探究溫室農(nóng)業(yè)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的控制范文

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《人天科學(xué)研究》1997年第6期

摘要：近年來，我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，溫室在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到了關(guān)鍵作用，為了抵御惡劣的自然環(huán)境，保證作物快速生長，對溫室進(jìn)行智能化監(jiān)控是一種重要的技術(shù)手段。本文設(shè)計(jì)了一套智能溫室環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對溫室溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度4個參數(shù)的高效監(jiān)控。由于比傳統(tǒng)的有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)更加簡潔高效，本文的研究具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)控；溫室環(huán)境；無線網(wǎng)絡(luò)

溫室是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，由于溫室內(nèi)的環(huán)境更適合作物生長，因而被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。溫室必須要抵抗自然界的各種型業(yè)務(wù)環(huán)境，因而就涉及到對溫室的監(jiān)控問題。溫室的監(jiān)控水平是農(nóng)業(yè)自動化的重要體現(xiàn)。隨著溫室規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，人們對作物產(chǎn)量和長勢要求的提高，溫室控制變得越來越困難。如果溫室環(huán)境不能滿足作物生長要求，將會嚴(yán)重影響作物的生長，帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高溫室監(jiān)控的智能化程度具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1溫室控制技術(shù)現(xiàn)狀

我國在農(nóng)業(yè)設(shè)施方面的研究起步較晚，約在20世紀(jì)七十年代才開始有學(xué)者關(guān)注[1]。目前已經(jīng)歷了近半個世紀(jì)的探索，有了很大的成就，但在信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，我國現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)設(shè)施仍然不能滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展要求，有許多技術(shù)難題需要解決。我國地域?qū)拸V，環(huán)境條件差異巨大，而各地對農(nóng)產(chǎn)品的需求卻越來越多元化，因此發(fā)展了溫室技術(shù)進(jìn)行作物種植。當(dāng)前我國許多地方仍然以自然大棚的種植為主，對人的勞動依賴性極高，生產(chǎn)效率不高，種植規(guī)模無法滿足市場需求，總體處于低水平狀態(tài)[2]。隨著科技的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平日益提高，許多先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)開始應(yīng)用到溫室環(huán)境的控制中來，農(nóng)業(yè)種植不再是傳統(tǒng)的自然大棚方式，而是根據(jù)農(nóng)作物對環(huán)境的需求，有針對性地按需求對溫室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行控制，保證生產(chǎn)效率的提高[3]。從目前溫室控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，溫度是是溫室控制的重要參數(shù)，因?yàn)樽魑锏纳L要求環(huán)境溫度長期處于比較適宜的狀態(tài)。因此有人提出，只需要將溫度控制在一個很小的變化范圍內(nèi)而無需硬件反復(fù)動作，因而可以減少能源消耗。近年來，有學(xué)者提出將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)引入到溫室大棚的控制領(lǐng)域中來，以抵抗自然環(huán)境的不利影響，只要把控制參數(shù)事先輸入到系統(tǒng)中，就可以實(shí)現(xiàn)按該參數(shù)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制[4]。隨著溫室控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在不久的將來還能夠?qū)Σ∠x害進(jìn)行檢測和預(yù)測，使溫室內(nèi)的作物不但生長在適宜的環(huán)境中，更是直接避免了害蟲侵?jǐn)_。盡管現(xiàn)在的溫室控制系統(tǒng)已能夠較輕易實(shí)現(xiàn)，但其性能還有極大的發(fā)展空間，因?yàn)闇厥冶O(jiān)控系統(tǒng)采集的是是環(huán)境溫度，與作物本身真實(shí)的環(huán)境要求還有一定的誤差[5]。另外，考慮到溫室環(huán)境的控制策略與外部環(huán)境有很大關(guān)系，因此可以將天氣預(yù)報(bào)與溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)溫室控制的更智能化，避免極端天氣對溫室環(huán)境的擾亂，把環(huán)境對作物生長的影響減至最小。

2溫室控制的參數(shù)及要求

對溫室的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精確控制，一直是農(nóng)業(yè)信息化的關(guān)鍵技術(shù)。由于作物對環(huán)境的要求是動態(tài)的，因而溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也應(yīng)具有一定的靈活性，可以滿足作物生長環(huán)境的動態(tài)變化。環(huán)境中的光合作用、蒸騰作用、呼吸作用等都直接影響著作物的生長效率，另一方面，環(huán)境參數(shù)之間相互聯(lián)系的，因此溫室控制要同時考慮到環(huán)境因素之間的內(nèi)在關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)精確的環(huán)境控制。大量農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，在眾多環(huán)境因素中，溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度4個參數(shù)對作物的生長起著關(guān)鍵性的控制作用，因此本文將重點(diǎn)研究這4個因素的控制。

2.1溫度的控制

溫度作為植物生長的最關(guān)鍵因素之一，直接影響著作物的生長效率和存活率，作物的生理活動與環(huán)境溫度息息相關(guān)，因而溫度成為溫室控制系統(tǒng)的首要因素。實(shí)際上，溫度是通過影響酶的活性來影響作物生理活動的。本系將實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)溫度的最大值、最小值、平均值和最佳值進(jìn)行動態(tài)控制，以滿足不同地區(qū)溫室控制的需求。

2.2濕度的控制

濕度與空氣中的水分有關(guān)。水作為生命基本物質(zhì)，在作物的光合作用中起到了關(guān)鍵的作用，沒有水就沒有生命。因此濕度的控制極其重要。本文將同時考慮空間的濕度和土壤的濕度，對溫室內(nèi)的濕度進(jìn)行全方位控制。實(shí)際上，作物對濕度的要求并不嚴(yán)格，也就是濕度可以比較大的范圍進(jìn)行波動，不會對作物產(chǎn)生明顯的影響。因此本文采用了廉價(jià)的控制模塊即可滿足濕度的控制要求，以節(jié)省開發(fā)成本。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和生物學(xué)理論，本系統(tǒng)將白天的溫室濕度控制在80%以下，如果溫度較高則控制在85%，以實(shí)現(xiàn)最佳的生產(chǎn)效率。

2.3光照強(qiáng)度的控制

光是作物光合作用的能量來源，因此光照的控制非常重要。本文主要考慮對光照強(qiáng)度、光質(zhì)和光照時間三個光學(xué)參量進(jìn)行控制。由于溫室往往與外界環(huán)境只有一層薄膜，因此不同的外部條件對溫室光照條件的影響不同，在多云和陰天的條件下對光線進(jìn)行補(bǔ)償，在盛夏的正午進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼诠?，保證光照處于最佳狀態(tài)。

2.4CO2濃度的控制

CO2是光合作用的重要原料，同時植物活動也會釋放CO2，因此必須對CO2的濃度進(jìn)行控制，使其保持在一個平衡狀態(tài)。不同的時間段對CO2的濃度要求是不一樣的，必須符合作物的生理特征，動態(tài)控制CO2的濃度。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，本文的控制策略是，在日出后1小時開始施放CO2，持續(xù)2小時，結(jié)束施放后，至少隔1小時才能進(jìn)行通風(fēng)，保證作物生長需要。

3溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)對溫室種植的環(huán)境要求進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，溫室的環(huán)境控制主要涉及到兩方面的內(nèi)容，即環(huán)境的監(jiān)測與環(huán)境的控制。這兩個方面是相輔相成的，環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境控制的依據(jù)，環(huán)境控制是環(huán)境監(jiān)測的目標(biāo)。

4結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，溫室的智能監(jiān)控也會受到越來越多的重視，通過對實(shí)現(xiàn)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)將是一種重要的發(fā)展趨勢。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，除了本文研究的4個關(guān)鍵參數(shù)之外，更多的環(huán)境參數(shù)也將考慮進(jìn)來，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的全方位控制。因此本文的研究具有重要的市場前景。

參考文獻(xiàn)

[1]邱增帥.溫室大棚的環(huán)境參數(shù)控制[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2013.

[2]吳小偉,史志中,鐘志堂,武文娟,張璐,丁莉,崔軍.國內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(04):1-7+18.

[3]張得龍.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2016(15):12-12.

[4]林嫣.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南開大學(xué),2015.

[5]孔曉紅,秦國慶,張強(qiáng).智能遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2015(17):4294-4296.

作者：黎龍卓 單位：西安培華學(xué)院