温室监控系统在国内外的发展现状与趋势

李 伟 段翠芳 滑伟娟

(河南机电高等专科学校机电工程系，河南新乡 453002)

1 国外温室监控系统的研究状况

20世纪70年代，国外的温室生产开始以较快的速度发展，特别是欧美发达国家，如荷兰、美国等国家实现了机械化。当时由于水平的限制，对于生态环境因素采用单因子控制，即对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度进行单独分别控制的方法，主要是控制温度，其次是湿度(空气湿度、土壤湿度)。例如，在控制温度时，控制的只是温度的改变，而不影响到其它因素，要改变其它因素，则要实施另外的控制过程，才能达到一定温度条件下其它相关环境因素的配合。但是，外界气候的变化随时影响到温室内的小气候，靠人工指令随时进行相应改变难以办到，并且各控制变量之间相互影响、相互耦合，如阴雨天需要补光，补光又会带来温度上升和相对湿度下降，要达到拟定的控制效果，又涉及到几个执行机构，这是一个复杂的控制过程。随着计算机技术的发展，20世纪80年代采取多因素综合控制方法，这是利用计算机控制温室环境因素的方法。此方法是将各种作物在不同生长发育阶段需要的适宜环境条件要求输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动做出相应修正或调整。一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和二氧化碳浓度为随便因素，使这4个主要环境因素随时处于最佳配合状态。20世纪90年代，在多因子环境控制中，采用了模糊控制、多变量控制等先进技术，并采用这些先进技术开发环境自动控制的计算机软件系统。目前日本、荷兰、以色列、美国等发达国家可以根据作物的要求和特点，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控。美国和荷兰还利用温差管理技术，对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要［1］。

随着科学技术的进一步发展，温室控制技术也在发生日新月异的变化。一些国家在实现了作业和控制自动化的同时，也进行人工智能的广泛应用研究，开发用于温室管理、决策、咨询等方面的专家系统软件，利用遥测技术、网络技术进行温室的远程控制、管理诊断、实时环境监控，为用户提供各类信息服务，如产品购销市场、信息技术支持与服务、气象信息，真正做到无人值班、远程监控、完全自动化。伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观察、遥控50km以外温室内的温、光、气、水等环境因子状况，并进行调控。美国学者Alves－Serodio，C.M.J等人在 ISIE＇98国际会议中提出了一体化的温室网络管理体系模型，该系统将气候调节、灌溉系统与营养供给系统作为一个整体，根据不同传感器的输入来协调各部分动作，从而达到以最经济的方式来控制。而且，这种控制要求在远离温室的计算机控制室就能完成。该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面就可以与这种分布式的控制系统对话。

2 国内温室监控系统的研究状况

我国是一个历史悠久的农业大国，早在两千多年前就有蔬菜、花卉的温室栽培。可见我国的温室产业源远流长。20世纪30年代，我国辽宁南部和北京地区就己经开始在冬季利用不进行人工加热的“日光温室”生产新鲜蔬菜。但限于当时的技术水平，严冬季节这种温室内的光、热环境只能维持耐寒性强的野菜类和葱蒜类蔬菜生长，而不能生产喜温的黄瓜、番茄等果菜。20世纪80年代中期，人们开始对原有的日光温室，如建筑结构、环境调控技术和栽培技术进行了全面的改进，在完全不加热或仅有极少量加热的条件下，在严冬生产喜温果菜。其中辽宁省农民创建的海城日光温室和瓦房店日光温室是我国设施蔬菜栽培史上的重大突破，但产量相对较低。

我国的温室栽培管理一直主要靠人工根据经验进行，直到20世纪70年代从国外引进了设施环境控制设备与手段都很先进的温室设施，一方面由于现代化温室在我国能源消耗太大，国情国力难以承受;另一方面，温室生产是一个复杂的过程，是硬件设施和软件技术的统一体，而我们缺乏相应的管理人才;再者，由于地域、水土、气候，乃至资源的差异，引进的国外系统并不完全适合于我国国情，引进的设备并没能充分发挥其作用，且成本高、维护困难，而且引进的国外系统一般都不具备数据存储功能，无法与管理系统联系，以至于这些巨资引进的设施基本上亏损经营。

上世纪80年代末90年代初，在引进、吸收、消化的基础上，我国有关科研、教学单位围绕着主要蔬菜的环境控制问题展开了试验研究，取得了一定成效。特别是“九五”期间，国家科技部提出的工厂化高效农业示范工程推动了我国温室监控技术的发展，生产出一批具有我国知识产权的控制系统。但总休来讲，我国设施农业中环境控制能力低，自动化程度十分落后，抵御自然灾害能力差。

目前，我国温室自动控制研究有两个方向，一是由江苏理工大学李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能环境控制系统，它采用工业控制计算机作为温室控制系统的核心，如图1所示。该系统为多变量输入输出控制系统，通过传感器检测温室中各环境参数，得到模拟输出量，经相应变送器转变成数字信号，在自编软件支持下，经接口板采集数据，计算机进行处理分析将输入量与设定量比较后，输出开关量，通过驱动电路控制各执行机构［2］。

图1 一种温室监控系统模型

二是由中国农业大学电子电力工程学院设计的华北型连栋温室自动控制系统，采用以单片机为主对温室环境进行自动监测与控制。单片机与计算机通过友好的人机接口界面观测与遥控温室内环境状况，系统可实现实时采集温室内、外温度、湿度、光照、土壤温度等环境参数值，并进行显示与存储。

在温室因素控制方面，我国的温室监控系统还停留在单因子控制阶段。如范云翔等研制开发的智能喷水控制器，能根据环境的变化，自动调整喷水量，吉林大学于海业等研究的温室环境自动监测系统，做到了温室内温度、湿度的自动检测，并建立了一个温室操作的专家系统，但没有定型产品，没有形成产业化机构。现在也有专家进行多因子综合因素的大系统控制研究，这将代表我国温室监控系统今后研究的方向［3］。

3 存在的问题及发展方向

3.1 存在的问题

3.1.1 从引进的温室使用情况来看，由于温室规模大，散热面积大，在我国北方地区的燃料消耗比传统温室高2～3倍，散热装置在我国过高温季节的降温效果也达不到预期要求。从经济效益来看，上世纪80年代引进的温室大部分亏损经营，不符合我国现有国情。

3.1.2 从对温室中环境因子采用的控制方法来看，其控制水平、控制精度及控制稳定性方面都有待进一步的提高，主要表现在对温度的控制上，现在大多数温室中对环境因子的控制主要采用传统的一些控制方法，如最简单的双位调节及常规的PID调节等，它们在获得最佳环境条件方面有一定的局限性。

3.1.3 自动控制系统大多仍然是以单片机控制为主的现场控制，一些上位机(PC机)对温室的管理只限于存储历史数据，不能进行实时性控制与采集，不仅给温室管理人员造成工作上的不方便和不舒适，还导致工作效率低下。

3.1.4 一些具有现代化温室特点的控制系统一则由于处于研究试用阶段，二则由于价格高，没有形成系列产品而难以在市场上推广使用，严重阻碍了我国温室产业的发展。

3.1.5 我国是一个人口众多的农业大国，发展现代化农业是急需推进的目标。而现代化农业是知识与技术密集型产业，科技含量高，需要大量高层技术与管理人才，但目前我国还十分缺乏这方面的高水平人才及其专家管理系统。

3.2 发展方向

3.2.1 提高温室环境控制水平。在控制方法上，一方面从对温室单测点的角度来考虑，继续进行单因子控制方法的研究，着重在于如何提高温室环境因子控制精度和稳定度;另一方面从温室整体环境的要求来考虑，采取多因素综合控制的控制方法，如多变量输入输出控制系统的研究。从而发展适合温室环境特点的控制系统。

3.2.2 在温室管理方面，研制、开发新型的温室计算机管理系统，利用实用的软件平台开发友好的用户界面，研制开发针对性强、具有高水平的专家管理系统，提高温室的管理水平。

3.2.3 利用网络计算机实现异地监控、信息收集、产品网上交易。

［1］ 赵忠彪.nRF401在温室大棚监控系统中的应用研究［J］.工业控制计算机，2008年21(3).

［2］ 奚 强.温室大棚监测控制系统研究［D］.北京:中国农业大学，2005年.

［3］ 梁建华，肖申平.基于NRFO4I的无线监控探头的设计［J］.机电产品开发与创新，2006年，19(1).