植物工厂环境控制技术研究
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摘 要：植物工厂环境控制包括营养液配制系统、灌溉系统、通风系统、温度控制系统、移栽机器人及视觉摄像系统，以及计算机控制系统的软硬件构成。对上述系统进行了介绍，并提出了我国植物工厂研究应注意的问题。随着科技进步和国民经济发展，植物工厂技术的应用得到快速推进。植物工厂是现代农业发展的高等级阶段，是一种高技术、高投入、高产出、装备精良的生产体系，植物工厂车间是比较完善的保护地生产设施，利用这种设施可以人工控制环境条件，一年四季进行各类花卉、蔬菜和水果的生产。20世纪以来，科技进步特别是大数据、互联网+、物联网等技术的发展和应用成本的降低，植物工厂车间环境调节和控制技术水平不断提高，植物工厂车间智能综合环境控制系统，在美国、韩国、日本、荷兰、法国和加拿大等国家获得飞速发展，已经进入互联网智能化阶段。
关键词：植物工厂;控制;计算机
中图分类号：S316 文献标识码：A
1 植物工厂车间设施环境
1.1 营养液配制系统
营养液是植物生长基础，营养液配比合理和供给顺畅，是植物生长发育的必要条件。营养液控制系统有两方面的功能，一是根据指令在每个营养液罐内单独配制不同配比的肥料，另一个是根据植物的生长需要进行综合分析，根据分析结果，指令营养液罐的动作机构将营养元素、液体肥料和水混合成不同配比的营养液，供植物根系利用吸收。
1.2 灌溉系统
滴灌和微喷组成了植物工厂车间内的灌溉系统。滴灌设备分为滴灌带和滴灌头，滴灌带是通过直径约10 mm毛管上的孔口、滴灌头是通过滴头，将水分送到作物根部进行局部灌溉。两种方式都采用特殊结构防止水孔阻塞。微喷使用微喷机进行，微喷机根据计算机指令按照设定好的程序进行作业。
1.3 通风系统
车间通风包括自然通风和强制通风。自然通风系统是利用开窗机构将天窗打开依靠空气自然流动进行通风，一般效率较低。强制通风是在自然通风的基础上，使用风机进行空气流通。车间天窗有抽拉式、翻动式、扬落式及升降式等多种形式。天窗的开窗机构和风机都是根据计算机指令进行动作。
1.4 温度控制系统
植物工厂车间的温度是可控的。降温主要依靠通风和湿帘降温系统。通风系统上面介绍过。湿帘降温系统对环境要求较高，环境相对湿度较低时，降温可达7～8 ℃;当车间内环境温度湿度较高时，降温效果并不明显。植物工厂车间的加温设备有热水炉、太阳能加热器、电加热器和热风炉等。这些设备分别通过辐射、传导等方式向车间提供热量。为了保温，一般车间都有保温幕设施。保温幕有外幕和内幕之分。内幕采用较多，分为单顶型、内拱型、屋檐—屋脊型及可调高度型等形式。
1.5 智能视觉摄像系统及移栽机器人
智能视觉摄像系统包括工业智能相机和智能视觉软件，可以采集秧苗图像数据，这些图像数据为系统指令移栽机器人动作和操作人员智能化管理、研判生产条件和状况提供条件。移栽机器人可以减轻人工的作业强度，可将穴盘内的幼苗移栽到具有大苗孔的苗盘内。移栽机器人具有智能触觉及智能视觉功能，可以替代人的手工劳动，提高移栽速度5～6倍，并且移栽质量稳定。移栽机器人多为一套机电一体化设备，具有自动辨别秧苗质量的功能，根据預定指令自主识别和剔除坏苗。
2 植物工厂车间的控制系统组成
2.1 控制系统的硬件构成
控制系统硬件有三种类型：工控机、分布式数据采集与控制系统和分布式智能数据采集与处理网络。工控机用于数据分析与处理等、分布式数据采集与控制系统通常应用于车间的群控，分布式智能数据采集与处理网络采用总线拓扑结构，通常用于大中型场、站的自动化管理。
工控机主要由计算机系统和外围设备等组成。计算机系统包括主机和外围设备;主机由CPU 和内存储器 （RAM，ROM）组成，它是计算机控制系统的核心。外围设备可分为输入、输出设备、通信设备和外存设备。输入设备有智能触摸屏、鼠标、专用操作台、键盘等，用来输入操作命令、数据和程序。输出设备有打印机、显示器、绘图机和各种专用的显示台。常用的外存设备有磁盘、磁带、光盘等，有输入输出功能，存放程序和数据。
分布式系统由中央处理单元（CPU）、存储器和外设等3大部分组成。CPU是计算机的核心，所有运算及操作都在CPU的协调和控制下进行;存储器是存储数据和程序的芯片;外设包括外部设备和I/O接口，一般有显示器、键盘、鼠标、打印机等。分布式系统能够对多个环境要素进行巡回检测，并根据规定的数学模型，发出控制信号，直接控制被控的对象。
2.2 系统的软件构成
依靠计算机软件控制车间环境有以下两种方法：
（1） 以自适应控制论和系统论为依据，把植物工厂车间作为一个多输入多输出的黑箱模型来考虑，其系数一般通过对系统的输入输出值的在线测量，再通过最小二乘法估算得出。例如神经网络在车间气候控制中得到应用。赛格内尔等用神经网络对车间气候进行控制。车间气候因素包括作物移栽日期、作物状态、太阳辐射，室内外温度标准差以及车间所消耗能量与作物市场价格的比值等。神经网络可用这些输入变量预测第二天的温度控制点，以便对车间内气候进行控制。
（2） 以作物生长模式、车间环境模式为依据，通过对车间内植物生理特性以及导热介质物理过程的分析，建立分析模型。这类模型既可以用于控制，也可用于车间结构参数的优化。如某些植物工厂车间控制的物理模型，把车间控制模型分为动态模型和静态模型，指出动态模型是减少能量消耗的有效方法，而自适应控制系统对减少加热系统的能耗，收到良好的效果。
进入21世纪，产生了植物工厂车间分级控制系统。该模型分为三级，第一级是车间温度湿度控制、营养液浓度配制、灌溉水的定时供应，是分级控制系统，该级的任务是控制和测量车间内的各类环境参数，受第二级控制;第二级控制是车间内在线植物生长的优化，受第三级控制;第三级由产品计划、经济模型、病虫害防治、商业预测等系统组成，第三级可以离线运行。
3 系统的发展与需要解决的问题 我国植物工厂车间控制系统的研究起步晚、水平低，从目前来看，我国的植物工厂车间控制系统科研水平与国外差距较大，主要表现在以下四个方面：
（1）自行研制的控制系统软件数量少，引进的控制系统不适应我国国情，运行费用高，变相提高了生产成本。实际生产中，车间内的光照量、温度、CO2浓度和湿度等环境要素，是彼此产生影响的，当某一项发生改变时，其他要素会变到一个不适宜的水平上，需要综合调控优化，国内缺少此类综合优化软件。这就要求开发跟植物工厂生产现状相适应的环境控制软件时要结合作物的生长模型、车间物理模型和植物工厂生产的经济模型。
（2）需要研究植物工厂车间新结构以适应不同地区的气候条件。车间结构的好坏直接影响到植物工厂生产的经济性。
（3）有关植物工厂车间结构的国家标准较少、陈旧，需要建立和更新标准。车间结构已经有了较大的更新，控制执行机构也千差万别，而现存标准针对性较强，不适应车间结构的发展。
（4） 需要增加科研投入，支撑植物工厂相关技术和装备的研究。开发适合植物工厂生产的播种生产线、移栽机，探讨植物工厂的管理技术，研制适合植物工厂生产的优良蔬菜水果品种等。
参考文献：
[1] 苏臣. 国外现代化园艺设施的发展动向[J]. 江苏理工大学学报，1995，16（2）：6-11.
[2] 白广存. 计算机数据采集与控制应用系统开发研究[J]. 农业工程学报，1995，11（增刊）：180-184.
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