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本科畢業論文(設計)文獻綜述范例
論文題目： 溫室環境測控系統及其發展趨勢
摘要：本文闡述了溫室環境測控系統在國內外的發展情況，包括從溫室誕生起，美國、日本、荷蘭等溫室測控技術發展比較先進的國家在各自領域內的研究成果，以及國內引進溫室技術后，各個高校及專業人員就自己擅長的方面進行探索并取得一定的研究成果。其次淺談了溫室測控系統的發展前沿，即該領域的先進技術，如無線電監控系統、GPRS技術、遠程溫室大棚控制系統等。最后具體講述了溫室測控中主要的影響因素，包括溫度、濕度、光照、CO2濃度，以及當下比較適宜的處理辦法。
關鍵詞: 溫室環境測控;無線電監控;遠程監控
Greenhouse environment controling systems and its
development
Abstract : This paper said the development of the greenhouse environment control system at home and aborad , since the birth of greenhouse , United States , Japan , the Netherlands and other greenhouse monitoring and control technology more advanced countries in their respective areas of research , and after the introduction of greenhouse technology as well as domestic , various universities and professionals to explore their own good and have made certain aspects of the research results . Second ,on the forefront of the development of the greenhouse control system , such as radio control system , GPRS technology , remote control system of greenhouse and so on . Finally , Specific about the main factors of greenhouse monitoring and control , Including temperature, humidity , light , CO2 concentration and the more appropriate approach at present Keyword: greenhouse monitoring and control technology ; radio control system ; remote control system of greenhouse.
引言
目前，我國農業正處于從傳統農業向以優質、高效、高產為目標的現代化農業轉化新階段。而溫室作為現代化設施農業的重要產物，在國內多數地區得到了廣泛應用。溫室可以模擬成一個由人工智能監測的半封閉生態系統，它可以避開外界種種不利因素的影響，人為控[1]制或創造適宜農作物生長的氣候環境。由于溫室中各種環境因素是可以人為控制的，因此控制技術直接決定著溫室中農作物的產量和質量。
溫室測控系統一般包括三個模塊：環境信息采集模塊、數據處理模塊和執行模塊。在目前的測控系統中，環境因子的采集主要包括溫度、濕度、CO2濃度、光照強度、土壤濕度等。
1溫室環境測控在國內外的發展
自二十世紀七十年代溫室誕生以來，各國對測控技術的研究越來越多，也越來越深入，逐步向著網絡化、智能化、綜合化的方向發展[2]
1.1國外溫室技術發展概況
美國是最早發明計算機的國家，也是將計算機應用于溫室控制和管理最早、最多的國家之一。美國開發的溫室計算機控制與管理系統可以根據溫室作物的特點和要求，對溫室內光照、溫度、水、氣、化肥等諸多因子進行自動調控，還可利用溫差管理技術實現對花卉、果蔬等產品的開花和成熟期進行調節及控制。
在日本,作為設施農業主要內容的設施園藝建設相當發達,比如塑料溫室和其它人工栽培設施達到普遍應用,設施栽培面積位居世界前列,蔬菜、花卉、水果等普遍實行設施溫室生產，并針對種苗生產設施的高溫、多濕等不良環境進行了若干設施項目的研究[3],主要有設施內播種裝置、苗接觸刺激裝置、苗灌水裝置和遮光裝置的開閉裝置、缺苗不良苗的檢測及去除和補栽裝置、CO2施肥裝置等方面的自動化研究[4]。
2002年，英國倫敦大學農學院利用計算機遙控技術，可以觀測50km以外溫室內的溫度、濕度等環境狀況并遠程控制。另外針對CO2濃度對作物的影響這一點，溫室中通常安裝通風機,攪動空氣使溫室中的CO2濃度一致[5]。
荷蘭園藝溫室發展較早,由于地處高緯度地區,日照短,全年平均氣溫較低等不利于作物生長的氣候因素,因此集中較大力量發展經濟價值高的鮮花和蔬菜,大規模地發展玻璃溫室和配套的工程設施并且全部采用計算機控制，大大提高了作物的產出及品質要求。
現今隨著科技的不斷發展,國外溫室業正致力于高科技的廣泛應用。遙測技術、網絡技術、控制局域網已逐漸應用于溫室的管理與控制中,近幾年各國溫度控制技術提出建立溫室行業標準并朝著網絡化，大規模，無人化的方向發展[6]。
1.2國內溫室技術發展概況
國內的計算機應用開始于70年代中期,當時主要用于數據的統計分析和計算。自70年代末起,我國陸續從美國、日本、荷蘭等國引進了許多先進的現代化溫室技術,在借鑒及學習發達國家高科技溫室技術的基礎上,我國農業科研工作人員進行了溫室內部溫度、濕度、光照、CO2濃度等環境因子控制技術的綜合研究，在邊學習邊發展的道路上我國溫室技術也有了長足的進步。
早期溫室技術引進是1987年中國農業科學院引進了FELIXC 512系統,并建立了全國農業系統的第一個計算機應用研究機構[7]。到了90年代初期,計算機開始用于溫室的管理和控制領域。
2000年，金鈺研究了工業控制機IPC在自動化溫室控制中的應用[8]。該研究是以工業控制機為核心采集環境信息，控制外圍設施執行控制。實現了溫室的封閉環境控制，但該系統布線復雜,維護困難且成本過高。
2005年，杜輝等研究了基于藍牙技術的分布式溫室監控系統[9]。該系統將藍牙技術和現場總線技術相結合運用于溫室群的監控，提高了系統的可靠性、降低了數據傳輸過程中干擾。但由于藍牙技術本身的不成熟，與其他技術相結合以后會導致系統的紊亂，難以調控，顧該系統的實際應用仍需要深入研究。
2007年，唐娟等研究了基于新型AVR單片機的溫室測控系統[10]。該系統把個體生產和規模化生產相結合，在單個溫室大棚生產實現智能自動化的基礎上實現連棟溫室大棚的規模化生產。
2008年，周茂雷，郭康權研究出了基于ARM7微處理器的溫室控制器系統[11]。該系統能通過AD算法實現溫室各路模擬量、開關量實時動態采集，將采集到的數據經處理后定時保存并送出控制量。
2 溫室技術新型發展
現代化農業設施技術得到了極大的發展，利用不同的先進科技創造了利于作物生長的溫室環境，下面講述了五種新型溫室技術。
2.1無線電監控系統
隨著生產規模的不斷擴大,大棚數量的增多,有線監測系統布線復雜、維護困難、不能任意增加節點等缺點就暴露出來了. 隨著電子技術的發展,出現了一體化的無線收發芯片nRF905，該芯片體積小巧,外圍只需添加少量幾元件即可工作,而且編程簡單，可實現信息的無線傳輸, 以上位機為信息處理終端,構成了溫室大棚環境參數監控系統, 該系統具有無需布線、可以任意增減采集點、結構簡單、功耗低及組網方便等特點,因而具有較高的實用價值[12]
2.2 GPRS技術的應用
GPRS (General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱，是一種基于GSM (Global System for Mobile Communications)系統的無線分組交換技術。同一無線信道又可以由多個用戶共享，只有當某個用戶需要發送或接收數據的時候才會占用信道資源，從而有效地利用了信道資源。監控中心服務器通過GPRS 可以在移動狀態下使用各種采集到的信息數據， 在移動通信服務商提供的GPRS業務平臺上構建溫室大棚環境監控信息數據傳輸系統， 實現智能化溫室控制信息采集點的無線數據傳輸，監控系統同時可以實現資料、指令的反向傳輸，以達到遠程控制的目[13]。的溫室大棚環境監控中心也可以通過服務器來瀏覽各個溫室大棚的作物生長狀況。
2.3 基于CAN和Profibus總線的溫室分布式監控系統
CAN(controller area network)總線是一種分布式實時控制系統的串行通信局域網[14-15],其信號傳輸采用短幀結構,具有傳輸時間短、受干擾的概率低、實時性強、性能好和可靠性高等優點,廣泛應用于各種控制系統中的檢測和執行機構之間的數據通信。
Profibus總線的溫濕度分布式測控系統也和CAN總線的功能差不多。在現有的各種現場總線中, Profi2bus 總線占有很大的市場份額, 并提供了DP、PA3和FMS三種協議類型。
2.4 虛擬儀器的應用
溫室大棚測量系統的發展經過了模擬儀器、分立元件儀器、數字化儀器和智能化儀器,到現在發展到了虛擬儀器。虛擬儀器以計算機為核心組成的虛擬儀器平臺,可以通過不同的虛擬儀器軟件實現多種測試功能,能由虛擬儀器代替部分傳統的儀器硬件,并利用虛擬儀器強大的數據采集和數據分析功能,進行各種信息的處理，然后將結果送出顯示或控制調節機構,調節大棚的環境參數[16]。
2.5 遠程溫室大棚控制系統
為實現農民對大棚的簡捷控制,實現農民增產增收，遠程溫室大棚控制系統顯然是一項值得研究和推廣的工程。該系統實時要求很高, 傳輸距離較遠, 對穩定性以及抗干擾性的要求也很高, CC2Link造價低廉, 能滿足現場環境的通訊要求而成為主要的新型現場通訊方式，另外以太網實時、高速且傳輸距離較遠, 而成為主流的遠程通訊方式。兩者相結合便實現了溫室大棚遠程控制網[17]。
3 影響作物生長的各項因素及處理辦法
作物的生長發育，一方面取決于作物本身的遺傳特性，另一方面取決于外界環境條件。在生產上，則要通過優良的栽培技術及創造適宜的環境條件來控制生長和發育。
影響作物生長發育的主要環境條件包括：溫度(空氣溫度及土壤溫度)、光照(光的強度和光周期)、水分(空氣濕度和土壤濕度)、土壤(土壤肥力及土壤溶液的反應)、空氣(大氣及土壤中空氣的特性，CO2的含量，有毒氣體的含量)、生物條件(土壤微生物及病蟲害)等。下面就溫度、濕度、光照、CO2濃度這四方面進行具體的論述。
3.1 溫度
作物的生長發育環境中以溫度最為敏感，也是最重要的。自然環境下，溫度在時間上隨
四級變化而周期變化，在空間上隨緯度和海拔的升高而降低。
另外在室內的話，由于作物的茂密生長會使得溫度的空間變得比較復雜，實際上溫度的空間分布受室外氣候因子、室內調控方式、植物群體結構的綜合影響，空氣溫度不論在水平方向還是在垂直方向往往都不均勻。
處理辦法：
目前溫室的溫度調控主要包括增溫、保溫、降溫[18]。加溫有熱風采暖系統、熱水采暖系統、土壤加溫三種形式;保溫包括減少貫流放熱和通風換氣量、增大保溫比、增大地表熱流量;降溫最簡單的途徑是通風.
3.2 濕度
適宜的空氣濕度和土壤濕度是溫室內作物健康生長的重要條件。根據研究發現，除了陰雨天以外，室內午后過低的空氣濕度會導致作物發生光合作用的午休現象。
一般情況下，作物適宜的相對濕度是60%～80%。所以溫室內空氣相對濕度的大小直接影響作物的光合作用，影響作物生產的質量;另外，空氣濕度過大，作物植株也易于生病。
土壤濕度對植物的影響也很大，若溫室內排水不良，灌水不當，土壤滲水性不好，造成土壤水分過剩，使土壤中的氧氣減少，植物根部呼吸的水分減少，從而影響植物的水分代謝，阻滯植物的生長或者發生根部腐爛的情況[19]。
處理辦法：
除濕的方法有通風換氣、加溫除濕、覆蓋地膜、使用除濕機、除濕型熱交換通風裝置。 加濕的方法包括噴霧加濕、濕簾加濕、溫室內頂部安裝噴霧系統[20]。這幾種方法除了有加濕功能還可以達到降溫的功效.
3.3 光照強度
光照是作物生長發育的關鍵條件之一。沒有光照，就談不上植物的生長，光照不足，勢必影響植物的生長發育。
光照的強度直接影響到作物光合作用的強度。與室外相比較，室內光明顯的差異表現在數量減少，光質改變及光分布不均勻等三個方面，從而形成獨特的溫室光環境[21]。
處理辦法：人工調節大棚外部設施的方法來改變溫室內的光照強度
(1)改變設施的透光率;
(2)應用反光幕;
(3)人工補光;
(4)遮光。
3.4 CO2濃度
CO2是作物進行光合作用的主要原料，蔬菜作物的產量90%～95%靠光合作用制造。在露天大田生產條件下，空氣中的CO2濃度為300ppm即 0.03%，一般能滿足光合作用的需要，但是在密閉的溫室中栽培蔬菜卻顯得嚴重不足，如果二氧化碳不足，盡管光照好，水分足，植物仍不能進行旺盛的光合作用，使營養物質積累少，作物生長衰弱，難以早熟高產。
處理辦法：增施CO2的方法一般采用兩種方式
(1)短時間通風;
(2)利用CO2發生器人工增施CO2;
小結
本文主要從溫室環境測控的起源及其發展等方面展開討論，對國內外的溫室系統的各個階段的成果及不足之處都做了比較詳細的說明，相對國內而言國外的技術比較成熟，而且在溫控的實施上也會因地域的差別而有所限制，其次簡述了幾項溫室測控的前沿技術，也綜合評價了這些技術的實用性，另外淺談了作物生長的影響因素及解決各種不利因素的調節系統。主要是針對溫度、濕度、光照、CO2濃度這幾點的具體講述。
目前國內的溫室測控系統主要依賴PC機、單片機等作為處理的核心，但運用起來往往對環境調節的準確性低、可靠性差，且成本高，效率低等問題也會相繼出現。另外國內外的控制系統在網絡化、智能化等方面還需要有重大改進。
因此，實現成本低廉、控制效率高、網絡化、智能化程度高的溫室控制系統將是未來農業生產要解決的主要問題。
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