農(nóng)作物溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)研究背景意義及國內(nèi)外現(xiàn)狀

1、農(nóng)作物溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)研究背景意義及國內(nèi)外現(xiàn)狀1研究背景及其研究意義11.1研究背景概述11.2項(xiàng)目研究意義22國內(nèi)外研究現(xiàn)狀32.1國外研究現(xiàn)狀32.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀41研究背景及其研究意義1.1研究背景概述農(nóng)業(yè)是國家重要的支柱產(chǎn)業(yè)，我國作為世界第一農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中占有舉足輕重的地位。良好的氣候與生態(tài)環(huán)境條件是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要保障，而我國幅員遼闊，氣候與生態(tài)環(huán)境條件相對惡劣，制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展。我國作為世界第一農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)業(yè)也是積累的相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和知識，但我國大部分地區(qū)都存在山多土地少，土質(zhì)不好，土壤資源匱乏，氣候條件復(fù)雜多變等劣勢，這些劣勢對農(nóng)作物的生長極其不利；

2、況且隨著社會的進(jìn)步，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人也日趨減少，而社會的對農(nóng)產(chǎn)品的需求卻日益增高，原有農(nóng)作種植方式已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需要，必須對傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)進(jìn)行技術(shù)更新和改造。因此，在我國發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)是今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，推廣高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用勢在必行。而現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)技術(shù)就能滿足以上的要求。溫室控制技術(shù)主要針對濕度、溫度、光照度等溫室作物生長必須的外在物理要素進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到作物生長的最佳條件?，F(xiàn)代溫室控制技術(shù)主要是能通過系統(tǒng)實(shí)時采集溫室環(huán)境的溫濕度和光照度，以達(dá)到溫室植物生長環(huán)境實(shí)時監(jiān)控的目的。近年來，我國在溫室控制技術(shù)方面也做了很多的研究，并在溫室栽培等方面取得了顯著成果。但由于

3、我國在這方面的研究時間不算長，在配套技術(shù)與設(shè)備上都比較匱乏，使得環(huán)境的監(jiān)控能力不高，生產(chǎn)力有限。能夠?qū)崿F(xiàn)全年生產(chǎn)的大型現(xiàn)代化溫室很少。而且需要進(jìn)口溫室設(shè)備，但投資又太大，需要的操作人員的素質(zhì)要求也高。所以我國溫室環(huán)境控制還有很多地方需要改善與提高。溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、生物技術(shù)以及環(huán)境科學(xué)等多種技術(shù)和學(xué)科。在21世紀(jì)前，由于缺乏核心技術(shù)的支撐，功能齊全的完全智能化的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的還不多。但是，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，其運(yùn)用于環(huán)境監(jiān)控方面的優(yōu)勢逐步突顯，其相對廉價(jià)的成本和豐富便利的應(yīng)用功能為溫室智能控制系統(tǒng)的建立提

4、供了有力的技術(shù)支撐平臺。因此，在我國研究基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室相關(guān)控制系統(tǒng)，具有其獨(dú)特的科研價(jià)值和使用性。1.2項(xiàng)目研究意義 溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期促進(jìn)生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目標(biāo)。建造溫室的目的就是為了模擬適于作物生長的氣候條件，創(chuàng)造人工氣象環(huán)境以消除外界對作物生長不利的環(huán)境因素來促進(jìn)作物生長，使其部分或全部克服外界氣候的制約，從而縮短農(nóng)作物的生長周期，提高作物的產(chǎn)量，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5、由于影響作物生長的因素主要是溫度、濕度、光照度，所以溫室的主要目的就是要能對溫度、濕度、光照度進(jìn)行監(jiān)控。也就是溫室環(huán)境監(jiān)控，其平臺就是溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。溫室環(huán)境測控系統(tǒng)通信方式主要有以下幾種，基于485總線或CAN總線的有線通信方式，基于ZigBee協(xié)議、藍(lán)牙的短距離無線通信方式，基于GPRS、GSM的遠(yuǎn)距離無線通信方式。有線通信方式使得溫室內(nèi)的信號線、動力線錯綜復(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，不利于農(nóng)業(yè)機(jī)器人等移動設(shè)備作業(yè)。無線通信方式無需布線、組網(wǎng)靈活、易升級，無線通信設(shè)備可以在網(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。但目前在溫

6、室中使用的無線通信方式存在一定的局限性，如藍(lán)牙通信設(shè)備成本高、功耗大(在不充電的情況下僅能工作幾周)，當(dāng)作為主設(shè)備時只能連接7個從設(shè)備；GPRS和GSM通信利用付費(fèi)的電信網(wǎng)絡(luò)，頻繁的數(shù)據(jù)傳輸增加了溫室測控系統(tǒng)的使用成本。而基于ZigBee協(xié)議提供的無線網(wǎng)絡(luò)平臺集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、體積小，整個網(wǎng)絡(luò)所使用的無線頻率是國際通用的免費(fèi)頻段(2.42.48 GHz ISM)，傳輸?shù)姆绞绞强垢蓴_能力強(qiáng)的直序擴(kuò)頻方式(DSSS)，網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。但就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本身而言，我國在傳感器組網(wǎng)方面的研究工作做得還較少，大多還停留在基礎(chǔ)理論跟蹤國際研究階段，缺乏典型的實(shí)際應(yīng)用示范及產(chǎn)

7、業(yè)競爭優(yōu)勢，有必要通過溫室實(shí)際應(yīng)用提升我國在這一領(lǐng)域的核心競爭力。實(shí)現(xiàn)溫室等設(shè)施農(nóng)業(yè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)將解決目前溫室等設(shè)施的一系列缺陷和弊端，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化、自動化，提高設(shè)施環(huán)境調(diào)控智能化，自動調(diào)控溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子，因此溫室無線傳感網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)在國內(nèi)外市場潛在用戶巨大、市場前景良好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時將改善溫室等設(shè)施內(nèi)工作環(huán)境和工作條件，保障農(nóng)民身體健康，提高農(nóng)民生活質(zhì)量，有助于解決“三農(nóng)”問題，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化做出貢獻(xiàn)。對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)、增收，推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)智能化進(jìn)程具有極為重要的意義。因此項(xiàng)目實(shí)施具有巨大社會效益。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1國外研

8、究現(xiàn)狀國外對溫室光照環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。像園藝強(qiáng)國荷蘭，以先進(jìn)的鮮花生產(chǎn)技術(shù)著稱于世，其玻璃溫室的控制系統(tǒng)全部由計(jì)算機(jī)操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在光照、播種、間苗、運(yùn)苗、灌水、噴藥等作業(yè)的自動化和無人化方面都有應(yīng)用。日本利用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法，主要是將各種作物不同生長發(fā)育階段所需要的環(huán)境條件輸入計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)

9、某一環(huán)境因素發(fā)生改變時，其余因素自動做出相應(yīng)修正或調(diào)整，一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和CO2濃度為隨變因素，使這四個主要環(huán)境因素隨時處于最佳配合狀態(tài)。美國和荷蘭還利用差溫管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)和市場的需要。英國倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀測50km以外溫室內(nèi)的光、溫、濕、氣和水等環(huán)境狀況，并進(jìn)行遙控。韓國為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模及降低生產(chǎn)費(fèi)用，溫室內(nèi)設(shè)置了光照控制等環(huán)境因子的自動化裝置，但由于有些自動化裝置需靠人們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，因此沒能充分發(fā)揮它們的作用，另外，軟件的開發(fā)也存在一定問題。而目前以色列走在了發(fā)展現(xiàn)代溫室高產(chǎn)農(nóng)業(yè)的前列

10、，其先進(jìn)一體化智能光照控制溫室、配套監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺及其相關(guān)設(shè)備均為世界領(lǐng)先水平，極大程度上彌補(bǔ)了其本國農(nóng)業(yè)資源、氣候環(huán)境和基本國情的先天不足。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀作為世界第一農(nóng)業(yè)大國，我國對于溫室光照控制技術(shù)的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代。我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家溫室控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了人工氣候室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于光照、溫濕度和CO2濃度等單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。之后，我國的溫室控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展。20世紀(jì)80年代，我國先后從歐美和日本等發(fā)達(dá)國家引進(jìn)了21.2hm2連棟溫室。由于當(dāng)時只注重引進(jìn)溫室設(shè)備，而忽略了溫室的管理技術(shù)和栽培技術(shù)，且引進(jìn)的溫室能耗過高，致使企業(yè)相繼

11、虧損或停產(chǎn)。90年代初，我國大型溫室跌入了發(fā)展的低谷?！熬盼濉背跗冢赃M(jìn)口以色列溫室技術(shù)為代表的北京中以示范農(nóng)場的建立，拉開了我國第二次學(xué)習(xí)和引進(jìn)國外現(xiàn)代溫室技術(shù)的序幕。到90年代中后期，在對國外溫室設(shè)備配置、溫室栽培品種、栽培技術(shù)等各個方面進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，我國自主開發(fā)了一些研究性質(zhì)的環(huán)境控制系統(tǒng)。1995年，北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功了“WJG-1型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)”，此系統(tǒng)屬于小型分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，包含了對溫室光照、溫濕度、灌溉等子系統(tǒng)。1996年，江蘇理工大學(xué)毛罕平等研制成功了使用工控機(jī)進(jìn)行管理的植物工廠系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對溫度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)液和施肥等進(jìn)行綜合控制，是目前國產(chǎn)化溫室控制技術(shù)比較典型的研究成果。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制成功了新型智能溫室系統(tǒng)。該系統(tǒng)由大棚本體及通風(fēng)降溫系統(tǒng)、太陽能貯存系統(tǒng)、燃油熱風(fēng)加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)等組成。1997年以