浅谈温室环境监控系统的现状及发展趋势

薄英男，郭 辉，张学军，刘 宇，杨相飞，盛 会，陈恒峰

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆 乌鲁木齐830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室）

浅谈温室环境监控系统的现状及发展趋势

薄英男1，2，郭 辉1，2，张学军1，2，刘 宇1，2，杨相飞1，2，盛 会1，2，陈恒峰1，2

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆 乌鲁木齐830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室）

温室大棚内部温度、湿度、二氧化碳浓度等环境因素与植物生长有密切的关系，适宜的环境能促进植物生长甚至缩短植物生长周期，因此温室大棚环境监测对指导作物种植具有重要意义。文中介绍了国内外温室大棚环境监控系统的发展现状，分析了温室大棚环境监控系统的结构及我国温室大棚环境监控系统存在的主要问题，提出了温室大棚环境监控系统的发展趋势。经济可靠的温室大棚环境监测系统的应用可以提高我国温室大棚的生产效率。对于温室大棚环境监测系统的发展状况的详细了解有利于温室监测系统的研究与发展。

温室大棚；环境因素；单片机；传感器

0 引言

温室大棚内部环境与其内部植物生长密切相关，当环境不适宜时会影响作物生长速度引发病虫害甚至作物死亡，给温室大棚所有者造成严重的经济损失，因此对温室大棚内部环境进行监控有十分重要的意义[1]。

温室大棚内部环境因素在外部环境影响和内部设备调控的作用下不停的发生变化。及时了解温室大棚内部温度、湿度及各种气体浓度等环境因素的变化，可以帮助我们了解植物的生长状况，根据植物不同生长阶段对环境的需求不同做出调整，满足植物的生长要求。我国大部分地区纬度较高，地理特征复杂多样，四季温度变化较大，靠人工经验很难对温室大棚环境做出准确的判断。将环境检测系统应用于温室大棚内部，可以准确的检测温室大棚内部温度、湿度、氨气浓度等环境因素。根据温室大棚监测系统的检测结果，及时调整温室内部水泵、煤炉等设备可以节约资源[3]，还能减轻人工劳动量。

1 国内外温室大棚监控系统发展现状

1.1 国外温室大棚监控系统的发展现状

国外在20纪70年代开始用简易手动测量工具如温度计、湿度计等对温室大棚环境进行测量记录，这种方式劳动量大而且易出现错误。20世纪80年代，随着电子技术的发展人们开始应用单片机、PLC、传感器及计算机等组建系统，对温室大棚环境进行检测[6]。这一时期出现了很多温室大棚模型，其中比较有代表性的是荷兰的文洛型。以色列、日本、英国、荷兰等发达国家在电子计算机、通讯、传感器等领域的科技较为发达，而且对于农业方面的研究投入较多，在温室大棚智能化技术研究及温室大棚环境监控方面的研究水平较高[7]。美国、荷兰、以色列等发达国家能够实现对温室大棚内温度、湿度等环境因素的计算机监控，从育苗、栽培到收获加工逐渐形成了完整的技术体系[8]。美国是最早将计算机技术应用于温室大棚环境监控研究的国家，利用其在计算机电子方面的领先科技，设计出迄今为止领先的独立封闭温室大棚智能监控系统。荷兰在20世纪将计算机大量应用于温室大棚监控系统，实现了对温室大棚的集中化管理。以色列的温室大棚的发展经历了三个阶段，能够实现温室大棚的供水、施肥、环境的自动化管控。目前国外计算机技术、无线通讯技术和图像处理技术的不断发展促进了温室大棚环境监测系统向智能化方向发展[9]。国外温室大棚产业已走向商业化，温室大棚的生产形成了一定的行业标准。国外温室大棚计算机监控系统可以根据作物的特点和生长所需要的条件，对大棚内的光照、温度、湿度等环境因素进行自动调节。这种调节根据温室大棚内植物的生长规律设定参数，通过传感器的检测值与计算机中的设定参数相对比，根据对比结果由计算机控制相应设备对温室大棚浇水、光照控制、加温、施肥等。近年来国外还利用卫星遥感技术、计算机通讯技术、有线及无线局域网等技术的发展，把温室大棚监测系统连接在一起，通过计算机网络实现对温室大棚的远程化和大规模管理[10]。国外温室大棚的生产大多是工厂化模式，机械化程度很高，从育种、移栽到浇水、施肥等全部靠机械来完成，极大地提高了劳动生产率，减轻了劳动量[11～12]。近年来机器人等人工智能技术的发展也促进了温室大棚生产向无人化方向发展。

1.2 国内温室大棚监控系统的发展现状

我国温室大棚的生产一直靠经验进行，这种传统方式比较简单粗放，效率低下。20世纪70年代起，开始陆续从西方发达国家购买温室配套设备，这些设备当时大多用于科研机构实验研究及珍贵植物种植的温室大棚内部[13]。20世纪90年代，我国开始从国外引进成套的现代化的连栋温室大棚，总面积达到140 hm2，由计算机管理，科技含量较高，人工劳动强度较低。由于成本较高，这些温室大棚一般用于科学研究使用，很少用于实际的生产。我国在20世纪90年代研发出一些温室大棚系统，如河北职业技术学院的温湿度检测系统、合肥机械研究所DTR软件及智能控制系统、中国农业大学的WJG-1系统、河南农科院的GCS-I系统、中国农业大学的计算机分布式系统等[14]。这些系统都是基于工业计算机或单片机协调管理，取得了很大进展。温室大棚监测系统的成本随着计算机、电子元器件的价格迅速下降而不断降低，我国温室大棚监控系统开始应用于部分生产花卉、中草药的高档温室大棚中。但由于我国温室大棚监控系统的研究起步较晚，温室大棚监控技术整体落后于国外先进水平。

2 温室大棚监控系统结构分类

（1）总-分机结构：系统有多个处理模块，其中一个模块为总控模块。总控模块对其他模块发送的数据进行处理，协调各模块的工作，管理其他模块及设备。这种系统可以对成片温室群进行管理，系统稳定性较好。该系统结构比较复杂，系统维护困难，成本较高。

（2）非总-分机结构：系统只有一个处理模块，此模块采集并对数据进行处理，管理其他设备。这种系统结构简单，使用方便，价格便宜，但系统对处理器模块的CPU要求较高，系统内部一旦出现故障，整个系统都会受到影响。

（3）处理器模块：处理器模块种类、型号较多，常用的有工业计算机、单片机、PLC等。工业计算机的结构、接口已经标准化，使用方便，功能强大，能满足复杂系统的设计要求，但价格较高。单片机成本较低，使用灵活，组建大型的系统时电路设计复杂，维护不便。PLC使用方便，通用性较好，但价格较高。

3 我国温室监控系统存在的主要问题

（1）我国温室大棚监测系统智能化水平较低，系统的精确性和稳定性差[15]，很多地方不够完善，大部分都处于实验阶段。

（2）我国从国外引进了温室大棚监控系统，虽然这些系统的智能化水平较高，但价格昂贵，能耗较大，系统的调节、参数的修改、系统的维护等较困难。很多系统不能适应我国的气候特点，甚至与我国气候相冲突[16]，最后不得不面临关闭。

（3）温室大棚监控系统大都是基于计算机开发设计的，对于管理人员的专业知识要求较高[17]。我国中小型温室大棚的管理者缺乏相关专业知识，因此在这些系统的操作使用上有一定的困难。

（4）目前我国温室大棚以中小型塑料大棚为主，温室大棚的管理靠经验。温室大棚监控系统大都用于科研和名贵花卉的生产，虽然随着计算机、PLC、单片机等电子产品的价格下降，温室大棚监测控系统成本有所降低，但是中小型所有者仍然难以承受温室大棚监控系统投入。

4 温室大棚环境监控系统的发展趋势

（1）高智能化：随着经济的发展和国家的鼓励引导和资金支持，温室大棚的规模不断扩大，数量不断增加，需要管理的范围加大，因此需要利用温室大棚监控系统对大量数据进行采集、分析和处理。当系统内部出现故障自动报警，并对故障自行诊断，通过对比与预置数据对比后对温室进行相应的管理。随着计算机人工智能技术的不断发展，温室大棚的智能化程度将不断提高，温室大棚的工作管理人员将逐步减少，并逐步实现温室大棚生产的无人化。

（2）易于操作维护：我国目前温室大棚监控系统缺乏定性产品，温室大棚监控系统以普通计算机或工业计算机为操控中心，计算机与单片机、PLC等协同管理。温室大棚监控系统缺乏配套的计算机软件，单片机等硬件电路结构、接口没有统一标准，更换维护不便。随着温室大棚监控系统的不断发展，温室大棚系统的计算机操作界面将朝着人性化、一键式操作方向发展，参数的设定修改更加便捷；单片机等硬件电路将形成固定的模块，统一的接口形式维护更加方便。

（3）网络化：目前借助手机、电脑等设备及相关软件能够实现温室大棚内简单环境数据的短信发送及网络传输。欧美发达国家已经实现了温室大棚的部分网络化管理，网络化程度不断提高。借助于各种网络终端把温室大棚内部各种设备接入网络，把所有信息汇总到一台计算机，对大片温室进行管理，随着网络化的提高效率也不断提高。

（4）系统价格不断降低：现有温室大棚监控系统大都用于科学研究和一些栽培高端作物的温室中，农民自建温室大棚还沿用手工方式进行操作，其中一个重要的原因就是现有系统价格比较昂贵，超出了中小型温室大棚所有者的负担能力。随着电子产品价格不断降低和温室大棚监控系统的广泛应用，温室大棚监控系统的价格将不断下降。

5 结论

温室大棚因其经济效益优于传统种植业，已经成为我国农业的重要重要部分，无论是对促进农民增收还是缓解冬季蔬菜瓜果供应问题都有重要意义。目前我国温室大棚的面积已经跃居世界第一，随着经济的发展温室大棚的数量和规模还将不断增长。我国目前用于蔬菜、水果等生产的温室大棚仍使用手动工具测量的方法，劳动量大且测量结果易出错。温室大棚监控系统可以极大提高生产率，减轻管理人员的劳动量，增加产量、节约资源。温室大棚管理的智能化及无人化植物工厂是科技发展的必然结果，并将逐渐改变原有温室大棚的生产方式。

[1]宋志伟，张宝生．植物生产与环境[M]．北京：高等教育出版社，2006：101～156.

[2]康错．温室管理论坛：探讨温室发展之路[J]．中国花卉园艺，2010（9）：14．

[3]于海业，马成林，陈晓光．发达国家温室设施自动化研究现状[J]．农业工程学报，1997（曾刊）：13.

[4]葛志军，傅理．国内外温室发展现状与研究进展[J]．安徽农业科学，2008，36（35）：15751～15753.

[5]彭高丰．温室大棚环境智能自动测量与调节系统研究[J]．计算机测量与控制，2012（10）：2664～2665．

[6]林宏．智能化温室大棚环境监控系统研究[J]．河北农业大学学报，2014（5）：131～134.

[7]李伟，段翠芳，滑伟娟．国内外温室监控系统的发展及趋势[J]．农业科技与装备，2010（10）：51～52.

[8]网文．工厂化农业的发展现状与展望[J]．机电信息，2003（19）：21～25．

[9]毛罕平．设施农业的现状与发展[J]．农业技术装备，2007（5）：4～9.

[10]钟钢．国内外温室发展历程现状及趋势[J]．农业科技与装备，2013（9）：68～69.

[11]张建新．蔬菜塑料温室（大棚）的发展历史及现状[J]．山西气象，1993（2）：38.

[12]张震，刘学瑜．我国设施农业发展现状与对策[J]．农业经济问题，2015（5）：64～65．

[13]杨学坤，蒋晓，诸刚．温室环境控制技术的研究现状与发展趋势[J]．中国农机化学报，2013（4）：16～18.

[14]马万征，马万敏．智能温室环境控制的研究现状及发展趋势[J]．北方园艺，2011（23）：179～180.

[16]刘彩梅，张衍华，毕建杰．设施农业的发展现状及对策[J]．河北农业科学，2008，12（7）：120-121.

[17]吴小伟，史志中，钟志堂等．国内温室环境在线控制系统的研究进展[J]．农机化研究，2013（4）：78～83．

Present Situation and Development Trend of Greenhouse EnvironmentMonitoring System

BOYing-nan1，2,GUOHui1，2,ZHANGXue-jun1，2,LIUYu1，2,YANGXiang-fei1，2,SHENG Hui1，2, CHENHeng-feng1，2

(1.Mechanical and Traffic College,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,830052,China;2.Key Laboratory of Xinjiang Agricultural Equipment Innovation Design Laboratory）

The greenhouse internal temperature,hum idity,carbon dioxide concentration and other environmental factorshas close relationship w ith plantgrow th,the rightenvironment can promote plantgrow th or even shorten the plantgrow th cycle,so thegreenhouseenvironmentmonitoring hasavery importantsignificance.Economicaland reliable application greenhouse environmentmonit oring system can improve the production efficiency of the greenhouse.Formore information about the developmentofgreenhouse environmentmonitoring system isconducive to research and developmentof the greenhouse monitoring system.

Greenhouse;Environmental factors;SCM;Sensor

1007-7782（2016）05-0037-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.05.010

S625.5

A

2016-10-10

新疆维吾尔自治区高技术研究发展项目（201411110）

郭辉