式比較表

3.4.2 通風和降溫設備 設置通風裝置不僅可以調節(jié)溫濕度、CO2濃度還可以有效地抑制病蟲害的發(fā)生。通風方式一般為自然通風與強制通風。自然通風是通過開窗與室外空氣形成一種空氣循環(huán)。窗戶的位置不同，空氣對流的形式不一樣、通風效果也不同。開窗可通過手動方式或者機械方式，但自然通風相比于其他方式更經(jīng)濟一些。當自然通風達不到理想效果時則選擇強制通風，用排氣扇強制把溫室內的空氣排到室外。降溫可采用通風方式或噴霧降溫方式。一般的噴霧頭安裝在大棚的頂部，通過霧滴冷卻空氣，降溫的同時也增加了濕度。

3.4.3 補光設備 植物生長過程中為了達到更高的生長效率，當室外光照不足或者夜間生長時，常使用補光設備對植物生長進行補光。常用的補光燈主要有白熾燈、熒光燈、高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈及金屬鹵化物燈[49]。補光燈的設置可根據(jù)不同季節(jié)、不同天氣狀況、不同作物、作物不同的生長階段分別布置其密度與高度。下表5為多種噴霧頭性能對比。

表5 噴霧頭性能對比

3.4.4 給水或排水設備 溫室內應設置給水設備。溫室中應設有自動補水裝置用于噴灑于灌溉，包括泵站、地下水管、滴管、噴管等。排水裝置應與溫室外的排水系統(tǒng)應做好連接，防止暴雨天氣對溫室的影響。

4 總結與展望

中國溫室及智能控制系統(tǒng)雖然已經(jīng)達到了較先進的水平，但是對比國外的發(fā)展進度我們做的還是遠遠不夠的，中國的溫室主要存在的不足為以下五點。一是中國設施溫室應用最優(yōu)化決策運用范圍很小，不能滿足現(xiàn)代化溫室生產(chǎn)的現(xiàn)狀，溫室環(huán)境管理大多還是以經(jīng)驗決策為主，智能化系統(tǒng)不夠普及，往往使溫室作物產(chǎn)量和質量達不到預期值等問題；二是大多是對單一環(huán)境因子的調控，做不到排除強耦合性與干擾性，而且除了常見的溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)外，還需要對其他不同作物的各種參數(shù)進行控制；三是大多還沒有應用5G技術，5G無線通信技術相比于4G有更低的接入延遲和更廣泛的通信覆蓋，且6G也成為了學術界研究的重要方向[50]；四是系統(tǒng)要操作簡單，后期維護省心省力，可擴展性強；五是在最優(yōu)控制策略下盡可能地節(jié)約經(jīng)濟生產(chǎn)成本，盡量多的利用在可生能源，減少環(huán)境污染，節(jié)約資源，保護生態(tài)環(huán)境如風能、太陽能等；六是投資回報率低，如果沒有國家的貸款和補貼，大多數(shù)項目都是短期難盈利。

為了解決現(xiàn)有的問題這里提出幾點建議，應當加強政府管理政策，增加資金的管理投入，形成完整的執(zhí)行管理體系；對于大規(guī)模的設施農(nóng)業(yè)加強機械化水平，配套相應的技術設備；提高設施農(nóng)業(yè)市場化程度，使用高科技、高標準的設施農(nóng)業(yè)設備和技術形成體系，以便提高生產(chǎn)效率；培養(yǎng)更多專業(yè)技術人員，提高運行管理水平。通過對溫室控制系統(tǒng)的簡單介紹并結合當前的研究熱點技術等得出溫室控制系統(tǒng)的研究趨勢。未來的主要發(fā)展方向是全自動化智能精準農(nóng)業(yè)。未來的設施溫室一定是全面普及的智能無人化，微型網(wǎng)絡化，健康綠色、節(jié)約化的設施溫室。