李建軍+李延國+何禹+李敏+由莉莉+趙雅君+黃雷+劉柱+歐志鵬+張航

摘 要：溫室控制系統(tǒng)根據(jù)溫室作物生長的種類自適應(yīng)控制溫室。包括溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)和溫室控制裝置。溫室環(huán)境控制信息系統(tǒng)包括：溫室內(nèi)作物生長信息接收裝置及安裝在溫室內(nèi)的傳感器信息和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信息；根據(jù)溫室內(nèi)作物生長的類型，有效地監(jiān)控溫室內(nèi)部植物生長環(huán)境信息和控制整個溫室的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：溫室；控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)；信息接收；傳感器

中圖分類號：S625 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20161032021

引言

溫室環(huán)境控制信息系統(tǒng)的分控裝置包括：信息接收系統(tǒng)，通過溫室中安裝的信息傳感器和信息采集器接收溫室中作物生長狀況的信息；篩選裝置，從傳感器接收注冊表和采集器的接收注冊表中，分別搜索到某一個對應(yīng)的傳感器和采集器的信息，確定選擇某個傳感器和控制器的接收；定位裝置，它可以從眾多傳感器中選定一個，并從眾多采集器選擇一個和它匹配；分控裝置，用于從數(shù)據(jù)庫中提取作物生長環(huán)境信息，定位信息，并將信息分發(fā)到溫室的控制設(shè)備中。使用本方法，可以根據(jù)溫室里種植的作物不同種類，適當(dāng)?shù)乜刂谱魑锷L，而使用的卻是同一系統(tǒng)。

通常情況下，大部分日光溫室栽培的作物受溫度、相對濕度、陽光、供水、二氧化碳等因素影響，它們決定作物生長的速度、產(chǎn)量、質(zhì)量以及作物的口感。因此，維持溫度、相對濕度、光照等一直是農(nóng)戶或經(jīng)營者最關(guān)注的問題。

現(xiàn)在，農(nóng)戶操作設(shè)備來保證溫室正常生產(chǎn)，通常只能靠他們的經(jīng)驗，在這種情況下，為了增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，農(nóng)戶應(yīng)該準(zhǔn)確地控制、監(jiān)視和管理溫室，這些繁瑣的工作就成了農(nóng)戶的一個繁重勞動。

1 主要研究內(nèi)容

1.1 控制系統(tǒng)概述

一般情況下溫室控制可以通過自動操作來解決這些問題。然而，溫室有各種類型的，如玻璃溫室、塑料溫室、日光溫室等，要完成自動控制就出現(xiàn)了許多種傳感監(jiān)測和對應(yīng)于各種傳感器使用的各種執(zhí)行器。在條件不同的情況下，作物的生長卻使用一套單一的溫室系統(tǒng)，基于這種情況只能對溫室作物的生長條件進(jìn)行預(yù)先設(shè)定信息，包括溫度、相對濕度、光照強(qiáng)度等，試圖優(yōu)化農(nóng)作物的生長。但是，這樣做卻很難有效地控制作物的生長環(huán)境，反過來可能還會影響作物的產(chǎn)量。此外，預(yù)先設(shè)定的溫室控制軟件程序，如果根據(jù)溫室作物的生長條件重新生成時，卻會產(chǎn)生較大的成本。

為了解決上述有關(guān)問題，本研究的第一個研究對象就是根據(jù)溫室里生長的作物種類，提供適合的控制系統(tǒng)。第二個研究對象是，根據(jù)作物的不同種類，提供不同種類的溫室環(huán)境控制信息的方法。

根據(jù)本研究的目標(biāo)，實現(xiàn)第一個研究對象，需要研究一套溫室控制系統(tǒng)，它包括溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)與溫室控制裝置。其中溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)包括：信息接收系統(tǒng)，用于接收溫室里生長的作物信息，傳感器和信息控制器被安裝在溫室中；選擇系統(tǒng)，用于選擇傳感器及控制器的信息接收，從傳感器和控制器分別接收對應(yīng)的傳感器信息和控制器的信息；定位系統(tǒng)，定位某一個傳感器，用于對控制器選定的傳感器提供接收；作物生長環(huán)境信息的提取系統(tǒng)，作物信息來源于定位信息數(shù)據(jù)庫和從分控裝置中提取的溫室環(huán)境信息。

實現(xiàn)本研究的第二個研究對象，需要研究一套方法，它能夠分控溫室環(huán)境信息。該方法包括：通過安裝在溫室里的信息傳感器和信息控制器，接收生長在溫室里的作物的信息；選擇傳感器接收，從傳感器接收對應(yīng)的傳感器信息；選擇執(zhí)行器接收，從控制器接收對應(yīng)的控制器信息；定位某個傳感器，用于給某個控制器選定的某個傳感器進(jìn)行控制信息接收；生長環(huán)境信息是來源于作物定位信息數(shù)據(jù)庫和分控系統(tǒng)提取的信息。

1.2 附圖說明

1.3 設(shè)計方案及控制方法詳細(xì)描述

圖1所示為溫室控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中溫室環(huán)境控制裝置9通過溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1接收信息。

根據(jù)圖1所示，溫室控制系統(tǒng)包括溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1和溫室控制裝置9。溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1包括信息接收系統(tǒng)2、選擇系統(tǒng)3、定位系統(tǒng)6、分控系統(tǒng)7和數(shù)據(jù)庫8。選擇系統(tǒng)3包括第一選擇系統(tǒng)4和第二個選擇系統(tǒng)5。

根據(jù)本研究設(shè)計的方案，溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1和溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9通過有線或無線雙向通信的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互溝通。無線通信的方案可以包括藍(lán)牙，無線局域網(wǎng)（Zigbee），紅外數(shù)據(jù)系統(tǒng)（IrDa）和無線電頻率識別系統(tǒng)（RFID）等。

接收系統(tǒng)2從用戶安裝在溫室里的傳感器和采集器對應(yīng)的傳感器信息中接收到溫室里的農(nóng)作物的生長信息。

表2中：1、空氣加熱；2、根區(qū)供熱；3、冷卻器；4、風(fēng)扇；5、天窗的窗口；6、側(cè)墻窗；7、風(fēng)扇；8、內(nèi)部天花板；9、內(nèi)側(cè)壁；10、黑色窗口；11、屋頂；12、總管道；13、自動噴灌裝置。

如表1所示，接收系統(tǒng)2接收到安裝在溫室中的采集器對應(yīng)的傳感器信息，包括：溫度控制器、光控制器、相對濕度控制器等；還有安裝在溫室內(nèi)的溫度傳感器、光傳感器、相對濕度傳感器、CO2傳感器等傳感器信息；還可以從用戶端接收信息。

研究方案中的信息采集器包括：與天氣有關(guān)的信息采集系統(tǒng)，如風(fēng)向、風(fēng)速、雪壓、雨量測量傳感器等；與土壤相關(guān)的傳感器，如電導(dǎo)率EC控制器、pH值傳感器、無機(jī)成分控制器等信息；還有與周圍和空氣有關(guān)的采集系統(tǒng)，如溫度傳感器，相對濕度傳感器、光感傳感器，CO2傳感器等。

第一選擇系統(tǒng)4，從傳感器接收注冊表中選擇傳感器對應(yīng)信息接收裝置2的傳感器信息。傳感器接收注冊表包括溫度測量傳感器、相對濕度測量傳感器、光測量傳感器，CO2測量傳感器、風(fēng)向方位測量傳感器、風(fēng)速測量傳感器、EC測量傳感器、pH值測量傳感器和無機(jī)成分測量傳感器。第一選擇系統(tǒng)4選擇傳感器的溫度控制信息、相對濕度控制信息和CO2控制信息，對應(yīng)收到信息接收裝置2，即溫度傳感器、相對濕度傳感器和CO2傳感器，對比傳感器接收注冊表數(shù)據(jù)庫中的設(shè)定信息，對分控系統(tǒng)7發(fā)出相應(yīng)的控制指令，調(diào)整作物生長的溫室環(huán)境。

第二個選擇系統(tǒng)5選擇從采集器接收注冊表中采集的信息數(shù)據(jù)，對應(yīng)信息接收裝置2的接收數(shù)據(jù)。采集器注冊表可能包括溫度控制數(shù)據(jù)、相對濕度控制數(shù)據(jù)、燈光控制數(shù)據(jù)、CO2控制數(shù)據(jù)、EC控制數(shù)據(jù)、pH值控制數(shù)據(jù)和無機(jī)成分控制數(shù)據(jù)。第二個選擇系統(tǒng)5選擇從采集器接收注冊表數(shù)據(jù)的采集信息，如：溫度控制數(shù)據(jù)、相對濕度控制數(shù)據(jù)和CO2控制數(shù)據(jù)，對應(yīng)信息接收系統(tǒng)2的數(shù)據(jù)。

定位系統(tǒng)6定位傳感器，對應(yīng)第一選擇系統(tǒng)4，采集器選擇第二選擇系統(tǒng)5的采集器接收信息。定位系統(tǒng)6選擇了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9中的第一選擇系統(tǒng)4，即CO2測量傳感器，提供CO2預(yù)定測量濃度和CO2傳感器測量濃度控制下的傳感器信息數(shù)據(jù)。如果它確定CO2在溫室中的實測濃度是低于預(yù)定濃度，定位系統(tǒng)6對應(yīng)的第一選擇系統(tǒng)4，將會選定對應(yīng)傳感器的CO2控制器，第二選擇系統(tǒng)5提供采集器接收信息，通過分控系統(tǒng)7從數(shù)據(jù)庫8中提取作物生長環(huán)境信息，定位傳感器和采集器接收溫室環(huán)境信息分控系統(tǒng)2的信息并提取，分發(fā)到溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9中，控制系統(tǒng)根據(jù)注冊表提供的作物生長CO2濃度設(shè)定信息，對CO2控制器發(fā)出動作指令。根據(jù)表2，分控系統(tǒng)7從數(shù)據(jù)庫8中提取作物生長環(huán)境信息，信息來源于信息接收系統(tǒng)2從定位傳感器和采集器接收的信息，即溫度傳感器對應(yīng)溫度控制采集器的信息，相對濕度傳感器對應(yīng)的相對濕度控制采集器，光強(qiáng)度采集器對應(yīng)光傳感器和CO2傳感器對應(yīng)的CO2控制采集器和分控系統(tǒng)，最終供溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9提取這些信息。

溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9接收環(huán)境控制信息，通過溫室環(huán)境信息分控系統(tǒng)1，確定和分控在溫室中生長作物。此外，溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9，根據(jù)從溫室環(huán)境分控制系統(tǒng)1收到的信息，分控溫室環(huán)境。溫室控制裝置9確定溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1，是否合理地分控作物的生長環(huán)境信息，還要確定安裝在溫室里的測量傳感器。如果該系統(tǒng)收到不認(rèn)可的溫室環(huán)境信息，溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9會驅(qū)動控制器根據(jù)注冊表設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的傳感器定位和控制器調(diào)整。

圖2是溫室環(huán)境控制系統(tǒng)流程圖，顯示的是溫室環(huán)境控制信息的方法。

參考圖2，溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1接收溫室里作物生長的信息、安裝傳感器信息以及安裝在溫室中的采集器和傳感器對應(yīng)的信息。根據(jù)本研究的實施案例中，傳感器信息可能包括與天氣有關(guān)的傳感器，如風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、雪傳感器、雨量傳感器等信息；與土壤相關(guān)的傳感器，如電導(dǎo)率（EC）傳感器、pH值傳感器、無機(jī)成分傳感器等；與空氣有關(guān)的傳感器，如溫度傳感器，相對濕度傳感器、光傳感器、CO2濃度傳感器等。

采集器信息包括與天氣有關(guān)的信息執(zhí)行器，如風(fēng)向控制器、風(fēng)速控制器、積雪控制器、雨量控制器等，還有和周圍的空氣有關(guān)的執(zhí)行器接收，如溫度、相對濕度控制接收、燈光控制接收，CO2控制接收信息等與土壤相關(guān)的執(zhí)行器，如EC控制器、pH值控制器、無機(jī)成分控制器等信息。

溫室環(huán)境控制信息分控裝置1定位到一個為采集器接收信息的傳感器，比較了在溫室控制裝置9的控制下選擇的傳感器接收數(shù)據(jù)，也就是說，在溫室中負(fù)責(zé)測量CO2濃度的傳感器提供的CO2測量數(shù)據(jù)，與注冊表中預(yù)定的CO2濃度數(shù)據(jù)相比較，如果確定所測量的溫室中CO2濃度低于預(yù)定濃度，溫室環(huán)境控制信息分控裝置1如圖對應(yīng)于選定的控制器接收裝置，從而驅(qū)動CO2控制器為溫室作物補(bǔ)充CO2。

2 控制系統(tǒng)特點

溫室控制系統(tǒng)包括溫室環(huán)境控制信息的分控裝置和溫室控制裝置2部分。所述的溫室環(huán)境控制信息的分控裝置包括：信息接收系統(tǒng)，通過溫室中安裝的信息傳感器和信息采集器接收溫室中作物生長狀況的信息；篩選裝置，從傳感器接收注冊表和采集器的接收注冊表中，分別搜索到某一個對應(yīng)的傳感器和采集器的信息，確定選擇某個傳感器和控制器；定位裝置，它可以從眾多傳感器中選定一個，并從眾多采集器選擇一個和它匹配；分控裝置，用于從數(shù)據(jù)庫中提取作物生長環(huán)境信息，定位信息，并將信息分發(fā)到溫室的控制設(shè)備中。

溫室控制設(shè)備可以通過分控裝置收到溫室的環(huán)境信息，還可以通過傳感器測定，比較作物生長的環(huán)境信息，以確定作物生長環(huán)境信息與溫室環(huán)境信息是否相符。

確定生長環(huán)境信息不符合溫室環(huán)境信息，溫室控制裝置即會檢測到不一致的環(huán)境信息所對應(yīng)的傳感器。

系統(tǒng)的溫室控制裝置驅(qū)動一個控制器來定位探測傳感器。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫可以存儲生長在溫室里的多種作物的生長環(huán)境信息。

3 結(jié)論

3.1 溫室生長環(huán)境控制系統(tǒng)可以把收到的植物生長環(huán)境信息和溫室環(huán)境信息進(jìn)行比較

還可以衡量傳感器傳送的溫室環(huán)境信息，以確定生長環(huán)境信息是否與溫室環(huán)境信息相符，如果它確定生長環(huán)境信息并不符合溫室環(huán)境信息，檢測傳感器就會回傳給控制器，進(jìn)一步修正環(huán)境信息，來滿足要求。

3.2 當(dāng)各種作物生長在溫室中時

溫室控制系統(tǒng)能夠識別溫室內(nèi)各種作物的生長環(huán)境信息，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境因素中，能夠給每一種作物在任何時間，提供必要的生長條件，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)。

3.3 農(nóng)戶可以方便地操作控制系統(tǒng)來維持溫室內(nèi)植物健康生長的溫度、相對濕度以及光照等環(huán)境條件

并能準(zhǔn)確地控制、監(jiān)視和管理溫室。這套控制系統(tǒng)可以減輕農(nóng)戶繁瑣的工作和繁重勞動，其結(jié)果是增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量和提高了農(nóng)作物的品質(zhì)。

作者簡介：李建軍（1974-），男，農(nóng)業(yè)工程碩士，長春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域科研、推廣工作。