楊 涓，李玉嶺，張 原，成雅京

（北京市植物園管理處，北京 100093）

1 智能溫室相關(guān)概念

1.1 智能溫室的定義

智能溫室是專門為農(nóng)業(yè)溫室、農(nóng)業(yè)環(huán)境控制等開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的智能控制系統(tǒng)，可測(cè)量溫度、濕度、光照、氣壓、紫外線、土壤溫濕度以及CO2濃度等農(nóng)業(yè)環(huán)境要素[1]。而智能溫室系統(tǒng)是一種資源節(jié)約型高效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)[2]，它以普通溫室為框架，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)自控技術(shù)、智能傳感技術(shù)以及人工智能和專家系統(tǒng)等高科技，通過(guò)計(jì)算機(jī)綜合控制，提供與季節(jié)無(wú)關(guān)的適合植物生長(zhǎng)的環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)各種植物的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的工廠化生產(chǎn)。其中，專家系統(tǒng)是運(yùn)用人工智能的專家系統(tǒng)技術(shù)，在收集了植物知識(shí)、模型和專家經(jīng)驗(yàn)等前提下，采用合適的知識(shí)表示技術(shù)和推理技術(shù)建立的知識(shí)庫(kù)，和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相互配合，根據(jù)當(dāng)前的植物、季節(jié)和時(shí)間對(duì)植物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境因子提供決策支持（手動(dòng)設(shè)定）和設(shè)定（完全自動(dòng)）。

1.2 智能溫室的技術(shù)

智能溫室采用的高新技術(shù)主要有無(wú)土栽培技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)控制技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)控制技術(shù)、機(jī)械化作業(yè)技術(shù)、節(jié)水灌溉技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[3]、短距離無(wú)線通信技術(shù)、全球定位控制系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)融于各類技術(shù)之中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與集中控制，甚至實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)情況的可視化仿真，反映其變化規(guī)律。智能溫室的發(fā)展集中體現(xiàn)了生物工程、信息工程、農(nóng)業(yè)工程等多領(lǐng)域的高新技術(shù)在植物栽培中的應(yīng)用狀況，發(fā)展智能溫室產(chǎn)業(yè)必須依靠這些高新技術(shù)。

1.3 智能溫室的監(jiān)控系統(tǒng)

溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)采用無(wú)線嵌入式數(shù)據(jù)采集儀，可實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、照度、CO2濃度、土壤溫度、土壤濕度等多種環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行分析判斷。其主要功能是利用傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)智能控制溫室設(shè)備的運(yùn)行。溫度室的環(huán)境參數(shù)盡可能保持在有利于作物生長(zhǎng)的條件下，使作物不受外界自然氣候的影響，實(shí)現(xiàn)高效、工業(yè)化、高產(chǎn)值的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。可使溫室生產(chǎn)更加智能化、簡(jiǎn)單化，使客戶感到更加舒適，真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)的樂(lè)趣。

2 智能溫室發(fā)展現(xiàn)狀

目前，智能溫室建筑面積呈擴(kuò)大化趨勢(shì)，立體栽培、機(jī)械化作業(yè)、潮汐灌溉、滴灌系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，覆蓋材料多功能、系列化。其中，北歐國(guó)家多用玻璃溫室，南歐國(guó)家多用塑料溫室。20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始，荷蘭溫室開(kāi)始發(fā)展，他們依托玻璃溫室技術(shù)，大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。以荷蘭為代表的歐美國(guó)家設(shè)施園藝規(guī)模大、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高，設(shè)施農(nóng)業(yè)主體設(shè)備溫室內(nèi)的光、水、氣、肥等均實(shí)現(xiàn)了智能化控制。以色列的智能溫室可根據(jù)植物對(duì)環(huán)境的不同要求，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)溫室植物全天候、周年性的高效生產(chǎn)。美國(guó)、日本等國(guó)推出了全封閉式生產(chǎn)體系——應(yīng)用人工補(bǔ)光、采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和視頻技術(shù)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與診斷，由機(jī)械人或機(jī)械手進(jìn)行移栽作業(yè)。

我國(guó)溫室大棚的發(fā)展起步較晚，20 世紀(jì)60 年代，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的塑料大棚；70 年代后期，新型環(huán)保日光溫室大棚才開(kāi)始普及，受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平所限，智能溫室對(duì)生態(tài)環(huán)境因素的控制多采用單因子控制，主要是控制溫度，其次是空氣濕度和土壤濕度；20 世紀(jì)80 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能溫室開(kāi)始采取多因素綜合控制方法，即利用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法，將各種植物在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段需要的適宜環(huán)境條件要求輸入計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)某一環(huán)境因素發(fā)生改變時(shí)，其余因素自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)修正或調(diào)整；20 世紀(jì)90 年代，在多因子環(huán)境控制中，智能溫室采用了模糊控制、多變量控制等先進(jìn)技術(shù)[4]，并采用這些先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)環(huán)境自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，可根據(jù)植物的要求和特點(diǎn)，對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因素進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，利用溫差管理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的花期和果期控制，以滿足生產(chǎn)和市場(chǎng)的需要。

溫室大棚設(shè)施化栽培可顯著改善花卉、蔬菜等農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境條件，提升產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。我國(guó)在“九五”“十五”期間，在科技部領(lǐng)導(dǎo)和組織下，實(shí)施了“工廠化高效農(nóng)業(yè)研究與示范”項(xiàng)目，利用引進(jìn)的現(xiàn)代化溫室設(shè)備及配套技術(shù)，通過(guò)消化吸收與技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)行了品種選育、設(shè)施栽培、配套設(shè)備及溫室中溫度、濕度和CO2等環(huán)境因素綜合調(diào)控技術(shù)的研究與攻關(guān)，使一大批科技成果相繼誕生[6]，有效推動(dòng)了我國(guó)智能溫室的發(fā)展。例如，2014年程瑞等[7]介紹了國(guó)內(nèi)正在應(yīng)用的4 種典型的環(huán)境控制硬件系統(tǒng)：基于單片機(jī)的溫室智能控制系統(tǒng)、基于工業(yè)控制機(jī)（IPC）的溫室智能控制系統(tǒng)、基于可編程邏輯控制器（PLC）的溫室智能控制系統(tǒng)、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式智能控制系統(tǒng)；北京世園公園的生產(chǎn)溫室，應(yīng)用了Priva 計(jì)算機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行溫室環(huán)境的調(diào)控，在環(huán)境控制與栽培技術(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究；北京豐臺(tái)的鑫盛芳園藝有限責(zé)任公司的生產(chǎn)溫室已實(shí)現(xiàn)智能環(huán)境控制、內(nèi)外雙層遮陽(yáng)控制、微霧降溫、水肥監(jiān)測(cè)等技術(shù)，利用豪根道自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)遙控控制溫室內(nèi)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了保溫精準(zhǔn)化[8]；北京鑫天碧農(nóng)業(yè)設(shè)施工程技術(shù)有限公司在“中國(guó)北郎中鮮切菊”的項(xiàng)目中，使用了豪根道自動(dòng)化系統(tǒng)，客戶可使用更少的水域能源生產(chǎn)出品質(zhì)更高的菊花。

植物種類多樣，習(xí)性、生長(zhǎng)狀態(tài)各有不同，給智能溫室的環(huán)境控制及分區(qū)增加了難度。從已引進(jìn)的智能溫室使用情況來(lái)看，智能溫室需要大量高層次的技術(shù)人員與管理人員，而智能溫室從業(yè)人員流動(dòng)性大、社會(huì)化用工老齡化等問(wèn)題或?qū)⒆璧K自動(dòng)化系統(tǒng)在溫室中發(fā)揮更佳功效。有關(guān)“適合各地方日光溫室群環(huán)境智能化監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”方面的研究和報(bào)道較少，即使有，也是單因素的監(jiān)控系統(tǒng)較多，多因素復(fù)合監(jiān)控系統(tǒng)很少。張曉文等[9]認(rèn)為，單因子控制技術(shù)在保證植物獲得最佳環(huán)境條件方面有一定局限性，但實(shí)際操作中，多因素復(fù)合監(jiān)控系統(tǒng)因系統(tǒng)的復(fù)雜性，且每個(gè)分區(qū)都是不同系統(tǒng)，在控制上會(huì)比單因素監(jiān)控系統(tǒng)更具難度。此外，由于成套系統(tǒng)較為昂貴、溫室所占面積受限等因素，智能溫室大面積推廣具有一定難度，如北京普瑞瓦2016 年的重點(diǎn)項(xiàng)目之一銅川現(xiàn)代智能玻璃溫室草莓栽培項(xiàng)目，玻璃溫室占地5 萬(wàn)m2，總投資2 億元。從國(guó)外引進(jìn)的智能溫室在氣候特征方面暫不能完全契合我國(guó)的運(yùn)行模式，因此，在引進(jìn)設(shè)備前，需要充分調(diào)研當(dāng)?shù)厍闆r，如天氣、水質(zhì)、水費(fèi)等。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能溫室的控制技術(shù)也在發(fā)生變化，在實(shí)現(xiàn)了作業(yè)和控制自動(dòng)化的同時(shí)，進(jìn)行了人工智能的廣泛應(yīng)用研究，開(kāi)發(fā)了用于溫室管理、決策、咨詢等方面的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理診斷、實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控、完全自動(dòng)化，同時(shí)為工作人員提供產(chǎn)品購(gòu)銷市場(chǎng)、信息技術(shù)支持與服務(wù)、氣象信息等各類信息服務(wù)。其中，溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可觀察、遙控50 km 以外溫室內(nèi)的溫、光、氣、水等環(huán)境因子狀況。未來(lái)，一體化的溫室網(wǎng)絡(luò)管理體系模型將得到完善。將氣候調(diào)節(jié)、灌溉系統(tǒng)與營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)作為一個(gè)整體，根據(jù)不同傳感器的輸入來(lái)協(xié)調(diào)各部分動(dòng)作，從而達(dá)到更經(jīng)濟(jì)的效果。工作人員在遠(yuǎn)離溫室的計(jì)算機(jī)控制室就能完成所有操作，也可通過(guò)上網(wǎng)，在通信平臺(tái)上的界面完成控制。

3 智能溫室的控制系統(tǒng)

溫室控制系統(tǒng)的架構(gòu)由信號(hào)采集輸入部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理部分、輸出及控制部分、灌溉控制4 部分組成。溫室控制系統(tǒng)能幫助人們測(cè)算環(huán)境因素，優(yōu)化溫室內(nèi)氣候環(huán)境、降低能耗，而最終決定植物品質(zhì)的因素還在于種植者本身的栽培管理。例如，當(dāng)溫室需要通風(fēng)降溫時(shí)，控制系統(tǒng)能分析出具體該開(kāi)多大角度的天窗，并對(duì)開(kāi)窗后室內(nèi)環(huán)境的“連鎖反應(yīng)”作出相應(yīng)調(diào)整，如是否需要打開(kāi)噴霧、風(fēng)機(jī)、濕簾、遮陽(yáng)網(wǎng)等。目前，世界上有三大主流環(huán)境控制系統(tǒng)，分別是普瑞瓦（Priva）、豪根道（Hoogendoorn）以及騎士（Ridder）。

3.1 普瑞瓦

荷蘭普瑞瓦（Priva）公司成立于1959年，有著60多年的歷史，業(yè)務(wù)遍布日本、韓國(guó)、馬來(lái)西亞、新加坡、印度等。1977 年，普瑞瓦推出了園藝方面的氣候控制計(jì)算機(jī)；1983 年，其開(kāi)發(fā)了樓宇控制系統(tǒng)；2001年，阿納姆市的Van Beek 公司成為荷蘭普瑞瓦的一部分[10]，實(shí)現(xiàn)在能源監(jiān)控領(lǐng)域強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手；2007 年，該公司開(kāi)始利用地下冷、熱儲(chǔ)存罐調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，減少CO2排放；2006 年普瑞瓦在中國(guó)成立了分公司，通過(guò)與溫室公司的合作，讓中國(guó)用戶獲得和國(guó)際同步的先進(jìn)溫室自動(dòng)化控制技術(shù)[11]；2016年，Priva Vialux M-Line中壓紫外線消毒機(jī)和Priva FS Performance管理系統(tǒng)兩款新品在第十八屆中國(guó)國(guó)際花卉園藝博覽會(huì)上展示；2016年，普瑞瓦荷蘭總部在上海設(shè)立辦公室。

普瑞瓦依靠產(chǎn)品的品質(zhì)和信譽(yù)開(kāi)拓市場(chǎng)，“硬件”和“軟件”都力求盡善盡美，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的方式，在用戶授權(quán)后，與系統(tǒng)服務(wù)器建立連接，幫助解決現(xiàn)場(chǎng)使用問(wèn)題，在技術(shù)支持和售后服務(wù)上具有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)支持：普瑞瓦做專業(yè)的項(xiàng)目，提供專業(yè)的解決方案，確保每個(gè)方案行之有效，并履行所有的承諾。在每一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)展之前，普瑞瓦都會(huì)與客戶進(jìn)行許多溝通，發(fā)現(xiàn)客戶真正的需求，提出有針對(duì)性、行之有效的解決方案。智能溫室中Priva 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)及相關(guān)傳感器可實(shí)現(xiàn)各種栽培參數(shù)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)水肥循環(huán)利用，能較大程度地提高水肥利用率[12]。

售后服務(wù)：普瑞瓦確保每個(gè)項(xiàng)目都有非常完善的售后服務(wù)，包括設(shè)備的線路連接、安裝、調(diào)試以及后期針對(duì)種植者進(jìn)行設(shè)備使用培訓(xùn)等。目前，北京普瑞瓦可為種植者提供施肥機(jī)、消毒機(jī)、氣象站等10 余種產(chǎn)品，以及集成過(guò)程管理控制、水資源管理、氣候管理等多種解決方案，還會(huì)有專業(yè)工程師通過(guò)微信解答問(wèn)題，或通過(guò)實(shí)地指導(dǎo)、遠(yuǎn)程操控解決難題。

3.2 豪根道

園藝自動(dòng)化制造商的領(lǐng)先者荷蘭豪根道，擁有50 多年的園藝領(lǐng)域自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)，在全球超過(guò)70 個(gè)國(guó)家與地區(qū)跨越多個(gè)時(shí)區(qū)、多種語(yǔ)言開(kāi)展業(yè)務(wù)，具備強(qiáng)大的文化適應(yīng)性。豪根道在日本、韓國(guó)和中國(guó)等亞洲國(guó)家都擁有自動(dòng)化項(xiàng)目。豪根道系統(tǒng)的功能涵蓋灌溉、氣候以及能源等方面[13]。豪根道注重了解當(dāng)?shù)貧夂驐l件，提供的建議與解決方案能夠與客戶要求完全一致。軟件語(yǔ)言可根據(jù)客戶意愿設(shè)置，提供用戶友好的中文軟件、本土化服務(wù)、技術(shù)支持與培訓(xùn)，使客戶能夠優(yōu)化使用功能，從而達(dá)到更高產(chǎn)量。

為了與我國(guó)的溫室制造商與種植者分享經(jīng)驗(yàn)與推廣可能性的生產(chǎn)方式，豪根道于2014 年2 月28 日在北京農(nóng)展館舉辦了培訓(xùn)研討會(huì)[14]。2014 年4 月23日，豪根道在北京正式成立新公司。

3.3 騎士

騎士[15]作為一家國(guó)際化的荷蘭家族企業(yè)，在農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域從業(yè)60 多年，通過(guò)與終端用戶長(zhǎng)期合作，開(kāi)發(fā)了多功能跟蹤和便于操作的管理系統(tǒng)。騎士充分利用荷蘭的園藝專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備和豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，打造適應(yīng)性技術(shù)的解決方案，結(jié)合當(dāng)?shù)氐男枨蠛蜅l件，因地制宜，為種植者量身定制解決方案。騎士簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)錄入，將簡(jiǎn)單易懂的符號(hào)設(shè)置為輸入按鍵，降低了輸入失誤率。種植者可通過(guò)系統(tǒng)了解自己的工作成果和效率；可在實(shí)地勞作時(shí)，使用溫室圖表瀏覽工具或輸入端輕松記錄植物病害、死株、破損等情況；可使用MiniMaX 手持式終端，實(shí)現(xiàn)原地操作，精確地知道記錄的地點(diǎn)；對(duì)于病蟲(chóng)害可早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)告，并第一時(shí)間進(jìn)行治理防護(hù)，減少擴(kuò)散，及時(shí)反饋防治效果；經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)積累，可提前預(yù)防、改進(jìn)。

4 智能溫室的應(yīng)用——以北京世園公園生產(chǎn)溫室為例

4.1 溫室分區(qū)合理規(guī)劃

北京世園公園生產(chǎn)溫室是一個(gè)溫室群，溫室與溫室之間有頂棚相連，學(xué)術(shù)名詞是智能連棟玻璃溫室。溫室群占地3 萬(wàn)m2，為多因素復(fù)合監(jiān)控，有記錄和預(yù)警功能，用于植物的工廠化生產(chǎn)，具有空間大、密閉性好、環(huán)境穩(wěn)定等特性。在生產(chǎn)中，智能溫室更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，同時(shí)隔絕外部病蟲(chóng)害侵染，為植物生長(zhǎng)提供均一穩(wěn)定的環(huán)境，使植物生長(zhǎng)、植物株形品相具有一致性。其中，生產(chǎn)溫室的作業(yè)空間非常廣闊，里面有水處理系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）、自動(dòng)栽培系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）、肥料處理系統(tǒng)等。生產(chǎn)溫室按照植物的特點(diǎn)分低溫溫室、中溫溫室、高溫溫室、母本溫室等。各個(gè)溫室根據(jù)環(huán)境的要求，所選設(shè)備也有所不同。溫室環(huán)境全部由計(jì)算機(jī)操控，還可在電腦、手機(jī)、平板上實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境——如溫度、濕度、光照、CO2濃度及水肥的調(diào)控。該生產(chǎn)溫室采用Priva 計(jì)算機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行溫室環(huán)境的調(diào)控，電腦操作需要有專人負(fù)責(zé)。工作人員將各類傳感器布置在溫室中，負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并傳輸?shù)娇刂贫恕珉娔X、手機(jī)上?？刂贫烁鶕?jù)環(huán)境數(shù)據(jù)，將指令傳遞給溫室內(nèi)的設(shè)備。設(shè)備接收指令后執(zhí)行，完成對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控。設(shè)置好的數(shù)據(jù)不是一成不變的，而是可根據(jù)室外條件手動(dòng)微調(diào)的。如果在控制環(huán)節(jié)有疑問(wèn)，Priva 公司會(huì)通過(guò)微信用英語(yǔ)進(jìn)行指導(dǎo)。

圖1 水處理系統(tǒng)（RO反滲透系統(tǒng)制水）

圖2 自動(dòng)栽培系統(tǒng)

4.2 溫度調(diào)控系統(tǒng)設(shè)置

生產(chǎn)溫室采取的是獨(dú)立供暖系統(tǒng)。其中，中溫溫室的溫度比較恒定，溫室上部和下部都設(shè)有暖氣，最低溫可保證在18℃。而北京延慶室外最低溫可達(dá)-25℃。高溫溫室具備了好幾套不同種類的加溫設(shè)備，除了傳統(tǒng)的暖氣加熱外，還增加了高層供暖、地暖和花期補(bǔ)光燈（見(jiàn)圖3），晚上還會(huì)拉上內(nèi)保溫層，以供冬天保溫之用。生產(chǎn)溫室利用送風(fēng)系統(tǒng)控制溫度，整個(gè)溫室高空均勻分布有帶有孔洞的塑料薄膜管道，由表冷器向管道內(nèi)送風(fēng)，風(fēng)的溫度通過(guò)電腦控制，從而形成一個(gè)微正壓的溫室，溫室塑料薄膜管道布置見(jiàn)圖4，溫室表冷器布置見(jiàn)圖5。此外，生產(chǎn)溫室的苗床下有加熱系統(tǒng)，水溫可在6 ℃～50 ℃之間調(diào)整。生產(chǎn)溫室的天花板有一層膜結(jié)構(gòu)，能制造一層空氣隔層用以保溫。

圖3 花期補(bǔ)光燈

圖4 溫室塑料薄膜管道布置

圖5 溫室表冷器布置

4.3 灌溉系統(tǒng)設(shè)置

由于北京延慶的水質(zhì)偏酸性，故生產(chǎn)溫室采用自來(lái)水進(jìn)行灌溉。灌溉方式為潮汐灌溉和滴水灌溉。潮汐灌溉的灌溉時(shí)間可通過(guò)電腦進(jìn)行控制，如一天灌溉幾次，每次多長(zhǎng)時(shí)間。潮汐灌溉用水經(jīng)過(guò)消毒，可回收再利用。潮汐灌溉的植物（見(jiàn)圖6），植株體量統(tǒng)一、密度偏大、盆器較小、周期較短，多為觀賞花卉，如“仙客來(lái)”等，潮汐灌溉的苗床為可蓄水的封閉式苗床。滴灌可節(jié)水節(jié)肥，并提高水肥效能，滴水灌溉的植物（見(jiàn)圖7），植株體量一般較大。滴水灌溉的苗床為不能存水式網(wǎng)眼苗床。此外，施肥機(jī)由電腦控制，可設(shè)置澆清水還是肥水。肥水可設(shè)置濃度，也可設(shè)置多個(gè)配方，還可根據(jù)植物的需求，調(diào)整EC 值和pH值，由電磁閥控制。

圖6 潮汐灌溉

圖7 滴水灌溉

4.4 病蟲(chóng)害防護(hù)系統(tǒng)設(shè)置

在溫室水簾外及側(cè)窗上增加了防蟲(chóng)網(wǎng)，既防止了害蟲(chóng)，又起到了防塵、防土、防楊絮柳絮的作用。通風(fēng)有助于防護(hù)病蟲(chóng)害，生產(chǎn)溫室內(nèi)有多個(gè)內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)時(shí)刻運(yùn)作，加強(qiáng)室內(nèi)空氣循環(huán)。母本溫室及扦插生根溫室對(duì)于病蟲(chóng)害防治的要求比其他溫室高。工作人員進(jìn)入該區(qū)域前要洗手消毒、更換工作服和工作鞋、并腳在消毒地墊上踩踏數(shù)次，洗手消毒裝置區(qū)域見(jiàn)圖8，工作服和工作鞋更換區(qū)域見(jiàn)圖9。緩沖區(qū)與卷簾門禁止同時(shí)打開(kāi)。當(dāng)母本溫室出苗后，下一批苗進(jìn)入前，工作人員還要在溫室內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行一遍殺菌處理（見(jiàn)圖10）。母本區(qū)工作人員不得進(jìn)入其他溫室，其他溫室人員不得進(jìn)入母本區(qū)，母本及扦插生根溫室的工作人員的工作服、工作鞋需每日清洗，各溫室之間不得交叉使用。此外，各種藥品要統(tǒng)一存放于藥庫(kù)中，藥品被放于紙箱中，統(tǒng)一放在藥架上。藥架的利用，既方便了工作人員尋找藥品，又起到防治返潮的作用（見(jiàn)圖11），藥庫(kù)中還存放有計(jì)量秤（見(jiàn)圖12），方便量取重量。溫室地面為不露土的水泥地面，避免土中的雜草和病蟲(chóng)害與苗床中的苗木產(chǎn)生交叉感染。

圖8 洗手消毒區(qū)域

圖9 工作服和工作鞋更換區(qū)域

圖10 工作人員溫室內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行殺菌處理區(qū)域

圖11 藥架

圖12 計(jì)量秤

5 智能溫室建設(shè)建議

5.1 全面智能化分步實(shí)施

人們追求全自動(dòng)化控制的溫室，但在建造一個(gè)智能溫室前，管理者還應(yīng)考慮投入成本。管理者希望資金一步到位，可實(shí)現(xiàn)全面電腦操控，而如果受資金、上級(jí)支持等因素影響很難做到一步到位時(shí)，也可考慮分步到位，或者考慮性價(jià)比高的操作系統(tǒng)在部分區(qū)域試行，如采用以單片機(jī)為主對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制[16]。此外，水電費(fèi)也是管理者需要重點(diǎn)考慮的，一些地方的地下水，價(jià)格便宜，但水質(zhì)不好，會(huì)造成滴灌設(shè)備堵塞，維修費(fèi)用會(huì)拉高成本等。而自來(lái)水的質(zhì)量雖好于地下水，但成本高于地下水。因此，管理者在決策時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮性價(jià)比。

5.2 采用數(shù)字化管理

溫室管理應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。溫室的環(huán)境應(yīng)該可受人及電腦的控制，達(dá)到植物需要的理想溫濕度，并且這個(gè)環(huán)境是穩(wěn)定的、可控制調(diào)整的。溫室的環(huán)境和植物的基質(zhì)狀態(tài)應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，如溫濕度、酸堿度等。工作區(qū)域應(yīng)具備各種傳感器及測(cè)量設(shè)備，用于進(jìn)行環(huán)境記錄、基質(zhì)配比及分析植物的生長(zhǎng)情況。未來(lái)，智能溫室可根據(jù)植物不同生長(zhǎng)階段的需求制定出檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的智能水肥灌溉，滴灌量與植物生長(zhǎng)期匹配，實(shí)現(xiàn)智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制。

5.3 融入機(jī)械化

智能溫室可幫助一部分體力勞動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，從而大大提高工作效率。在工作區(qū)域設(shè)計(jì)控制臺(tái)，可方便操作。如移動(dòng)式放置盆器架（見(jiàn)圖13），工作人員來(lái)到苗床，將需要換盆、修剪的植物放在移動(dòng)架上，一次性地移動(dòng)大量植物到工作區(qū)域。又如可將各種基質(zhì)攪拌均勻、自動(dòng)裝桶的基質(zhì)攪拌器——工作人員只需要將基質(zhì)按比例倒進(jìn)機(jī)器，就可在之后回收裝滿基質(zhì)的容器。

圖13 移動(dòng)式放置盆器架

5.4 提高溫室自動(dòng)化程度

程俊峰等[17]2020 年的研究表明，在蔬菜溫室大棚中應(yīng)用智能水肥一體化技術(shù)，使年效益提高了2倍。未來(lái)的智能溫室應(yīng)是智能化與人工合理結(jié)合，并因地制宜，且有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如通過(guò)機(jī)械、電腦等設(shè)備輔助，就可很輕松地科學(xué)管理一個(gè)很大的區(qū)域，工作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)或者手機(jī)的操作，就可完成一天的環(huán)境管控及澆水施肥打藥任務(wù)。為智能溫室的自動(dòng)化控制設(shè)置參數(shù)，溫室建設(shè)者可根據(jù)參數(shù)考量不同類型的智能溫室之間的性價(jià)比，如荷蘭在生產(chǎn)它們作為標(biāo)志性的花卉及蔬菜時(shí)，自動(dòng)化控制占85%。隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們已逐漸看清傳統(tǒng)純?nèi)斯す芾砟Ｊ降谋锥?，為了更好地栽培植物，在?jīng)費(fèi)不足以支撐一整套智能溫室的建設(shè)時(shí)，管理者應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)部分區(qū)域的部分自動(dòng)化及一些有益的舉措或計(jì)劃，如實(shí)現(xiàn)潮汐灌溉、滴灌灌溉、獨(dú)立供暖等，既能夠節(jié)省大量人力資源及能源，工作人員也可更精細(xì)地完成栽植、修剪等工作。

5.5 引進(jìn)專業(yè)技術(shù)人才

技術(shù)人員需要在智能溫室建立之初就開(kāi)始接受專業(yè)培訓(xùn)，并有志向在智能溫室長(zhǎng)期服務(wù)。有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員將會(huì)使自動(dòng)化系統(tǒng)在溫室中發(fā)揮最佳功效。此外，相對(duì)簡(jiǎn)單的操作終端、便于升級(jí)和擴(kuò)展的系統(tǒng)、中文界面，將有利于技術(shù)人員更好地完成控制工作。一些維修維護(hù)工作也必不可少，需要配備專業(yè)人員。

5.6 具有科普功能

智能溫室部分區(qū)域有條件地對(duì)外開(kāi)放，具備一定的科普功能及參與功能。參觀區(qū)、活動(dòng)區(qū)與工作區(qū)彼此隔離。工作人員在進(jìn)行溫室作業(yè)時(shí)，會(huì)有訪客在室外的參觀區(qū)域進(jìn)行觀察，他們互不打擾、沒(méi)有交集。訪客無(wú)法進(jìn)入溫室，這樣可避免將病蟲(chóng)害帶進(jìn)溫室或者帶走植物。這些觀察區(qū)可設(shè)置一些等離子電視，用于介紹放映溫室及特色植物。工作人員和訪客唯一交集處應(yīng)是事先劃定好的活動(dòng)區(qū)。工作人員可在事先劃定好的活動(dòng)區(qū)教給訪客們一些最基本的種植植物的知識(shí)，并進(jìn)行實(shí)操等互動(dòng)。當(dāng)然，這些活動(dòng)園方必須提前進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃，且需要訪客提前預(yù)約才能參加。這些活動(dòng)可以是公益的，也可以收取一部分成本費(fèi)用，這取決于舉辦活動(dòng)方的目的是公益性還是營(yíng)利性。

5.7 分區(qū)科學(xué)規(guī)劃

溫室可按植物的生長(zhǎng)習(xí)性分類。智能溫室應(yīng)根據(jù)需要實(shí)施分區(qū)管理，如工作區(qū)、休息區(qū)、操控區(qū)、管理區(qū)、活動(dòng)區(qū)、接待區(qū)等。合理的分類將降低管理難度，節(jié)省資源。

6 智能溫室的發(fā)展前景

我國(guó)在土地、人力、資源等方面都有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，潛力巨大，園藝產(chǎn)業(yè)上正處于穩(wěn)步增長(zhǎng)階段。我國(guó)已成為世界最大花卉生產(chǎn)中心，智能溫室發(fā)展前景廣闊。

2005 年至今，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目在中國(guó)落地生根，開(kāi)花結(jié)果。隨著今后中國(guó)溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及中國(guó)老齡化問(wèn)題加劇，“手動(dòng)”種植者將逐漸轉(zhuǎn)變思維模式，向“自動(dòng)化”轉(zhuǎn)化。溫室環(huán)境控制系統(tǒng)將向分布式、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[18]。其中，分布式網(wǎng)絡(luò)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，可根據(jù)溫室規(guī)模和用戶的不同要求，任意增減設(shè)備，將控制箱體直接安裝在設(shè)備附近[19]，采用了預(yù)測(cè)式和反饋式控制策略及報(bào)警功能。而自動(dòng)化可幫助種植者以更有效的方式使用水、養(yǎng)分和能量。人們也將更加注重控制系統(tǒng)在硬件方面和軟件方面的安全性。

智能溫室使植物產(chǎn)品工廠化生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)，令植物產(chǎn)品更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化，并提高植物的產(chǎn)量，降低溫室能耗。此外，智能溫室不僅可令高商業(yè)價(jià)值的植物得到更好的管理，還可讓具有較高觀賞性和生態(tài)意義的珍稀瀕危植物得到更好的環(huán)境管控和保護(hù)。其中，范郁爾等[20]于2014 年發(fā)表的研究表明，對(duì)照普通設(shè)施栽培溫室，智能控制系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)設(shè)施栽培溫室的溫度變化更平穩(wěn)、病蟲(chóng)害發(fā)生率降低、培育周期縮短、育成率提高、用工量減少、能耗更節(jié)省，智能溫室為植物的生長(zhǎng)與低溫春化提供更加適宜的環(huán)境條件。王衛(wèi)平[21]2019 年研究了在智能溫室中的鐵皮石斛栽培技術(shù)，認(rèn)為智能溫室對(duì)中藥材的生產(chǎn)和園林景觀工程運(yùn)用有積極深遠(yuǎn)的意義。謝志勇等[22]2021年的研究認(rèn)為，智能溫室能確保反季節(jié)水果蔬菜有合適的生長(zhǎng)環(huán)境。

隨著科技進(jìn)步，國(guó)內(nèi)將會(huì)有更多公司加入智能溫室的建設(shè)中來(lái)，如河南云飛科技發(fā)展有限公司等一大批智能化溫室公司正在搶占智能溫室的藍(lán)海。毋庸置疑，智能溫室包含的科技也將日新月異，其智能種植植物的理念將逐步進(jìn)入家庭，一些家庭智能種植機(jī)將應(yīng)運(yùn)而生。

2022 年4 月18 日，國(guó)家植物園正式在北京掛牌（見(jiàn)圖14），園內(nèi)設(shè)有萬(wàn)生苑（見(jiàn)圖15），其智能溫室在未來(lái)的發(fā)展與建設(shè)，是溫室技術(shù)發(fā)展的整體趨勢(shì)，是現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，代表著國(guó)家形象和實(shí)力，勢(shì)在必行。

圖14 國(guó)家植物園

圖15 國(guó)家植物園內(nèi)的萬(wàn)生苑

7 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)迅猛發(fā)展，溫室大棚化種植被廣泛應(yīng)用。溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已占據(jù)越來(lái)越重要的地位。蔬菜、花卉、果品是人民生活不可缺少的農(nóng)產(chǎn)品，隨著生活水平的提高，對(duì)種植自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)，產(chǎn)品的附加值也不斷提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。通過(guò)大型現(xiàn)代化溫室及配套設(shè)施的引進(jìn)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控，從而實(shí)現(xiàn)溫室大棚科學(xué)、智能化、高效率的管理，促進(jìn)溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建筑更加科學(xué)合理，使得設(shè)施內(nèi)的光、溫、水、氣環(huán)境得以優(yōu)化，有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。