郭立帥，徐秀妮，蘇 禮

(隴東學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅慶陽745000)

智能化溫室大棚利用環(huán)境控制設(shè)備通過人為手段營(yíng)造適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的條件，使農(nóng)作物的生長(zhǎng)擺脫傳統(tǒng)種植方式下對(duì)自然環(huán)境的高度依賴.智能化溫室大棚控制系統(tǒng)就是通過調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照、CO2、土壤PH值、營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境參數(shù)使其處于事先確定的最佳值，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而控制農(nóng)作物生長(zhǎng)周期、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及質(zhì)量等.

在溫室系統(tǒng)開發(fā)中，其控制結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要.合理的控制結(jié)構(gòu)能提高溫室控制系統(tǒng)控制的精確性、運(yùn)行的可靠性、推廣應(yīng)用上的靈活性.現(xiàn)有的溫室控制結(jié)構(gòu)有單片機(jī)控制系統(tǒng)、基于IPC(工控機(jī))的控制系統(tǒng)、基于PLC的控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)等幾種模式.為了適應(yīng)大型連棟溫室集群控制的需要，經(jīng)過對(duì)各種溫室控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，本設(shè)計(jì)采用的是分布式控制系統(tǒng)［1］.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

分布式控制系統(tǒng)一般由兩級(jí)構(gòu)成，即上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng).上位機(jī)系統(tǒng)位于管理室內(nèi)，包括PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、通信轉(zhuǎn)換卡等，主要功能有設(shè)定參數(shù)、數(shù)據(jù)管理(即顯示、保存和查詢等)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、智能決策等.下位機(jī)系統(tǒng)即是位于溫室中的現(xiàn)場(chǎng)控制器系統(tǒng)，包括各種傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)控制器、手動(dòng)控制器等，主要功能有采集溫度、濕度、光照、CO2濃度等各種環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的控制功能以及監(jiān)控溫室設(shè)備.上位機(jī)系統(tǒng)可以對(duì)多個(gè)溫室集中進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和管理，用戶在管理室里就可以了解全部溫室的運(yùn)行情況;各個(gè)溫室中的現(xiàn)場(chǎng)控制器工作時(shí)相互獨(dú)立、互不影響，即當(dāng)某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器發(fā)生故障或其與PC機(jī)相連的通信線路發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響其他現(xiàn)場(chǎng)控制器的正常工作，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全可靠性;多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制器共享PC機(jī)的管理功能.因此，該控制系統(tǒng)具有可靠性高和成本低、設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)溫室集群控制.

在該分布式控制系統(tǒng)中，采用分模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)上位機(jī)和下位機(jī)的方式.控制過程既可以由上、下位機(jī)結(jié)合完成，也可以由下位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行.上、下位機(jī)和傳感器系統(tǒng)結(jié)合的控制方案適用于大型連棟溫室，而下位機(jī)系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)結(jié)合的控制方案適用于小規(guī)模農(nóng)家溫室.分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1 所示［2］.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 傳感器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

傳感器是智能化溫室控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)元器件，承擔(dān)著檢測(cè)各種環(huán)境參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換成溫室控制所需要的電信號(hào)的任務(wù)，是溫室系統(tǒng)的輸入檢測(cè)模塊.整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、控制精度與傳感器獲得信息的準(zhǔn)確性直接相關(guān).在農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)中的關(guān)鍵的是溫度、濕度、光照和CO2濃度.因此，本智能化溫室大棚控制系統(tǒng)中的傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器系統(tǒng)、濕度傳感器系統(tǒng)、光照傳感器系統(tǒng)和CO2傳感器系統(tǒng).

1.2 下位機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)是溫室控制現(xiàn)場(chǎng)的管理核心.其輸入連接傳感器系統(tǒng)，是溫室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)通道;輸出連接至溫室控制設(shè)備，為控制信號(hào)的輸出通道.下位機(jī)由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，主要模塊包括:主控模塊、輸入(數(shù)據(jù)采集)模塊、輸出控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，具有溫室數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、上傳等功能，可實(shí)現(xiàn)溫室現(xiàn)場(chǎng)資源的統(tǒng)一管理.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］.

圖2 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 上位機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

位于溫室管理室的上位機(jī)系統(tǒng)是系統(tǒng)的上層管理部分，是系統(tǒng)的管理核心，可以實(shí)現(xiàn)溫室數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計(jì)分析、智能決策等功能.在上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要包括系統(tǒng)管理軟件、溫室數(shù)據(jù)庫(kù)和控制模型等.其中，系統(tǒng)管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室系統(tǒng)資源的管理，并能夠提供友好的人機(jī)界面與方便的人機(jī)交互功能;溫室數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大量溫室數(shù)據(jù)的管理;控制模型中將專家智能庫(kù)與模糊算法相結(jié)合，其目的是保證系統(tǒng)產(chǎn)生智能決策的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性.

1.4 數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信包括兩種形式，即上、下位機(jī)之間的RS－232串行通信和上位機(jī)與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)之間的采用Internet進(jìn)行的通信.由于智能化溫室大棚控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸量比較小，而且對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求不高，所以上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信采用RS－232串行通信即可滿足要求.上位機(jī)與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)通過Internet進(jìn)行通信，不僅能夠滿足系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w要求，而且可以實(shí)現(xiàn)資源共享.

2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器系統(tǒng)是溫室環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)設(shè)備.本智能化溫室大棚控制系統(tǒng)針對(duì)影響溫室作物生長(zhǎng)的最主要的4個(gè)環(huán)境因素:溫度、濕度、光照以及CO2，進(jìn)行了溫度傳感器系統(tǒng)、濕度傳感器系統(tǒng)、光照傳感器系統(tǒng)以及CO2濃度傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì).溫度傳感器系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，該傳感器為“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器，具有體積小、經(jīng)濟(jì)、靈活等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量溫度范圍為－55℃ ～+125℃，在－10℃ ～+85℃范圍內(nèi)，其精度為±0.5℃，能夠達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求.而且現(xiàn)場(chǎng)的溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，系統(tǒng)的抗干擾性大大提高.濕度傳感器系統(tǒng)采用HR202濕敏電阻實(shí)現(xiàn)濕度測(cè)量，該傳感器是一種新型的濕度敏感元件，采用的是有機(jī)高分子材料，最寬的溫度測(cè)量范圍為－40℃ ～+500℃，濕度檢測(cè)精度 為±5%RH，具有感濕范圍寬、長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，光照傳感器系統(tǒng)采用光敏三極管3DU33作為光照傳感器器件來實(shí)現(xiàn)光照度的測(cè)量.CO2濃度傳感器系統(tǒng)采用CO2傳感器GS—160實(shí)現(xiàn)CO2濃度的測(cè)量，該傳感器的測(cè)量范圍為0～100PPM，精度為±3PPM，具有精度高、線性度好等優(yōu)點(diǎn).本文僅對(duì)光照傳感器系統(tǒng)進(jìn)行具體闡述.

光照傳感器系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示［4，5］.該傳感器系統(tǒng)由光敏器件和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成，可以劃分為信號(hào)產(chǎn)生電路、信號(hào)處理與輸出電路兩個(gè)模塊.在信號(hào)產(chǎn)生電路中，當(dāng)光敏三極管3DU33受到光線的照射時(shí)，在基極、集電極和發(fā)射極上產(chǎn)生了微弱的電流信號(hào).該電流信號(hào)經(jīng)過U1構(gòu)成的放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Uo1=IC×(R2+R10).由于電流Ic很微弱，所以只有在反饋電阻R2的阻值較大時(shí)，才能得到較大的輸出電壓.由于R10是可調(diào)電阻，改變R10的阻值可以改變所測(cè)的光照范圍.在信號(hào)處理與輸出電路中，通過調(diào)整U2構(gòu)成的電壓放大電路中R4、R3阻值可以將Uo1繼續(xù)放大，即Uo2= －R4/R3×Uo1.U3構(gòu)成的運(yùn)放電路的功能是實(shí)現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換，將生成的電流信號(hào)傳送到下位機(jī)光照信號(hào)輸入接口［6］.

圖3 光照傳感器系統(tǒng)電路原理圖

3 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)是智能溫室控制系統(tǒng)中的溫室現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng).由于要求溫室下位機(jī)系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)，所以要求該系統(tǒng)能夠獨(dú)立處理數(shù)據(jù)，自主采集數(shù)據(jù)，并能夠傳輸及顯示數(shù)據(jù).下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的模塊劃分、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).

3.1 系統(tǒng)模塊劃分及硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)采用單片機(jī)系統(tǒng)，從功能上可以劃分為主控模塊、輸入(數(shù)據(jù)采集)模塊、輸出控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊五部分，分別對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的五個(gè)部分.

(1)主控模塊:以單片機(jī)系統(tǒng)為控制核心，并擴(kuò)展部分外圍電路，構(gòu)成該系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的管理與分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化.

(2)輸入(數(shù)據(jù)采集)模塊:系統(tǒng)的信號(hào)輸入連接模塊，負(fù)責(zé)對(duì)溫室內(nèi)傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)量與存儲(chǔ).并將采集來的數(shù)據(jù)與下位機(jī)系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的溫室環(huán)境參數(shù)校準(zhǔn)表進(jìn)行比較.

(3)輸出控制模塊:將單片機(jī)系統(tǒng)與溫室控制設(shè)備連接起來，根據(jù)主控模塊的具體控制信息驅(qū)動(dòng)溫室控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚各個(gè)環(huán)境參數(shù)的控制.

(4)數(shù)據(jù)顯示模塊:顯示在下位機(jī)啟動(dòng)時(shí)由上位機(jī)提供的系統(tǒng)時(shí)鐘、由上位機(jī)內(nèi)部管理系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)以及溫室內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制狀態(tài).為了保證數(shù)據(jù)顯示的準(zhǔn)確性和清晰度，顯示模塊采用七段LED數(shù)碼管的靜態(tài)顯示.

(5)數(shù)據(jù)通信模塊:采用RS－232串行通信實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的通信.

3.2 下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能要求本系統(tǒng)軟件包括主程序、時(shí)鐘子程序、采集子程序、顯示子程序和通信子程序等部分.各程序的功能分別是:

(1)主程序:完成系統(tǒng)的啟動(dòng)初始化、調(diào)用和協(xié)調(diào)其它模塊;

(2)時(shí)鐘子程序:準(zhǔn)確計(jì)時(shí)、協(xié)調(diào)A/D采集模塊和串行通信模塊運(yùn)行.時(shí)鐘子程序的運(yùn)行采用中斷方式調(diào)用A/D采集子程序和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;

(3)采集子程序:對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分時(shí)采集，并采用查詢方式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;根據(jù)環(huán)境參數(shù)校準(zhǔn)表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)后，將數(shù)據(jù)送入顯示緩沖單元和對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元;

(4)顯示子程序:溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、溫室環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的顯示、時(shí)鐘的顯示;

(5)通信子程序:實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)數(shù)據(jù)通信，主要包括下位機(jī)重啟時(shí)的校時(shí)通信.上位機(jī)發(fā)起的整點(diǎn)自動(dòng)通信和控制通信.

4 上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)由PC機(jī)組成，位于溫室管理室，是整個(gè)系統(tǒng)的管理核心，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和上位機(jī)系統(tǒng)管理功能.因此，上位機(jī)管理系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和控制決策模型兩部分.考慮到溫室控制的復(fù)雜性、多變性、非線性以及不確性，可以在上位機(jī)的控制決策模型建立中引入模糊控制技術(shù)，研究溫室模糊控制器的設(shè)計(jì)方案，模糊控制算法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù).上位機(jī)管理系統(tǒng)采用Visual Basic6.0和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)SQL Server 2000來實(shí)現(xiàn)［2］.

5 小結(jié)

本智能化溫室大棚控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光照以及CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與分析處理，并可進(jìn)行相應(yīng)的控制，使智能溫室能夠?yàn)檗r(nóng)作物的生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的環(huán)境，可滿足現(xiàn)代智能溫室的需要.本系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、養(yǎng)殖孵化廠等對(duì)環(huán)境要求高的場(chǎng)合;同時(shí)，經(jīng)過相應(yīng)的改造之后，本系統(tǒng)還可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤監(jiān)測(cè)、智能樓宇、火災(zāi)預(yù)警等領(lǐng)域.本系統(tǒng)成本低、性能可靠、操作方便，具有廣闊的市場(chǎng)前景.

［1］齊文新，周學(xué)文.分布式智能型溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，(1):246 －249.

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