智慧温室大棚的环境监测与控制技术研究

陈治瑀

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

随着社会的进步和人们生活水平的提高，社会对于农产品的需求量明显上升，且对于农产品的品质和种类丰富性有了更高的要求。为满足农产品的优质供给，温室大棚的生产模式得到普及，大棚的种植方式和生产技术也得到了快速的发展，现阶段来看，温室大棚已成为蔬菜水果等产出的重要农业设施。为进一步提高温室大棚生产的技术性和合理性，智慧控制技术全面应用于温室大棚之中，其中环境监测与自动控制是温室大棚的重要技术体系，对于优化作物生长环境，实现增产增收意义重大。从现阶段的温室大棚技术应用来看，环境监测与自动控制技术得到快速普及的同时，技术应用的合理性和全面性还需增强，智慧温室大棚还有较大的提升空间。

1 温室大棚应用与发展情况

传统的大田农业生产对自然条件的依赖性很强，加之露天生产的设备条件落后，存在农业产出不稳定、经济效益不能良好保障的问题。因此，高效、可控、智能的农业生产新模式一直是农业生产探索研究的重要方向。随着我国科研能力的不断提升，自动化技术、智能控制技术、局部环境控制技术得到了快速发展应用，这为设施农业的优化发展创造了可能性。大棚生产是设施农业的典型代表，在农业生产中进行应用能有效提高资源利用率，达到稳产、高产、优产的目的[1]。同时，温室大棚能够实现反季节、全天候的生产，并利用现代化技术实现自动生产作业。从国际技术看，温室大棚在亚洲地区的应用更为广泛，日本的设施农业大棚技术处于世界先进水平，除此之外，荷兰、美国等发达国家的温室大棚自动化技术也处于世界前列。发达国家在20世纪60年代就开始研究农业大棚的工厂化栽培模式，很多先进的温室大棚中广泛配备了环境控制系统，能通过计算机系统对大棚内部的温、光、水、气、肥等进行智能调控[2]。

我国是世界温室大棚应用面积较大的国家之一，我国的温室大棚技术研究和应用起步较晚，自20 世纪 80年代引进国外温室技术用于农业生产后，到21世纪以后的近20年，我国的温室大棚技术才得到了快速的发展和应用。现阶段，我国的先进农业温室大棚中配套有湿帘降温设备、水肥机、卷帘机、供热升温设备、通风系统、育苗设备等先进设备和控制技术，但现代化大棚的应用范围不广，大部分温室大棚的技术仍比较落后[3]。

2 智慧温室大棚原理

温室大棚的外部结构如图1所示，其外部多采用PO膜或玻璃隔绝环境，其建造的目的是为农产品创造一个与自然环境有效隔离的生长条件，从而有效避免恶劣的气候、温度等条件对农产品生长的影响，以此保证农产品健康生长并提高产出。温室大棚的内部环境和装置如图2所示，在日常工作中环境监测与作物管理是最重要也是工作量最大的工作，根据温室内部的环境条件采取合理的植保、浇灌、遮阳、通风、施肥等作业能更好地保证农产品的生长。传统的温室大棚生产主要通过人工检测环境条件并采取相应的工作措施，不仅费时费力，而且相关的农艺操作精确度不高，很难为农产品创造最佳的生长环境[4]。

图1 温室大棚的外部结构

图2 温室大棚的内部结构与布局

随着人工智能技术和自动控制技术的快速发展，智慧大棚应运而生，在现代化技术的应用下，农业大棚中布置了大量的数据监测、数据传输、分析处理、自动控制装置，能够将传统人工作业的经验与现代化的逻辑判断、自动操控相结合，达到大棚环境实时监测、生产工序自动执行的效果。智慧大棚的运行采用了大量的先进技术，例如，模糊控制技术、数据算法技术、网络控制技术、专家系统等，结合现代化的机械技术和自动控制技术，能够有效保证温室大棚在最合理的模式下展开生产，有利于实现农产品的稳产优产[5]。

3 环境监测与控制总体技术

环境监测与设备控制是关联性的两项工作，在实际的农业生产过程中，首先利用环境监测设备实现对生产环境各项数据的获取，常用的环境数据获取装置包括多种传感器和视觉图像获取设备；在环境数据获取完成后，通过通信模块和网络技术等信息传输技术实现数据的快速传输，数据传输到数据处理中心后通过计算机程序进行分析运算，并生成合理的控制方案传输给各个可控设备，此过程也可通过人工调整控制方案再向可控设备发送指令，智慧大棚中的设备收到控制指令后执行灌溉、喷雾、通风等相关操作，系统运行关系如图3所示。

图3 环境监测与控制系统运行关系

4 环境监测技术的实施

4.1 环境监测的主要项目

环境监测的项目主要针对影响农产品生长的要素开展，现阶段智慧大棚环境监测的要素主要包括：土壤温湿度、空气湿度、室内温度、光照度、二氧化碳浓度、作物病虫害情况等。以上项目的监测实施主要有两种模式，一是实时监测，即对温室内部的环境实施24 h的连续监测；二是定时监测，即通过控制系统设置指定的时间间隔，按照特定的时间周期进行数据监测，实时监测的数据精确度更高，但系统运行成本和设备初期建设成本更高，现阶段来看，合理的定时监测更适合智慧大棚使用[6]。

4.2 环境监测的关键技术

4.2.1 传感器技术

传感器技术是智慧大棚环境监测中最重要的技术之一，智慧大棚中常用的传感器包括土壤温湿度传感器、空气含水率传感器、电子温度计、光照传感器、二氧化碳传感器、EC值传感器等。传感器在智慧大棚中采用联网布置，通常需要每种传感器应用多个，并采用适当的间隔分布于温室之中，在进行数据收集和处理时，能够通过多点分布的传感器综合考虑温室内部的环境情况，有利于获得真实、客观的环境数据。

4.2.2 视觉识别技术

视觉识别技术是监测室内图像环境变化的有效手段，用于替代传统人眼获取的环境信息，视觉识别技术主要通过摄像机和图像处理软件开展工作。在应用中，视觉识别技术能够有针对性地获取环境信息，并同时去除无关的其他图像信息，提高数据分析的准确性。视觉识别的环境监测主要针对病虫害和作物长势分析两方面进行，可在发现病虫害的第一时间将数据提供给信息传输系统；对于作物长势的监测可用于划分作物的不同生长期，有利于系统在不同生长期采取不同的农艺技术科学开展大棚管理工作。

4.2.3 集中供电与联网技术

在众多传感器和视觉设备安装布置的过程中，需要合理对其进行电源供给，并将其进行信息联网以满足信息传输的功能要求。由于不同的传感器所需的供电电压各不相同，因此，通常在智慧大棚内部设置有统一的多接口变电柜，在大棚建设初期将电源管路预设于人行道或大棚周边不影响耕种的位置，从而实现多个位置传感器和摄像头的统一供电。信息获取设备之间的联网有三种形式，包括线路直连、Wi-Fi连接和蓝牙组网，根据大棚的条件合理选择联网形式。

4.2.4 故障检测技术

故障检测是环境监测系统运行的辅助技术，当某个位置的传感器或摄像头出现故障后，系统会通过信息设备进行故障提醒，大棚管理人员可通过系统提供的故障元件信息快速找到故障元件，以便于对其进行维修或更换。

5 智慧大棚的控制技术

5.1 自动灌溉控制

智慧大棚多采用现代化的灌溉技术，主要以微灌、滴灌、喷灌等形式为主，这些技术通过管路进行输水，通过在各个分管道位置安装电控阀门，能够实现对不同区域的灌溉控制。当土壤湿度传感器检测到含水率不足时，控制系统控制相应区域的阀门开启，对其进行定量灌溉，灌溉完成后自动控制管路关闭。

5.2 自动湿度控制

当空气含水率高于大棚栽培预设值，系统会控制气窗自动开启，并控制换气扇启动，将潮湿空气抽离，当湿度适宜后，气窗和换气扇自动关闭。当空气含水率低于系统预设值，系统控制湿帘电机启动，湿帘自动展开增加室内湿度，湿度达标后自动收回[7]。

5.3 光照调整控制

当温室内光照过于强烈，光线传感器会发送强光指令，系统控制遮阳帘自动开启，遮挡阳光，当光线正常时，遮阳帘自动关闭。当室内光照不足时，系统控制补光灯开启，补充室内光线。

5.4 农药喷施控制

当视觉识别设备检测作物产生病虫害，系统会与数据库进行比对并确定病虫害种类和严重程度，提醒大棚管理人员采取相应措施，当喷药系统中装入农药后，系统自动对病虫害位置进行喷施。

6 结语

智慧大棚是现代化农业生产中不可或缺的生产形式，利用现代化的环境感知和自动控制技术能有效提高大棚生产的智慧化程度，提高生产质量和最终收益。智慧大棚的环境监测技术应重视在数据获取全面性和传感器使用耐久性方面作相应提升，并通过合理化设计降低智慧大棚的建设成本，帮助智慧大棚不仅提高技术水平，还能促进该技术的进一步普及和应用。