一、設施農業智能化控制平臺建設的背景

中國作為一個農業大國，以僅僅相當于世界7％的耕地養活了幾乎占世界1/5 的人口，農業是國民經濟的基礎和命脈。由于傳統農業勞動強度大效率低下，再加上城市化的發展，現在年輕人大多不愿意從事農業，導致農業生產后繼乏人。隨著人口老齡化形勢日趨嚴峻，吸引高素質的人才投身農業和減少農業生產中的人力需求已成為一個現實問題。 農業智能化能夠提高農業生產效率和勞動舒適性，減少農業生產對勞動力的需求，可以吸引高素質的新一代人才投身農業。

當前生態農業和觀光農業的發展方興未艾，展示了非常好的經濟效益和示范效應，吸引了不少社會資金的投入和參與，為現代高效農業的發展指引了方向。設施農業有效拓展了農業生產的時空，減少甚至擺脫農業生產對氣候條件的依賴，集約化、商品化的工廠式生產模式，經濟效益好，具有高產、優質、安全、全年均衡生產的特點，可以滿足社會不同層次對農產品的不同需求，有效抑制諸如“豆你玩”“蒜你狠”等農產品價格的劇烈波動，對當前政府主導的保民生穩物價也是治本之策。

發達國家的現代農業技術體現了現代控制技術和農業的和諧統一。根據我國的農業生產現狀，必須考慮技術的成熟程度，即自動化技術本身的可靠性，必須考慮售價和農民的購買力，以及采用自動化技術的實用性和農民在操作維護時的方便性。我國從東到西，由南至北，氣候和環境差別巨大。研究適合我國農業生產現狀的先進控制系統具有重要的社會和經濟價值，也是農業生產的現實迫切需求。當前我國經濟的發展方式正處在由粗放低效向集約高效的轉變，構建以設施農業的智能化控制平臺為基礎的信息化現代農業無疑對推動當前農業產業的升級轉型具有深遠的意義。

我們主要科研人員具有長期從事工業控制系統的經歷，多年以來，一直從事計算機監控系統的研究開發工作，在解決高精度、高可靠性和抗干擾及現場環境適應性等計算機測控領域中的高難度課題方面擁有豐富的經驗和很強的技術實力。上世紀九十年代我們在國內首家推出了具有國際先進水平和完全自主知識產權的計算機遠程智能IO產品，通過不斷的技術完善和發展,目前已經擁有超過500家的用戶。現代工業技術控制系統的成熟，包括機械、工程、電子、計算機管理、現代信息、生物等技術的發展也為我們構建智能化的農業生產控制平臺提供了技術基礎，以我們在自動化和智能化控制領域的豐富積累，我們致力于推動設施農業向智能化方向發展，為現代農業的發展不懈努力。

二、設施農業智能化建設的目標

在農業設施工程的基礎上，合理利用自然環境并充分挖掘農產品的生物潛力，通過精確控制最佳生產環境和各生產管理要素，最大限度地優化各項投入，在保證農產品的優良品質的基礎上實現高產穩產并追求最高的經濟效益，同時關注農業生態環境、土地等農業自然資源的保護，是一項科技與生產結合的科技創新工程。智能化控制的設施農業包含了設施工程、環境調控以及栽培、養殖技術等多個方面，使農作物生長不再完全依賴自然氣候，能夠按照市場訂單和社會需求統籌安排農產品的生產過程，做到常年工廠式均衡生產。智能化的設施農業還大大減少人員的勞動強度和人為因素對生產過程的影響，是技術密集的高科技現代農業，是一個大投入高產出的新型農業基礎設施。這也是一個投資大相對收益慢的項目，為了和國情相匹配，智能化設施農業的建設一般考慮采取分步推進，逐步完善的建設模式。從規劃建設的初始階段就必須統籌考慮，把整個系統的建設作為一個統一的平臺分步建設，逐步完善。

我們的智能化控制平臺采用縱向分層橫向分區的完全分布式的網絡控制體系。從功能上我們把智能化設施農業的分解成多個子功能，比如環境控制子系統，水肥控制，苗床管理，農作物傳輸控制，農產品生產知識系統和專家系統，農資管理系統，市場信息系統，遠程操作系統和特殊情況下的遠程報警等多個子功能；在系統的物理結構上，我們把系統功能分散到多個位置分散的網絡部件上，如實現設備自動化監控的現場可編程智能控制模塊，獨立完成區域局部和子系統管理的區域控制器，多個子系統間相互協調的系統主機等。各個功能模塊獨立自治，并行工作，通過網絡又相互溝通共同完成農業生產的全過程。整個控制平臺在硬件和軟件上都實現了分散化和模塊化，整個系統通過網絡構成一個和諧的統一體。這種方案不僅保證了控制的穩定性，在系統結構上更可以根據設施農業的生產規模，農作物的種類，當地的氣候環境等靈活選擇不同規模不同功能的控制系統，隨著條件的變化能夠靈活調整，柔性地分步驟組建和擴展智能化系統。

在技術上我們充分考慮智能化控制系統的穩定性和可靠性，特別關注控制系統的實用性和農民在操作使用維修保養時的方便性。首先采用分布式的系統結構，系統的各部件在電氣上實現完全的電氣隔離，保證局部的故障不會影響其他系統的正常運轉；現場可編程智能控制模塊直接深入現場，就近安裝到被控設備的附件，不僅能提高測控精度和抗干擾能力，極大地方便根據農作物的品種進行及時快速的調整和品置，還大大減少了安裝維護的難度和工作量；模塊化積木式的結構，可以柔性組建不同規模不同功能的控制系統；現場控制模塊實現智能化，通過編程組態在不改變系統硬件的情況下系統可以實現不同的控制功能；縱向分層橫向分區的體系結構不僅提供了可靠性的保證，而且使系統的擴充和維護方便快捷；在操作方面我們設計上采用就地手動控制，遠程遙控，自動控制和智能化控制互相補充冗余，保證系統完善的可操作性。

農業生產智能化化控制平臺是一個多系統的集成，硬件上有傳感器、傳感器變換器接口、智能控制器、計算機網絡、被控設備、現場總線等組成。軟件上不僅要求完成多設備多因素的綜合調節控制，而且和農業生產的不同領域密切相關，要求建立不同農產品生產的知識系統和專家系統，科學全面指導農民對生產過程的調節和管理。隨著自動化信息技術和生物技術以及工程制造業的發展，我們的目標是研制一個具有廣泛適用性的高可靠性的農業智能化控制系統平臺，通過軟件的組態和多種功能的現場控制器滿足多種氣候和復雜環境條件下不同規模的不同農產品的生產科研需要。

智能化設施農業控制平臺不僅能夠實現不同功能控制需求，并且能夠進一步實現多系統融合的集成控制。可以滿足農業生產多方面的需求(如蔬菜瓜果，花卉生產，家禽和水產養殖，桑蠶催青等)，在智能化設施農業的建設過程中有很好的操作性，能夠分階段有步驟的實現完善的農業智能化控制系統。設施農業智能化系統平臺方案，特別是通用性、可靠性、兼容性和可擴展性方面的技術，將為設施農業智能化控制提供先進有效的完整解決方案。

三、設施農業智能化控制平臺的關鍵技術及實現方案

設施農業的智能化實質是利用先進的工業控制技術結合現代生物技術和工程技術來裝備和控制農業生產，為作物營造適宜的生長環境，采用工業化生產方式實現連續高效的農業生產。在農業生產知識系統的支持下完成的生產環境和生產設施的自動調節，配合用戶管理平臺實現對農業設施的實時操作、監控、報警、管理及日常數據報表等功能。實現“分散控制，集中操作”和無人值守，可以減少農業生產的勞動力需求并提高勞動的舒適度，大幅度提高生產效率和管理水平。我們把設施農業的控制工藝分為多個在功能上相對獨立子系統，在具體的設施農業的智能化實施過程中也可以選擇其中的一個或多個分步實施，關鍵的控制工藝(控制子系統)有如下多個方面:

環境調控：設施農業環境調控是智能化設施農業的關鍵和核心，在一定的空間內，用不同功能的傳感器和變送器，準確采集設施內不同區域的多項環境因子(光、熱、水、氣等)，同時參考設施外部的環境，對數據進行匯總分析，根據農產品生產的對應的知識系統結合作物生長周期所需最佳條件，由智能系統綜合后發出指令，對有關系統、裝置及設備進行自動合理的控制，將設施內溫度、濕度、光照、空氣質量等諸因素綜合協調到最佳狀態。環境調控相關的設施可能包括：熱屏遮陰系統、，陽光的自動反射系統，噴霧系統，卷幕保溫系統，加溫空調系統，門窗控制及主動通風循環系統，濕簾降溫系統，補光系統等等。多因子的綜合控制系統將分散的多點溫濕度傳送到操作控制中心分析綜合，在中心數據計算機的指揮下多系統協調一致地工作,實現大范圍的精確的環境自動調控。

環境調控的重點是在保證農作物的合理的生長環境的同時要特別重視節能措施，對設施內外的環境準確的采集并對多個設備的精確協調控制達到能源效率的最大化是我們研究的重點。智能化控制平臺能夠實時準確記錄不同氣候條件時不同調控方式下的調控效果，可以進一步指導我們完善和提高我們的調控方式和手段。由于相關的設備投資大、能耗多， 如何降低能耗成本和環境調控成套技術研究是我們設施農業智能化的重要的研究目標。

水肥管理：設施農業的施肥和灌溉是密切相關的，把肥料溶于灌溉水中隨灌溉水進行的一種施肥。通常由首部、輸送管道和灌溉末端組成，首部采用自動施肥機加注營養液，一般有頂部噴灌、根部噴灌和潮汐灌溉等方式。水肥管理采用智能化控制基本控制方法有：時間控制、水量控制和反饋控制三種。時間控制系統是按預定好的時間放水或關水；水量控制系統是按照設計的配水量放水或關水；反饋控制系統是根據區域內埋在地下的濕度傳感器，收集土壤濕度信息，來決定對植物的灌溉間隔，當需要灌溉時，智能化系統會自動打開灌溉系統放水，反之則關水。在灌溉過程中，如果系統記錄下水肥施用量與要求相比有一定偏差，系統會自動地調節灌溉裝置，做到按區域精確控制，真正做到“按需供水，精確用肥”。

通過智能化的水肥管理，根據作物區的需要分區域精確施肥灌溉，對營養液成分，PH等進行綜合調控，調節滴灌、噴灌系統的灌溉時間和次數，可以節省肥料和水資源。實現自動控制、定時控制、反饋控制 、手動控制灌溉方式的合理選擇,每種控制方式既可單獨運行,也可混合運行。可以靈活按種植區域設置不同的水肥管理方式實施精確的水肥控制方案。智能化控制系統精確控制水肥系統，能夠明顯提高肥料養分利用率和最大限度地避免因養分流失而造成的浪費和環境污染。

苗床管理及農作物傳送控制系統：為了最大化利用農業設施的空間和提高效益，設施農業往往提高農作物的苗床密度并常常采用立體種植模式，為了方便農作物的管理和均衡不同位置的農作物生長，必須根據生產需要調整苗床的位置和空間。采用類似工業傳送流水線的傳送控制模式可以大大減少人工勞動強度和提高工作效率。

能源計量和成本管理系統：設施農業的一個重要優勢是可以保障農作物的全年均衡生產，冬季升溫，夏季降溫，但同時能源消耗是生產過程中的一項重要支出。運用智能化系統控制平臺能夠實時記錄不同氣候條件下不同調節方式下農業設施的能源負荷變化，為研究最經濟高效的農作物的環境調節方案提供了高效可靠的手段。通過智能化系統記錄的準確數據分析農業設施在全年運行的負荷變化情況，從構成比重比較大的因素入手，研究節能的關鍵措施。另外，通過智能化系統自動記錄的灌溉施肥治蟲等生產過程的詳細的數據也可以為農產品的生產成本的統計分析提供準確科學的數據。

農業生產知識系統和專家系統：這是一種智能程序系統，內部具有大量農業領域的知識和經驗，用于指導農業生產過程的操作和管理。農業專家系統可應用于農業的各個領域，如作物栽培、植物保護、配方施肥等多個方面。栽培管理專家系統是在各個作物的不同生育期，根據不同的生態條件，進行科學的農事安排，其中包括栽培、施肥、灌水、植物保護等。在相關農業生產知識系統和專家系統的支持下智能化控制系統自動完成生產過程的多個設備正確運轉。

多系統的集成融合：設施農業智能化控制平臺不僅能夠實現不同功能控制需求，并且能夠進一步實現多系統融合的集成控制。農業生產涉及面廣，為了保證控制平臺的通用性、可靠性、兼容性和可擴展性，在智能化控制的平臺的軟硬件設計上采用模塊化的設計，這樣既保證了各個分系統的獨立，同時又作為一個整體協調一致。隨著信息化社會的不斷發展。充分考慮智能化控制系統將來系統的擴展非常重要。

借鑒先進的現代工業控制技術，為了保證整個系統高度的穩定性、可靠性、兼容性和可擴展性，充分考慮設施農業投資大，智能化系統可能有計劃分步驟實施的特點，采用縱向分層橫向分區的分布式網絡化控制體系，這種控制模式既能滿足中小規模的設施農業控制需要，更能滿足大規模的多設施(如大型溫室集群)生產控制要求。可以確保設施農業生產活動科學、有序、規范、可靠地進行。 我們的設施農業智能化控制平臺結構如下圖所示：

受到農民操作維護水平低的限制，計算機在農村的普及商需要一定時間。手機的普及特別是智能手機的快速發展，加上手機操作簡單攜帶方便等優勢，我們把手機作為智能化設施農業的一個移動的操作終端。通過開發手機專用的應用程序遠程登錄了解設施的運行狀況并控制設備的運行。根據作物的各項參數設定設施環境的極限值和作物生長環境參數極限值報警保護系統，通過手機實行遠程報警，提高了整個系統安全性，對建立無人值守的設施農業具有重要意義。

現場數據采集和控制采用分布式的智能控制模塊（控制前端）實現，這是我們智能化控制平臺的最重要的技術特點。把測控功能分解到多個控制模塊，智能前移，真正實現分散控制集中操作。智能控制模塊是我們專門研制的具有較高智能的現場控制設備，滿足在惡劣條件下多而分散的模擬量信號（如溫度、濕度壓力、電阻、電壓、電流、應變等多種物理量）和數字量信號（如開關狀態采集和控制、測頻計數、脈沖輸出等）的連續高精度測量和控制。具有測控精度高、抗干擾能力強、通訊速率快、傳輸距離遠、智能化程度高、使用簡單靈活、安裝維護方便等一系列優點，特別適用于設施農業的設備控制，具有非常高的性價比。控制模塊可編程組態，可以滿足一般設備的閉環控制。對于多個設備我們通過區域控制器實現局部范圍內多個設備的協調控制。對于全局性的綜合控制如設施內部的溫濕度控制，為了保證用最少的能耗達到滿意的調節效果需要涉及多個系統（遮陽系統，通風循環系統，設施內外的溫濕度，門窗系統，保溫系統，空調系統等等），另外這些控制因素和設備分布廣，這時由系統控制中心采用多因子的控制計算方案實現設施內外的大范圍的全局綜合控制，通過多個設備的協調動作達到降低能耗的目標。

為了適應不同農業生產的需要，智能化控制平臺可以方便的引入多種控制工藝。如水產養殖的水池液位自動控制，水溫調節及水質分析系統等；家禽養殖中的禽蛋產品收集，飼料供應和糞便處理傳輸等等，是一個真正開放的系統平臺。

開放的智能化控制平臺也為將來系統的擴展帶了很大的方便，比如可以增加農產品溯源技術，為了保證食品安全可以實現從農產品的源頭到市場直到飯桌的完整的產品跟蹤系統，智能化控制平臺可以自動準確記錄農產品的生產過程的完整檔案：從育苗到市場的全過程，包括施肥，病蟲防治等全部信息，為將來智能化平臺與物聯網預留了擴展的接口。隨著電子商務的發展，設施農業智能化控制系統也能夠與市場管理系統連接，實現生產與市場需求的一體化管理。

四、分布式智能控制模塊的介紹

分布式智能控制模塊（控制前端）在設施農業智能化控制平臺中承擔了重要的工作，不僅完成現場的數據采集任務，而且是各種控制指令的現場輸出控制裝置，是智能化控制平臺的眼睛和手，另外還具有較高的智能。智能控制模塊以嵌入式微控制器為主體, 將計算機技術、檢測技術、控制技術有機結合，可以完成多種物理量的精確測量轉換、自校準自診斷等多種功能，而且可編程組態，具有很高的智能。所謂編程組態是指：把設施農業工程中常用的運算功能和控制功能設計成通用的執行指令或運算函數，在工程應用中把這些指令按照工程需要進行合理的選擇“裝配”即可完成各種運算和控制任務。我們把用戶“裝配”的多個指令的組合稱為用戶組態程序，用戶組態程序以設定的時間反復運行即實現了對被控對象連續不間斷的控制。通過簡單的編程組態一個控制模塊可以實現多種物理量的測量和控制，并且可以在脫離主機的情況下獨立運行用戶組態程序獨立完成設定的測控任務。

可編程組態的智能控制模塊與現場總線相結合，提供了卓越的系統性能。借助現場總線多個智能控制模塊共享現場測控數據能組成更大范圍的控制系統，實現功能更強的大范圍的協調控制。這不僅可以節省投資而且可以為整個智能化系統實現智能前移和功能分散，極大地提高整個系統的可靠性和工作效率。智能化控制系統根據被控對象的規模和功能要求選擇不同功能的模塊，通過編程組態可以在很短的時間內實現對被控對象的自動控制。

采用獨特的“電氣隔離”技術和平衡差動傳輸技術，網絡上的各個控制模塊工作在“全隔離”“全浮空”現場總線網絡上，單個模塊的故障不會影響整個現場總線網絡的安全，具有很高的可靠性。通過現場總線多個控制模塊共享數據，多個模塊并行工作，測控效率高。同時采用無線通訊技術，能夠更加方便智能化控制系統的安裝，實現更大范圍和更低成本。下面簡單介紹常用模塊的功能：

數字量控制模塊：用于離散量的測量控制，有源或無源的開關狀態采集和控制，脈沖信號的計數測頻，脈沖信號的輸出控制等。主要用于設備的運行狀態遠程采集和啟停控制，可以在用戶組態邏輯的控制下獨立控制設備的啟停和邏輯分析報警等。在設施農業的設備控制中有廣泛的應用：電動門窗的開關，熱屏遮陰系統的開合，溫室通風方式轉換，移動噴灌機、濕簾及風機設備的啟停控制，灌溉閥門的控制和設備異常狀態的報警等等

模擬量控制模塊：用于連續的物理量的測量控制，能夠自動采集和控制電壓，電流，溫度，壓力，電阻等多種物理量。一個模擬量控制模塊通常有多個測控通道，用編程組態的方法可以設定每個通道的測量控制功能，通過連接不同的傳感器和變送器可以完成多種物理量的側量。在設施農業中有廣泛的用途，比如環境溫度、濕度、二氧化碳濃度等監測與報警，水產養殖中監測水池水位等獨立設備的監控，水肥管理系統中的肥料數量和濃度，土壤的含水率以及灌溉的反饋控制等。

模擬量和數字量綜合控制模塊：綜合了數字量和模擬量控制模塊的測控功能，在設施農業中主要用于就地實現較為復雜的調節控制。可以作為智能型可編程通用DDC控制器，此類模塊可用于空調、熱泵、復雜閥門等設備的調節和控制，通過組態可實現多種控制方式，如PID控制等，還可實現較為復雜的順序控制功能。

智能網絡接口模塊：接口類型：隔離的RS-232或RS-485；通訊協議：通訊協議可編程組態，從而可適用于不同的智能設備。應用場合：對于帶232/485口的智能設備，采用智能網絡接口模塊作為智能設備與我們現場總線網絡的協議轉換接口，這樣智能設備可以直接集成到現場總線網絡，非常經濟地實現智能設備的遠程監視與控制。通過智能網絡接口模塊能夠方便而且經濟地把很多自帶控制器的自動設備接入我們的智能化控制平臺實現遠程集中監測和控制，用于帶獨立控制器的農業設施和設備遠程測控，如產品自動包裝機，自動裝盆機，自動播種機等。

區域控制器：在縱向分層橫向分區的分布式設施農業智能化控制平臺中有著重要的應用，對一個大規模的智能化控制系統利用區域控制器能夠實現按照控制工藝的相關程度或者控制區域的地理位置進行分區。把一個大的控制系統劃分為多個相對獨立的區域，能夠大大提高控制的效率和系統的可靠性，同時也降低了系統維護的復雜程度。區域控制器一般作為分布式控制系統的現場級控制器；在大型工程中可作為區域監控主機，采用液晶觸摸屏作為人機界面；也可以作為現場網絡和其他網絡之間的通信網關。在區域控制級采用無線通訊技術可以方便實現更廣范圍的系統監控。

五、設施農業智能化控制平臺和農業信息化的遠景

設施農業智能化平臺通過將農業工程技術、現代信息技術、自動控制技術等應用到設施農業生產，根據作物生長的最適宜生態條件在設施農業中進行環境數據自動監測、生產環境自動控制調節，生產過程的智能控制從而節約勞動力成本，提升設施農業的生產效率，保障穩產高產。另外，設施農業智能化控制平臺是一個開放的控制平臺，融合了多個控制系統，是現代智能化控制技術和信息技術與農業生產相結合的產業，通過設施農業智能化控制平臺的建設為將來信息化的現代農業創造了條件，奠定了基礎。

我們的設施農業智能化控制平臺是一個開放的控制平臺，特別是通用性、可靠性、兼容性和可擴展性方面的技術，也可以滿足城市綠化灌溉等多個領域。隨著時間的推移，以及我們不斷的努力，相信會不斷地推出更先進的農業智能控制產品，智能化控制將會成為現代農業生產中不可缺少的一部分。我們致力于推動設施農業不斷向智能化方向發展，我們潛心于設施農業智能化控制新技術的研究、推廣和服務，相信這也會為我們提供廣闊的發展空間。

在現代以技術創新引領經濟增長的時代，只有通過完善的技術的投入，形成良好的規范化的共享技術基礎平臺和標準，才能突破產業發展的技術瓶頸和壁壘，形成良好的產業發展環境，才能促進設施農業產業的更好更快的發展。農業是國民經濟的基礎和命脈，以智能化控制技術為基礎，信息化的現代農業的明天更美好！