温室自动控制系统在国内外的现状和发展趋势

托普物联网开创智慧农业新时代。温室自动控制系统在国内外的现状和发展趋势对于温室自动控制系统托普物联网对它的定义是：温室自动控制系统是专门为农业温室、农业环境控制、气象观测开发生产的环境自动控制系统。可测量风向、风速、温度、湿度、光照、气压、雨量、太阳辐射量、太阳紫外线、土壤温湿度等农业环境要素。托普物联网研制的温室控制系统可根据温室植物生长要求，自动控制开窗、卷膜、风机湿帘、生物补光、灌溉施肥等环境控制设备，自动调控温室内环境，达到适宜植物生长的范围，为植物生长提供最佳环境。1、温室自动控制系统国外研究现状温室作为一种为农作物生长创造适宜环境的农业设旌，可看成是一个半独立于自然界大气候的半封闭式的人工生态环境，它可以避开外界种种不利因素的影响，改善或创造更佳的环境气候。随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足发展。特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的问世，更使温室环境控制技术产生了革命性的变化。温室发展大致经历了手动一机械一分散电控系统一多功能集中电子控制台一微机综合控制”这几个发展阶段，传统的温室控制方法，都存在着明显的缺陷，采用这些方式，要模拟复杂气候环境中作物所处的局部环境几乎是不可能的，要实现对各种相互制约，相互影响的环境因素的综合控制也很困难。温室自动控制系统操作界面图80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室环境要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美和日本获得长足的发展，并迈入网络化智能化阶段。国外现代化温室的内部设施已经发展到比较完善的程度，并形成了～定的标准。温室内的各环境因托普物联网开创智慧农业新时代。子大多由计算机集中控制，因此检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度，湿度，光照度，C02浓度，营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，可以自动收放的遮阴幕或寒冷纱，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统以及二氧化碳施肥系统，有些还配有屋面玻璃冲洗系统，机器人自动收获系统，以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制已不是简单的，独立的，静态的计算机直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统的人工智能控制，此系统可以为温室管理者提供包括作物种植的经济分析，病虫害防治，温室在内的管理与决策系统信息。世界发达国家如荷兰，美国，英国等大力发展集约化的温室产业，已经研制成功对温室内温度，湿度，光照，气体交换，滴灌，营养液循环等实现计算机自动控制的现代化高科技温室，甚至于育苗，移栽，清洗，包装等也实现了机械化，自动化。荷兰在1974年将计算机作为温室气候控制系统使用商品的核心部分出现在荷兰及世界市场上。目前，荷兰全国现有的1万hm2的玻璃温室全部由这种气候控制计算机操纵控制，并且可以同时控制各个温室单元，形成网络化的温室管理体系。在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料温室达到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列。而在韩国，从1992年以来政府就把设施园艺作为重点事业来推进发展，到92年底，带环境控制的现代化设施的面积占10％左右。以色列的温室从80年代到90年代更新了三代，科学家成功开发了一系列计算机软件，硬件，实现了温室供水，施肥和环境自动化控制。英国农业部对温室发展也很重视，科学家们先后进行了温室环境与作物生理，温室环境因子的计算机优化，温室节能，温室自动控制，温室作物栽培与产后处理的研究。另外，国外温室正致力于高科技发展。遥测技术，网络技术，控制局域网已逐渐应用予温室的控制与管理中。托普物联网开创智慧农业新时代。1．2．2温室自动控制系统国内研究现状我国温室业起步比较晚。60年代仅利用简易式塑料大棚来种植蔬菜。1966年吉林省长春市建造我国第一座塑料大棚，面积仅500平方米，到了70年代，节能型日光温室开始在我国应用，并得到较快发展，到1981年，根据19个省市，自治区统计，保护地面积为1．6万公顷，占蔬菜种植面积的4．35％，其中温室仅1500公顷，占菜地面积的0．4％。到1994年7月，全国就已有节能型目光温室115万亩，大棚400万亩，总面积达515万亩。而大型玻璃结构温室在我国发展一直较慢，直到80年代初，才先后从同本，美国，荷兰和保加利亚等国引进了40套左右的现代化温室成套设备，主要分布在北京，上海，广州等大城市周围，我国自己生产的玻璃温数量较少，也由于其内部设施较为简陋，产品质量与使用性能都低于国外先进产品，从而影响了国产温室的推广和使用。虽然这些国外温室技术领先，设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严重的问题，温室自动控制系统突出的问题有以下几点：(1)投入产出低，运行经济效益差，而且引进价格高，国内农业生产难以接受。(2)技术要求过高，一般的用户很难掌握，限制了温室的适用范围。(3)不适合我国的气候特征。引进的温室的一些运营模式没有与中国的实际结合起来，因此不能适应我国的气候特征。所以，研究开发出符合我国国情，产生明显经济效益并适用于大面积推广应用的自控温室系统迫在眉睫。基于以上种种原因，我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度，湿度，光照等单项环境因子的控制技术研究。在80年代，实现了对人工气候室进行的微机控制，如重庆柑橘所人工气候室的单片机控制系统，以及上海植生所的人工气候室。其后对计算机温室控制系统的研究一直没有中断，到了1995年，北京农业大学研制成功的“WJG一1型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统“”；江苏理工大学研制成功的基于工控机进行管理的植物工厂系统；吉林工业大学研制成功的用于温室的智能喷水控制器，能够根据温室内的温度，湿度和光照度来自动调节喷水量；中国农业机械化科学研究院研制成新型智能温室，由大棚本体，通风降温系统，太阳能贮存系统，燃油热风加热系统，灌溉系统，计算机环境参数测控系统等组成：还有许多高等院校，科研院所都在进行温室控制系统的相关研究，并且许多单位都已建起或将要建起温室控制系统的总体框架。1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面取得了一定的成果。总之，我国现有温室的特点可以归结为以下几点：托普物联网开创智慧农业新时代。(1)在分布上，我国温室大部分集中在东北，华北，谣北等地区的大中城市周围。(2)在结构上国产温室分为塑料温室和塑料大棚温室两种。国产温室大部分是因地制宜的选择设施结构及覆盖材料，结构简单，日光温室占很大比重。(3)在控制和管理上，国产温室自动化程度低。近年来国内也进行了一些温室的自动控制的研究，但这些研究基本上是单因素的检测和控制，没有进行全面系统的研究。从目前的研究情况来看，我国的温室自动控制系统科研水平跟国外比仍有较大差距，主要表现在以下几个方面：一是尚未建立温室结构的国家标准，研究者给出的控制系统大都有较强针对性。由于温室结构千差万别，执行机构各不相同，对于控制系统的优劣缺乏横向可比性。二是缺乏与我国气候特点相适应的温室自动控制软件。目前我国引进温室自动控制系统大多投资大，运行费用过高，并且控制系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾，如荷兰由于温度变化很小，故降温，通风问题考虑很少，而采光问题考虑得较多，如果将这种温室应用于我国新疆地区，肯定不合适，因为新疆的温差变化大。三是我国综合环境控制技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的日照量，气温，地温，空气湿度，土壤湿度，cO。浓度等环境因素，是在相互影响，相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境因素的空间变化，时间变化都很复杂。此外，优化值的设定是一项复杂的工作，作物生长是多因素综合作用的结果，当我们改变某一环境因子时，常会把其他环境因子变到一个不适宜的水平，因此，将温室内的物理模型，作物的生长模型，温室生产的经济模型结合起来，进行作物生长环境参数的优化研究，开发一套与我国温室生产现状相适应的环境控制软件是很重要的。3、温室控制系统发展趋势80年代末，随着信息技术的发展，美国，加拿大等国又提出了精确农业的概念，它是一种适用于包括温室在内的以知识为基础的农业微观管理系统。它的全部概念建立在空间差异的数据采集与数据处理上，核心是根据当时当地测定的实际需要确定对作物的投入。应用精确农业技术可以在减少投入的情况下增加产量，提高农产品质量，降低成本，减少环境污染，节约资源和保护生态环境。因此精确农业是信息技术发展的必然产物，也是今后现代温室技术发展的趋势。