農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境調(diào)控與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第7頁(yè)共43頁(yè)1引言隨著控制技術(shù)、In ternet和移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、信息化 水平不斷提高，“可控環(huán)境農(nóng)業(yè)”的研究已經(jīng)越來(lái)越為人們所重視。如何方便有效地對(duì) 溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化水平是目前可控環(huán)境農(nóng)業(yè)研究的 重點(diǎn)。本章簡(jiǎn)要說(shuō)明了課題的研究背景和現(xiàn)實(shí)意義，并綜述了溫室環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的研究 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上提出了本文的研究?jī)?nèi)容。1.1 遠(yuǎn)程溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)工程科技人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基 礎(chǔ)上，進(jìn)行了溫室中溫度、濕度和二氧化碳等單項(xiàng)環(huán)境因子控制技術(shù)的研究

2、，希望通過(guò) 改變植物生長(zhǎng)的自然環(huán)境、創(chuàng)造適合植物最佳的生長(zhǎng)條件、避免外界惡劣的氣候，達(dá)到 調(diào)節(jié)產(chǎn)期、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、防治病蟲(chóng)害等目的。由此而引發(fā)的各種溫室測(cè)控技術(shù)的實(shí)際 應(yīng)用與研究也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)向高層次的自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，形 成了現(xiàn)代化水平高，比較完善的技術(shù)體系 。我國(guó)溫室測(cè)控技術(shù)應(yīng)用研究雖然也取得了 一定的進(jìn)展，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比依舊存在較大差距。隨著世界設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)發(fā)展 迅速，溫室面積和產(chǎn)量大幅增加，對(duì)各種溫室測(cè)控技術(shù)以及與之緊密相關(guān)的通信技術(shù)的 研究，已經(jīng)引起該領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。1.2 國(guó)內(nèi)外溫室測(cè)控技術(shù)1.2.1國(guó)外溫室測(cè)控技術(shù)研究狀況發(fā)達(dá)國(guó)家如荷蘭、

3、美國(guó)、英國(guó)等都大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、CO2濃度、水、氣、營(yíng)養(yǎng)液等實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)調(diào)控。荷蘭在1974年首次研制出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)CECS。1978年日本東京大學(xué)的學(xué)者研制出微型計(jì)算機(jī)溫室綜合環(huán)境控制系 統(tǒng)。目前，日本、荷蘭、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家可以根據(jù)溫室作物的特點(diǎn)和要求，對(duì)溫室內(nèi)的 諸多環(huán)境因子進(jìn)行環(huán)境控制。在日本，作為設(shè)施農(nóng)業(yè)主要內(nèi)容的設(shè)施園藝相當(dāng)發(fā)達(dá)，塑料溫室和其它人工栽培設(shè) 施達(dá)到普遍應(yīng)用，設(shè)施栽培面積位居世界前列。蔬菜、花卉、水果等普遍實(shí)行設(shè)施栽培 生產(chǎn)。針對(duì)種苗生產(chǎn)設(shè)施的高溫、多濕等不良環(huán)境。日本有關(guān)部門(mén)進(jìn)行了如下幾種設(shè)施 項(xiàng)目的研究。主要有設(shè)施內(nèi)播種裝置、苗灌水裝置

4、、換氣扇的旋轉(zhuǎn)和遮光裝置的開(kāi)閉裝置（溫度、濕度及光照控制）、缺苗不良苗的檢測(cè)及去除和補(bǔ)栽裝置、CO2施肥裝置等方面的自動(dòng)化研究2。而在韓國(guó)，從1992年以來(lái)，政府就把設(shè)施園藝作為重點(diǎn)事業(yè)來(lái)推進(jìn) 發(fā)展，到1992年底，設(shè)施栽培面積為5.3萬(wàn)mm2,其中帶環(huán)境控制的現(xiàn)代化設(shè)施的設(shè) 置面積占10%左右3。由于溫室能完全控制作物生長(zhǎng)的各種條件，近年來(lái)溫室農(nóng)業(yè)在以色列得到了飛速發(fā)展。以色列溫室結(jié)構(gòu)非常先進(jìn)：它裝有幕簾、天窗及遮陽(yáng)網(wǎng)，可根據(jù)光線強(qiáng)度的不同自 動(dòng)調(diào)節(jié)和移動(dòng)，并裝有空氣溫度和濕度調(diào)控等溫室計(jì)算機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)。以色列科學(xué)家 成功地開(kāi)發(fā)了一系列計(jì)算機(jī)軟件、硬件，實(shí)現(xiàn)了溫室中供水、施肥和環(huán)境自動(dòng)化控

5、制。 最新的彌霧氣候控制技術(shù)，使溫室降溫所需的能量非常小4。以色列的溫室從80年代到 90年代更新了三代，利用計(jì)算機(jī)控制水、肥和溫室小氣候，自動(dòng)調(diào)溫、調(diào)濕、調(diào)光，而 且結(jié)構(gòu)非常先進(jìn)，促進(jìn)了工廠化農(nóng)業(yè)的大發(fā)展。荷蘭園藝溫室發(fā)展較早，由于地處高緯度地區(qū)，日照短，全年平均氣溫較低，因此， 集中較大力量發(fā)展經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的鮮花和蔬菜，大規(guī)模地發(fā)展玻璃溫室和配套的工程設(shè) 施，全部采用計(jì)算機(jī)控制。荷蘭的全自動(dòng)化溫室成套設(shè)備在世界市場(chǎng)上享有很高的技術(shù) 聲譽(yù)，但荷蘭的溫室業(yè)是一種高能耗的產(chǎn)業(yè)，全國(guó)每年溫室消耗天然氣達(dá)42億立方米。英國(guó)農(nóng)業(yè)部對(duì)溫室的設(shè)計(jì)和建造也很重視，在英國(guó)西爾索農(nóng)業(yè)工程研究院，科學(xué)家 們進(jìn)行了溫

6、室環(huán)境（溫度、濕度、光照、通風(fēng)及 CO2及施肥等）與作物生理、溫室環(huán)境因 子的計(jì)算機(jī)優(yōu)化、溫室節(jié)能、溫室自動(dòng)控制、溫室作物栽培與產(chǎn)后處理、無(wú)土栽培的研 究。目前，英國(guó)的溫室大量采用計(jì)算機(jī)管理，主要控制溫度、濕度、通風(fēng)、CO2濃度、施肥、營(yíng)養(yǎng)液供給及pH值等。倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀測(cè)50km以外溫室內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境狀況，并進(jìn)行遙控 。另外，國(guó)外溫室業(yè)正致力于高科技發(fā)展遙測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng) 用于溫室的管理與控制中，Alves-Serodio ，C.M.J等在ISIE ' 98國(guó)際會(huì)議中提出一體 化的溫室網(wǎng)絡(luò)管理體系模型，可將氣候的調(diào)節(jié)、灌溉系統(tǒng)與營(yíng)

7、養(yǎng)液的供給系統(tǒng)作為一個(gè) 整體，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。1.2.2 國(guó)內(nèi)溫室測(cè)控技術(shù)研究狀況a）集散控制系統(tǒng)（DCS）智能溫室的自動(dòng)控制系統(tǒng)一般是由控制計(jì)算機(jī)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)部件組成 的多輸入、多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在現(xiàn)代溫室測(cè)控系統(tǒng)中，運(yùn)用最多，技術(shù)最成熟的是集散控制系統(tǒng)，總線結(jié)構(gòu)一般采用 RS485溫室群集散控制系統(tǒng)一般以PC機(jī)或工控機(jī) 為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)組成。下位機(jī)的任務(wù)是完成現(xiàn)場(chǎng)與作物有關(guān)的環(huán)境參量及作物生理參量的信息采集、分析處理和存儲(chǔ)顯示，并通過(guò)RS485S線同上位機(jī)相連；上位機(jī)則主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境的調(diào)控策略、 集中操作管理、通信控制等功能，協(xié)調(diào)各從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送工作，從而實(shí)

8、現(xiàn)對(duì)整個(gè)系 統(tǒng)的有效管理。隨著單片機(jī)及微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，采用微機(jī)與多臺(tái)單片 機(jī)構(gòu)成小型集散控制系統(tǒng)在現(xiàn)代溫室測(cè)控領(lǐng)域的運(yùn)用非常普遍。它利用單片機(jī)價(jià)格低、 功能強(qiáng)、抗干擾能力好、溫限寬和面向控制等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合微機(jī)的軟硬件支撐，是一般規(guī) 模溫室測(cè)控系統(tǒng)的常用選擇方案。但是這類溫室集散控制系統(tǒng)存在著固有的缺陷：控制 系統(tǒng)的物理層采用上下位機(jī)主從集散控制結(jié)構(gòu)，一旦上位機(jī)出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控 制系統(tǒng)癱瘓，危險(xiǎn)過(guò)于集中，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性不佳；同時(shí)該測(cè)控系統(tǒng)采用RS485總線，有效傳輸范圍不超過(guò)1200m這將成為現(xiàn)代溫室集群化方向發(fā)展的瓶頸，系統(tǒng)的 拓展性不好，布線復(fù)雜，成本較高。但是作

9、為主流的溫室測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)方案，集散控制 系統(tǒng)采用基于RS485 RS422等總線結(jié)構(gòu)的通信方式在國(guó)內(nèi)外溫室測(cè)控領(lǐng)域仍然占據(jù)主導(dǎo) 地位。b）國(guó)內(nèi)溫室測(cè)控技術(shù)我國(guó)農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開(kāi)始于 20世紀(jì)70年代，20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始應(yīng)用于溫 室控制與管理領(lǐng)域。從1979至1987年陸續(xù)從6個(gè)國(guó)家（荷蘭、日本、美國(guó)、意大利、 羅馬尼亞、保加利亞）等引進(jìn)24套溫室，總而積19萬(wàn)平方米。這些溫室系統(tǒng)的引進(jìn)， 總計(jì)投資960萬(wàn)美元，人民幣2570萬(wàn)元。每平方米面積投資80-100美元，還不包括修 建鍋爐房、水塔等輔助建筑的投資和國(guó)內(nèi)運(yùn)費(fèi)、關(guān)稅等開(kāi)支。從國(guó)外引進(jìn)的現(xiàn)代化溫室，雖然在國(guó)外經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，技術(shù)

10、上也比較成熟和先進(jìn)，但是在使用中卻出 現(xiàn)了一些問(wèn)題，如體積大、能耗大、濕簾降溫較差；從經(jīng)濟(jì)效益上看，因?yàn)樵O(shè)備投資大， 運(yùn)行費(fèi)用高，產(chǎn)值較低，普遍虧損等，所以并末得到普及。實(shí)踐證明，如果既要符合我 國(guó)自己的氣候特點(diǎn)，又可降低投資費(fèi)用，根本出路在于吸收國(guó)外溫室設(shè)施的有益經(jīng)驗(yàn)和 技術(shù)，建設(shè)我國(guó)自己的溫室產(chǎn)業(yè)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和各種氣候特點(diǎn)的溫室系 列。從80年代開(kāi)始，我國(guó)的農(nóng)業(yè)工程科技人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的 基礎(chǔ)上，進(jìn)行了溫室中溫度、濕度和 CO2等單項(xiàng)環(huán)境因子控制技術(shù)的研究，并逐步推出適宜我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平又能滿足不同生態(tài)氣候條件需要的溫室產(chǎn)品20世紀(jì)90年代初期，中國(guó)農(nóng)業(yè)科

11、學(xué)院農(nóng)業(yè)氣象研究所和蔬菜花卉研究所，研制開(kāi) 發(fā)了溫室控制與管理系統(tǒng)，并采用 Visual Basic開(kāi)發(fā)了基于windows操作系統(tǒng)的控制軟 件。90年代中后期，江蘇理工大學(xué)毛罕平等研制開(kāi)發(fā)了溫室軟硬件控制系統(tǒng)，能對(duì)營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)、溫度、光照、CO2,施肥等進(jìn)行綜合控制，是目前國(guó)產(chǎn)化溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 較為典型的研究成果。在此期間，中國(guó)科學(xué)院石家莊現(xiàn)代化研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，中 國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所等單位也都側(cè)重不同領(lǐng)域，研究溫室設(shè)施計(jì)算機(jī)控制與管理技術(shù)，“九五”期間，國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委，均首次增設(shè)了工廠 化農(nóng)業(yè)（設(shè)施農(nóng)業(yè)）研究項(xiàng)目，并且在項(xiàng)目中加大了計(jì)一算機(jī)應(yīng)用研究的力度

12、。90年代末河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院的目忠文研制了蔬菜大棚溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，能對(duì)大棚內(nèi)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。吉林工業(yè)大學(xué)于海業(yè)、馬成林等人（1999）研制的溫室環(huán)境（溫度、濕度）自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是以一臺(tái)IBM/PC及其兼容機(jī)作為主控機(jī)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用插入式數(shù) 據(jù)采集板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。還有許多高等院校、科研所都在進(jìn)行溫室控制系統(tǒng)的相關(guān)研究， 并且許多單位都己建起或?qū)⒁ㄆ饻厥铱刂葡到y(tǒng)的總體框架，并形成了一些控制理論， 如王宇欣的高寒地區(qū)充氣膜溫室局部環(huán)境調(diào)控分析等9?？梢钥闯鑫覈?guó)溫室設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用與研究，在總體上正從消化吸收、簡(jiǎn)單應(yīng)用階段向?qū)嵱没⒕C合性應(yīng)用階段過(guò) 渡和發(fā)展。這些無(wú)疑對(duì)我國(guó)的溫室發(fā)展起了

13、積極的作用，但是與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有定的差距本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第8頁(yè)共43頁(yè)2 系統(tǒng)組成2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)目前國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的溫室控制系統(tǒng)，大致可分為以下三種：1）單獨(dú)式多單元溫室系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)主要利用專門(mén)的溫室氣候控制計(jì)算機(jī)來(lái)檢測(cè)多個(gè)傳感器的輸入信號(hào)及輸出控制信號(hào)，這種控制計(jì)算機(jī)的外形與PC機(jī)相似，所有的傳感器和繼電器由電纜與它直接相連， 通過(guò)顯示屏以畫(huà)面的形式生動(dòng)地顯示溫室運(yùn) 行情衫之，并可以存儲(chǔ)、打印、統(tǒng)計(jì)分析、曲線說(shuō)明等。但這種控制系統(tǒng)的價(jià)格比較昂 貴。2）單片機(jī)控制一個(gè)溫室單元系統(tǒng)。這是隨單片機(jī)的發(fā)展而出現(xiàn)的，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng) 用于國(guó)內(nèi)外許多溫室中。它充分利用了單片機(jī)的數(shù)

14、據(jù)傳輸方便快捷、 接口通道配置靈活、 性能穩(wěn)定可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但這種控制結(jié)構(gòu)由于單片機(jī)存儲(chǔ)容量小，不能保存大盤(pán)的數(shù)據(jù)，不利于分析，且人力消耗大。3）分布式多單元系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對(duì)由多個(gè)溫室構(gòu)成的溫室群地區(qū)而提出的， 它將PC機(jī)與前面兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)融為一體，每個(gè)溫室由前沿機(jī)（氣候控制計(jì)算機(jī)或單片 機(jī)控制系統(tǒng)）進(jìn)行分散控制。主控室中的PC機(jī)對(duì)溫室群集中管理。這種系統(tǒng)在提高工作 效率、安全、舒適性方面有著不可比擬的優(yōu)越性，是現(xiàn)代溫室監(jiān)控系統(tǒng)的典型模式。單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物美價(jià)廉、設(shè)計(jì)與使用方便、抗干擾性及適應(yīng)環(huán)境的能力強(qiáng)。因 而常被用作自動(dòng)化系統(tǒng)的前端處理器（下位機(jī)），深入到現(xiàn)場(chǎng)，采集各種數(shù)據(jù)

15、及信息，進(jìn) 行簡(jiǎn)單的處理后送至上位機(jī)。同時(shí)它也是一種控制器，接收上位機(jī)下達(dá)的命令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)行有關(guān)的控制。微機(jī)功能強(qiáng)大、人機(jī)界面友好，能處理很復(fù)雜的問(wèn)題。在自動(dòng)化系統(tǒng) 中，通常用作中央處理器（上位機(jī)），接收來(lái)自下位機(jī)的信息和數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后在微機(jī)界 面上顯示，并向下位機(jī)下達(dá)命令，通過(guò)下位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施控制10。本課題兼顧單片機(jī)和微機(jī)的特點(diǎn)，采用分布式監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第9頁(yè)共43頁(yè)主控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）串行通信接口數(shù)據(jù)采集/控制器1數(shù)據(jù)采集/控制器3圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集/控制器2本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第#頁(yè)共43頁(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第#頁(yè)共43頁(yè)本系統(tǒng)由許多分布在各溫室中的控制器（下位機(jī)）和主控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）組成，每個(gè)控制器連接到主控計(jì)算機(jī)上，處理各種傳感器所采集的數(shù)據(jù)并對(duì)控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行實(shí)時(shí) 控制：主控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、顯示控制器傳送來(lái)的數(shù)據(jù)，并可以向每個(gè)控制器發(fā)送控制設(shè)定 值和其它控制參數(shù)，對(duì)溫室進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。該模式不僅適用于溫室群的集中管理，而 且能夠根據(jù)用戶需要通過(guò)方便、靈活的系統(tǒng)配置及功能重組，實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫室的控制管理。由于溫室