呼天星

(延安職業(yè)技術學院，陜西 延安 716000)

隨著農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設施農業(yè)因其涉及學科廣、科技含量高、與人民生活關系密切，己越來越受到人們的重視。這也為我國大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機遇，并產生巨大的推動作用。但到目前為止，絕大多數(shù)大棚、日光溫室內環(huán)境主要仍靠人工經(jīng)驗來管理，缺乏系統(tǒng)的科學指導。其栽培技術缺乏量化指標，主要靠管理者的經(jīng)驗，只能被動地實現(xiàn)保溫、降溫、遮陽和防雨，而不能主動地調節(jié)溫、光、水、肥、氣，這幾乎成了限制溫室作物高產優(yōu)質種植的主要障礙。可見，溫室控制技術的發(fā)展，對于溫室產業(yè)乃至我國的農業(yè)現(xiàn)代化進程具有深遠的影響。

1 溫室控制技術現(xiàn)狀

溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產以達到調節(jié)產期，促進生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質量、產量等為目的。而溫室設施的關鍵技術是環(huán)境控制，該技術的最終目標是提高控制與作業(yè)精度。

我國對于溫室控制技術的研究較晚，始于20世紀80年代。我國工程技術人員在吸收發(fā)達國家溫室控制技術的基礎上，掌握了人工氣候室內微機控制技術。該技術僅限于溫度、濕度和CO2濃度等單項環(huán)境因子的控制。之后，我國的溫室控制技術得到了迅速發(fā)展。但由于我國農業(yè)現(xiàn)代化水平較低，農業(yè)勞動力大量過剩，且溫室的一次性投資大，資金短缺以及對操作人員的素質要求比較高等因素，限制了溫室控制技術在溫室系統(tǒng)的發(fā)展。

從溫室控制技術的發(fā)展狀況來看，大致經(jīng)歷了手動控制;自動控制;智能化控制3個發(fā)展階段。

手動控制。這是在溫室技術發(fā)展初期所采取的控制手段，它并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構。生產一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對溫室作物進行管理的執(zhí)行機構，他們是溫室環(huán)境控制的核心。

自動控制。這種控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標參數(shù)，計算機根據(jù)傳感器的實際測量值與事先設定的目標值進行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應機構進行加熱、降溫和通風等動作。計算機自動控制的溫室控制技術實現(xiàn)了生產自動化，適合規(guī)?；a，勞動生產率得到提高。通過改變溫室環(huán)境設定目標值，可以自動地進行溫室內環(huán)境氣候調節(jié)，但是這種控制方式對作物生長狀況的改變難以及時作出反應，難以介入作物生長的內在規(guī)律。目前我國絕大部分自主開發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進的國外設備都屬于這種控制方式。

智能化控制。這是在溫室自動控制技術和生產實踐的基礎上，通過總結、收集農業(yè)領域知識、技術和各種試驗數(shù)據(jù)構建的系統(tǒng)，以植物生長的數(shù)學模型為理論依據(jù)，研究開發(fā)出的一種適合不同作物生長的溫室專家控制系統(tǒng)技術。這種智能化的控制技術以溫室綜合環(huán)境因子作為采集與分析對象，通過專家系統(tǒng)的咨詢與決策，給出不同時期作物生長所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，并據(jù)此對實時測得的數(shù)據(jù)進行模糊處理，自動選擇合理、優(yōu)化的調整方案，控制執(zhí)行機構的相應動作，實現(xiàn)溫室的智能化管理與生產。

溫室控制技術沿著手動、自動、智能化控制的發(fā)展進程，向著設施越來越先進、功能越來越完備的方向發(fā)展，溫室環(huán)境控制向著基于作物生長模型、溫室綜合環(huán)境因子分析模型和溫室信息自動采集及智能控制方向發(fā)展。

2 溫室控制技術的應用前景

智能化溫室是在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略指導下開辟的農業(yè)新方向。從作物產量角度來看，它具有很高的單位面積產出值;就環(huán)境保護角度而言，它不僅可以產出清潔的瓜果蔬菜，而且由于精確控制化肥及其他添加劑的用量，也避免了對土壤和地下水的污染。我國的溫室環(huán)境控制技術與國外的相比還比較落后，最近幾年才真正實現(xiàn)計算機自動控制。目前我國的現(xiàn)代化溫室，除智能化控制系統(tǒng)外，硬件系統(tǒng)基本達到與國際同步的水平。將智能控制系統(tǒng)應用于溫室的實施監(jiān)控與自動調控技術無疑是溫室發(fā)展的新亮點，也是溫室控制技術發(fā)展的大勢所趨。其發(fā)展?jié)摿皯每臻g大，對農民的實際生產有很重要的指導意義。

目前，溫室環(huán)境控制技術的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。

2.1 智能化

隨著計算機技術、傳感技術和自動控制技術的不斷發(fā)展，溫室計算機環(huán)境控制系統(tǒng)的應用將由簡單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測為主，逐步轉向以知識處理和應用為主。軟件系統(tǒng)的研制開發(fā)將不斷深入完善，而且應用前景非常廣闊。近幾年來神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊推理等人工智能技術在溫室栽培中得到了不同程度的發(fā)展和應用。

2.2 網(wǎng)絡化

網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展促進了信息傳播。我國幅員遼闊，氣候復雜，勞動者整體素質較低，利用網(wǎng)絡進行在線和離線服務，可以對不同區(qū)域進行監(jiān)測、比較，不僅給管理帶來很大的方便，而且可以提高勞動生產率。

2.3 分布式

分布式系統(tǒng)通?？煞譃樯?、下2層。上層主要用作系統(tǒng)管理，其他各種功能如測量與控制任務等，主要由下層完成。下層由許多各自獨立的功能單元組成，每個單元只完成一部分工作。

面向對象的分布式系統(tǒng)，每一個功能單元針對一個對象。

2.4 綜合環(huán)境調控

就是以實現(xiàn)作物的增產穩(wěn)產為目標，把影響作物生長的多種環(huán)境參數(shù)，如光照、溫度、濕度、CO2濃度等，都保持在適宜作物生長的狀態(tài)，并盡可能使用最少量的環(huán)境調節(jié)裝置，既省時又節(jié)能，還能使勞動者愉快地從事生產勞動。

2.5 變動的環(huán)境控制系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中并不設置一個固定的溫度值，溫室中的溫度在最高和最低溫度范圍內可進行變動，以求在一個較長的時間段內達到理想的平均溫度。這樣計算機可以根據(jù)室外的小氣候，在使用最低能耗、最佳利用溫室中的現(xiàn)有設備的情況下自由進行調節(jié)?？勺儎拥沫h(huán)境控制系統(tǒng)目前主要側重于溫度、光照、相對濕度、CO2濃度等方面的研究，在溫室作物產量上已表現(xiàn)出比較滿意的效果。

2.6 藍牙技術

運用這種技術把溫室環(huán)境自動檢測與控制系統(tǒng)中的各個電子檢測裝置和執(zhí)行機構無線地連接起來，以達到便捷地對溫室環(huán)境參數(shù)進行自動檢測，靈活地對溫室環(huán)境參數(shù)進行自動控制的目的。便攜式環(huán)境參數(shù)采集器內部裝有溫度、濕度、光照等各種傳感器，并嵌入了藍牙芯片，這種參數(shù)采集器可以便捷地放置在溫室內的不同位置，并具有無線通信功能?？刂破魍瑯忧度肓怂{牙芯片，它一方面與便攜式環(huán)境參數(shù)采集器無線連接，另一方面通過RS-485通信總線與溫室內的計算機控制裝置相連接。

3 PLC智能溫室控制系統(tǒng)總體方案的設計

根據(jù)作物生長所需要的環(huán)境模型制定環(huán)境設施輸出方案是溫室環(huán)境控制的關鍵技術。為避免控制方案過于復雜，選擇最重要的環(huán)境因子如溫室內空氣溫度、濕度、光照、CO2濃度作為基本的監(jiān)測和控制項目，針對日光溫室自身特點，制訂如圖1所示的控制系統(tǒng)整體設計方案。

圖1 智能溫室綜合控制系統(tǒng)的結構

系統(tǒng)主要由上位機、PLC、數(shù)據(jù)采集單元及執(zhí)行機構3部分組成。各傳感器對溫室內溫度、濕度等參數(shù)進行實時檢測，經(jīng)A/D轉換器后送入單片機，完成數(shù)據(jù)采集;PLC為核心控制器，PC機與組態(tài)軟件作為監(jiān)控模塊，兩者通過串口進行通信來控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，實現(xiàn)了過程的智能化、人性化。其突出特點是單片機價格低廉，PLC編程靈活，PC機存儲空間大，因此，具有相當高的性價比。而且，PLC有各種組態(tài)模塊功能，通過先進的現(xiàn)場總線技術，可實現(xiàn)多臺PLC、多個溫室的網(wǎng)絡化分布式控制，特別適合上、下位機結合的大型連棟溫室集群控制。其上位機的功能有:介入互聯(lián)網(wǎng)、PLC采集數(shù)據(jù)上傳的管理、設定點的下載、控制算法的優(yōu)化與生成等。其缺點是投資較大，一般農業(yè)用戶難以接受。

3.1 溫度傳感器系統(tǒng)設計

對溫度傳感器型號的選用首先應該考慮使用方便，變換電路簡單等特點。

溫度傳感器AD590是應用較普遍的一類傳感器。AD590是電流輸出型溫度傳感器，以電流輸出量作為溫度指示。它的輸出電流精確地正比于絕對溫度，可以作為精確測溫元件。AD590只需要一個電源 (4～30 V)，即可實現(xiàn)溫度到電流源的轉換，使用方便。AD590在常溫區(qū)范圍內校正后，測量精度可達±0.1℃。作為一種正比于溫度的高阻電流源，它克服了電壓輸出型溫度傳感器在長距離溫度遙測和遙控應用中電壓信號損失和噪聲干擾問題，不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾，因此，除適用于多點溫度測量外，特別適用于遠距離溫度測量和控制。

為克服簡單電路的缺陷，使增益調整和補償調整相互獨立，設計了具有獨立調節(jié)功能的測溫電路(圖2)。AD590的輸出電流 I=(273+T)μA(T為攝氏溫度)，因此測得電壓U01=(273+T)μA×10 kΩ=(273+T) ×10-2V。但由于 AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路進行調整。調整的方法為:把AD590放于冰水混合物中，調整電位器 R1，使 U01=2.732 V;或者在室溫(25℃)的條件下通過調節(jié)電位器R2，使電壓U02=-2.73 V，調整電位器R3，使U0=1.25 V。這種調整的方法，可以保證在0℃或25℃附近有較高精度。

3.2 濕度傳感器系統(tǒng)設計

電容式濕度傳感器的動態(tài)范圍大，動態(tài)響應快，幾乎沒有零漂，結構簡單，適應性強。基于以上原因，選用電容式濕度傳感器HS1101。HS1101為固態(tài)聚合物結構，相對濕度精度高達±2%;極好的線性輸出;1% ～99%濕度量程;-40～100℃的溫度工作范圍，響應時間5 s;濕度輸出受溫度影響極小，防腐蝕性氣體;常溫使用無需溫度補償，無需校準;電容與濕度變化0.34%;長期穩(wěn)定性及可靠性;年漂移量0.5%相對濕度。具有最突出的優(yōu)點是長期穩(wěn)定性極強，制成的儀表和傳感器產品可以達到較高的精度。

圖2 溫度測量的電路

將HS1101接入555定時器組成的振蕩器電路中，輸出一定頻率的方波信號。這種方法具有結構簡單，使用方便，具體的測量電路如圖3。

圖3 濕度測量的電路

選用的NE556芯片，它內部含有2個NE555定時器。其中R1、R2、C1、C2和 NE556構成多諧振蕩器，外接電阻R1、R2與濕敏電容C1構成了對電容C1的充電回路，7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成了對C1的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內比較器。該振蕩電路2個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下:首先電源 UCC通過 R1、R2向C2充電，經(jīng)t1充電時間后，UC2充至芯片內比較器的高觸發(fā)電平，約2/3UCC，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經(jīng)t2放電時間后，UC2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約1/3UCC，此時輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平。如此反復，形成方波輸出。

3.3 溫室控制子系統(tǒng)組成

溫室控制系統(tǒng)由溫度控制子系統(tǒng)、濕度控制子系統(tǒng)、光照控制子系統(tǒng)、CO2控制子系統(tǒng)和水肥控制子系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)各控制著1個或若干個執(zhí)行部件 (圖4)。

圖4 溫室控制子系統(tǒng)的組成

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集是整個控制與管理系統(tǒng)的重要組成部分，要對環(huán)境和設備進行控制，必須對環(huán)境和設備的狀態(tài)進行監(jiān)測，經(jīng)過分析決策，然后實施調控行為。

本模塊采用AT89C51單片機作為控制核心，通過各傳感器對溫室內溫度、濕度、光照、CO2濃度等參數(shù)實時檢測，經(jīng)A/D轉換后送入單片機。數(shù)據(jù)采集處理電路如圖5。

數(shù)據(jù)采集與轉換由8位逐次逼近式A/D轉換器ADC0809來完成。ADC0809內部具有鎖存控制的8路模擬開關，外接8路模擬輸入端，可同時對8路0～5 V的輸入模擬電壓信號分時進行采集轉換。ADC0809與 AT89C51單片機的接口見圖 2，ADC0809的8位數(shù)據(jù)輸出引腳直接與數(shù)據(jù)總線相連，地址譯碼引腳 A、B、C分別與 74LS373的Q0、Q1、Q2相連，以選通 INO～IN7中的一個通道，INO～IN7的通道地址為 EFF8H-EFFFH。AT89C51的P2.0作為片選信號，在啟動A/D轉換時，由單片機的寫信號WR和P2.0控制 ADC的地址鎖存和轉換啟動。由于 ALE與 START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉換，在讀取轉換結果時，用單片機的讀信號RD和P2.0接或非門產生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。

圖5 數(shù)據(jù)采集處理的電路

3.5 模糊控制器結構

按溫室控制系統(tǒng)的任務，控制系統(tǒng)至少由4個子系統(tǒng)組成，分別對光照、溫度、濕度和二氧化碳濃度進行控制?，F(xiàn)以室內溫度和濕度作為主要被控制量，以加熱器、風扇、噴淋、天窗和側窗等執(zhí)行機構作為控制手段。系統(tǒng)輸入變量為溫度誤差、濕度誤差，輸出變量為調節(jié)溫度和濕度的控制量，控制設備為:加熱閥、風機、噴淋閥、天/側窗。因此，本系統(tǒng)采用兩輸入-四輸出結構的模糊控制器，將溫濕度誤差e1、e2作為控制器輸入，控制器的輸出變量分別用 y1、y2、y3、y4表示，模糊控制器結構如圖6。

圖6 模糊控制器結構

4 小結

在對現(xiàn)代溫室控制的現(xiàn)狀以及溫室控制系統(tǒng)存在的問題2個方面進行充分調研的基礎上，研究并設計適合溫室控制的智能溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下特點。

根據(jù)溫室傳感器系統(tǒng)需求，基于模擬電子技術和傳感器系統(tǒng)設計理論，設計的溫度傳感器系統(tǒng)具有高精度、低成本的特點。

采用單片機+PLC+PC機組成的溫室綜合控制系統(tǒng)，用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，可降低成本、節(jié)約空間，PLC編程靈活，PC機存儲空間大，因此，具有相當高的性價比。

提出模糊智能控制方案，采用兩輸入-四輸出結構的模糊控制器，符合溫室環(huán)境是一個非線性、分布參數(shù)、時變、大時延、多變量藕合的復雜對象的實際。

采用先進的MCGS組態(tài)軟件，可自動檢測并記憶全年任意時間的環(huán)境溫度地溫及濕度值，還可根據(jù)需要，預先設定自動記錄各種數(shù)據(jù)的時間周期;采用可視化編程，提高了編程效益。

［1］黃柱深，黃超麟.基于 PLC的高精度溫度控制系統(tǒng) ［J］.機電工程技術，2006，35(2):65-66.

［2］楊萬能，秦付軍.基于 PLC的網(wǎng)絡溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.西華大學學報，2006，25(6):71-72.

［3］蔡軍，曹慧英.基于PLC的溫控系統(tǒng)設計與研究 ［J］.微計算機信息，2007，23:26-28.

［4］戴星，謝守勇，何炳輝，等.基于 PLC的溫室控制系統(tǒng)的研究 ［J］.農機化研究，2007(1):129-132.

［5］馬瑩，鄭文斌.基于PLC和組態(tài)軟件的加熱爐溫度控制系統(tǒng) ［J］.中國科技信息，2007，21:64-67.