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2006年11月22日 作者:chenjianhua [返回]
二十一世纪温室环境控制系统的新进技术

   在温室内部装设各种环境控制设备,以自动控制系统进行内部微气候调节,这已是从事温室栽培业者的基本共识。技术的进展是无止境。环境控制技术的创新改善与其它技术的更新进步息息相关。近年来,与环境控制技术有关的工业创新技术包括电子组件的微小化,微处理机的多任务与快速化,感测系统校正技术与追踪制度的建立,还有作物生理感测与生长模式的发展与验证。结合这些新进技术与原来的环境控制系统可使二十一世纪的温室环境控制技术达到新的境界。
一、感测系统
(一)传感器  温室栽培使用的感测系统包括:
A.     气体环境:温度、相对湿度、日照量、风速、风压、二氧化碳浓度等。
B.     根部环境:基质温度、pH值、EC值、各单一离子浓度、基质水分含量等。
C.     作物生理状态:叶片温度、叶片面积、叶片角度、叶绿素含量、糖份含量、N浓度、气孔开度、病原菌密度等。
(二)传感器的性能要求  温室环境控制系统使用的传感器其特殊性能要求:
A .    准确性范围为控制需求范围的25%
B .     能够抗拒高温、高湿、多灰尘的环境。
C .     传感器的感测作业并不妨碍作物的生长.例如叶温量测应该以近红外线非接触性技术进行感测,而不可以接触式导线插植叶体。
(三)传感器的放置位置
        传感器的放置位置极为重要。必须具有代表性,能够代表温室内部作物的真实环境。例如基质水份测量计如果放置于接近走道的植株容器或植物生长苗床,其水份量测值则偏低。另一方面传感器的放置不可因其它对象影响了量测的准确性。例如日照计如果受到横梁荫影影响,量测值则偏低。温度计固定于梁柱,量测温度值容易受到金属材料吸热、散热的影响。
(四)传感器的维护
        温湿度传感器要避免直接日晒。日照计的上方要有防尘装置以不影响日光波长与不受阳光偏移角度所影响。介质内部pH、水分等量测电极要能抗酸碱。而整体系统需要具有电击保护装置,可以耐突变电压以及外界静电等。
(五)传感器的校正
        温室环境控制的各种传感器都以电流或电压讯号输出,以便于与工业控制系统连结。然而以电学原理开发而成的传感器其量测性能受到非线性、迟滞效应、老化现象等影响,其准确性与重现性随使用环境与使用时间而改变,因此必须定期校正才能确保传感器的量测性能是正确可用。另一方面需要考虑传感器的内建公式是否适用。
       传感器的准确性直接影响控制作业的成败,然而传感器的校正作业决定其量测性能。校正作业需要使用标准物质或是建立标准环境,这种校正标准建立工作在量测工业已经建立制度,可引入利用于环境控制传感器的性能校正。
二、控制操作系统
        控制系统由环境控制设备、感测系统与控制策略等三要素共同组成。环境控制设备例如负压风扇、内循环风扇、水墙、加温机、弥雾工具等。假若机械设备的性能不良或是失效,环境调节的功能就无法发挥。因此进行温室环境控制的基本功夫就是设备的定期维护保养,需要进行的工作包括弥雾喷头阻塞程度检查,风扇皮带松紧度检查,各种传感器的保养等。
环境控制系统的真正核心是控制策略,依其结构可自简单至复杂,依序说明如下:
(一)温控与时控装置
        控制精密度要求不高的环境控制作业,可使用简易的温度控制器与时间控制器。以温室水墙与风扇的作业为例,可以以三个温度控制器分别控制第一段风扇、第二段风扇与水墙的控制。以时间控制器控制遮荫网动作。另外装设警告装置,在温度过高或过低、光量过高等异常状况,可以发出警告信号。
此种控制器成本低廉,构造简易耐用,只是控制的误差范围偏高,对于管理人员的技术要求也相对要高.
(二)过程控制
        此种控制策略的特色是以一个感测讯号与多重设定值进行比对,再分别控制不同的设备。例如以温室内温度与数组温度设定值比较,依序控制加温机、内循环风扇、外气负压风扇与水墙与弥雾等。
控制的误差范围与控制器性能相关。
(三)微电脑控制
        利用微电脑的运算能力,可以同时控制多区段或是多栋温室的微气候。使用微电脑另一个特点是可以记录与贮存温室内外微气候的感测值与各种环境控制设备的作用时间,因此管理人员可以追踪以往的栽培历程。由于此型设备已标准化,容易执行数据传输。
(四)整合式控制
        此种控制技术是藉由微电脑的运算能力、数据与数据贮存能力,配合作物营销市场数据库的建立,在控制系统内部建立运算系统。以此系统分析数据,并且依据以往栽培数据进行判断、综合,成为最适化的控制策略。使用此种策略,温室内微气候的控制参数则已不是设定为定值,而是可变动的数值。此类控制系统的作用模式又有不同层级:
A.     以作物生长最佳环境为目标:使作物生长更为快速,质量最好。
B.     以作物生长成本为目标:例如提高温度可以使得作物成长更快,更早售出。但是增加更多能源成本,因此使用整合性模式控制可以依据成本条件与市场的产品售价,以最佳利润为重点,评估最适切的环境控制参数。
(五)知识系统的控制
        此控制系统内含知识系统作为“智力”判断之用,以此智力判断的结果作为控制决策,用以制定控制参数(例如温度、湿度、日照量、基质水份等),再指挥环境控制设备。由于知识系统可以涵盖管理作业的数据,因此又可用以指挥管理机具。因此控制系统可兼用以进行温室环境控制与生产管理作业控制。
     知识系统包括以数学公式表达的生理模式与以逻辑程序运作处理的专业数据。 知识系统由一系列数据库与数学模式组成。其应用方式举例如下:
1. 温室环境控制
        使用者输入温室内种植的作物名称与品种名称,知识系统中栽培数据库内已预存此品种栽培条件(日夜温度、相对湿度、光量、光周期、介质水份、电导度等),此即为环境控制系统的默认值。如果此默认值与温室内部微气候量测值有所差异,而且此差异值又是高于控制容忍偏差值,知识系统即运用温室微气候模式计算来管制环境控制设备的调整量与调整次序。另一方面如果内部环境条件接近于默认值,但是大气环境的量测值与微气候模式计算显示外界环境即将影响内部微气候,知识系统即能预先启动环境控制设备以事先响应,进行此种前授式环境控制作业。
        由介质环境或是作物病虫害监测的感测数据可判断作物是否需要进行灌溉、施肥、施药等作业,在进行这些管理作业之同时,环境控制系统也可进行相应的调整动作,例如维持通风以加速叶片上方水分的蒸发。
        温室作业成本条件在变动的状况下(例如能源费用变动),知识系统可用以重新计算作业成本。在不影响市场供应时程的限制条件下,进而调整温室环境控制的设定参数。
        由于市场信息的变动,例如供货时间要求提前或延后,知识系统可藉由生理模式加以计算,用以判别在调整生产时程的要求下,温室环境控制条件或施肥、给水作业应有的变动,再用以此重新评估生产成本。
        作物生产状态未能达到生产质量管理点或是有病征出现,知识系统可藉由过去的温室微气候数据与作物现有的生理状态,用以判别原因并加以处理。例如作物生长不佳的原因可分别归类于
1. 生长环境(气体或地下部)不适合此品种,
2. 管理方法不适合(给水与给肥过多或过少),
3. 病虫害侵入或病毒影响。
三、中继站
        上述控制作业中,温室内部感测系统、知识系统与控制器等共同组成成为温室环境控制作业的中继站。此中继站接收的数据包括中央管理系统传送的大气环境数据,温室微气候调节设定值,与控制人员输入的参数。这些外来的数据与温室微气候数据及作物生理状况感测数据加以比较,再由控制器内的知识系统进行评估对比,用以进行环境控制设备的控制作业。
        此型中继站的特色是由一具中继站控制一个或数个温室单位。中继站可接收中央管理系统的数据,也将其感测数据与各设备控制动作等数据传送至中央管理系统,但是并不接受中央管理系统的命令讯号。此种控管功能在于只能由现场作业人员进行命令输入,而不能由远方人员径行从事遥控作业。
         异常讯号警告系统可与此中继站系统连结使用。并可藉由有线或无线通讯通知负责人员。
四、讯号与数据传送
            由中继站至中央管理系统的数据传送可藉由有线或无线方式传送。由于资料、数据的传输在工业界都已是标准化作业,因此可以直接使用于温室环境控制系统。
五、中央管理系统
      此中央管理系统具有如下之功能:
 1. 收集大气环境的量测数据,加以记录并送达各中继站。
 2. 接受各中继站传送各温室的微气候数据与设备动作的信息。
 3. 依作业成本条件或作业时程的变动,以内建知识系统进行计算与评估,重新拟定温室内部微气候参数与管理作业条件,再传送至中继站,交由管理人员根据现地状况后输入控制系统。
 4. 将每固定时间所收集的作物生长信息进行比对,以品管技术评估是否合乎预定生长进度。如果生长性状与质量(例如氮肥含量、抽梗长度等)有所差异,则以已有的生产历程信息与作物生理数据进行判断,作为环境控制参数的调整与管理作业之参考。
 5. 管理系统内建网站,可提供公司行政单位利用网络于不同地区获得相关生产信息。作物的生长状况可藉由网络提供下游顾客上线检视。

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