0 引言 溫室生產(chǎn)是一項(xiàng)高投入 、 高產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè) ， 溫室能源 消 耗 的 費(fèi) 用 占 溫 室 生 產(chǎn) 總 費(fèi) 用 的15%40% 1 。 溫 室 內(nèi) 影 響 作 物 生 長 并 可 以 進(jìn) 行 調(diào) 控 的 環(huán) 境 因 子 主 要 有 光 基金項(xiàng)目 ： 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 “ 寒地現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范 ” （20080246 ） 。 第 一 作 者 簡 介 ： 王 君 ， 女 ， 1980 年 出 生 ， 博 士 研 究 生 。 研 究 方 向 ： 農(nóng) 業(yè) 設(shè) 施 環(huán) 境 調(diào) 控 與 節(jié) 能 技 術(shù) 。 通 信 地 址 ： 130022 吉 林 省 長 春 市 南 關(guān) 區(qū) 東 嶺 南 街 怡 通家園12 棟2 門304 室 ， E-mail ： wangj-227163.com 。 通訊作者 ： 于海業(yè) ， 男， 1963 年出生 ， 教授 ， 博士生導(dǎo)師 。 研究方向 ： 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 。E-mail ： haiyejlu.edu.cn 。 收稿日期 ： 2010-02-02， 修回日期 ： 2010-03-03。 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展 王 君 ， 于海業(yè) ， 張 蕾 （ 吉林大學(xué)， 長春130022 ） 摘 要 ： 詳 細(xì) 敘 述 了 國 內(nèi) 外 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 在 軟 硬 件 設(shè) 計(jì) 、 控 制 策 略 的 優(yōu) 化 組 合 、 節(jié) 能 等 方 面 的 研 究 進(jìn) 展 。 指 出 了 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 的 現(xiàn) 存 問 題 ： 第 一 ， 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 在 軟 硬 件 的 設(shè) 計(jì) 上 存 在 著 多 樣 性 ， 不 同 的 設(shè) 計(jì) 方 法 產(chǎn) 生 的 控 制 系 統(tǒng) 無 論 在 控 制 精 度 、 能 源 的 節(jié) 約 、 還 是 控 制 的 有 效 性 方 面 都 存 在 著 很 大 的 差 異 ； 第 二 ， 各 種 控 制 算 法 各 有 優(yōu) 缺 點(diǎn) ， 單 一 的 采 用 某 種 控 制 算 法 ， 不 能 滿 足 溫 室 環(huán) 境 控 制 的 精 度 要 求 ； 第 三 ， 目 前 國 內(nèi) 外 越 來 越 重 視 對 能 源 的 節(jié) 約 ， 但 是 在 節(jié) 約 能 源 的 具 體 實(shí) 現(xiàn) 方 法 上 還 有 待 進(jìn) 一 步 研 究 。 提 出 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 將 向 分 布 式 、 自 動 化 、 智 能 化 、 網(wǎng) 絡(luò) 化 方 向 發(fā) 展 ， 并 應(yīng) 將 專 家 系 統(tǒng) 、 遺 傳 算 法 和 模 糊 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 等 各 種 控 制 算 法 及 仿 真 預(yù) 測 相 融 合 ， 優(yōu) 化 控 制 系 統(tǒng) 的 性 能 ， 合 理 利 用 溫 室 空 間 ， 充 分 節(jié) 約 能 源 ， 以提高能源的利用率 ， 為溫室作物創(chuàng)造最適宜的生長環(huán)境 ， 促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的全面發(fā)展 。 關(guān)鍵詞 ： 環(huán)境控制 ； 節(jié)能 ； 溫室 ； 控制策略 ； 軟硬件 中圖分類號 ： S161.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ： A 論文編號 ： 2010-0347 DevelopmentofEnvironmentControlSysteminGreenhouse Wang Jun, Yu Haiye, Zhang Lei (JiLin University, ChangChun 130022) Abstract: This paper introduced the developments of the greenhouse environment control system in software and hardware, optimization of control algorithm and energy conservation in China and other countries. Several existing problems of the greenhouse environment control system were pointed out: first of all, there is diversity in the design of software and hardware, which made it significant different in the control precision, in energy conservation and in the control effectiveness of the control system; Secondly, each control algorithm has its own advantages and disadvantages, the adoption of a single control algorithm can not satisfy the precision requirements of the environmental control of the greenhouse; Thirdly, there is a growing emphasis on energy conservation at present, but specific realizing methods of energy saving have to be further studied. The orientation of greenhouse control system development will be presented distributed, automated, intelligent and network.-oriented. A variety of control methods such as Expert System, Genetic Algorithm, Fuzzy-Neural Network and simulation should be combined, the performance of the control system should be optimised, the greenhouse space should be rational used and energy saving should be to the full, on purpose of enhancing energy efficiency to create the optimal growth environment for the plants growing in the greenhouse and help the development of the Protected Agriculture. Keywords: environment control; energy conservation; greenhouse; control algorithm; software and hardware 中國農(nóng)學(xué)通報(bào) 2010,26(12):371-375 ChineseAgriculturalScienceBulletin中國農(nóng)學(xué)通報(bào) http:/www.casb.org.cn 照 、 溫 度 、 濕 度 、 包 括CO2 等 的 氣 體 環(huán) 境 和 土 壤 環(huán) 境 。 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 就 是 通 過 調(diào) 節(jié) 這 些 環(huán) 境 因 子 ， 改 善 作物的生長環(huán)境 ， 使作物生長始終處于最佳環(huán)境中 ， 達(dá) 到提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量并節(jié)約能源的目的 。 筆者就 目 前 國 內(nèi) 外 溫 室 環(huán) 境 控 制 在 控 制 系 統(tǒng) 軟 硬 件 的 設(shè) 計(jì) 、 控制策略的優(yōu)化組合和節(jié)能方面的研究進(jìn)展和成果進(jìn) 行 綜 述 ， 指 出 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 的 現(xiàn) 存 問 題 和 發(fā) 展 方 向。 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.1 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 1.1.1 軟件設(shè)計(jì) 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的上位機(jī)一般都采 用PC 機(jī) ， 用VB 、 VC 等 高 級 語 言 編 寫 控 制 軟 件 或 者 KingView 、 MCGS 等 組 態(tài) 軟 件 完 成 現(xiàn) 場 數(shù) 據(jù) 采 集 、 控 制 參 數(shù) 的 設(shè) 置 及 對 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 智 能 控 制 等 功 能 。 如 H.Mirinejad 等 采 用LABVIEW 進(jìn) 行 了 溫 室 自 動 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 和 仿 真 2 ， 獲 得 溫 室 的 最 優(yōu) 環(huán) 境 和 作 物 生 長 因 子 。MAHMOUDOMID 采 用VisualBasic 開 發(fā) 了 監(jiān) 控 軟 件 3 ， 即 可 實(shí) 現(xiàn) 手 動 控 制 ， 也 可 實(shí) 現(xiàn) 自 動 控 制 。 系 統(tǒng) 響 應(yīng) 溫 度 控 制 結(jié) 果 良 好 ， 約10min ， 而 噴 霧 系 統(tǒng) 大 約 需30min 才 能 達(dá) 到 所 需 濕 度 。S.L.Speetjens 等 設(shè) 計(jì) 的 溫 室 環(huán) 境 測 量 和 控 制 系 統(tǒng) 4 ， 3 年 來 的 實(shí) 驗(yàn) 證 明 系 統(tǒng) 具 有 很 好 的 魯 棒 性 ， 其 最 終 目 標(biāo) 是 作 為 基 于 自 適 應(yīng) 模 型 的 水 溫 室 的 多 方 面 后 期 控 制 策 略 的 研 究 和 測 試 的 基 礎(chǔ)。 陳國輝等利用可編程控制器和工控組態(tài)王軟件設(shè) 計(jì) 了 一 套 控 制 系 統(tǒng) 軟 硬 件 方 案 5 ， 從 系 統(tǒng) 初 年 運(yùn) 行 的 效果看 ， 滿足了使用者的要求 。 1.1.2 硬 件 構(gòu) 成 溫 室 智 能 控 制 器 主 要 采 用 單 片 機(jī) （MCU ） 、 工 業(yè) 控 制 機(jī) （IPC ） 和PLC ( 可 編 程 邏 輯 控 制 器) 等 ， 近 幾 年 廣 泛 應(yīng) 用 現(xiàn) 場 總 線 控 制 系 統(tǒng)(FCS) ， 把 系 統(tǒng) 中 各 個(gè) 單 個(gè) 分 散 的 測 量 控 制 設(shè) 備 變 成 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) ， 以 現(xiàn)場總線為紐帶 ， 把它們連結(jié)成可以相互溝通信息 、 共 同 完 成 自 控 任 務(wù) 的 網(wǎng) 絡(luò) 系 統(tǒng) 與 控 制 系 統(tǒng) 。 如Rodrigo Castaneda-Miranda 等 設(shè) 計(jì) 了 基 于 現(xiàn) 場 可 編 程 門 陣 列 的 溫 室 環(huán) 境 模 糊 控 制 系 統(tǒng) 6 ， 模 糊 控 制 器 隸 屬 函 數(shù) 的 產(chǎn) 生 采 用VHDL （ 高 速 集 成 電 路 硬 件 描 述 語 言 ） 而 非 基 于 存 儲 器 單 元 ， 這 使 系 統(tǒng) 效 率 更 高 。D.Kolokotsa 等 開 發(fā) 了 智 能 溫 室 環(huán) 境 和 能 量 管 理 系 統(tǒng) 7 ， 嵌 入 了 農(nóng) 學(xué) 家 和 環(huán) 境 專 家 的 專 家 知 識 ， 易 于 應(yīng) 用 于 任 何 溫 室 并 在 特 定 設(shè)備的支持下獲得所需的設(shè)定值 。 齊云鶴等設(shè)計(jì)的新 型 準(zhǔn) 集 散 式 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 8 ， 通 過 嵌 入 式 數(shù) 據(jù) 集 中 器 采集底層環(huán)境控制器的數(shù)據(jù) ， 上傳主控計(jì)算機(jī) ， 該系統(tǒng) 具有低成本 、 高可靠性的優(yōu)點(diǎn) 。 1.1.3 通 信 方 法 基 于RS-232 、 RS-485、 CAN 等 總 線 控 制模式使得溫室內(nèi)的信號線 、 動力線錯(cuò)綜復(fù)雜 ， 惡劣的 溫室環(huán)境易導(dǎo)致線纜老化 ， 系統(tǒng)可靠性降低 ， 安裝維護(hù) 難 度 大 。 而 基 于 藍(lán) 牙 或ZigBee 協(xié) 議 的 短 距 離 無 線 通 信 方 式 和 基 于GPRS 或GSM 的 遠(yuǎn) 距 離 無 線 通 信 方 式 ， 如BeomJin Kang 等 設(shè) 計(jì) 的 基 于 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 自 動 控 制 系 統(tǒng) 9 ， 將 采 集 到 的 環(huán) 境 和 作 物 信 息 存 儲 在 數(shù) 據(jù) 庫 ， 通 過WEB 實(shí) 現(xiàn) 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 控 ； 孫 忠 富 等 通 過 GPRS 無 線 通 訊 技 術(shù) 建 立 現(xiàn) 場 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 與 互 聯(lián) 網(wǎng) 的 連 接 10 ， 將 實(shí) 時(shí) 采 集 信 息 發(fā) 送 到WEB 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 器 。 為 農(nóng) 業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息通訊中 “ 最后一公里 ” 瓶頸問題提供了一種 便 捷 的 解 決 方 案 ； 韓 華 峰 等 進(jìn) 行 了 基 于ZigBee 協(xié) 議 的 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 技 術(shù) 的 開 發(fā) 11 ， 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 遠(yuǎn) 程 傳 輸 至 指 定 數(shù) 據(jù) 庫 服 務(wù) 器 。 這 些 無 線 通 信 方 式 無 需 布 線 、 組 網(wǎng) 靈 活、 易升級 ， 無線通信設(shè)備可在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)隨意移 動和重新組網(wǎng) ， 相對有線通信方式具有明顯的優(yōu)勢 。 1.2 控制策略的優(yōu)化組合 1.2.1 控制算法 模糊控制算法 、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法 、 專 家 系 統(tǒng) 控 制 算 法 相 繼 應(yīng) 用 于 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 如 于 海 業(yè) 等 提 出 了 一 種 基 于 模 糊 控 制 算 法 的 溫 室 分 季 節(jié) 、 分 時(shí) 段 的 變 溫 管 理 的 控 制 方 法 12 。 該 系 統(tǒng) 能 夠 很 好 地 適 應(yīng) 北 方 溫 室 科 學(xué) 生 產(chǎn) 和 自 動 化 管 理 的 要 求 ， 可 滿 足 溫 室 作 物 栽 培 的 需 要 ； 龍 利 平 等 研 究 的 加 熱 實(shí) 時(shí) 專 家 控 制 系 統(tǒng) 13 ， 在 外 溫 的 強(qiáng) 擾 動 作 用 下 ， 系 統(tǒng) 精 度 控 制 在 0.5 左 右 ， 完 全 滿 足 溫 室 溫 度 控 制 的 要 求 ； 李 紅 軍 等 14 利 用 模 糊 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 器 調(diào) 節(jié) 溫 室 的 溫 度 因 子 ， 采 用 遺 傳 算 法 優(yōu) 化 高 斯 隸 屬 函 數(shù) 的 中 心 值 和 閾 寬 ， 用 BP 算 法 優(yōu) 化 網(wǎng) 絡(luò) 權(quán) 值 ， 提 高 了 控 制 器 的 學(xué) 習(xí) 和 調(diào) 整 能 力 ； F.Rodr guez 等 15 采 用 分 層 控 制 法 對 溫 室 作 物 生 長 進(jìn) 行 控 制 ， 并 進(jìn) 行 了 實(shí) 驗(yàn) 研 究 。 第 一 個(gè) 實(shí) 驗(yàn) 用 自 適 應(yīng) 和 反 饋 算 法 控 制 溫 室 顯 示 出 良 好 的 性 能 ， 第 二 個(gè) 通 過模型預(yù)測控制算法控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)以獲得良好的跟蹤 性能同時(shí)減小燃料消耗費(fèi)用 。 這 些 控 制 算 法 各 有 優(yōu) 缺 點(diǎn) ： 模 糊 控 制 不 需 要 事 先 知道對象的數(shù)學(xué)模型 ， 響應(yīng)速度快 、 超調(diào)小 、 魯棒性好 ， 穩(wěn)態(tài)精度欠佳 ， 只能實(shí)現(xiàn)粗略控制 ； 在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制中 ， 專家系統(tǒng)既可以作為輔助控制 ， 間接緩解對神經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 快 速 學(xué) 習(xí) 的 要 求 ， 也 可 以 通 過 專 家 系 統(tǒng) 方 法 直 接 改 進(jìn) 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 學(xué) 習(xí) 問 題 。 而 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 自 組 織 、 自 學(xué) 習(xí)特性 ， 對環(huán)境變化有適應(yīng)性 ， 具有潛在的克服專家系 統(tǒng) 面 臨 問 題 的 能 力 ， 如 專 家 系 統(tǒng) 存 在 “ 知 識 獲 取 ” 瓶 頸 的問題 ， 性能的 “ 窄臺效應(yīng) ” 等問題 。 1.2.2 溫室的仿真預(yù)測 對溫室環(huán)境進(jìn)行模擬仿真由于 不 需 要 進(jìn) 行 大 量 的 實(shí) 驗(yàn) ， 節(jié) 約 了 大 量 的 人 力 、 財(cái) 力 ， 降 低了運(yùn)行成本 ， 并能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較 ， 進(jìn)而優(yōu)化溫室 控 制 系 統(tǒng) 的 性 能 ， 近 些 年 來 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 如 · · 372Fathi Fourati 等 16 采 用 遞 歸 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 對 溫 室 進(jìn) 行 直 接 動 力 學(xué) 仿 真 ， 逆 向 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 與 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 相 結(jié) 合 以 使 系 統(tǒng) 的 輸 出 所 需 數(shù) 值 ， 并 給 出 仿 真 結(jié) 果 對 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 對 溫 室 的 控 制 性 能 進(jìn) 行 驗(yàn) 證 。J.P.Coelho 等 17 提 出 用 粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)基于模型的溫室空氣溫度預(yù)測控 制 器 ， 并 與 用 遺 傳 算 法 和 逐 步 二 次 規(guī) 劃 算 法 設(shè) 計(jì) 的 控 制 器 進(jìn) 行 了 比 較 ， 仿 真 結(jié) 果 顯 示 用 粒 子 群 優(yōu) 化 算 法 設(shè) 計(jì) 的 基 于 模 型 的 溫 室 空 氣 溫 度 預(yù) 測 控 制 器 效 率 更 高 。 MarcelFuchs 等 18 利 用 作 物 蒸 騰 及 濕 簾 通 風(fēng) 系 統(tǒng) 水 蒸 發(fā) 對 玫 瑰 花 通 風(fēng) 溫 室 進(jìn) 行 蒸 發(fā) 降 溫 ， 測 量 表 明 能 量 平 衡 方 程 的 數(shù) 值 解 精 確 預(yù) 測 了 溫 室 內(nèi) 部 的 作 物 蒸 騰 、 葉 溫 、 空 氣 溫 度 及 濕 度 。N.Bennisdeng 等 19 通 過 溫 度 和 濕 度 兩 個(gè) 變 量 模 擬 和 控 制 溫 室 內(nèi) 部 環(huán) 境 ， 以 使 作 物 處 于 良 好 的 環(huán) 境 狀 態(tài) 并 盡 量 減 少 生 產(chǎn) 成 本 ， 模 擬 結(jié) 果 顯 示 了 較 好 的 性 能 。J.PUCHETA 等 20 設(shè) 計(jì) 了 基 于 最 優(yōu) 控 制 器 的 神 經(jīng) 元 動 態(tài) 程 序 ， 仿 真 結(jié) 果 表 明 控 制 器 展 現(xiàn) 了 很 好 的 性 能 。 胥 芳 等 21 建 立 了 溫 室 環(huán) 境 溫 度 模 糊 專 家 控 制 系 統(tǒng) 的MATLAB 仿 真 模 型 ， 仿 真 結(jié) 果 證 明 了 該 溫室環(huán)境溫度模糊控制策略的有效性及合理性 。 遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 、 粒子群優(yōu)化算法 、 遺傳算法等多種 控 制 算 法 都 在 溫 室 的 仿 真 預(yù) 測 中 得 到 了 應(yīng) 用 ， 采 用 不 同 的 控 制 算 法 設(shè) 計(jì) 的 溫 室 預(yù) 測 控 制 器 效 率 也 不 同 ， 因 此 采 用 什 么 樣 的 控 制 算 法 來 設(shè) 計(jì) 溫 室 控 制 器 ， 以 獲 得 較高的控制效率 ， 是溫室控制中值得研究的一個(gè)方面 。 1.2.3 決策支持系統(tǒng) 決策支持系統(tǒng)為決策者提供分析 問 題 、 建 立 模 型 、 模 擬 決 策 過 程 和 方 案 的 環(huán) 境 ， 調(diào) 用 各 種 信 息 資 源 和 分 析 工 具 ， 幫 助 決 策 者 提 高 決 策 水 平 和 質(zhì) 量 。 如O.Ko¨rner 等 22 設(shè) 計(jì) 的 決 策 支 持 工 具 對 動 態(tài) 溫 室 環(huán) 境 控 制 策 略 進(jìn) 行 決 策 支 持 ， 以 決 定 在 一 年 中 的 哪 個(gè) 星 期 采 用 哪 種 環(huán) 境 控 制 體 系 ， 從 而 獲 得 最 優(yōu) 作 物 品 質(zhì) 。 開 發(fā) 的 工 具 可 用 于 確 定 控 制 策 略 的 能 量 消 耗 。 M.Tchamitchian 等 23 報(bào) 道 了 應(yīng) 用 于 番 茄 生 產(chǎn) 的 基 于 知 識 庫 的 決 策 支 持 系 統(tǒng)SERRISTE ， 可 以 生 成 每 日 各 項(xiàng) 氣 候 控 制 目 標(biāo) 。 系 統(tǒng) 性 能 測 試 顯 示 ， SERRISTE 系 統(tǒng) 溫 室 與 參 考 溫 室 相 比 ， 有 較 高 的 晝 夜 溫 差 和 較 低 的 水 汽 壓 差 ， 節(jié) 能5%20% 。 農(nóng) 業(yè) 領(lǐng) 域 的 專 家 知 識 多 是 描 述性和經(jīng)驗(yàn)性的知識 ， 難以進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述 ， 這給 農(nóng) 業(yè) 決 策 支 持 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 建 帶 來 了 一 定 的 困 難 。 因 此 ， 王 成 等 利 用 聯(lián) 機(jī) 分 析 處 理 實(shí) 現(xiàn) 多 維 數(shù) 據(jù) 分 析 24 ， 然 后 通 過 數(shù) 據(jù) 挖 掘 技 術(shù) 從 數(shù) 據(jù) 倉 庫 中 獲 得 新 的 農(nóng) 業(yè) 知 識 ， 以豐富決策支持系統(tǒng)的知識庫 。 1.3 溫室節(jié)能 1.3.1 溫 室 空 間 的 利 用 在 大 多 數(shù) 溫 室 中 ， 地 面 利 用 率 只 有70%75% ， 而 環(huán) 境 條 件 也 在 控 制 中 的 上 部 空 間 根 本就沒有利用到 。 如果所有的溫室空間都能被利用起 來 種 植 作 物 幼 苗 而 不 互 相 擋 光 ， 那 么 在 一 個(gè) 較 小 的 溫 室就可以較低的平均費(fèi)用種植最大數(shù)目的作物幼苗 。 基 于 此 ， V.P.Sethi 等 采 用 多 層 支 架 托 盤 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 溫 室 空 間 利 用 率 并 進(jìn) 行 了 熱 環(huán) 境 模 擬 和 實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證 25 ， 模 擬 結(jié) 果 和 測 量 值 有 很 好 的 一 致 性 。 計(jì) 算 顯 示 在12 月 和1 月 時(shí) ， 緯 度 為 北 緯30° 、 40° 和50° 的 溫 室 棧 數(shù) 分 別 為5 、 7 和12 。 結(jié) 果 還 表 明 由 于 溫 室 中 增 加 了 大 量 土 壤 （ 托 盤 中 ） 及 減 少 的 地 面 傳 導(dǎo) 損 失 ， 在 陽 光 充 足 時(shí) 存 儲熱量 ， 在沒有光照時(shí)釋放同樣的熱量 ， 因此在傍晚之 前 溫 室 內(nèi) 的 空 氣 溫 度 將 比 室 外 高25 。 在 北 緯30° 的 一 個(gè)3m 高 的 棧 數(shù) 為3 的 溫 室 中 用 多 層 支 架 托 盤 系 統(tǒng) 成 功 培 育 了 萬 壽 菊 （ 裝 飾 花 卉 ） ， 試 驗(yàn) 表 明 這 三 層 托 盤中的萬壽菊生長發(fā)育基本均勻一致 。 中國在這方面 的研究還比較少 ， 如何充分利用溫室空間 ， 以進(jìn)一步提 高溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益 ， 是一項(xiàng)很有意義的研究 。 1.3.2 地面加熱方式 傳統(tǒng)的加溫方式是將溫室整個(gè)空 間的溫度控制在設(shè)定溫度范圍內(nèi) ， 由于加熱空間大 ， 消 耗掉的能源自然也就多 。 采用作物根區(qū)加溫一般僅將 作 物 根 部 溫 度 控 制 在 要 求 的 理 想 狀 態(tài) 下 ， 而 地 上 溫 度 則 從 地 表 到 作 物 冠 層 逐 漸 降 低 ， 作 物 冠 層 以 上 空 間 溫 度 的 高 低 ， 對 作 物 生 長 來 說 ， 可 以 不 予 考 慮 。 因 此 ， 曲 梅 等 26 研 究 了 應(yīng) 用 地 面 加 熱 系 統(tǒng) 的 溫 室 熱 環(huán) 境 ， 測 試 結(jié) 果 表 明 ， 溫 室 有 較 好 的 空 氣 溫 度 分 布 。 溫 度 水 平 分 布 均 勻 ， 南 北 方 向 上 溫 度 差 異 在1 左 右 ； 溫 度 垂 直 梯 度 分 布 為 從 地 面 附 近 到 保 溫 幕 下 氣 溫 逐 漸 降 低 ， 但 溫 度 降 低 幅 度 比 較 小 ， 在1 以 內(nèi) ， 與 傳 統(tǒng) 加 熱 方 式 的 保 溫 幕 下 高 地 面 附 近 低 的 溫 度 垂 直 梯 度 分 布 有 明 顯 不 同 。 溫 室 夜 間 植 物 根 部 溫 度 在1925 。 與 傳 統(tǒng) 加 熱 方 式 相 比 ， 采 用 地 面 加 熱 的 溫 室 熱 環(huán) 境 比 較 有 利 于 植 物 生 長 ， 并 且 節(jié) 約 能 源28% ， 散 熱 器 投 資 費(fèi) 用 可 以 節(jié) 省 34.1%， 每年降低運(yùn)行費(fèi)用3 萬多元 。 1.3.3 積 溫 控 制 策 略 在 溫 室 控 制 中 采 用 “ 積 溫 控 制 策 略 ” ， 盡 可 能 利 用 白 天 的 熱 能 ， 獲 得 盡 可 能 高 的 白 天 溫 度， 夜間則控制盡可能低的溫度 ， 但在某一時(shí)間段內(nèi)的 平 均 溫 度 仍 為 最 適 溫 度 。 利 用 這 種 控 制 技 術(shù) ， 可 以 每 年 減 少10%20% 的 溫 室 能 耗 。 為 此 ， KornerO 等 27 設(shè) 計(jì)了綜合幾天的長期積溫及固定邊界的24h 短期積溫 的日平均溫度的修正積溫程序 ， 對溫室環(huán)境 、 能量消耗 和干物質(zhì)積累進(jìn)行了模擬 。修正后的環(huán)境狀況與常規(guī) 積 溫 相 比 ， 在 同 樣 的±2 長 期 積 溫 帶 寬4.5% （ 常 規(guī) 安 全 設(shè) 置 ） 或 高 達(dá)9% （ 極 端 設(shè) 置 ） 可 以 節(jié) 省 更 多 的 能 量 （ 逐 年 ） 。 作 物 的 光 合 作 用 總 量 提 高 大 約2.5% 。 陳 晴 等 28 對 以 積 溫 理 論 為 基 礎(chǔ) 的 溫 室 節(jié) 能 技 術(shù) 研 究 進(jìn) 展 ， 王 君 等 ： 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 · · 373中國農(nóng)學(xué)通報(bào) http:/www.casb.org.cn 分 析 了 積 溫 理 論 在 中 國 溫 室 產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 展 中 應(yīng) 用 的 可 能 性 。 目 前 國 內(nèi) 關(guān) 于 “ 積 溫 理 論 ” 的 研 究 還 很 少 ， 有 待 廣 大學(xué)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析 。 1.3.4 節(jié) 能 灌 溉 農(nóng) 業(yè) 水 資 源 利 用 率 低 ， 短 缺 與 浪 費(fèi) 現(xiàn) 象 并 存 ， 是 當(dāng) 前 灌 溉 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 面 臨 的 主 要 問 題 。 一 定 的 土 壤 含 水 率 是 作 物 存 活 的 保 證 ， 更 充 分 的 土 壤 含 水 率 會 使 作 物 擁 有 較 大 的 生 物 量 ， 而 過 高 的 土 壤 含 水 率 會 引 起 作 物 的 根 部 腐 爛 ， 并 帶 走 大 量 肥 料 造 成 地 下 水 污染 。 為 此 ， 國 內(nèi) 外 許 多 學(xué) 者 都 設(shè) 計(jì) 了 基 于 模 糊 控 制 的 溫室灌溉系統(tǒng) ， 以節(jié)約用水 ， 提高灌溉生產(chǎn)效益 。 如謝 守 勇 等 29 利 用 模 糊 控 制 技 術(shù) 實(shí) 現(xiàn) 灌 溉 實(shí) 時(shí) 控 制 ， 利 用 MATLAB 語 言 對 其 進(jìn) 行 仿 真 。 通 過 實(shí) 際 溫 室 育 苗 測 試 ， 能 夠 較 好 地 滿 足 溫 室 育 苗 使 用 要 求 。 但 該 研 究 只 將 土 壤 濕 度 信 息 作 為 模 糊 輸 入 量 ， 忽 略 了 作 物 與 環(huán) 境 信 息 ， 決 策 不 夠 準(zhǔn) 確 。 而 實(shí) 際 上 ， 灌 溉 決 策 受 到 土 壤 、 作 物 與 環(huán) 境 多 傳 感 信 息 的 綜 合 影 響 。 基 于 此 ， P.Javadi Kiadeng 設(shè) 計(jì) 了 基 于 模 糊 邏 輯 的 溫 室 智 能 灌 溉 系 統(tǒng) 并 與 傳 統(tǒng) 的 灌 溉 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 了 比 較 30 。 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 ， 采 用 模 糊 邏 輯 控 制 灌 溉 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 利 用 可 靠 的 灌溉模型 、 蒸發(fā)函數(shù) 、 溫室環(huán)境條件 、 土壤類型 、 作物種 類 及 其 他 因 素 ， 有 效 的 估 算 了 作 物 不 同 深 度 的 攝 水 量。 但這些控制系統(tǒng)基于有線連接 ， 系統(tǒng)成本高 ， 限制 了 其 在 大 田 中 的 推 廣 應(yīng) 用 。 因 此 ， 張 偉 等 31 設(shè) 計(jì) 了 基 于ZigBee 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 與 模 糊 控 制 方 法 的 精 細(xì) 灌 溉 系統(tǒng) 。 試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用 、 通信可靠 、 控制 準(zhǔn) 確 性 高 ， 特 別 適 用 于 中 小 型 灌 溉 區(qū) 域 的 精 細(xì) 灌 溉 。 但 該 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 射 功 率 與 能 耗 較 高 ， 今 后 宜 進(jìn) 一 步 研 究 新 型 網(wǎng) 絡(luò) 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 與 組 網(wǎng) 策 略 ， 降 低 節(jié) 點(diǎn)能耗 ， 以適應(yīng)大面積 、 大容量灌溉系統(tǒng) 。 2 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的現(xiàn)存問題 第 一 ， 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 在 軟 硬 件 設(shè) 計(jì) 上 存 在 著 多 樣 性 ， 不 同 的 設(shè) 計(jì) 方 法 產(chǎn) 生 的 控 制 系 統(tǒng) 無 論 在 控 制 精度 、 能源的節(jié)約方面 、 還是控制的有效性方面都存在 著很大的差異 。 第二 ， 各種控制算法各有優(yōu)缺點(diǎn) ， 單一的采用某種 控 制 算 法 ， 不 能 滿 足 溫 室 環(huán) 境 控 制 的 精 度 要 求 。 如 模 糊 控 制 響 應(yīng) 速 度 快 、 超 調(diào) 小 、 過 渡 時(shí) 間 短 ， 但 穩(wěn) 態(tài) 精 度 欠 佳 ， 只 能 實(shí) 現(xiàn) 粗 略 控 制 。BP 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 確 實(shí) 給 溫 室 檢 測 系 統(tǒng) 模 型 的 建 立 帶 來 了 方 便 ， 但 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 是 非 線 性 的， 進(jìn)行穩(wěn)定性分析相當(dāng)困難 。 第三 ， 目前國內(nèi)外越來越重視對能源的節(jié)約 ， 但是 在具體實(shí)現(xiàn)方法上還有待進(jìn)一步研究 。 如文獻(xiàn)中所提 到 的 采 取 多 支 架 托 盤 系 統(tǒng) 能 夠 充 分 利 用 溫 室 空 間 ， 積 溫 理 論 及 地 面 加 熱 系 統(tǒng) 的 應(yīng) 用 能 夠 減 少 能 源 消 耗 ， 采 用模糊灌溉系統(tǒng)能夠節(jié)約水資源 。但是這些方法組合 在 一 起 應(yīng) 用 在 溫 室 中 又 會 產(chǎn) 生 什 么 樣 的 結(jié) 果 ， 能 源 的 節(jié)約又會到什么程度 ， 是一項(xiàng)有重大意義的研究課題 。 3 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展方向 通過對目前國內(nèi)外環(huán)境控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行 分析 ， 提出今后溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展方向 ： （1 ） 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)向分布式 、 自動化 、 智能化 、 網(wǎng) 絡(luò) 化 方 向 發(fā) 展 。 以 計(jì) 算 機(jī) 與 自 動 控 制 技 術(shù) 為 核 心 ， 由 農(nóng) 業(yè) 專 家 系 統(tǒng) 、 信 息 技 術(shù) 、 數(shù) 據(jù) 庫 技 術(shù) 、 作 物 模 擬 模 型 和 組 態(tài) 監(jiān) 控 技 術(shù) 等 組 成 的 技 術(shù) 體 系 ， 是 溫 室 控 制 技 術(shù)的發(fā)展方向 。 （2 ） 各 種 控 制 算 法 及 仿 真 預(yù) 測 相 融 合 。 各 種 控 制 算 法 各 有 優(yōu) 缺 點(diǎn) ， 若 將 各 種 控 制 算 法 與 仿 真 預(yù) 測 有 效 地 結(jié) 合 起 來 ， 會 使 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 能 力 得 到 極 大 提高 ， 使溫室生產(chǎn)達(dá)到節(jié)能降耗 、 優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的 。 （3 ） 合理利用溫室空間 ， 充分節(jié)約能源 。 應(yīng)優(yōu)化控 制系統(tǒng)性能 ， 在給作物創(chuàng)造最優(yōu)生長環(huán)境的同時(shí) ， 采取 各種措施來減少能源的消耗 ， 降低溫室生產(chǎn)成本 ， 提高 溫室的生產(chǎn)效率 。 總 之 ， 未 來 的 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 必 將 越 來 越 以 植 物 生 長 的 最 適 宜 環(huán) 境 為 中 心 ， 以 高 效 、 節(jié) 能 為 目 標(biāo) ， 大 大促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的全面發(fā)展 。 參考文獻(xiàn) 1 周長吉. 現(xiàn)代溫室工程M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2003:138-139. 2 Mirinejad H, Sadati S H, Hasanzadeh S, et al. 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