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8月號 2019 Aug
資訊補給站-生產更穩定 品質再提昇 第三代蝴蝶蘭溫室環控系統
蘭花溫室環境控制系統介紹

文/精緻農業事業部 卓鈺棠
 
 

前言:溫室與溫室環控簡介

 
溫室是一個集合結構、機電、生物與環境而成的綜合系統。這些組件在軟、硬體各方面相互配合的優劣決定系統的成敗。溫室系統工程由提高資源使用效率,增進產品品質,節約成本,增加收益的著眼點出發,將溫室系統的研究分成以下五大部份:內部的配置,物料的運搬,環境的控制,作物的栽培及經營與管理;溫室環控工程為其中重要的一環。

同樣的環控原理與技術,推而廣之可應用到其它許多的領域;其在農業上的應用範圍廣泛,舉凡畜舍、溫室之環控,農、畜產品之保鮮、儲藏與運輸,動、植物特殊生長室、培養箱之環控,養殖池保溫與水質之監控,食品包裝,動、植物園、水族館之環控等,均屬環控農業之範疇。

農業環控系統的設計需要工程人員徹底瞭解系統內生物與環境間之互動關係,從而創造一合宜的環境以利生物之生長、繁殖,或農、畜產品之儲藏、運輸。
  
溫室環控之重點在協調地控制作物生長之微氣候,使作物能成功地生長與繁殖。環控技術之成熟,使得植物工廠的建立為可行。農業生產工業化與農業經營企業化不再是口號;昔日不可能有農業生產的地方,如沙漠、極地、海底、太空等也都將能從事農業生產。
  
溫室環控之目標在於促進植物之生長,並期能以市場所期望之品質供應市場所需求之成熟作物。這些控制過程必須在極有效率的狀態下進行,並在如能量、勞力、資材與金錢等資源有限,市場難定與天候難測的風險下操作,並期能獲取最大利潤。

溫室內微氣候的控制是所有室內環控中最困難的,一般建築物的環控幾乎可完全不受陽光的影響,溫室則不然,溫室外環境狀況對室內環控有著決定性的影響。一般的環控多只針對空氣之溫、濕度與空氣的品質,溫室環控則尚需兼顧光量、光質、光照時間,二氧化碳濃度,水量、水溫與其它水質,包括溶氧、電導度與酸鹼度等。溫室環控的對象種類繁多,都是會成長的生物,不同品種的喜好大多不同,就算同一品種,在不同成長階段之喜好也常有所更動。換另一種作物,換另一個地點,增刪某一種設備或改另一種栽培方式都將使原有的環控需作重新的考量。
  
光、二氧化碳與水與光合作用相關,溫度、光質與光照皆會影響植物之生長與分化,水中之電導度與酸鹼度則影響植物體根系吸收養份之能力。就植物本身之生長過程而言,要加速植物之成長,必須加大光合作用、減少呼吸作用,且將蒸散作用、同化作用及二氧化碳之分佈等合理化,並設法將光合作用後之產物儘量轉化為植物需要之一部份。這些部份包括植物之根、芽、葉、或其他可以重覆生長的部份如花、果或種子等等。凡此種種均涉及植物生理。另外,有關空氣溫、濕度之理論屬熱力學之領域;感測與控制屬機電領域;溫室外環境屬農業氣象領域。
 

台糖公司溫室環控系統及第三代發展現況


台糖公司為發展台灣蝴蝶蘭產業,投資溫室以企業化經營方式培育蝴蝶蘭,並由本公司糖研所園藝系自行研發電腦環控系統,自動控制調節蝴蝶蘭溫室之最佳生長環境,培育健康蝴蝶蘭苗,外銷日本、美國等國家,品質優良廣受好評。

第一代溫室環境控制系統的設計方式採用集中式控制作業方式,由於近年來電腦設備及系統控制突飛猛進,研究改善溫室環控系統,可以進行網路遠端監控,模組程式容易依需求條件及環境進行修改,資料儲存及查尋方便,技術維修及零件更換容易等原因,精農事業部於2010年進行了第一代系統更換升級,將計劃的發展目標主要定位在可程式控制器網路監控技術,整個系統監控技術分為三個主軸:

1、發展網際網路遠端監控之技術
2、應用網際網路於製造自動化上之技術
3、提供分散系統之高可靠性之機制

系統分為溫室控制單元及後端監控電腦組成,可蒐集溫室設備運作狀態並提供溫室相關警報發送如高溫、設備過載等雍有集中和分散系統的功能特性,另外溫室環境控制單元包括一可程式控制器(Programmable Logic    Controller,PLC)及至大氣環境感測裝置進行運作,該環境控制單元透過相關通訊技術再與遠端控制系統連結,後端監控電腦由同仁使用VB.Net、Python進行第一代系統升級、搭配現場場長溫室經營管理專業知識及長官支持才能完成第二代系統運作並取得相關專利證號M427001。   

此外,由於移動式裝置的普及,使溫室環控系統資訊即時化,目前已透過移動裝置做到現場溫室相關狀態回饋、即時訊息傳送及遠端相關溫室環境參數查詢,使該系統更為完整且全面。
目前精農事業部已進行到第三代系統研發在現有環控自動化系統上整合運用網際網路及端點電腦計算技術,以現有溫室環控技術為基礎在符合經濟原則下,加上神經元應用模式,
 
研究整合邊際運算進入第三代新控制系統中,實現系統回饋自動運算調整的目的,期能使蝴蝶蘭苗生產控制穩定、提高蘭苗品質與產量。

簡言之,溫室環控工程是跨領域的學門,這一切的繁複使得溫室環控工程人員將建立一個好的環控系統視為一個無止境且有趣的挑戰。
 
 
資料來源:
 
1、台大生物機電工程方煒教授〈第四章、溫室環境控制工程〉: 
http://www.ecaa.ntu.edu.tw/weifang/Hort/chap04.htm
2、Understanding LSTM Networks:https://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/ 
 
 
 
 
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