李 偉 段翠芳 滑偉娟

(河南機電高等?？茖W校機電工程系，河南新鄉(xiāng) 453002)

1 國外溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究狀況

20世紀70年代，國外的溫室生產(chǎn)開始以較快的速度發(fā)展，特別是歐美發(fā)達國家，如荷蘭、美國等國家實現(xiàn)了機械化。當時由于水平的限制，對于生態(tài)環(huán)境因素采用單因子控制，即對溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度進行單獨分別控制的方法，主要是控制溫度，其次是濕度(空氣濕度、土壤濕度)。例如，在控制溫度時，控制的只是溫度的改變，而不影響到其它因素，要改變其它因素，則要實施另外的控制過程，才能達到一定溫度條件下其它相關(guān)環(huán)境因素的配合。但是，外界氣候的變化隨時影響到溫室內(nèi)的小氣候，靠人工指令隨時進行相應改變難以辦到，并且各控制變量之間相互影響、相互耦合，如陰雨天需要補光，補光又會帶來溫度上升和相對濕度下降，要達到擬定的控制效果，又涉及到幾個執(zhí)行機構(gòu)，這是一個復雜的控制過程。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，20世紀80年代采取多因素綜合控制方法，這是利用計算機控制溫室環(huán)境因素的方法。此方法是將各種作物在不同生長發(fā)育階段需要的適宜環(huán)境條件要求輸入計算機程序，當某一環(huán)境因素發(fā)生改變時，其余因素自動做出相應修正或調(diào)整。一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和二氧化碳濃度為隨便因素，使這4個主要環(huán)境因素隨時處于最佳配合狀態(tài)。20世紀90年代，在多因子環(huán)境控制中，采用了模糊控制、多變量控制等先進技術(shù)，并采用這些先進技術(shù)開發(fā)環(huán)境自動控制的計算機軟件系統(tǒng)。目前日本、荷蘭、以色列、美國等發(fā)達國家可以根據(jù)作物的要求和特點，對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進行自動調(diào)控。美國和荷蘭還利用溫差管理技術(shù)，對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進行控制，以滿足生產(chǎn)和市場的需要［1］。

隨著科學技術(shù)的進一步發(fā)展，溫室控制技術(shù)也在發(fā)生日新月異的變化。一些國家在實現(xiàn)了作業(yè)和控制自動化的同時，也進行人工智能的廣泛應用研究，開發(fā)用于溫室管理、決策、咨詢等方面的專家系統(tǒng)軟件，利用遙測技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)進行溫室的遠程控制、管理診斷、實時環(huán)境監(jiān)控，為用戶提供各類信息服務，如產(chǎn)品購銷市場、信息技術(shù)支持與服務、氣象信息，真正做到無人值班、遠程監(jiān)控、完全自動化。倫敦大學農(nóng)學院研制的溫室計算機遙控技術(shù)，可以觀察、遙控50km以外溫室內(nèi)的溫、光、氣、水等環(huán)境因子狀況，并進行調(diào)控。美國學者Alves－Serodio，C.M.J等人在 ISIE＇98國際會議中提出了一體化的溫室網(wǎng)絡管理體系模型，該系統(tǒng)將氣候調(diào)節(jié)、灌溉系統(tǒng)與營養(yǎng)供給系統(tǒng)作為一個整體，根據(jù)不同傳感器的輸入來協(xié)調(diào)各部分動作，從而達到以最經(jīng)濟的方式來控制。而且，這種控制要求在遠離溫室的計算機控制室就能完成。該網(wǎng)絡還連接有幾個通訊平臺，用戶可以在遙遠的地方通過形象、直觀的圖形化界面就可以與這種分布式的控制系統(tǒng)對話。

2 國內(nèi)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究狀況

我國是一個歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國，早在兩千多年前就有蔬菜、花卉的溫室栽培。可見我國的溫室產(chǎn)業(yè)源遠流長。20世紀30年代，我國遼寧南部和北京地區(qū)就己經(jīng)開始在冬季利用不進行人工加熱的“日光溫室”生產(chǎn)新鮮蔬菜。但限于當時的技術(shù)水平，嚴冬季節(jié)這種溫室內(nèi)的光、熱環(huán)境只能維持耐寒性強的野菜類和蔥蒜類蔬菜生長，而不能生產(chǎn)喜溫的黃瓜、番茄等果菜。20世紀80年代中期，人們開始對原有的日光溫室，如建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境調(diào)控技術(shù)和栽培技術(shù)進行了全面的改進，在完全不加熱或僅有極少量加熱的條件下，在嚴冬生產(chǎn)喜溫果菜。其中遼寧省農(nóng)民創(chuàng)建的海城日光溫室和瓦房店日光溫室是我國設施蔬菜栽培史上的重大突破，但產(chǎn)量相對較低。

我國的溫室栽培管理一直主要靠人工根據(jù)經(jīng)驗進行，直到20世紀70年代從國外引進了設施環(huán)境控制設備與手段都很先進的溫室設施，一方面由于現(xiàn)代化溫室在我國能源消耗太大，國情國力難以承受;另一方面，溫室生產(chǎn)是一個復雜的過程，是硬件設施和軟件技術(shù)的統(tǒng)一體，而我們?nèi)狈ο鄳墓芾砣瞬?再者，由于地域、水土、氣候，乃至資源的差異，引進的國外系統(tǒng)并不完全適合于我國國情，引進的設備并沒能充分發(fā)揮其作用，且成本高、維護困難，而且引進的國外系統(tǒng)一般都不具備數(shù)據(jù)存儲功能，無法與管理系統(tǒng)聯(lián)系，以至于這些巨資引進的設施基本上虧損經(jīng)營。

上世紀80年代末90年代初，在引進、吸收、消化的基礎上，我國有關(guān)科研、教學單位圍繞著主要蔬菜的環(huán)境控制問題展開了試驗研究，取得了一定成效。特別是“九五”期間，國家科技部提出的工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程推動了我國溫室監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)出一批具有我國知識產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)。但總休來講，我國設施農(nóng)業(yè)中環(huán)境控制能力低，自動化程度十分落后，抵御自然災害能力差。

目前，我國溫室自動控制研究有兩個方向，一是由江蘇理工大學李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能環(huán)境控制系統(tǒng)，它采用工業(yè)控制計算機作為溫室控制系統(tǒng)的核心，如圖1所示。該系統(tǒng)為多變量輸入輸出控制系統(tǒng)，通過傳感器檢測溫室中各環(huán)境參數(shù)，得到模擬輸出量，經(jīng)相應變送器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，在自編軟件支持下，經(jīng)接口板采集數(shù)據(jù)，計算機進行處理分析將輸入量與設定量比較后，輸出開關(guān)量，通過驅(qū)動電路控制各執(zhí)行機構(gòu)［2］。

圖1 一種溫室監(jiān)控系統(tǒng)模型

二是由中國農(nóng)業(yè)大學電子電力工程學院設計的華北型連棟溫室自動控制系統(tǒng)，采用以單片機為主對溫室環(huán)境進行自動監(jiān)測與控制。單片機與計算機通過友好的人機接口界面觀測與遙控溫室內(nèi)環(huán)境狀況，系統(tǒng)可實現(xiàn)實時采集溫室內(nèi)、外溫度、濕度、光照、土壤溫度等環(huán)境參數(shù)值，并進行顯示與存儲。

在溫室因素控制方面，我國的溫室監(jiān)控系統(tǒng)還停留在單因子控制階段。如范云翔等研制開發(fā)的智能噴水控制器，能根據(jù)環(huán)境的變化，自動調(diào)整噴水量，吉林大學于海業(yè)等研究的溫室環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，做到了溫室內(nèi)溫度、濕度的自動檢測，并建立了一個溫室操作的專家系統(tǒng)，但沒有定型產(chǎn)品，沒有形成產(chǎn)業(yè)化機構(gòu)?，F(xiàn)在也有專家進行多因子綜合因素的大系統(tǒng)控制研究，這將代表我國溫室監(jiān)控系統(tǒng)今后研究的方向［3］。

3 存在的問題及發(fā)展方向

3.1 存在的問題

3.1.1 從引進的溫室使用情況來看，由于溫室規(guī)模大，散熱面積大，在我國北方地區(qū)的燃料消耗比傳統(tǒng)溫室高2～3倍，散熱裝置在我國過高溫季節(jié)的降溫效果也達不到預期要求。從經(jīng)濟效益來看，上世紀80年代引進的溫室大部分虧損經(jīng)營，不符合我國現(xiàn)有國情。

3.1.2 從對溫室中環(huán)境因子采用的控制方法來看，其控制水平、控制精度及控制穩(wěn)定性方面都有待進一步的提高，主要表現(xiàn)在對溫度的控制上，現(xiàn)在大多數(shù)溫室中對環(huán)境因子的控制主要采用傳統(tǒng)的一些控制方法，如最簡單的雙位調(diào)節(jié)及常規(guī)的PID調(diào)節(jié)等，它們在獲得最佳環(huán)境條件方面有一定的局限性。

3.1.3 自動控制系統(tǒng)大多仍然是以單片機控制為主的現(xiàn)場控制，一些上位機(PC機)對溫室的管理只限于存儲歷史數(shù)據(jù)，不能進行實時性控制與采集，不僅給溫室管理人員造成工作上的不方便和不舒適，還導致工作效率低下。

3.1.4 一些具有現(xiàn)代化溫室特點的控制系統(tǒng)一則由于處于研究試用階段，二則由于價格高，沒有形成系列產(chǎn)品而難以在市場上推廣使用，嚴重阻礙了我國溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.1.5 我國是一個人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是急需推進的目標。而現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是知識與技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，科技含量高，需要大量高層技術(shù)與管理人才，但目前我國還十分缺乏這方面的高水平人才及其專家管理系統(tǒng)。

3.2 發(fā)展方向

3.2.1 提高溫室環(huán)境控制水平。在控制方法上，一方面從對溫室單測點的角度來考慮，繼續(xù)進行單因子控制方法的研究，著重在于如何提高溫室環(huán)境因子控制精度和穩(wěn)定度;另一方面從溫室整體環(huán)境的要求來考慮，采取多因素綜合控制的控制方法，如多變量輸入輸出控制系統(tǒng)的研究。從而發(fā)展適合溫室環(huán)境特點的控制系統(tǒng)。

3.2.2 在溫室管理方面，研制、開發(fā)新型的溫室計算機管理系統(tǒng)，利用實用的軟件平臺開發(fā)友好的用戶界面，研制開發(fā)針對性強、具有高水平的專家管理系統(tǒng)，提高溫室的管理水平。

3.2.3 利用網(wǎng)絡計算機實現(xiàn)異地監(jiān)控、信息收集、產(chǎn)品網(wǎng)上交易。

［1］ 趙忠彪.nRF401在溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究［J］.工業(yè)控制計算機，2008年21(3).

［2］ 奚 強.溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)研究［D］.北京:中國農(nóng)業(yè)大學，2005年.

［3］ 梁建華，肖申平.基于NRFO4I的無線監(jiān)控探頭的設計［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006年，19(1).