温室环境监控系统的发展历史及趋势

胡东亚+童孟军

摘 要： 随着各国现代化农业的不断发展，温室大棚开始广泛应用于各种作物的种植。温室大棚环境监控系统对于农业生产工作效率的提高起到了巨大的推动作用。本文主要介绍国内外温室大棚环境监控系统的历史及发展趋势，分析该技术存在的主要问题，并指出其发展方向，为我国设施农业发展提供借鉴。

关键词： 温室监控系统； 农业生产； 历史； 发展趋势

中图分类号：S625.3 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）03-06-04

Abstract： With the development of modern agriculture， greenhouses have been widely applied in various crops planting. Greenhouse environment monitoring system plays a huge role in the promotion of agricultural production working efficiency. This article deals with the development history and trend of greenhouse monitoring system at home and abroad， makes analysis on the existent problems and development trend so as to provide reference for the growth of China's facility agriculture.

Key words： greenhouse monitoring system； agricultural production； history； trend

0 引言

農业是国家重要的支柱产业，我国作为世界第一农业大国，农业生产在经济建设和社会发展中占有举足轻重的地位。良好的气候与生态环境条件是农业生产的重要保障，而我国幅员辽阔，气候与生态环境条件相对恶劣，制约农业的发展。我国人多地少，人均占有耕地面积不及世界平均水平的三分之一，在21世纪的未来一段时间内，我国人口将持续增长，而耕地面积却正在逐年减少。研究如何用较少的土地去养活更多的人口以解决这一尖锐矛盾具有战略意义。作物受地域适应性、季节性及自然灾害的影响比较大，在纯自然的条件下，大部分时间不能进行正常农业生产，造成人力、物力的大量浪费[1]。

建造温室大棚的目的就是为了模拟适于作物生长的气候条件，创造人工气象环境以消除外界对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，使其部分或全部克服外界气候的制约，从而缩短农作物的生长周期，提高作物的产量，获得可观的经济效益。

温室环境监控系统能够对温室内的空气温度、湿度、光照强度等农作物生长环境密切相关的参数进行环境测控，通过对监测数据的分析，结合农作物生长发育规律，控制环境条件，实现温室大棚管理的自动化和科学化，以达到优质、高产和高效的栽培目标，有利于缓解季节矛盾，提高作物产量，对于促进农业增产、增收，推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，因此，在我国研究温室相关控制系统，具有其独特的科研价值和实用性。

1 国内外发展

1.1 国外的发展

国外对温室光照环境控制技术研究较早，20世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的问世，使温室环境控制技术产生了革命性的变化，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。由于当时技术水平的限制，对生态环境因素的控制采用单因子控制，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，而不影响到其他因素，要改变其他因素，则要实施另外的控制过程，才能达到一定温度条件下其他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很难实现，并且各控制变量之间相互影响、相互融合，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，80年代末出现了分布式控制系统。采取多因素综合控制方法，即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，使这四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，实现对花卉、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[2]。

荷兰在1974年将计算机作为温室气候控制系统使用商品的核心部分，推向荷兰及世界市场。目前，荷兰全国现有的1万平方公里的玻璃温室由这种气候控制计算机操纵控制，其可以同时控制各个温室单元，形成网络化的温室管理体系。在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料温室得到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列。在韩国，自1992年以来政府就把设施园艺作为重点事业来推进发展，到92年底，带环境控制的现代化设施的面积占10%左右。以色列的温室从80年代到90年代更新了三代，科学家成功开发了一系列计算机软、硬件，实现了温室供水、施肥和环境自动化控制。英国农业部对温室发展也很重视，科学家先后进行了温室环境与作物生理，温室环境因子的计算机优化，温室节能，温室自动控制，温室作物栽培与产后处理的研究。从国际发展趋势看，温室正致力于高科技应用。遥测技术，网络技术，控制局域网已逐渐应用到温室的控制与管理中。

温室控制技术正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、管理诊断及实时环境监控，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、气象信息等，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，这种控制要求能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[1]。

1.2 国内的发展

我国是一个历史悠久的农业大国，早在2000多年前就有蔬菜、花卉的温室栽培。20世纪30年代，我国辽宁南部和北京地区就已经开始在冬季利用不进行人工加热的“阳光温室”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、番茄等果蔬。60年代仅利用简易式塑料大棚来种植蔬菜，1966年吉林省长春市建造我国第一座塑料大棚，面积仅500平方米，到了70年代，节能型日光温室开始在我国应用，并得到较快发展，到1981年，根据19个省市，自治区统计，保护地面积为1.6万公顷，占蔬菜种植面积的4.35%，其中温室仅1500公顷，占菜地面积的0.4%。而大型玻璃结构温室在我国发展一直较慢，直到80年代初，才先后从同本，美国，荷兰和保加利亚等国引进了40套左右的现代化温室成套设备，主要分布在北京，上海，广州等大城市周围，我国自己生产的玻璃温数量较少，也由于其内部设施较为简陋，产品质量与使用性能都低于国外先进产品，从而影響了国产温室的推广和使用[3]。80年代中期，人们开始对原有日光温室的建筑结构、环境调控技术和栽培技术进行了全面改进，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栽培史上的重大突破，但产量相对较低。

目前，我国温室自动控制研究有两个方向。一个方向是以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为代表，它采用工业控制计算机作为温室控制系统的核心。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[4]。

另一个方向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为代表，它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，没有形成产业化结构，这也导致了我国温室产业的发展缓慢。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[5]。

2 问题分析

2.1 历史问题

我国的温室栽培管理一直主要靠人工经验，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。虽然这些国外温室技术领先，设备先进，但在我国使用过程中还存在较严重的问题，温室自动控制系统突出的问题有以下几点。

⑴ 投入产出低，运行经济效益差，而且引进价格高，国内农业生产难以接受。

⑵ 技术要求过高，一般的用户很难掌握，限制了温室的适用范围。

⑶ 不适合我国的气候特征。引进的温室的一些运营模式没有与中国的实际结合起来，因此不能适应我国的气候特征。

所以，研究开发出符合我国国情，产生明显经济效益并适用于大面积推广应用的自控温室系统迫在眉睫。基于以上种种原因，我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度，湿度，光照等单项环境因子的控制技术研究。在80年代，实现了对人工气候室进行的微机控制，如重庆柑橘所人工气候室的单片机控制系统，如上海植生所的人工气候室等。其后对计算机温室控制系统的研究一直没有中断，到1995年，北京农业大学研制成功的“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，该系统属于小型分布式数据采集控制系统；江苏理工大学研制成功的基于工控机进行管理的植物工厂系统；吉林工业大学研制成功的用于温室的智能喷水控制器，能够根据温室内的温度，湿度和光照度来自动调节喷水量；中国农业机械化科学研究院研制成新型智能温室，由大棚本体，通风降温系统，太阳能贮存系统，燃油热风加热系统，灌溉系统，计算机环境参数测控系统等组成。还有许多高等院校，科研院所进行温了相关研究，并且许多单位都已建起温室控制系统的总体框架。1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面取得了一定的成果。

2.2 我国现有温室的特点

⑴ 在分布上，我国温室大部分集中在东北，华北，谣北等地区的大中城市周围。

⑵ 在结构上国产温室分为塑料温室和塑料大棚温室两种。国产温室大部分是因地制宜的选择设施结构及覆盖材料，结构简单，日光温室占很大比重。

⑶ 在控制和管理上，国产温室自动化程度低。近年来国内也进行了一些温室的自动控制的研究，但这些研究基本上是单因素检测和控制，没有进行全面系统的研究。

从目前的研究情况来看，我国的温室自动控制系统科研水平与先进国家相比仍有较大差距，主要表现在以下几个方面。

一是尚未建立起温室结构的国家标准，研究者给出的控制系统大都有较强针对性。由于温室结构千差万别，执行机构各不相同，对于控制系统的优劣缺乏横向可比性。

二是缺乏与我国气候特点相适应的温室自动控制软件。我国引进温室自动控制系统大多投资大，运行费用过高，并且控制系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾，如荷兰由于温度变化很小，故降温，通风问题考虑很少，而采光问题考虑较多，如果将这种温室应用于我国新疆地区，肯定不合适，因为新疆的温差变化大。

三是我国综合环境控制技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的日照量，气温，地温，空气湿度，土壤湿度，Co2。浓度等环境因素，是在相互影响，相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境因素的空间变化，时间变化都很复杂。此外，优化值的设定是一项复杂的工作，作物生长是多因素综合作用的结果，当我们改变某一环境因子时，常会把其他环境因子变到一个不适宜的水平。因此，将温室内的物理模型，作物的生长模型，温室生产的经济模型结合起来，进行作物生长环境参数的优化研究，开发出与我国温室生产现状相适应的环境控制软件是很重要的[3]。

3 未来发展趋势

80年代末，随着信息技术的发展，美国，加拿大等国又提出了精确农业的概念，它是一种适用于包括温室在内的以知识为基础的农业微观管理系统。它的全部概念建立在空间差异的数据采集与数据处理上，核心是根据当时当地测定的实际需要确定对作物的投入。应用精确农业技术可以在减少投入的情况下增加产量，提高农产品质量，降低成本，减少环境污染，节约资源和保护生态环境。因此精确农业是信息技术发展的必然产物，也是今后现代温室技术发展的趋势。

“十三五”规划纲要中首次提出：发展智慧农业，依靠智慧农业，实现农业精细化、高效化、绿色化发展。

实现精细化，保障资源节约、产品安全。一方面，借助科技手段对不同的农业生产对象实施精确化操作，在满足作物生长需要的同时，保障资源节约又避免环境污染。另一方面，实施农业生產环境、生产过程及生产产品的标准化，保障产品安全。生产环境标准化是指，通过智能化设备对土壤、大气环境、水环境状况实时动态监控，使之符合农业生产环境标准；生产过程标准化是指，生产的各个环节按照一定技术经济标准和规范要求通过智能化设备进行生产，保障农产品品质统一；生产产品标准化是指，通过智能化设备实时精准地检测农产品品质，保障最终农产品符合相应的质量标准。

实现高效化，提高农业效率，提升农业竞争力。云计算、农业大数据让农业经营者便捷灵活地掌握天气变化数据、市场供需数据、农作物生长数据等等，准确判断农作物是否该施肥、浇水或打药，避免了因自然因素造成的产量下降，提高了农业生产对自然环境风险的应对能力；通过智能设施合理安排用工、用时、用地，减少劳动和土地使用成本，促进农业生产组织化，提高劳动生产效率。互联网与农业的深度融合，使得诸如农产品电商、土地流转平台、农业大数据、农业物联网等农业市场创新商业模式持续涌现，大大降低信息搜索、经营管理的成本。引导和支持专业大户、家庭农场、农民专业合作社、龙头企业等新型农业经营主体发展壮大和联合，促进农产品生产、流通、加工、储运、销售、服务等农业相关产业紧密链接，农业土地、劳动、资本、技术等要素资源得到有效组织和配置，使产业、要素集聚从量的集合到质的激变，从而再造整个农业产业链，实现农业与二、三产业交叉渗透、融合发展，提升农业竞争力。

实现绿色化，推动资源永续利用和农业可持续发展。2016年中央一号文件指出，必须确立发展绿色农业就是保护生态的观念。智慧农业作为集保护生态、发展生产为一体的农业生产模式，通过对农业精细化生产，实施测土配方施肥、农药精准科学施用、农业节水灌溉，推动农业废弃物资源化利用，达到合理利用农业资源、减少污染、改善生态环境，即保护好青山绿水，又实现产品绿色安全优质。借助互联网及二维码等技术，建立全程可追溯、互联共享的农产品质量和食品安全信息平台，健全从农田到餐桌的农产品质量安全过程监管体系，保障人民群众“舌尖上的绿色与安全”。利用卫星搭载高精度感知设备，构建农业生态环境监测网络，精细获取土壤、墒情、水文等农业资源信息，匹配农业资源调度专家系统，实现农业环境综合治理、全国水土保持规划、农业生态保护和修复的科学决策，加快形成资源利用高效、生态系统稳定、产地环境良好、产品质量安全的农业发展新格局。

美国、日本等发达国家的农业实践表明，智慧农业是农业发展进程中的必然趋势。据美国农业部门统计，2012年已有69.6%的美国农场使用互联网进行有关农业的生产经营活动，有38.5%、23.7%农场分别使用DSL（数字用户线路）服务和卫星遥感服务。日本人均耕地仅有0.7亩，但通过农业信息网络、农业数据库系统、精准农业、生物信息、电子商务等现代信息技术，实现了播种、控制与质量安全及农产品物流等方面的智慧化，农业安全生产和农产品流通效率位居世界前列。目前我国智慧农业呈现良好发展势头，但整体上还属于现代农业发展的新理念、新模式和新业态，处于概念导入期和产业链逐步形成阶段，在关键技术环节方面和制度机制建设层面还面临支撑不足的问题，且缺乏统一、明确的顶层规划，资源共享困难和重复建设现象突出，一定程度上滞后于信息化整体发展水平[6]。

4 结束语

农业是国家发展进步的基础，通过不断的改革创新，我国农业迎来了前所未有的发展机遇。设施农业能有效弥补自然环境的缺陷，提升农业生产效率，是我国农业现代化转型的必由之路。目前，各类设施温室大棚不断推广普及，但在大规模应用方面仍有很多问题需要解决，如数据安全、系统维护、偏远恶劣环境下的电源问题等，只有将这些问题都合理解决后，我国的农业物联网技术才能真正走向成熟。

参考文献（References）：

[1] 杨利春.大棚温室环境监控系统的设计[J].湖南科技学院，2010.31（4）.

[2] 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（3）：21.

[3] 托普农业物联网整体解决方案[J].中国农业物联网，2012.

[4] 奚强.温室大棚监测控制系统研究[D].中国农业大学，2005.

[5] 梁建华，肖申平.基于NRF04I的无线监控探头的设计[J].机电产品开发与创，2006.1：19

[6] 陈世清.对称经济学[M].中国时代经济出版社，2010.