宜機化日光溫室環境調控技術

摘 要： 基于北京市設施農業環境調控設備老舊、以人工控制為主且數據缺乏應用現狀，采用宜機化新型日光溫室建設+宜機化日光溫室智能化提升+高效栽培模式示范的技術路線，搭建了一套適用于日光溫室的設施智能控制技術，智能調節日光溫室環境參數，建立良好作物生長環境，提升生產水平，推動北京市設施農業向智能化、精準化方向發展。

關鍵詞：日光溫室；環境參數；智能調控；宜機化；設施農業

中圖分類號：S26 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）05-0054-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.05.009

0 引言

《國務院關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》指出，到2025 年，設施農業機械化率總體達到50% 左右。2019 年4 月，《農業農村部關于加快推進農業機械化轉型升級的通知》要求，加快推進農業機械化向設施農業延伸，加快推進設施農業品種的“宜機化”，推動設施農業農機裝備和技術創新發展。近年來，北京市一直從政策、項目層面大力推動設施農業的發展，然而，受建造結構、生產規模、信息化水平等因素制約，北京市設施農業生產水平仍有較大發展空間。本研究基于物聯網、人工智能等技術，探索利用宜機化日光溫室環境調控技術，以提升北京市設施農業生產水平[1]。

1 發展現狀

北京市設施農業類型主要分為日光溫室、塑料大棚和連棟溫室3 類。溫室環境控制因素主要包括溫、光、水、氣和肥，主要通過通風系統、保溫系統、灌溉施肥系統、加溫系統及降溫系統來進行調節控制。經過調研發現，北京市設施農業在環境調控方面主要面臨以下3 方面問題。

（1）設施老舊。北京市現存農業設施園區大量使用老舊和高危溫室進行生產，溫室低矮，生產條件差，結構安全性差，溫室裝備機械化、自動化水平低。

（2）設施科技資源與生產方式融合不均衡、不充分，節水節肥及灌溉系統科學決策與管理的理念仍有待進一步推廣。

（3）數據缺乏應用。北京市雖然推廣了一系列的設施農業數字化項目，積累了一定的環境數據，但大部分以單一指標的簡單化數理統計為主，缺乏數據蘊藏規律、數據指標間關聯性的深入挖掘，沒有充分發揮數據價值，針對設施農業數字化監管和服務的不同應用場景未能實現數據的交叉驗證和綜合分析，數據缺乏應用場景。

2 研究內容

針對北京市設施農業環境調控現狀，本研究采用宜機化新型日光溫室建設+宜機化日光溫室智能化提升+高效栽培模式示范的技術路線，打造宜機化日光溫室和人工氣候室環境調控技術體系，集成環境感知、綜合調控和水肥一體化控制等技術，打造宜機化日光溫室配套數字技術體系，實現設施環境智能化控制[2]。

2.1 建立宜機化日光溫室環境調控技術體系

宜機化日光溫室環境調控技術體系，可概括為一批智能裝備+智能控制終端+遠程控制系統+專家控制模型，如圖1 和圖2 所示。通過新一代環境傳感器監測的設施環境數值，結合專家控制模型的預設閾值，智能控制終端集中聯動控制設施溫室中的卷膜通風、卷被、灌溉、補光和二氧化碳發生等各類智能裝備，實現基本脫離人工值守的設施環境智能化控制，為作物生產提供最佳的生長環境，有效提升設施農業生產的效能和產品品質。

（1）智能設備。包括新一代溫室環境監測設備、溫室智能卷膜通風控制設備、溫室智能卷被控制設備、溫室空氣循環控制設備、溫室高壓微霧控制設備、溫室智能補光控制設備、溫室二氧化碳智能控制設備及溫室水肥智能灌溉控制設備等[3]。

（2）智能控制終端。作為溫室環境中央控制器，接入溫室卷膜通風、卷被、水肥灌溉和補光等各種控制電路，通過預裝的多種作物AI 模型控制策略，實現對溫室中溫度、濕度的自動監測和控制，自動控制卷被、卷膜、通風、補光和二氧化碳發生器等設備的開啟/關閉，創造植物生長的最佳環境，使溫室內的環境接近人工設想的理想值，以滿足溫室作物生長發育的需求。

（3）遠程控制系統。作為設施農業智能化管理平臺，以設施智能環境控制為基礎，集園區資源管理、種植管理和物聯監控等功能為一體，為農業生產管理者提供精準監測、智能調控與大數據等服務[4]。

（4）專家控制模型。在專家多年研究的基礎上，通過后臺建立的AI 模型控制策略，智能控制環流風機、高壓微霧、卷被、卷膜、補光燈和二氧化碳發生器等設備，自動完成溫室的增降溫、通風、除濕、補光、灌溉和二氧化碳補充等操作，完成智能環境控制的終端實現。

2.2 探索人工氣候室智能控制技術

開展了人工氣候室環境智能控制技術研究，如圖3所示。建立的人工氣候室可以模擬自然界氣象條件，精確控制氣候室內溫度、濕度、光照等環境因子，以降低作物對大自然氣候依賴性。研究通過部署智能控制終端，并與氣候室通風系統、制冷系統等進行對接，可實現箱內環境的智能調控，實現4～35 °C 的溫室控制，當溫度超過使用極限時，會自動報警，超過一定時間無人處理時，自動切斷電源，確保設備及內部樣品不被損壞。同時可實現，濕度55%～90%RH 連續可調，380～780 nm 連續光譜，二氧化碳濃度0.045%～0.500% 可調，循環風自動控制，定時進行新風補充[5]。

2.3 構建多因素環境調控模型

為了增加溫室環境調控的穩定性、準確性，開發了多因素環境溫度調控模型，綜合利用溫室焓濕圖相關知識及室外光照強度、風速環境因素對溫室內環境進行調控，可較好地調控溫室內溫濕度指標，使作物處在良好的生長環境。模型包括1 個主控邏輯和2 個輔助控制邏輯，主調控邏輯如圖4 所示。

基于上述模型，選擇了部分京郊示范園區進行試驗，日光溫室進行了果菜和葉菜宜機化栽培種植，結果表明，本研究基本實現了日光溫室設施環境調控的穩定性和準確性[6-8]。

（1）試驗1：單一主控策略試驗。室外天氣為多云轉晴，西北風4 級，溫度8～20 °C；目標溫度29 °C。

溫度及負載控制曲線如圖5 所示（橫軸為時間，縱軸表示各項負載的數值，下同），溫室內溫度不會出現驟升驟降的情況，但是會出現溫度升高之后需要很長一段時間才能降至目標溫度或溫度降低之后需要很長一段時間才能升至目標溫度的情況（圖中黑色線框標注部分），出現這種情況的原因有負載開啟時間點過晚、負載關閉時間點過晚及負載開啟擋數不夠。

（2）試驗2：主控策略+光照強度輔助策略。室外天氣為多云轉陰，西南風4 級，溫度8～17 °C；目標溫度29 °C。

加入輔助調控光照強度之后，曲線整體波動較小，如圖6 所示。其中，13： 50—14： 20 出現較大波動，經分析，室外有強風（西南風）從卷膜吹進溫室，加速空氣交換，導致溫室內溫度驟降。

（3）試驗3：主控+光照強度+風速風向輔助策略。室外天氣為多云轉晴，西南風3 級，溫度5～20 °C；目標溫度29 °C。

由圖7 可知，主控+輔助控制策略可以明顯改善溫室溫濕度的調控精確性和穩定性，只在9： 30—9： 40 出現小波動。

3 效益及應用前景分析

本研究建立的適用于日光溫室的設施智能控制技術，通過各類智能裝備精準控制溫室溫度、濕度、水肥和二氧化碳等環境參數，通過環境策略進行溫室光、溫、水和氣的智能控制，可實現生產環節的標準化管理，為園區帶來一定的經濟、社會和生態效益。

3.1 經濟效益

應用宜機化日光溫室配套數字化技術，可實現對宜機化日光溫室的實時監測和精準調控，為作物創造最佳的生長環境，提高宜機化日光溫室蔬菜精準化控制、智能化生產水平，可有效提升作物產量和產品品質，同時節省人工成本，節水節肥，實現宜機化日光溫室蔬菜增產。

研究結果顯示，試驗園區在生產期間，灌溉用水節約10% 以上，肥料等投入品減少10% 以上。勞動用工在環境控制操作、灌溉、施肥和植保等環節大幅較少，整體降低30%。整個生長期預計增產15% 左右，可實現增收18 萬元/hm2。

3.2 社會效益

本研究可推動宜機化新型日光溫室在設施農業領域的應用和推廣，對于設施農業生產向智能化、農民向產業工人方向上發展有積極促進作用，可有效保證北京市“菜籃子”的本地供應率，為提高北京市設施農業信息化的整體水平、推動智能農業快速發展起到重要作用。

3.3 生態效益

本研究可指導用戶智能感知、精準調控、科學生產，節約土地資源，不會造成土壤污染，還可有效控制水肥量，及時對病蟲害預警，減少農資（化肥、農藥）施用量，使資源得到節約化利用，減少了碳排放，對發展集約的可持續的生態農業起到推動作用。

4 結束語

本研究探索宜機化日光溫室潛能，推進宜機化、智能化新型日光溫室建設，在宜機化日光溫室建設和種植基礎上，進一步研究數字化技術應用，建立宜機化高效栽培智能日光溫室可應用推廣模式，可為北京市發展宜機化新型日光溫室提供技術和決策支撐。