温室环境控制系统的发展

0 引言 温室生产是一项高投入 、 高产出的产业 ， 温室能源 消 耗 的 费 用 占 温 室 生 产 总 费 用 的15%40% 1 。 温 室 内 影 响 作 物 生 长 并 可 以 进 行 调 控 的 环 境 因 子 主 要 有 光 基金项目 ： 吉林省科技发展计划项目 “ 寒地现代设施农业关键技术研究与示范 ” （20080246 ） 。 第 一 作 者 简 介 ： 王 君 ， 女 ， 1980 年 出 生 ， 博 士 研 究 生 。 研 究 方 向 ： 农 业 设 施 环 境 调 控 与 节 能 技 术 。 通 信 地 址 ： 130022 吉 林 省 长 春 市 南 关 区 东 岭 南 街 怡 通家园12 栋2 门304 室 ， E-mail ： wangj-227163.com 。 通讯作者 ： 于海业 ， 男， 1963 年出生 ， 教授 ， 博士生导师 。 研究方向 ： 农业生物环境与能源工程 。E-mail ： haiyejlu.edu.cn 。 收稿日期 ： 2010-02-02， 修回日期 ： 2010-03-03。 温室环境控制系统的发展 王 君 ， 于海业 ， 张 蕾 （ 吉林大学， 长春130022 ） 摘 要 ： 详 细 叙 述 了 国 内 外 温 室 环 境 控 制 系 统 在 软 硬 件 设 计 、 控 制 策 略 的 优 化 组 合 、 节 能 等 方 面 的 研 究 进 展 。 指 出 了 温 室 环 境 控 制 系 统 的 现 存 问 题 ： 第 一 ， 温 室 环 境 控 制 系 统 在 软 硬 件 的 设 计 上 存 在 着 多 样 性 ， 不 同 的 设 计 方 法 产 生 的 控 制 系 统 无 论 在 控 制 精 度 、 能 源 的 节 约 、 还 是 控 制 的 有 效 性 方 面 都 存 在 着 很 大 的 差 异 ； 第 二 ， 各 种 控 制 算 法 各 有 优 缺 点 ， 单 一 的 采 用 某 种 控 制 算 法 ， 不 能 满 足 温 室 环 境 控 制 的 精 度 要 求 ； 第 三 ， 目 前 国 内 外 越 来 越 重 视 对 能 源 的 节 约 ， 但 是 在 节 约 能 源 的 具 体 实 现 方 法 上 还 有 待 进 一 步 研 究 。 提 出 温 室 环 境 控 制 系 统 将 向 分 布 式 、 自 动 化 、 智 能 化 、 网 络 化 方 向 发 展 ， 并 应 将 专 家 系 统 、 遗 传 算 法 和 模 糊 神 经 网 络 等 各 种 控 制 算 法 及 仿 真 预 测 相 融 合 ， 优 化 控 制 系 统 的 性 能 ， 合 理 利 用 温 室 空 间 ， 充 分 节 约 能 源 ， 以提高能源的利用率 ， 为温室作物创造最适宜的生长环境 ， 促进设施农业的全面发展 。 关键词 ： 环境控制 ； 节能 ； 温室 ； 控制策略 ； 软硬件 中图分类号 ： S161.2 文献标志码 ： A 论文编号 ： 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 中国农学通报 2010,26(12):371-375 ChineseAgriculturalScienceBulletin中国农学通报 http:/www.casb.org.cn 照 、 温 度 、 湿 度 、 包 括CO2 等 的 气 体 环 境 和 土 壤 环 境 。 温 室 环 境 控 制 系 统 就 是 通 过 调 节 这 些 环 境 因 子 ， 改 善 作物的生长环境 ， 使作物生长始终处于最佳环境中 ， 达 到提高作物的品质和产量并节约能源的目的 。 笔者就 目 前 国 内 外 温 室 环 境 控 制 在 控 制 系 统 软 硬 件 的 设 计 、 控制策略的优化组合和节能方面的研究进展和成果进 行 综 述 ， 指 出 温 室 环 境 控 制 系 统 的 现 存 问 题 和 发 展 方 向。 1 国内外研究现状 1.1 控制系统的软硬件设计 1.1.1 软件设计 温室环境控制系统的上位机一般都采 用PC 机 ， 用VB 、 VC 等 高 级 语 言 编 写 控 制 软 件 或 者 KingView 、 MCGS 等 组 态 软 件 完 成 现 场 数 据 采 集 、 控 制 参 数 的 设 置 及 对 执 行 机 构 的 智 能 控 制 等 功 能 。 如 H.Mirinejad 等 采 用LABVIEW 进 行 了 温 室 自 动 控 制 系 统 的 设 计 和 仿 真 2 ， 获 得 温 室 的 最 优 环 境 和 作 物 生 长 因 子 。MAHMOUDOMID 采 用VisualBasic 开 发 了 监 控 软 件 3 ， 即 可 实 现 手 动 控 制 ， 也 可 实 现 自 动 控 制 。 系 统 响 应 温 度 控 制 结 果 良 好 ， 约10min ， 而 喷 雾 系 统 大 约 需30min 才 能 达 到 所 需 湿 度 。S.L.Speetjens 等 设 计 的 温 室 环 境 测 量 和 控 制 系 统 4 ， 3 年 来 的 实 验 证 明 系 统 具 有 很 好 的 鲁 棒 性 ， 其 最 终 目 标 是 作 为 基 于 自 适 应 模 型 的 水 温 室 的 多 方 面 后 期 控 制 策 略 的 研 究 和 测 试 的 基 础。 陈国辉等利用可编程控制器和工控组态王软件设 计 了 一 套 控 制 系 统 软 硬 件 方 案 5 ， 从 系 统 初 年 运 行 的 效果看 ， 满足了使用者的要求 。 1.1.2 硬 件 构 成 温 室 智 能 控 制 器 主 要 采 用 单 片 机 （MCU ） 、 工 业 控 制 机 （IPC ） 和PLC ( 可 编 程 逻 辑 控 制 器) 等 ， 近 几 年 广 泛 应 用 现 场 总 线 控 制 系 统(FCS) ， 把 系 统 中 各 个 单 个 分 散 的 测 量 控 制 设 备 变 成 网 络 节 点 ， 以 现场总线为纽带 ， 把它们连结成可以相互沟通信息 、 共 同 完 成 自 控 任 务 的 网 络 系 统 与 控 制 系 统 。 如Rodrigo Castaneda-Miranda 等 设 计 了 基 于 现 场 可 编 程 门 阵 列 的 温 室 环 境 模 糊 控 制 系 统 6 ， 模 糊 控 制 器 隶 属 函 数 的 产 生 采 用VHDL （ 高 速 集 成 电 路 硬 件 描 述 语 言 ） 而 非 基 于 存 储 器 单 元 ， 这 使 系 统 效 率 更 高 。D.Kolokotsa 等 开 发 了 智 能 温 室 环 境 和 能 量 管 理 系 统 7 ， 嵌 入 了 农 学 家 和 环 境 专 家 的 专 家 知 识 ， 易 于 应 用 于 任 何 温 室 并 在 特 定 设备的支持下获得所需的设定值 。 齐云鹤等设计的新 型 准 集 散 式 温 室 控 制 系 统 8 ， 通 过 嵌 入 式 数 据 集 中 器 采集底层环境控制器的数据 ， 上传主控计算机 ， 该系统 具有低成本 、 高可靠性的优点 。 1.1.3 通 信 方 法 基 于RS-232 、 RS-485、 CAN 等 总 线 控 制模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 。 而 基 于 蓝 牙 或ZigBee 协 议 的 短 距 离 无 线 通 信 方 式 和 基 于GPRS 或GSM 的 远 距 离 无 线 通 信 方 式 ， 如BeomJin Kang 等 设 计 的 基 于 无 线 传 感 器 网 络 的 温 室 自 动 控 制 系 统 9 ， 将 采 集 到 的 环 境 和 作 物 信 息 存 储 在 数 据 库 ， 通 过WEB 实 现 远 程 监 控 ； 孙 忠 富 等 通 过 GPRS 无 线 通 讯 技 术 建 立 现 场 监 控 系 统 与 互 联 网 的 连 接 10 ， 将 实 时 采 集 信 息 发 送 到WEB 数 据 服 务 器 。 为 农 业网络信息通讯中 “ 最后一公里 ” 瓶颈问题提供了一种 便 捷 的 解 决 方 案 ； 韩 华 峰 等 进 行 了 基 于ZigBee 协 议 的 传 感 器 节 点 技 术 的 开 发 11 ， 实 现 数 据 远 程 传 输 至 指 定 数 据 库 服 务 器 。 这 些 无 线 通 信 方 式 无 需 布 线 、 组 网 灵 活、 易升级 ， 无线通信设备可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 。 1.2 控制策略的优化组合 1.2.1 控制算法 模糊控制算法 、 神经网络控制算法 、 专 家 系 统 控 制 算 法 相 继 应 用 于 温 室 控 制 系 统 中 ， 如 于 海 业 等 提 出 了 一 种 基 于 模 糊 控 制 算 法 的 温 室 分 季 节 、 分 时 段 的 变 温 管 理 的 控 制 方 法 12 。 该 系 统 能 够 很 好 地 适 应 北 方 温 室 科 学 生 产 和 自 动 化 管 理 的 要 求 ， 可 满 足 温 室 作 物 栽 培 的 需 要 ； 龙 利 平 等 研 究 的 加 热 实 时 专 家 控 制 系 统 13 ， 在 外 温 的 强 扰 动 作 用 下 ， 系 统 精 度 控 制 在 0.5 左 右 ， 完 全 满 足 温 室 温 度 控 制 的 要 求 ； 李 红 军 等 14 利 用 模 糊 神 经 网 络 控 制 器 调 节 温 室 的 温 度 因 子 ， 采 用 遗 传 算 法 优 化 高 斯 隶 属 函 数 的 中 心 值 和 阈 宽 ， 用 BP 算 法 优 化 网 络 权 值 ， 提 高 了 控 制 器 的 学 习 和 调 整 能 力 ； F.Rodr guez 等 15 采 用 分 层 控 制 法 对 温 室 作 物 生 长 进 行 控 制 ， 并 进 行 了 实 验 研 究 。 第 一 个 实 验 用 自 适 应 和 反 馈 算 法 控 制 温 室 显 示 出 良 好 的 性 能 ， 第 二 个 通 过模型预测控制算法控制执行机构以获得良好的跟踪 性能同时减小燃料消耗费用 。 这 些 控 制 算 法 各 有 优 缺 点 ： 模 糊 控 制 不 需 要 事 先 知道对象的数学模型 ， 响应速度快 、 超调小 、 鲁棒性好 ， 稳态精度欠佳 ， 只能实现粗略控制 ； 在模糊神经网络控 制中 ， 专家系统既可以作为辅助控制 ， 间接缓解对神经 网 络 快 速 学 习 的 要 求 ， 也 可 以 通 过 专 家 系 统 方 法 直 接 改 进 神 经 网 络 学 习 问 题 。 而 神 经 网 络 的 自 组 织 、 自 学 习特性 ， 对环境变化有适应性 ， 具有潜在的克服专家系 统 面 临 问 题 的 能 力 ， 如 专 家 系 统 存 在 “ 知 识 获 取 ” 瓶 颈 的问题 ， 性能的 “ 窄台效应 ” 等问题 。 1.2.2 温室的仿真预测 对温室环境进行模拟仿真由于 不 需 要 进 行 大 量 的 实 验 ， 节 约 了 大 量 的 人 力 、 财 力 ， 降 低了运行成本 ， 并能与实验结果相比较 ， 进而优化温室 控 制 系 统 的 性 能 ， 近 些 年 来 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 如 · · 372Fathi Fourati 等 16 采 用 递 归 神 经 网 络 对 温 室 进 行 直 接 动 力 学 仿 真 ， 逆 向 神 经 网 络 与 神 经 网 络 模 型 相 结 合 以 使 系 统 的 输 出 所 需 数 值 ， 并 给 出 仿 真 结 果 对 神 经 网 络 对 温 室 的 控 制 性 能 进 行 验 证 。J.P.Coelho 等 17 提 出 用 粒子群优化算法设计基于模型的温室空气温度预测控 制 器 ， 并 与 用 遗 传 算 法 和 逐 步 二 次 规 划 算 法 设 计 的 控 制 器 进 行 了 比 较 ， 仿 真 结 果 显 示 用 粒 子 群 优 化 算 法 设 计 的 基 于 模 型 的 温 室 空 气 温 度 预 测 控 制 器 效 率 更 高 。 MarcelFuchs 等 18 利 用 作 物 蒸 腾 及 湿 帘 通 风 系 统 水 蒸 发 对 玫 瑰 花 通 风 温 室 进 行 蒸 发 降 温 ， 测 量 表 明 能 量 平 衡 方 程 的 数 值 解 精 确 预 测 了 温 室 内 部 的 作 物 蒸 腾 、 叶 温 、 空 气 温 度 及 湿 度 。N.Bennisdeng 等 19 通 过 温 度 和 湿 度 两 个 变 量 模 拟 和 控 制 温 室 内 部 环 境 ， 以 使 作 物 处 于 良 好 的 环 境 状 态 并 尽 量 减 少 生 产 成 本 ， 模 拟 结 果 显 示 了 较 好 的 性 能 。J.PUCHETA 等 20 设 计 了 基 于 最 优 控 制 器 的 神 经 元 动 态 程 序 ， 仿 真 结 果 表 明 控 制 器 展 现 了 很 好 的 性 能 。 胥 芳 等 21 建 立 了 温 室 环 境 温 度 模 糊 专 家 控 制 系 统 的MATLAB 仿 真 模 型 ， 仿 真 结 果 证 明 了 该 温室环境温度模糊控制策略的有效性及合理性 。 递归神经网络 、 粒子群优化算法 、 遗传算法等多种 控 制 算 法 都 在 温 室 的 仿 真 预 测 中 得 到 了 应 用 ， 采 用 不 同 的 控 制 算 法 设 计 的 温 室 预 测 控 制 器 效 率 也 不 同 ， 因 此 采 用 什 么 样 的 控 制 算 法 来 设 计 温 室 控 制 器 ， 以 获 得 较高的控制效率 ， 是温室控制中值得研究的一个方面 。 1.2.3 决策支持系统 决策支持系统为决策者提供分析 问 题 、 建 立 模 型 、 模 拟 决 策 过 程 和 方 案 的 环 境 ， 调 用 各 种 信 息 资 源 和 分 析 工 具 ， 帮 助 决 策 者 提 高 决 策 水 平 和 质 量 。 如O.Ko¨rner 等 22 设 计 的 决 策 支 持 工 具 对 动 态 温 室 环 境 控 制 策 略 进 行 决 策 支 持 ， 以 决 定 在 一 年 中 的 哪 个 星 期 采 用 哪 种 环 境 控 制 体 系 ， 从 而 获 得 最 优 作 物 品 质 。 开 发 的 工 具 可 用 于 确 定 控 制 策 略 的 能 量 消 耗 。 M.Tchamitchian 等 23 报 道 了 应 用 于 番 茄 生 产 的 基 于 知 识 库 的 决 策 支 持 系 统SERRISTE ， 可 以 生 成 每 日 各 项 气 候 控 制 目 标 。 系 统 性 能 测 试 显 示 ， SERRISTE 系 统 温 室 与 参 考 温 室 相 比 ， 有 较 高 的 昼 夜 温 差 和 较 低 的 水 汽 压 差 ， 节 能5%20% 。 农 业 领 域 的 专 家 知 识 多 是 描 述性和经验性的知识 ， 难以进行精确的数学描述 ， 这给 农 业 决 策 支 持 系 统 的 构 建 带 来 了 一 定 的 困 难 。 因 此 ， 王 成 等 利 用 联 机 分 析 处 理 实 现 多 维 数 据 分 析 24 ， 然 后 通 过 数 据 挖 掘 技 术 从 数 据 仓 库 中 获 得 新 的 农 业 知 识 ， 以丰富决策支持系统的知识库 。 1.3 温室节能 1.3.1 温 室 空 间 的 利 用 在 大 多 数 温 室 中 ， 地 面 利 用 率 只 有70%75% ， 而 环 境 条 件 也 在 控 制 中 的 上 部 空 间 根 本就没有利用到 。 如果所有的温室空间都能被利用起 来 种 植 作 物 幼 苗 而 不 互 相 挡 光 ， 那 么 在 一 个 较 小 的 温 室就可以较低的平均费用种植最大数目的作物幼苗 。 基 于 此 ， V.P.Sethi 等 采 用 多 层 支 架 托 盘 系 统 优 化 温 室 空 间 利 用 率 并 进 行 了 热 环 境 模 拟 和 实 验 验 证 25 ， 模 拟 结 果 和 测 量 值 有 很 好 的 一 致 性 。 计 算 显 示 在12 月 和1 月 时 ， 纬 度 为 北 纬30° 、 40° 和50° 的 温 室 栈 数 分 别 为5 、 7 和12 。 结 果 还 表 明 由 于 温 室 中 增 加 了 大 量 土 壤 （ 托 盘 中 ） 及 减 少 的 地 面 传 导 损 失 ， 在 阳 光 充 足 时 存 储热量 ， 在没有光照时释放同样的热量 ， 因此在傍晚之 前 温 室 内 的 空 气 温 度 将 比 室 外 高25 。 在 北 纬30° 的 一 个3m 高 的 栈 数 为3 的 温 室 中 用 多 层 支 架 托 盘 系 统 成 功 培 育 了 万 寿 菊 （ 装 饰 花 卉 ） ， 试 验 表 明 这 三 层 托 盘中的万寿菊生长发育基本均匀一致 。 中国在这方面 的研究还比较少 ， 如何充分利用温室空间 ， 以进一步提 高温室生产的经济效益 ， 是一项很有意义的研究 。 1.3.2 地面加热方式 传统的加温方式是将温室整个空 间的温度控制在设定温度范围内 ， 由于加热空间大 ， 消 耗掉的能源自然也就多 。 采用作物根区加温一般仅将 作 物 根 部 温 度 控 制 在 要 求 的 理 想 状 态 下 ， 而 地 上 温 度 则 从 地 表 到 作 物 冠 层 逐 渐 降 低 ， 作 物 冠 层 以 上 空 间 温 度 的 高 低 ， 对 作 物 生 长 来 说 ， 可 以 不 予 考 虑 。 因 此 ， 曲 梅 等 26 研 究 了 应 用 地 面 加 热 系 统 的 温 室 热 环 境 ， 测 试 结 果 表 明 ， 温 室 有 较 好 的 空 气 温 度 分 布 。 温 度 水 平 分 布 均 匀 ， 南 北 方 向 上 温 度 差 异 在1 左 右 ； 温 度 垂 直 梯 度 分 布 为 从 地 面 附 近 到 保 温 幕 下 气 温 逐 渐 降 低 ， 但 温 度 降 低 幅 度 比 较 小 ， 在1 以 内 ， 与 传 统 加 热 方 式 的 保 温 幕 下 高 地 面 附 近 低 的 温 度 垂 直 梯 度 分 布 有 明 显 不 同 。 温 室 夜 间 植 物 根 部 温 度 在1925 。 与 传 统 加 热 方 式 相 比 ， 采 用 地 面 加 热 的 温 室 热 环 境 比 较 有 利 于 植 物 生 长 ， 并 且 节 约 能 源28% ， 散 热 器 投 资 费 用 可 以 节 省 34.1%， 每年降低运行费用3 万多元 。 1.3.3 积 温 控 制 策 略 在 温 室 控 制 中 采 用 “ 积 温 控 制 策 略 ” ， 尽 可 能 利 用 白 天 的 热 能 ， 获 得 尽 可 能 高 的 白 天 温 度， 夜间则控制尽可能低的温度 ， 但在某一时间段内的 平 均 温 度 仍 为 最 适 温 度 。 利 用 这 种 控 制 技 术 ， 可 以 每 年 减 少10%20% 的 温 室 能 耗 。 为 此 ， KornerO 等 27 设 计了综合几天的长期积温及固定边界的24h 短期积温 的日平均温度的修正积温程序 ， 对温室环境 、 能量消耗 和干物质积累进行了模拟 。修正后的环境状况与常规 积 温 相 比 ， 在 同 样 的±2 长 期 积 温 带 宽4.5% （ 常 规 安 全 设 置 ） 或 高 达9% （ 极 端 设 置 ） 可 以 节 省 更 多 的 能 量 （ 逐 年 ） 。 作 物 的 光 合 作 用 总 量 提 高 大 约2.5% 。 陈 晴 等 28 对 以 积 温 理 论 为 基 础 的 温 室 节 能 技 术 研 究 进 展 ， 王 君 等 ： 温 室 环 境 控 制 系 统 的 发 展 · · 373中国农学通报 http:/www.casb.org.cn 分 析 了 积 温 理 论 在 中 国 温 室 产 业 发 展 中 应 用 的 可 能 性 。 目 前 国 内 关 于 “ 积 温 理 论 ” 的 研 究 还 很 少 ， 有 待 广 大学者进行实验研究和理论分析 。 1.3.4 节 能 灌 溉 农 业 水 资 源 利 用 率 低 ， 短 缺 与 浪 费 现 象 并 存 ， 是 当 前 灌 溉 农 业 发 展 面 临 的 主 要 问 题 。 一 定 的 土 壤 含 水 率 是 作 物 存 活 的 保 证 ， 更 充 分 的 土 壤 含 水 率 会 使 作 物 拥 有 较 大 的 生 物 量 ， 而 过 高 的 土 壤 含 水 率 会 引 起 作 物 的 根 部 腐 烂 ， 并 带 走 大 量 肥 料 造 成 地 下 水 污染 。 为 此 ， 国 内 外 许 多 学 者 都 设 计 了 基 于 模 糊 控 制 的 温室灌溉系统 ， 以节约用水 ， 提高灌溉生产效益 。 如谢 守 勇 等 29 利 用 模 糊 控 制 技 术 实 现 灌 溉 实 时 控 制 ， 利 用 MATLAB 语 言 对 其 进 行 仿 真 。 通 过 实 际 温 室 育 苗 测 试 ， 能 够 较 好 地 满 足 温 室 育 苗 使 用 要 求 。 但 该 研 究 只 将 土 壤 湿 度 信 息 作 为 模 糊 输 入 量 ， 忽 略 了 作 物 与 环 境 信 息 ， 决 策 不 够 准 确 。 而 实 际 上 ， 灌 溉 决 策 受 到 土 壤 、 作 物 与 环 境 多 传 感 信 息 的 综 合 影 响 。 基 于 此 ， P.Javadi Kiadeng 设 计 了 基 于 模 糊 逻 辑 的 温 室 智 能 灌 溉 系 统 并 与 传 统 的 灌 溉 系 统 进 行 了 比 较 30 。 实 验 结 果 表 明 ， 采 用 模 糊 逻 辑 控 制 灌 溉 系 统 设 计 结 构 简 单 ， 利 用 可 靠 的 灌溉模型 、 蒸发函数 、 温室环境条件 、 土壤类型 、 作物种 类 及 其 他 因 素 ， 有 效 的 估 算 了 作 物 不 同 深 度 的 摄 水 量。 但这些控制系统基于有线连接 ， 系统成本高 ， 限制 了 其 在 大 田 中 的 推 广 应 用 。 因 此 ， 张 伟 等 31 设 计 了 基 于ZigBee 无 线 传 感 网 络 与 模 糊 控 制 方 法 的 精 细 灌 溉 系统 。 试验结果表明该系统经济实用 、 通信可靠 、 控制 准 确 性 高 ， 特 别 适 用 于 中 小 型 灌 溉 区 域 的 精 细 灌 溉 。 但 该 无 线 传 感 器 网 络 节 点 发 射 功 率 与 能 耗 较 高 ， 今 后 宜 进 一 步 研 究 新 型 网 络 拓 扑 结 构 与 组 网 策 略 ， 降 低 节 点能耗 ， 以适应大面积 、 大容量灌溉系统 。 2 温室环境控制系统的现存问题 第 一 ， 温 室 环 境 控 制 系 统 在 软 硬 件 设 计 上 存 在 着 多 样 性 ， 不 同 的 设 计 方 法 产 生 的 控 制 系 统 无 论 在 控 制 精度 、 能源的节约方面 、 还是控制的有效性方面都存在 着很大的差异 。 第二 ， 各种控制算法各有优缺点 ， 单一的采用某种 控 制 算 法 ， 不 能 满 足 温 室 环 境 控 制 的 精 度 要 求 。 如 模 糊 控 制 响 应 速 度 快 、 超 调 小 、 过 渡 时 间 短 ， 但 稳 态 精 度 欠 佳 ， 只 能 实 现 粗 略 控 制 。BP 神 经 网 络 确 实 给 温 室 检 测 系 统 模 型 的 建 立 带 来 了 方 便 ， 但 神 经 网 络 是 非 线 性 的， 进行稳定性分析相当困难 。 第三 ， 目前国内外越来越重视对能源的节约 ， 但是 在具体实现方法上还有待进一步研究 。 如文献中所提 到 的 采 取 多 支 架 托 盘 系 统 能 够 充 分 利 用 温 室 空 间 ， 积 温 理 论 及 地 面 加 热 系 统 的 应 用 能 够 减 少 能 源 消 耗 ， 采 用模糊灌溉系统能够节约水资源 。但是这些方法组合 在 一 起 应 用 在 温 室 中 又 会 产 生 什 么 样 的 结 果 ， 能 源 的 节约又会到什么程度 ， 是一项有重大意义的研究课题 。 3 温室环境控制系统的发展方向 通过对目前国内外环境控制系统的研究现状进行 分析 ， 提出今后温室环境控制系统的发展方向 ： （1 ） 温室环境控制系统向分布式 、 自动化 、 智能化 、 网 络 化 方 向 发 展 。 以 计 算 机 与 自 动 控 制 技 术 为 核 心 ， 由 农 业 专 家 系 统 、 信 息 技 术 、 数 据 库 技 术 、 作 物 模 拟 模 型 和 组 态 监 控 技 术 等 组 成 的 技 术 体 系 ， 是 温 室 控 制 技 术的发展方向 。 （2 ） 各 种 控 制 算 法 及 仿 真 预 测 相 融 合 。 各 种 控 制 算 法 各 有 优 缺 点 ， 若 将 各 种 控 制 算 法 与 仿 真 预 测 有 效 地 结 合 起 来 ， 会 使 温 室 控 制 系 统 的 控 制 能 力 得 到 极 大 提高 ， 使温室生产达到节能降耗 、 优质高产的目的 。 （3 ） 合理利用温室空间 ， 充分节约能源 。 应优化控 制系统性能 ， 在给作物创造最优生长环境的同时 ， 采取 各种措施来减少能源的消耗 ， 降低温室生产成本 ， 提高 温室的生产效率 。 总 之 ， 未 来 的 温 室 环 境 控 制 系 统 必 将 越 来 越 以 植 物 生 长 的 最 适 宜 环 境 为 中 心 ， 以 高 效 、 节 能 为 目 标 ， 大 大促进设施农业的全面发展 。 参考文献 1 周长吉. 现代温室工程M. 北京: 化学工业出版社,2003:138-139. 2 Mirinejad H, Sadati S H, Hasanzadeh S, et al. Design and Simulation of an Automated System for Greenhouse using LABVIEWJ.American-EurasianJ.agric.&Environ.Sci,2008,3(2): 279-284. 3 MAHMOUD OMID. A Computer-Based Monitoring System to Maintain Optimum Air Temperature and Relative Humidity in GreenhousesJ. INTERNATIONAL JOURNAL OF AGRICULTURE&BIOLOGY,2004,6(5):869-873. 4 Speetjens S L, Janssen H J J,G.van Straten,etal. Methodic design of a measurement and control system climate control in horticulture J.ComputersandElectronicsinAgriculture,2008,64:162-172. 5 陈 国 辉, 郭 艳 玲. 基 于PLC 的 日 光 温 室 控 制 系 统 软 硬 件 方 案 研 究 J. 林业机械与木工设备,2005,33(3):17-19. 6 Rodrigo Castaneda-Miranda, Eusebio Ventura-Ramos Jr.,Rebeca del Roc? o Peniche-Vera,etal. Fuzzy Greenhouse Climate Control System based on a Field Programmable Gate ArrayJ. Biosystems Engineering,2006,94(2):165-177. 7 D.Kolokotsa, G. Saridakis, K. Dalamagkidis. Development of an intelligent indoor environment and energy management system for greenhousesJ. Energy Conversion and Management 2010, 51: 155-168. · · 3748 齐 云 鹤, 陈 志 武, 佐 文. 基 于 嵌 入 式 思 想 的 新 型 准 集 散 式 温 室 环 境 控制系统J. 郑州轻工业学院学报: 自然科学版,2006,21(2):80-82. 9 BeomJin Kang, DaeHeon Park, KyungRyung Cho, Et al. A Study on the Greenhouse Auto Control System based on Wireless Sensor NetworkJ. 2008 International Conference on Security Technology, 2008:41-44. 10 孙 忠 富, 曹 洪 太, 李 洪 亮. 等. 基 于GPRS 和WEB 的 温 室 环 境 信 息 采 集系统的实现J. 农业工程学报,2006,22(6):131-134. 11 韩 华 峰, 杜 克 明, 孙 忠 富. 等. 基 于ZigBee 网 络 的 温 室 环 境 远 程 监 控 系统设计与应用J. 农业工程学报,2009,25(7):158-163. 12 于 海 业, 于 立 娟, 陈 丽 梅. 基 于 模 糊 控 制 算 法 的 温 室 变 温 管 理 系 统 J. 农机化研究,2008(5),25-27. 13 龙 利 平, 张 侃 谕. 温 室 加 热 实 时 专 家 控 制 系 统 研 究J. 自 动 化 与 仪 表,2003(3):25-29. 14 李 红 军, 杨 中 平, 胡 真 明. 优 化 的 模 糊 控 制 器 在 温 室 系 统 中 的 应 用 J. 微计算机信息,2007,23(1):38-40. 15 Rodr'guez F, Guzma'n J L, Berenguel M, et al. Adaptive hierarchical control of greenhouse crop productionJ. Adaptive hierarchical control of greenhouse crop production, 2008, 22: 180-197. 16 Fathi Fourati, Mohamed Chtourou. A greenhouse control with feed-forward and recurrent neural networksJ. Simulation ModellingPracticeandTheory,2007,15:1016-1028. 17 J.P.Coelho, P.B. de Moura Oliveira,J. Boaventura Cunha. Greenhouse air temperature