我國現(xiàn)代溫室環(huán)境硬件控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

1、我國現(xiàn)代溫室環(huán)境硬件控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn) 狀及發(fā)展趨勢研究引言現(xiàn)代化溫室設(shè)施應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，采用連續(xù)生產(chǎn)方式和管理方式，高效、 均衡地生產(chǎn)各種蔬菜、水果、花卉、藥材等。它可以不受地點(diǎn)和氣候的影響，設(shè) 置在包括寒冷地區(qū)或不毛之地的各地區(qū)。它能夠有效地改善農(nóng)業(yè)生態(tài)、生產(chǎn)條件， 促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源的科學(xué)開發(fā)和合理利用， 提高土地產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率和社會(huì)、經(jīng) 濟(jì)效益。因此，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。 溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控 制。溫室環(huán)境控制是在不受外界氣候的影響條件下，通過改變溫室內(nèi)部環(huán)境因子 （溫度、濕度、光照等）來獲得作物最適宜的成長發(fā)育環(huán)境， 其控制技術(shù)包括硬件 結(jié)構(gòu)和控制算法兩部分。本文主要

2、介紹我國現(xiàn)代溫室正在應(yīng)用的幾種典型的環(huán)境 控制硬件系統(tǒng)模式。1典型的溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)模式自20世紀(jì)70年代末，我國陸續(xù)從以色列、美國、荷蘭、日本等國引進(jìn)現(xiàn)代化 溫室，在吸收國外環(huán)境控制的高新技術(shù)的技術(shù)上，我國科研人員對溫度、濕度、 光照等環(huán)境因子的控制技術(shù)進(jìn)行了綜合研究。溫室環(huán)境控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從1987年引進(jìn)的FELIX（一512系統(tǒng)到20世紀(jì)90年代 初計(jì)算機(jī)開始用于溫室的管理和控制領(lǐng)域的單片機(jī)或PLC寸代，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到基于有線或無線網(wǎng)絡(luò)的智能控制技術(shù)三個(gè)階段。目前，我國溫室環(huán)境自動(dòng)控制硬件系統(tǒng)典型模式有以下兒種：1.1基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)模式單片機(jī)控制系統(tǒng)模式按照信號(hào)流向和控制模塊

3、可劃分為：前向輸入通道、控 制主板和后向輸出控制部分。（圖1）A / ”單片 機(jī)D / .執(zhí)行機(jī)構(gòu)-V 1- IU轉(zhuǎn)換A轉(zhuǎn)換UM圖I:單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其工作過程是單片機(jī)中存儲(chǔ)了按照作物成長規(guī)律設(shè)置好溫室環(huán)境因子數(shù)值， 把它與傳感器實(shí)時(shí)檢測的數(shù)值進(jìn)行比較運(yùn)算，輸出的結(jié)果控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 作。單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)為集中式控制方式， 所有性能都集中在單片機(jī)上，單片機(jī)一 旦出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)失控。以8031單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了溫室單片機(jī)控制系統(tǒng)， 通過與設(shè)定值比較，控制 機(jī)構(gòu)運(yùn)行來調(diào)節(jié)溫室溫度、濕度、光照。試驗(yàn)證明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制構(gòu)建基 于單片機(jī)的溫室溫濕度兩級(jí)優(yōu)化控制硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能可靠運(yùn)

4、行，解決了蛋雞監(jiān)控因溫濕度存在較強(qiáng)禍合關(guān)系而導(dǎo)致結(jié)果精度降低及其能耗大的缺陷，可實(shí)現(xiàn)溫室中溫濕度的優(yōu)化控制。一個(gè)以PC機(jī)為上位計(jì)算機(jī)，MC一 51單片機(jī)為核心， 智能儀表為下位機(jī)的智能溫室分布式測控系統(tǒng)， 該套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫室系統(tǒng)自動(dòng)控 制，運(yùn)行可靠，操作簡單，可以根據(jù)要求完成單個(gè)溫室系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)控制精 度高，響應(yīng)速度快，完全可以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)的需求岡。總結(jié)以上內(nèi)容，單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠全局管理，操作簡單，價(jià)格低廉，但可 靠性差，故障率高，且自動(dòng)化程度低。1.2 基于PLC勺控制系統(tǒng)模式基于PLc（可編程邏輯控制器）的溫室控制系統(tǒng)是由上位機(jī)、PLC數(shù)據(jù)采集單 元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成（圖2）。利用計(jì)算機(jī)

5、的串行傳輸將控制值傳入 PLC空制模塊，同 時(shí)利用PLC勺擴(kuò)展模塊將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。PLC起著實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù) 并發(fā)送指令調(diào)控溫室內(nèi)的溫度、光照等參數(shù)的作用。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫溫室的自動(dòng) 化控制。室外環(huán)境上位機(jī)溫度傳感器濕度傳感器光照傳感器風(fēng)速/向傳感器測雨傳感器溫度傳感器濕度傳感器光照傳感器CO?濃度傳感器限位傳感器可編程按制器驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行部分開窗電機(jī)遮陽電機(jī)通風(fēng)屯機(jī)加熱閥門滴灌閥門壓水泵噴淋泵空內(nèi)環(huán)境圖2:基于PLC勺溫室控制系統(tǒng)框圖PLC將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，是整個(gè)系 統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)，具有獨(dú)立的邏輯控制功能和強(qiáng)運(yùn)算能力， 高可靠性和豐富的內(nèi) 置集成功能

6、，較強(qiáng)的通訊能力和豐富的擴(kuò)展功能。以計(jì)算機(jī)和為核心的PLC空制系統(tǒng)，它由氣候監(jiān)控系統(tǒng)、灌溉系PLC統(tǒng)、營養(yǎng) 液控制系統(tǒng)等幾部分組成。通過運(yùn)行，達(dá)到了較好的效果。以 PLc為核心加單片 機(jī)擴(kuò)展開發(fā)了溫室控制器，該系統(tǒng)運(yùn)行速度快穩(wěn)定性好，成本又低。1.3基于現(xiàn)場總線的分布式智能控制系統(tǒng)模式現(xiàn)代溫室環(huán)境智能控制多采用 現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括 ：智能模塊、智能控制器、上位 機(jī)，通訊由總線實(shí)現(xiàn)如圖3所示，智能傳感器采集的溫室環(huán)境參數(shù)通過總線上傳 給智能控制器，進(jìn)一步上傳給上位機(jī)。上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，作用是運(yùn)行智能控制器接受指令后實(shí)智能控制軟件產(chǎn)生控制方案并將其卜傳到智能控制器

7、施控制遮陽網(wǎng)、天窗等設(shè)備的運(yùn)行。上位機(jī)智能控制器總線智能溫濕度 傳感器模塊智能光強(qiáng)度 傳感器模塊智能I/O模塊圖3:基于現(xiàn)場總線的分布式智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是智能控制器，作用是處理采集的數(shù)據(jù)和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制， 并 且保持與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過溫室運(yùn)行，看出基于現(xiàn)場總線的分布式智能控制系統(tǒng)具有可靠性高、局部故障不影響系統(tǒng)運(yùn)行、模塊間相對獨(dú)立、相互間影響小的特點(diǎn)。在我國現(xiàn)代溫室中常用的分布式智能控制模式是基于 RS- 485的溫室自動(dòng)控 制系統(tǒng)和基于CAW線的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)。RS 一485總線可實(shí)現(xiàn)多個(gè)并行聯(lián)網(wǎng)，通過與遠(yuǎn)端的氣象站通訊，來獲得室內(nèi) 外環(huán)境因子等參量，還可與其他控

8、制器及上位機(jī)進(jìn)行通訊， 構(gòu)成更大范圍的溫室 環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)。由于溫室控制系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，采樣時(shí)間較長，對實(shí)時(shí)性要求不是非常嚴(yán)格。因此采用RS-485組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是可行的。2001 年，國家在 十五”攻關(guān)項(xiàng)目中啟動(dòng)了 溫室環(huán)境智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā) ”課 題中，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)東區(qū)與順義示范區(qū)合作采用 RS- 485總線做現(xiàn)場總線的溫 室控制系統(tǒng)，經(jīng)兩年的運(yùn)行和測試，達(dá)到了預(yù)期的效果，現(xiàn)己面向市場推廣應(yīng)用。CAN總線模式是采用模塊化思想，將模擬信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)采集以及開關(guān) 信號(hào)通過CAN、線與工控機(jī)連接。CAN、線適配卡、智能節(jié)點(diǎn)河各類環(huán)境因素傳感 器組成了系統(tǒng)硬件部分，它將

9、智能節(jié)點(diǎn)分布到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖希?其數(shù)據(jù)通信具有 可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)和靈活性好的特點(diǎn)。CAN、線的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)是目前被認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的分布式現(xiàn)場總線之一。1.4 基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)模式目前，基于現(xiàn)場總線的溫室控制系統(tǒng)，其信號(hào)傳輸方式都為有線傳輸。ZigBee 技術(shù)是一種新興的無線技術(shù)，適合于自動(dòng)控制領(lǐng)域的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備的 聯(lián)網(wǎng)。在溫室控制系統(tǒng)中應(yīng)用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對溫室 環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測與控制，能有效地避免有線系統(tǒng)的布線復(fù)雜和由于溫室環(huán)境 溫度高光照強(qiáng)、酸性因引起的可靠性、抗干擾性能有所降低、增加后期維護(hù)難度 等這些問題。圖

10、4:基于zigBee技術(shù)的分布式溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖基于zigBee技術(shù)的分布式溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)有無線傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、溫室控制器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和RS48總、線等5大部分組成。溫室中,溫度、濕度和光照等各類無線傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為 zigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備（盯D），通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通道實(shí)現(xiàn)與作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)（FFD）的控制器進(jìn) 行數(shù)據(jù)通信。 監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)溫室群的運(yùn)行狀況。 各溫室的控制器通過 RS48璐線，接收監(jiān)控中心指令，并根據(jù)需要向中心發(fā)送數(shù)據(jù)。目前，將zigBee技術(shù)應(yīng)用在溫室監(jiān)控中，能有效的提高可靠性、抗干擾能力 與靈活性， 但尚有諸

11、多關(guān)鍵問題 （ 信號(hào)是實(shí)時(shí)性和確定性、 環(huán)境問題、 安全問題、 網(wǎng)絡(luò)問題 ） 有待解決。2 我國溫室硬件控制技術(shù)的發(fā)展趨勢目前的環(huán)境控制正從單因子向多因子控制方向發(fā)展， 即根據(jù)對各個(gè)環(huán)境要素 相互協(xié)調(diào)的關(guān)系， 當(dāng)某一要素發(fā)生變化時(shí)， 其他要素自動(dòng)做出改變和調(diào)整， 能更 好地達(dá)到作物需要的最佳環(huán)境， 這就是溫室環(huán)境智能控制技術(shù)。 它是溫室環(huán)境控 制技術(shù)的主要發(fā)展方向。 隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展， 溫室智能控制系統(tǒng)可以 組成有線和無線網(wǎng)絡(luò)。 在這里我們應(yīng)考慮到農(nóng)業(yè)工程行業(yè)的特殊性， 所以選擇一 種合適的現(xiàn)場總線是很重要的， 只有這樣才能實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境調(diào)控的自動(dòng)化、 智能 化。未來的溫室智能控制系統(tǒng)

12、還要與國內(nèi)外其他溫室、市場營銷、科研機(jī)構(gòu)、氣 象站等相關(guān)農(nóng)業(yè)團(tuán)體聯(lián)網(wǎng)， 不僅實(shí)現(xiàn)有效控制病蟲害的發(fā)生， 還可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的網(wǎng) 上聯(lián)銷，還可以根據(jù)市場形式， 智能決策產(chǎn)品的最佳產(chǎn)出時(shí)間等， 真正實(shí)現(xiàn)高效、 節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的智能控制。總的來說，現(xiàn)代溫室正向著自動(dòng)化、智能化、多媒體化與網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pou