宜機(jī)化日光溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)

摘 要： 基于北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控設(shè)備老舊、以人工控制為主且數(shù)據(jù)缺乏應(yīng)用現(xiàn)狀，采用宜機(jī)化新型日光溫室建設(shè)+宜機(jī)化日光溫室智能化提升+高效栽培模式示范的技術(shù)路線，搭建了一套適用于日光溫室的設(shè)施智能控制技術(shù)，智能調(diào)節(jié)日光溫室環(huán)境參數(shù)，建立良好作物生長環(huán)境，提升生產(chǎn)水平，推動(dòng)北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)向智能化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：日光溫室；環(huán)境參數(shù)；智能調(diào)控；宜機(jī)化；設(shè)施農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2095-1795（2024）05-0054-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.05.009

0 引言

《國務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》指出，到2025 年，設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化率總體達(dá)到50% 左右。2019 年4 月，《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化轉(zhuǎn)型升級的通知》要求，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化向設(shè)施農(nóng)業(yè)延伸，加快推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)品種的“宜機(jī)化”，推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)裝備和技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。近年來，北京市一直從政策、項(xiàng)目層面大力推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，然而，受建造結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)規(guī)模、信息化水平等因素制約，北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平仍有較大發(fā)展空間。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，探索利用宜機(jī)化日光溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)，以提升北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平[1]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)類型主要分為日光溫室、塑料大棚和連棟溫室3 類。溫室環(huán)境控制因素主要包括溫、光、水、氣和肥，主要通過通風(fēng)系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)及降溫系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)在環(huán)境調(diào)控方面主要面臨以下3 方面問題。

（1）設(shè)施老舊。北京市現(xiàn)存農(nóng)業(yè)設(shè)施園區(qū)大量使用老舊和高危溫室進(jìn)行生產(chǎn)，溫室低矮，生產(chǎn)條件差，結(jié)構(gòu)安全性差，溫室裝備機(jī)械化、自動(dòng)化水平低。

（2）設(shè)施科技資源與生產(chǎn)方式融合不均衡、不充分，節(jié)水節(jié)肥及灌溉系統(tǒng)科學(xué)決策與管理的理念仍有待進(jìn)一步推廣。

（3）數(shù)據(jù)缺乏應(yīng)用。北京市雖然推廣了一系列的設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)字化項(xiàng)目，積累了一定的環(huán)境數(shù)據(jù)，但大部分以單一指標(biāo)的簡單化數(shù)理統(tǒng)計(jì)為主，缺乏數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏規(guī)律、數(shù)據(jù)指標(biāo)間關(guān)聯(lián)性的深入挖掘，沒有充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值，針對設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)字化監(jiān)管和服務(wù)的不同應(yīng)用場景未能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證和綜合分析，數(shù)據(jù)缺乏應(yīng)用場景。

2 研究內(nèi)容

針對北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控現(xiàn)狀，本研究采用宜機(jī)化新型日光溫室建設(shè)+宜機(jī)化日光溫室智能化提升+高效栽培模式示范的技術(shù)路線，打造宜機(jī)化日光溫室和人工氣候室環(huán)境調(diào)控技術(shù)體系，集成環(huán)境感知、綜合調(diào)控和水肥一體化控制等技術(shù)，打造宜機(jī)化日光溫室配套數(shù)字技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)施環(huán)境智能化控制[2]。

2.1 建立宜機(jī)化日光溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)體系

宜機(jī)化日光溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)體系，可概括為一批智能裝備+智能控制終端+遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)+專家控制模型，如圖1 和圖2 所示。通過新一代環(huán)境傳感器監(jiān)測的設(shè)施環(huán)境數(shù)值，結(jié)合專家控制模型的預(yù)設(shè)閾值，智能控制終端集中聯(lián)動(dòng)控制設(shè)施溫室中的卷膜通風(fēng)、卷被、灌溉、補(bǔ)光和二氧化碳發(fā)生等各類智能裝備，實(shí)現(xiàn)基本脫離人工值守的設(shè)施環(huán)境智能化控制，為作物生產(chǎn)提供最佳的生長環(huán)境，有效提升設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效能和產(chǎn)品品質(zhì)。

（1）智能設(shè)備。包括新一代溫室環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、溫室智能卷膜通風(fēng)控制設(shè)備、溫室智能卷被控制設(shè)備、溫室空氣循環(huán)控制設(shè)備、溫室高壓微霧控制設(shè)備、溫室智能補(bǔ)光控制設(shè)備、溫室二氧化碳智能控制設(shè)備及溫室水肥智能灌溉控制設(shè)備等[3]。

（2）智能控制終端。作為溫室環(huán)境中央控制器，接入溫室卷膜通風(fēng)、卷被、水肥灌溉和補(bǔ)光等各種控制電路，通過預(yù)裝的多種作物AI 模型控制策略，實(shí)現(xiàn)對溫室中溫度、濕度的自動(dòng)監(jiān)測和控制，自動(dòng)控制卷被、卷膜、通風(fēng)、補(bǔ)光和二氧化碳發(fā)生器等設(shè)備的開啟/關(guān)閉，創(chuàng)造植物生長的最佳環(huán)境，使溫室內(nèi)的環(huán)境接近人工設(shè)想的理想值，以滿足溫室作物生長發(fā)育的需求。

（3）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。作為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管理平臺(tái)，以設(shè)施智能環(huán)境控制為基礎(chǔ)，集園區(qū)資源管理、種植管理和物聯(lián)監(jiān)控等功能為一體，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者提供精準(zhǔn)監(jiān)測、智能調(diào)控與大數(shù)據(jù)等服務(wù)[4]。

（4）專家控制模型。在專家多年研究的基礎(chǔ)上，通過后臺(tái)建立的AI 模型控制策略，智能控制環(huán)流風(fēng)機(jī)、高壓微霧、卷被、卷膜、補(bǔ)光燈和二氧化碳發(fā)生器等設(shè)備，自動(dòng)完成溫室的增降溫、通風(fēng)、除濕、補(bǔ)光、灌溉和二氧化碳補(bǔ)充等操作，完成智能環(huán)境控制的終端實(shí)現(xiàn)。

2.2 探索人工氣候室智能控制技術(shù)

開展了人工氣候室環(huán)境智能控制技術(shù)研究，如圖3所示。建立的人工氣候室可以模擬自然界氣象條件，精確控制氣候室內(nèi)溫度、濕度、光照等環(huán)境因子，以降低作物對大自然氣候依賴性。研究通過部署智能控制終端，并與氣候室通風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等進(jìn)行對接，可實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)環(huán)境的智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)4～35 °C 的溫室控制，當(dāng)溫度超過使用極限時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，超過一定時(shí)間無人處理時(shí)，自動(dòng)切斷電源，確保設(shè)備及內(nèi)部樣品不被損壞。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)，濕度55%～90%RH 連續(xù)可調(diào)，380～780 nm 連續(xù)光譜，二氧化碳濃度0.045%～0.500% 可調(diào)，循環(huán)風(fēng)自動(dòng)控制，定時(shí)進(jìn)行新風(fēng)補(bǔ)充[5]。

2.3 構(gòu)建多因素環(huán)境調(diào)控模型

為了增加溫室環(huán)境調(diào)控的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，開發(fā)了多因素環(huán)境溫度調(diào)控模型，綜合利用溫室焓濕圖相關(guān)知識(shí)及室外光照強(qiáng)度、風(fēng)速環(huán)境因素對溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，可較好地調(diào)控溫室內(nèi)溫濕度指標(biāo)，使作物處在良好的生長環(huán)境。模型包括1 個(gè)主控邏輯和2 個(gè)輔助控制邏輯，主調(diào)控邏輯如圖4 所示。

基于上述模型，選擇了部分京郊示范園區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，日光溫室進(jìn)行了果菜和葉菜宜機(jī)化栽培種植，結(jié)果表明，本研究基本實(shí)現(xiàn)了日光溫室設(shè)施環(huán)境調(diào)控的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[6-8]。

（1）試驗(yàn)1：單一主控策略試驗(yàn)。室外天氣為多云轉(zhuǎn)晴，西北風(fēng)4 級，溫度8～20 °C；目標(biāo)溫度29 °C。

溫度及負(fù)載控制曲線如圖5 所示（橫軸為時(shí)間，縱軸表示各項(xiàng)負(fù)載的數(shù)值，下同），溫室內(nèi)溫度不會(huì)出現(xiàn)驟升驟降的情況，但是會(huì)出現(xiàn)溫度升高之后需要很長一段時(shí)間才能降至目標(biāo)溫度或溫度降低之后需要很長一段時(shí)間才能升至目標(biāo)溫度的情況（圖中黑色線框標(biāo)注部分），出現(xiàn)這種情況的原因有負(fù)載開啟時(shí)間點(diǎn)過晚、負(fù)載關(guān)閉時(shí)間點(diǎn)過晚及負(fù)載開啟擋數(shù)不夠。

（2）試驗(yàn)2：主控策略+光照強(qiáng)度輔助策略。室外天氣為多云轉(zhuǎn)陰，西南風(fēng)4 級，溫度8～17 °C；目標(biāo)溫度29 °C。

加入輔助調(diào)控光照強(qiáng)度之后，曲線整體波動(dòng)較小，如圖6 所示。其中，13： 50—14： 20 出現(xiàn)較大波動(dòng)，經(jīng)分析，室外有強(qiáng)風(fēng)（西南風(fēng)）從卷膜吹進(jìn)溫室，加速空氣交換，導(dǎo)致溫室內(nèi)溫度驟降。

（3）試驗(yàn)3：主控+光照強(qiáng)度+風(fēng)速風(fēng)向輔助策略。室外天氣為多云轉(zhuǎn)晴，西南風(fēng)3 級，溫度5～20 °C；目標(biāo)溫度29 °C。

由圖7 可知，主控+輔助控制策略可以明顯改善溫室溫濕度的調(diào)控精確性和穩(wěn)定性，只在9： 30—9： 40 出現(xiàn)小波動(dòng)。

3 效益及應(yīng)用前景分析

本研究建立的適用于日光溫室的設(shè)施智能控制技術(shù)，通過各類智能裝備精準(zhǔn)控制溫室溫度、濕度、水肥和二氧化碳等環(huán)境參數(shù)，通過環(huán)境策略進(jìn)行溫室光、溫、水和氣的智能控制，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，為園區(qū)帶來一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

應(yīng)用宜機(jī)化日光溫室配套數(shù)字化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對宜機(jī)化日光溫室的實(shí)時(shí)監(jiān)測和精準(zhǔn)調(diào)控，為作物創(chuàng)造最佳的生長環(huán)境，提高宜機(jī)化日光溫室蔬菜精準(zhǔn)化控制、智能化生產(chǎn)水平，可有效提升作物產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)，同時(shí)節(jié)省人工成本，節(jié)水節(jié)肥，實(shí)現(xiàn)宜機(jī)化日光溫室蔬菜增產(chǎn)。

研究結(jié)果顯示，試驗(yàn)園區(qū)在生產(chǎn)期間，灌溉用水節(jié)約10% 以上，肥料等投入品減少10% 以上。勞動(dòng)用工在環(huán)境控制操作、灌溉、施肥和植保等環(huán)節(jié)大幅較少，整體降低30%。整個(gè)生長期預(yù)計(jì)增產(chǎn)15% 左右，可實(shí)現(xiàn)增收18 萬元/hm2。

3.2 社會(huì)效益

本研究可推動(dòng)宜機(jī)化新型日光溫室在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，對于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智能化、農(nóng)民向產(chǎn)業(yè)工人方向上發(fā)展有積極促進(jìn)作用，可有效保證北京市“菜籃子”的本地供應(yīng)率，為提高北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)信息化的整體水平、推動(dòng)智能農(nóng)業(yè)快速發(fā)展起到重要作用。

3.3 生態(tài)效益

本研究可指導(dǎo)用戶智能感知、精準(zhǔn)調(diào)控、科學(xué)生產(chǎn)，節(jié)約土地資源，不會(huì)造成土壤污染，還可有效控制水肥量，及時(shí)對病蟲害預(yù)警，減少農(nóng)資（化肥、農(nóng)藥）施用量，使資源得到節(jié)約化利用，減少了碳排放，對發(fā)展集約的可持續(xù)的生態(tài)農(nóng)業(yè)起到推動(dòng)作用。

4 結(jié)束語

本研究探索宜機(jī)化日光溫室潛能，推進(jìn)宜機(jī)化、智能化新型日光溫室建設(shè)，在宜機(jī)化日光溫室建設(shè)和種植基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，建立宜機(jī)化高效栽培智能日光溫室可應(yīng)用推廣模式，可為北京市發(fā)展宜機(jī)化新型日光溫室提供技術(shù)和決策支撐。