南方大棚蔬菜生产环境监控系统的设计开发与应用

针对我国南方沿海大棚温度变化大、高湿、土壤盐渍化重等环境特点，以及生产上大面积使用简易钢架、竹木大棚实际条件和因轮作产地多变等综合因素，研制出一套耐腐蚀、能防潮，易搬动，有效节水、控湿，经济实用的数控系统。

目前福建省大棚蔬菜生产发展快，面积近2 万hm2（30万亩），进口大棚蔬菜品种多，对栽培技术要求高，仅凭以往的生产经验对棚内温湿度判断,不能满足大棚蔬菜生产需求。此外我国南方沿海大棚内湿度大，短时间温度变化大（5～40℃），若采用数控设备准确掌握棚内温湿度，及时翻棚通风，则能有效控制病害发生，降低蔬菜生产风险。国外发达国家的温室控制技术相对成熟，但设备价格较高，且很多方面不适合我国当前蔬菜生产实际情况；国内研制示范的一些智能温室虽然技术水平较高，但成本亦高，无法在生产中大面积应用推广。为此，笔者针对我国南方沿海大棚温度变化大、高湿、土壤盐渍化重等环境特点，以及生产上大面积使用简易钢架、竹木大棚实际条件和因轮作产地多变等综合因素，研制了一套耐腐蚀，能防潮，易搬动，有效节水、控湿，经济实用的数控系统，填补了福建省大棚蔬菜生产上环境监控系统的技术空白。

1 环境监控系统的设计组成

1.1 系统设计原则与功能 该系统具有简单易懂的人机界面，成本低，易操作，一套该装置成本1万元左右，可控制8个大棚，南方地区可控制1 668～2 668 m2，基地内同一品种、同一播种期的大棚，只需控制其中一个大棚就可指导其他棚生产。适用于我国南方沿海大棚蔬菜生产特点；能自动定时采集和记录生产全过程的数据，数据可根据生产设定不同域值，具有实用的报警功能（图1）。系统布局可根据不同生产实际需求，适合拓展新功能；具有远程监控功能（图2）；注重控制系统与生产型温室设施的配套性与实用性；针对南方沿海高湿、盐碱环境，系统硬件进行了特殊的防潮、防腐处理；针对南方简易大棚移动性大，专门设计易于搬动的硬件；该系统力求与蔬菜专家系统和溯源管理系统数据共享兼容互动。该软件使用C++、ASP 的语言进行设计开发，可在Windows 系统上使用，以默认方式安装完该软件后可直接运行，根据实际连接的RS485 端口进行配置连接，设备添加、编辑、连接设备及查看数据。

图1 控制系统软件界面

1.2 系统组成结构 系统主要包括棚内气候控制和灌溉控制两部分。气候控制涉及温室喷雾系统、遮阳系统、保温系统、通风调节系统；灌溉控制涉及温室的滴灌、微喷系统。

系统主要由环境因子实时采集模块、数据处理模块、数据库管理模块、系统参数设定模块、灌溉控制模块、远程报警与监控、蔬菜生产专家系统、蔬菜生产溯源管理系统为一体的模块构成。

图2 远程监控界面

温室外放置1个传感器装置，作为温室内对照。根据温室大小，在室内不同位置放置1～2个传感器装置。根据南方简易大棚具有移动性的特点，把所有不同功能的传感器集中设计在一个装置上，方便在不同棚内移动使用。在一个传感装置上，传感器高度可有不同选择，以适应不同作物生长需求。每个传感器装置测量4类数据：温度、湿度、光照强度、CO2浓度，分为地上部分空气温度、湿度、CO2浓度和光照强度，地下土壤不同深度温度、湿度（图3、4）。

图3 装置硬件结构示意

1.3 系统主要参数和扩展性 温、湿度传感器设置有3种高度：地下（-5～0 cm、-50～-20 cm）2种和地上（80～100 cm）1种。光照强度传感器设置高度为地上100～120 cm。CO2浓度传感器设置高度为地上100～120 cm。产品设计参数范围：温度-20～100℃，湿度0～100%，CO2浓度0～10 000 mg·L-1，系统由220 V 供电，操作室上有LCD及LED 指示当前工作状态，操作室内留有足够的空间用于大棚电机的ON/OFF，喷灌/遮阳板控制ON/OFF，操作室到传感装置由24 V DC 连接，操作室到中控室计算机由220 V AC RS485 连接，预留视频、SMS/MMS（短信提醒），主控室与大棚之间采用有线连接。

图4 传感器实物

主控室内设一台计算机终端，用于实时显示、记录传感器装置输入的各类测量数据，测量数据定时全部存入ACCESS 数据库。

2 环境监控系统的实施条件与应用

2.1 系统实施条件 控制系统具有施工安装简便、即装即用、移动方便等特点，适应南方地区可移动大棚的使用。控制系统采用220 V 供电，可直接接入电网。

2.2 系统的应用实施 按福建省的蔬菜生产习惯，以每667 m2建造3个生产型大棚为例，每个大棚规格大致为：长27 m，宽8 m。每个大棚需要2个现场传感器（视种植作物及数据采集的密度要求，可增加1个现场传感器），安装在棚内纵深中间或端头（即大棚入口处）；棚外离棚架1～2 m 的位置安装1个现场传感器，作为对照。3～7个大棚共需7个或8个现场传感器。1个操作室可控制8个传感器。每个操作室信号接入中控室电脑的数据库。现场传感器的分布建议（图5）。

3 小结

该系统只提供温室环境监测控制手段，在实际生产中如何达到温室控制效果，还要根据环境、蔬菜品种及其不同生育期等因子，动态设定域值，对普通生产型大棚，还需要手动控制，减少极端环境对蔬菜生产的不利影响。温室内外温湿度差值、温室内温湿度以及持续的时间、不同蔬菜品种及其生育期、病虫害对环境要求的适宜指标，是翻盖棚膜及其持续时间的主要因素。土壤不同深度的湿度、不同蔬菜品种及其生育期，是滴（喷）灌水量控制的主要因子。

在南方沿海地区多雨、高温、高湿环境中，如何在发挥大棚冬季保温功能的同时，做好避雨和遮阳工作，现有的相关资材和参数并不多，还需要对不同蔬菜品种进行长期的生产实践、摸索与总结。

图5 现场传感器的分布