温室大棚自动化控制系统发展的研究

夏愉乐，伍晟韬，吴慧强，侯 亮

(湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410000)

0 引言

随着计算机技术的飞速发展，自动化控制技术广泛应用于各个行业，目前，该枝术在应用中追求全自动化、无人化控制方向发展。温室大棚自动化不仅仅带动了经济的发展，还大大提高农作物的品质、产量，不仅降低了农药的使用量，而且还提高蔬菜安全性，促进农民增收，温室大棚自动化利国利民，值得全国性的大力推广[1]。

智能温室也称作自动化控制温室，是指配备了由计算机控制的天窗、自动遮阳系统、升温降温保温系统、喷滴灌系统或滴灌系统、移动苗床等自动化设施，基于农业温室环境的高科技“智能”温室，一般由信号采集系统、中心计算机、控制系统三大部分组成[2-3]。

随着设施园艺和我国农业的迅速发展，温室大棚智能化(通常简称连栋温室或者现代温室)发展迅速，它是农业种植的高级类型，拥有综合环境性质的自动控制系统，利用该系统可以直接调节室内温度、光源、水、肥料、氧气和二氧化碳等诸多对植物生长有影响的因素，不仅可以提高全年的生产总量，逐步精细化和标准化生产蔬菜、花卉、水果等，而且还能有效降低人力资源的投入成本、极大提升经济效益。

1 国内外温室大棚自动化控制系统研究状况

1.1 国外研究状况

国外在温室大棚自动化控制系统方面的研究先于我国几十年，研究已经非常深入。世界许多发达国家种植业广泛应用自动化控制技术，农业自动化技术体系较为完善，机械设备较为齐全，操作控制技术较为先进，有效地保障了农作物质量、产量及种植户的经济收益，蔬菜、水果和各种苗木均可使用无人自动化技术种植。国外智能温室大棚外观如图1所示。虽然欧美国家人口数量相对于我国来说较少，但是国外依靠温室大棚自动化技术弥补了人数不够的短板，在某种程度上来说甚至优于我国。

图1 国外智能温室大棚

1.2 我国温室大棚自动化技术应用现状

虽然说我国温室大棚种植面积已成为世界第一，但是温室大棚自动化控制技术起步较晚，国内对此的研究不深入，依旧以塑料大棚人工为主。随着我国对农业的重视不断加强，经过改革开放后引进国外先进的温室大棚自动化控制技术和自身的不懈努力发展，我国在温室种植上取得了一定的成绩，但是国内发展水平依旧参差不齐，不同档次、不同型号的温室产品，初步形成了一个完整的配套规模产业。

我国的温室大棚相对国外较为落后，在国内南方温室大棚主要为采用竹子、木头、水泥和钢筋混合为主要材料的骨架塑料大棚，又称为塑料温室棚。国内塑料温室大棚外观如图2所示。相较国外先进的温室大棚，我国在技术研究和产品生产上仍存在着许多的不足，存在的问题大致有如下几点：

(1)国外的人口数量相对于我国较少，从事农业活动的人数不多，间接性地促进了本国的自动化大力发展。一方面美国等国家之间互相交流引进他国最新技术，导致国外的温室大棚自动化程度高于我国；另一方面国内温室大棚自动化技术起步较晚，发展缓慢，许多研究都仍然处在起步阶段。我国种植户引进国外新技术成本较高，国内人数众多，劳动力廉价，导致我国目前仍以人工为主。

(2)国内自动化控制技术起步较晚，研究不够深入，自动化设备使用率较低。我国温室的面积己跃居世界第一，但高、中档次的商品化温室主要被机关团队、军队、农场和科研等单位采用，而普通农户采用较低档次的塑料温室大棚温室，想要大量普及自动化控制的温室大棚较国外仍有很长的一段路要走[4]。

(3)配套设施不完善。温室大棚需要完整的配套设备，工作效率才能大大提升，从国外引进设备，价格昂贵，国内的各零部件性能较差，故障率高，配套设施不完善，这阻碍了自动化技术在我国的迅速传播。国内的许多温室大棚因为资金和设计等种种原因只采取了完整设备中的一小部分，没有完整的设备就不能充分体现温室大棚自动化的全部优点，导致我国温室大棚自动化不能完全实现自动化。

(4)我国国土面积大，气候多变，国内农作物种类较多，每种农作物的生长方式、环境各不相同，种植户如果只采用一种自动化控制系统肯定不满足需求，采用多种设备需耗费的成本较高且国外引进的温室大棚控制设备不符合我国农作物的生长模式。

图2 国内塑料温室大棚

2 自动化控制系统技术在葡萄种植温室大棚中的应用

凭借自然环境的优势，我国是葡萄干生产大国之一。据调研显示，国内对葡萄的需求量逐年上升，年消耗量持续增长。湖南省内的葡萄种植户也随之上升。随着科技不断的进步，自动化生产加工早已取代人工。湖南省众多农户对葡萄进行了温室大棚自动化种植，在此，以温室大棚种植葡萄为例，介绍几种温室大棚自动控制系统。

2.1 增降温系统

葡萄的种植对于温度要求较为严格，葡萄生长不耐寒，葡萄生长的最低气温在12～15 ℃之间，花期最适生长温度为20 ℃左右，果实膨大期最适温度为20～30 ℃。果实膨大时，需20～30 ℃的温度，另外在果实生长期，白天光照越充足，夜晚温度越低越有利于葡萄的着色和糖分的累积，葡萄结出的果实越甜。到春季葡萄树开始萌芽时，如果温度回升快则可能会导致葡萄枝条徒长，其现状为节与节之间生长不充实，且花期容易受精不良[5]。如果遇上春寒则需要多施磷肥和高碳的有机肥，减少氮肥的施加。葡萄的生长受温度的影响巨大，温度对葡萄生长的影响如表1所示。此时温室大棚温度控制系统则发挥出极大的作用[6]。

表1 温度对葡萄生长的影响

湖南为大陆性中亚热带季风湿润气候，一月平均温度多在4～7 ℃之间，九月下旬后，白天较暖，入夜转凉，降水量减少。从11月下旬至第二年3月中旬，长沙气候平均气温低于0 ℃的严寒期很短暂，全年以1月最冷，月平均为4.4～5.1 ℃[7]。所以增温系统普遍适用于天气寒冷的冬天，目前我国主要使用的增温设备有热水增热、热风炉增热和地面增热。热水增热因为其结构简单、购买和维修成本不高、增加热量的面积大、故障率低，不容易对葡萄的生长造成很大影响，此加热方式在我国最为常见。热风炉温度上升快、容易调节温度，温度的波动起伏较大，但葡萄对温度的需求严格不利于葡萄的生长，且价格相对偏贵，不适合普通的温室大棚种植户。电阻丝加热电热交换率高、操纵简单，但成本较高，其最大的缺点是容易造成土壤的水分和营养流失，导致施肥不均对环境破坏从而影响葡萄的生长。

湖南省3月下旬～5月中旬，冷暖空气交换，形成了阴雨连连、光照极少的天气。自5月下旬以后，气温急剧升温，夏天的温度全省稳定在30 ℃以上 ，省内气温时常超过35 ℃甚至达到40 ℃，酷夏时空气干燥高温且少雨[8]。温室大棚降温器通常应用于湖南省的炎热夏天。其主要包括有遮阳器、湿帘式风机减速、喷淋式降温、空调减速。而遮阳器在我国是最常用的，其具有抗紫外线、防风遮雨的作用。喷淋降温设备主要包括喷雾降温和房间喷淋降温，这两种都是目前国内最先进的减温设备，它们都是纯自动化，但成本相对较高。喷雾性降温并不会造成地表湿度太高，而且蒸发的速度比较慢，降温效果良好，但很容易受到恶劣天气的影响 ，在国内并没有得到全面的推广，大多数都被广泛应用在温度相对较高的地区。空调降温装置效果最好，但其成本较高，国内一般的温室种植户不会选择，目前普遍用于小型温室。

增降温系统严格把控温度，可以将温室大棚内的温度设定为最适宜葡萄的生长温度，从而提高葡萄的品质和产量，极大程度上减少了人工成本的浪费。

2.2 自动浇灌系统

葡萄的生长前期对水分的要求极高，结果期对水分的要求相对于前期较少，如果结果期浇灌的水分多于自身所需要的水分，就会导致葡萄的根部损坏，极其容易影响葡萄的品质和生产产量，如果在阴雨天气较多的地区种植葡萄容易导致光照不足，葡萄的光合作用不足导致葡萄本身引发多种疾病。葡萄的本身对水分要求很高，葡萄对水的生长需求情况如表2所示。在干旱地区种植时需要注意水分问题，要及时浇灌换水，防止葡萄缺水。

表2 葡萄对水的生长需求

目前，国内自动浇灌的方式主要分为喷灌系统和滴灌系统，喷灌系统分为固定喷灌和移动喷灌两种方式。固定喷灌系统如图3所示，只要将喷灌装置安置在葡萄树的上方，定期用自动化远程控制系统全面充分掌握温室大棚中葡萄的生长状况，当葡萄生长需要用水时用操作系统远程进行定期的浇灌，但因浇灌方式移动不方便，只能适合用在面积较小的温室大棚内。移动喷灌容易移动，浇灌便利，抗阻塞性能好，出水量均匀，适用于大面积的温室大棚灌溉。自动浇灌系统可以根据种植户的需要以及葡萄对水的需求将电气自动化技术应用于灌溉管理中，能够大幅度提升灌溉管理的有效性，满足葡萄的灌溉需求，可提高水资源有效利用率，有效提升污水检测水平，还可有效检测农药在生产中的使用情况，科学合理地控制农药和化肥的用量，在保证大棚种植葡萄生长需求的同时，也可以防止农药和化肥大量使用而造成对水体的污染。

图3 固定喷灌系统示意

2.3 营养监测系统

葡萄生长需要17种微量元素，跟其他的农作物生长习性十分相似，其中的氢元素是从水分中吸收，碳元素是通过叶片的光合作用吸收空气中的二氧化碳，其中只有94.0%～99.5%的元素是通过吸收空气和水中的碳氢元素组成，剩余的0.5%～6.0%是通过根部从土壤中吸收，而氮、磷、钾这三种关键元素是从肥料中吸收[9]。

营养监测系统可以对葡萄的生长情况进行实时的系统监测，根据其生长特性预测葡萄的生长趋势。该系统针对葡萄多方面生长要素对植物生长有影响的因素进行分析，通过远程自动化控制调节出最利于葡萄树的生长的环境并进行调节和自动施用肥料，相对人工施肥来说，此系统对葡萄生长所需的营养成分把控更加精准，减少了肥料不必要的浪费，避免了肥料对生态环境的污染，但该设备的成本较高，在我国运用的范围较少，目前主要用于对植物生长特性的研究[10]。

2.4 智能温室大棚监控系统

智能温室大棚监控系统是指在温室大棚内建立一套监控系统，根据当地天气调节大棚内，从而可以远程控制温室大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照程度，并且可以结合大棚内的葡萄的生长程度和营养物质所需状况以及生长特性，设置葡萄各项生长环境指标，此技术极其适合反季节温室大棚葡萄的种植。一旦大棚内的环境不适合葡萄的生长，种植户可以随时随地进行调整。如果葡萄的种植受到了外界因素的影响，监控系统会及时报告给种植户，并提供解决方案。温室大棚的监控系统可以减少葡萄在生长环境中受到的不良因素影响，根据其生长特性定制符合农作物的生长环境，极大提高了农作物的品质，也极大提高农作物的安全性。

3 结语

随着我国对农业的种植技术研究不断深入，国内市场对高质量农作物需求越来越大。我国人口老龄化严重，年轻一代不愿意下地务农，种植业劳动力严重不足，温室大棚自动化技术推广刻不容缓。

我国在此技术上起步较晚，但是随着我国国力逐渐加强，经济投入和教育投入不断加强，自动化技术和农业种植是现代农业自身改革的必然要求，温室大棚自动化能大大提升农业生产的效益和效率，必将是未来种植业的发展趋势。

虽然我国近几年来在温室大棚自动化研究和应用方面上取得了一定的成就，但我国在自动化技术上仍有漫长的一段路要走。