一、设施农业智能化控制平台建设的背景

中国作为一个农业大国，以仅仅相当于世界7％的耕地养活了几乎占世界1/5 的人口，农业是国民经济的基础和命脉。由于传统农业劳动强度大效率低下，再加上城市化的发展，现在年轻人大多不愿意从事农业，导致农业生产后继乏人。随着人口老龄化形势日趋严峻，吸引高素质的人才投身农业和减少农业生产中的人力需求已成为一个现实问题。 农业智能化能够提高农业生产效率和劳动舒适性，减少农业生产对劳动力的需求，可以吸引高素质的新一代人才投身农业。

当前生态农业和观光农业的发展方兴未艾，展示了非常好的经济效益和示范效应，吸引了不少社会资金的投入和参与，为现代高效农业的发展指引了方向。设施农业有效拓展了农业生产的时空，减少甚至摆脱农业生产对气候条件的依赖，集约化、商品化的工厂式生产模式，经济效益好，具有高产、优质、安全、全年均衡生产的特点，可以满足社会不同层次对农产品的不同需求，有效抑制诸如“豆你玩”“蒜你狠”等农产品价格的剧烈波动，对当前政府主导的保民生稳物价也是治本之策。

发达国家的现代农业技术体现了现代控制技术和农业的和谐统一。根据我国的农业生产现状，必须考虑技术的成熟程度，即自动化技术本身的可靠性，必须考虑售价和农民的购买力，以及采用自动化技术的实用性和农民在操作维护时的方便性。我国从东到西，由南至北，气候和环境差别巨大。研究适合我国农业生产现状的先进控制系统具有重要的社会和经济价值，也是农业生产的现实迫切需求。当前我国经济的发展方式正处在由粗放低效向集约高效的转变，构建以设施农业的智能化控制平台为基础的信息化现代农业无疑对推动当前农业产业的升级转型具有深远的意义。

我们主要科研人员具有长期从事工业控制系统的经历，多年以来，一直从事计算机监控系统的研究开发工作，在解决高精度、高可靠性和抗干扰及现场环境适应性等计算机测控领域中的高难度课题方面拥有丰富的经验和很强的技术实力。上世纪九十年代我们在国内首家推出了具有国际先进水平和完全自主知识产权的计算机远程智能IO产品，通过不断的技术完善和发展,目前已经拥有超过500家的用户。现代工业技术控制系统的成熟，包括机械、工程、电子、计算机管理、现代信息、生物等技术的发展也为我们构建智能化的农业生产控制平台提供了技术基础，以我们在自动化和智能化控制领域的丰富积累，我们致力于推动设施农业向智能化方向发展，为现代农业的发展不懈努力。

二、设施农业智能化建设的目标

在农业设施工程的基础上，合理利用自然环境并充分挖掘农产品的生物潜力，通过精确控制最佳生产环境和各生产管理要素，最大限度地优化各项投入，在保证农产品的优良品质的基础上实现高产稳产并追求最高的经济效益，同时关注农业生态环境、土地等农业自然资源的保护，是一项科技与生产结合的科技创新工程。智能化控制的设施农业包含了设施工程、环境调控以及栽培、养殖技术等多个方面，使农作物生长不再完全依赖自然气候，能够按照市场订单和社会需求统筹安排农产品的生产过程，做到常年工厂式均衡生产。智能化的设施农业还大大减少人员的劳动强度和人为因素对生产过程的影响，是技术密集的高科技现代农业，是一个大投入高产出的新型农业基础设施。这也是一个投资大相对收益慢的项目，为了和国情相匹配，智能化设施农业的建设一般考虑采取分步推进，逐步完善的建设模式。从规划建设的初始阶段就必须统筹考虑，把整个系统的建设作为一个统一的平台分步建设，逐步完善。

我们的智能化控制平台采用纵向分层横向分区的完全分布式的网络控制体系。从功能上我们把智能化设施农业的分解成多个子功能，比如环境控制子系统，水肥控制，苗床管理，农作物传输控制，农产品生产知识系统和专家系统，农资管理系统，市场信息系统，远程操作系统和特殊情况下的远程报警等多个子功能；在系统的物理结构上，我们把系统功能分散到多个位置分散的网络部件上，如实现设备自动化监控的现场可编程智能控制模块，独立完成区域局部和子系统管理的区域控制器，多个子系统间相互协调的系统主机等。各个功能模块独立自治，并行工作，通过网络又相互沟通共同完成农业生产的全过程。整个控制平台在硬件和软件上都实现了分散化和模块化，整个系统通过网络构成一个和谐的统一体。这种方案不仅保证了控制的稳定性，在系统结构上更可以根据设施农业的生产规模，农作物的种类，当地的气候环境等灵活选择不同规模不同功能的控制系统，随着条件的变化能够灵活调整，柔性地分步骤组建和扩展智能化系统。

在技术上我们充分考虑智能化控制系统的稳定性和可靠性，特别关注控制系统的实用性和农民在操作使用维修保养时的方便性。首先采用分布式的系统结构，系统的各部件在电气上实现完全的电气隔离，保证局部的故障不会影响其他系统的正常运转；现场可编程智能控制模块直接深入现场，就近安装到被控设备的附件，不仅能提高测控精度和抗干扰能力，极大地方便根据农作物的品种进行及时快速的调整和品置，还大大减少了安装维护的难度和工作量；模块化积木式的结构，可以柔性组建不同规模不同功能的控制系统；现场控制模块实现智能化，通过编程组态在不改变系统硬件的情况下系统可以实现不同的控制功能；纵向分层横向分区的体系结构不仅提供了可靠性的保证，而且使系统的扩充和维护方便快捷；在操作方面我们设计上采用就地手动控制，远程遥控，自动控制和智能化控制互相补充冗余，保证系统完善的可操作性。

农业生产智能化化控制平台是一个多系统的集成，硬件上有传感器、传感器变换器接口、智能控制器、计算机网络、被控设备、现场总线等组成。软件上不仅要求完成多设备多因素的综合调节控制，而且和农业生产的不同领域密切相关，要求建立不同农产品生产的知识系统和专家系统，科学全面指导农民对生产过程的调节和管理。随着自动化信息技术和生物技术以及工程制造业的发展，我们的目标是研制一个具有广泛适用性的高可靠性的农业智能化控制系统平台，通过软件的组态和多种功能的现场控制器满足多种气候和复杂环境条件下不同规模的不同农产品的生产科研需要。

智能化设施农业控制平台不仅能够实现不同功能控制需求，并且能够进一步实现多系统融合的集成控制。可以满足农业生产多方面的需求(如蔬菜瓜果，花卉生产，家禽和水产养殖，桑蚕催青等)，在智能化设施农业的建设过程中有很好的操作性，能够分阶段有步骤的实现完善的农业智能化控制系统。设施农业智能化系统平台方案，特别是通用性、可靠性、兼容性和可扩展性方面的技术，将为设施农业智能化控制提供先进有效的完整解决方案。

三、设施农业智能化控制平台的关键技术及实现方案

设施农业的智能化实质是利用先进的工业控制技术结合现代生物技术和工程技术来装备和控制农业生产，为作物营造适宜的生长环境，采用工业化生产方式实现连续高效的农业生产。在农业生产知识系统的支持下完成的生产环境和生产设施的自动调节，配合用户管理平台实现对农业设施的实时操作、监控、报警、管理及日常数据报表等功能。实现“分散控制，集中操作”和无人值守，可以减少农业生产的劳动力需求并提高劳动的舒适度，大幅度提高生产效率和管理水平。我们把设施农业的控制工艺分为多个在功能上相对独立子系统，在具体的设施农业的智能化实施过程中也可以选择其中的一个或多个分步实施，关键的控制工艺(控制子系统)有如下多个方面:

环境调控：设施农业环境调控是智能化设施农业的关键和核心，在一定的空间内，用不同功能的传感器和变送器，准确采集设施内不同区域的多项环境因子(光、热、水、气等)，同时参考设施外部的环境，对数据进行汇总分析，根据农产品生产的对应的知识系统结合作物生长周期所需最佳条件，由智能系统综合后发出指令，对有关系统、装置及设备进行自动合理的控制，将设施内温度、湿度、光照、空气质量等诸因素综合协调到最佳状态。环境调控相关的设施可能包括：热屏遮阴系统、，阳光的自动反射系统，喷雾系统，卷幕保温系统，加温空调系统，门窗控制及主动通风循环系统，湿帘降温系统，补光系统等等。多因子的综合控制系统将分散的多点温湿度传送到操作控制中心分析综合，在中心数据计算机的指挥下多系统协调一致地工作,实现大范围的精确的环境自动调控。

环境调控的重点是在保证农作物的合理的生长环境的同时要特别重视节能措施，对设施内外的环境准确的采集并对多个设备的精确协调控制达到能源效率的最大化是我们研究的重点。智能化控制平台能够实时准确记录不同气候条件时不同调控方式下的调控效果，可以进一步指导我们完善和提高我们的调控方式和手段。由于相关的设备投资大、能耗多， 如何降低能耗成本和环境调控成套技术研究是我们设施农业智能化的重要的研究目标。

水肥管理：设施农业的施肥和灌溉是密切相关的，把肥料溶于灌溉水中随灌溉水进行的一种施肥。通常由首部、输送管道和灌溉末端组成，首部采用自动施肥机加注营养液，一般有顶部喷灌、根部喷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：时间控制、水量控制和反馈控制三种。时间控制系统是按预定好的时间放水或关水；水量控制系统是按照设计的配水量放水或关水；反馈控制系统是根据区域内埋在地下的湿度传感器，收集土壤湿度信息，来决定对植物的灌溉间隔，当需要灌溉时，智能化系统会自动打开灌溉系统放水，反之则关水。在灌溉过程中，如果系统记录下水肥施用量与要求相比有一定偏差，系统会自动地调节灌溉装置，做到按区域精确控制，真正做到“按需供水，精确用肥”。

通过智能化的水肥管理，根据作物区的需要分区域精确施肥灌溉，对营养液成分，PH等进行综合调控，调节滴灌、喷灌系统的灌溉时间和次数，可以节省肥料和水资源。实现自动控制、定时控制、反馈控制 、手动控制灌溉方式的合理选择,每种控制方式既可单独运行,也可混合运行。可以灵活按种植区域设置不同的水肥管理方式实施精确的水肥控制方案。智能化控制系统精确控制水肥系统，能够明显提高肥料养分利用率和最大限度地避免因养分流失而造成的浪费和环境污染。

苗床管理及农作物传送控制系统：为了最大化利用农业设施的空间和提高效益，设施农业往往提高农作物的苗床密度并常常采用立体种植模式，为了方便农作物的管理和均衡不同位置的农作物生长，必须根据生产需要调整苗床的位置和空间。采用类似工业传送流水线的传送控制模式可以大大减少人工劳动强度和提高工作效率。

能源计量和成本管理系统：设施农业的一个重要优势是可以保障农作物的全年均衡生产，冬季升温，夏季降温，但同时能源消耗是生产过程中的一项重要支出。运用智能化系统控制平台能够实时记录不同气候条件下不同调节方式下农业设施的能源负荷变化，为研究最经济高效的农作物的环境调节方案提供了高效可靠的手段。通过智能化系统记录的准确数据分析农业设施在全年运行的负荷变化情况，从构成比重比较大的因素入手，研究节能的关键措施。另外，通过智能化系统自动记录的灌溉施肥治虫等生产过程的详细的数据也可以为农产品的生产成本的统计分析提供准确科学的数据。

农业生产知识系统和专家系统：这是一种智能程序系统，内部具有大量农业领域的知识和经验，用于指导农业生产过程的操作和管理。农业专家系统可应用于农业的各个领域，如作物栽培、植物保护、配方施肥等多个方面。栽培管理专家系统是在各个作物的不同生育期，根据不同的生态条件，进行科学的农事安排，其中包括栽培、施肥、灌水、植物保护等。在相关农业生产知识系统和专家系统的支持下智能化控制系统自动完成生产过程的多个设备正确运转。

多系统的集成融合：设施农业智能化控制平台不仅能够实现不同功能控制需求，并且能够进一步实现多系统融合的集成控制。农业生产涉及面广，为了保证控制平台的通用性、可靠性、兼容性和可扩展性，在智能化控制的平台的软硬件设计上采用模块化的设计，这样既保证了各个分系统的独立，同时又作为一个整体协调一致。随着信息化社会的不断发展。充分考虑智能化控制系统将来系统的扩展非常重要。

借鉴先进的现代工业控制技术，为了保证整个系统高度的稳定性、可靠性、兼容性和可扩展性，充分考虑设施农业投资大，智能化系统可能有计划分步骤实施的特点，采用纵向分层横向分区的分布式网络化控制体系，这种控制模式既能满足中小规模的设施农业控制需要，更能满足大规模的多设施(如大型温室集群)生产控制要求。可以确保设施农业生产活动科学、有序、规范、可靠地进行。 我们的设施农业智能化控制平台结构如下图所示：

受到农民操作维护水平低的限制，计算机在农村的普及商需要一定时间。手机的普及特别是智能手机的快速发展，加上手机操作简单携带方便等优势，我们把手机作为智能化设施农业的一个移动的操作终端。通过开发手机专用的应用程序远程登录了解设施的运行状况并控制设备的运行。根据作物的各项参数设定设施环境的极限值和作物生长环境参数极限值报警保护系统，通过手机实行远程报警，提高了整个系统安全性，对建立无人值守的设施农业具有重要意义。

现场数据采集和控制采用分布式的智能控制模块（控制前端）实现，这是我们智能化控制平台的最重要的技术特点。把测控功能分解到多个控制模块，智能前移，真正实现分散控制集中操作。智能控制模块是我们专门研制的具有较高智能的现场控制设备，满足在恶劣条件下多而分散的模拟量信号（如温度、湿度压力、电阻、电压、电流、应变等多种物理量）和数字量信号（如开关状态采集和控制、测频计数、脉冲输出等）的连续高精度测量和控制。具有测控精度高、抗干扰能力强、通讯速率快、传输距离远、智能化程度高、使用简单灵活、安装维护方便等一系列优点，特别适用于设施农业的设备控制，具有非常高的性价比。控制模块可编程组态，可以满足一般设备的闭环控制。对于多个设备我们通过区域控制器实现局部范围内多个设备的协调控制。对于全局性的综合控制如设施内部的温湿度控制，为了保证用最少的能耗达到满意的调节效果需要涉及多个系统（遮阳系统，通风循环系统，设施内外的温湿度，门窗系统，保温系统，空调系统等等），另外这些控制因素和设备分布广，这时由系统控制中心采用多因子的控制计算方案实现设施内外的大范围的全局综合控制，通过多个设备的协调动作达到降低能耗的目标。

为了适应不同农业生产的需要，智能化控制平台可以方便的引入多种控制工艺。如水产养殖的水池液位自动控制，水温调节及水质分析系统等；家禽养殖中的禽蛋产品收集，饲料供应和粪便处理传输等等，是一个真正开放的系统平台。

开放的智能化控制平台也为将来系统的扩展带了很大的方便，比如可以增加农产品溯源技术，为了保证食品安全可以实现从农产品的源头到市场直到饭桌的完整的产品跟踪系统，智能化控制平台可以自动准确记录农产品的生产过程的完整档案：从育苗到市场的全过程，包括施肥，病虫防治等全部信息，为将来智能化平台与物联网预留了扩展的接口。随着电子商务的发展，设施农业智能化控制系统也能够与市场管理系统连接，实现生产与市场需求的一体化管理。

四、分布式智能控制模块的介绍

分布式智能控制模块（控制前端）在设施农业智能化控制平台中承担了重要的工作，不仅完成现场的数据采集任务，而且是各种控制指令的现场输出控制装置，是智能化控制平台的眼睛和手，另外还具有较高的智能。智能控制模块以嵌入式微控制器为主体, 将计算机技术、检测技术、控制技术有机结合，可以完成多种物理量的精确测量转换、自校准自诊断等多种功能，而且可编程组态，具有很高的智能。所谓编程组态是指：把设施农业工程中常用的运算功能和控制功能设计成通用的执行指令或运算函数，在工程应用中把这些指令按照工程需要进行合理的选择“装配”即可完成各种运算和控制任务。我们把用户“装配”的多个指令的组合称为用户组态程序，用户组态程序以设定的时间反复运行即实现了对被控对象连续不间断的控制。通过简单的编程组态一个控制模块可以实现多种物理量的测量和控制，并且可以在脱离主机的情况下独立运行用户组态程序独立完成设定的测控任务。

可编程组态的智能控制模块与现场总线相结合，提供了卓越的系统性能。借助现场总线多个智能控制模块共享现场测控数据能组成更大范围的控制系统，实现功能更强的大范围的协调控制。这不仅可以节省投资而且可以为整个智能化系统实现智能前移和功能分散，极大地提高整个系统的可靠性和工作效率。智能化控制系统根据被控对象的规模和功能要求选择不同功能的模块，通过编程组态可以在很短的时间内实现对被控对象的自动控制。

采用独特的“电气隔离”技术和平衡差动传输技术，网络上的各个控制模块工作在“全隔离”“全浮空”现场总线网络上，单个模块的故障不会影响整个现场总线网络的安全，具有很高的可靠性。通过现场总线多个控制模块共享数据，多个模块并行工作，测控效率高。同时采用无线通讯技术，能够更加方便智能化控制系统的安装，实现更大范围和更低成本。下面简单介绍常用模块的功能：

数字量控制模块：用于离散量的测量控制，有源或无源的开关状态采集和控制，脉冲信号的计数测频，脉冲信号的输出控制等。主要用于设备的运行状态远程采集和启停控制，可以在用户组态逻辑的控制下独立控制设备的启停和逻辑分析报警等。在设施农业的设备控制中有广泛的应用：电动门窗的开关，热屏遮阴系统的开合，温室通风方式转换，移动喷灌机、湿帘及风机设备的启停控制，灌溉阀门的控制和设备异常状态的报警等等

模拟量控制模块：用于连续的物理量的测量控制，能够自动采集和控制电压，电流，温度，压力，电阻等多种物理量。一个模拟量控制模块通常有多个测控通道，用编程组态的方法可以设定每个通道的测量控制功能，通过连接不同的传感器和变送器可以完成多种物理量的侧量。在设施农业中有广泛的用途，比如环境温度、湿度、二氧化碳浓度等监测与报警，水产养殖中监测水池水位等独立设备的监控，水肥管理系统中的肥料数量和浓度，土壤的含水率以及灌溉的反馈控制等。

模拟量和数字量综合控制模块：综合了数字量和模拟量控制模块的测控功能，在设施农业中主要用于就地实现较为复杂的调节控制。可以作为智能型可编程通用DDC控制器，此类模块可用于空调、热泵、复杂阀门等设备的调节和控制，通过组态可实现多种控制方式，如PID控制等，还可实现较为复杂的顺序控制功能。

智能网络接口模块：接口类型：隔离的RS-232或RS-485；通讯协议：通讯协议可编程组态，从而可适用于不同的智能设备。应用场合：对于带232/485口的智能设备，采用智能网络接口模块作为智能设备与我们现场总线网络的协议转换接口，这样智能设备可以直接集成到现场总线网络，非常经济地实现智能设备的远程监视与控制。通过智能网络接口模块能够方便而且经济地把很多自带控制器的自动设备接入我们的智能化控制平台实现远程集中监测和控制，用于带独立控制器的农业设施和设备远程测控，如产品自动包装机，自动装盆机，自动播种机等。

区域控制器：在纵向分层横向分区的分布式设施农业智能化控制平台中有着重要的应用，对一个大规模的智能化控制系统利用区域控制器能够实现按照控制工艺的相关程度或者控制区域的地理位置进行分区。把一个大的控制系统划分为多个相对独立的区域，能够大大提高控制的效率和系统的可靠性，同时也降低了系统维护的复杂程度。区域控制器一般作为分布式控制系统的现场级控制器；在大型工程中可作为区域监控主机，采用液晶触摸屏作为人机界面；也可以作为现场网络和其他网络之间的通信网关。在区域控制级采用无线通讯技术可以方便实现更广范围的系统监控。

五、设施农业智能化控制平台和农业信息化的远景

设施农业智能化平台通过将农业工程技术、现代信息技术、自动控制技术等应用到设施农业生产，根据作物生长的最适宜生态条件在设施农业中进行环境数据自动监测、生产环境自动控制调节，生产过程的智能控制从而节约劳动力成本，提升设施农业的生产效率，保障稳产高产。另外，设施农业智能化控制平台是一个开放的控制平台，融合了多个控制系统，是现代智能化控制技术和信息技术与农业生产相结合的产业，通过设施农业智能化控制平台的建设为将来信息化的现代农业创造了条件，奠定了基础。

我们的设施农业智能化控制平台是一个开放的控制平台，特别是通用性、可靠性、兼容性和可扩展性方面的技术，也可以满足城市绿化灌溉等多个领域。随着时间的推移，以及我们不断的努力，相信会不断地推出更先进的农业智能控制产品，智能化控制将会成为现代农业生产中不可缺少的一部分。我们致力于推动设施农业不断向智能化方向发展，我们潜心于设施农业智能化控制新技术的研究、推广和服务，相信这也会为我们提供广阔的发展空间。

在现代以技术创新引领经济增长的时代，只有通过完善的技术的投入，形成良好的规范化的共享技术基础平台和标准，才能突破产业发展的技术瓶颈和壁垒，形成良好的产业发展环境，才能促进设施农业产业的更好更快的发展。农业是国民经济的基础和命脉，以智能化控制技术为基础，信息化的现代农业的明天更美好！