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論文題目： 溫室環境測控系統及其發展趨勢
摘要：本文闡述了溫室環境測控系統在國內外的發展情況，包括從溫室誕生起，美國、日本、荷蘭等溫室測控技術發展比較先進的國家在各自領域內的研究成果，以及國內引進溫室技術後，各個高校及專業人員就自己擅長的方面進行探索並取得一定的研究成果。其次淺談了溫室測控系統的發展前沿，即該領域的先進技術，如無線電監控系統、GPRS技術、遠端溫室大棚控制系統等。最後具體講述了溫室測控中主要的影響因素，包括溫度、溼度、光照、CO2濃度，以及當下比較適宜的處理辦法。
關鍵詞: 溫室環境測控;無線電監控;遠端監控
Greenhouse environment controling systems and its
development
Abstract : This paper said the development of the greenhouse environment control system at home and aborad , since the birth of greenhouse , United States , Japan , the Netherlands and other greenhouse monitoring and control technology more advanced countries in their respective areas of research , and after the introduction of greenhouse technology as well as domestic , various universities and professionals to explore their own good and have made certain aspects of the research results . Second ,on the forefront of the development of the greenhouse control system , such as radio control system , GPRS technology , remote control system of greenhouse and so on . Finally , Specific about the main factors of greenhouse monitoring and control , Including temperature, humidity , light , CO2 concentration and the more appropriate approach at present Keyword: greenhouse monitoring and control technology ; radio control system ; remote control system of greenhouse.
引言
目前，我國農業正處於從傳統農業向以優質、高效、高產為目標的現代化農業轉化新階段。而溫室作為現代化設施農業的重要產物，在國內多數地區得到了廣泛應用。溫室可以模擬成一個由人工智慧監測的半封閉生態系統，它可以避開外界種種不利因素的影響，人為控[1]制或創造適宜農作物生長的氣候環境。由於溫室中各種環境因素是可以人為控制的，因此控制技術直接決定著溫室中農作物的產量和質量。
溫室測控系統一般包括三個模組：環境資訊採集模組、資料處理模組和執行模組。在目前的測控系統中，環境因子的採集主要包括溫度、溼度、CO2濃度、光照強度、土壤溼度等。
1溫室環境測控在國內外的發展
自二十世紀七十年代溫室誕生以來，各國對測控技術的研究越來越多，也越來越深入，逐步向著網路化、智慧化、綜合化的方向發展[2]
1.1國外溫室技術發展概況
美國是最早發明計算機的國家，也是將計算機應用於溫室控制和管理最早、最多的國家之一。美國開發的溫室計算機控制與管理系統可以根據溫室作物的特點和要求，對溫室內光照、溫度、水、氣、化肥等諸多因子進行自動調控，還可利用溫差管理技術實現對花卉、果蔬等產品的開花和成熟期進行調節及控制。
在日本,作為設施農業主要內容的設施園藝建設相當發達,比如塑料溫室和其它人工栽培設施達到普遍應用,設施栽培面積位居世界前列,蔬菜、花卉、水果等普遍實行設施溫室生產，並針對種苗生產設施的高溫、多溼等不良環境進行了若干設施專案的研究[3],主要有設施內播種裝置、苗接觸刺激裝置、苗灌水裝置和遮光裝置的開閉裝置、缺苗不良苗的檢測及去除和補栽裝置、CO2施肥裝置等方面的自動化研究[4]。
2002年，英國倫敦大學農學院利用計算機遙控技術，可以觀測50km以外溫室內的溫度、溼度等環境狀況並遠端控制。另外針對CO2濃度對作物的影響這一點，溫室中通常安裝通風機,攪動空氣使溫室中的CO2濃度一致[5]。
荷蘭園藝溫室發展較早,由於地處高緯度地區,日照短,全年平均氣溫較低等不利於作物生長的氣候因素,因此集中較大力量發展經濟價值高的鮮花和蔬菜,大規模地發展玻璃溫室和配套的工程設施並且全部採用計算機控制，大大提高了作物的產出及品質要求。
現今隨著科技的不斷髮展,國外溫室業正致力於高科技的廣泛應用。遙測技術、網路技術、控制區域網已逐漸應用於溫室的管理與控制中,近幾年各國溫度控制技術提出建立溫室行業標準並朝著網路化，大規模，無人化的方向發展[6]。
1.2國內溫室技術發展概況
國內的計算機應用開始於70年代中期,當時主要用於資料的統計分析和計算。自70年代末起,我國陸續從美國、日本、荷蘭等國引進了許多先進的現代化溫室技術,在借鑑及學習已開發國家高科技溫室技術的基礎上,我國農業科研工作人員進行了溫室內部溫度、溼度、光照、CO2濃度等環境因子控制技術的綜合研究，在邊學習邊發展的道路上我國溫室技術也有了長足的進步。
早期溫室技術引進是1987年中國農業科學院引進了FELIXC 512系統,並建立了全國農業系統的第一個計算機應用研究機構[7]。到了90年代初期,計算機開始用於溫室的管理和控制領域。
2000年，金鈺研究了工業控制機IPC在自動化溫室控制中的應用[8]。該研究是以工業控制機為核心採集環境資訊，控制外圍設施執行控制。實現了溫室的封閉環境控制，但該系統佈線複雜,維護困難且成本過高。
2005年，杜輝等研究了基於藍芽技術的分散式溫室監控系統[9]。該系統將藍芽技術和現場匯流排技術相結合運用於溫室群的監控，提高了系統的可靠性、降低了資料傳輸過程中干擾。但由於藍芽技術本身的不成熟，與其他技術相結合以後會導致系統的紊亂，難以調控，顧該系統的實際應用仍需要深入研究。
2007年，唐娟等研究了基於新型AVR微控制器的溫室測控系統[10]。該系統把個體生產和規模化生產相結合，在單個溫室大棚生產實現智慧自動化的基礎上實現連棟溫室大棚的規模化生產。
2008年，周茂雷，郭康權研究出了基於ARM7微處理器的溫室控制器系統[11]。該系統能通過AD演算法實現溫室各路模擬量、開關量實時動態採集，將採集到的資料經處理後定時儲存並送出控制量。
2 溫室技術新型發展
現代化農業設施技術得到了極大的發展，利用不同的先進科技創造了利於作物生長的溫室環境，下面講述了五種新型溫室技術。
2.1無線電監控系統
隨著生產規模的不斷擴大,大棚數量的增多,有線監測系統佈線複雜、維護困難、不能任意增加節點等缺點就暴露出來了. 隨著電子技術的發展,出現了一體化的無線收發晶片nRF905，該晶片體積小巧,外圍只需新增少量幾元件即可工作,而且程式設計簡單，可實現資訊的無線傳輸, 以上位機為資訊處理終端,構成了溫室大棚環境引數監控系統, 該系統具有無需佈線、可以任意增減採集點、結構簡單、功耗低及組網方便等特點,因而具有較高的實用價值[12]
2.2 GPRS技術的應用
GPRS (General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱，是一種基於GSM (Global System for Mobile Communications)系統的無線分組交換技術。同一無線通道又可以由多個使用者共享，只有當某個使用者需要傳送或接收資料的時候才會佔用通道資源，從而有效地利用了通道資源。監控中心伺服器通過GPRS 可以在移動狀態下使用各種採集到的資訊資料， 在行動通訊服務商提供的GPRS業務平臺上構建溫室大棚環境監控資訊資料傳輸系統， 實現智慧化溫室控制資訊採集點的無線資料傳輸，監控系統同時可以實現資料、指令的反向傳輸，以達到遠端控制的目[13]。的溫室大棚環境監控中心也可以通過伺服器來瀏覽各個溫室大棚的作物生長狀況。
2.3 基於CAN和Profibus匯流排的溫室分散式監控系統
CAN(controller area network)匯流排是一種分散式實時控制系統的序列通訊區域網[14-15],其訊號傳輸採用短幀結構,具有傳輸時間短、受干擾的概率低、實時性強、效能好和可靠性高等優點,廣泛應用於各種控制系統中的檢測和執行機構之間的資料通訊。
Profibus匯流排的溫溼度分散式測控系統也和CAN匯流排的功能差不多。在現有的各種現場匯流排中, Profi2bus 匯流排佔有很大的市場份額, 並提供了DP、PA3和FMS三種協議型別。
2.4 虛擬儀器的應用
溫室大棚測量系統的發展經過了模擬儀器、分立元件儀器、數字化儀器和智慧化儀器,到現在發展到了虛擬儀器。虛擬儀器以計算機為核心組成的虛擬儀器平臺,可以通過不同的虛擬儀器軟體實現多種測試功能,能由虛擬儀器代替部分傳統的儀器硬體,並利用虛擬儀器強大的資料採集和資料分析功能,進行各種資訊的處理，然後將結果送出顯示或控制調節機構,調節大棚的環境引數[16]。
2.5 遠端溫室大棚控制系統
為實現農民對大棚的簡捷控制,實現農民增產增收，遠端溫室大棚控制系統顯然是一項值得研究和推廣的工程。該系統實時要求很高, 傳輸距離較遠, 對穩定性以及抗干擾性的要求也很高, CC2Link造價低廉, 能滿足現場環境的通訊要求而成為主要的新型現場通訊方式，另外乙太網實時、高速且傳輸距離較遠, 而成為主流的遠端通訊方式。兩者相結合便實現了溫室大棚遠端控制網[17]。
3 影響作物生長的各項因素及處理辦法
作物的生長髮育，一方面取決於作物本身的遺傳特性，另一方面取決於外界環境條件。在生產上，則要通過優良的栽培技術及創造適宜的環境條件來控制生長和發育。
影響作物生長髮育的主要環境條件包括：溫度(空氣溫度及土壤溫度)、光照(光的強度和光周期)、水分(空氣溼度和土壤溼度)、土壤(土壤肥力及土壤溶液的反應)、空氣(大氣及土壤中空氣的特性，CO2的含量，有毒氣體的含量)、生物條件(土壤微生物及病蟲害)等。下面就溫度、溼度、光照、CO2濃度這四方面進行具體的論述。
3.1 溫度
作物的生長髮育環境中以溫度最為敏感，也是最重要的。自然環境下，溫度在時間上隨
四級變化而週期變化，在空間上隨緯度和海拔的升高而降低。
另外在室內的話，由於作物的茂密生長會使得溫度的空間變得比較複雜，實際上溫度的空間分佈受室外氣候因子、室內調控方式、植物群體結構的綜合影響，空氣溫度不論在水平方向還是在垂直方向往往都不均勻。
處理辦法：
目前溫室的溫度調控主要包括增溫、保溫、降溫[18]。加溫有熱風采暖系統、熱水採暖系統、土壤加溫三種形式;保溫包括減少貫流放熱和通風換氣量、增大保溫比、增大地表熱流量;降溫最簡單的途徑是通風.
3.2 溼度
適宜的空氣溼度和土壤溼度是溫室內作物健康生長的重要條件。根據研究發現，除了陰雨天以外，室內午後過低的空氣溼度會導致作物發生光合作用的午休現象。
一般情況下，作物適宜的相對溼度是60%～80%。所以溫室內空氣相對溼度的大小直接影響作物的光合作用，影響作物生產的質量;另外，空氣溼度過大，作物植株也易於生病。
土壤溼度對植物的影響也很大，若溫室內排水不良，灌水不當，土壤滲水性不好，造成土壤水分過剩，使土壤中的`氧氣減少，植物根部呼吸的水分減少，從而影響植物的水分代謝，阻滯植物的生長或者發生根部腐爛的情況[19]。
處理辦法：
除溼的方法有通風換氣、加溫除溼、覆蓋地膜、使用除溼機、除溼型熱交換通風裝置。 加溼的方法包括噴霧加溼、溼簾加溼、溫室內頂部安裝噴霧系統[20]。這幾種方法除了有加溼功能還可以達到降溫的功效.
3.3 光照強度
光照是作物生長髮育的關鍵條件之一。沒有光照，就談不上植物的生長，光照不足，勢必影響植物的生長髮育。
光照的強度直接影響到作物光合作用的強度。與室外相比較，室內光明顯的差異表現在數量減少，光質改變及光分佈不均勻等三個方面，從而形成獨特的溫室光環境[21]。
處理辦法：人工調節大棚外部設施的方法來改變溫室內的光照強度