0 引言 溫室生產是一項高投入 、 高產出的產業(yè) ， 溫室能源 消 耗 的 費 用 占 溫 室 生 產 總 費 用 的15%40% 1 。 溫 室 內 影 響 作 物 生 長 并 可 以 進 行 調 控 的 環(huán) 境 因 子 主 要 有 光 基金項目 ： 吉林省科技發(fā)展計劃項目 “ 寒地現代設施農業(yè)關鍵技術研究與示范 ” （20080246 ） 。 第 一 作 者 簡 介 ： 王 君 ， 女 ， 1980 年 出 生 ， 博 士 研 究 生 。 研 究 方 向 ： 農 業(yè) 設 施 環(huán) 境 調 控 與 節(jié) 能 技 術 。 通 信 地 址 ： 130022 吉 林 省 長 春 市 南 關 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 ， 博士生導師 。 研究方向 ： 農業(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， 長春130022 ） 摘 要 ： 詳 細 敘 述 了 國 內 外 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 在 軟 硬 件 設 計 、 控 制 策 略 的 優(yōu) 化 組 合 、 節(jié) 能 等 方 面 的 研 究 進 展 。 指 出 了 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 的 現 存 問 題 ： 第 一 ， 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 在 軟 硬 件 的 設 計 上 存 在 著 多 樣 性 ， 不 同 的 設 計 方 法 產 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 ， 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 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 現 方 法 上 還 有 待 進 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 絡 化 方 向 發(fā) 展 ， 并 應 將 專 家 系 統(tǒng) 、 遺 傳 算 法 和 模 糊 神 經 網 絡 等 各 種 控 制 算 法 及 仿 真 預 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 ， 促進設施農業(yè)的全面發(fā)展 。 關鍵詞 ： 環(huán)境控制 ； 節(jié)能 ； 溫室 ； 控制策略 ； 軟硬件 中圖分類號 ： S161.2 文獻標志碼 ： 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 中國農學通報 2010,26(12):371-375 ChineseAgriculturalScienceBulletin中國農學通報 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 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 到提高作物的品質和產量并節(jié)約能源的目的 。 筆者就 目 前 國 內 外 溫 室 環(huán) 境 控 制 在 控 制 系 統(tǒng) 軟 硬 件 的 設 計 、 控制策略的優(yōu)化組合和節(jié)能方面的研究進展和成果進 行 綜 述 ， 指 出 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 的 現 存 問 題 和 發(fā) 展 方 向。 1 國內外研究現狀 1.1 控制系統(tǒng)的軟硬件設計 1.1.1 軟件設計 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的上位機一般都采 用PC 機 ， 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 場 數 據 采 集 、 控 制 參 數 的 設 置 及 對 執(zhí) 行 機 構 的 智 能 控 制 等 功 能 。 如 H.Mirinejad 等 采 用LABVIEW 進 行 了 溫 室 自 動 控 制 系 統(tǒng) 的 設 計 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 現 手 動 控 制 ， 也 可 實 現 自 動 控 制 。 系 統(tǒng) 響 應 溫 度 控 制 結 果 良 好 ， 約10min ， 而 噴 霧 系 統(tǒng) 大 約 需30min 才 能 達 到 所 需 濕 度 。S.L.Speetjens 等 設 計 的 溫 室 環(huán) 境 測 量 和 控 制 系 統(tǒng) 4 ， 3 年 來 的 實 驗 證 明 系 統(tǒng) 具 有 很 好 的 魯 棒 性 ， 其 最 終 目 標 是 作 為 基 于 自 適 應 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。 陳國輝等利用可編程控制器和工控組態(tài)王軟件設 計 了 一 套 控 制 系 統(tǒng) 軟 硬 件 方 案 5 ， 從 系 統(tǒng) 初 年 運 行 的 效果看 ， 滿足了使用者的要求 。 1.1.2 硬 件 構 成 溫 室 智 能 控 制 器 主 要 采 用 單 片 機 （MCU ） 、 工 業(yè) 控 制 機 （IPC ） 和PLC ( 可 編 程 邏 輯 控 制 器) 等 ， 近 幾 年 廣 泛 應 用 現 場 總 線 控 制 系 統(tǒng)(FCS) ， 把 系 統(tǒng) 中 各 個 單 個 分 散 的 測 量 控 制 設 備 變 成 網 絡 節(jié) 點 ， 以 現場總線為紐帶 ， 把它們連結成可以相互溝通信息 、 共 同 完 成 自 控 任 務 的 網 絡 系 統(tǒng) 與 控 制 系 統(tǒng) 。 如Rodrigo Castaneda-Miranda 等 設 計 了 基 于 現 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 的 產 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 學 家 和 環(huán) 境 專 家 的 專 家 知 識 ， 易 于 應 用 于 任 何 溫 室 并 在 特 定 設備的支持下獲得所需的設定值 。 齊云鶴等設計的新 型 準 集 散 式 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 8 ， 通 過 嵌 入 式 數 據 集 中 器 采集底層環(huán)境控制器的數據 ， 上傳主控計算機 ， 該系統(tǒng) 具有低成本 、 高可靠性的優(yōu)點 。 1.1.3 通 信 方 法 基 于RS-232 、 RS-485、 CAN 等 總 線 控 制模式使得溫室內的信號線 、 動力線錯綜復雜 ， 惡劣的 溫室環(huán)境易導致線纜老化 ， 系統(tǒng)可靠性降低 ， 安裝維護 難 度 大 。 而 基 于 藍 牙 或ZigBee 協(xié) 議 的 短 距 離 無 線 通 信 方 式 和 基 于GPRS 或GSM 的 遠 距 離 無 線 通 信 方 式 ， 如BeomJin Kang 等 設 計 的 基 于 無 線 傳 感 器 網 絡 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 據 庫 ， 通 過WEB 實 現 遠 程 監(jiān) 控 ； 孫 忠 富 等 通 過 GPRS 無 線 通 訊 技 術 建 立 現 場 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 與 互 聯 網 的 連 接 10 ， 將 實 時 采 集 信 息 發(fā) 送 到WEB 數 據 服 務 器 。 為 農 業(yè)網絡信息通訊中 “ 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 行 了 基 于ZigBee 協(xié) 議 的 傳 感 器 節(jié) 點 技 術 的 開 發(fā) 11 ， 實 現 數 據 遠 程 傳 輸 至 指 定 數 據 庫 服 務 器 。 這 些 無 線 通 信 方 式 無 需 布 線 、 組 網 靈 活、 易升級 ， 無線通信設備可在網絡覆蓋范圍內隨意移 動和重新組網 ， 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 、 神經網絡控制算法 、 專 家 系 統(tǒng) 控 制 算 法 相 繼 應 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 段 的 變 溫 管 理 的 控 制 方 法 12 。 該 系 統(tǒng) 能 夠 很 好 地 適 應 北 方 溫 室 科 學 生 產 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 時 專 家 控 制 系 統(tǒng) 13 ， 在 外 溫 的 強 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 網 絡 控 制 器 調 節(jié) 溫 室 的 溫 度 因 子 ， 采 用 遺 傳 算 法 優(yōu) 化 高 斯 隸 屬 函 數 的 中 心 值 和 閾 寬 ， 用 BP 算 法 優(yōu) 化 網 絡 權 值 ， 提 高 了 控 制 器 的 學 習 和 調 整 能 力 ； F.Rodr guez 等 15 采 用 分 層 控 制 法 對 溫 室 作 物 生 長 進 行 控 制 ， 并 進 行 了 實 驗 研 究 。 第 一 個 實 驗 用 自 適 應 和 反 饋 算 法 控 制 溫 室 顯 示 出 良 好 的 性 能 ， 第 二 個 通 過模型預測控制算法控制執(zhí)行機構以獲得良好的跟蹤 性能同時減小燃料消耗費用 。 這 些 控 制 算 法 各 有 優(yōu) 缺 點 ： 模 糊 控 制 不 需 要 事 先 知道對象的數學模型 ， 響應速度快 、 超調小 、 魯棒性好 ， 穩(wěn)態(tài)精度欠佳 ， 只能實現粗略控制 ； 在模糊神經網絡控 制中 ， 專家系統(tǒng)既可以作為輔助控制 ， 間接緩解對神經 網 絡 快 速 學 習 的 要 求 ， 也 可 以 通 過 專 家 系 統(tǒng) 方 法 直 接 改 進 神 經 網 絡 學 習 問 題 。 而 神 經 網 絡 的 自 組 織 、 自 學 習特性 ， 對環(huán)境變化有適應性 ， 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 ” 等問題 。 1.2.2 溫室的仿真預測 對溫室環(huán)境進行模擬仿真由于 不 需 要 進 行 大 量 的 實 驗 ， 節(jié) 約 了 大 量 的 人 力 、 財 力 ， 降 低了運行成本 ， 并能與實驗結果相比較 ， 進而優(yōu)化溫室 控 制 系 統(tǒng) 的 性 能 ， 近 些 年 來 得 到 了 廣 泛 的 應 用 。 如 372Fathi Fourati 等 16 采 用 遞 歸 神 經 網 絡 對 溫 室 進 行 直 接 動 力 學 仿 真 ， 逆 向 神 經 網 絡 與 神 經 網 絡 模 型 相 結 合 以 使 系 統(tǒng) 的 輸 出 所 需 數 值 ， 并 給 出 仿 真 結 果 對 神 經 網 絡 對 溫 室 的 控 制 性 能 進 行 驗 證 。J.P.Coelho 等 17 提 出 用 粒子群優(yōu)化算法設計基于模型的溫室空氣溫度預測控 制 器 ， 并 與 用 遺 傳 算 法 和 逐 步 二 次 規(guī) 劃 算 法 設 計 的 控 制 器 進 行 了 比 較 ， 仿 真 結 果 顯 示 用 粒 子 群 優(yōu) 化 算 法 設 計 的 基 于 模 型 的 溫 室 空 氣 溫 度 預 測 控 制 器 效 率 更 高 。 MarcelFuchs 等 18 利 用 作 物 蒸 騰 及 濕 簾 通 風 系 統(tǒng) 水 蒸 發(fā) 對 玫 瑰 花 通 風 溫 室 進 行 蒸 發(fā) 降 溫 ， 測 量 表 明 能 量 平 衡 方 程 的 數 值 解 精 確 預 測 了 溫 室 內 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 變 量 模 擬 和 控 制 溫 室 內 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 成 本 ， 模 擬 結 果 顯 示 了 較 好 的 性 能 。J.PUCHETA 等 20 設 計 了 基 于 最 優(yōu) 控 制 器 的 神 經 元 動 態(tài) 程 序 ， 仿 真 結 果 表 明 控 制 器 展 現 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 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 。 遞歸神經網絡 、 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 測 中 得 到 了 應 用 ， 采 用 不 同 的 控 制 算 法 設 計 的 溫 室 預 測 控 制 器 效 率 也 不 同 ， 因 此 采 用 什 么 樣 的 控 制 算 法 來 設 計 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 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 量 。 如O.Korner 等 22 設 計 的 決 策 支 持 工 具 對 動 態(tài) 溫 室 環(huán) 境 控 制 策 略 進 行 決 策 支 持 ， 以 決 定 在 一 年 中 的 哪 個 星 期 采 用 哪 種 環(huán) 境 控 制 體 系 ， 從 而 獲 得 最 優(yōu) 作 物 品 質 。 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 道 了 應 用 于 番 茄 生 產 的 基 于 知 識 庫 的 決 策 支 持 系 統(tǒng)SERRISTE ， 可 以 生 成 每 日 各 項 氣 候 控 制 目 標 。 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 業(yè) 領 域 的 專 家 知 識 多 是 描 述性和經驗性的知識 ， 難以進行精確的數學描述 ， 這給 農 業(yè) 決 策 支 持 系 統(tǒng) 的 構 建 帶 來 了 一 定 的 困 難 。 因 此 ， 王 成 等 利 用 聯 機 分 析 處 理 實 現 多 維 數 據 分 析 24 ， 然 后 通 過 數 據 挖 掘 技 術 從 數 據 倉 庫 中 獲 得 新 的 農 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 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 較 小 的 溫 室就可以較低的平均費用種植最大數目的作物幼苗 。 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 行 了 熱 環(huán) 境 模 擬 和 實 驗 驗 證 25 ， 模 擬 結 果 和 測 量 值 有 很 好 的 一 致 性 。 計 算 顯 示 在12 月 和1 月 時 ， 緯 度 為 北 緯30 、 40 和50 的 溫 室 棧 數 分 別 為5 、 7 和12 。 結 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 損 失 ， 在 陽 光 充 足 時 存 儲熱量 ， 在沒有光照時釋放同樣的熱量 ， 因此在傍晚之 前 溫 室 內 的 空 氣 溫 度 將 比 室 外 高25 。 在 北 緯30 的 一 個3m 高 的 棧 數 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 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 ， 以進一步提 高溫室生產的經濟效益 ， 是一項很有意義的研究 。 1.3.2 地面加熱方式 傳統(tǒng)的加溫方式是將溫室整個空 間的溫度控制在設定溫度范圍內 ， 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 用 地 面 加 熱 系 統(tǒng) 的 溫 室 熱 環(huán) 境 ， 測 試 結 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 ， 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 用 可 以 節(jié) 省 34.1%， 每年降低運行費用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 ， 但在某一時間段內的 平 均 溫 度 仍 為 最 適 溫 度 。 利 用 這 種 控 制 技 術 ， 可 以 每 年 減 少10%20% 的 溫 室 能 耗 。 為 此 ， KornerO 等 27 設 計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 和干物質積累進行了模擬 。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 置 ） 或 高 達9% （ 極 端 設 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 的 溫 室 節(jié) 能 技 術 研 究 進 展 ， 王 君 等 ： 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 373中國農學通報 http:/www.casb.org.cn 分 析 了 積 溫 理 論 在 中 國 溫 室 產 業(yè) 發(fā) 展 中 應 用 的 可 能 性 。 目 前 國 內 關 于 “ 積 溫 理 論 ” 的 研 究 還 很 少 ， 有 待 廣 大學者進行實驗研究和理論分析 。 1.3.4 節(jié) 能 灌 溉 農 業(yè) 水 資 源 利 用 率 低 ， 短 缺 與 浪 費 現 象 并 存 ， 是 當 前 灌 溉 農 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 外 許 多 學 者 都 設 計 了 基 于 模 糊 控 制 的 溫室灌溉系統(tǒng) ， 以節(jié)約用水 ， 提高灌溉生產效益 。 如謝 守 勇 等 29 利 用 模 糊 控 制 技 術 實 現 灌 溉 實 時 控 制 ， 利 用 MATLAB 語 言 對 其 進 行 仿 真 。 通 過 實 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 確 。 而 實 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 計 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 行 了 比 較 30 。 實 驗 結 果 表 明 ， 采 用 模 糊 邏 輯 控 制 灌 溉 系 統(tǒng) 設 計 結 構 簡 單 ， 利 用 可 靠 的 灌溉模型 、 蒸發(fā)函數 、 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 用 。 因 此 ， 張 偉 等 31 設 計 了 基 于ZigBee 無 線 傳 感 網 絡 與 模 糊 控 制 方 法 的 精 細 灌 溉 系統(tǒng) 。 試驗結果表明該系統(tǒng)經濟實用 、 通信可靠 、 控制 準 確 性 高 ， 特 別 適 用 于 中 小 型 灌 溉 區(qū) 域 的 精 細 灌 溉 。 但 該 無 線 傳 感 器 網 絡 節(jié) 點 發(fā) 射 功 率 與 能 耗 較 高 ， 今 后 宜 進 一 步 研 究 新 型 網 絡 拓 撲 結 構 與 組 網 策 略 ， 降 低 節(jié) 點能耗 ， 以適應大面積 、 大容量灌溉系統(tǒng) 。 2 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的現存問題 第 一 ， 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 在 軟 硬 件 設 計 上 存 在 著 多 樣 性 ， 不 同 的 設 計 方 法 產 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 ， 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 速 度 快 、 超 調 小 、 過 渡 時 間 短 ， 但 穩(wěn) 態(tài) 精 度 欠 佳 ， 只 能 實 現 粗 略 控 制 。BP 神 經 網 絡 確 實 給 溫 室 檢 測 系 統(tǒng) 模 型 的 建 立 帶 來 了 方 便 ， 但 神 經 網 絡 是 非 線 性 的， 進行穩(wěn)定性分析相當困難 。 第三 ， 目前國內外越來越重視對能源的節(jié)約 ， 但是 在具體實現方法上還有待進一步研究 。 如文獻中所提 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 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 用 在 溫 室 中 又 會 產 生 什 么 樣 的 結 果 ， 能 源 的 節(jié)約又會到什么程度 ， 是一項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 通過對目前國內外環(huán)境控制系統(tǒng)的研究現狀進行 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 絡 化 方 向 發(fā) 展 。 以 計 算 機 與 自 動 控 制 技 術 為 核 心 ， 由 農 業(yè) 專 家 系 統(tǒng) 、 信 息 技 術 、 數 據 庫 技 術 、 作 物 模 擬 模 型 和 組 態(tài) 監(jiān) 控 技 術 等 組 成 的 技 術 體 系 ， 是 溫 室 控 制 技 術的發(fā)展方向 。 （2 ） 各 種 控 制 算 法 及 仿 真 預 測 相 融 合 。 各 種 控 制 算 法 各 有 優(yōu) 缺 點 ， 若 將 各 種 控 制 算 法 與 仿 真 預 測 有 效 地 結 合 起 來 ， 會 使 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 能 力 得 到 極 大 提高 ， 使溫室生產達到節(jié)能降耗 、 優(yōu)質高產的目的 。 （3 ） 合理利用溫室空間 ， 充分節(jié)約能源 。 應優(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 ， 采取 各種措施來減少能源的消耗 ， 降低溫室生產成本 ， 提高 溫室的生產效率 。 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 ， 大 大促進設施農業(yè)的全面發(fā)展 。 參考文獻 1 周長吉. 現代溫室工程M. 北京: 化學工業(yè)出版社,2003:138-139. 2 Mirinejad H, 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