浅谈智能温室建设现状与发展前景

杨 涓，李玉岭，张 原，成雅京

（北京市植物园管理处，北京 100093）

1 智能温室相关概念

1.1 智能温室的定义

智能温室是专门为农业温室、农业环境控制等开发生产的智能控制系统，可测量温度、湿度、光照、气压、紫外线、土壤温湿度以及CO2浓度等农业环境要素[1]。而智能温室系统是一种资源节约型高效设施农业技术[2]，它以普通温室为框架，结合现代计算机自控技术、智能传感技术以及人工智能和专家系统等高科技，通过计算机综合控制，提供与季节无关的适合植物生长的环境，以实现各种植物的优质、高效、低耗的工厂化生产。其中，专家系统是运用人工智能的专家系统技术，在收集了植物知识、模型和专家经验等前提下，采用合适的知识表示技术和推理技术建立的知识库，和计算机控制系统相互配合，根据当前的植物、季节和时间对植物生长的最佳环境因子提供决策支持（手动设定）和设定（完全自动）。

1.2 智能温室的技术

智能温室采用的高新技术主要有无土栽培技术、营养控制技术、环境监测控制技术、机械化作业技术、节水灌溉技术、现场总线技术[3]、短距离无线通信技术、全球定位控制系统，将计算机控制技术融于各类技术之中，实现整个系统的自动监测与集中控制，甚至实现植物生长情况的可视化仿真，反映其变化规律。智能温室的发展集中体现了生物工程、信息工程、农业工程等多领域的高新技术在植物栽培中的应用状况，发展智能温室产业必须依靠这些高新技术。

1.3 智能温室的监控系统

温室智能监控系统采用无线嵌入式数据采集仪，可实时采集温度、湿度、照度、CO2浓度、土壤温度、土壤湿度等多种环境参数并进行分析判断。其主要功能是利用传感器技术和物联网控制系统实现对温室环境的实时监控，并通过监控数据智能控制温室设备的运行。温度室的环境参数尽可能保持在有利于作物生长的条件下，使作物不受外界自然气候的影响，实现高效、工业化、高产值的农业生产。可使温室生产更加智能化、简单化，使客户感到更加舒适，真正实现农业智能化生产的乐趣。

2 智能温室发展现状

目前，智能温室建筑面积呈扩大化趋势，立体栽培、机械化作业、潮汐灌溉、滴灌系统得到广泛应用，覆盖材料多功能、系列化。其中，北欧国家多用玻璃温室，南欧国家多用塑料温室。20 世纪50 年代开始，荷兰温室开始发展，他们依托玻璃温室技术，大力发展设施农业。以荷兰为代表的欧美国家设施园艺规模大、自动化程度高、生产效率高，设施农业主体设备温室内的光、水、气、肥等均实现了智能化控制。以色列的智能温室可根据植物对环境的不同要求，通过计算机对内部环境进行自动监测和调控，实现温室植物全天候、周年性的高效生产。美国、日本等国推出了全封闭式生产体系——应用人工补光、采用网络通信技术和视频技术对温室环境进行远程控制与诊断，由机械人或机械手进行移栽作业。

我国温室大棚的发展起步较晚，20 世纪60 年代，出现了结构简单的塑料大棚；70 年代后期，新型环保日光温室大棚才开始普及，受当时技术水平所限，智能温室对生态环境因素的控制多采用单因子控制，主要是控制温度，其次是空气湿度和土壤湿度；20 世纪80 年代，随着计算机技术的发展，智能温室开始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，将各种植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，其余因素自动进行相应修正或调整；20 世纪90 年代，在多因子环境控制中，智能温室采用了模糊控制、多变量控制等先进技术[4]，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，可根据植物的要求和特点，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因素进行自动调控，利用温差管理技术可实现对植物的花期和果期控制，以满足生产和市场的需要。

温室大棚设施化栽培可显著改善花卉、蔬菜等农作物生长环境条件，提升产品产量和品质[5]。我国在“九五”“十五”期间，在科技部领导和组织下，实施了“工厂化高效农业研究与示范”项目，利用引进的现代化温室设备及配套技术，通过消化吸收与技术创新，进行了品种选育、设施栽培、配套设备及温室中温度、湿度和CO2等环境因素综合调控技术的研究与攻关，使一大批科技成果相继诞生[6]，有效推动了我国智能温室的发展。例如，2014年程瑞等[7]介绍了国内正在应用的4 种典型的环境控制硬件系统：基于单片机的温室智能控制系统、基于工业控制机（IPC）的温室智能控制系统、基于可编程逻辑控制器（PLC）的温室智能控制系统、基于现场总线的分布式智能控制系统；北京世园公园的生产温室，应用了Priva 计算机环境控制系统进行温室环境的调控，在环境控制与栽培技术等方面进行了卓有成效的研究；北京丰台的鑫盛芳园艺有限责任公司的生产温室已实现智能环境控制、内外双层遮阳控制、微雾降温、水肥监测等技术，利用豪根道自动化系统通过手机遥控控制温室内的环境，实现了保温精准化[8]；北京鑫天碧农业设施工程技术有限公司在“中国北郎中鲜切菊”的项目中，使用了豪根道自动化系统，客户可使用更少的水域能源生产出品质更高的菊花。

植物种类多样，习性、生长状态各有不同，给智能温室的环境控制及分区增加了难度。从已引进的智能温室使用情况来看，智能温室需要大量高层次的技术人员与管理人员，而智能温室从业人员流动性大、社会化用工老龄化等问题或将阻碍自动化系统在温室中发挥更佳功效。有关“适合各地方日光温室群环境智能化监控系统的开发与应用”方面的研究和报道较少，即使有，也是单因素的监控系统较多，多因素复合监控系统很少。张晓文等[9]认为，单因子控制技术在保证植物获得最佳环境条件方面有一定局限性，但实际操作中，多因素复合监控系统因系统的复杂性，且每个分区都是不同系统，在控制上会比单因素监控系统更具难度。此外，由于成套系统较为昂贵、温室所占面积受限等因素，智能温室大面积推广具有一定难度，如北京普瑞瓦2016 年的重点项目之一铜川现代智能玻璃温室草莓栽培项目，玻璃温室占地5 万m2，总投资2 亿元。从国外引进的智能温室在气候特征方面暂不能完全契合我国的运行模式，因此，在引进设备前，需要充分调研当地情况，如天气、水质、水费等。

随着科学技术的发展，智能温室的控制技术也在发生变化，在实现了作业和控制自动化的同时，进行了人工智能的广泛应用研究，开发了用于温室管理、决策、咨询等方面的专家系统，实现了温室的远程监控、管理诊断、实时环境监控、完全自动化，同时为工作人员提供产品购销市场、信息技术支持与服务、气象信息等各类信息服务。其中，温室计算机遥控技术，可观察、遥控50 km 以外温室内的温、光、气、水等环境因子状况。未来，一体化的温室网络管理体系模型将得到完善。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，从而达到更经济的效果。工作人员在远离温室的计算机控制室就能完成所有操作，也可通过上网，在通信平台上的界面完成控制。

3 智能温室的控制系统

温室控制系统的架构由信号采集输入部分、信号转换与处理部分、输出及控制部分、灌溉控制4 部分组成。温室控制系统能帮助人们测算环境因素，优化温室内气候环境、降低能耗，而最终决定植物品质的因素还在于种植者本身的栽培管理。例如，当温室需要通风降温时，控制系统能分析出具体该开多大角度的天窗，并对开窗后室内环境的“连锁反应”作出相应调整，如是否需要打开喷雾、风机、湿帘、遮阳网等。目前，世界上有三大主流环境控制系统，分别是普瑞瓦（Priva）、豪根道（Hoogendoorn）以及骑士（Ridder）。

3.1 普瑞瓦

荷兰普瑞瓦（Priva）公司成立于1959年，有着60多年的历史，业务遍布日本、韩国、马来西亚、新加坡、印度等。1977 年，普瑞瓦推出了园艺方面的气候控制计算机；1983 年，其开发了楼宇控制系统；2001年，阿纳姆市的Van Beek 公司成为荷兰普瑞瓦的一部分[10]，实现在能源监控领域强强联手；2007 年，该公司开始利用地下冷、热储存罐调节室内环境，减少CO2排放；2006 年普瑞瓦在中国成立了分公司，通过与温室公司的合作，让中国用户获得和国际同步的先进温室自动化控制技术[11]；2016年，Priva Vialux M-Line中压紫外线消毒机和Priva FS Performance管理系统两款新品在第十八届中国国际花卉园艺博览会上展示；2016年，普瑞瓦荷兰总部在上海设立办公室。

普瑞瓦依靠产品的品质和信誉开拓市场，“硬件”和“软件”都力求尽善尽美，通过互联网远程控制的方式，在用户授权后，与系统服务器建立连接，帮助解决现场使用问题，在技术支持和售后服务上具有产业优势。

技术支持：普瑞瓦做专业的项目，提供专业的解决方案，确保每个方案行之有效，并履行所有的承诺。在每一个项目开展之前，普瑞瓦都会与客户进行许多沟通，发现客户真正的需求，提出有针对性、行之有效的解决方案。智能温室中Priva 计算机软件系统及相关传感器可实现各种栽培参数的自动控制，实现水肥循环利用，能较大程度地提高水肥利用率[12]。

售后服务：普瑞瓦确保每个项目都有非常完善的售后服务，包括设备的线路连接、安装、调试以及后期针对种植者进行设备使用培训等。目前，北京普瑞瓦可为种植者提供施肥机、消毒机、气象站等10 余种产品，以及集成过程管理控制、水资源管理、气候管理等多种解决方案，还会有专业工程师通过微信解答问题，或通过实地指导、远程操控解决难题。

3.2 豪根道

园艺自动化制造商的领先者荷兰豪根道，拥有50 多年的园艺领域自动化经验，在全球超过70 个国家与地区跨越多个时区、多种语言开展业务，具备强大的文化适应性。豪根道在日本、韩国和中国等亚洲国家都拥有自动化项目。豪根道系统的功能涵盖灌溉、气候以及能源等方面[13]。豪根道注重了解当地气候条件，提供的建议与解决方案能够与客户要求完全一致。软件语言可根据客户意愿设置，提供用户友好的中文软件、本土化服务、技术支持与培训，使客户能够优化使用功能，从而达到更高产量。

为了与我国的温室制造商与种植者分享经验与推广可能性的生产方式，豪根道于2014 年2 月28 日在北京农展馆举办了培训研讨会[14]。2014 年4 月23日，豪根道在北京正式成立新公司。

3.3 骑士

骑士[15]作为一家国际化的荷兰家族企业，在农业食品领域从业60 多年，通过与终端用户长期合作，开发了多功能跟踪和便于操作的管理系统。骑士充分利用荷兰的园艺专业的知识储备和丰富的技术经验，打造适应性技术的解决方案，结合当地的需求和条件，因地制宜，为种植者量身定制解决方案。骑士简化了数据录入，将简单易懂的符号设置为输入按键，降低了输入失误率。种植者可通过系统了解自己的工作成果和效率；可在实地劳作时，使用温室图表浏览工具或输入端轻松记录植物病害、死株、破损等情况；可使用MiniMaX 手持式终端，实现原地操作，精确地知道记录的地点；对于病虫害可早发现、早报告，并第一时间进行治理防护，减少扩散，及时反馈防治效果；经过数据积累，可提前预防、改进。

4 智能温室的应用——以北京世园公园生产温室为例

4.1 温室分区合理规划

北京世园公园生产温室是一个温室群，温室与温室之间有顶棚相连，学术名词是智能连栋玻璃温室。温室群占地3 万m2，为多因素复合监控，有记录和预警功能，用于植物的工厂化生产，具有空间大、密闭性好、环境稳定等特性。在生产中，智能温室更容易实现机械化、自动化，同时隔绝外部病虫害侵染，为植物生长提供均一稳定的环境，使植物生长、植物株形品相具有一致性。其中，生产温室的作业空间非常广阔，里面有水处理系统（见图1）、自动栽培系统（见图2）、肥料处理系统等。生产温室按照植物的特点分低温温室、中温温室、高温温室、母本温室等。各个温室根据环境的要求，所选设备也有所不同。温室环境全部由计算机操控，还可在电脑、手机、平板上实现对温室环境——如温度、湿度、光照、CO2浓度及水肥的调控。该生产温室采用Priva 计算机环境控制系统进行温室环境的调控，电脑操作需要有专人负责。工作人员将各类传感器布置在温室中，负责采集环境数据并传输到控制端——如电脑、手机上。控制端根据环境数据，将指令传递给温室内的设备。设备接收指令后执行，完成对温室内环境的调控。设置好的数据不是一成不变的，而是可根据室外条件手动微调的。如果在控制环节有疑问，Priva 公司会通过微信用英语进行指导。

图1 水处理系统（RO反渗透系统制水）

图2 自动栽培系统

4.2 温度调控系统设置

生产温室采取的是独立供暖系统。其中，中温温室的温度比较恒定，温室上部和下部都设有暖气，最低温可保证在18℃。而北京延庆室外最低温可达-25℃。高温温室具备了好几套不同种类的加温设备，除了传统的暖气加热外，还增加了高层供暖、地暖和花期补光灯（见图3），晚上还会拉上内保温层，以供冬天保温之用。生产温室利用送风系统控制温度，整个温室高空均匀分布有带有孔洞的塑料薄膜管道，由表冷器向管道内送风，风的温度通过电脑控制，从而形成一个微正压的温室，温室塑料薄膜管道布置见图4，温室表冷器布置见图5。此外，生产温室的苗床下有加热系统，水温可在6 ℃～50 ℃之间调整。生产温室的天花板有一层膜结构，能制造一层空气隔层用以保温。

图3 花期补光灯

图4 温室塑料薄膜管道布置

图5 温室表冷器布置

4.3 灌溉系统设置

由于北京延庆的水质偏酸性，故生产温室采用自来水进行灌溉。灌溉方式为潮汐灌溉和滴水灌溉。潮汐灌溉的灌溉时间可通过电脑进行控制，如一天灌溉几次，每次多长时间。潮汐灌溉用水经过消毒，可回收再利用。潮汐灌溉的植物（见图6），植株体量统一、密度偏大、盆器较小、周期较短，多为观赏花卉，如“仙客来”等，潮汐灌溉的苗床为可蓄水的封闭式苗床。滴灌可节水节肥，并提高水肥效能，滴水灌溉的植物（见图7），植株体量一般较大。滴水灌溉的苗床为不能存水式网眼苗床。此外，施肥机由电脑控制，可设置浇清水还是肥水。肥水可设置浓度，也可设置多个配方，还可根据植物的需求，调整EC 值和pH值，由电磁阀控制。

图6 潮汐灌溉

图7 滴水灌溉

4.4 病虫害防护系统设置

在温室水帘外及侧窗上增加了防虫网，既防止了害虫，又起到了防尘、防土、防杨絮柳絮的作用。通风有助于防护病虫害，生产温室内有多个内循环风机时刻运作，加强室内空气循环。母本温室及扦插生根温室对于病虫害防治的要求比其他温室高。工作人员进入该区域前要洗手消毒、更换工作服和工作鞋、并脚在消毒地垫上踩踏数次，洗手消毒装置区域见图8，工作服和工作鞋更换区域见图9。缓冲区与卷帘门禁止同时打开。当母本温室出苗后，下一批苗进入前，工作人员还要在温室内统一进行一遍杀菌处理（见图10）。母本区工作人员不得进入其他温室，其他温室人员不得进入母本区，母本及扦插生根温室的工作人员的工作服、工作鞋需每日清洗，各温室之间不得交叉使用。此外，各种药品要统一存放于药库中，药品被放于纸箱中，统一放在药架上。药架的利用，既方便了工作人员寻找药品，又起到防治返潮的作用（见图11），药库中还存放有计量秤（见图12），方便量取重量。温室地面为不露土的水泥地面，避免土中的杂草和病虫害与苗床中的苗木产生交叉感染。

图8 洗手消毒区域

图9 工作服和工作鞋更换区域

图10 工作人员温室内统一进行杀菌处理区域

图11 药架

图12 计量秤

5 智能温室建设建议

5.1 全面智能化分步实施

人们追求全自动化控制的温室，但在建造一个智能温室前，管理者还应考虑投入成本。管理者希望资金一步到位，可实现全面电脑操控，而如果受资金、上级支持等因素影响很难做到一步到位时，也可考虑分步到位，或者考虑性价比高的操作系统在部分区域试行，如采用以单片机为主对温室环境进行自动监测与控制[16]。此外，水电费也是管理者需要重点考虑的，一些地方的地下水，价格便宜，但水质不好，会造成滴灌设备堵塞，维修费用会拉高成本等。而自来水的质量虽好于地下水，但成本高于地下水。因此，管理者在决策时，应优先考虑性价比。

5.2 采用数字化管理

温室管理应实现数字化。温室的环境应该可受人及电脑的控制，达到植物需要的理想温湿度，并且这个环境是稳定的、可控制调整的。温室的环境和植物的基质状态应实现数字化，如温湿度、酸碱度等。工作区域应具备各种传感器及测量设备，用于进行环境记录、基质配比及分析植物的生长情况。未来，智能温室可根据植物不同生长阶段的需求制定出检测标准，实现精准的智能水肥灌溉，滴灌量与植物生长期匹配，实现智能化实时监测及控制。

5.3 融入机械化

智能温室可帮助一部分体力劳动实现机械化，从而大大提高工作效率。在工作区域设计控制台，可方便操作。如移动式放置盆器架（见图13），工作人员来到苗床，将需要换盆、修剪的植物放在移动架上，一次性地移动大量植物到工作区域。又如可将各种基质搅拌均匀、自动装桶的基质搅拌器——工作人员只需要将基质按比例倒进机器，就可在之后回收装满基质的容器。

图13 移动式放置盆器架

5.4 提高温室自动化程度

程俊峰等[17]2020 年的研究表明，在蔬菜温室大棚中应用智能水肥一体化技术，使年效益提高了2倍。未来的智能温室应是智能化与人工合理结合，并因地制宜，且有一个标准，如通过机械、电脑等设备辅助，就可很轻松地科学管理一个很大的区域，工作人员通过计算机或者手机的操作，就可完成一天的环境管控及浇水施肥打药任务。为智能温室的自动化控制设置参数，温室建设者可根据参数考量不同类型的智能温室之间的性价比，如荷兰在生产它们作为标志性的花卉及蔬菜时，自动化控制占85%。随着社会的进步与发展，人们已逐渐看清传统纯人工管理模式的弊端，为了更好地栽培植物，在经费不足以支撑一整套智能温室的建设时，管理者应考虑实现部分区域的部分自动化及一些有益的举措或计划，如实现潮汐灌溉、滴灌灌溉、独立供暖等，既能够节省大量人力资源及能源，工作人员也可更精细地完成栽植、修剪等工作。

5.5 引进专业技术人才

技术人员需要在智能温室建立之初就开始接受专业培训，并有志向在智能温室长期服务。有经验的技术人员将会使自动化系统在温室中发挥最佳功效。此外，相对简单的操作终端、便于升级和扩展的系统、中文界面，将有利于技术人员更好地完成控制工作。一些维修维护工作也必不可少，需要配备专业人员。

5.6 具有科普功能

智能温室部分区域有条件地对外开放，具备一定的科普功能及参与功能。参观区、活动区与工作区彼此隔离。工作人员在进行温室作业时，会有访客在室外的参观区域进行观察，他们互不打扰、没有交集。访客无法进入温室，这样可避免将病虫害带进温室或者带走植物。这些观察区可设置一些等离子电视，用于介绍放映温室及特色植物。工作人员和访客唯一交集处应是事先划定好的活动区。工作人员可在事先划定好的活动区教给访客们一些最基本的种植植物的知识，并进行实操等互动。当然，这些活动园方必须提前进行详细的规划，且需要访客提前预约才能参加。这些活动可以是公益的，也可以收取一部分成本费用，这取决于举办活动方的目的是公益性还是营利性。

5.7 分区科学规划

温室可按植物的生长习性分类。智能温室应根据需要实施分区管理，如工作区、休息区、操控区、管理区、活动区、接待区等。合理的分类将降低管理难度，节省资源。

6 智能温室的发展前景

我国在土地、人力、资源等方面都有着得天独厚的优势，潜力巨大，园艺产业上正处于稳步增长阶段。我国已成为世界最大花卉生产中心，智能温室发展前景广阔。

2005 年至今，越来越多的农业自动化项目在中国落地生根，开花结果。随着今后中国温室产业的发展及中国老龄化问题加剧，“手动”种植者将逐渐转变思维模式，向“自动化”转化。温室环境控制系统将向分布式、自动化、智能化、网络化方向发展[18]。其中，分布式网络温室环境控制系统，可根据温室规模和用户的不同要求，任意增减设备，将控制箱体直接安装在设备附近[19]，采用了预测式和反馈式控制策略及报警功能。而自动化可帮助种植者以更有效的方式使用水、养分和能量。人们也将更加注重控制系统在硬件方面和软件方面的安全性。

智能温室使植物产品工厂化生产成为现实，令植物产品更加标准化、规格化，并提高植物的产量，降低温室能耗。此外，智能温室不仅可令高商业价值的植物得到更好的管理，还可让具有较高观赏性和生态意义的珍稀濒危植物得到更好的环境管控和保护。其中，范郁尔等[20]于2014 年发表的研究表明，对照普通设施栽培温室，智能控制系统应用区设施栽培温室的温度变化更平稳、病虫害发生率降低、培育周期缩短、育成率提高、用工量减少、能耗更节省，智能温室为植物的生长与低温春化提供更加适宜的环境条件。王卫平[21]2019 年研究了在智能温室中的铁皮石斛栽培技术，认为智能温室对中药材的生产和园林景观工程运用有积极深远的意义。谢志勇等[22]2021年的研究认为，智能温室能确保反季节水果蔬菜有合适的生长环境。

随着科技进步，国内将会有更多公司加入智能温室的建设中来，如河南云飞科技发展有限公司等一大批智能化温室公司正在抢占智能温室的蓝海。毋庸置疑，智能温室包含的科技也将日新月异，其智能种植植物的理念将逐步进入家庭，一些家庭智能种植机将应运而生。

2022 年4 月18 日，国家植物园正式在北京挂牌（见图14），园内设有万生苑（见图15），其智能温室在未来的发展与建设，是温室技术发展的整体趋势，是现代化的重要标志，代表着国家形象和实力，势在必行。

图14 国家植物园

图15 国家植物园内的万生苑

7 结语

随着现代农业生产技术迅猛发展，温室大棚化种植被广泛应用。温室大棚在农业生产已占据越来越重要的地位。蔬菜、花卉、果品是人民生活不可缺少的农产品，随着生活水平的提高，对种植自动控制系统产品的需求日益增长，产品的附加值也不断提高，经济效益显著。通过大型现代化温室及配套设施的引进，可进行实时测控，从而实现温室大棚科学、智能化、高效率的管理，促进温室产业的发展。设施结构设计建筑更加科学合理，使得设施内的光、温、水、气环境得以优化，有利于作物生长发育，为高产优质奠定了基础。