设施农业温室大棚智能控制技术的发展研究

赵 华

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030031）

0 引言

设施农业能够为植物生产提供适宜的生长环境，属于高投入高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业[1]。利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业、环境安全型农业生产及无毒农业，同时也是打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。随着人们对食品安全和质量的要求不断提高，温室大棚作为一种高效的农业种植方式受到越来越多的关注。智能控制装备的应用可进一步提升温室大棚的生产效率和农作物品质[2]。

我国设施农业与发达国家相比目前还存在较大差距，主要表现为设施水平低，抗御自然灾害能力差；机械化程度低，劳动强度大；设施栽培技术不配套，科技含量低。我国温室的覆盖材料差，透光、抗化、防尘等常规要求的性能都远低于国外，并且寿命短；环境控制系统基本靠人工经验管理，多为半机械化操作。加快我国温室智能控制关键技术的开发是我国温室产业走出发展瓶颈的重要一环。目前，我国设施农业的技术开发、管理的高素质人才极度缺乏，温室关键技术的开发管理水平与国外存在较大差距[3]。

1 设施大棚智能控制技术研究的意义

设施农业智能控制技术可实现大棚环境的精确调控，根据作物的需求和生长阶段，自动控制温度、湿度、光照等参数，提供最适宜的生长条件，从而提高产量和质量。智能控制技术还可实现远程监控和管理，农民可通过手机或电脑远程监测大棚环境参数，进行远程控制和调节，提高生产效率和管理便利性。①提高生产效率。温室大棚智能控制设备的使用可以实现对环境参数（如温度、湿度、光照等） 进行精确监测和调控，从而提供最适宜的生长条件给作物。可提高作物的生产效率和产量，缩短生长周期，增加农业生产的可持续性。②节约资源。智能控制设备可对水、肥料和能源进行精确供给和调控，避免浪费和过量使用。通过精确的灌溉、施肥和能源控制，可最大限度地减少资源的浪费，提高资源的利用效率。③优化环境条件。温室大棚智能控制设备可实时监测温室内的环境参数，并根据作物的需求进行调整。通过自动控制温度、湿度、CO2浓度等参数，可提供最适宜的作物生长环境，从而提高作物的产量和品质。④减少人工管理成本。传统的温室大棚管理需要大量的人工参与，而智能控制设备可自动完成一些重复性的任务，如温度调节、灌溉和施肥等。可减少人工管理的工作量和成本，并提高管理的效率和准确性。⑤数据监测和分析。温室大棚智能控制设备可以实时监测和记录温室内的各种环境参数和作物生长情况。通过数据的收集和分析，可为农民提供决策支持和优化管理的参考，提高农业生产的科学性和可控性。

温室大棚智能控制设备可提高生产效率、节约资源、优化环境条件，减少人工管理成本，并通过数据监测和分析提供科学支持，推动农业生产的现代化和可持续发展。

2 设施大棚智能控制技术的发展历程

温室大棚智能控制技术的发展历程可追溯到上世纪80 年代：①初期阶段（20 世纪80 年代—90 年代初）。这一阶段的温室大棚智能控制主要依赖于传感器和计算机控制技术。传感器被用于感知温室内外的环境参数，而计算机控制系统负责采集、处理和控制这些数据。然而，由于硬件设备和通信技术的限制，智能控制系统的功能和应用受到一定的限制。②发展阶段（20 世纪90 年代中期—21 世纪初）。随着计算机和通信技术的快速发展，温室大棚智能控制系统逐渐实现了远程监控和控制的功能。互联网和物联网技术的应用使得温室大棚的数据可以通过网络上传到云平台，实现远程监控和管理。同时，传感器和执行器的性能和精度也得到了改进，提高了智能控制系统的可靠性和准确性。③现代化阶段（21 世纪初—至今）。温室大棚智能控制正朝着现代化方向发展。随着人工智能、大数据和云计算等技术的兴起，智能控制系统的功能进一步提升。通过对大量采集的数据进行分析和挖掘，可实现更精确的环境控制和决策支持。同时，智能控制系统也更加注重节能和环保，通过优化能源利用和资源管理，实现可持续发展。

温室大棚智能控制技术的发展经历了从传感器与计算机控制到远程监控与控制，再到现代化的阶段。随着技术的不断进步，智能控制系统的功能和应用不断提升，为农业生产提供了更高效、精确和可持续的解决方案。

3 设施农业温室大棚智能控制的关键技术

（1） 传感器技术。利用各种传感器来实时监测温室内外的环境参数，如光照强度、温度、湿度、CO2浓度等。利用传感器进行数据采集，可为温室大棚提供准确的环境信息。通过监测温度和湿度的变化，可及时调整温室的通风、加热、降温等设备，以保持适宜的环境条件。

（2） 自动化控制技术。利用自动化控制系统，实时监控和调节温室大棚的灌溉、通风、温度、湿度等参数。自动化控制系统可根据设定的阈值和算法，自动控制各种设备和执行器，实现对温室环境的精确控制。

（3） 数据采集和分析技术。通过数据采集系统对温室内外的环境参数进行实时采集，并将数据传输到中央控制系统。中央控制系统可对大量的数据进行处理和分析，提供决策支持和优化调整。

（4） 人机交互技术。通过人机交互界面，实现对温室大棚的远程监控和操作。操作员可通过计算机、手机等设备，随时随地监控温室的环境参数、设备状态和报警信息，同时可对温室大棚进行远程控制和调整。

（5） 多传感器融合技术。将不同类型的传感器数据进行融合和处理，提高环境监测的准确性和可靠性。例如，可通过融合温度、湿度和光照强度等多个参数，对温室内的生长环境进行精确控制。

（6） 人工智能和决策支持技术。利用人工智能算法和决策支持系统，对温室大棚的环境参数进行实时分析和预测。通过智能算法的优化调整，可实现对温室大棚的能源利用、作物生长和灌溉等方面的最优化控制。

设施农业温室大棚智能控制的关键技术包括传感器技术、自动化控制技术、数据采集和分析技术、人机交互技术、多传感器融合技术、人工智能和决策支持技术等。这些技术的应用可以提高温室大棚的生产效率、资源利用率和环境友好性。

4 设施农业温室大棚智能控制技术的研究现状

（1） 温度和湿度控制。针对温室内的温度和湿度变化，设计和开发了智能控制系统，通过传感器实时监测温湿度数据，并利用控制算法进行自动调节，以实现温室内的恒温恒湿。

（2） 光照控制。光照是温室植物生长的重要因素之一。研究光照传感器和光照控制系统，实现对光照强度和光照时间的精确控制，以提供适宜的光照条件促进植物生长。

（3） CO2浓度控制。温室内的CO2浓度对植物的光合作用和生长有着重要影响。研究人员探索了利用CO2传感器和控制系统来监测和调节温室内的CO2浓度，以提供适宜的CO2水平，促进植物的生长。

（4） 灌溉和营养控制。智能灌溉系统可根据土壤湿度、植物需水量等参数，自动控制灌溉设备的开关，实现精准的灌溉。同时，研究人员探索了利用智能控制系统实现植物营养液的自动配比和供应，以满足植物的营养需求。

（5） 数据监测和分析。智能控制技术可实现温室内环境参数的实时监测和数据记录，通过数据分析和处理，提供温室管理者与决策者所需的信息，以优化温室运营和管理。

目前，温室大棚智能控制装备的研究主要集中在温湿度控制、光照控制、CO2浓度控制、灌溉和营养控制及数据监测和分析等方面[4]。

5 设施农业温室大棚智能控制技术在应用过程中可能面临的一些问题

（1） 技术成本高。智能控制技术的引入需要投入大量的资金，包括购买和安装传感器、控制设备及相关软件系统等。这些费用对于一些小型农户或农场来说可能难以承担，限制了技术的推广应用。

（2） 技术复杂性。智能控制技术往往需要专业的技术人员进行安装、调试和维护。对于缺乏相关技术知识和经验的农民来说，学习和操作这些技术可能存在一定的困难。

（3） 数据处理和分析。智能控制技术会产生大量的数据，如温度、湿度、光照等。如何对这些数据进行有效的处理和分析，提取有用的信息，并进行合理的决策，是一个挑战；同时，数据的安全性和隐私保护也是需要考虑的问题。

（4） 兼容性问题。由于智能控制技术的供应商众多，设备和软件之间的兼容性可能存在问题。不同设备和系统之间的数据交互和通信可能需要额外的工作和投入，增加了技术整合的复杂性。

（5） 可靠性和稳定性。智能控制技术在温室环境中需要稳定运行，一旦出现故障或技术问题，可能会导致温室内的环境变化，影响作物生长。因此，技术的可靠性和稳定性是需要重点关注的问题。

（6） 技术更新和升级。智能控制技术日新月异，不断有新的设备和系统问世。对于农户和农场来说，及时了解和采用最新的技术可能存在一定的困难，需要不断进行技术更新和升级。

针对这些问题，需要政府、科研机构和企业共同努力，提供技术支持、培训和服务，降低技术成本，提高技术可行性和适用性，推动设施农业温室智能控制技术的进一步发展和应用[5]。

6 结语

设施农业温室大棚智能控制技术可以根据作物的需求和环境条件，精确控制温室大棚的温度、湿度、光照等参数，提供最适宜的生长环境，促进作物的健康生长和高产，进一步提高农业生产的效率。还可以根据实时的环境数据和需求进行精确的控制，避免能源和资源的浪费。根据土壤湿度、植物需水量等参数进行自动控制，避免过量或不足的灌溉，提高水的利用效率。通过数据驱动的精准农业管理，可有效降低病虫害的发生率，提高农业生产的可持续性和经济效益。通过云平台和远程监控系统实现远程实时监控和管理。农场管理者可通过手机、平板电脑等终端设备随时随地对温室内的环境和设备进行监测和控制，提高管理的便捷性和有效性。

综上所述，设施农业温室大棚智能控制技术可提高农业生产效率、节约能源和资源、优化水资源利用、实现精准农业管理，并且实现智能化远程监控和管理。随着技术的不断发展和应用的推广，温室大棚智能控制装备将在农业生产中发挥越来越重要的作用。