設(shè)施黃瓜生長環(huán)境的智能化調(diào)控研究進(jìn)展

尹竣冬，李 明，張皓婷

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014109)

21 世紀(jì)初，發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家政府相繼出臺了積極政策措施，增加了農(nóng)業(yè)科技投入，大力發(fā)展高效現(xiàn)代化生產(chǎn)的種植業(yè)[1]。設(shè)施農(nóng)業(yè)是采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和工廠化生產(chǎn)方式，把作物種植在一個(gè)相對封閉的空間，為作物的高效生產(chǎn)提供適宜的生長環(huán)境，并且在任何地區(qū)，一年四季都可栽培各種農(nóng)產(chǎn)品的新型種植業(yè)[2]。設(shè)施農(nóng)業(yè)是我國目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向，其特征主要體現(xiàn)在高生產(chǎn)率、優(yōu)質(zhì)、安全、周年可連續(xù)產(chǎn)出方面。黃瓜是常見的喜溫型蔬菜，不耐低溫，喜光、喜濕、怕澇、不耐旱的蔬菜[3]；黃瓜從播種到量產(chǎn)對環(huán)境要求很高，比如氣候、水分、光照等，尤其是溫室大棚的黃瓜種植要求尤為嚴(yán)苛。目前在中國北方大棚黃瓜栽培中，許多瓜農(nóng)不了解設(shè)施黃瓜種植技術(shù)而盲目跟風(fēng)栽培，造成黃瓜減產(chǎn)甚至失收[4]。因此，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)現(xiàn)智能精細(xì)化管理，是實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)各因素智能管理的必要條件?？刂茰厥噎h(huán)境是黃瓜有效生長的重要因素，光照、溫度、CO2濃度等多種因素影響黃瓜產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益等指標(biāo)[5]。采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的管控方法，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境參數(shù)信息，并自動調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)有效的環(huán)境控制，滿足植物生長環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 光照環(huán)境智能化調(diào)控

20世紀(jì)70年代，以荷蘭、以色列、美國為主的發(fā)達(dá)國家設(shè)計(jì)基于計(jì)算機(jī)的設(shè)施環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。從那時(shí)起，該系統(tǒng)發(fā)展迅速。Takakura 提出用計(jì)算機(jī)控制環(huán)境因素的想法[6]。Kolokot 等人建立能源與環(huán)境智能控制管理系統(tǒng)，監(jiān)測設(shè)施環(huán)境外的溫濕度、光照、CO2濃度等各種環(huán)境因素[7]。柳平增承擔(dān)該系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三層物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)村環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取及其與農(nóng)村環(huán)境傳感網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸，于2014 年Tab-Atabaeifara 的農(nóng)村無線傳感器系統(tǒng)（WSN）成功獲取各種農(nóng)村環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過GPRS 的特性將數(shù)據(jù)上傳到控制中心，實(shí)現(xiàn)溫室自動化控制[8]。楊飛等人通過傳感器和GSM 等通訊設(shè)備，采集在溫室中所收集到的氣溫、相對濕度、光照程度等數(shù)據(jù)，并利用Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸在監(jiān)測中，建立1 種基于溫室環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測體系[9]。王能輝等人利用NBiotsensor 方法監(jiān)測農(nóng)田的環(huán)境信息，如氣象和環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤中CO2含量等，并將信息提交至客戶端之后，為農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的后續(xù)管理與決策提供有效數(shù)據(jù)[10]。萬偉紅等人成功通過PID 算法，掌握大棚中的環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)，從而完成對大棚環(huán)境的智能管理，有效提升農(nóng)業(yè)的生長效率與質(zhì)量[11]。郭威等人共同設(shè)計(jì)多自由度的溫室內(nèi)圖像采集與環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的無人巡檢和智能采集[12]。

1.2 溫度環(huán)境智能化調(diào)控

溫室內(nèi)的溫度變化對植物的主要生理代謝有顯著影響，控制好溫度也有利于黃瓜的生長。楊家強(qiáng)和鐘應(yīng)善提出國內(nèi)首個(gè)以單片機(jī)為核心的監(jiān)測系統(tǒng)，用于室內(nèi)溫度和漏水?dāng)?shù)據(jù)采集[13]。為控制葡萄山的高溫和潮濕等影響生長發(fā)育的環(huán)境因素，Intel 在美國俄勒岡州的溫室中配備多個(gè)無線感應(yīng)器，并建立世界上第一個(gè)安裝無線感應(yīng)器系統(tǒng)的葡萄園[14]。Tong 等人應(yīng)用CFD 從外部環(huán)境因素的變化中預(yù)測溫室內(nèi)的溫度分布[15]。盛平等在對溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)中引入3G技術(shù)，可以進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程收集、發(fā)送與查詢，并進(jìn)行現(xiàn)場的遠(yuǎn)程管理[16]。黃金俠等人用上位機(jī)、下位機(jī)、環(huán)境參數(shù)模糊控制器和執(zhí)行器，對MATIAB 仿真軟件采集的模糊數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對育苗場溫、濕度等各種環(huán)境因素的智能管理[17]。劉傳岐采用LabVIEW 監(jiān)控上位機(jī)，并設(shè)置育苗大棚內(nèi)溫濕度信息的電子顯示系統(tǒng)，以符合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，可讓客戶的育苗大棚在對內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和對外隨時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制[18]。劉海洋等人將通過CPRS 功能，對所收集到的環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力等參數(shù)進(jìn)行更長距離的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而達(dá)到基于GPRS 的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控處理[19]。

1.3 溫室CO2氣體環(huán)境智能化調(diào)控

溫室內(nèi)CO2濃度的高低也對植物生長起著重要作用，濃度過高或過低都會抑制植物的正常生長。20世紀(jì)20 年代，在德國率先提出“CO2施肥”方法后，荷蘭、丹麥等國家相繼開始采用CO2施肥技術(shù)，在溫室生產(chǎn)茄果類蔬菜。哈敏、劉文合等合作開發(fā)出具備高智能化特點(diǎn)和功能的CO2施肥技術(shù)，經(jīng)過實(shí)踐后證實(shí)在溫室中CO2濃度的平衡性非常高[20]。彭冬玲利用計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)，以8031單片機(jī)為主要開發(fā)工具的測控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)測控過程的全自動化，并實(shí)現(xiàn)CO2濃度的自動控制溫室[21]。項(xiàng)美晶等針對溫室生菜發(fā)育規(guī)律與環(huán)境因素變化，制定出溫室生菜CO2含量與光照BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量模型，對生菜產(chǎn)量進(jìn)行定量控制[22]。羅家兵、張恒利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對溫室CO2進(jìn)行模糊控制，并利用Mablab 通過進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)，能夠更有效地減少溫室CO2[23]。Salazar等利用3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立溫室溫度和CO2濃度的預(yù)測模型，以CO2濃度的預(yù)測值作為輸入變量，得到準(zhǔn)確的光合速率預(yù)測模型，然后簡單地指導(dǎo)肥料增加溫室中的CO2[24]。劉永華等建立一個(gè)智能溫室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺，通過連接CO2含量傳感器和環(huán)境因子采集傳感器，可以即時(shí)測定環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場狀態(tài)的遠(yuǎn)程觀測和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測[25]。張瑩、張海輝等利用RS485 總線技術(shù)，對連棟的溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制，通過此技術(shù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的簡訊報(bào)告；并利用無線網(wǎng)絡(luò)傳感器，可以精確調(diào)節(jié)設(shè)施中的CO2濃度[26-27]。

2 智能化調(diào)控應(yīng)用

2.1 光照環(huán)境智能化調(diào)控措施

光照同時(shí)也是控制溫室黃瓜生長的主要環(huán)境因素，光照不但影響黃瓜生長狀態(tài)，也控制氣溫、相對濕度和其他的關(guān)鍵環(huán)境因素。照明控制技術(shù)主要包括照明強(qiáng)度控制和光周期控制技術(shù)兩種方法。這兩種控制方式均離不開光照強(qiáng)度測定儀和定時(shí)器這2 個(gè)傳感器中的主要元件。利用實(shí)時(shí)監(jiān)測動態(tài)照明的亮度變化規(guī)律，再輔以時(shí)鐘控制技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對照明強(qiáng)度和光周期的不同調(diào)控要求。目前使用的光周期智能調(diào)控方式，大致有以下5類：1）延長日照，這個(gè)調(diào)控方式大多是在傍晚天色逐漸變暗時(shí)開始補(bǔ)光。2）中斷暗期，通過這種方式運(yùn)用光照原理將暗期分成二段進(jìn)行補(bǔ)光。3）間歇光照，它是一種通過反復(fù)或多次地交替在暗期中歇的方式進(jìn)行補(bǔ)光，通常用在較大型的暖房工程中，通過人工補(bǔ)光栽培受電源能力的限制下使用。4）黎明前光照，通過利用從黎明前開始至清晨的光照。5）短時(shí)間歇光照。因此，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合相關(guān)研究人員對黃瓜生長特性和光照需求的研究成果，利用無線通信技術(shù)，可以利用物聯(lián)網(wǎng)的光強(qiáng)傳感器，收集并控制光強(qiáng)。通過溫室實(shí)時(shí)傳回的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和算法調(diào)整，再通過農(nóng)業(yè)自動化和建模，科學(xué)調(diào)整光照強(qiáng)度和日照時(shí)間，使喜溫喜光的黃瓜時(shí)刻生長在最適合的氣候環(huán)境中，使植物強(qiáng)健，果實(shí)生長良好，產(chǎn)量增加，品質(zhì)提高，降低成本和能耗，實(shí)現(xiàn)溫室黃瓜的智能光控。

2.2 溫度環(huán)境智能化調(diào)控措施

黃瓜生長過程中溫度的影響非常顯著，黃瓜生長的每個(gè)時(shí)期都有最高溫度、最低溫度的最適宜溫度區(qū)間。為了保證黃瓜生長都保持在最適宜的溫度區(qū)間內(nèi)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，并通過研究人員對各生長季黃瓜生長發(fā)育狀態(tài)及對溫度需求特點(diǎn)的深入研究，并提出以下智能系統(tǒng)：根據(jù)溫度智能調(diào)節(jié)和管理，系統(tǒng)包括溫室管理的各種保溫、加溫和降溫手段。其中，最常用的溫度控制設(shè)備，包括有加熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)及遮陰保溫設(shè)施；降溫控制的方法從低至高包括：天窗和側(cè)窗開啟，自然通風(fēng)系統(tǒng)→遮陽網(wǎng)張開→天窗和側(cè)窗關(guān)閉，軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)→開啟濕簾風(fēng)機(jī)的降溫系統(tǒng)。升溫控制的主要方法從低至高是：將天窗、側(cè)窗關(guān)閉→保溫設(shè)備被開啟，室內(nèi)環(huán)境通過圍護(hù)工程保溫→加熱設(shè)備升溫。關(guān)于降低空氣相對濕度控制系統(tǒng)的智能化管理方法，主要有以下幾種：通風(fēng)換氣、加溫設(shè)備、改進(jìn)灌溉工藝等。對采取土壤栽培的溫室，土壤濕度管理的目的是適應(yīng)作物對水分的需求，所以要針對各種作物的各個(gè)生長期對水分的需要決定灌量。對使用離地苗床種植的大棚，調(diào)節(jié)土地相對濕度的目的在于減少其含水率以減少水分揮發(fā)。

2.3 溫室CO2氣體環(huán)境智能化調(diào)控措施

對黃瓜來說，環(huán)境CO2濃度直接影響產(chǎn)量和雌花的數(shù)量，當(dāng)環(huán)境CO2濃度高時(shí)就可以提高光合利用率，也因此增加雌花產(chǎn)量，而濃度較低時(shí)則光合量減少，營養(yǎng)生成物降低，雌花產(chǎn)量也相應(yīng)降低，從而補(bǔ)償環(huán)境CO2是解決大棚午間“CO2饑餓”現(xiàn)象和提高大棚產(chǎn)量的最有效方法。通過通風(fēng)換氣，可以補(bǔ)充溫室內(nèi)超臨界CO2不足，將從室內(nèi)產(chǎn)生的有害空氣完全排出室外或?qū)⑵錆舛葴p少至致害濃度以內(nèi)；同時(shí)也可以清除室內(nèi)外水分，從而降低室內(nèi)外潮濕，也因此減少有害空氣與水分互相結(jié)合的機(jī)會；它還可以改善室內(nèi)空氣流動，通過增加植物群落內(nèi)的氣體流通速率，使房間各處的溫差、相對濕度、CO2濃度等環(huán)境因素變化更均勻。其次，作為氣體環(huán)境管理的重要措施之一，目前采用CO2施肥工藝已作為溫室企業(yè)增產(chǎn)增收的重要方法。通過利用有機(jī)肥發(fā)酵、燃燒、液態(tài)或固態(tài)的CO2揮發(fā)、光化學(xué)反應(yīng)等方法，相應(yīng)地增加大棚內(nèi)超臨界CO2濃度就可以改善作物凈光合作用速度，進(jìn)而提高產(chǎn)品產(chǎn)量和價(jià)格，從而提高大棚生產(chǎn)效益，提升經(jīng)濟(jì)效益。

3 展望

分析基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境智能測控技術(shù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并針對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的溫室環(huán)境智能測控系統(tǒng)中技術(shù)服務(wù)層和決策層及研究人員相對缺乏的現(xiàn)狀，開展溫室環(huán)境優(yōu)化研究，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，融合現(xiàn)代生物技術(shù)、先進(jìn)種植技術(shù)、人工智能和可視化等技術(shù)，利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在智慧溫室系統(tǒng)中發(fā)揮特殊作用，通過利用傳感器能更好地捕捉溫室內(nèi)的環(huán)境變化。通過對傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或分析結(jié)果，對溫室內(nèi)的植物生長環(huán)境進(jìn)行有效控制，從而能更好地提高生產(chǎn)率，極大地提高土地轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)出率，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心標(biāo)志，也是未來中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要發(fā)展方向和趨勢。