智能温室大棚远程监控系统设计文献综述

文献综述

农业作为我国的第一产业，是支撑国民经济建设与发展的基础产业，在国民经济中扮演着举足轻重的作用。2004 年到 2017 年，我国政府连续十四年发布关于以农业为主题中央一号文件，强调对农业发展的高度关注^[1]。当前，我国正处在由传统农业向现代化农业转变的过渡时期^[2]。传统农业的粗放式和低效率的生产模式正逐渐被高度集约化的精细农业生产方式所替代，从而推进农业生产的信息化，促进农业现代化的发展

随着社会的不断进步，设施农业正成为农业现代化的重要组成部分。设施农业是通过现代化农业工程和机械技术，改造自然环境，为农业生产提供最合适的温度、湿度、光照度、水肥、等环境条件。 温室大棚作为设施农业的重要形式，近年来在我国取得了很快的发展。据统计，截止 2012 年，我国温室大棚总积达到 230 万公顷，居世界之首^[3]。

温室大棚可以不受外界环境、气候的影响，超越地域、季节因素而进行农作物生产，是现代农业精细化生产的突出代表。温室大棚在提高资源利用效率、提升农作物品质、减少劳动力、增加农民收入等方面具有很大的优势^[4]。 然而在温室大棚发展过程中也遇到很多突出问题。大部分农业温室大棚的种植上需要大量的人员参与，依靠个人种植经验。对于影响植物生长的环境因子，大部分传统温室大棚依靠普通仪器采集基本的数据，甚至仅仅依靠人体感知^[5]。而对于温室大棚内的环境参数调节设备，多数只是通过手动按钮现场控制开关。这些因素使得传统温室大棚获取数据精确度低，系统抗干扰能力差，成为农业增产丰收、农民提高收入的障碍。

随着计算机技术、物联网技术、传感器技术以及移动互联网技术的飞速发展，融合以上技术，并将温室大棚环境各种环境参数采集、环境参数调节、植物生长控制策略、农业企业生产管理等集成在一起，研制一套农业温室大棚数字化管理系统成为温室大棚发展的迫切需要。

国外温室大棚技术起步比较早，1949 年，第一个植物人工气象室在美国建成，主要用于研究植物适应自然环境的能力^[11]。从上个世纪70 年代开始，西方发达国家开始重视温室大棚的发展，并不断加大投入力度。经过多年的研究，目前西方发达国家的温室大棚智能化水平不断提高，并且得到了广泛的应用。

在以郁金香而闻名全球的荷兰，智能化的温室大棚花卉培育已经发展的极为成熟。荷兰的 Priva 公司利用工业自动化技术开发了多种智能温室设备，采用现代工业化生产模式，并利用自动控制技术，广泛应用与花卉培育、环境调控、等多个领域，不但满足了国内农业发展需求，而且大量出口到国外市场^[7]。 在干旱缺水的以色列，有一半的国土面积是沙漠。经历了多年的努力，以列的温室大棚从上世纪 80 年代的 1.35 万亩到如今的 3000 多公顷，成为全球人均温室面积最大的国家。以色列温室大棚栽培利用电脑自动控制水、肥和气候，自动调温、调水，克服了土壤质量、干旱天气、缺水带来的种种限制^[8]。高度智能化的温室大棚不仅节约了资源，还提高了作物的质量。以色列在沙漠国上造就出了现代化农业，并将温室计算出口到世界各地。

在邻国日本，人口数量多，耕地面积少一直制约着农业的发展。上个世纪六十年代以来，日本就开始大力发展设施农业，以工业化的生产方式发展农业。2010 年，日本推出了 50 座“植物工厂”，利用高度自动化温室大棚控制系统实现农产品的工业化生产，用于草莓、柑橘、番茄等作物栽培，突破地域、环境的限制，成为全球智能化温室大棚发展的成功典范^[9]。

我国的温室栽培的历史也十分悠久。《汉书-循吏传》中记载“太宫园种冬生韭菜菇，覆以屋庑，昼夜然蕴火，待温气乃生。”从这一段记载中就可以看出，早在西汉的时候，我国就掌握了在室内种植反季节蔬菜的技术^[10]。随后，温室技术的发展经历了纸窗温室、玻璃温室和塑料薄膜温室等多个阶段。目前，我国已经成为全世界温室大棚种植面积最大的国家。 但是，在智能化温室大棚方面，我国的研究起步相对较晚^[19-21]。早期主要直接从国外引进，但由于造价高昂，且大多数难以适应我国国情，因此没有得到大规模的应用。我国在温室大棚智能化方面的自主研究起步于上个世纪九十年代，国内多个学者相继提出了各自的方案。

文献[10]中，我国学者孔国利等人针对传统温室大棚中收放保温卷帘和通风劳动强度大的问题，设计了基于 C8051F020 芯片的温室大棚智能通风控制系统，实现对温室大棚温度的智能调节，但只局限于单因子的调控，难以得到推广。