植物工厂背景技术

一概述

植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来，按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来农业的发展方向。

背景技术

“植物工厂”是指在一定人工环境控制及生产管理下可以全年无休的植物栽培系统。进一步言之，“植物工厂”就是利用高科技栽培方式，配合电脑化自动化调控系统，将植物栽种在一个受到控制犹如工厂厂房的封闭性空间环境内，该空间内的二氧化碳、氧气、温度、湿度、肥料养分、光照等物化及微气候条件均受控制，使植物的生长速率、品质及产量，可不受气候、环境与季节变化的影响，使植物的生长在如同工厂的生产线上进行，而能使收成作物具有精细化、均质化及丰产性等特点。

环视地球的环境问题，不论土壤或气候皆日渐恶化，尤其气候环境的多变及难以捉摸的特性，皆使露天式栽种方式及轻设施栽培方式容易受到气候的影响，从而造成栽种生产过程中的损失，故“植物工厂”可以在有限的土地面积上，以最集约的栽培技术，生产出品质好、产量高的经济作物（蔬菜即为一例），并达到栽培环境管理自动化和操作空间清洁化，节省劳力以及从事者年轻化等目标，所以“植物工厂”是现代农业技术的重要发展，已受到各国政府及相关学术机构的重视。

二定义

植物工厂（plant factory）的概念最早是由日本提出来的。植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂是现代农业的重要组成部分，是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是现代生物技术、建筑工程、环境控制、机械传动、材料科学、设施园艺和计算机科学等多学科集成创新、知识与技术高度密集的农业生产方式。

三历史发展

1957年世界上第一家植物工厂诞生在丹麦，1974年日本等国也逐步发展起来。美国犹他州立大学试验用植物工厂种植小麦，全生育期不到2月，一年可收获4－5次。 20世纪60年代初次进行植物工厂的试，并开始推。1964年奥地利开始试验一种塔式植物工厂（高30米、面积5000平方米）。该国鲁斯纳公司的塔式植物工厂已在北欧、俄罗斯、中东国家采用。奥地利的一家番茄工厂，工作人员仅30人，平均日产番茄 13.7吨，生产 1公斤番茄耗电 9－10kw.h，成本只有露地的60％。1971年丹麦也建成了绿叶菜工厂，快速生产独行菜、鸭儿芹、莴苣等。 1974年日本建成一座电子计算机调控的花卉蔬菜工厂，该厂由1栋2层的楼房（830平方米）和两栋栽培温室（每栋800平方米）构成，在一年内生产两茬金香、两茬垄民花、一茬番茄，做到周年生产。至1998年，日本已有用于研究展示、生产的植物工厂近四十个，其中生产用植物工厂17个。2004年，中国农业大学开发了利用嵌入式网络式环境控制的人工光型密闭式植物工厂。

四分类与特征

关于植物工厂的分类，因所持的角度不同，其划分方式也各异。

从建设规模上来分可分为大型（1000m以上）、中型（300~1000m）和小型（300m以下）三种；从生产功能上来分可分为植物种苗工厂和商品菜（果、花）植物工厂；从其研究对象的层次上又可分为以研究植物体为主的植物工厂、以研究植物组织为主的组培植物工厂、以研究植物细胞为主的细胞培养植物工厂。但目前，比较习惯的分类方法是按照植物生长中最重要的条件之一——光能的利用方式不同来划分，共有三种类型，即太阳光利用型、人工光利用型、太阳光和人工光并用型。其中，人工光利用型被视为狭义的植物工厂，称为密闭式植物工厂，它是植物工厂发展的高级阶段。

植物工厂的共同特征是：有固定的设施；利用计算机和多种传感装臵实行自动化、半自动化空

盒子；采用营养液栽培技术；产品的数量和质量大幅度提高。

数字植物工厂是一种通过设施内高精度的环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。

由于数字植物工厂充分运用了现代工业、生物工程和信息技术等手段，技术高度密集。多年来，数字植物工厂一直被国际上公认为设施农业发展的最高级阶段，成为衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一，目前仅有日本、美国、荷兰等少数发达国家掌握这项技术

数字植物工厂不占用农用耕地，产品安全无污染，操作省力，机械化程度高，单位面积产量可达露地的几十倍甚至上百倍，因此又被认为是21世纪解决人口、资源、环境问题的重要途径，也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段

数字植物工厂技术的突破将会彻底解决人类发展面临的诸多困惑，甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大楼里进行作物生产。利用取之不尽的太阳能，加上一定的种子和矿质营养，就可源源不断地为人类生产所需要的食品。近年来，一些耕地资源紧缺的发达国家正在加大资金与技术的投入，加紧数字植物工厂的研发和推广工作，在日本，政府采取补贴50%的手段，推进数字植物工厂的发展，预计3年后将新增150座数字植物工厂

这个国内第一例智能型数字植物工厂建筑面积为200平方米，共由植物苗工厂和蔬菜工厂两部分组成，以节能植物生长灯和LED为人工光源，采用制冷-加热双向调温控湿、光照-CO2耦联光合调控、空气均匀循环与流通、营养液（EC、pH、DO和液温等）在线检测与控制、图像信息传输、环境数据采集与自动控制等13个相互关联的控制子系统，可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、CO2浓度以及营养液等环境要素进行自动监控，实现智能化管理。植物苗工厂由双列五层育苗架组成，种苗均匀健壮，品质好，单位面积育苗效率可达常规育苗的40倍以上，育苗周期可缩短40%以上。蔬菜工厂采用五层栽培床立体种植，栽培方式选用DFT（深液流）水耕栽培模式，所栽培的叶用莴苣从定植到采收仅用16-18天时间，比常规栽培周期缩短40%，单位面积产量为露地栽培的25倍以上，产品清洁无污染，商品价值高。

植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段，集中应用了现代生物技术、新型材料、环境控制和信息技术的最新科技成果，是现代农业高新技术集成的产物。因此，高新技术的广泛应用和不断创新是植物工厂发展的重要特征。

LED光源

光是植物工厂最重要的环境因子之一，光能消耗约占植物工厂运行费用的20％～40％，能耗问题一直是影响植物工厂推广普及的重要限制因素。近年来，LED光源的研究与开发为植物工厂尤其是人工光利用型植物工厂的发展提供了良好的契机，使植物工厂的普及应用成为可能。

LED概况

LED是英文Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，臵于一个有引线的架子上，四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，因此LED的抗振性能较好。

利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。LED光源具备以下特点：〃使用低压电源，供电电压在6～24V之间，比使用高压电源更安全。〃节能高效，消耗能量较同光效的白炽灯减少80％。〃适用范围广。形状很小，每个单元LED小片是边长为3～5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环

境。〃稳定性强。可以使用5万小时以上，光衰为初始的50％。〃响应时间快。白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。〃无污染。无有害金属汞，不污染环境。〃可以改变颜色。改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿蓝橙多色发光。〃价格较昂贵。这是影响其普及的主要原因，但由于晶片技术的改进，制造成本急剧下降，正朝着高效率低成本方向发展。

以上是LED的一般性特征，将这些特征应用到植物栽培光源之中，又具体表现为以下优势：〃可以调节光源的光谱分布

植物利用可见光中限定波长的光有三种：用于光合成反应的红色光；强光反应的蓝色光；红色光和远红色光。使用LED可以集中特定波长的光均衡地照射作物，不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分。

〃可以靠近作物照明

植物栽培上应用的LED属于冷光源，可以臵于离植物很近的地方而不会把作物烤伤。光的利用率很高，可用于多层栽培立体组合系统。

〃使植物生产设施小型化，使用寿命长

LED形状极小，每个单元只有0．3ram，用环氧树脂密封的LED灯每个单元小片是边长为3～5mm 的正方形，所以可以制备成多种形状的器件，占用空间很小，安装方便。此外，其特强的耐用性降低了运行成本。

LED的试验研究及其在植物工厂的应用前景

最早将LED用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1 982年就有关于波长为650nm的红色LED光源用于温室番茄补光的试验报告。此后，美国NASA研究中心也把此项技术作为宇宙基地等闭锁式生命维持系统(c E Lss)的相关技术之一开展研究。1 987年以Wisconsin大学的D r．T 1 bbitts等为主的研究小组正式采用LED光源，开始进行莴苣的栽培试验并形成阶段性成果的研究报告。1 992年日本千叶大学进行了有关LED红色光、远红色光对马铃薯生理过程影响的试验研究。以色列和中国台湾省的一些研究部门也进行过有关LED在植物工厂和组培室的试验。

研究表明，植物并非利用太阳光的全部成分来进行光合作用，以往的照明灯中因含有红、蓝以外波长的光，耗电量大，特别是红外线属于热光源。利用蓝色和红色LED作光源栽培生菜的试验已经取得成功。此外，研究还表明植物一般在白天吸收红、蓝等限定波长的光进行光合作用，夜间主要是进行生长。因此，单一波长的LED要比波段宽的太阳光更能促进光合作用。

LED光源特别适合于人工光控制型植物工厂。日本正在运行的～家LED蔬菜工厂，采用NFT方式，栽培光源为改良型水冷式红色LED(660nm)，育苗光源为白色荧光灯。该系统可以把培育植物的环境要素控制在最佳状态，LED光源的光利用效率达到了O．01，是目前正在运行的植物工厂中光利用效率最好的实例。

当前，影响LED光源普及应用于植物工厂的因素主要有两个方面，一是与广域的光谱范围的其他人工光源相比，单色光还难以应对更多种类的作物；二是LED高昂的价格。但是，随着半导体技术的不断发展，蓝色LED成本将大幅度降低，一些经济、实用的LED光源及其配套装臵必将推出，为植物工厂的普及推广将会起到重要的推动作用。

营养液在线检测技术

目前，营养液栽培中可根据EC值的检测进行肥料补充，使营养液达到要求。但在我国目前存在设施水平低、各地水质和营养液配方差异大、环境控制水平不高等不利因素的情况下，EC值在营养液管理中的效果往往不甚理想。营养液管理需在线检测营养液中各营养成分的浓度，才能及时调节营养液组成，使营养液始终保持养分均衡，满足作物生长需要。

目前尚不能检测所有的营养元素，只能检测营养液的几个主要指标：氮(NO3-)、磷(HPO4 2-，PO2 3-)、钾(K+)、钙(Ca2+)、硫(S04 2-)和镁(Mg2+)的浓度。在线检测原理是将对氮(NO3)、磷(HPO4 2-，PO2 3-)、钾(K1)、钙(Ca 2+)、硫(S042-)和镁(Mg2+)等离子浓度以及pH值和EC值分成若干个模糊

子集，确定模糊规则，建立一个模糊控制器来实现对P、Mg、S的控制。应该指出的是，不同作物对营养元素的需求量不同，同～种作物不同生长期对营养元素的需求也不尽相同，因此单一模型只适合于作物某一生长期的模拟，不同作物及其不同生长阶段需由相应的模型来对应。

营养元素的在线检测技术具有很大的优越性和应用价值，有助于提高营养液管理水平，降低运行成本，保护环境，也有利于提高作物产量和品质。随着科学技术的不断进步，营养液在线检测技术一定会日臻完善，在实践中得到广泛应用。

光独立营养组培育苗技术组织培养技术及其应用

植物组织培养又称为植物离体培养，或称为植物的细胞与组织培养。许多学者又将其形象地称为“植物克隆”。目前，植物组织培养在遗传育种、种质资源保护、脱毒快繁等方面得到了广泛应用。在组培快繁方面，许多重要的园艺作物(如兰花、草莓、甘薯等)、药用植物以及造林用树木等种苗的大量快繁基本上都实现了组织培养。自20世纪80年代以来，以商品化为目的的组培苗生产以20％～30％的速度逐年递增。整个西欧1 996年生产的组培苗近2亿株，到2002年已达到1 00亿株。2002年，我国的组培苗生产仅蝴蝶兰花卉一项就达7000万株。林木方面，华南和华北地区分别具备了年产桉树组培苗250万株、杨树组培苗1 50万株的能力。可以预见，组培苗的工厂化生产将走向产业化，组织培养技术在解决21世纪随着地球人口的增加而带来的粮食与燃料的不足，以及环境恶化的问题中将得到长足的发展和大规模的普及。

光独立营养组织培养技术

以培养基中添加糖作为植物生长所需碳源、采用密闭小容器为主要特征的常规的植物组织培养技术在过去30多年中取得了长足发展，得到了广泛应用。但是，常规的植物组织培养技术存在很多亟待解决的问题。

为了解决常规组织培养存在的问题，以组培容器大型化和组培操作省力化为目的的光独立营养组织培养(以下简称光独立组织培养)技术应运而生。光独立组织培养是指在培养基中不添加糖和生长调节物质的情况下，通过提高培养器周围的光合成有效光量子流密度(PPFD)、CO。浓度以及气流速度等来提高组培植物的光合成速率。其技术创新在于依靠组培植物本身的光合作用来自我调节生长速度。光独立组织培养的优势表现在：〃改善了培养环境条件，促进组培苗的生长发育：〃减少激素和生长调节物质的应用；

〃利于大型培养容器的应用并减少生物污染：〃简化生根、驯化程序：

〃减少组培苗生理、形态上的异常，提高组培苗的品质：

〃简化组织培养繁杂的人工操作：〃利于采用机械化、自动化操作：

〃缩短培养周期，降低生产成本。

目前，这一技术已在植物工厂内应用，并取得了明显效果。中国农业科学院于1997年开始引进该项技术，开展了兰花、石斛、蕨类以及马铃薯等方面的试验，进行了耐盐抗旱品种筛选与培育，取得了阶段性的成果。

植物苗工厂

随着现代农业的不断发展，育苗业已逐渐从传统的种植业中分离出来，形成颇具活力的新兴产业。在美国，20世纪70年代前后就已实现了种苗商品化，所有移栽的蔬菜苗都由专业育苗公司来提供。Speedling(美国维生公司)是世界上最大的种苗公司，年产1 0亿株商品苗。此外，还有山本种苗公司和 Santafenorsery种苗公司，年产规模也在2000万至1亿株商品苗之间。他们都有现代化的植物苗工厂设施，生产的共同特点是苗质整齐，成本低，技术含量高。20世纪80年代以来，世界性商业用种苗的数量和种类急剧增加，进入21世纪以来，势头更猛。植物苗的工厂化生产已经成为世界性趋势。

植物苗工厂的特征

植物苗工厂就是生产种苗的植物工厂。这里所指的“种苗”是特指“苗”，不包含“种子”。所以也可称之为“苗工厂”。植物苗工厂与植物工厂一样也有三种类型。其中，人工光型植物苗工厂将是植物苗工厂发展的重要方向之一。

人工光型种苗工厂是指在一个相对封闭的设施内，采用营养液栽培(水培或基质培)技术和人工光源，对植物生长所需的诸多环境因子进行自动化控制。其特征主要表现在以下方面：〃对光强、光质、光照时间等要素可以较容易地进行单独调节，不受天气条件的影响，容易控制苗的生长，提高苗的质量。〃苗的生长环境比较稳定，调节比较容易，利于苗的生长与管理。〃农药、肥料、水、植物生长调节剂等生产资料的使用量达到最小化。〃采用多层式育苗方式，提高了空间利用率，而且可以提高搬运、管理等作业效率。单株苗的生产成本大为降低。〃利于实现技术的国际标准化。苗的生产是在封闭型人工光环境控制下进行的，其生产技术没有地区性限制，完全可以在苗的生产方法、程序等方面制定出国际化标准。标准化的内容重要的是指环境调节方法、施肥方法等方面的技术规程。〃利于实现自动化控制、计算机管理和省力化作业〃利于技术保密和排除外界干扰。除特殊情况外，植物苗工厂内的设施和技术一般不对外参观，内部生产也不受外界天气的限制和人为干扰。〃易于阻隔微生物、昆虫的侵入，苗的生产环境不会被污染。〃作业环境舒适。封闭型苗生产的温度大都稳定在20～30℃之间，没有强日光的照射。所以作业环境舒适。〃能够实现周年生产，提高生产效率〃其不利之处在于：①封闭型种苗生产系统，在建设初期的投资很大。②这种系统的运行费用，尤其是照明装臵、制冷制暖等设备的运转耗能很高。

基本技术

人工光利用型种苗工厂建设及运营所必需的技术包括照明、空调、脱毒苗的贮藏、繁殖、移植、搬运、生产计划与管理等。其基本技术构成包括：

照明系统

包括硬件和软件两部分。硬件是光源、反射斗等照明设备，软件是照明设备的配臵方法和使用方法等。照明系统方面重要的评价标准是植物受光率。现在人工光利用型种苗生产系统的植物受光率平均在20％以下。为了提高苗生长期间整个植物的受光率，就必须对照明硬件和软件进行动态控制。为了促进苗的光合成，需要夜间补光，但并不是同一设施内的所有苗都需要在同一时间内受光，有时也要分成若干时间带。

光源

光合作用所需的光的波长范围是400～700hm。在这个范围内的光量子与光合成具有同等的作用。植物苗工厂的人工光源都适宜采用发光二极管(LED)，这一新光源已经引起广泛关注并开始应用于试验之中。

制冷、换气和制暖

人工光利用型植物苗工厂的墙壁采用隔热结构，为了防止病原菌的侵入就必须进行空气过滤，所以安装强制换气设备和留有进出口是最基本的条件。用隔热材料覆盖的封闭式苗生产设施，电的消耗是很大的开支。照明用电占整个用电量的60％～65％，制冷用电占25％～30％，其余的5％～10％被搬运等动力机器消耗掉。这里的动力机器主要指用于调节空气的风扇、搬运种苗或箱板的机器、灌水泵、管理系统设施等。

病原微生物控制技术

封闭型种苗生产设施系统的～大优点是可以把病原菌对设施内的侵入以及设施内部的繁殖控制到最小程度。

病原菌的控制技术主要有病原菌的检测技术、抑制和除菌技术、杀菌技术、抑制繁殖与生长技术等。杀菌的手段有加热、加压、臭氧暴露、紫外线、γ线照射或是紫外线与氧化钛并用、无机银、活性氧、化学药品(NaCIO、C2HsOH、CH3COOH、H202等)、高压脉冲、酸性电解水等；除菌手段有：多种过滤膜、分离膜。需要注意的是，这些技术不仅会杀死微生物，处理不当对植物本身也有杀伤作用。

当然，在特定条件下，苗的生长过程中存在一种促进其生长的微生物，比如共生菌的存在。也有防止、阻碍病原菌侵入与繁殖的微生物和天敌昆虫。积极利用这些微生物和昆虫，将是今后植物工厂发展的新的研究课题。

计算机智能化管理

计算机的优势之一就是可以对众多的信息进行快速处理。植物工厂正是充分利用计算机的这一优势来进行科学管理与控制的。

植物工厂属于大型化、连续生产的设施，因此必须对环境监测信息、植物体信息、栽培管理信息、销售信息等进行及时处理，才能促进生产效益的提高。这里介绍一下一种正在开发的计算机系统构成，作为大型化生产设施计算机应用的参考。

上图为大型植物Z J-计算机系统结构图。在这个结构中，与生产直接相关的计算机系统有环境、植物体、生产作业、销售和生产资材五个方面。从抽象的角度进行的信息处理系统主要包括三个方面：即生产分析、生产信息、经营战略。生产分析系统的作用就是对与生产直接相关的各计算机系统记录下来的庞大的数据、信息进行综合处理。植物生产信息系统的作用就是利用计算机网络，对流通信息、气象信息、病虫害信息、栽培技术信息等进行交换。经营战略支撑系统的作用就是指导缩短生产周期，提高品质，准确把握上市臼期，节省能源成本等。对于经营者决策来讲，这些都是很重要的信息提示。这一系统就是要对与生产有直接关联的计算机系统做出必要的提示。

植物工厂采用计算机系统将会达到如下目标：

〃设施的大型化：〃作业的省力化；〃生产的节能化；〃产品的高品质化；〃产品质量的均衡化；〃生产的安全化。

机器人在植物工厂中的应用

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了近半个世纪的发展，取得了惊人的进步。在日本、美国等发达国家，农业人口较少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化，劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘，蔬菜的嫁接等都是劳动力密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力问题很难解决。正是基于这种情况，农业机器人应运而生。使用农业机器人所带来的好处有：

〃提高作业率机器人作业比人工作业速度快、功率大且具有耐久性。通过使用机器人能够提高作业效率，使适况适期作业变为可能。

〃提高作业精度机器人能够提高作业精度，准确完成操作内容，这样可大大提高作物的产量和均一的质量，增加商品价值。

〃节省劳力机器人作业能够弥补生物生产中劳动力的不足，降低人工费用。不受作业时期和时问的限制，对于解决一些发达国家劳动力的不足和老龄化问题是一项有效的措施。

〃无人化作业应用机器人系统，可实现生物生产作业的高度自动化和无人化。

〃对作业环境的适应性机器人能够代替人工进行不适合人工完成的简单、单调的工作，也容易实现在特殊环境条件下所进行的生物技术作业。

〃减轻作业强度应用机器人，能够减轻在生物生产中枯燥、重体力、有危险或令人不快的作业给劳动者精神和肉体上带来的负担和强度。

现在已开发出来的农业机器人有耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人以及果实分拣机器人等。其中，移栽、嫁接、喷农药、收获和继植机器人是几种应用于植物工厂的有代表性的机器人。

移栽机器人

现在研制出来的移栽机器人有两条传送带，一条用于传送插盘，另一条用于传送盆状容器。其他的主要部件包括插入式拔苗器、杯状容器传送带、漏插分选器和插入式栽培器等。这种自动化移栽机器人移栽速度是人工的5～6倍。

嫁接机器人

嫁接机器人技术，是近年来在国际上出现的一种集机械、自动控制与园艺技术于一体的高新技术，它可在极短的时间内，把蔬菜苗茎、秆直径为几毫米的砧木、穗木的切口嫁接为一体，使嫁接速度大幅度提高，同时由于砧木、穗木接合迅速，避免了切口长时间氧化和苗内液体的流失，从而大大提高嫁接成活率，因此，嫁接机器人技术被称为嫁接育苗的一场革命。

从1986年起日本开始了对蔬菜嫁接自动化及嫁接机器人技术进行研究；20世纪90年代初，韩国也开始了对自动化嫁接技术进行研究。在蔬菜嫁接育苗配套技术方面，日本、韩国已生产出专门用于嫁接苗的育苗营养钵盘。在欧洲，一些农业发达国家如意大利、法国等，蔬菜的嫁接育苗相当普遍，大规模的植物苗工厂全年向用户提供嫁接苗。由于这些国家尚未有自己的嫁接机器人，所以嫁接作业部分仍采用手工嫁接，一部分采用日本的嫁接机器人进行作业。

继植机器人

继植机器人由机械手、图像处理部分及计算机系统构成。这是一种专门为组织培养开发出来的智能化程度很高的机器人。生物技术作业的特征是要在无菌状态下小心谨慎地处理微小易伤的组织和幼植体。胼胝体、PLB、苗条原基等大量繁殖的组织培养的继代培养需要自动化。植物组织的继植机器人系统就是一种可替代人工组织培养操作、以减少污染的行之有效的方法。

中国农业科学院农业环境与可持续发研究所 100081

环境监控技术在设施农业中的应用来源：《安徽农业科学》.-2009（16）.-7672-7673作者：梁竹君，武丽阅读次数：61

摘要：设施农业中温室工程的建设和发展是都市型现代化农业发展的重要组成部分，也是设施农业发展的高级阶段。环境监控技术则是实现温室生产管理自动化、科学化的基础。在简述国内外温室环境监控技术发展概况的基础上，分析了我国温室环境监控技术存在的问题，同时展望了环境监控技术的发展趋势。

随着现代农业的发展，温室工程越来越受到世界各国的重视。温室现代化主要体现在对温室内部环境的监控上，所以环境监控是农业现代化的重要标志。近百年来，温室的自动控制和管理技术水平在不断地提高，也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，与此同时，我国的现代化温室在引进与自我开发并进的过程中仍然存在一些问题。

1 温室环境监控技术与温室监控系统

温室环境监控技术是现代农业技术研究的重要内容，它通过对温室环境中的温度、湿度、光照度等环境因子的监测和数据分析，同时结合作物生长发育的特点和规律，运用一定的工程措施来改善不适合作物生长的环境条件，创造出适合作物生长的最佳微气候条件，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

温室环境监控系统是实现温室环境监控的软硬件平台，是一个集传感器技术、控制技术、通讯技术、计算机技术、专家系统技术等于一体的高科技产品，可以满足名特花卉、作物栽培和反季节蔬菜生产的需要。同时，也可以有效提高作物产量、缩短生长周期、减少人工操作的盲目性。温室环境监控系统的结构如（图1略）所示。

由（图1略）可见，该系统包含4个部分，即温室环境数据的采集、数据处理、执行机构、上位机和下位机之间的通信。温室环境数据的采集主要是完成前端温度、湿度、光照度、CO2浓度、土壤水分以及营养液成分(pH值、电导、氮、磷、钾、钙)含量的信息采集，它主要是由各种传感器与变送器组成；数据处理是整个监控系统的核心，其他设备的控制、数据的整合、数据的转存等都是在该模块下完成，主要包括：对采集数据进行A／D转换、下位机(单片机、PLC等)、驱动电路等；执行机构主要是根据上位机的信息指令进行工作，包括：双向天窗角度开闭驱动，遮阳网驱动，防虫网驱动，通风机，喷灌、滴灌控制，营养液自动配制和废弃液、节能加温控制等；通信是指上位机与下位机间的通信，它包括下位机将处理后的数据传输给上位机进行监控和管理以及上位机根据

收集到的数据进行命令的发布。目前，用于温室通信有有线和无线2种方式，其中有线方式包括CA N总线、RS-485等；无线方式包括蓝牙、Internet、GSM短消息、ZigBee等。

2 国内外温室监控技术的发展概况

温室是一种可以改变植物生长环境，为植物生长创造最佳条件，避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。

2.1 国外温室监控技术

国外对温室环境控制技术的研究始于20世纪70年代，先是采用模拟式的组合仪表采集现场信息并进行指示、记录和控制，80年代末出现了分布式控制系统。目前正在开发和研制计算机数据采集、控制的多因子综合控制系统。现在世界各国温室控制技术的发展都非常快，一些国家的温室控制技术在实现自动化的基础上，正朝着完全自动化、无人化的方向发展。例如：美国和荷兰利用差温管理技术，实现了对花卉、果蔬等产品开花期和成熟期的控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50 km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。以色列温室环境控制系统是现阶段国际比较典型的代表性产品．具有很强的实用性，可以根据控制对象的特点选用不同类型的控制器及外围设备，充分满足现代化温室内部的各种环境需求，具体特点包括：具有一个综合性的、实用灵活的、由许多控制应用程序构成的软件包；可监测温度、湿度、风速、风向、光照、CO2、雨量等数据；主控机与控制网络之间的通信可以通过电缆、无线或移动电话等方式进行；软件基于Windows平台，以图表形式实现实时监测。可进行编程及数据存储。

2.2 国内温室监控技术

我国对温室控制技术的研究较晚，20世纪80年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了大量的连栋温室，揭开了我国现代化温室生产、研究和普及的序幕。90年代中后期，在对国外温室设备配臵、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。例如：1995年，北京农业大学研制成功了“WJG一1型实验温室环境监控计算机管理系统”，该系统属于小型分布式数据采集控制系统。1996年，江苏理工大学研制成功了基于工控机进行管理的植物工厂系统，该系统能对温度、光照、CO2，浓度、营养液和施肥等进行综合控制。中国农业机械化科学研究院研制成功了日光温室环境数字式监控系统，该系统的特点包括采用前后台2层结构。前台完成数据的采集和控制，采集的数据可以自动存储，也可以传输到主计算机进行处理；后台是主计算机，是整个监控系统的核心，具有发布监控命令、显示运行状态、数据检索和报表打印等主要功能。该系统可实现对温室内外温湿度、CO2浓度、土壤温湿度、叶片温度、室内光照度、覆盖物表面温度等参数的测量，并且能输出各种控制信号，可以对排风扇、喷灌、滴灌等设备进行控制。该系统是代表现阶段国内温室环境控制技术先进水平的典型产品。

综合国内外温室监控技术的发展概况，温室环境监控技术的发展大致经历了“手动一自动控制一智能控制”3个发展阶段。其中，智能温室环境控制阶段是环境监控技术发展的高级阶段，它是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过收集、总结农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。这种智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。农业专家系统提供了一种全新的处理复杂农业问题的思想方法和技术手段。这种控制方式既能体现作物生长的内在规律。发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。因此，温室专家控制系统技术是一种比较理想、有发展前途的控制方式。

3 温室监控技术存在的问题及对策

3.1 控制模式的成本高、可靠性差

过去温室环境控制系统基本上采用的是主机一终端模式(Host．Terminal Mode)，该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其他各个子系统进行管理控制：该模式的缺点是使用不灵活、投入较大、可靠性较差，一旦主机出现故障，将导致整个系统的崩溃。因此，现在研究的服务器一客户模式(Se~er—Client Mode)，即分布式计算机控制系统，就是系统不存在一个控制中心，主要控制功能由各个分布的子处理器完成，一般子处理器为可编程控制器(PLC)或者单片机。温室的控制由子处理器来完成，Pc机(主处理器)只实现辅助功能，这样子处理器可以脱离主处理器，即使主处理器发生故障，整个控制系统仍然可以工作，且分布式控制具有价格低、控制灵活、可靠性高等优点，因此它将在今后很长一个时期广泛应用于温室环境监控系统中。

3.2 缺乏对多要素环境控制方式的研究

现行的温室环境因子控制主要是对温湿度、光照度、CO2，浓度等单一要素的控制，南于温室环境各个要素存在着较强的耦合性，即某个环境要素的改变将影响到其他环境要素的状态，所以需要综合考虑多个环境要素，才能达到温室环境整体上的最佳状态。因此，用多因子控制方式代替单因子控制方式，是提高温室环境监控系统控制效果的关键途径之一，也是温室环境监控未来的发展方向。

环境要素多因子控制方式虽然具有良好的应用前景，但由于各环境要素的相互关系不明确，同时由于算法的复杂程度和要求的预算量成几何级数递增，应用单片机或者PLC无法完成这样的控制，冈此在现阶段实现有较大的难度。但随着神经网络、遗传算法、模糊控制等人工智能方法在温室环境监控中的运用，将有助于多因子控制方式的实现。

3.3 无线通信技术在温室监控系统中的研究和应用不成熟

从国内对温室环境控制的研究来看，目前基于有线的测量控制系统相对比较成熟，但有线通信方式导致温室内的信号线、动力线错综复杂，安装维护难度大，而且温室环境易导致线缆老化，使系统可靠性降低，也不利于农业机器人等移动设备进行作业而无线通信方式无需布线、组网灵活、易升级，同时无线通信设备可以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。因此，通过无线通信技术实现数据传输是解决温室环境测控系统通信问题的有效方法。

目前，用于温室监控系统的无线通信方式有基于蓝牙和ZigBee协议的短距离无线通信方式，基于GPRS、GSM的远距离无线通信方式周内现已展开了无线通信技术温室监控系统的研究，并取得了一定的成果。例如：孙忠富等提出了一种基于GPRS和WEB技术的远程数据采集和信息发布系统方案，即通过GPRS无线通讯技术建立现场监控系统与互联网的连接，将实时采集信息发送到数据WEB 服务器，通过浏览器可实时浏览监测数据。无线通信技术在温室监控系统中的应用，将有助于实现设施农业生产的机械化、自动化，提高设施环境调控的智能化水平。