一、設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)建設(shè)的背景

中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，以僅僅相當(dāng)于世界7％的耕地養(yǎng)活了幾乎占世界1/5 的人口，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和命脈。由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大效率低下，再加上城市化的發(fā)展，現(xiàn)在年輕人大多不愿意從事農(nóng)業(yè)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后繼乏人。隨著人口老齡化形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，吸引高素質(zhì)的人才投身農(nóng)業(yè)和減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的人力需求已成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。 農(nóng)業(yè)智能化能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和勞動(dòng)舒適性，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)勞動(dòng)力的需求，可以吸引高素質(zhì)的新一代人才投身農(nóng)業(yè)。

當(dāng)前生態(tài)農(nóng)業(yè)和觀光農(nóng)業(yè)的發(fā)展方興未艾，展示了非常好的經(jīng)濟(jì)效益和示范效應(yīng)，吸引了不少社會(huì)資金的投入和參與，為現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展指引了方向。設(shè)施農(nóng)業(yè)有效拓展了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時(shí)空，減少甚至擺脫農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣候條件的依賴，集約化、商品化的工廠式生產(chǎn)模式，經(jīng)濟(jì)效益好，具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、安全、全年均衡生產(chǎn)的特點(diǎn)，可以滿足社會(huì)不同層次對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的不同需求，有效抑制諸如“豆你玩”“蒜你狠”等農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的劇烈波動(dòng)，對(duì)當(dāng)前政府主導(dǎo)的保民生穩(wěn)物價(jià)也是治本之策。

發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體現(xiàn)了現(xiàn)代控制技術(shù)和農(nóng)業(yè)的和諧統(tǒng)一。根據(jù)我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，必須考慮技術(shù)的成熟程度，即自動(dòng)化技術(shù)本身的可靠性，必須考慮售價(jià)和農(nóng)民的購(gòu)買力，以及采用自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)用性和農(nóng)民在操作維護(hù)時(shí)的方便性。我國(guó)從東到西，由南至北，氣候和環(huán)境差別巨大。研究適合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀的先進(jìn)控制系統(tǒng)具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)迫切需求。當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方式正處在由粗放低效向集約高效的轉(zhuǎn)變，構(gòu)建以設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化控制平臺(tái)為基礎(chǔ)的信息化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)無疑對(duì)推動(dòng)當(dāng)前農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型具有深遠(yuǎn)的意義。

我們主要科研人員具有長(zhǎng)期從事工業(yè)控制系統(tǒng)的經(jīng)歷，多年以來，一直從事計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，在解決高精度、高可靠性和抗干擾及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性等計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域中的高難度課題方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和很強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力。上世紀(jì)九十年代我們?cè)趪?guó)內(nèi)首家推出了具有國(guó)際先進(jìn)水平和完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程智能IO產(chǎn)品，通過不斷的技術(shù)完善和發(fā)展,目前已經(jīng)擁有超過500家的用戶。現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)控制系統(tǒng)的成熟，包括機(jī)械、工程、電子、計(jì)算機(jī)管理、現(xiàn)代信息、生物等技術(shù)的發(fā)展也為我們構(gòu)建智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制平臺(tái)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，以我們?cè)谧詣?dòng)化和智能化控制領(lǐng)域的豐富積累，我們致力于推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)向智能化方向發(fā)展，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展不懈努力。

二、設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化建設(shè)的目標(biāo)

在農(nóng)業(yè)設(shè)施工程的基礎(chǔ)上，合理利用自然環(huán)境并充分挖掘農(nóng)產(chǎn)品的生物潛力，通過精確控制最佳生產(chǎn)環(huán)境和各生產(chǎn)管理要素，最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)投入，在保證農(nóng)產(chǎn)品的優(yōu)良品質(zhì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)并追求最高的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)關(guān)注農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、土地等農(nóng)業(yè)自然資源的保護(hù)，是一項(xiàng)科技與生產(chǎn)結(jié)合的科技創(chuàng)新工程。智能化控制的設(shè)施農(nóng)業(yè)包含了設(shè)施工程、環(huán)境調(diào)控以及栽培、養(yǎng)殖技術(shù)等多個(gè)方面，使農(nóng)作物生長(zhǎng)不再完全依賴自然氣候，能夠按照市場(chǎng)訂單和社會(huì)需求統(tǒng)籌安排農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，做到常年工廠式均衡生產(chǎn)。智能化的設(shè)施農(nóng)業(yè)還大大減少人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和人為因素對(duì)生產(chǎn)過程的影響，是技術(shù)密集的高科技現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，是一個(gè)大投入高產(chǎn)出的新型農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。這也是一個(gè)投資大相對(duì)收益慢的項(xiàng)目，為了和國(guó)情相匹配，智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)的建設(shè)一般考慮采取分步推進(jìn)，逐步完善的建設(shè)模式。從規(guī)劃建設(shè)的初始階段就必須統(tǒng)籌考慮，把整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)作為一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)分步建設(shè)，逐步完善。

我們的智能化控制平臺(tái)采用縱向分層橫向分區(qū)的完全分布式的網(wǎng)絡(luò)控制體系。從功能上我們把智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)的分解成多個(gè)子功能，比如環(huán)境控制子系統(tǒng)，水肥控制，苗床管理，農(nóng)作物傳輸控制，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)知識(shí)系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，農(nóng)資管理系統(tǒng)，市場(chǎng)信息系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)和特殊情況下的遠(yuǎn)程報(bào)警等多個(gè)子功能；在系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)上，我們把系統(tǒng)功能分散到多個(gè)位置分散的網(wǎng)絡(luò)部件上，如實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控的現(xiàn)場(chǎng)可編程智能控制模塊，獨(dú)立完成區(qū)域局部和子系統(tǒng)管理的區(qū)域控制器，多個(gè)子系統(tǒng)間相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)主機(jī)等。各個(gè)功能模塊獨(dú)立自治，并行工作，通過網(wǎng)絡(luò)又相互溝通共同完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程。整個(gè)控制平臺(tái)在硬件和軟件上都實(shí)現(xiàn)了分散化和模塊化，整個(gè)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)和諧的統(tǒng)一體。這種方案不僅保證了控制的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上更可以根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，農(nóng)作物的種類，當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境等靈活選擇不同規(guī)模不同功能的控制系統(tǒng)，隨著條件的變化能夠靈活調(diào)整，柔性地分步驟組建和擴(kuò)展智能化系統(tǒng)。

在技術(shù)上我們充分考慮智能化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，特別關(guān)注控制系統(tǒng)的實(shí)用性和農(nóng)民在操作使用維修保養(yǎng)時(shí)的方便性。首先采用分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的各部件在電氣上實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離，保證局部的故障不會(huì)影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；現(xiàn)場(chǎng)可編程智能控制模塊直接深入現(xiàn)場(chǎng)，就近安裝到被控設(shè)備的附件，不僅能提高測(cè)控精度和抗干擾能力，極大地方便根據(jù)農(nóng)作物的品種進(jìn)行及時(shí)快速的調(diào)整和品置，還大大減少了安裝維護(hù)的難度和工作量；模塊化積木式的結(jié)構(gòu)，可以柔性組建不同規(guī)模不同功能的控制系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)控制模塊實(shí)現(xiàn)智能化，通過編程組態(tài)在不改變系統(tǒng)硬件的情況下系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能；縱向分層橫向分區(qū)的體系結(jié)構(gòu)不僅提供了可靠性的保證，而且使系統(tǒng)的擴(kuò)充和維護(hù)方便快捷；在操作方面我們?cè)O(shè)計(jì)上采用就地手動(dòng)控制，遠(yuǎn)程遙控，自動(dòng)控制和智能化控制互相補(bǔ)充冗余，保證系統(tǒng)完善的可操作性。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化化控制平臺(tái)是一個(gè)多系統(tǒng)的集成，硬件上有傳感器、傳感器變換器接口、智能控制器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、被控設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)總線等組成。軟件上不僅要求完成多設(shè)備多因素的綜合調(diào)節(jié)控制，而且和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不同領(lǐng)域密切相關(guān)，要求建立不同農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的知識(shí)系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，科學(xué)全面指導(dǎo)農(nóng)民對(duì)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)和管理。隨著自動(dòng)化信息技術(shù)和生物技術(shù)以及工程制造業(yè)的發(fā)展，我們的目標(biāo)是研制一個(gè)具有廣泛適用性的高可靠性的農(nóng)業(yè)智能化控制系統(tǒng)平臺(tái)，通過軟件的組態(tài)和多種功能的現(xiàn)場(chǎng)控制器滿足多種氣候和復(fù)雜環(huán)境條件下不同規(guī)模的不同農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)科研需要。

智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)控制平臺(tái)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能控制需求，并且能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合的集成控制。可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多方面的需求(如蔬菜瓜果，花卉生產(chǎn)，家禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖，桑蠶催青等)，在智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)的建設(shè)過程中有很好的操作性，能夠分階段有步驟的實(shí)現(xiàn)完善的農(nóng)業(yè)智能化控制系統(tǒng)。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化系統(tǒng)平臺(tái)方案，特別是通用性、可靠性、兼容性和可擴(kuò)展性方面的技術(shù)，將為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制提供先進(jìn)有效的完整解決方案。

三、設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方案

設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化實(shí)質(zhì)是利用先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)和工程技術(shù)來裝備和控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為作物營(yíng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，采用工業(yè)化生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識(shí)系統(tǒng)的支持下完成的生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)設(shè)施的自動(dòng)調(diào)節(jié)，配合用戶管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施的實(shí)時(shí)操作、監(jiān)控、報(bào)警、管理及日常數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。實(shí)現(xiàn)“分散控制，集中操作”和無人值守，可以減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力需求并提高勞動(dòng)的舒適度，大幅度提高生產(chǎn)效率和管理水平。我們把設(shè)施農(nóng)業(yè)的控制工藝分為多個(gè)在功能上相對(duì)獨(dú)立子系統(tǒng)，在具體的設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化實(shí)施過程中也可以選擇其中的一個(gè)或多個(gè)分步實(shí)施，關(guān)鍵的控制工藝(控制子系統(tǒng))有如下多個(gè)方面:

環(huán)境調(diào)控：設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控是智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵和核心，在一定的空間內(nèi)，用不同功能的傳感器和變送器，準(zhǔn)確采集設(shè)施內(nèi)不同區(qū)域的多項(xiàng)環(huán)境因子(光、熱、水、氣等)，同時(shí)參考設(shè)施外部的環(huán)境，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的對(duì)應(yīng)的知識(shí)系統(tǒng)結(jié)合作物生長(zhǎng)周期所需最佳條件，由智能系統(tǒng)綜合后發(fā)出指令，對(duì)有關(guān)系統(tǒng)、裝置及設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)合理的控制，將設(shè)施內(nèi)溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量等諸因素綜合協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)。環(huán)境調(diào)控相關(guān)的設(shè)施可能包括：熱屏遮陰系統(tǒng)、，陽光的自動(dòng)反射系統(tǒng)，噴霧系統(tǒng)，卷幕保溫系統(tǒng)，加溫空調(diào)系統(tǒng)，門窗控制及主動(dòng)通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，濕簾降溫系統(tǒng)，補(bǔ)光系統(tǒng)等等。多因子的綜合控制系統(tǒng)將分散的多點(diǎn)溫濕度傳送到操作控制中心分析綜合，在中心數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的指揮下多系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地工作,實(shí)現(xiàn)大范圍的精確的環(huán)境自動(dòng)調(diào)控。

環(huán)境調(diào)控的重點(diǎn)是在保證農(nóng)作物的合理的生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí)要特別重視節(jié)能措施，對(duì)設(shè)施內(nèi)外的環(huán)境準(zhǔn)確的采集并對(duì)多個(gè)設(shè)備的精確協(xié)調(diào)控制達(dá)到能源效率的最大化是我們研究的重點(diǎn)。智能化控制平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確記錄不同氣候條件時(shí)不同調(diào)控方式下的調(diào)控效果，可以進(jìn)一步指導(dǎo)我們完善和提高我們的調(diào)控方式和手段。由于相關(guān)的設(shè)備投資大、能耗多， 如何降低能耗成本和環(huán)境調(diào)控成套技術(shù)研究是我們?cè)O(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的重要的研究目標(biāo)。

水肥管理：設(shè)施農(nóng)業(yè)的施肥和灌溉是密切相關(guān)的，把肥料溶于灌溉水中隨灌溉水進(jìn)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(dòng)施肥機(jī)加注營(yíng)養(yǎng)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(shí)間控制、水量控制和反饋控制三種。時(shí)間控制系統(tǒng)是按預(yù)定好的時(shí)間放水或關(guān)水；水量控制系統(tǒng)是按照設(shè)計(jì)的配水量放水或關(guān)水；反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)區(qū)域內(nèi)埋在地下的濕度傳感器，收集土壤濕度信息，來決定對(duì)植物的灌溉間隔，當(dāng)需要灌溉時(shí)，智能化系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開灌溉系統(tǒng)放水，反之則關(guān)水。在灌溉過程中，如果系統(tǒng)記錄下水肥施用量與要求相比有一定偏差，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地調(diào)節(jié)灌溉裝置，做到按區(qū)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(jù)作物區(qū)的需要分區(qū)域精確施肥灌溉，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液成分，PH等進(jìn)行綜合調(diào)控，調(diào)節(jié)滴灌、噴灌系統(tǒng)的灌溉時(shí)間和次數(shù)，可以節(jié)省肥料和水資源。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、定時(shí)控制、反饋控制 、手動(dòng)控制灌溉方式的合理選擇,每種控制方式既可單獨(dú)運(yùn)行,也可混合運(yùn)行。可以靈活按種植區(qū)域設(shè)置不同的水肥管理方式實(shí)施精確的水肥控制方案。智能化控制系統(tǒng)精確控制水肥系統(tǒng)，能夠明顯提高肥料養(yǎng)分利用率和最大限度地避免因養(yǎng)分流失而造成的浪費(fèi)和環(huán)境污染。

苗床管理及農(nóng)作物傳送控制系統(tǒng)：為了最大化利用農(nóng)業(yè)設(shè)施的空間和提高效益，設(shè)施農(nóng)業(yè)往往提高農(nóng)作物的苗床密度并常常采用立體種植模式，為了方便農(nóng)作物的管理和均衡不同位置的農(nóng)作物生長(zhǎng)，必須根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整苗床的位置和空間。采用類似工業(yè)傳送流水線的傳送控制模式可以大大減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作效率。

能源計(jì)量和成本管理系統(tǒng)：設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是可以保障農(nóng)作物的全年均衡生產(chǎn)，冬季升溫，夏季降溫，但同時(shí)能源消耗是生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)重要支出。運(yùn)用智能化系統(tǒng)控制平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)記錄不同氣候條件下不同調(diào)節(jié)方式下農(nóng)業(yè)設(shè)施的能源負(fù)荷變化，為研究最經(jīng)濟(jì)高效的農(nóng)作物的環(huán)境調(diào)節(jié)方案提供了高效可靠的手段。通過智能化系統(tǒng)記錄的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)分析農(nóng)業(yè)設(shè)施在全年運(yùn)行的負(fù)荷變化情況，從構(gòu)成比重比較大的因素入手，研究節(jié)能的關(guān)鍵措施。另外，通過智能化系統(tǒng)自動(dòng)記錄的灌溉施肥治蟲等生產(chǎn)過程的詳細(xì)的數(shù)據(jù)也可以為農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本的統(tǒng)計(jì)分析提供準(zhǔn)確科學(xué)的數(shù)據(jù)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識(shí)系統(tǒng)和專家系統(tǒng)：這是一種智能程序系統(tǒng)，內(nèi)部具有大量農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的操作和管理。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，如作物栽培、植物保護(hù)、配方施肥等多個(gè)方面。栽培管理專家系統(tǒng)是在各個(gè)作物的不同生育期，根據(jù)不同的生態(tài)條件，進(jìn)行科學(xué)的農(nóng)事安排，其中包括栽培、施肥、灌水、植物保護(hù)等。在相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識(shí)系統(tǒng)和專家系統(tǒng)的支持下智能化控制系統(tǒng)自動(dòng)完成生產(chǎn)過程的多個(gè)設(shè)備正確運(yùn)轉(zhuǎn)。

多系統(tǒng)的集成融合：設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能控制需求，并且能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合的集成控制。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)涉及面廣，為了保證控制平臺(tái)的通用性、可靠性、兼容性和可擴(kuò)展性，在智能化控制的平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)上采用模塊化的設(shè)計(jì)，這樣既保證了各個(gè)分系統(tǒng)的獨(dú)立，同時(shí)又作為一個(gè)整體協(xié)調(diào)一致。隨著信息化社會(huì)的不斷發(fā)展。充分考慮智能化控制系統(tǒng)將來系統(tǒng)的擴(kuò)展非常重要。

借鑒先進(jìn)的現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)，為了保證整個(gè)系統(tǒng)高度的穩(wěn)定性、可靠性、兼容性和可擴(kuò)展性，充分考慮設(shè)施農(nóng)業(yè)投資大，智能化系統(tǒng)可能有計(jì)劃分步驟實(shí)施的特點(diǎn)，采用縱向分層橫向分區(qū)的分布式網(wǎng)絡(luò)化控制體系，這種控制模式既能滿足中小規(guī)模的設(shè)施農(nóng)業(yè)控制需要，更能滿足大規(guī)模的多設(shè)施(如大型溫室集群)生產(chǎn)控制要求。可以確保設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)科學(xué)、有序、規(guī)范、可靠地進(jìn)行。 我們的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

受到農(nóng)民操作維護(hù)水平低的限制，計(jì)算機(jī)在農(nóng)村的普及商需要一定時(shí)間。手機(jī)的普及特別是智能手機(jī)的快速發(fā)展，加上手機(jī)操作簡(jiǎn)單攜帶方便等優(yōu)勢(shì)，我們把手機(jī)作為智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)移動(dòng)的操作終端。通過開發(fā)手機(jī)專用的應(yīng)用程序遠(yuǎn)程登錄了解設(shè)施的運(yùn)行狀況并控制設(shè)備的運(yùn)行。根據(jù)作物的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定設(shè)施環(huán)境的極限值和作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)極限值報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)，通過手機(jī)實(shí)行遠(yuǎn)程報(bào)警，提高了整個(gè)系統(tǒng)安全性，對(duì)建立無人值守的設(shè)施農(nóng)業(yè)具有重要意義。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制采用分布式的智能控制模塊（控制前端）實(shí)現(xiàn)，這是我們智能化控制平臺(tái)的最重要的技術(shù)特點(diǎn)。把測(cè)控功能分解到多個(gè)控制模塊，智能前移，真正實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，滿足在惡劣條件下多而分散的模擬量信號(hào)（如溫度、濕度壓力、電阻、電壓、電流、應(yīng)變等多種物理量）和數(shù)字量信號(hào)（如開關(guān)狀態(tài)采集和控制、測(cè)頻計(jì)數(shù)、脈沖輸出等）的連續(xù)高精度測(cè)量和控制。具有測(cè)控精度高、抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、智能化程度高、使用簡(jiǎn)單靈活、安裝維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的設(shè)備控制，具有非常高的性價(jià)比。控制模塊可編程組態(tài)，可以滿足一般設(shè)備的閉環(huán)控制。對(duì)于多個(gè)設(shè)備我們通過區(qū)域控制器實(shí)現(xiàn)局部范圍內(nèi)多個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。對(duì)于全局性的綜合控制如設(shè)施內(nèi)部的溫濕度控制，為了保證用最少的能耗達(dá)到滿意的調(diào)節(jié)效果需要涉及多個(gè)系統(tǒng)（遮陽系統(tǒng)，通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)施內(nèi)外的溫濕度，門窗系統(tǒng)，保溫系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)等等），另外這些控制因素和設(shè)備分布廣，這時(shí)由系統(tǒng)控制中心采用多因子的控制計(jì)算方案實(shí)現(xiàn)設(shè)施內(nèi)外的大范圍的全局綜合控制，通過多個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)動(dòng)作達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。

為了適應(yīng)不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，智能化控制平臺(tái)可以方便的引入多種控制工藝。如水產(chǎn)養(yǎng)殖的水池液位自動(dòng)控制，水溫調(diào)節(jié)及水質(zhì)分析系統(tǒng)等；家禽養(yǎng)殖中的禽蛋產(chǎn)品收集，飼料供應(yīng)和糞便處理傳輸?shù)鹊龋且粋€(gè)真正開放的系統(tǒng)平臺(tái)。

開放的智能化控制平臺(tái)也為將來系統(tǒng)的擴(kuò)展帶了很大的方便，比如可以增加農(nóng)產(chǎn)品溯源技術(shù)，為了保證食品安全可以實(shí)現(xiàn)從農(nóng)產(chǎn)品的源頭到市場(chǎng)直到飯桌的完整的產(chǎn)品跟蹤系統(tǒng)，智能化控制平臺(tái)可以自動(dòng)準(zhǔn)確記錄農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程的完整檔案：從育苗到市場(chǎng)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(tái)與物聯(lián)網(wǎng)預(yù)留了擴(kuò)展的接口。隨著電子商務(wù)的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制系統(tǒng)也能夠與市場(chǎng)管理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與市場(chǎng)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(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)中承擔(dān)了重要的工作，不僅完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，而且是各種控制指令的現(xiàn)場(chǎng)輸出控制裝置，是智能化控制平臺(tái)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(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可以完成多種物理量的精確測(cè)量轉(zhuǎn)換、自校準(zhǔn)自診斷等多種功能，而且可編程組態(tài)，具有很高的智能。所謂編程組態(tài)是指：把設(shè)施農(nóng)業(yè)工程中常用的運(yùn)算功能和控制功能設(shè)計(jì)成通用的執(zhí)行指令或運(yùn)算函數(shù)，在工程應(yīng)用中把這些指令按照工程需要進(jìn)行合理的選擇“裝配”即可完成各種運(yùn)算和控制任務(wù)。我們把用戶“裝配”的多個(gè)指令的組合稱為用戶組態(tài)程序，用戶組態(tài)程序以設(shè)定的時(shí)間反復(fù)運(yùn)行即實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象連續(xù)不間斷的控制。通過簡(jiǎn)單的編程組態(tài)一個(gè)控制模塊可以實(shí)現(xiàn)多種物理量的測(cè)量和控制，并且可以在脫離主機(jī)的情況下獨(dú)立運(yùn)行用戶組態(tài)程序獨(dú)立完成設(shè)定的測(cè)控任務(wù)。

可編程組態(tài)的智能控制模塊與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合，提供了卓越的系統(tǒng)性能。借助現(xiàn)場(chǎng)總線多個(gè)智能控制模塊共享現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)能組成更大范圍的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)的大范圍的協(xié)調(diào)控制。這不僅可以節(jié)省投資而且可以為整個(gè)智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能前移和功能分散，極大地提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和工作效率。智能化控制系統(tǒng)根據(jù)被控對(duì)象的規(guī)模和功能要求選擇不同功能的模塊，通過編程組態(tài)可以在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的自動(dòng)控制。

采用獨(dú)特的“電氣隔離”技術(shù)和平衡差動(dòng)傳輸技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)控制模塊工作在“全隔離”“全浮空”現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上，單個(gè)模塊的故障不會(huì)影響整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的安全，具有很高的可靠性。通過現(xiàn)場(chǎng)總線多個(gè)控制模塊共享數(shù)據(jù)，多個(gè)模塊并行工作，測(cè)控效率高。同時(shí)采用無線通訊技術(shù)，能夠更加方便智能化控制系統(tǒng)的安裝，實(shí)現(xiàn)更大范圍和更低成本。下面簡(jiǎn)單介紹常用模塊的功能：

數(shù)字量控制模塊：用于離散量的測(cè)量控制，有源或無源的開關(guān)狀態(tài)采集和控制，脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)測(cè)頻，脈沖信號(hào)的輸出控制等。主要用于設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程采集和啟停控制，可以在用戶組態(tài)邏輯的控制下獨(dú)立控制設(shè)備的啟停和邏輯分析報(bào)警等。在設(shè)施農(nóng)業(yè)的設(shè)備控制中有廣泛的應(yīng)用：電動(dòng)門窗的開關(guān)，熱屏遮陰系統(tǒng)的開合，溫室通風(fēng)方式轉(zhuǎn)換，移動(dòng)噴灌機(jī)、濕簾及風(fēng)機(jī)設(shè)備的啟停控制，灌溉閥門的控制和設(shè)備異常狀態(tài)的報(bào)警等等

模擬量控制模塊：用于連續(xù)的物理量的測(cè)量控制，能夠自動(dòng)采集和控制電壓，電流，溫度，壓力，電阻等多種物理量。一個(gè)模擬量控制模塊通常有多個(gè)測(cè)控通道，用編程組態(tài)的方法可以設(shè)定每個(gè)通道的測(cè)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(cè)量。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中有廣泛的用途，比如環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度等監(jiān)測(cè)與報(bào)警，水產(chǎn)養(yǎng)殖中監(jiān)測(cè)水池水位等獨(dú)立設(shè)備的監(jiān)控，水肥管理系統(tǒng)中的肥料數(shù)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(shù)字量綜合控制模塊：綜合了數(shù)字量和模擬量控制模塊的測(cè)控功能，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中主要用于就地實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)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(diào)、熱泵、復(fù)雜閥門等設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制，通過組態(tài)可實(shí)現(xiàn)多種控制方式，如PID控制等，還可實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的順序控制功能。

智能網(wǎng)絡(luò)接口模塊：接口類型：隔離的RS-232或RS-485；通訊協(xié)議：通訊協(xié)議可編程組態(tài)，從而可適用于不同的智能設(shè)備。應(yīng)用場(chǎng)合：對(duì)于帶232/485口的智能設(shè)備，采用智能網(wǎng)絡(luò)接口模塊作為智能設(shè)備與我們現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換接口，這樣智能設(shè)備可以直接集成到現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，非常經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。通過智能網(wǎng)絡(luò)接口模塊能夠方便而且經(jīng)濟(jì)地把很多自帶控制器的自動(dòng)設(shè)備接入我們的智能化控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)和控制，用于帶獨(dú)立控制器的農(nóng)業(yè)設(shè)施和設(shè)備遠(yuǎn)程測(cè)控，如產(chǎn)品自動(dòng)包裝機(jī)，自動(dòng)裝盆機(jī)，自動(dòng)播種機(jī)等。

區(qū)域控制器：在縱向分層橫向分區(qū)的分布式設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)中有著重要的應(yīng)用，對(duì)一個(gè)大規(guī)模的智能化控制系統(tǒng)利用區(qū)域控制器能夠?qū)崿F(xiàn)按照控制工藝的相關(guān)程度或者控制區(qū)域的地理位置進(jìn)行分區(qū)。把一個(gè)大的控制系統(tǒng)劃分為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，能夠大大提高控制的效率和系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也降低了系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜程度。區(qū)域控制器一般作為分布式控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制器；在大型工程中可作為區(qū)域監(jiān)控主機(jī)，采用液晶觸摸屏作為人機(jī)界面；也可以作為現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)之間的通信網(wǎng)關(guān)。在區(qū)域控制級(jí)采用無線通訊技術(shù)可以方便實(shí)現(xiàn)更廣范圍的系統(tǒng)監(jiān)控。

五、設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)和農(nóng)業(yè)信息化的遠(yuǎn)景

設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化平臺(tái)通過將農(nóng)業(yè)工程技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，根據(jù)作物生長(zhǎng)的最適宜生態(tài)條件在設(shè)施農(nóng)業(yè)中進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)環(huán)境自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，生產(chǎn)過程的智能控制從而節(jié)約勞動(dòng)力成本，提升設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，保障穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。另外，設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)是一個(gè)開放的控制平臺(tái)，融合了多個(gè)控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代智能化控制技術(shù)和信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，通過設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)的建設(shè)為將來信息化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)造了條件，奠定了基礎(chǔ)。

我們的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制平臺(tái)是一個(gè)開放的控制平臺(tái)，特別是通用性、可靠性、兼容性和可擴(kuò)展性方面的技術(shù)，也可以滿足城市綠化灌溉等多個(gè)領(lǐng)域。隨著時(shí)間的推移，以及我們不斷的努力，相信會(huì)不斷地推出更先進(jìn)的農(nóng)業(yè)智能控制產(chǎn)品，智能化控制將會(huì)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分。我們致力于推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)不斷向智能化方向發(fā)展，我們潛心于設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化控制新技術(shù)的研究、推廣和服務(wù)，相信這也會(huì)為我們提供廣闊的發(fā)展空間。

在現(xiàn)代以技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的時(shí)代，只有通過完善的技術(shù)的投入，形成良好的規(guī)范化的共享技術(shù)基礎(chǔ)平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)，才能突破產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸和壁壘，形成良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，才能促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的更好更快的發(fā)展。農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和命脈，以智能化控制技術(shù)為基礎(chǔ)，信息化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的明天更美好！