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本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))文獻(xiàn)綜述范例
論文題目： 溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢(shì)
摘要：本文闡述了溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況，包括從溫室誕生起，美國(guó)、日本、荷蘭等溫室測(cè)控技術(shù)發(fā)展比較先進(jìn)的國(guó)家在各自領(lǐng)域內(nèi)的研究成果，以及國(guó)內(nèi)引進(jìn)溫室技術(shù)后，各個(gè)高校及專(zhuān)業(yè)人員就自己擅長(zhǎng)的方面進(jìn)行探索并取得一定的研究成果。其次淺談了溫室測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展前沿，即該領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，如無(wú)線(xiàn)電監(jiān)控系統(tǒng)、GPRS技術(shù)、遠(yuǎn)程溫室大棚控制系統(tǒng)等。最后具體講述了溫室測(cè)控中主要的影響因素，包括溫度、濕度、光照、CO2濃度，以及當(dāng)下比較適宜的處理辦法。
關(guān)鍵詞: 溫室環(huán)境測(cè)控;無(wú)線(xiàn)電監(jiān)控;遠(yuǎn)程監(jiān)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(guó)農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以?xún)?yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目標(biāo)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化新階段。而溫室作為現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要產(chǎn)物，在國(guó)內(nèi)多數(shù)地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。溫室可以模擬成一個(gè)由人工智能監(jiān)測(cè)的半封閉生態(tài)系統(tǒng)，它可以避開(kāi)外界種種不利因素的影響，人為控[1]制或創(chuàng)造適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的氣候環(huán)境。由于溫室中各種環(huán)境因素是可以人為控制的，因此控制技術(shù)直接決定著溫室中農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。
溫室測(cè)控系統(tǒng)一般包括三個(gè)模塊：環(huán)境信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和執(zhí)行模塊。在目前的測(cè)控系統(tǒng)中，環(huán)境因子的采集主要包括溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等。
1溫室環(huán)境測(cè)控在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展
自二十世紀(jì)七十年代溫室誕生以來(lái)，各國(guó)對(duì)測(cè)控技術(shù)的研究越來(lái)越多，也越來(lái)越深入，逐步向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化的方向發(fā)展[2]
1.1國(guó)外溫室技術(shù)發(fā)展概況
美國(guó)是最早發(fā)明計(jì)算機(jī)的國(guó)家，也是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于溫室控制和管理最早、最多的國(guó)家之一。美國(guó)開(kāi)發(fā)的溫室計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)溫室作物的特點(diǎn)和要求，對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、化肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，還可利用溫差管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉、果蔬等產(chǎn)品的開(kāi)花和成熟期進(jìn)行調(diào)節(jié)及控制。
在日本,作為設(shè)施農(nóng)業(yè)主要內(nèi)容的設(shè)施園藝建設(shè)相當(dāng)發(fā)達(dá),比如塑料溫室和其它人工栽培設(shè)施達(dá)到普遍應(yīng)用,設(shè)施栽培面積位居世界前列,蔬菜、花卉、水果等普遍實(shí)行設(shè)施溫室生產(chǎn)，并針對(duì)種苗生產(chǎn)設(shè)施的高溫、多濕等不良環(huán)境進(jìn)行了若干設(shè)施項(xiàng)目的研究[3],主要有設(shè)施內(nèi)播種裝置、苗接觸刺激裝置、苗灌水裝置和遮光裝置的開(kāi)閉裝置、缺苗不良苗的檢測(cè)及去除和補(bǔ)栽裝置、CO2施肥裝置等方面的自動(dòng)化研究[4]。
2002年，英國(guó)倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院利用計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀(guān)測(cè)50km以外溫室內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境狀況并遠(yuǎn)程控制。另外針對(duì)CO2濃度對(duì)作物的影響這一點(diǎn)，溫室中通常安裝通風(fēng)機(jī),攪動(dòng)空氣使溫室中的CO2濃度一致[5]。
荷蘭園藝溫室發(fā)展較早,由于地處高緯度地區(qū),日照短,全年平均氣溫較低等不利于作物生長(zhǎng)的氣候因素,因此集中較大力量發(fā)展經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的鮮花和蔬菜,大規(guī)模地發(fā)展玻璃溫室和配套的工程設(shè)施并且全部采用計(jì)算機(jī)控制，大大提高了作物的產(chǎn)出及品質(zhì)要求。
現(xiàn)今隨著科技的不斷發(fā)展,國(guó)外溫室業(yè)正致力于高科技的廣泛應(yīng)用。遙測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中,近幾年各國(guó)溫度控制技術(shù)提出建立溫室行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并朝著網(wǎng)絡(luò)化，大規(guī)模，無(wú)人化的方向發(fā)展[6]。
1.2國(guó)內(nèi)溫室技術(shù)發(fā)展概況
國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)始于70年代中期,當(dāng)時(shí)主要用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算。自70年代末起,我國(guó)陸續(xù)從美國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)引進(jìn)了許多先進(jìn)的現(xiàn)代化溫室技術(shù),在借鑒及學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室技術(shù)的基礎(chǔ)上,我國(guó)農(nóng)業(yè)科研工作人員進(jìn)行了溫室內(nèi)部溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子控制技術(shù)的綜合研究，在邊學(xué)習(xí)邊發(fā)展的道路上我國(guó)溫室技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
早期溫室技術(shù)引進(jìn)是1987年中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院引進(jìn)了FELIXC 512系統(tǒng),并建立了全國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的第一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)[7]。到了90年代初期,計(jì)算機(jī)開(kāi)始用于溫室的管理和控制領(lǐng)域。
2000年，金鈺研究了工業(yè)控制機(jī)IPC在自動(dòng)化溫室控制中的應(yīng)用[8]。該研究是以工業(yè)控制機(jī)為核心采集環(huán)境信息，控制外圍設(shè)施執(zhí)行控制。實(shí)現(xiàn)了溫室的封閉環(huán)境控制，但該系統(tǒng)布線(xiàn)復(fù)雜,維護(hù)困難且成本過(guò)高。
2005年，杜輝等研究了基于藍(lán)牙技術(shù)的分布式溫室監(jiān)控系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)將藍(lán)牙技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用于溫室群的監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中干擾。但由于藍(lán)牙技術(shù)本身的不成熟，與其他技術(shù)相結(jié)合以后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的紊亂，難以調(diào)控，顧該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用仍需要深入研究。
2007年，唐娟等研究了基于新型AVR單片機(jī)的溫室測(cè)控系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)把個(gè)體生產(chǎn)和規(guī)�；a(chǎn)相結(jié)合，在單個(gè)溫室大棚生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)連棟溫室大棚的規(guī)�；a(chǎn)。
2008年，周茂雷，郭康權(quán)研究出了基于ARM7微處理器的溫室控制器系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)能通過(guò)AD算法實(shí)現(xiàn)溫室各路模擬量、開(kāi)關(guān)量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后定時(shí)保存并送出控制量。
2 溫室技術(shù)新型發(fā)展
現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施技術(shù)得到了極大的發(fā)展，利用不同的先進(jìn)科技創(chuàng)造了利于作物生長(zhǎng)的溫室環(huán)境，下面講述了五種新型溫室技術(shù)。
2.1無(wú)線(xiàn)電監(jiān)控系統(tǒng)
隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,大棚數(shù)量的增多,有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線(xiàn)復(fù)雜、維護(hù)困難、不能任意增加節(jié)點(diǎn)等缺點(diǎn)就暴露出來(lái)了. 隨著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了一體化的無(wú)線(xiàn)收發(fā)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(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)線(xiàn)傳輸, 以上位機(jī)為信息處理終端,構(gòu)成了溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng), 該系統(tǒng)具有無(wú)需布線(xiàn)、可以任意增減采集點(diǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低及組網(wǎng)方便等特點(diǎn),因而具有較高的實(shí)用價(jià)值[12]
2.2 GPRS技術(shù)的應(yīng)用
GPRS (General Packet Radio Service)是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種基于GSM (Global System for Mobile Communications)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)。同一無(wú)線(xiàn)信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享，只有當(dāng)某個(gè)用戶(hù)需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的時(shí)候才會(huì)占用信道資源，從而有效地利用了信道資源。監(jiān)控中心服務(wù)器通過(guò)GPRS 可以在移動(dòng)狀態(tài)下使用各種采集到的信息數(shù)據(jù)， 在移動(dòng)通信服務(wù)商提供的GPRS業(yè)務(wù)平臺(tái)上構(gòu)建溫室大棚環(huán)境監(jiān)控信息數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)智能化溫室控制信息采集點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)資料、指令的反向傳輸，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目[13]。的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控中心也可以通過(guò)服務(wù)器來(lái)瀏覽各個(gè)溫室大棚的作物生長(zhǎng)狀況。
2.3 基于CAN和Profibus總線(xiàn)的溫室分布式監(jiān)控系統(tǒng)
CAN(controller area network)總線(xiàn)是一種分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)[14-15],其信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),具有傳輸時(shí)間短、受干擾的概率低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性能好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中的檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。
Profibus總線(xiàn)的溫濕度分布式測(cè)控系統(tǒng)也和CAN總線(xiàn)的功能差不多。在現(xiàn)有的各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中, Profi2bus 總線(xiàn)占有很大的市場(chǎng)份額, 并提供了DP、PA3和FMS三種協(xié)議類(lèi)型。
2.4 虛擬儀器的應(yīng)用
溫室大棚測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)過(guò)了模擬儀器、分立元件儀器、數(shù)字化儀器和智能化儀器,到現(xiàn)在發(fā)展到了虛擬儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心組成的虛擬儀器平臺(tái),可以通過(guò)不同的虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能,能由虛擬儀器代替部分傳統(tǒng)的儀器硬件,并利用虛擬儀器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析功能,進(jìn)行各種信息的處理，然后將結(jié)果送出顯示或控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)大棚的環(huán)境參數(shù)[16]。
2.5 遠(yuǎn)程溫室大棚控制系統(tǒng)
為實(shí)現(xiàn)農(nóng)民對(duì)大棚的簡(jiǎn)捷控制,實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增產(chǎn)增收，遠(yuǎn)程溫室大棚控制系統(tǒng)顯然是一項(xiàng)值得研究和推廣的工程。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)要求很高, 傳輸距離較遠(yuǎn), 對(duì)穩(wěn)定性以及抗干擾性的要求也很高, CC2Link造價(jià)低廉, 能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的通訊要求而成為主要的新型現(xiàn)場(chǎng)通訊方式，另外以太網(wǎng)實(shí)時(shí)、高速且傳輸距離較遠(yuǎn), 而成為主流的遠(yuǎn)程通訊方式。兩者相結(jié)合便實(shí)現(xiàn)了溫室大棚遠(yuǎn)程控制網(wǎng)[17]。
3 影響作物生長(zhǎng)的各項(xiàng)因素及處理辦法
作物的生長(zhǎng)發(fā)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(huán)境條件。在生產(chǎn)上，則要通過(guò)優(yōu)良的栽培技術(shù)及創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件來(lái)控制生長(zhǎng)和發(fā)育。
影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要環(huán)境條件包括：溫度(空氣溫度及土壤溫度)、光照(光的強(qiáng)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(yīng))、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(chóng)害)等。下面就溫度、濕度、光照、CO2濃度這四方面進(jìn)行具體的論述。
3.1 溫度
作物的生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境中以溫度最為敏感，也是最重要的。自然環(huán)境下，溫度在時(shí)間上隨
四級(jí)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(nèi)的話(huà)，由于作物的茂密生長(zhǎng)會(huì)使得溫度的空間變得比較復(fù)雜，實(shí)際上溫度的空間分布受室外氣候因子、室內(nèi)調(diào)控方式、植物群體結(jié)構(gòu)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(diào)控主要包括增溫、保溫、降溫[18]。加溫有熱風(fēng)采暖系統(tǒng)、熱水采暖系統(tǒng)、土壤加溫三種形式;保溫包括減少貫流放熱和通風(fēng)換氣量、增大保溫比、增大地表熱流量;降溫最簡(jiǎn)單的途徑是通風(fēng).
3.2 濕度
適宜的空氣濕度和土壤濕度是溫室內(nèi)作物健康生長(zhǎng)的重要條件。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，除了陰雨天以外，室內(nèi)午后過(guò)低的空氣濕度會(huì)導(dǎo)致作物發(fā)生光合作用的午休現(xiàn)象。
一般情況下，作物適宜的相對(duì)濕度是60%～80%。所以溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的大小直接影響作物的光合作用，影響作物生產(chǎn)的質(zhì)量;另外，空氣濕度過(guò)大，作物植株也易于生病。
土壤濕度對(duì)植物的影響也很大，若溫室內(nèi)排水不良，灌水不當(dāng)，土壤滲水性不好，造成土壤水分過(guò)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(zhǎng)或者發(fā)生根部腐爛的情況[19]。
處理辦法：
除濕的方法有通風(fēng)換氣、加溫除濕、覆蓋地膜、使用除濕機(jī)、除濕型熱交換通風(fēng)裝置。 加濕的方法包括噴霧加濕、濕簾加濕、溫室內(nèi)頂部安裝噴霧系統(tǒng)[20]。這幾種方法除了有加濕功能還可以達(dá)到降溫的功效.
3.3 光照強(qiáng)度
光照是作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵條件之一。沒(méi)有光照，就談不上植物的生長(zhǎng)，光照不足，勢(shì)必影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。
光照的強(qiáng)度直接影響到作物光合作用的強(qiáng)度。與室外相比較，室內(nèi)光明顯的差異表現(xiàn)在數(shù)量減少，光質(zhì)改變及光分布不均勻等三個(gè)方面，從而形成獨(dú)特的溫室光環(huán)境[21]。
處理辦法：人工調(diào)節(jié)大棚外部設(shè)施的方法來(lái)改變溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度
(1)改變?cè)O(shè)施的透光率;
(2)應(yīng)用反光幕;
(3)人工補(bǔ)光;
(4)遮光。
3.4 CO2濃度
CO2是作物進(jìn)行光合作用的主要原料，蔬菜作物的產(chǎn)量90%～95%靠光合作用制造。在露天大田生產(chǎn)條件下，空氣中的CO2濃度為300ppm即 0.03%，一般能滿(mǎn)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(yán)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(jìn)行旺盛的光合作用，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)積累少，作物生長(zhǎng)衰弱，難以早熟高產(chǎn)。
處理辦法：增施CO2的方法一般采用兩種方式
(1)短時(shí)間通風(fēng);
(2)利用CO2發(fā)生器人工增施CO2;
小結(jié)
本文主要從溫室環(huán)境測(cè)控的起源及其發(fā)展等方面展開(kāi)討論，對(duì)國(guó)內(nèi)外的溫室系統(tǒng)的各個(gè)階段的成果及不足之處都做了比較詳細(xì)的說(shuō)明，相對(duì)國(guó)內(nèi)而言國(guó)外的技術(shù)比較成熟，而且在溫控的實(shí)施上也會(huì)因地域的差別而有所限制，其次簡(jiǎn)述了幾項(xiàng)溫室測(cè)控的前沿技術(shù)，也綜合評(píng)價(jià)了這些技術(shù)的實(shí)用性，另外淺談了作物生長(zhǎng)的影響因素及解決各種不利因素的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主要是針對(duì)溫度、濕度、光照、CO2濃度這幾點(diǎn)的具體講述。
目前國(guó)內(nèi)的溫室測(cè)控系統(tǒng)主要依賴(lài)PC機(jī)、單片機(jī)等作為處理的核心，但運(yùn)用起來(lái)往往對(duì)環(huán)境調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性低、可靠性差，且成本高，效率低等問(wèn)題也會(huì)相繼出現(xiàn)。另外國(guó)內(nèi)外的控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)化、智能化等方面還需要有重大改進(jìn)。
因此，實(shí)現(xiàn)成本低廉、控制效率高、網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度高的溫室控制系統(tǒng)將是未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要解決的主要問(wèn)題。
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