自动化移动苗床控制系统的发展现状研究

司慧萍，周 晨，吴军辉，林开颜，陈 杰

( 同济大学 新农村发展研究院，上海 201800 )

自动化移动苗床控制系统的发展现状研究

司慧萍，周 晨，吴军辉，林开颜，陈 杰

( 同济大学 新农村发展研究院，上海 201800 )

随着我国设施农业产业的发展及从业劳动人员的紧缺，自动化移动苗床作为一种全新自动农业生产设备，以其省力、节能的优点逐渐得到了认可和发展，并随着产业的升级而被逐步推广，而苗床控制系统是其核心装置。为此，首先介绍了自动化移动苗床控制系统的国内外发展状况，并对比分析我国在自动化移动苗床控制系统发展中存在的一些问题，结合目前国际上自动化设备的先进技术，对我国自动化移动苗床控制系统未来的发展趋势进行了简单的分析和总结。

移动苗床；自动控制系统；数据采集；物联网；智能

0 引言

目前，温室是我国设施农业的主要形式，截至2009年，我国温室面积已达到300万hm2。其中,大量的温室移动设备主要还是以老式的传统机械为主，而苗床作为设施农业中一种重要的育苗设备在我国部分地区虽已有推广，但仍然还存在机械设备陈旧、自动化水平不高及区域分布不均匀等问题。

“十三五”期间，随着我国制造业转型契机的到来，在“中国制造2025”的大环境下，现代自动化农业设备越来越受到关注和重视，而传统的纯粹依靠人工完成的农业设备成本过高、作业效率低下，不再适应现代农业设备的发展需要。现代自动化农业设备尤其是自动化移动苗床控制系统，作为解决当前人力成本过高及苗盘搬运设备自动化程度过低等问题的一种智能农业控制系统，将得到快速的发展；移动苗床控制系统作为致力于促使现代农业从粗放型向集约型方向发展的一整套智能化移动设备在未来几十年将逐渐被关注与研发。

随着互联网技术与智能制造技术的不断发展，移动苗床控制系统也将与现代IT技术和工业自动化技术相结合，不断推进移动苗床控制系统向智能化方向发展。移动苗床控制系统作为温室移动设备中的重要组成部分，是产品和运输设备之间的沟通纽带，可有效降低劳动力成本、提高设备运输可靠性，具有智慧控制和智能感知的特点。在未来的温室移动设备中，移动苗床控制系统将利用物联网技术和信息传感技术，以一定的协议为基础，更加智能、有效地连接互联网与产品，实现移动苗床控制系统的智能化，促进温室农业设备的可持续发展[1-2]。

1 自动化移动苗床控制系统的现状

1.1 国外的发展现状

近年来，随着现代信息技术的迅猛发展，尤其是高精度伺服系统及嵌入式系统的普遍应用，世界上一些发达国家不断加大农业机械自动化的研究与开发力度，如图1所示。这些研究以市场为导向，以生产成本的降低为主要目标，最终达到降低人力成本及资源合理配置的目标，且研发中相当多的自动化农业机械产品已达到产业化的要求。

图1 以色列温室自动控制系统Fig.1 Automatic control system for greenhouse in Israel

以荷兰为例，作为世界上设施农业发展较为迅速的一个国家，在20世纪中，荷兰在温室园艺生产管理上投入了大量的劳动力，其蔬菜生产34%，花卉和盆栽生产分别为27%与28%，并且劳动力成本还在呈日益增长的趋势[3-4]。为减少劳动成本、降低生产成本、提高生产率，荷兰在20世纪90年代已开始大力发展温室自动化生产装备系统，也包括自动化移动苗床控制系统，目标便是着力将生产作业自动化、信息化、智能化。同时，自动化生产企业也积极投身到创新开发自动控制系统中。例如，世界上知名的温室自动化设备生产厂商“Logiqs”当对积极进行温室自动化产品的开发与研究，该企业研制的自动化苗床设备(见图2)采用先进的伺服控制系统、传感器反馈系统、自动浇灌、照明系统及先进的上位机管理系统，对不同种苗的苗盘进行了集中式管理，不仅提高了自动化生产效率，而且降低了生产成本，提高了经济效益。如今，荷兰通过大力发展自动化移动苗床控制系统，实现温室自动化移动苗床高效自动化生产，同时广泛采用现代自动化技术(如先进物流控制技术、电子信息技术、传感器技术、伺服控制技术及无线通信技术等)，使其大量的温室移动设备实现自动控制，从而形成大型的、完整的、可循环的自动化移动苗床控制系统[3]。

图2 “Logiqs”公司的自动化移动苗床设备Fig.2 "Logiques" company's automatic mobile seedbed equipment

1.2 国内的发展现状

我国温室自动化设备的研制起步比较晚，到20世纪80年代中后期才初步形成了我国温室工程技术体系。当时，对于苗床的研制还仅仅停留在机械结构方面，在研究移动苗床自动控制领域要晚于西方发达国家近10～20年。

过去几十年，我国移动苗床主要以手动式移动苗床为主。此类苗床耗时、耗力，且对于劳动力要求特别高，在苗盘移动过程中要保证上面的种苗不受损伤。由于苗床一般安放在温室中，处于密闭状态，并且温室里对温度、湿度要求都较高，因此工人不能长时间呆在里面，这一局限性也促进了我国温室自动化控制系统的快速发展。近年来，国家对温室自动化设备研发资金不断投入，自动化移动苗床控制系统作为其中一种现代自动化农业控制设备，近几年已从单层人工运输发展成多层自动运输，并且整个苗床自动化相关配套设备已具有一定规模。通过从荷兰、以色列、日本等一些设施农业发展迅速的国家引进现代自动化移动苗床设备，再进行消化、吸收与技术创新，我国许多设施农业生产企业已取得较大的科技成果，有力地推动了我国自动化移动苗床的发展。以杭州恒农科技股份有限公司为例，该公司研发的自动化立体移动苗床系统(见图3)除去机械框架，整个控制系统包括苗床搬运车伺服电机控制系统、天车行走控制系统及计算机生产管理系统。该设备已在上海都市菜园里正式投入使用，说明我国移动苗床设备的自动化水平有了一定的提高[3]。

图3 杭州恒农自动化移动苗床Fig.3 Hangzhou Heng Nong’s automatic mobile seedbed

1.2.1 采用定位精准的伺服控制系统

进入21世纪以来，随着劳动力成本的不断上升，传统的苗床移动设备已满足不了市场的需求。伺服控制系统作为目前国际上比较流行的一种驱动定位系统已被许多发达国家应用在温室自动化设备上。我国在苗床自动搬运设备上也进行了大量的研究，并且结合自身市场的需求，形成了一套完整的伺服定位控制系统。

以上面介绍过的杭州恒农科技股份研发的自动化移动苗床控制系统为例，整个苗床搬运车采用伺服电机作为驱动器，结合苗床架上的传感器形成一个闭环控制系统，通过上位机控制器可将苗床搬运车沿着导轨准确定位在温室工厂里所需要的位置。这一套伺服控制系统也是目前国内比较先进的温室自动化控制系统。

1.2.2 基于计算机物流管理模式已具备一定基础

过去几十年，我国在温室工程技术初具规模时期，大量的温室移动设备包括苗床都采用人工或者半自动的方式来进行搬运作业，可以说在移动苗床自动化运营管理水平方面一直处于落后的状态。近几年，随着计算机控制技术的快速发展，我国已经逐步摆脱传统纯粹依靠人工进行苗床搬运、浇水灌溉、灯光照明的一些固定式苗床设备,取而代之的是通过计算机进行集中管理作业的自动化移动苗床控制系统。

例如,目前已研发出全自动控制的无土栽培营养液灌溉系统、LED自动辅助补光照明系统及基于计算机图像处理技术的育苗选种系统等，并形成了一套相对完整的计算机物流管理模式，从而有效地保证了种苗培育的优良性与科学性。这一自动化管理模式降低了生产企业的劳动力成本，增进了企业的生产效益，也提高了我国温室设备的自动化水平[4-8]。

1.2.3 数据采集与传输更加科学、准确

随着现代传感器、现场总线的广泛应用，过去温室移动苗床上种苗生长数据难以采集与传输的问题将得以解决，目前国内应用比较多的农用传感器有温湿度传感器、位移传感器及照度传感器等。这些传感器构成了整个温室大棚的数据采集系统，为后期计算机分析种苗生长状况环节提供了大量的数据基础，是现代自动化移动苗床控制系统必不可少的一部分。

在现场总线方面，目前应用比较多的主要是以CAN总线为主。它是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议的现场总线，可以实现多主方式工作，通信速度可以达1Mbps/40m , 最大通信距离可达10km,并且开发成本仅为同类现场总线的1/3。由于苗床上种苗的生长情况需要实时监控，数据上传与下达需同步进行，因此CAN总线目前被广泛应用在自动化移动苗床控制系统中[9]。

2 目前自动化移动苗床控制系统存在的问题

我国对自动化移动苗床控制系统的研究开始于20世纪80年代，在近几十年的发展中，通过不断吸收国外农业发达国家的先进技术及自身的研究创新，已取得了良好的成绩；但与荷兰、美国、以色列等一些设施农业比较发达的国家相比，我国在设施农业自动化设备区域分布、自动控制系统可靠性、后期系统维护上存在一定的问题。

2.1 部分地区移动苗床的自动化水平不高

当前，虽然我国在温室自动化移动苗床上取得了举世瞩目的成就，但我国幅员辽阔，目前只有在东部沿海等一些发达城市应用了自动化移动苗床控制系统，而这些地方恰恰土地供应极度紧缺，温室自动化设备难以大面积推广。在设施农业较为集中的内陆中原地区(如河南、新疆等地区)，土地供应面积充足，是发展自动化设施农业的良好区域。由于当地经济发展缓慢的原因，当地许多地区都还是以固定式苗床或者是纯手工移动苗床为主，费时费力，且劳动力成本高，整体跟不上发达地区的苗床自动化水平。因此，与美国、荷兰和日本等发达国家整体的移动苗床自动化水平相比，我国的移动苗床自动化水平还存在一定的差距。

2.2 自动化移动苗床控制系统的可靠性不够

经过几十年的研究与创新，目前我国温室自动化设备在以自动化移动苗床控制系统为核心的基础上，已经形成了一套完整的温室自动化控制系统，但在控制系统的成熟程度(即自动化技术本身的可靠性)方面还有大量的工作要做。例如，在伺服控制电机上位机软件层面，由于程序过于冗杂、CPU运行过慢导致闭环反馈系统出现延时，进而导致苗床搬运车定位可靠性受到一定的影响，出现搬运车定位不准确及定位错误等问题。

相比美国、荷兰和日本等发达国家，在对移动苗床上种苗生长数据的检测与调控技术上，我国研制生产的控制系统虽然能完成数据采集、传输与处理的基本功能，但在长时间、大容量、高负载的温、光、水、气、肥等因子的监测和调控上，国内控制设备的可靠性还远远不够，相比国外差距还是比较大[10-12]。

2.3 自动化移动苗床控制系统的后期维护困难

过去20余年，由于我国设施农业一直处于低位运行的状态，造成自动化移动苗床控制系统方面的专业售后维修人才严重流失。随着近些年设施农业自动化设备的快速发展，我国部分发达地区率先研制出移动苗床自动化设备，虽然这些地区应用已经非常广泛，但绝大多数的技术还是采用国外引进、国内消化的模式，从而造成目前这方面的人才极度匮乏。一旦控制系统出现故障，便可能需要国外的技术支持，企业成本过高、维修周期过长等问题可能会造成自动化设备长时间的闲置，甚至处于报废无人维修的境地[13]。

3 发展趋势

3.1 苗床控制系统更加可靠、地区发展更加均衡

随着我国国民经济的快速发展和人民生活质量的不断提高，苗床控制系统作为设施农业设备中的核心控制系统，其可靠性的设计直接影响到企业的信誉及国家整体设施农业的自动化水平。因此，设施农业控制系统整体的可靠性问题已经引起了国家农业机械管理部门的高度重视，相关部门将陆续采取一系列的措施来保证整个控制系统的可靠性。

未来自动化移动苗床控制系统将告别传统小批量生产的模式，取而代之的是大批量流水线生产，因此在控制系统电子元器件质量上面需得到保障，从而使整个苗床控制系统的硬件可靠性得到逐步的提升。同时，随着国家对设施农业资金扶持力度的不断加大，无论从设备利润还是人才引进方面，将迎来一个良好的窗口期。因此，在资金、人才的双重保障下，未来整体设施农业控制系统的可靠性将得到一定的保证。

在区域苗床自动化控制水平分布方面，随着国家整体经济水平、技术水平的不断提升，未来将逐渐告别东、西部设施农业自动化水平分布不均的现象，取而代之的将是西部土地资源充分地区广泛使用自动化移动苗床控制设备，从而促进我国设施农业的快速发展[14-15]。

3.2 苗床控制系统与物联网技术相结合，向智能化方向发展

3.2.1 机械视觉识别技术

机械视觉识别技术是目前相当流行且发展十分迅速的一门技术，是集数字图象处理、机械工程技术、控制技术、传感器技术及计算机软硬件技术于一体的工业机器视觉应用系统，如图4所示。

图4 机械识别技术Fig.4 Mechanical identification technology

它为机器设备增加了一双眼睛，将计算机的快速识别与人类视觉的高度智能化结合在一起，通过对目标物体图像的采集和处理得出分析结果，并上传到控制系统，实现了机器自主判断的能力。许多发达国家(如美国、日本)已在农业机械视觉识别技术方面进行了深入的研究，如苗床上种苗质量鉴定、获取种苗生长状态信息及种苗种类自动筛选等。机械视觉识别技术的应用将有效减少人工对自动化系统决策的参与，使得自动化移动苗床控制系统得到进一步的提升。目前，我国该技术在设施农业自动化设备上的应用与研究还处于起步阶段，未来随着国家科技不断的进步，机械视觉识别技术在自动化移动苗床控制系统上将得到广泛的应用[16]。

3.2.2 条码识别技术

条码识别技术如图5所示。

图5 条码识别技术Fig.5 Bar code recognition technology

条码识别技术作为一种自动识别技术，始于20世纪中叶的美国，是集光、电、机和计算机于一体，自动采集数据并发送给控制系统，最终实现实时信息的准确传输与获取的自动识别技术，也是迄今为止最为经济、实用的信息管理技术。该技术能够将各个领域的信息数据联系在一起，精确定位高速移动的物体，为实现物流与信息流的同步、提高供应链管理效率提供良好的技术手段。目前，在诸多物流控制系统中已经广泛采用该技术。对于自动化移动苗床控制系统，在分练种苗时往往存在工作量太大、分练错误等问题，如果将各种条形码贴在相应的种苗盆上，然后通过条码阅读器将条形码信息输入到计算机中，再通过计算机对种苗进行分类管理，可有效降低成本及减少搬运取苗错误。因此，条码识别技术与计算机技术相结合未来将广泛应用在苗床控制系统中[17]。

3.2.3 网络通讯技术

目前，自动化移动苗床控制系统数据通讯模块广泛采用以现场总线为主，而未来随着苗床系统对网络实时性、传输速率要求的不断提升，以工业以太网技术为核心的网络通讯技术将逐渐应用在苗床控制系统中，目前众多的工控厂家已经逐渐将自己的工业现场总线向基于以太网技术的通讯技术靠拢。工业以太网顾名思义就是应用在工业上的以太网(见图6)，相比于现场总线，其有以下几大优点：①可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一；②设备成本降低，以太网卡的价格是总线网络价格的1/10；③工业以太网更容易与Internet集成，传输速率更加快[18]。

图6 工业以太网技术Fig.6 Industrial ethernet technology

4 结论

自动化移动苗床控制系统作为育苗输送的一种农业自动化设备，在温室现代化生产中担当着重要的角色。随着我国温室面积的不断扩张及社会生产要求的不断上升，移动苗床自动控制系统的发展是必然的趋势。这种趋势主要体现在智能化自动控制模块的广泛应用及相关技术可靠性的不断完善。同时，随着 “互联网+农业” 概念的提出，从国家政策倾向出发已把农业现代化控制技术提升到国家战略层面，而自动化移动苗床控制系统相关技术不仅减少了劳动力成本、提高了产业效率，而且在摆脱农业机械一直作为低端制造业这一困境方面做出了一定的贡献。因此，在政策、技术、资金的三重推动下，我国设施农业自动化设备将引来良好的发展时期，自动化移动苗床控制系统也将得到快速的发展。

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Research on the Development Status of Automatic Mobile Seedbed Control System

Si Huiping， Zhou Chen， Wu Junhui， Lin Kaiyan, Chen Jie

(Institute for New Rural Development, Tongji University, Shanghai 201804，China)

With the development of China's facility agriculture industry and the shortage of workers, the automatic mobile seedbed has gradually been recognized and developed as a new automatic agricultural production equipment with its advantages of energy-saving and labor-saving, and has been gradually promoted with the upgrading of industry , in which the seedbed control system is the core device. In this paper, firstly，the development status of automatic mobile seedbed control system at home and abroad is introduced, and then some problems in the development of automatic mobile seedbed control system are compared and analyzed. At last, combining with the advanced automation technology in the world, we have a simple analysis and summary for the future development trend of automatic mobile seedbed control system.

mobile seedbed; automatic control system; data acquisition; IoT; intelligence

2016-10-17

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD05B05)

司慧萍(1979 - )，女，上海人，副教授，(E-mail)sihuiping@tongji.edu.cn。

吴军辉(1974 - )，男，上海人，副教授，(E-mail)junhui_wu@163.com。

S233.74

A

1003-188X(2017)12-0258-06