现代温室规划与设计方法研究.doc

现代温室规划与设计方法研究邱振宇（西南大学工程技术学院 重庆 400716）摘要：现代温室是计算机网络技术和电子、材料等行业发展相融合，而形成的新兴农业生产工业化和自动化系统。介绍了现代温室的发展概况，环境原理和控制技术和其基本系统结构。关键词：现代温室 控制技术 系统构架Reseach on Plan&Design of Modern GreenhouseQiu zhenyu(College of Engineering and Technology,Southwest University,ChongQing 400716,China)Abstract: In the paper, the development, the principle,the control technic and system structure of modern greenhouse,which is the new combination of the electronics and material, is introduced.Key word: modern greenhouse,control technic,system structure0 引言温室是利用人工建筑的设施，为作物生长创造适宜环境的农业设施，它不受季节、地域的影响，从而实现全天候、反季节生产。温室种植不仅能提高资源利用率，优化农业产业结构，还能极大地提高经济效益，同时对改善农业生态环境也有很大作用。随着科技的发展，农业自动化程度越来越高，温室监控系统朝着自动化、智能化控制方向上发展。现代温室是利用温室效应，采用自动控制技术、信息技术、单片机等高新科技的一项产业亮点，它能够改变小环境气候，为作物的生长发育创造良好的条件，摆脱自然条件和气候条件的制约，从而延长生产季节，获得最佳的产出，甚至可以实现作物的反季节栽培以及品种的改良。现代温室不仅使单位面积产量大幅度的增长，减少了资源投人，而且使全年蔬菜瓜果的供应得到了保证和平衡。1 国内外发展概况1.1 国外现代温室系统发展状况国外发达国家对温室系统的研究起步较早， 20世纪50年代，荷兰、美国等国家就开始了对这方面的研究。20世纪70年代，以计算机为核心的温室环境测控系统在欧美和日本获得长足的发展。荷兰在1974年率先研制出计算机控制系统CECS，1978年日本东京大学的学者研制出微型计算机温室综合环境控制系统。80年代以来，国外专家对温室环境控制做了大量研究工作，Takakura提出应用计算机对作物生长环境(气候、水和营养液供给)进行控制；1999年，密兹安州立大学推出了以昼夜温差对植物生长的作用规律为基础的专家系统；An-gelov等提出用模糊规则的推理方法对温室系统进行建模。目前，荷兰、日本、美国等国家的温室自动化技术已经很成熟，在世界上处于领先地位。1.2 国内现代温室系统发展状况我国科学家对国外温室系统进行了科学研究，在引进、消化和创新的基础上，逐渐形成了国产设施园艺的技术体系。1995年，北京农业大学研制成功了“WJG-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。1996年，江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工业控制计算机进行管理的植物工厂系统。该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是国产化温室控制技术比较典型的研究成果。到了21世纪，中国温室产业化得到了大力发展，涌现出一大批农业科技企业，极大地推动了我国的温室技术发展。如北京京鹏环球科技股份有限公司，相继开发了“屋顶全开启式连栋温室”、“屋顶平拉膜温室”、“植物检验检疫隔离温室”、“植物生理生态监测系统”等新型系列温室技术，其中“植物检验检疫隔离温室”的专利技术达到了国际领先水平。2 现代温室的环境原理与控制技术一切生物的生长都需要一个适宜的环境，包括光照、温度、水分、土壤、大气等，各个环境因子是相互联系、相互促进和相互制约的，而且它们对作物的影响是随着生长发育阶段的推移而变化的。2.1光照控制光照是现代温室环境因子中的一个重要组成，光合作用的效果不仅与光的波段、光照强度所决定，而且还受光照的累积时间和光照周期所影响，因此对光照的研究和控制则尤为重要。光照控制主要有光照强度控制和光照周期控制两种方式，在控制中，利用光照强度测定仪和定时器等基本的传感器控制部件，实时检测动态光照强度变化，配合时钟控制，从而完成对光照的控制。常采用遮阳和人工补光两方面的措施。温室遮阳是利用具有一定透光率的材料遮挡一部分多余的光照，这样既保证温室作物正常生长所需要的光照，又防止多余的太阳辐射能在温室聚集，造成室内温度过高。温室遮阳分为室外遮阳和室内遮阳。在冬春季节，光照时间较短，光线较弱，光照就成了作物生长发育的主要限制因素。人工补光即根据作物生长发育所需要的光照强度、周期和时间，采用不同的人工光源来对作物进行补光。2.2温控技术温度是作物赖以生存和生长的环境因子，温度过高和过低都会对作物造成致命的灾害。温度控制是现代温室环境因子中控制手段最完善的环节。温度控制包姆退室温度管理及各种保温、加温、降温措施。2.2.1温室保温温室保温可以有效地减少温室热损失，提高温室温度，节约能源。目前采用较多的保温措施主要有:温室外附加保温材料；降低温室高度，减少温室外表面积；改变温室结构形式，增加采光量；设置内保温幕；改进覆盖材料；选用导热性差的透光覆盖材料；改进覆盖材料的安装方法，提高温室的密闭性等。2.2.2温室加温温室采暖系统一般由热源、室内散热设备和热媒输送系统组成。现在温室中常用的采暖方式主要有热水采暖、蒸汽采暖、热风采暖、电热采暖和辐射采暖等。供暖方案的选择要依据当地的气候特点、温室的采暖负荷、当地燃料的供应情况和投资管理水平等。2.2.3温室降温温室降温主要有通风降温、遮阳降温和蒸发降温等方式。通风又有自然通风和强制通风；遮阳有室内遮阳系统和室外遮阳系统及在温室表面刷涂料的遮阳方法；蒸发降温主要有弥雾降温和湿帘降温。2.3 CO2施肥技术CO2影响作物的光合作用，与作物生长有直接关系。增施CO2、提高温室中CO2浓度，可以促进作物生长，提高作物的产量和质量。CO2施肥技术包括施肥适宜浓度和施肥时间。CO2施肥时间需要根据作物的种类具体对待。一般来讲，作物光合作用主要集中在上午进行，在晴天日出后30min后开始进行CO2施肥。2.4 灌溉与施肥技术温室是一个相对封闭的生产设施，自然降水不能被直接利用，因此温室内作物需要的水分完全依靠人工灌溉措施来保证。现代温室兼具自动化和智能化的特点，即可以根据作物的需要自动及时提供作物适宜的生长环境。在现代化温室中，采用微灌方式，即利用微灌系统设备按照作物需水要求，通过管道系统与安装在末级管道上的特制灌水头，将水和作物生长所需要的养分以较小的流量，均匀、准确的直接输送到作物根部附近的土壤表面和土层作物叶片，实现局部灌溉，使作物叶面或根部保持在水、肥、气最佳的状态。现代温室施肥技术是随着微喷灌同时进行的，即采用水肥的方式，这样可以迅速、大面积地完成，并且施肥均匀、省力、省时、安全，避免浪费。施肥器受计算机或小型控制器控制，可以实现精确施肥。自动控制施肥系统采用分块结构和模块化的设计方案，是一个两级分布式系统，具有灵活性强、功耗低、可靠性高等优点。上位机主要完成温室测控数据的显示、编辑、存储和打印输出等数据管理以及智能决策、历史资料统计分析等功能；下位机在现场对温室就地测控，可巡回检测多个环境参数，并根据设定的数学模型，直接控制被控对象，可通过RS422或RS485串行接口接收上位机的指令或将测控数据送至上位机进行存储。2.5温室环境的自动监测技术现代温室控制系统就是依据温室内外装设的温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器采集数据信息，通过控制设备对驱动以行机构对温室内的环境气候和灌溉施肥进行调节控制，以满足作物生长发育的需要。温室控制方式分为手动控制和自动控制两种方式；根据控制因素又可以分为单因子控制、多因子控制、“环境模型+生理模型”的综合控制和最优控制。2.6温室节能技术现代温室生产是一种高产出高能耗的新产业。本着绿色农业和可持续发展战略，温室节能非常重要，温室节能技术是指降低温室作物生产中能耗的各种措施。温室能耗的能量包括光、热、水、电、肥等。我们可以考虑的节能措施重要有以下几个方面:温室选址规划时，注意选择向阳、近热源的场地，并避开风口；温室构造设计时，使用高保温性能的围护材料，双层充气，保温遮阳，降低温室冷风渗透，进行周边保温与冷处理；温室管理中采用变温管理。3 现代温室系统主要构架现代温室采用分布式监控系统，通常为上位机+下位机模式，通过通讯系统传递信息，上位机用于系统管理，其他各种功能(测量与控制任务)主要由下位机完成。下位机由许多各自独立的功能单元组成，每个单元只完成一部分工作。系统结构如图1所示。图1 现代温室系统结构图Fig.1 System structures of the modern greenhouse3.1 上位机控制系统上位机系统位于管理室，由主要数据库管理、通信管理、控制决策生成等功能模块组成，主要工作是建立环境参数知识库，存放温室大棚作物在不同生长时期的生长环境参数，结合上位机内多种典型作物的专家知识库，应用预测理论，通过对前端控制器传送过来的实测环境数据与专家库内的标准环境参数相比较得出相应的控制信号，并将控制信号传送至前端控制器，以便控制温室设施，调节温室环境。同时上位机系统还要求友好的可视化用户界面，便于人机交流。上位机系统软件设计多采用可视化编程语言(如VB和delphi等)来完成界面设计和数据处理。张彦虎等设计了用Delphi和Matlab开发温室计算机模糊控制系统软件，利用Matlab模糊工具箱提供的图形界面建立模糊控制器，算法控制部分在Matlab环境中完成，从而避免了数据处理时繁重的控制算法推导。虚拟仪器是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统作为依托，实现各种仪器的功能。它可以提供良好的人机交流界面，并且开发时间短，操作方便，在上位机系统软件设计中得到广泛应用。3.2 通讯系统温室控制系统中需要使用大量的传感器和执行机构，它们分布范围广，通讯距离远，因此需要一种造价低、可靠性高的通讯系统。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，主要解决智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的3个特征，在温室系统中应用较为普遍。RS-485总线网络是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便，支持多点连接，传输距离远，传输速度快，利用RS-485接口构成的网络是只有物理层协议的现场总线网络，组建费用相对于FF、PROFIBUS、CAN等真正的现场总线网络来说，不管从硬件成本还是软件成本都低得多，因此在温室系统中得到广泛应用。此外，还可以用无线通信技术实现上位机和下位机之间的通信，如802.11b无线通信、GPRS等。3.3 下位机系统下位机位于温室控制现场，主要由传感器、前端控制器和执行机构组成，其系统结构见图2。下位机主要实现温室环境数据实时采集、处理与显示，以及对温室环境的调节，通过总线网络或无线通信模块，将监测的环境参数传输到上位PC机，并接受上位机的控制而产生控制决策，控制执行机构进行调节；具有脱机运行功能，可在上位机关机情况下独立工作，用户或者专家通过键盘预设环境参数及实时采集的环境参数，自主运行下位机决策程序，实现温室自动控制。下位机自主控制流程见图3。3.3.1 下位机控制器即前端控制器，是下位机监控系统的核心，要求系统能独立运行并可对测试现场传送的采集信号进行简单的分析与处理，同时能产生相应的控制信号，进行智能控制。一般以单片机应用系统为基础外加传感器输入接口、控制输出接口、键盘接口以及LED接口电路等组成，也可以用PLC代替单片机。图2 下位机系统结构图Fig.2 Block diagram of lower computer system图3 下位机自主控制流程Fig.3 Flow chart of lower computer self-controlling3.3.2 传感器和执行机构传感器用来对温室内的温度、湿度、光照强度等进行实时数据采集。根据温室作物生长特点和环境要求，选择性价比较优的传感器，一般选择数字传感器，优点是与CPU接口方便，可不必过多考虑前向通道中诸如信号放大、零点漂移、传感器供电和干扰等因素，可在满足系统要求的前提下最大限度地减少系统开发成本和技术难度。执行机构的作用是执行控制指令，对温室环境因子进行调节。如通风装置通过温室天窗和侧窗自然通风或风机进行的机械通风，完成降温、去湿等调节过程；调光装置通过遮阳网和人工补光等方法完成光照调节等等。要实现对这些装置控制作用，应选择合适的继电器型号，并设计继电器接口电路。4 结语温室农业是现代农业的一个重要组成部分和发展方向，温室环境控制系统作为温室农业的关键设施，对农作物的生长和发育起着重要作用。随着我国人口的不断增长和可耕种面积的减少，实现农业的可持续发展，开发现代温室势在必行；