劉光偉 劉璐

摘 要：近年來，伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)形勢也發(fā)生了深刻變化。依靠科技的力量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入了快速發(fā)展的新時期。本文設(shè)計了一種溫室環(huán)境智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)，具有低成本、實用性強(qiáng)的優(yōu)勢，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)朝向智能化、高端化方向發(fā)展，希望本研究能夠有助于推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)智能化進(jìn)程，為相關(guān)領(lǐng)域人士提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：溫室環(huán)境 智能監(jiān)測 控制系統(tǒng) 設(shè)計

中圖分類號：S261 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（c）-0097-02

當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展進(jìn)入全新的時期，改善生態(tài)環(huán)境，加速結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高農(nóng)業(yè)整體收益，以及增加農(nóng)民收入勢在必行。傳統(tǒng)的粗放型增長方式存在著諸多層面的弊端，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)朝向資源節(jié)約、高效、可持續(xù)的方向發(fā)展具有一定的現(xiàn)實性意義。近年來，工廠化農(nóng)業(yè)在我國受到高度重視，具有效益顯著，資源高效利用以及知識和技術(shù)密集等諸多方面的優(yōu)點。

1 溫室環(huán)境智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計的意義

近年來，我國溫室產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2017年底，我國已有現(xiàn)代化大型溫室總面積達(dá)580hm2，其中，約有20%是引進(jìn)溫室面積。這主要是由于早在20世紀(jì)90年代中期，我國已經(jīng)根據(jù)我國基本國情以及地理氣候特點，設(shè)計了一大批大型溫室，總面積達(dá)400hm2，具有適用性強(qiáng)、性價比高的特點。如今，我國依然在加快溫室項目建設(shè)的步伐，這大大有助于推動我國工廠化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。從總體上來看，我國擁有的溫室面積在全球居首位，但都是一些簡易設(shè)施，如日光溫室、塑料大棚等。并且，在溫室項目建設(shè)中，依然存在著一系列的問題，如含量低、環(huán)境控制能力差、生產(chǎn)潛力有限、抵御自然災(zāi)害的能力弱等。要想進(jìn)一步推動我國溫室項目建設(shè)，還需要從很多方面進(jìn)行改進(jìn)，例如：加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，引進(jìn)先進(jìn)的溫室設(shè)備，加強(qiáng)對工作人員的培訓(xùn)，提高其操作技能，建立和完善溫室項目管理機(jī)制，加強(qiáng)對溫室環(huán)境的控制等。在對溫室環(huán)境智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計中，涉及傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、生物技術(shù)等諸多相關(guān)學(xué)科。盡管如此，國內(nèi)尚未研發(fā)出一種功能齊全的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，例如，市面上所出現(xiàn)的大多為二氧化碳控制器、溫濕度控制器、溫度控制器，這些多為單因子控制器。國內(nèi)所生產(chǎn)的這些溫室環(huán)境控制系統(tǒng)通常造價較高，價格不菲，讓很多農(nóng)民望塵莫及。設(shè)計出一種實用性強(qiáng)、低成本、多功能的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實性意義。

2 溫室環(huán)境智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)作物的健康生長離不開適宜的生長環(huán)境，溫室中的各項環(huán)境因子對于農(nóng)作物的生長發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通常情況下，溫室是模擬農(nóng)作物生長的氣候條件，并盡可能地消除一些不利于作物生長的環(huán)境因素，幫助農(nóng)作物來最大限度地克服來自于外界氣候的制約，進(jìn)而實現(xiàn)提高農(nóng)作物產(chǎn)量，縮短生產(chǎn)周期以及收獲最大經(jīng)濟(jì)效益的目的。在農(nóng)作物生長過程中，相關(guān)內(nèi)環(huán)境因子包括二氧化碳濃度、光照度、濕度、溫度等。我們有必要對溫室中的這些環(huán)境因子進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)，一是農(nóng)作物處于一個最佳的生長環(huán)境之中，盡可能地滿足農(nóng)作物光合作用、呼吸作用和蒸騰作用所需，以實現(xiàn)低耗高產(chǎn)的目的。基于此，在對溫室中環(huán)境因子調(diào)節(jié)時，我們要采用一定的科學(xué)技術(shù)原理，包括控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、園藝學(xué)、通訊技術(shù)等。這些學(xué)科為微生物提供最佳的環(huán)境條件提供了有力的理論保障。下文將對這些環(huán)境影響因子及其控制一一進(jìn)行闡述。

第一，溫度控制。溫度是影響農(nóng)作物健康生長的一個重要環(huán)境因子，其中。我們需要重點了解植物生長的“三基點”溫度，即最高溫度、最低溫度和最適溫度。

植物在最適溫度時會得到最快的生長，當(dāng)處于最高溫度和最低溫度時，就會出現(xiàn)生長代謝受阻的情況。通過對大量植物的生長實驗，我們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)溫帶植物一生長溫度為25℃～30℃，如菜豆、南瓜、茄子、黃瓜、番茄、辣椒等。由于我國大部分地區(qū)處于溫帶，一年之中溫度變化較大。在炎熱的夏季和寒冷的冬季，都不適宜農(nóng)作物的正常生長，溫室大棚內(nèi)對度進(jìn)行控制，使其保持在農(nóng)作物最適宜的溫度范圍內(nèi)至關(guān)重要。

本系統(tǒng)采用溫度傳感器對溫室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，并采用相關(guān)的措施對溫度進(jìn)行升降調(diào)節(jié)。一般情況下，在冬季，使用暖風(fēng)機(jī)來增加溫室內(nèi)環(huán)境溫度，并且溫差越大的情況下，開啟暖風(fēng)機(jī)的時間越長。在夏季，常采用自然通風(fēng)的辦法，來降低環(huán)境溫度，并依據(jù)環(huán)境溫度差異的大小，來選擇開啟天窗或者側(cè)窗。此外，當(dāng)具有較強(qiáng)的光照強(qiáng)度時，可以張開遮陽網(wǎng)，來進(jìn)行整體溫室的降溫。

第二，濕度控制。濕度也是影響農(nóng)作物正健康生長的一個最重要環(huán)境因子，并且，溫室內(nèi)濕度主要來自于土壤濕度和空氣濕度。過大或過小的空氣濕度都不利于植物的正常生長，空氣濕度過大時，農(nóng)作物光合作用也會增強(qiáng)，以至于植物瘋狂的生長，開花結(jié)果受到影響。同時，在較高的濕度條件下，植物病蟲害的發(fā)生概率也會更高。相反的，如果空氣濕度過低，那么，農(nóng)作物會發(fā)生受到水分脅迫而生長受阻。例如：當(dāng)土壤中的濕度過大，將會導(dǎo)致土壤中的氧氣減少，植物的呼吸作用困難，不利于生長發(fā)育。同時，當(dāng)土壤的含水率過少時，同樣干擾植物的水分代謝，植物出現(xiàn)萎蔫的現(xiàn)象。另外，植物在不同的發(fā)育期，對濕度的要求也不同。我們需要在掌握農(nóng)作物生長特性的基礎(chǔ)上，合理控制溫室環(huán)境的濕度。

控制溫室環(huán)境的濕度適宜植物的正常生長，夏季光照強(qiáng)度較大時，我們也可以使用遮陽網(wǎng)。一方面控制環(huán)境的溫度，同時，由于溫度控制和濕度控制之間存在著一定的耦合性，因此，也能實現(xiàn)對溫室環(huán)境濕度的控制。在冬季，天氣寒冷時，采用熱風(fēng)機(jī)對環(huán)境進(jìn)行加溫，在溫度上升的同時也降低了環(huán)境的濕度。

第三，傳感器的選擇。我們要求傳感器能夠敏銳的感知溫室環(huán)境，并高效地對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，做到長期、穩(wěn)定。不同的溫度傳感器靈敏度不同，我們有必要對不同類型的傳感器性能進(jìn)行分析，充分討論每一種傳感器的優(yōu)點和缺點，找出最適宜用于溫室環(huán)境中的溫度傳感器。

綜上所述，設(shè)計一種溫室環(huán)境智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實性意義，本文分析了影響植物正常生長的環(huán)境因子以及系統(tǒng)軟件和硬件，然后基于這些參數(shù)，設(shè)計了一種用于溫室環(huán)境的智能檢測與控制系統(tǒng)，希望本研究能夠為相關(guān)人士提供一定的參考，同時，相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者們在今后的研究中從更多層面進(jìn)行分析。

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