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)濟建設和社會發(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)也是積累的相當多的經(jīng)驗和知識，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， 氣候條件復雜多變等劣勢，這些劣勢

2、對農(nóng)作物的生長極其不利；況且隨著社會的進步， 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行調(diào)節(jié)， 以達到作物生長的最佳條件。 現(xiàn)代溫室控制技術(shù)主要是能通過系統(tǒng)實時采集溫室環(huán)境的溫濕度和光照度，以達到溫室植物生長環(huán)境實時監(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

3、栽培等方面取得了顯著成果。 但由于我國在這方面的研究時間不算長，在配套技術(shù)與設備上都比較匱乏， 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。 而且需要進口溫室設備， 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)的研究涉及到計算機技術(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)境科學等多種技術(shù)和學科。在21 世紀前，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)實際應用的還不多。但是，隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，其運用于環(huán)境監(jiān)控方面的優(yōu)勢逐步突顯，其相對廉價

4、的成本和豐富便利的應用功能為溫室智能控制系統(tǒng)的建立提供了有力的技術(shù)支撐平臺。因此，在我國研究基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的溫室相關(guān)控制系統(tǒng)，具有其獨特的科研價值和使用性。1.2 項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Ｋ圆晒飧采w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)以達到調(diào)節(jié)產(chǎn)期促進生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目標。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)境因素來促進作物生長，使其部分或全部克服外界氣候的制約， 從而縮

5、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)濟效益。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、藍牙的短距離無線通信方式，基于GPRS、GSM 的遠距離無線通信方式。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，不利于農(nóng)業(yè)機器人等移動設備作業(yè)。無線通信方式無需布線、組網(wǎng)靈活、易升級，無線通信設備可以在網(wǎng)絡覆

6、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。但目前在溫室中使用的無線通信方式存在一定的局限性，如藍牙通信設備成;.本高、功耗大 ( 在不充電的情況下僅能工作幾周) ，當作為主設備時只能連接7個從設備； GPRS 和 GSM 通信利用付費的電信網(wǎng)絡，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)絡平臺集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、體積小，整個網(wǎng)絡所使用的無線頻率是國際通用的免費頻段 (2.4 2.48GHz ISM) ，傳輸?shù)姆绞绞强垢蓴_能力強的直序擴頻方式( DSSS) ，網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強。但就無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)本身而言， 我國在

7、傳感器組網(wǎng)方面的研究工作做得還較少，大多還停留在基礎理論跟蹤國際研究階段， 缺乏典型的實際應用示范及產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢， 有必要通過溫室實際應用提升我國在這一領(lǐng)域的核心競爭力。 實現(xiàn)溫室等設施農(nóng)業(yè)的無線傳感網(wǎng)絡測控系統(tǒng)將解決目前溫室等設施的一系列缺陷和弊端，有助于實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化、 自動化，提高設施環(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)濟效益顯著。 同時將改善溫室等設施內(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。對于

8、促進農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)、增收，推進我國農(nóng)業(yè)智能化進程具有極為重要的意義。 因此項目實施具有巨大社會效益。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 國外研究現(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 70 年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、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)和研制計算機數(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，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、 無人化的方向發(fā)展。 像園藝強國荷蘭， 以先進的鮮花生產(chǎn)技術(shù)著稱于世，其玻璃溫室的控制系統(tǒng)全部由計算機操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在光照、播種、間苗、運苗、灌水、

9、噴藥等作業(yè)的自動化和無人化方面都有應用。;.日本利用計算機控制溫室環(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)境條件輸入計算機程序， 當某一環(huán)境因素發(fā)生改變時， 其余因素自動做出相應修正或調(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)， 實現(xiàn)對花卉、 果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進行控制， 以滿足生產(chǎn)和市場的需要。英國倫敦大學農(nóng)學院研制的溫室計算機遙控技術(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，并進行遙控。韓國為擴大生產(chǎn)規(guī)模及降低生產(chǎn)費用， 溫室內(nèi)設置了光照控制等

10、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)驗進行控制， 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，其先進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)設備均為世界領(lǐng)先水平， 極大程度上彌補了其本國農(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 80 年代。我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達國家溫室控制技術(shù)的基礎上，才掌握了人工氣候室內(nèi)微機控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于光照、溫濕度和CO2 濃度等單項環(huán)境因子的控制。之后，我國的溫室控制技

11、術(shù)得到了迅速發(fā)展。20世紀 80年代，我國先后從歐美和日本等發(fā)達國家引進了21.2 hm2 連棟溫室。由于當時只注重引進溫室設備，而忽略了溫室的管理技術(shù)和栽培技術(shù)， 且引進的溫室能耗過高，致使企業(yè)相繼虧損或停產(chǎn)。 90 年代初，我國大型溫室跌入了發(fā)展的低谷。 “九五”初期，以進口以色列溫室技術(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習和引進國外現(xiàn)代溫室技術(shù)的序幕。到90 年代中后期，在對國外溫室設備配置、溫室栽培品種、 栽培技術(shù)等各個方面進行研究的基礎上，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)大學研制成功了“ WJG-1 型實驗溫室環(huán)境監(jiān)控計算機管理系統(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，江蘇理工大學毛罕平等研制成功了使用工控機進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)機械化科學研究院研制成功了新型智能溫室系統(tǒng)。該系統(tǒng)由大棚本體及通風降溫系統(tǒng)、太陽能貯存系統(tǒng)、燃油熱風加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、計算機環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)等組成。1997