农作物温室环境智能监控系统研究背景意义及国内外现状

农作物温室环境智能监控系统研究背景意 义及国内外现状 1 研究背景及其研究意义 .1 1.1 研究背景概述 1 1.2 项目研究意义 2 2 国内外研究现状 .3 2.1 国外研究现状 3 2.2 国内研究现状 4 1 研究背景及其研究意义 1.1 研究背景概述 农业是国家重要的支柱产业，我国作为世界第一农业大国，农业生产在我 国经济建设和社会发展中占有举足轻重的地位。良好的气候与生态环境条件是 农业生产的重要保障，而我国幅员辽阔，气候与生态环境条件相对恶劣，制约 农业的发展。 我国作为世界第一农业大国，在农业也是积累的相当多的经验和知识，但 我国大部分地区都存在山多土地少，土质不好，土壤资源匮乏，气候条件复杂 多变等劣势，这些劣势对农作物的生长极其不利；况且随着社会的进步，从事 农业生产的人也日趋减少，而社会的对农产品的需求却日益增高，原有农作种 植方式已经不能满足社会发展的需要，必须对传统的农业进行技术更新和改造。 因此，在我国发展现代化农业和生态农业是今后农业发展的必然趋势，推广高 新技术在农业生产中的应用势在必行。而现代温室农业技术就能满足以上的要 求。 温室控制技术主要针对湿度、温度、光照度等温室作物生长必须的外在物 理要素进行调节，以达到作物生长的最佳条件。现代温室控制技术主要是能通 过系统实时采集温室环境的温湿度和光照度，以达到温室植物生长环境实时监 控的目的。近年来，我国在温室控制技术方面也做了很多的研究，并在温室栽 培等方面取得了显著成果。但由于我国在这方面的研究时间不算长，在配套技 术与设备上都比较匮乏，使得环境的监控能力不高，生产力有限。能够实现全 年生产的大型现代化温室很少。而且需要进口温室设备，但投资又太大，需要 的操作人员的素质要求也高。所以我国温室环境控制还有很多地方需要改善与 提高。 温室环境智能监控系统的研究涉及到计算机技术、传感器技术、控制技术、 通讯技术、生物技术以及环境科学等多种技术和学科。在 21 世纪前，由于缺乏 核心技术的支撑，功能齐全的完全智能化的温室环境监控系统实际应用的还不 多。但是，随着无线传感器网络技术的不断发展与成熟，其运用于环境监控方 面的优势逐步突显，其相对廉价的成本和丰富便利的应用功能为温室智能控制 系统的建立提供了有力的技术支撑平台。因此，在我国研究基于无线传感器网 络技术的温室相关控制系统，具有其独特的科研价值和使用性。 1.2 项目研究意义 温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界 四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构 材料可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调 节产期促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目标。 建造温室的目的就是为了模拟适于作物生长的气候条件，创造人工气象环 境以消除外界对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，使其部分或全部克 服外界气候的制约，从而缩短农作物的生长周期，提高作物的产量，获得可观 的经济效益。由于影响作物生长的因素主要是温度、湿度、光照度，所以温室 的主要目的就是要能对温度、湿度、光照度进行监控。也就是温室环境监控， 其平台就是温室环境监控系统。 温室环境测控系统通信方式主要有以下几种，基于 485 总线或 CAN 总线 的有线通信方式，基于 ZigBee 协议、蓝牙的短距离无线通信方式，基于 GPRS、 GSM 的远距离无线通信方式。有线通信方式使得温室内的信号线、动 力线错综复杂，恶劣的温室环境易导致线缆老化，系统可靠性降低，安装维护 难度大，不利于农业机器人等移动设备作业。无线通信方式无需布线、组网灵 活、易升级，无线通信设备可以在网络覆盖范围内随意移动和重新组网，相对 有线通信方式具有明显的优势。 但目前在温室中使用的无线通信方式存在一定的局限性，如蓝牙通信设备 成本高、功耗大(在不充电的情况下仅能工作几周)，当作为主设备时只能连接 7 个从设备；GPRS 和 GSM 通信利用付费的电信网络，频繁的数据传输增加了 温室测控系统的使用成本。而基于 ZigBee 协议提供的无线网络平台集成度高、 可靠性高、功耗低、成本低、体积小，整个网络所使用的无线频率是国际通用 的免费频段(2.42.48 GHz ISM)，传输的方式是抗干扰能力强的直序扩频方 式(DSSS)，网络的自组织、自愈能力强。 但就无线传感器网络技术本身而言，我国在传感器组网方面的研究工作做 得还较少，大多还停留在基础理论跟踪国际研究阶段，缺乏典型的实际应用示 范及产业竞争优势，有必要通过温室实际应用提升我国在这一领域的核心竞争 力。实现温室等设施农业的无线传感网络测控系统将解决目前温室等设施的一 系列缺陷和弊端，有助于实现设施农业生产机械化、自动化，提高设施环境调 控智能化，自动调控温室内的温度、湿度、光照、CO 2 浓度等环境因子，因此 温室无线传感网络测控系统在国内外市场潜在用户巨大、市场前景良好，经济 效益显著。同时将改善温室等设施内工作环境和工作条件，保障农民身体健康， 提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，为我国农业现代化做出贡献。 对于促进农业的增产、增收，推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义。 因此项目实施具有巨大社会效益。 2 国内外研究现状 2.1 国外研究现状 国外对温室光照环境控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用 模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80 年代末出现了 分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控 制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基 础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花 生产技术著称于世，其玻璃温室的控制系统全部由计算机操作。日本研制的蔬 菜塑料大棚在光照、播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化 方面都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物 不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改 变时，其余因素自动做出相应修正或调整，一般以光照条件为始变因素，温度、 湿度和 CO2 浓度为随变因素，使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态。 美国和荷兰还利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进 行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥 控技术，可以观测 50km 以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进 行遥控。韩国为扩大生产规模及降低生产费用，温室内设置了光照控制等环境 因子的自动化装置，但由于有些自动化装置需靠人们根据经验进行控制，因此 没能充分发挥它们的作用，另外，软件的开发也存在一定问题。而目前以色列 走在了发展现代温室高产农业的前列，其先进一体化智能光照控制温室、配套 监控系统软件平台及其相关设备均为世界领先水平，极大程度上弥补了其本国 农业资源、气候环境和基本国情的先天不足。 2.2 国内研究现状 作为世界第一农业大国，我国对于温室光照控制技术的研究较晚，始于 20 世纪 80 年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌 握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于光照、温湿度和 CO2 浓度等单 项环境因子的控制。之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。20 世纪 80 年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了 21.2hm2 连栋温室。由于当时 只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能 耗过高，致使企业相继亏损或停产。90 年代初，我国大型温室跌入了发展的低 谷。 “九五”初期，以进口以色列温室技术为代表的北京中以示范农场的建立， 拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。到 90 年代中后期，在 对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上， 我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。1995 年，北京农业大学研制成 功了“WJG-1 型实验温室环境监控计算机管理系统” ，此系统属于小型分布式 数据采集控制系统，包含了对温室光照、温湿度、灌溉等子系统。1996 年，江 苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统。该系统 能对温度、光照、CO 2 浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温 室控制技术比较典型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型 智能温室系统。该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热 风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。1997