园艺种植机械化、智能化配套技术集成.docx
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1、本科生URP论文论文题目学生姓名专业指导教师学院园艺种植机械化、智能化配套技术集成XXX 学号 XXXX农业建筑环境与能源工程年级2008级张天柱 职称 教授水利与土木工程学院中国农业大学教务处制2011年5月中文摘要随着现代农业的发展,实现设施农业综合生态信息自动监控、对环境进行自动控 制和智能化管理,是工厂化农业生产的必然趋势。本文通过对园艺种植机械化、智能 化配套技术的研究,主要介绍温室多功能耕作机、园区农业环境远程监控系统及温室 生产智能控制系统等设施、设备的集成和试验。进行国内外发展现状等资料的收集, 对机械化、智能化设备进行集成和总结。关键字:设施园艺 机械化 智能化 温室 控制系
2、统AbstractWith the development of modern agriculture, agricultural facilities, ecological information to achieve automatic control, automatic control of the environment and intelligent management, will be the inevitable trend of industrialized agricultural production. Based on the research of mechani
3、zed gardening and intelligent technology, multi-function greenhouse farming machines, the agricultural environment, remote monitoring system, intelligent control greenhouse production facilities, equipment integration and testing are introduced. Present development of domestic and international data
4、 on the mechanization of intelligent devices are summarized.Key words: Horticultural Mechanization Intelligent Greenhouse Control System目 录中文摘要I英文摘要 II目 录III引 言 51、关于设施农业与设施园艺的概念解析52、设施园艺的特点 52.1 设施农业主体研究对象 52.2关于设施农业相关设备、技术与保障体系62.3 设施农业机械化设备技术 72.4各种类型能源利用技术72.5设施农业品种的选择工作72.6专家支持系统72.7设施农业网络信息支持系
5、统技术研究 73、国外设施农业发展概况84、我国设施园艺的发展94.1 蓬勃发展的现实 94.2愿意发展中存在的问题104.3中国设施园艺行业总体发展方向探讨 115、农业机械与设施农业 125.1 设施栽培的机械设备 125.2设施内的耕作机械135.3适宜日光温室及大棚生产的小型农业机械 155.4设施农业机械化存在的问题165.5发展对策176、设施农业智能化 176.1 设施农业智能化技术的发展 186.2智能化系统中的模拟技术 186.3计算机综合控制管理系统的研制196.4智能化农业信息技术的研究与示范应用196.5 人工智能化农业机械 197、设施园艺实用智能化温室217.1主体
6、结构217.2组合降温系统217.3 混合式通风系统 237.4温室控制系统与管理软件237.5作物栽培管理系统 238、设施农业灌溉量控制模型和营养液供给自动控制系统248.1控制系统研制 249、设施农业智能化的启示 259.1发达国家设施农业智能化的基本经验 269.2推进中国设施农业智能化的总体思路、发展重点和关键技术 279.3推进中国设施农业智能化建设应注意的几个问题 28结 语28参考文献29艺种植机械化、智能化配套技术集成0引言设施园艺是我国农业领域一个重要的方面。蔬菜、花卉、果品是人民生活不可或缺的农产品, 随着人民生活水平的日益提高,对设施园艺产品的需求日益增长,产品的附加
7、值也不断提高,经 济效益显著;其内容涵盖了建筑、材料、机械、自动控制、品种、栽培、管理等多种学科和多种 系统,因而科技含量高,所以设施园艺的发达程度,往往是一个国家或地区农业现代化水平的重 要标志之一。我国是人口众多的农业大国,在耕地资源、水资源和农业能源相对短缺的条件下,要想保证 食品安全,解决“三农”问题,增加农民收入,大力发展设施园艺,实行农业高度集约化经营, 应是我国农业发展道路的战略性选择之一。同时发展有中国特色的设施园艺是我国农业的战略性 任务。1关于设施农业和设施园艺业的概念解析“设施农业”和“设施园艺业”是外来词汇,对应英文为:protected agriculture或fac
8、ility agriculture、protected horticulture,字面意思即为可保护农业和保护园艺业。设施农业是指通过采用现代化农业工程和机械技术,改变自然环境,为动、植物生产提供相 对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥和气候等环境条件,而在一定程度上摆脱对自然 环境的依赖进行有效生产的农业。它是一种集约化程度较高的现代农业,由环境设施和技术设施 相配套,具有高投入、高技术含量、高品质、高产量、高效益等特点,是最有活力的农业新产业。2设施园艺的特点2.1设施农业主体研究对象设施农业研究的主体对象主要是温室,学术上从不同的角度出发,对温室有各种分类方法, 但生产中通用的温室
9、分类还是按照其使用性能来区分,同种类型中不同的变型按覆盖材料的不同 来区分。目前国内常用的温室类型主要有塑料大棚(禽中小拱棚)、日光温室和连栋温室。2.1.1塑料大棚是指以塑料薄膜作为透光覆盖材料的单栋拱棚,一般跨度在6.0-12.0m。脊高2.4-3.5m,长 度30-100m以上。它主要在我国南方地区使用,功能是冬季保温,夏季遮用、防雨;在北方地区 使用的主要是起春提早、秋延后作用。一般比露地生产可提早或延后一个月左右。由于其保温性 能较差,在北方地区一般不用它做越冬生产。2.1.2日光温室是我国科技工作者在一面坡温室的基础上不断完善提高开发出来的一种具有中国特色的温 室形式。它是以太阳能
10、为主要能源,夜间采用活动保温被在前屋面保温进行越冬生产的单屋面塑 料薄膜温室。该类温室的东、西、北三面墙体和后屋面采用高保温建造材料,在我国北方地区使 用,正常条件下不用人工加温可保持室内外温差达20-30C以上。此类温室现已推广到北纬30-45 。地区,是北方地区越冬生产园艺产品的主要温室形式。2.1.3连栋温室是将多个单跨的温室通过天沟连接起来的大面积生产温室。是当今世界和我国发展现代化设 施农业的趋势和潮流。连栋温室根据结构型式和覆盖材料不同,分为连栋玻璃温室、连栋塑料温 室和聚碳酸酯板温室(Pc板温室)。其中连栋塑料温室又根据覆盖塑料薄膜的层数分为单层塑料薄 膜温室和双层充气温室。Pc
11、板温室也根据聚碳酸酯板材料的不同。分为Pc中空板温室和Pc浪板 温室。温室的屋面型式有拱圆形、锯齿形和人字形等。上述谈及了几种温室类型,形式给人感觉单一,不多样化,温室建设的关键问题是应遵循切 实可行、低成本、高效、高产等原则进行。对成熟温室全链条构建过程应象其它产品生产一样, 针对某一地域配套组装式批量生产,形成产业化,这样可在广大设施保护地中推广。目前弄清设 施农业主体研究对象很重要,我国设施农业主体研究对象就是温室经济,就是研究温室内外、地 上和地下最适宜种植和养殖的环境,研究温室里面-种植和养殖什么,怎样更好的种植和养殖所 选品种,研究温室里面出产的产品是否能效益最大化、所建温室是否可
12、持续发展等问题。当然也 不应仅包含温室内种植和养殖业生态环境调控。只要通过控制技术调控农业生产环境以达到最佳 农业生产所涉及的相关行业都应考虑在内。2.2关于设施农业相关设备、技术与保障支撑体系2.2.1设施农业、设施园艺产业的应用基础研究重点开展设施作物生长发育规律及其调控机制;设施作物抗逆性和光能转化效率以及水分、 养分利用效率;设施作物的品质形成和调控规律;设施作物的安全优质生产的调控途径与质量控 制;设施土壤障碍机制及可持续利用调控机制;设施环境变化规律及其优化调控等方面的研究。2.2.2环境调控技术是采用计算机技术实施自动监测、自动调控的技术。自动测量要素主要包括环境因子和生物 因子
13、。其中环境因子有温度、湿度:风速、光照、CO2浓度、土壤营养、营养液成分等,生物因 子有叶温、光合速率、气孔阻抗、蒸散、植株含水量等。生态环境因素自动控制主要是保温、降 温、除湿、加湿、增施CO2、通风、充分采光、补光、遮光、土壤湿度、矿质养分等。多因素综 合控制是把各种作物在不同生长发育阶段需要的适宜环境条件要求输入计算机程序,当某一环境 因素发生变化时,其余因素自动作出相应的修正或调整。2.2.3无土栽培技术无土栽培(Soilless Culture)是指不用自然土壤.而用营养液或营养液与基质栽培作物的 方法。无土栽培系统包括作物生长保护设施,如温室、塑料棚等;容纳基质或营养液的槽、筒、盆
14、、 床等;提供作物营养液系统,如营养液的制备、贮存、消毒、注入等;监测调控系统.包括监测 调控温度、湿度、光照、CO2浓度、气流速度、pH值、电导度、营养液成分及水位等。无土栽培 大致可分为:水培、喷雾(或喷淋)栽培和基质栽培3种。2.2.4安全无公害栽培技术安全无公害栽培技术是设施农业技术中的重要技术,设施农业生产最终要达到环境安全无公 害、产品安全无公害目的。2.2.5温室主要性能评价体系研究技术2.2.5.1温室的透光性能透光率是评价温室透光性能的一项最基本的指标。它是指透进温室内的光照量与室外光照量 的百分比。透光率越高,温室的光热性能越好。2.2.5.2温室的保温性能衡量温室保温性能
15、的指标除了温室围护结构的保温热阻外,温室的保温比是一项最基本的指 标,保温比越大,说明温室的保温性能越好。2.2.5.3温室的耐久性影响温室耐久性的因素除了温室材料的耐老化性能外,还与温室主体结构的承载能力有关。 透光材料的耐久性除了自身强度外。还表现在其透光率随时间的衰减程度上,往往透光率的衰减 是影响透光材料使用寿命的决定性因素。2.2.5.4温室的造价温室造价是影响温室投资和效益的最重要因素之一。2.3设施农业机械化设备技术设施农业机械化设备技术应包括农业产品生产及后加工处理到产品上市全过程中涉及的硬 设施的研发与生产技术。2.4各种类型能源利用技术主要包括太阳能、地热、废热、空间差分能
16、源等。2.4.1太阳能 太阳能供给温室夜间采暖,即可行又有实效。在一定程度上解决了温室的高耗能 问题。2.4.2地热 适用于设施园艺采暖的地热能主要有地下热水、温泉等。地热加温的温度稳定,可 靠性较高,不受突变天气的影响。2.4.3废热 在工业化地区,有多种可以再利用的废热源,这些热源以热水形式加温温室土壤或 空气,既廉价又利用了当地的资源。2.4.4空间差分能源 空间差分能源指利用空间存在的各种能差。通过能差采集设备、转换设备、 输出设备等为设施农业调控主体塑料大棚、Et光温室、连栋温室等提供降温升温支持。其包括太 阳能、风能、辐射能、磁能、静电、位能、生物能源、化学能源等。2.5设施农业品
17、种选择工作设施农业品种选择是设施农业的关键所在,如选择不好品种,投入资金再多、技术再先进、 规模再庞大也不能产生可观经济收益,所以设施农业项目建设要选择成本低、产量高、品质高、生产周期短、可持续发展、市场价格高、市场销售快的品种,总之要寻求适应市场需要的品种。2.6专家支持系统专家系统是计算机近年来应用于设施农业的最新技术,它应用知识工程的方法总结特定领域 中专家的知识和经验,使之规范化、系统化并形成专家系统软件。它可以完成与专家水平相当的 咨询工作。并可为用户提供建议和决策。2.7设施农业网络信息支持系统技术研究主要是为设施农业生产全过程提供网上技术信息、产品信息、供求信息、相关法规与标准等
18、 相关内容传播与发布网平台建设、络化管理、模式化运行、远程服务等构建技术。3国外设施农业机械化发展概况在日本、韩国等根据资源短缺、从农人员减少、老龄化等现实,提高管理水平和劳动生产率, 实现省力化,研究开发了多种小型、轻便、多功能、高性能的设施园艺耕作机具;播种育苗装置; 灌水施肥装置;通风窗自动开闭温湿度调节装置;CO2施肥装置以及自动嫁接装置等。以色列利用 温室冬季生产花卉、蔬菜大量出口创汇,享有“冬季欧洲厨房”美称。其温室结构先进,装有幕 帘、天窗及遮阳网,可根据光照强度自动移动调节,温室温度、湿度、通风、施肥、灌水实行自 动化、机械化、每公顷年产玫瑰花300万支、可产番茄500t。最新
19、开发弥雾气候控制技术,使温 室降温需能减小。以色列温室设施由20世纪80年代到90年代已更新3代,面积由当时的900ha扩展 到今天的3000ha,促进了工厂化农业大发展。在国外,机器人的研究、开发应用已被广泛重视,并取得初步成果。日本、韩国研究开发了 瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本开发了育苗移栽机器人,有触觉和视觉,能将苗盘小苗孔中 的幼苗移栽到了大苗孔的苗盘中去,每1.2s移栽1株,辨别力很强,能把坏苗扔到一边。移栽几 十万株苗的繁重作业,对机器人而言非常轻松。机器人能指挥灌溉,可根据光反射和折射原理准 确测定出苗盘基质的含水量,根据需要适量灌溉,达到节水、防病、保持环境整洁的目的。日本
20、 研制了可行走的耕耘、施肥机器人;可完成多项作业的机器人;能在设施内完成各项作业的无人 行走车;用于组织培养作业的机器人;柑桔、葡萄收获机器人。4我国设施园艺的发展4.1蓬勃发展的现实全国以蔬菜栽培为主体的设施园艺面积居世界第一位,在一些大中城市郊区,蔬菜设施栽培 面积已超过当地菜田总面积的10%以上,某些地区已接近30%,与发达国家的差距明显缩小。 设施栽培分布的地域不断扩大,80年代设施园艺主要在“三北”地区发展,而现在正向南方迅速 扩展,发展势头已超过北方。设施园艺工程的总体水平有了明显提高,具体表现在园艺设施逐步向大型化发展,小型简易 类型比重下降约20%。通过大型现代化温室及配套设施
21、的引进,促进了我国温室产业的发展,使 我国新型优化节能日光温室和国产连栋塑料温室得到进一步推广,由于设施结构设计建筑更加科 学合理,使得设施内的光温水气环境得以优化,有利作物生长发育,为高产优质奠定了基础。例 如我国日光温室黄瓜的最高亩产已达2. 5万kg/年,接近或达到设施园艺发达的荷兰、日本等 国的水平。设施栽培作物种类日渐丰富,除蔬菜外,花卉也占有相当比重,果树设施栽培也正在 迅速发展。随着城市建设的发展,大中城市近郊区的耕地不断减少,于是近年来提出了 “都市农业”的 概念,都市农业的定位是在城市周边,与大都市的二产、三产密切结合,融合服务于大都市,保 证都市多元化、高质量消费的需要,要
22、做到可持续发展,且有利生态环境的化,因此往往把设施 园艺作为首选项目。4.2园艺发展中存在的问题和过去比较,我国的设施园艺工程事业正处在新中国成立以来最兴旺发达的时期,令人欢欣 鼓舞,但也必需冷静地看到其中存在的问题及与世界发达国家的差距。4.2.1科技含量低中国的设施园艺无论是在温室设施本身,还是在配套的栽培管理方面,大多数设施结构简易, 栽培管理以传统的经验为主,距离数量化和指标化的要求还有相当大的差距。中国温室市场上目 前使用的不少产品,在高品质领域主要以国外产品为主。遮荫网的生产上以瑞典、以色列的高品 质产品为主,薄膜的生产上以希腊、西班牙、以色列的高品质产品为主,优良的传动机构以荷兰
23、 的产品为主,温室环境控制系统领域上国内的产品同样与国外有相当的差距,国内现有的一些科 研成果与真正地推广应用之间还有一段距离。在设施专用品种的选育国内目前尚没有专用型、系 列化的温室栽培品种,设施农产品的产量和品质始终在低水平上徘徊。4.2.2设施水平低下从统计的数字字面上看来中国设施面积很大,人均16m2的面积也达到了发达国家20世纪80 年代的水平,但是中国的设施90%以上以简易型为主,对风雨等自然灾害的抵御能力差,设施栽 培生产的风险也就相对高。这种低水平的设施在夏季最热的季节只能够停止使用,在冬季低温冻 害的事件屡见不鲜,南方地区夏季的台风总能破坏相当大数量的设施。对于温度、光照、水
24、分、 肥料等环境因子的综合调控,在这样的设施里更是不可能了。中国南方地区的单栋塑料大棚和北 方地区的目光温室的发展,一方面是适应了比较落后的农村经济状况和人民群众较低的物质生活 要求,另一方面也反映了中国较低的设施水平。随着经济社会的发展、人民群众生活水平的提高、 以及当前加入WTO后农产品出口面临的竞争压力,这种低水平的重复建设必然会遇到设施水平提 升的要求。4.2.3运行管理水平低中国的设施建设上盲目性很大,大量的项目在相应的配套设备、人才不到位的情况下,盲目 地从国外引进高新技术、盲目地低水平仿制国外产品。温室种植管理上,产品种植前经过市场考 察的很少,往往造成产品积压,带来不应有的损失
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