智慧溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測與控制技術(shù)研究

陳治瑀

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，社會(huì)對于農(nóng)產(chǎn)品的需求量明顯上升，且對于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和種類豐富性有了更高的要求。為滿足農(nóng)產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)供給，溫室大棚的生產(chǎn)模式得到普及，大棚的種植方式和生產(chǎn)技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)階段來看，溫室大棚已成為蔬菜水果等產(chǎn)出的重要農(nóng)業(yè)設(shè)施。為進(jìn)一步提高溫室大棚生產(chǎn)的技術(shù)性和合理性，智慧控制技術(shù)全面應(yīng)用于溫室大棚之中，其中環(huán)境監(jiān)測與自動(dòng)控制是溫室大棚的重要技術(shù)體系，對于優(yōu)化作物生長環(huán)境，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收意義重大。從現(xiàn)階段的溫室大棚技術(shù)應(yīng)用來看，環(huán)境監(jiān)測與自動(dòng)控制技術(shù)得到快速普及的同時(shí)，技術(shù)應(yīng)用的合理性和全面性還需增強(qiáng)，智慧溫室大棚還有較大的提升空間。

1 溫室大棚應(yīng)用與發(fā)展情況

傳統(tǒng)的大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然條件的依賴性很強(qiáng)，加之露天生產(chǎn)的設(shè)備條件落后，存在農(nóng)業(yè)產(chǎn)出不穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益不能良好保障的問題。因此，高效、可控、智能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新模式一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)探索研究的重要方向。隨著我國科研能力的不斷提升，自動(dòng)化技術(shù)、智能控制技術(shù)、局部環(huán)境控制技術(shù)得到了快速發(fā)展應(yīng)用，這為設(shè)施農(nóng)業(yè)的優(yōu)化發(fā)展創(chuàng)造了可能性。大棚生產(chǎn)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的典型代表，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用能有效提高資源利用率，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)的目的[1]。同時(shí)，溫室大棚能夠?qū)崿F(xiàn)反季節(jié)、全天候的生產(chǎn)，并利用現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)。從國際技術(shù)看，溫室大棚在亞洲地區(qū)的應(yīng)用更為廣泛，日本的設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚技術(shù)處于世界先進(jìn)水平，除此之外，荷蘭、美國等發(fā)達(dá)國家的溫室大棚自動(dòng)化技術(shù)也處于世界前列。發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)60年代就開始研究農(nóng)業(yè)大棚的工廠化栽培模式，很多先進(jìn)的溫室大棚中廣泛配備了環(huán)境控制系統(tǒng)，能通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對大棚內(nèi)部的溫、光、水、氣、肥等進(jìn)行智能調(diào)控[2]。

我國是世界溫室大棚應(yīng)用面積較大的國家之一，我國的溫室大棚技術(shù)研究和應(yīng)用起步較晚，自20 世紀(jì) 80年代引進(jìn)國外溫室技術(shù)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后，到21世紀(jì)以后的近20年，我國的溫室大棚技術(shù)才得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國的先進(jìn)農(nóng)業(yè)溫室大棚中配套有濕簾降溫設(shè)備、水肥機(jī)、卷簾機(jī)、供熱升溫設(shè)備、通風(fēng)系統(tǒng)、育苗設(shè)備等先進(jìn)設(shè)備和控制技術(shù)，但現(xiàn)代化大棚的應(yīng)用范圍不廣，大部分溫室大棚的技術(shù)仍比較落后[3]。

2 智慧溫室大棚原理

溫室大棚的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部多采用PO膜或玻璃隔絕環(huán)境，其建造的目的是為農(nóng)產(chǎn)品創(chuàng)造一個(gè)與自然環(huán)境有效隔離的生長條件，從而有效避免惡劣的氣候、溫度等條件對農(nóng)產(chǎn)品生長的影響，以此保證農(nóng)產(chǎn)品健康生長并提高產(chǎn)出。溫室大棚的內(nèi)部環(huán)境和裝置如圖2所示，在日常工作中環(huán)境監(jiān)測與作物管理是最重要也是工作量最大的工作，根據(jù)溫室內(nèi)部的環(huán)境條件采取合理的植保、澆灌、遮陽、通風(fēng)、施肥等作業(yè)能更好地保證農(nóng)產(chǎn)品的生長。傳統(tǒng)的溫室大棚生產(chǎn)主要通過人工檢測環(huán)境條件并采取相應(yīng)的工作措施，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且相關(guān)的農(nóng)藝操作精確度不高，很難為農(nóng)產(chǎn)品創(chuàng)造最佳的生長環(huán)境[4]。

圖1 溫室大棚的外部結(jié)構(gòu)

圖2 溫室大棚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與布局

隨著人工智能技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，智慧大棚應(yīng)運(yùn)而生，在現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用下，農(nóng)業(yè)大棚中布置了大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、分析處理、自動(dòng)控制裝置，能夠?qū)鹘y(tǒng)人工作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)代化的邏輯判斷、自動(dòng)操控相結(jié)合，達(dá)到大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測、生產(chǎn)工序自動(dòng)執(zhí)行的效果。智慧大棚的運(yùn)行采用了大量的先進(jìn)技術(shù)，例如，模糊控制技術(shù)、數(shù)據(jù)算法技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、專家系統(tǒng)等，結(jié)合現(xiàn)代化的機(jī)械技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，能夠有效保證溫室大棚在最合理的模式下展開生產(chǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)[5]。

3 環(huán)境監(jiān)測與控制總體技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測與設(shè)備控制是關(guān)聯(lián)性的兩項(xiàng)工作，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，首先利用環(huán)境監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)境各項(xiàng)數(shù)據(jù)的獲取，常用的環(huán)境數(shù)據(jù)獲取裝置包括多種傳感器和視覺圖像獲取設(shè)備；在環(huán)境數(shù)據(jù)獲取完成后，通過通信模塊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心后通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行分析運(yùn)算，并生成合理的控制方案傳輸給各個(gè)可控設(shè)備，此過程也可通過人工調(diào)整控制方案再向可控設(shè)備發(fā)送指令，智慧大棚中的設(shè)備收到控制指令后執(zhí)行灌溉、噴霧、通風(fēng)等相關(guān)操作，系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)系如圖3所示。

圖3 環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)系

4 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的實(shí)施

4.1 環(huán)境監(jiān)測的主要項(xiàng)目

環(huán)境監(jiān)測的項(xiàng)目主要針對影響農(nóng)產(chǎn)品生長的要素開展，現(xiàn)階段智慧大棚環(huán)境監(jiān)測的要素主要包括：土壤溫濕度、空氣濕度、室內(nèi)溫度、光照度、二氧化碳濃度、作物病蟲害情況等。以上項(xiàng)目的監(jiān)測實(shí)施主要有兩種模式，一是實(shí)時(shí)監(jiān)測，即對溫室內(nèi)部的環(huán)境實(shí)施24 h的連續(xù)監(jiān)測；二是定時(shí)監(jiān)測，即通過控制系統(tǒng)設(shè)置指定的時(shí)間間隔，按照特定的時(shí)間周期進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)精確度更高，但系統(tǒng)運(yùn)行成本和設(shè)備初期建設(shè)成本更高，現(xiàn)階段來看，合理的定時(shí)監(jiān)測更適合智慧大棚使用[6]。

4.2 環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是智慧大棚環(huán)境監(jiān)測中最重要的技術(shù)之一，智慧大棚中常用的傳感器包括土壤溫濕度傳感器、空氣含水率傳感器、電子溫度計(jì)、光照傳感器、二氧化碳傳感器、EC值傳感器等。傳感器在智慧大棚中采用聯(lián)網(wǎng)布置，通常需要每種傳感器應(yīng)用多個(gè)，并采用適當(dāng)?shù)拈g隔分布于溫室之中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理時(shí)，能夠通過多點(diǎn)分布的傳感器綜合考慮溫室內(nèi)部的環(huán)境情況，有利于獲得真實(shí)、客觀的環(huán)境數(shù)據(jù)。

4.2.2 視覺識(shí)別技術(shù)

視覺識(shí)別技術(shù)是監(jiān)測室內(nèi)圖像環(huán)境變化的有效手段，用于替代傳統(tǒng)人眼獲取的環(huán)境信息，視覺識(shí)別技術(shù)主要通過攝像機(jī)和圖像處理軟件開展工作。在應(yīng)用中，視覺識(shí)別技術(shù)能夠有針對性地獲取環(huán)境信息，并同時(shí)去除無關(guān)的其他圖像信息，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。視覺識(shí)別的環(huán)境監(jiān)測主要針對病蟲害和作物長勢分析兩方面進(jìn)行，可在發(fā)現(xiàn)病蟲害的第一時(shí)間將數(shù)據(jù)提供給信息傳輸系統(tǒng)；對于作物長勢的監(jiān)測可用于劃分作物的不同生長期，有利于系統(tǒng)在不同生長期采取不同的農(nóng)藝技術(shù)科學(xué)開展大棚管理工作。

4.2.3 集中供電與聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在眾多傳感器和視覺設(shè)備安裝布置的過程中，需要合理對其進(jìn)行電源供給，并將其進(jìn)行信息聯(lián)網(wǎng)以滿足信息傳輸?shù)墓δ芤蟆Ｓ捎诓煌膫鞲衅魉璧墓╇婋妷焊鞑幌嗤?，因此，通常在智慧大棚?nèi)部設(shè)置有統(tǒng)一的多接口變電柜，在大棚建設(shè)初期將電源管路預(yù)設(shè)于人行道或大棚周邊不影響耕種的位置，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置傳感器和攝像頭的統(tǒng)一供電。信息獲取設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)有三種形式，包括線路直連、Wi-Fi連接和藍(lán)牙組網(wǎng)，根據(jù)大棚的條件合理選擇聯(lián)網(wǎng)形式。

4.2.4 故障檢測技術(shù)

故障檢測是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的輔助技術(shù)，當(dāng)某個(gè)位置的傳感器或攝像頭出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)會(huì)通過信息設(shè)備進(jìn)行故障提醒，大棚管理人員可通過系統(tǒng)提供的故障元件信息快速找到故障元件，以便于對其進(jìn)行維修或更換。

5 智慧大棚的控制技術(shù)

5.1 自動(dòng)灌溉控制

智慧大棚多采用現(xiàn)代化的灌溉技術(shù)，主要以微灌、滴灌、噴灌等形式為主，這些技術(shù)通過管路進(jìn)行輸水，通過在各個(gè)分管道位置安裝電控閥門，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同區(qū)域的灌溉控制。當(dāng)土壤濕度傳感器檢測到含水率不足時(shí)，控制系統(tǒng)控制相應(yīng)區(qū)域的閥門開啟，對其進(jìn)行定量灌溉，灌溉完成后自動(dòng)控制管路關(guān)閉。

5.2 自動(dòng)濕度控制

當(dāng)空氣含水率高于大棚栽培預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)會(huì)控制氣窗自動(dòng)開啟，并控制換氣扇啟動(dòng)，將潮濕空氣抽離，當(dāng)濕度適宜后，氣窗和換氣扇自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)空氣含水率低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)控制濕簾電機(jī)啟動(dòng)，濕簾自動(dòng)展開增加室內(nèi)濕度，濕度達(dá)標(biāo)后自動(dòng)收回[7]。

5.3 光照調(diào)整控制

當(dāng)溫室內(nèi)光照過于強(qiáng)烈，光線傳感器會(huì)發(fā)送強(qiáng)光指令，系統(tǒng)控制遮陽簾自動(dòng)開啟，遮擋陽光，當(dāng)光線正常時(shí)，遮陽簾自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)室內(nèi)光照不足時(shí)，系統(tǒng)控制補(bǔ)光燈開啟，補(bǔ)充室內(nèi)光線。

5.4 農(nóng)藥噴施控制

當(dāng)視覺識(shí)別設(shè)備檢測作物產(chǎn)生病蟲害，系統(tǒng)會(huì)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對并確定病蟲害種類和嚴(yán)重程度，提醒大棚管理人員采取相應(yīng)措施，當(dāng)噴藥系統(tǒng)中裝入農(nóng)藥后，系統(tǒng)自動(dòng)對病蟲害位置進(jìn)行噴施。

6 結(jié)語

智慧大棚是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的生產(chǎn)形式，利用現(xiàn)代化的環(huán)境感知和自動(dòng)控制技術(shù)能有效提高大棚生產(chǎn)的智慧化程度，提高生產(chǎn)質(zhì)量和最終收益。智慧大棚的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)重視在數(shù)據(jù)獲取全面性和傳感器使用耐久性方面作相應(yīng)提升，并通過合理化設(shè)計(jì)降低智慧大棚的建設(shè)成本，幫助智慧大棚不僅提高技術(shù)水平，還能促進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步普及和應(yīng)用。