一种温室大棚远程控制智能设备的研究

安 邦

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030002）

发展高效设施农业机械化是推动设施农业提质增效的重要举措，也是推进山西省农业机械化全程全面高质高效发展、加快农业现代化的重要内容。2020 年6 月，农业农村部《关于加快推进设施种植机械化发展的意见》（农机发〔2020〕3 号），文件要求“推进设施装备智能化。加快信息化和机械化融合，推广环境自动调控、水肥一体化智能控制和作物生长信息监测等技术，降低生产成本，提升设施种植机械化水平。加大科技攻关力度，重点突破设施种植装备专用传感器、自动作业、精准作业和智能运维管理等关键技术装备，研制嫁接、授粉、巡检、采收等农业机器人和全自动植物工厂，实现信息在线感知、精细生产管控、高效运维管理。”当前，农业信息技术为引领和支撑现代农业发展提供了强有力的科技支撑，依托信息技术的发展红利，智能设备的推广和应用为设施农业的发展提供了有力的支撑，加快了设施农业现代化进程。

1 概述

1.1 设施农业的概念

设施农业是采用人工技术手段，改变自然光温条件，创造优化动植物生长的环境因子，使之能够全天候生长的设施工程。设施农业涵盖设施种植、设施养殖和设施食用菌等。关键技术是能够最大限度利用太阳能的覆盖材料，做到寒冷季节高透明高保温；夏季能够降温防苔；能够将太阳光无用光波转变为适应光合需要的光波；良好的防尘抗污功能等。它根据不同的种养品种需要设计成不同设施类型，同时选择适宜的品种和相应的栽培技术。笔者所述智能设备主要以设施种植中温室大棚使用为主。

1.2 设施农业的发展现状

由于我国现代化的栽培技术起步较晚，同设施农业较为发达的荷兰、以色列、加拿大等发达国家有较大的差距，但是近些年随着我国信息技术、装备制造技术的发展，设施农业其整体设施以及相关技术和装备都得到了迅猛发展。目前，我国主要应用的温室种植技术有塑料棚技术、温室大棚技术、现代温室技术，其所栽种的作物有花卉、种苗、瓜果、蔬菜等等。据行业统计，到2018 年末，我国各类设施农业面积超过333.33×104hm2，大棚、日光温室、连栋温室等使用年限10年以上的设施农业总面积超过186.67×104hm2，居世界第一。但是，中国设施农业机械化发展还相对滞后，综合机械化水平仅为33%，机械化、自动化、智能化程度还较低，特别是机播、机收装备技术供给不足，还不能满足设施农业产业发展的需求，亟待加快发展。因此，我国的设施农业发展，不仅要从栽培技术上发力，同时要在机械和装备上下大的力气。

1.3 智能设备适用的温室大棚种类介绍

温室指由透光屋面和围护结构组成，能充分采光、保温、抵御恶劣天气条件，有效控制植物生长环境的农业生产建筑。目前，温室大棚主要分为日光温室、塑料大棚和连栋温室。

1.3.1 日光温室

以日光为主要能量来源的温室，一般由透光前坡、外保温帘（被）、后坡、后墙、山墙和操作间组成。基本朝向坐北朝南，东西向延伸。围护结构具有保温和蓄热的双重功能。适合于冬季寒冷，但光照充足地区反季节种植蔬菜、花卉和瓜果。

1.3.2 塑料大棚

完全用塑料薄膜作为覆盖材料的大型保护地栽培设施。一般塑料大棚的跨度大于或等于4.5 m，高度大于或等于2.5 m，都采用单栋拱形结构。塑料大棚在晴天日间能大幅度提高棚内温度，但夜间保温性较差。塑料大棚适合于春提早、秋延后栽培及冬季多层覆盖育苗。

1.3.3 连栋温室

至少有两个跨度以上，跨间屋面以天沟连接的温室。连栋温室面积大，空间高，适合于较大规模的机械化园艺生产的组织和管理。

2 当前设施农业存在问题和不足

2.1 设施农业机械化水平整体偏低

目前，除卷帘、耕地、打药环节机械化水平较高外，其他环节基本上靠人工来完成。特别是种植、起垄、灌溉施肥、放风、采收运输环节相对费工，生产劳动强度大，农民迫切需要提高设施农业生产的机械化水平，解放劳动力，降低生产成本。

2.2 人工成本高，设施生产效益低

当前从事农业生产的劳动力普遍存在高龄老化等问题，以山西省为例，大棚生产管理人员主要为50～60 岁，日工费为女工50～80 元/d、男工80～100 元/d，城郊区域工费相对偏高。每个大棚（按0.067 hm2算）用工0.8～1 个/d，种植周期约11 个月，休棚期约1 个月，0.067 hm2大棚年用工成本约为1.5×104～2×104元。年生产资料投入成本约0.5×104～1×104元，0.067 hm2大棚毛收入约4×104～5×104元，除去人工和生产资料等成本，0.067 hm2大棚年纯收益仅为1×104元以上，遇上病害年份或行情不好，基本没有效益，设施农业生产效益不高。

2.3 人力劳动重复性高，效率低，安全性差

目前，温室大棚的卷帘、通风、灌溉等操作基本靠人工完成，即使部分使用了机械，也需要人工参与操作，需要大量人力每天重复操作；此外，遇到恶劣天气或者操作不当时，存在很大的安全隐患，如一旦没有按时关闭卷帘机电源可能就会导致大棚主体结构损坏；在天气突变时，没能及时有效地控制大棚，导致农作物受损等等情况.

因此，现代化手段参与度不高是导致目前大棚种植行业出现这些问题的重要因素，如果一种在温室大棚中使用的智能设备，可以根据温度、湿度，自动控制大棚卷帘、通风、喷灌，不仅大大节省了人力，同时保障了大棚农产品的质量和效益。

3 主要原理和设计结构

3.1 主要原理

大棚智能控制设备主要以“物联网、移动互联网、云计算”为驱动，借助智能手机，通过手机app 整合实时收到的大棚内环境等数据，并进行运算和分析，对预设的参数进行对比后，自动调节和操作大棚内各类机械，使棚内环境参数达到作物生长所需的合适范围。

3.2 主要结构

大棚智能控制设备主要组成部件有：电器柜、限位器、卷膜（卷帘）电机及配套支架、电缆和智能手机。电器柜是智控设备的关键部件，装有电器开关、控制器、指示灯等，是整个设备的大脑。限位器是执行卷帘电机可靠运行的关键元件，主要控制卷帘和卷膜的极限位置，因此需要周期性对其进行巡视和检修，保障设备安全运行。卷膜（卷帘）电机及配套支架是指对人工操作的大棚进行机械改造，连接电机后，接入电器柜。电缆是连接电器柜和大棚内各类机械设备和装置的电线，按需配置。智能手机用于下载远程控制电器柜手机app的操作端，也可进行可视化管理。主要工作原理如图1 所示。

3.3 设计特点

3.3.1 差异化编程控制器

大棚智控设备内部采用了PLC（可编程逻辑控制器），能够满足大棚控制的个性化需求：通过将大棚中需要控制和操作的机械设备，按照一定的逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算输入PLC 中，通过数字式或模拟式的输入输出来控制大棚设施设备。

3.3.2 记忆保护装置

为了避免断电等情况发生，智控设备添加了EEPROM（带电可擦可编程只读存储器）存储芯片，其作用是在掉电后保存主要数据，保证重启后继续之前的任务。保障了大棚设备在特殊情况下，可按计划完成规定动作，保障农产品安全。

3.3.3 卷（放）帘设计

卷帘的操作元件使用自复位按钮，按钮按下持续输出，同时引入互锁电路保证设备的单一方向运转。电动卷膜器通过输入电压方向的改变实现正转和反转，在电路中使用两个1 组转换继电器，将卷膜电机与继电器公共端连接，常闭引脚与电源负极相连，常开引脚与电源正极相连，每一时刻导通一个继电器，就能够改变电机的旋转方向。同时，引入自恢复保险，保障设备的安全运行。

4 主要功能介绍

4.1 手机程序控制

使用一部普通手机，下载该智控装备的操作程序（手机app），程序页面就可以看到当前大棚内环温度、湿度以及光照强度等数据。通过提前设置好的作物生长的温度、湿度，智控系统实现自动开（关）风口，打开（关闭）喷灌。

4.2 智慧管理

该系统还可对当地气象部门发布的天气预警实施分析，能够实现预判自动铺棚、卷棚等操作，在用户忘记设置和错误设施操作程序后，会智能控制各项设备的启闭，规避人工失误，防止作物损失。

4.3 数字服务

大棚智控系统还会记录每天、每周、每月、每年的不同数据，用户可以根据自己需求，启动记忆功能，一键设置各类数据。智控系统会根据之前设置的农作物种类、温度、湿度、作业时长，自动为用户提供数据库中，最佳的控制参数。

4.4 衍生服务

大棚智控系统除了提供工作台之外，用户还可以在生活圈发布短视频、图文等内容，向外界分享农业生产生活中遇到的趣事。同时，也可以面向更广阔的人群发布农产品相关情况，实现轻松工作、快乐生活的目标。。

5 展望

农业机械化和信息化的深度融合，为农业生产带来了巨大的变革和经济效益，互联网、5G、大数据、远程监控等科学技术的发展为设施农业提供了技术支撑，特别是对于农产品溯源，应用智能控制设备逐渐拓展到产品溯源，溯源系统将提供温室大棚农作物从生产、加工、运输到销售环节的全程数据，实现设施农业可视化、数字化管理，从源头到末端全过程保障农产品安全。