背景

溫室播種育苗裝備是面向溫室內(nèi)集中化、規(guī)?；奶囟ú僮鳝h(huán)境的農(nóng)業(yè)裝備，采用流水線播種和水肥控制的方法，基于模塊化組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)播種、灌水和施肥等功能的組合，達(dá)到一體化作業(yè)的目標(biāo)。

隨著農(nóng)業(yè)信息化的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外溫室播種育苗裝備的研究朝著智能化、自動(dòng)化和輕簡(jiǎn)化的方向發(fā)展，通過(guò)精準(zhǔn)化、變量化和工業(yè)化手段，研究成果得以規(guī)?；a(chǎn)、成本大幅度下降，為溫室種植產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化生產(chǎn)提供了科技支撐，這些裝備的規(guī)?；瘧?yīng)用將實(shí)現(xiàn)溫室產(chǎn)業(yè)與智能裝備產(chǎn)業(yè)的深度融合。

國(guó)外溫室播種育苗裝備研究

現(xiàn)代溫室的工業(yè)化播種育苗裝備先在國(guó)外發(fā)展起來(lái)。歐洲的溫室播種育苗裝備是從20世紀(jì)70年代開始逐步發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)技術(shù)，與傳統(tǒng)種植以及育苗方式相比，溫室機(jī)械化播種以及育苗管理更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠洳シN和育苗場(chǎng)地集中，采用規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化的方式，可以保護(hù)幼苗的根系，提高成活率及出苗整齊度。溫室育苗技術(shù)使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的穴盤，對(duì)于機(jī)械播種而言就有了標(biāo)準(zhǔn)的載體。機(jī)械播種具有播種精準(zhǔn)、工作效率高、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。

歐美國(guó)家設(shè)施播種育苗裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較早，研制的機(jī)型較多，功能較完善，自動(dòng)化程度較高，配套設(shè)備齊全。例如英國(guó)的Hamilton，美國(guó)的Blackmore、Gromore，澳大利亞的Williams，荷蘭的Visser，韓國(guó)的Helper等公司的產(chǎn)品比較知名（圖1～3）。國(guó)外育苗精量播種機(jī)按照播種方式的不同，可分為針(管)式播種機(jī)、板式播種機(jī)、滾筒式播種機(jī)。

中國(guó)溫室播種育苗裝備研究

中國(guó)從20世紀(jì)80年代中期才開始從歐洲引進(jìn)現(xiàn)代設(shè)施育苗技術(shù)及裝備。經(jīng)過(guò)引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，在溫室播種育苗裝備研究和產(chǎn)業(yè)化方面逐步形成特色的發(fā)展道路，經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，在技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)方面取得顯著的進(jìn)步，但總體水平還是不高，裝備發(fā)展的深度不夠、速度比較緩慢。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和科技部先后將穴盤育苗技術(shù)研究列為重點(diǎn)科研項(xiàng)目，溫室育苗播種裝置也成為了主攻對(duì)象。目前，國(guó)內(nèi)的科研單位也研制出了一些育苗播種機(jī)的成品，但不能得到很好的推廣應(yīng)用。擁有生產(chǎn)成套育苗播種裝置的企業(yè)也有很多，但總體上市場(chǎng)占有率偏低。常見的播種機(jī)較多，中國(guó)工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)院和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合研制成功的2XB-400型穴盤育苗精量播種機(jī)，廣西農(nóng)機(jī)化研究所研制的 2Z BQ-300型雙層滾筒氣吸播種機(jī)，胖龍(邯鄲)溫室工程有限公司研制的BZ30穴盤精量播種機(jī)，浙江臺(tái)州生產(chǎn)的YM-0911蔬菜花卉育苗氣吸式精量播種流水線。北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心研制的2款精準(zhǔn)播種設(shè)備，播種漏播率小于3%，在北京市京郊大興區(qū)長(zhǎng)子營(yíng)等育苗合作社進(jìn)行了規(guī)模化應(yīng)用。這些機(jī)型符合中國(guó)溫室生產(chǎn)的實(shí)際需求，代表了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究與生產(chǎn)水平。

中國(guó)的溫室播種育苗裝備取得了一定的成果，但是在今后的發(fā)展道路上還是有很多問(wèn)題需要解決。和國(guó)外相比，播種育苗裝備利用率、設(shè)備穩(wěn)定性、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合等方面還存在一定的差距。

溫室播種育苗裝備關(guān)鍵技術(shù)

近年來(lái)，溫室播種育苗裝備的研究逐漸成為熱門領(lǐng)域，國(guó)際上知名的溫室系統(tǒng)公司紛紛和科研機(jī)構(gòu)合作，對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究和突破，主要原因有兩個(gè)：一是市場(chǎng)不斷成熟，大型的種植企業(yè)不斷增加，新的資本介入后對(duì)現(xiàn)代化的裝備需求增加，促生了傳統(tǒng)裝備改型換代；二是隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的快速發(fā)展，溫室精準(zhǔn)播種育苗裝備所需的關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，核心傳感器的價(jià)格不斷下降。這些都促進(jìn)了技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的二次結(jié)合，促進(jìn)了該領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

精準(zhǔn)吸種技術(shù)

就精準(zhǔn)播種而言，吸種的精度直接決定漏播率，是溫室精準(zhǔn)播種的關(guān)鍵參數(shù)。吸種要解決種子振動(dòng)和種子堵塞這2個(gè)核心難題。種子振動(dòng)是將種子放在種盤上，利用偏振器將種盤按照一定的頻率振動(dòng)，種子就會(huì)被振動(dòng)到空中，便于針頭能在空中吸住種子，實(shí)現(xiàn)1個(gè)針頭1次只吸住1顆種子。種子堵塞的消除是依靠空氣閥的切換，將針頭的吸種負(fù)壓力切換為吹起的正壓力，將堵塞針頭的破碎種子或雜物吹走。精準(zhǔn)吸種技術(shù)就是圍繞振動(dòng)和氣閥切換來(lái)研究作業(yè)參數(shù)對(duì)種子播種精度的影響。

國(guó)外的精準(zhǔn)吸種技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于種子振動(dòng)所需的振動(dòng)器性能穩(wěn)定，單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)能量變異系數(shù)很低。振動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間工作后種盤的振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率均勻一致。在播種裝備作業(yè)時(shí)，種子在振動(dòng)作用下，彈跳的高度一致，針頭能比較容易地捕捉到單顆種子，漏播率較低。

國(guó)內(nèi)的精準(zhǔn)吸種技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于控制系統(tǒng)的控制方法靈活，能靈活控制氣壓閥將多余的種子吹走，每個(gè)針頭上吸附一顆種子，降低重播率。重播是指一個(gè)孔里放了2個(gè)或2個(gè)以上的種子，這會(huì)浪費(fèi)昂貴的種子。國(guó)內(nèi)的振動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間工作后發(fā)熱和振幅不均勻的問(wèn)題還需要探索。

穴盤精準(zhǔn)打孔技術(shù)

穴盤打孔就是利用圓柱形外形的機(jī)構(gòu)在鋪滿土的穴盤正中壓出來(lái)一個(gè)一定深度的孔，將種子放入孔中間。這里面的問(wèn)題是打孔深度和打孔位置。穴盤精準(zhǔn)打孔技術(shù)是利用精準(zhǔn)控制確保打孔深度和打孔位置一致和均勻。打孔深度不均勻，會(huì)導(dǎo)致出苗后高度不整齊。打孔位置偏離，會(huì)導(dǎo)致出苗后大小不整齊。

國(guó)外的穴盤精準(zhǔn)打孔技術(shù)通過(guò)對(duì)穴盤的精準(zhǔn)定位和輸送帶的精準(zhǔn)暫停來(lái)確?？状蛟诿總€(gè)穴孔的中心位置，基于紅外傳感器探測(cè)和氣動(dòng)元器件快速響應(yīng)等手段，對(duì)位置誤差的消除有一整套完整的技術(shù)方案。

中國(guó)的穴盤精準(zhǔn)打孔技術(shù)借鑒了國(guó)外的技術(shù)手段，又根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際需求現(xiàn)狀，對(duì)功能進(jìn)行了創(chuàng)新，適合中國(guó)的國(guó)情。國(guó)內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新集中在輸送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，氣缸的穩(wěn)定性等環(huán)節(jié)上。

肥水精準(zhǔn)噴淋技術(shù)

肥水噴淋是指在完成播種和蓋土后，穴盤被均勻地噴淋一定量的營(yíng)養(yǎng)液作為種子的底肥。這里面的問(wèn)題是噴淋均勻性和噴量。肥水精準(zhǔn)噴淋技術(shù)就是通過(guò)壓力閥調(diào)控、電磁閥開閉、PWM脈寬調(diào)制和PID流量調(diào)控等手段，讓每個(gè)種子獲得均勻的營(yíng)養(yǎng)液，把好播種作業(yè)的最后一道關(guān)。

國(guó)外肥水精準(zhǔn)噴淋技術(shù)原理簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)手段單一，確保水流均勻即可，這方面符合大規(guī)模生產(chǎn)減少成本的要求。中國(guó)的肥水精準(zhǔn)噴淋技術(shù)采用了少量多次、扇形噴嘴、定量噴淋、在線監(jiān)控等多種技術(shù)手段，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)領(lǐng)先國(guó)外。北京市農(nóng)林科學(xué)院等單位已實(shí)現(xiàn)水肥藥一次噴淋，并在京郊進(jìn)行推廣應(yīng)用，水肥藥精準(zhǔn)控制誤差小于3.5%。

物聯(lián)網(wǎng)管控技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)管控是指利用多種傳感器對(duì)溫室種植育苗裝備的作業(yè)效率、工作狀態(tài)、工作時(shí)段、穴盤統(tǒng)計(jì)、設(shè)備故障、漏播統(tǒng)計(jì)、溶液余量、電機(jī)溫度等作業(yè)參數(shù)在線監(jiān)控，并將作業(yè)參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給作業(yè)人員手機(jī)，利用手機(jī)軟件對(duì)播種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合數(shù)學(xué)決策模型對(duì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整及自動(dòng)化管控，增加自學(xué)習(xí)功能，不斷優(yōu)化控制參數(shù)，提高裝備自動(dòng)控制系統(tǒng)的魯棒性。這里面的問(wèn)題是傳感器篩選和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。傳感器篩選要在成本能接受的前提下，充分選擇穩(wěn)定性高的傳感器，對(duì)傳感器的接口進(jìn)行精準(zhǔn)地定義，確保數(shù)據(jù)傳輸和地址的設(shè)定不會(huì)受干擾。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)要考慮穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

國(guó)外播種育苗設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)管控技術(shù)尚處于起步。中國(guó)播種育苗設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)管控技術(shù)不斷創(chuàng)新，基于Web的移動(dòng)端管控技術(shù)已成熟應(yīng)用于溫室播種裝備中，處于全球領(lǐng)跑的地位。

面臨問(wèn)題及相關(guān)建議

面臨的問(wèn)題

溫室播種育苗裝備快速發(fā)展的同時(shí)，在利用率、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合、設(shè)備穩(wěn)定性等方面還需要進(jìn)一步探索。利用率方面主要是社會(huì)化服務(wù)的規(guī)模和輻射面還太小，需要農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼政策加以引導(dǎo)。農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合方面存在的問(wèn)題較突出，此方面研究及推廣人員大多是栽培、溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)管理等背景，無(wú)法對(duì)裝備設(shè)計(jì)進(jìn)行整體把控，具有農(nóng)科院校的機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化知識(shí)背景的專業(yè)人員彌足珍貴。人才的脫節(jié)是農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合問(wèn)題的本質(zhì)，設(shè)備穩(wěn)定性是最大的難題。重點(diǎn)進(jìn)行分析，主要面臨的問(wèn)題包括傳感器抗干擾性能低、氣動(dòng)元件響應(yīng)速度慢和振動(dòng)器穩(wěn)定性較低等問(wèn)題。溫室播種育苗裝備系統(tǒng)存在誤差較大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等特點(diǎn)。

相關(guān)建議

針對(duì)以上問(wèn)題建議采取以下幾種對(duì)策：一是利用系統(tǒng)工程，消除各個(gè)傳感器和氣動(dòng)元件精度和穩(wěn)定性的問(wèn)題，發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)來(lái)提高播種育苗裝備的整體性能；二是通過(guò)批量生產(chǎn)提高傳感器等關(guān)鍵部件的性能，同時(shí)降低傳感器的成本；三是培養(yǎng)一流的操作人才，定期對(duì)播種育苗裝備進(jìn)行校準(zhǔn)，提高系統(tǒng)整體精度。具體如下：

（1）國(guó)家應(yīng)鼓勵(lì)從事溫室播種育苗裝備研究的科研院所及大專院校建設(shè)中試基地，來(lái)對(duì)最新科研成果進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，一方面是檢驗(yàn)科研成果的性能，二是通過(guò)批量化生產(chǎn)來(lái)促進(jìn)技術(shù)成熟化。

（2）科研機(jī)構(gòu)、推廣部門和企業(yè)通過(guò)多種形式組織播種育苗裝備的現(xiàn)場(chǎng)演示，通過(guò)生動(dòng)有趣的播種育苗演示代替落伍的展銷會(huì)視頻宣傳，對(duì)市民進(jìn)行科普，擴(kuò)大智能裝備的宣傳效果，增進(jìn)產(chǎn)品的社會(huì)影響力，提高科研成果的社會(huì)效益，提高科學(xué)研究的科普價(jià)值。

（3）在戰(zhàn)略高度認(rèn)識(shí)溫室播種育苗裝備的價(jià)值，認(rèn)清“機(jī)器換人”的必然性，促使全社會(huì)高度重視溫室播種育苗裝備，吸引社會(huì)資本投資來(lái)開展相關(guān)研究，提高該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)價(jià)值。