农业温室大棚环境调控与管理系统设计

1 引言

隨著控制技術、Internet和移動通信技術的飛速發展，農業生產的自動化、資訊化水準不斷提高，“可控環境農業”的研究已經越來越為人們所重視。如何方便有效地對溫室環境進行監測和控制，如何提高農業生產的資訊化水準是目前可控環境農業研究的重點。本章簡要說明了課題的研究背景和現實意義，並綜述了溫室環境監控技術的研究現狀和發展趨勢，在此基礎上提出了本文的研究內容。

1.1 遠程溫室監測系統的應用現狀及發展前景

自20世紀80年代以來，我國工程科技人員在吸收發達國家高科技溫室生產技術的基礎上，進行了溫室中溫度、濕度和二氧化碳等單項環境因數控制技術的研究，希望通過改變植物生長的自然環境、創造適合植物最佳的生長條件、避免外界惡劣的氣候，達到調節產期、促進生長發育、防治病蟲害等目的。由此而引發的各種溫室測控技術的實際應用與研究也取得了長足發展。發達國家已經向高層次的自動化、智能化方向發展，形成了現代化水準高，比較完善的技術體系[1]。我國溫室測控技術應用研究雖然也取得了一定的進展，但是與發達國家相比依舊存在較大差距。隨著世界設施農業栽培技術發展迅速，溫室面積和產量大幅增加，對各種溫室測控技術以及與之緊密相關的通信技術的研究，已經引起該領域內的專家學者的廣泛關注。

1.2 國內外溫室測控技術

1.2.1 國外溫室測控技術研究狀況

發達國家如荷蘭、美國、英國等都大力發展集約化的溫室產業，溫室內溫度、濕度、光照、CO2濃度、水、氣、營養液等實現電腦調控。荷蘭在1974年首次研製出電腦控制系統CECS。l978年日本東京大學的學者研製出微型電腦溫室綜合環境控制系統。目前，日本、荷蘭、美國等發達國家可以根據溫室作物的特點和要求，對溫室內的諸多環境因數進行環境控制。

在日本，作為設施農業主要內容的設施園藝相當發達，塑膠溫室和其他人工栽培設施達到普遍應用，設施栽培面積位居世界前列。蔬菜、花卉、水果等普遍實行設施栽培生產。針對種苗生產設施的高溫、多濕等不良環境。日本有關部門進行了如下幾種設施專案的研究。主要有設施內播種裝置、苗灌水裝置、換氣扇的旋轉和遮光裝置的開閉裝

置(溫度、濕度及光照控制)、缺苗不良苗的檢測及去除和補栽裝置、CO2施肥裝置等方面的自動化研究[2]。而在韓國，從l992年以來，政府就把設施園藝作為重點事業來推進發展，到1992年底，設施栽培面積為5.3萬mm2，其中帶環境控制的現代化設施的設置面積占10%左右[3]。

由於溫室能完全控制作物生長的各種條件，近年來溫室農業在以色列得到了飛速發展。以色列溫室結構非常先進：它裝有幕簾、天窗及遮陽網，可根據光線強度的不同自動調節和移動，並裝有空氣溫度和濕度調控等溫室電腦環境控制系統。以色列科學家成功地開發了一系列電腦軟體、硬體，實現了溫室中供水、施肥和環境自動化控制。最新的彌霧氣候控制技術，使溫室降溫所需的能量非常小[4]。以色列的溫室從80年代到90年代更新了三代，利用電腦控制水、肥和溫室小氣候，自動調溫、調濕、調光，而且結構非常先進，促進了工廠化農業的大發展。

荷蘭園藝溫室發展較早，由於地處高緯度地區，日照短，全年平均氣溫較低，因此，集中較大力量發展經濟價值高的鮮花和蔬菜，大規模地發展玻璃溫室和配套的工程設施，全部採用電腦控制。荷蘭的全自動化溫室成套設備在世界市場上享有很高的技術聲譽，但荷蘭的溫室業是一種高能耗的產業，全國每年溫室消耗天然氣達42億立方米[5]。

英國農業部對溫室的設計和建造也很重視，在英國西爾索農業工程研究院，科學家們進行了溫室環境(溫度、濕度、光照、通風及CO2及施肥等)與作物生理、溫室環境因數的電腦優化、溫室節能、溫室自動控制、溫室作物栽培與產後處理、無土栽培的研究。目前，英國的溫室大量採用電腦管理，主要控制溫度、濕度、通風、CO2濃度、施肥、營養液供給及pH值等。倫敦大學農學院研製的電腦遙控技術，可以觀測50km 以外溫室內的溫度、濕度等環境狀況，並進行遙控[6]。

另外，國外溫室業正致力於高科技發展遙測技術、網路技術、控制局域網已逐漸應用於溫室的管理與控制中，Alves-Serodio，C.M.J等在ISIE’98國際會議中提出一體化的溫室網路管理體系模型，可將氣候的調節、灌溉系統與營養液的供給系統作為一個整體，並可以實現遠程控制。

1.2.2 國內溫室測控技術研究狀況

a)集散控制系統(DCS)

智能溫室的自動控制系統一般是由控制電腦、感測器、執行機構及驅動部件組成的多輸入、多輸出的閉環控制系統。在現代溫室測控系統中，運用最多，技術最成熟的是

集散控制系統，匯流排結構一般採用RS485.溫室群集散控制系統一般以PC機或工控機為上位機，單片機作為下位機組成。

下位機的任務是完成現場與作物有關的環境參量及作物生理參量的資訊採集、分析處理和存儲顯示，並通過RS485匯流排同上位機相連；上位機則主要實現環境的調控策略、集中操作管理、通信控制等功能，協調各從機之間的數據傳送工作，從而實現對整個系統的有效管理。隨著單片機及微機技術、網路技術的發展和應用，採用微機與多臺單片機構成小型集散控制系統在現代溫室測控領域的運用非常普遍。它利用單片機價格低、功能強、抗干擾能力好、溫限寬和麵向控制等優點，結合微機的軟硬體支撐，是一般規模溫室測控系統的常用選擇方案。但是這類溫室集散控制系統存在著固有的缺陷：控制系統的物理層採用上下位機主從集散控制結構，一旦上位機出現故障，將會導致整個控制系統癱瘓，危險過於集中，系統的可靠性和穩定性不佳；同時該測控系統採用RS485匯流排，有效傳輸範圍不超過1200m。這將成為現代溫室集群化方向發展的瓶頸，系統的拓展性不好，佈線複雜，成本較高。但是作為主流的溫室測控系統架構方案，集散控制系統採用基於RS485、RS422等匯流排結構的通信方式在國內外溫室測控領域仍然佔據主導地位。

b)國內溫室測控技術

我國農業電腦的應用開始於20世紀70年代，20世紀80年代中期開始應用於溫室控制與管理領域。從1979至1987年陸續從6個國家(荷蘭、日本、美國、義大利、羅馬尼亞、保加利亞)等引進24套溫室，總而積19萬平方米。這些溫室系統的引進，總計投資960萬美元，人民幣2570萬元。每平方米面積投資80-100美元，還不包括修建鍋爐房、水塔等輔助建築的投資和國內運費、關稅等開支[7]。從國外引進的現代化溫室，雖然在國外經過多年的發展和完善，技術上也比較成熟和先進，但是在使用中卻出現了一些問題，如體積大、能耗大、濕簾降溫較差；從經濟效益上看，因為設備投資大，運行費用高，產值較低，普遍虧損等，所以並末得到普及。實踐證明，如果既要符合我國自己的氣候特點，又可降低投資費用，根本出路在於吸收國外溫室設施的有益經驗和技術，建設我國自己的溫室產業，設計生產符合我國經濟水準和各種氣候特點的溫室系列[8]。

從80年代開始，我國的農業工程科技人員在吸收發達國家高科技溫室生產技術的基礎上，進行了溫室中溫度、濕度和CO2等單項環境因數控制技術的研究，並逐步推出