日光温室卷帘机和通风设施智能控制模式研究

2021-04-14天津市农业发展服务中心朱祥冒

农机科技推广 2021年2期

○天津市农业发展服务中心陈勇尚力朱祥冒

近年来，天津市各级政府积极出台政策鼓励农民发展设施农业，设施农业发展迅速，已成为农村经济发展中极具潜力的经济增长点，显示了广阔的发展前景。与此同时，越来越多的卷帘机和通风设施应用到了各类温室大棚上。日光温室卷帘机和通风设施的广泛应用，大大降低了劳动强度，提高了工作效率，节约了生产成本，增加了大棚种植效益，进一步促进了设施农业的发展。

一、天津市当前日光温室卷帘机和通风设施控制应用现状和问题

温室大棚是现代农业的重要组成部分，随着日光温室卷帘机的广泛应用，对降低劳动强度，缩短劳动时间，延长光照时间，提高作物产量和品质方面发挥了重要作用。温室大棚的卷帘和通风是温室大棚生产必须环节，通风设施的机械化水平在一定程度上决定着温室大棚的发展水平，对促进温室大棚产出最大化具有很重要的现实意义。

1.日光温室卷帘机控制技术应用现状及问题随着天津市设施农业的发展和设施提升工程的推进，天津市以日光温室为主的设施农业快速发展，日光温室外敷保温材料的卷放逐步由卷帘机完成，虽节省了时间，但还需专人对温室逐个操作，卷放时间有很大的随意性，难以做到根据作物品种、日出时间的早晚和温室内的温度进行动态管理。目前天津市日光温室种植模式逐渐向规模化方向发展，传统日光温室的管理模式与当前设施农业发展形势不协调，日光温室生产环境条件不稳定、自动化程度低、劳动强度大与日光温室增产增收的矛盾日益突出，已成为制约天津市日光温室规模化发展的因素之一。

目前使用的温室大棚卷帘机平均卷放帘时间约为10～15min，基本上是依靠人工现场操作控制卷帘机的展开和收拢。为保证卷帘机运行过程的安全和展开收拢的位置，在整个过程中一般需要专人看守，卷帘效率低下，造成了时间的浪费，特别是对于集中连片温室的管理来说，仅仅操作卷帘机这一项就是一项繁重的工作，因此，传统的卷帘机管理方式并不适合规模化集约化温室的生产管理。

日光温室卷帘机在控制方面主要存在两方面的问题，一是缺乏限位装置，卷帘机的停靠位置由操作人员凭经验来确定，由于人的疏忽往往会出现没有卷到位、堵住通风口无法进行通风排湿；卷过了位，卷帘机、保温被等会一起越过后墙翻到下去造成严重的后果。二是缺乏过载保护，由于雨雪等因素使保温被重量增加，卷帘电动机因载荷过大无法继续工作，又不能及时切断电源，造成卷帘机空转，电流增大、电机发热，最终烧毁电动机。

2.日光温室通风设施控制技术应用现状及问题通风管理是人工调节日光温室温度、湿度、二氧化碳的有效手段，对降低棚内湿度、控制病害、促进作物生长极为重要。给温室大棚通风可以排出设施内的余热，使室内环境温度保持在适宜植物生长的范围内。通风能够排出温室大棚的余湿，使室内环境相对湿度保持在适于植物生长的范围内。同时能够调整温室大棚的空气成分，排除有害气体，调整室内空气中CO2的含量，使作物生长良好。温室大棚通风处理能够改善植物的生长环境，大大减少了植物产生病害的几率。日光温室通风口除了传统的扒缝通风方式外，近年来随着日光温室机械化装备水平的提高，在大型连栋温室中使用的卷膜通风机构也开始步入日光温室的屋面通风。使用卷膜通风设备，较人工扒缝或机械扒缝通风开启温室通风口更加省力，通风口开口更整齐、均匀，因此温室内的环境也更加均匀和稳定，是未来日光温室向机械化、自动化发展的一种趋势。

目前，由于设施种植户对大棚通风的重要性认识不足，温室大棚通风技术仍旧停留在依靠人工和传统经验上。温室大棚内空间狭小，再加上农药的使用和肥料的作用，致使温室大棚小环境内二氧化碳含量不断降低，越来越多地聚积起有害气体，造成温室大棚内农作物病害的发生，给温室大棚内作物的生长发育带来不利的影响，所以，当温室大棚内的空气成分含量达不到棚内作物的生长需求时，必须进行通风处理，排除棚内的污浊空气，同时将棚外的新鲜空气置换进来。但是，如何把握好通风的时间节点和通风量，成为困扰温室大棚从业人员的现实问题。

目前设施栽培的温度控制主要是以人工作业为主，人工作业劳动强度大，作业效率低，同时温室内部环境得不到及时改善，进而影响果蔬生长，对果蔬品质产生不利影响。目前，天津市日光温室通风普遍采用拔缝放风的形式，一般放风口留宽60～80cm、覆盖1.5m宽的窄棚膜，放风时人工拉开风口棚膜控制放风量大小。但由于一般日光温室长度均在50m以上，部分温室长度甚至超过80m以上，种植农户放风管理较为不便。

二、日光温室卷帘机和通风设施智能控制技术发展现状

当前，机械化卷帘和卷膜在省力、抢光和提效的作用已得到普遍认可，但操作需要人工密切巡视工作质量状况，发现情况随时停止工作。另外，在规模化的温室种植区，需要大量人力进行操作，这样的方式造成了劳动力的巨大浪费。随着物联网技术的不断成熟，一些智能控制技术开始逐步应用到实际生产中。目前已经开发出的卷帘控制技术主要有以下几种：

1.卷帘机和通风设施遥控技术农户使用的卷帘和卷膜机都是手动开关控制或人工操作，操作人员必须守在开关附近，既浪费了时间，又容易发生事故。通过自动卷帘遥控仪，发出启动或停止的命令，控制箱接受信号后断开或闭合电源，达到控制启闭的目的。此外，由于增加了控制器，行程限位功能也逐步完善，在日光温室屋脊处和前屋面处，设置位置传感器，当机头触碰到行程开关时，电源会自动停机断电，避免了卷帘不到位或越位等问题的出现。

2.卷帘机和通风设施现场自动控制技术多通道智能测控仪可以通过布置在温室内的各种不同类型的传感器采集有关温度、湿度、二氧化碳等数据，通过中央控制器对具有通风、保温和降温功能的系统实现监控，适时调整温室内部空气的温湿度和二氧化碳浓度，从而给作物提供一个适宜的生长环境。该方式具有通信效率高、开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点，但此种方式可靠性较差、成本高，在实际生产中应用较少。

3.卷帘机和通风设施远程控制技术物联网作为一种新兴的无线感知和操作技术，具有微功耗、低成本、自组网和节点布置灵活等特点适用于自动控制和精准控制领域。以卷帘机和通风设施设备自动精准控制为目标，具有卷帘机手动和自动控制功能的基地管理软件平台已经得到开发。系统由无线监控节点和基地管理平台构成。监控节点由光强传感器组成，周期性采集温室内部相关参数，监控节点之间通过形成无线自组织网络，将网络参数上传到基地管理平台。基地管理平台完成数据存储、查询以及控制。用户可根据气候特征设置卷帘机自动控制参数，由此实现特定温室的卷帘机精准控制。

三、发展日光温室卷帘机和通风设施智能化控制的意义

温室卷帘机和通风设施智能化控制能够最大程度上降低温室生产的劳动强度、控制日光温室内温度和湿度，提高果蔬品质和产量。为设施农业生产向标准化、规模现代化发展提供必要的技术支撑，有利于设施农业向都市农业和生态农业可持续发展。

1.实现对日光温室卷帘机集中连片管理卷放帘是温室种植户一项重复、费时的工作，远程控制可实现多台卷帘机同时工作，不但提高了劳动生产率，更加快实现由单栋日光温室向集中连片日光温室管理的规模化、集成化管理模式的转变。

2.保持温室内部环境稳定日光温室风口可根据温度的上升与下降自动反复开口、封口，实现无人值守。此设备可使日光温室内温度始终保持在设定温度，避免了由于温度不稳定而给农作物带来伤害。根据果蔬不同时期、不同生长阶段，设定适宜温度，当温度高于设定温度以后，设备可自动开关风口，可以配合排风系统启动降温，保证室内的温度达到理想要求，为农作物提供良好的生长环境。

3.减少病害，提高品质自动降温保持理想的温度，同时也降低了室内湿度，为开花授粉及座果提供理想的环境，提高了开花座果率，为增产增收打下良好的基础。由于湿度降低，减少了疫病、白粉病和灰霉病及高温高湿、低温高湿引发的各种病害，提高了果蔬的安全质量。向外排风的同时把外面的新鲜空气吸进来，把室内有毒的气体排出去，调节了二氧化碳浓度，促进植物进行光合作用，从而达到增产的效果。

四、制定合适天津市的日光温室卷帘机和通风设施控制模式

针对目前技术应用和发展现状，我们对日光温室温度自动化控制设备进行了调研，温室大棚保温和通风的发展趋势基本上是从人工控制向自动化控制的方向发展，从传统方式向现代化、规范化方向发展，单靠传统温室大棚保温和通风的控制已经不能适应温室大棚的大规模生产经营。基于温室大棚保温和通风的需要，根据不同种植规模的温室大棚对保温和通风的不同要求，实现温室大棚通风的自动化管理和控制，提升设施农业的智能化管理水平。

1.构建卷帘机的远程控制模式构建基于远程观测的卷帘机控制模式（如下图所示）。该模式是以网络为主线，把卷帘机作为控制终端，通过计算机的人机交互软件，在远程电脑上控制卷帘机的启停。同时对卷帘机最终状态以手机短信的方式反馈给温室管理人员。通过远程控制，实现卷帘机的升降，一方面可以有效的避免事故的发生，另一方面可减轻管理人员的劳动强度。

2.构建通风帘的现场智能控制模式在实现温室内部温度、湿度和CO2浓度等参数检测的基础上，根据温室果蔬对环境的温湿度和CO2浓度要求，对温室通风帘设备实现自动化控制，同时将温室内部参数温度、湿度，能准确的将温室大棚内的温度、湿度以短信方式反馈给温室大棚管理员，使温室管理人员随着掌握温室内部环境数据，从而避免意外情况的发生。