夏愉樂，伍晟韜，吳慧強(qiáng)，侯 亮

(湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動化控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，目前，該枝術(shù)在應(yīng)用中追求全自動化、無人化控制方向發(fā)展。溫室大棚自動化不僅僅帶動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還大大提高農(nóng)作物的品質(zhì)、產(chǎn)量，不僅降低了農(nóng)藥的使用量，而且還提高蔬菜安全性，促進(jìn)農(nóng)民增收，溫室大棚自動化利國利民，值得全國性的大力推廣[1]。

智能溫室也稱作自動化控制溫室，是指配備了由計算機(jī)控制的天窗、自動遮陽系統(tǒng)、升溫降溫保溫系統(tǒng)、噴滴灌系統(tǒng)或滴灌系統(tǒng)、移動苗床等自動化設(shè)施，基于農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境的高科技“智能”溫室，一般由信號采集系統(tǒng)、中心計算機(jī)、控制系統(tǒng)三大部分組成[2-3]。

隨著設(shè)施園藝和我國農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，溫室大棚智能化(通常簡稱連棟溫室或者現(xiàn)代溫室)發(fā)展迅速，它是農(nóng)業(yè)種植的高級類型，擁有綜合環(huán)境性質(zhì)的自動控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以直接調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、光源、水、肥料、氧氣和二氧化碳等諸多對植物生長有影響的因素，不僅可以提高全年的生產(chǎn)總量，逐步精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)蔬菜、花卉、水果等，而且還能有效降低人力資源的投入成本、極大提升經(jīng)濟(jì)效益。

1 國內(nèi)外溫室大棚自動化控制系統(tǒng)研究狀況

1.1 國外研究狀況

國外在溫室大棚自動化控制系統(tǒng)方面的研究先于我國幾十年，研究已經(jīng)非常深入。世界許多發(fā)達(dá)國家種植業(yè)廣泛應(yīng)用自動化控制技術(shù)，農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)體系較為完善，機(jī)械設(shè)備較為齊全，操作控制技術(shù)較為先進(jìn)，有效地保障了農(nóng)作物質(zhì)量、產(chǎn)量及種植戶的經(jīng)濟(jì)收益，蔬菜、水果和各種苗木均可使用無人自動化技術(shù)種植。國外智能溫室大棚外觀如圖1所示。雖然歐美國家人口數(shù)量相對于我國來說較少，但是國外依靠溫室大棚自動化技術(shù)彌補(bǔ)了人數(shù)不夠的短板，在某種程度上來說甚至優(yōu)于我國。

圖1 國外智能溫室大棚

1.2 我國溫室大棚自動化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

雖然說我國溫室大棚種植面積已成為世界第一，但是溫室大棚自動化控制技術(shù)起步較晚，國內(nèi)對此的研究不深入，依舊以塑料大棚人工為主。隨著我國對農(nóng)業(yè)的重視不斷加強(qiáng)，經(jīng)過改革開放后引進(jìn)國外先進(jìn)的溫室大棚自動化控制技術(shù)和自身的不懈努力發(fā)展，我國在溫室種植上取得了一定的成績，但是國內(nèi)發(fā)展水平依舊參差不齊，不同檔次、不同型號的溫室產(chǎn)品，初步形成了一個完整的配套規(guī)模產(chǎn)業(yè)。

我國的溫室大棚相對國外較為落后，在國內(nèi)南方溫室大棚主要為采用竹子、木頭、水泥和鋼筋混合為主要材料的骨架塑料大棚，又稱為塑料溫室棚。國內(nèi)塑料溫室大棚外觀如圖2所示。相較國外先進(jìn)的溫室大棚，我國在技術(shù)研究和產(chǎn)品生產(chǎn)上仍存在著許多的不足，存在的問題大致有如下幾點(diǎn)：

(1)國外的人口數(shù)量相對于我國較少，從事農(nóng)業(yè)活動的人數(shù)不多，間接性地促進(jìn)了本國的自動化大力發(fā)展。一方面美國等國家之間互相交流引進(jìn)他國最新技術(shù)，導(dǎo)致國外的溫室大棚自動化程度高于我國；另一方面國內(nèi)溫室大棚自動化技術(shù)起步較晚，發(fā)展緩慢，許多研究都仍然處在起步階段。我國種植戶引進(jìn)國外新技術(shù)成本較高，國內(nèi)人數(shù)眾多，勞動力廉價，導(dǎo)致我國目前仍以人工為主。

(2)國內(nèi)自動化控制技術(shù)起步較晚，研究不夠深入，自動化設(shè)備使用率較低。我國溫室的面積己躍居世界第一，但高、中檔次的商品化溫室主要被機(jī)關(guān)團(tuán)隊(duì)、軍隊(duì)、農(nóng)場和科研等單位采用，而普通農(nóng)戶采用較低檔次的塑料溫室大棚溫室，想要大量普及自動化控制的溫室大棚較國外仍有很長的一段路要走[4]。

(3)配套設(shè)施不完善。溫室大棚需要完整的配套設(shè)備，工作效率才能大大提升，從國外引進(jìn)設(shè)備，價格昂貴，國內(nèi)的各零部件性能較差，故障率高，配套設(shè)施不完善，這阻礙了自動化技術(shù)在我國的迅速傳播。國內(nèi)的許多溫室大棚因?yàn)橘Y金和設(shè)計等種種原因只采取了完整設(shè)備中的一小部分，沒有完整的設(shè)備就不能充分體現(xiàn)溫室大棚自動化的全部優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致我國溫室大棚自動化不能完全實(shí)現(xiàn)自動化。

(4)我國國土面積大，氣候多變，國內(nèi)農(nóng)作物種類較多，每種農(nóng)作物的生長方式、環(huán)境各不相同，種植戶如果只采用一種自動化控制系統(tǒng)肯定不滿足需求，采用多種設(shè)備需耗費(fèi)的成本較高且國外引進(jìn)的溫室大棚控制設(shè)備不符合我國農(nóng)作物的生長模式。

圖2 國內(nèi)塑料溫室大棚

2 自動化控制系統(tǒng)技術(shù)在葡萄種植溫室大棚中的應(yīng)用

憑借自然環(huán)境的優(yōu)勢，我國是葡萄干生產(chǎn)大國之一。據(jù)調(diào)研顯示，國內(nèi)對葡萄的需求量逐年上升，年消耗量持續(xù)增長。湖南省內(nèi)的葡萄種植戶也隨之上升。隨著科技不斷的進(jìn)步，自動化生產(chǎn)加工早已取代人工。湖南省眾多農(nóng)戶對葡萄進(jìn)行了溫室大棚自動化種植，在此，以溫室大棚種植葡萄為例，介紹幾種溫室大棚自動控制系統(tǒng)。

2.1 增降溫系統(tǒng)

葡萄的種植對于溫度要求較為嚴(yán)格，葡萄生長不耐寒，葡萄生長的最低氣溫在12～15 ℃之間，花期最適生長溫度為20 ℃左右，果實(shí)膨大期最適溫度為20～30 ℃。果實(shí)膨大時，需20～30 ℃的溫度，另外在果實(shí)生長期，白天光照越充足，夜晚溫度越低越有利于葡萄的著色和糖分的累積，葡萄結(jié)出的果實(shí)越甜。到春季葡萄樹開始萌芽時，如果溫度回升快則可能會導(dǎo)致葡萄枝條徒長，其現(xiàn)狀為節(jié)與節(jié)之間生長不充實(shí)，且花期容易受精不良[5]。如果遇上春寒則需要多施磷肥和高碳的有機(jī)肥，減少氮肥的施加。葡萄的生長受溫度的影響巨大，溫度對葡萄生長的影響如表1所示。此時溫室大棚溫度控制系統(tǒng)則發(fā)揮出極大的作用[6]。

表1 溫度對葡萄生長的影響

湖南為大陸性中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，一月平均溫度多在4～7 ℃之間，九月下旬后，白天較暖，入夜轉(zhuǎn)涼，降水量減少。從11月下旬至第二年3月中旬，長沙氣候平均氣溫低于0 ℃的嚴(yán)寒期很短暫，全年以1月最冷，月平均為4.4～5.1 ℃[7]。所以增溫系統(tǒng)普遍適用于天氣寒冷的冬天，目前我國主要使用的增溫設(shè)備有熱水增熱、熱風(fēng)爐增熱和地面增熱。熱水增熱因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、購買和維修成本不高、增加熱量的面積大、故障率低，不容易對葡萄的生長造成很大影響，此加熱方式在我國最為常見。熱風(fēng)爐溫度上升快、容易調(diào)節(jié)溫度，溫度的波動起伏較大，但葡萄對溫度的需求嚴(yán)格不利于葡萄的生長，且價格相對偏貴，不適合普通的溫室大棚種植戶。電阻絲加熱電熱交換率高、操縱簡單，但成本較高，其最大的缺點(diǎn)是容易造成土壤的水分和營養(yǎng)流失，導(dǎo)致施肥不均對環(huán)境破壞從而影響葡萄的生長。

湖南省3月下旬～5月中旬，冷暖空氣交換，形成了陰雨連連、光照極少的天氣。自5月下旬以后，氣溫急劇升溫，夏天的溫度全省穩(wěn)定在30 ℃以上 ，省內(nèi)氣溫時常超過35 ℃甚至達(dá)到40 ℃，酷夏時空氣干燥高溫且少雨[8]。溫室大棚降溫器通常應(yīng)用于湖南省的炎熱夏天。其主要包括有遮陽器、濕簾式風(fēng)機(jī)減速、噴淋式降溫、空調(diào)減速。而遮陽器在我國是最常用的，其具有抗紫外線、防風(fēng)遮雨的作用。噴淋降溫設(shè)備主要包括噴霧降溫和房間噴淋降溫，這兩種都是目前國內(nèi)最先進(jìn)的減溫設(shè)備，它們都是純自動化，但成本相對較高。噴霧性降溫并不會造成地表濕度太高，而且蒸發(fā)的速度比較慢，降溫效果良好，但很容易受到惡劣天氣的影響 ，在國內(nèi)并沒有得到全面的推廣，大多數(shù)都被廣泛應(yīng)用在溫度相對較高的地區(qū)?？照{(diào)降溫裝置效果最好，但其成本較高，國內(nèi)一般的溫室種植戶不會選擇，目前普遍用于小型溫室。

增降溫系統(tǒng)嚴(yán)格把控溫度，可以將溫室大棚內(nèi)的溫度設(shè)定為最適宜葡萄的生長溫度，從而提高葡萄的品質(zhì)和產(chǎn)量，極大程度上減少了人工成本的浪費(fèi)。

2.2 自動澆灌系統(tǒng)

葡萄的生長前期對水分的要求極高，結(jié)果期對水分的要求相對于前期較少，如果結(jié)果期澆灌的水分多于自身所需要的水分，就會導(dǎo)致葡萄的根部損壞，極其容易影響葡萄的品質(zhì)和生產(chǎn)產(chǎn)量，如果在陰雨天氣較多的地區(qū)種植葡萄容易導(dǎo)致光照不足，葡萄的光合作用不足導(dǎo)致葡萄本身引發(fā)多種疾病。葡萄的本身對水分要求很高，葡萄對水的生長需求情況如表2所示。在干旱地區(qū)種植時需要注意水分問題，要及時澆灌換水，防止葡萄缺水。

表2 葡萄對水的生長需求

目前，國內(nèi)自動澆灌的方式主要分為噴灌系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)，噴灌系統(tǒng)分為固定噴灌和移動噴灌兩種方式。固定噴灌系統(tǒng)如圖3所示，只要將噴灌裝置安置在葡萄樹的上方，定期用自動化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)全面充分掌握溫室大棚中葡萄的生長狀況，當(dāng)葡萄生長需要用水時用操作系統(tǒng)遠(yuǎn)程進(jìn)行定期的澆灌，但因澆灌方式移動不方便，只能適合用在面積較小的溫室大棚內(nèi)。移動噴灌容易移動，澆灌便利，抗阻塞性能好，出水量均勻，適用于大面積的溫室大棚灌溉。自動澆灌系統(tǒng)可以根據(jù)種植戶的需要以及葡萄對水的需求將電氣自動化技術(shù)應(yīng)用于灌溉管理中，能夠大幅度提升灌溉管理的有效性，滿足葡萄的灌溉需求，可提高水資源有效利用率，有效提升污水檢測水平，還可有效檢測農(nóng)藥在生產(chǎn)中的使用情況，科學(xué)合理地控制農(nóng)藥和化肥的用量，在保證大棚種植葡萄生長需求的同時，也可以防止農(nóng)藥和化肥大量使用而造成對水體的污染。

圖3 固定噴灌系統(tǒng)示意

2.3 營養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

葡萄生長需要17種微量元素，跟其他的農(nóng)作物生長習(xí)性十分相似，其中的氫元素是從水分中吸收，碳元素是通過葉片的光合作用吸收空氣中的二氧化碳，其中只有94.0%～99.5%的元素是通過吸收空氣和水中的碳?xì)湓亟M成，剩余的0.5%～6.0%是通過根部從土壤中吸收，而氮、磷、鉀這三種關(guān)鍵元素是從肥料中吸收[9]。

營養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)可以對葡萄的生長情況進(jìn)行實(shí)時的系統(tǒng)監(jiān)測，根據(jù)其生長特性預(yù)測葡萄的生長趨勢。該系統(tǒng)針對葡萄多方面生長要素對植物生長有影響的因素進(jìn)行分析，通過遠(yuǎn)程自動化控制調(diào)節(jié)出最利于葡萄樹的生長的環(huán)境并進(jìn)行調(diào)節(jié)和自動施用肥料，相對人工施肥來說，此系統(tǒng)對葡萄生長所需的營養(yǎng)成分把控更加精準(zhǔn)，減少了肥料不必要的浪費(fèi)，避免了肥料對生態(tài)環(huán)境的污染，但該設(shè)備的成本較高，在我國運(yùn)用的范圍較少，目前主要用于對植物生長特性的研究[10]。

2.4 智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)

智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)是指在溫室大棚內(nèi)建立一套監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖庹{(diào)節(jié)大棚內(nèi)，從而可以遠(yuǎn)程控制溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照程度，并且可以結(jié)合大棚內(nèi)的葡萄的生長程度和營養(yǎng)物質(zhì)所需狀況以及生長特性，設(shè)置葡萄各項(xiàng)生長環(huán)境指標(biāo)，此技術(shù)極其適合反季節(jié)溫室大棚葡萄的種植。一旦大棚內(nèi)的環(huán)境不適合葡萄的生長，種植戶可以隨時隨地進(jìn)行調(diào)整。如果葡萄的種植受到了外界因素的影響，監(jiān)控系統(tǒng)會及時報告給種植戶，并提供解決方案。溫室大棚的監(jiān)控系統(tǒng)可以減少葡萄在生長環(huán)境中受到的不良因素影響，根據(jù)其生長特性定制符合農(nóng)作物的生長環(huán)境，極大提高了農(nóng)作物的品質(zhì)，也極大提高農(nóng)作物的安全性。

3 結(jié)語

隨著我國對農(nóng)業(yè)的種植技術(shù)研究不斷深入，國內(nèi)市場對高質(zhì)量農(nóng)作物需求越來越大。我國人口老齡化嚴(yán)重，年輕一代不愿意下地務(wù)農(nóng)，種植業(yè)勞動力嚴(yán)重不足，溫室大棚自動化技術(shù)推廣刻不容緩。

我國在此技術(shù)上起步較晚，但是隨著我國國力逐漸加強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)投入和教育投入不斷加強(qiáng)，自動化技術(shù)和農(nóng)業(yè)種植是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自身改革的必然要求，溫室大棚自動化能大大提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益和效率，必將是未來種植業(yè)的發(fā)展趨勢。

雖然我國近幾年來在溫室大棚自動化研究和應(yīng)用方面上取得了一定的成就，但我國在自動化技術(shù)上仍有漫長的一段路要走。