溫室大棚自動化控制系統發展的研究

夏愉樂，伍晟韜，吳慧強，侯 亮

(湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著計算機技術的飛速發展，自動化控制技術廣泛應用于各個行業，目前，該枝術在應用中追求全自動化、無人化控制方向發展。溫室大棚自動化不僅僅帶動了經濟的發展，還大大提高農作物的品質、產量，不僅降低了農藥的使用量，而且還提高蔬菜安全性，促進農民增收，溫室大棚自動化利國利民，值得全國性的大力推廣[1]。

智能溫室也稱作自動化控制溫室，是指配備了由計算機控制的天窗、自動遮陽系統、升溫降溫保溫系統、噴滴灌系統或滴灌系統、移動苗床等自動化設施，基于農業溫室環境的高科技“智能”溫室，一般由信號采集系統、中心計算機、控制系統三大部分組成[2-3]。

隨著設施園藝和我國農業的迅速發展，溫室大棚智能化(通常簡稱連棟溫室或者現代溫室)發展迅速，它是農業種植的高級類型，擁有綜合環境性質的自動控制系統，利用該系統可以直接調節室內溫度、光源、水、肥料、氧氣和二氧化碳等諸多對植物生長有影響的因素，不僅可以提高全年的生產總量，逐步精細化和標準化生產蔬菜、花卉、水果等，而且還能有效降低人力資源的投入成本、極大提升經濟效益。

1 國內外溫室大棚自動化控制系統研究狀況

1.1 國外研究狀況

國外在溫室大棚自動化控制系統方面的研究先于我國幾十年，研究已經非常深入。世界許多發達國家種植業廣泛應用自動化控制技術，農業自動化技術體系較為完善，機械設備較為齊全，操作控制技術較為先進，有效地保障了農作物質量、產量及種植戶的經濟收益，蔬菜、水果和各種苗木均可使用無人自動化技術種植。國外智能溫室大棚外觀如圖1所示。雖然歐美國家人口數量相對于我國來說較少，但是國外依靠溫室大棚自動化技術彌補了人數不夠的短板，在某種程度上來說甚至優于我國。

圖1 國外智能溫室大棚

1.2 我國溫室大棚自動化技術應用現狀

雖然說我國溫室大棚種植面積已成為世界第一，但是溫室大棚自動化控制技術起步較晚，國內對此的研究不深入，依舊以塑料大棚人工為主。隨著我國對農業的重視不斷加強，經過改革開放后引進國外先進的溫室大棚自動化控制技術和自身的不懈努力發展，我國在溫室種植上取得了一定的成績，但是國內發展水平依舊參差不齊，不同檔次、不同型號的溫室產品，初步形成了一個完整的配套規模產業。

我國的溫室大棚相對國外較為落后，在國內南方溫室大棚主要為采用竹子、木頭、水泥和鋼筋混合為主要材料的骨架塑料大棚，又稱為塑料溫室棚。國內塑料溫室大棚外觀如圖2所示。相較國外先進的溫室大棚，我國在技術研究和產品生產上仍存在著許多的不足，存在的問題大致有如下幾點：

(1)國外的人口數量相對于我國較少，從事農業活動的人數不多，間接性地促進了本國的自動化大力發展。一方面美國等國家之間互相交流引進他國最新技術，導致國外的溫室大棚自動化程度高于我國；另一方面國內溫室大棚自動化技術起步較晚，發展緩慢，許多研究都仍然處在起步階段。我國種植戶引進國外新技術成本較高，國內人數眾多，勞動力廉價，導致我國目前仍以人工為主。

(2)國內自動化控制技術起步較晚，研究不夠深入，自動化設備使用率較低。我國溫室的面積己躍居世界第一，但高、中檔次的商品化溫室主要被機關團隊、軍隊、農場和科研等單位采用，而普通農戶采用較低檔次的塑料溫室大棚溫室，想要大量普及自動化控制的溫室大棚較國外仍有很長的一段路要走[4]。

(3)配套設施不完善。溫室大棚需要完整的配套設備，工作效率才能大大提升，從國外引進設備，價格昂貴，國內的各零部件性能較差，故障率高，配套設施不完善，這阻礙了自動化技術在我國的迅速傳播。國內的許多溫室大棚因為資金和設計等種種原因只采取了完整設備中的一小部分，沒有完整的設備就不能充分體現溫室大棚自動化的全部優點，導致我國溫室大棚自動化不能完全實現自動化。

(4)我國國土面積大，氣候多變，國內農作物種類較多，每種農作物的生長方式、環境各不相同，種植戶如果只采用一種自動化控制系統肯定不滿足需求，采用多種設備需耗費的成本較高且國外引進的溫室大棚控制設備不符合我國農作物的生長模式。

圖2 國內塑料溫室大棚

2 自動化控制系統技術在葡萄種植溫室大棚中的應用

憑借自然環境的優勢，我國是葡萄干生產大國之一。據調研顯示，國內對葡萄的需求量逐年上升，年消耗量持續增長。湖南省內的葡萄種植戶也隨之上升。隨著科技不斷的進步，自動化生產加工早已取代人工。湖南省眾多農戶對葡萄進行了溫室大棚自動化種植，在此，以溫室大棚種植葡萄為例，介紹幾種溫室大棚自動控制系統。

2.1 增降溫系統

葡萄的種植對于溫度要求較為嚴格，葡萄生長不耐寒，葡萄生長的最低氣溫在12～15 ℃之間，花期最適生長溫度為20 ℃左右，果實膨大期最適溫度為20～30 ℃。果實膨大時，需20～30 ℃的溫度，另外在果實生長期，白天光照越充足，夜晚溫度越低越有利于葡萄的著色和糖分的累積，葡萄結出的果實越甜。到春季葡萄樹開始萌芽時，如果溫度回升快則可能會導致葡萄枝條徒長，其現狀為節與節之間生長不充實，且花期容易受精不良[5]。如果遇上春寒則需要多施磷肥和高碳的有機肥，減少氮肥的施加。葡萄的生長受溫度的影響巨大，溫度對葡萄生長的影響如表1所示。此時溫室大棚溫度控制系統則發揮出極大的作用[6]。

表1 溫度對葡萄生長的影響

湖南為大陸性中亞熱帶季風濕潤氣候，一月平均溫度多在4～7 ℃之間，九月下旬后，白天較暖，入夜轉涼，降水量減少。從11月下旬至第二年3月中旬，長沙氣候平均氣溫低于0 ℃的嚴寒期很短暫，全年以1月最冷，月平均為4.4～5.1 ℃[7]。所以增溫系統普遍適用于天氣寒冷的冬天，目前我國主要使用的增溫設備有熱水增熱、熱風爐增熱和地面增熱。熱水增熱因為其結構簡單、購買和維修成本不高、增加熱量的面積大、故障率低，不容易對葡萄的生長造成很大影響，此加熱方式在我國最為常見。熱風爐溫度上升快、容易調節溫度，溫度的波動起伏較大，但葡萄對溫度的需求嚴格不利于葡萄的生長，且價格相對偏貴，不適合普通的溫室大棚種植戶。電阻絲加熱電熱交換率高、操縱簡單，但成本較高，其最大的缺點是容易造成土壤的水分和營養流失，導致施肥不均對環境破壞從而影響葡萄的生長。

湖南省3月下旬～5月中旬，冷暖空氣交換，形成了陰雨連連、光照極少的天氣。自5月下旬以后，氣溫急劇升溫，夏天的溫度全省穩定在30 ℃以上 ，省內氣溫時常超過35 ℃甚至達到40 ℃，酷夏時空氣干燥高溫且少雨[8]。溫室大棚降溫器通常應用于湖南省的炎熱夏天。其主要包括有遮陽器、濕簾式風機減速、噴淋式降溫、空調減速。而遮陽器在我國是最常用的，其具有抗紫外線、防風遮雨的作用。噴淋降溫設備主要包括噴霧降溫和房間噴淋降溫，這兩種都是目前國內最先進的減溫設備，它們都是純自動化，但成本相對較高。噴霧性降溫并不會造成地表濕度太高，而且蒸發的速度比較慢，降溫效果良好，但很容易受到惡劣天氣的影響 ，在國內并沒有得到全面的推廣，大多數都被廣泛應用在溫度相對較高的地區?？照{降溫裝置效果最好，但其成本較高，國內一般的溫室種植戶不會選擇，目前普遍用于小型溫室。

增降溫系統嚴格把控溫度，可以將溫室大棚內的溫度設定為最適宜葡萄的生長溫度，從而提高葡萄的品質和產量，極大程度上減少了人工成本的浪費。

2.2 自動澆灌系統

葡萄的生長前期對水分的要求極高，結果期對水分的要求相對于前期較少，如果結果期澆灌的水分多于自身所需要的水分，就會導致葡萄的根部損壞，極其容易影響葡萄的品質和生產產量，如果在陰雨天氣較多的地區種植葡萄容易導致光照不足，葡萄的光合作用不足導致葡萄本身引發多種疾病。葡萄的本身對水分要求很高，葡萄對水的生長需求情況如表2所示。在干旱地區種植時需要注意水分問題，要及時澆灌換水，防止葡萄缺水。

表2 葡萄對水的生長需求

目前，國內自動澆灌的方式主要分為噴灌系統和滴灌系統，噴灌系統分為固定噴灌和移動噴灌兩種方式。固定噴灌系統如圖3所示，只要將噴灌裝置安置在葡萄樹的上方，定期用自動化遠程控制系統全面充分掌握溫室大棚中葡萄的生長狀況，當葡萄生長需要用水時用操作系統遠程進行定期的澆灌，但因澆灌方式移動不方便，只能適合用在面積較小的溫室大棚內。移動噴灌容易移動，澆灌便利，抗阻塞性能好，出水量均勻，適用于大面積的溫室大棚灌溉。自動澆灌系統可以根據種植戶的需要以及葡萄對水的需求將電氣自動化技術應用于灌溉管理中，能夠大幅度提升灌溉管理的有效性，滿足葡萄的灌溉需求，可提高水資源有效利用率，有效提升污水檢測水平，還可有效檢測農藥在生產中的使用情況，科學合理地控制農藥和化肥的用量，在保證大棚種植葡萄生長需求的同時，也可以防止農藥和化肥大量使用而造成對水體的污染。

圖3 固定噴灌系統示意

2.3 營養監測系統

葡萄生長需要17種微量元素，跟其他的農作物生長習性十分相似，其中的氫元素是從水分中吸收，碳元素是通過葉片的光合作用吸收空氣中的二氧化碳，其中只有94.0%～99.5%的元素是通過吸收空氣和水中的碳氫元素組成，剩余的0.5%～6.0%是通過根部從土壤中吸收，而氮、磷、鉀這三種關鍵元素是從肥料中吸收[9]。

營養監測系統可以對葡萄的生長情況進行實時的系統監測，根據其生長特性預測葡萄的生長趨勢。該系統針對葡萄多方面生長要素對植物生長有影響的因素進行分析，通過遠程自動化控制調節出最利于葡萄樹的生長的環境并進行調節和自動施用肥料，相對人工施肥來說，此系統對葡萄生長所需的營養成分把控更加精準，減少了肥料不必要的浪費，避免了肥料對生態環境的污染，但該設備的成本較高，在我國運用的范圍較少，目前主要用于對植物生長特性的研究[10]。

2.4 智能溫室大棚監控系統

智能溫室大棚監控系統是指在溫室大棚內建立一套監控系統，根據當地天氣調節大棚內，從而可以遠程控制溫室大棚內的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照程度，并且可以結合大棚內的葡萄的生長程度和營養物質所需狀況以及生長特性，設置葡萄各項生長環境指標，此技術極其適合反季節溫室大棚葡萄的種植。一旦大棚內的環境不適合葡萄的生長，種植戶可以隨時隨地進行調整。如果葡萄的種植受到了外界因素的影響，監控系統會及時報告給種植戶，并提供解決方案。溫室大棚的監控系統可以減少葡萄在生長環境中受到的不良因素影響，根據其生長特性定制符合農作物的生長環境，極大提高了農作物的品質，也極大提高農作物的安全性。

3 結語

隨著我國對農業的種植技術研究不斷深入，國內市場對高質量農作物需求越來越大。我國人口老齡化嚴重，年輕一代不愿意下地務農，種植業勞動力嚴重不足，溫室大棚自動化技術推廣刻不容緩。

我國在此技術上起步較晚，但是隨著我國國力逐漸加強，經濟投入和教育投入不斷加強，自動化技術和農業種植是現代農業自身改革的必然要求，溫室大棚自動化能大大提升農業生產的效益和效率，必將是未來種植業的發展趨勢。

雖然我國近幾年來在溫室大棚自動化研究和應用方面上取得了一定的成就，但我國在自動化技術上仍有漫長的一段路要走。