方銳

摘要：該智能溫室計(jì)算機(jī)集群控制系統(tǒng)在完成采集環(huán)境數(shù)據(jù)的同時(shí)，可根據(jù)模糊決策系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行模糊決策分析，輸出控制相應(yīng)溫室設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試和運(yùn)行，證明滿足可控環(huán)境調(diào)控要求。

關(guān)鍵詞：PLC；溫室環(huán)境；模糊決策；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）32-0231-02

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制的研究也有了明顯的進(jìn)展。特別是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速進(jìn)步，基于Zigbee網(wǎng)的溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制也在逐漸應(yīng)用，但我國(guó)溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還是有很多差距。目前我國(guó)溫室控制系統(tǒng)的發(fā)展還存在著科技含量低，可控精密程度與水平不高，不能適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的需求，很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的規(guī)?；б?，不能科學(xué)對(duì)作物的生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)施全程自動(dòng)控制和管理，這會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)施農(nóng)業(yè)向產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展的進(jìn)程。

本智能溫室計(jì)算機(jī)集群控制系統(tǒng)，主要用于日光溫室及玻璃或塑料大棚環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)和控制。在各種日光溫室、大棚的應(yīng)用中，除了可監(jiān)測(cè)（記錄、分析）溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2含量及氣象參數(shù)的變化，還可通過(guò)自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)、水泵、拉幕機(jī)、卷膜器、開(kāi)窗機(jī)、加熱、灌溉等設(shè)備，達(dá)到自動(dòng)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、降溫、排濕、加熱、增濕、控制光照、噴水、沖注CO2等功效。另外，該系統(tǒng)還增加了自動(dòng)灌水流量管理與控制系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)先設(shè)定自動(dòng)灌水、自動(dòng)施肥的時(shí)間程序，可對(duì)現(xiàn)有灌溉實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量的全自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可根據(jù)基質(zhì)變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥。還可在計(jì)算機(jī)終端對(duì)以上幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與性能測(cè)試方法。

2 系統(tǒng)描述

智能溫室計(jì)算機(jī)集群控制系統(tǒng)，由室內(nèi)外檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)處理與監(jiān)控等四大部分組成。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組近年來(lái)的不斷設(shè)計(jì)、修改、完善，已日趨成熟并可投入試點(diǎn)應(yīng)用。該控制系統(tǒng)主要用于日光溫室及玻璃或塑料大棚環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)和控制。系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC控制模塊、各種傳感器等組成。如圖1所示。

圖1 智能溫室計(jì)算機(jī)集群控制系統(tǒng)框架圖

智能溫室計(jì)算機(jī)集群控制上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成。

（1） 信息采集、轉(zhuǎn)換與顯示子模塊：它包括檢測(cè)室內(nèi)、室外溫度、濕度、CO2濃度及光照度等數(shù)據(jù)的采集；實(shí)時(shí)顯示及修改各種控制數(shù)據(jù)、曲線，記錄各種采集的數(shù)據(jù)；

（2） 模糊控制子模塊：主要包括對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的模糊化，模糊推理和解模糊化；

（3） 輸出及執(zhí)行子模塊：控制風(fēng)機(jī)、水簾、遮陽(yáng)、卷膜等溫室設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

3 下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)包含電氣控制部分與PLC數(shù)據(jù)采集傳輸部分。電氣控制部分主要負(fù)責(zé)對(duì)溫室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)、頂層遮陽(yáng)系統(tǒng)（分內(nèi)遮陽(yáng)和外遮陽(yáng)）、側(cè)窗溫濕度控制系統(tǒng)、冷暖控制系統(tǒng)、照明及噴淋系統(tǒng)等現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象進(jìn)行智能控制，并提供室內(nèi)/室外氣象站、溫濕度及二氧化碳儀表信號(hào)的輸入輸出接口。提供各控制對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)信號(hào)送溫室控制器，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集處理；并接受計(jì)算機(jī)及溫室控制器的命令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各控制對(duì)象進(jìn)行全自動(dòng)控制。根據(jù)溫室控制實(shí)際情況及現(xiàn)場(chǎng)操作要求，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制二種控制方式，其控制切換由現(xiàn)場(chǎng)控制柜上的切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

利用新一代溫室監(jiān)控器為核心，構(gòu)建溫室計(jì)算機(jī)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要用于溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中溫室外氣象參數(shù)檢測(cè)，包括檢測(cè)以下參數(shù)：溫度、濕度、光照、風(fēng)向、風(fēng)速、雨雪氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用新設(shè)計(jì)的溫室控制器，在控制器中首次采用PLC+新型分散式多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，PLC作為核心元件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通訊和控制，由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬量采集， A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳送給PLC。

4 上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用個(gè)人PC，通過(guò)PLC模塊采集傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232通訊總線由串口進(jìn)行通信，串口在傳輸數(shù)據(jù)方面具有穩(wěn)定可靠，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，同時(shí)要求程序界面圖形化，易操作化，VB.net是一款易學(xué)易用易調(diào)試的圖形化開(kāi)發(fā)工具，在串口通信方面有一套非常成熟的控件和組件可供使用，能很好滿足本系統(tǒng)需求，故本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用VB，net中文企業(yè)版。本系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)庫(kù)選擇功能強(qiáng)大、操作方便的 SQL Server 2008，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。軟件系統(tǒng)主要功能模塊如圖2所示。

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的變化及各設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。主要檢測(cè)參數(shù)為室外：溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向；室內(nèi)：溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2含量；主要控制設(shè)備為：冷風(fēng)機(jī)、水簾電機(jī)、卷膜電機(jī)、遮陽(yáng)電機(jī)。系統(tǒng)能按照設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)記錄環(huán)境參數(shù)的變化，并加以分析處理，當(dāng)某溫室中某一環(huán)境參數(shù)的變化達(dá)到或超出控制值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將控制信息傳遞給執(zhí)行控制模塊，由執(zhí)行控制模塊自動(dòng)控制下位機(jī)動(dòng)作。超出報(bào)警值則系統(tǒng)自動(dòng)給予報(bào)警。

經(jīng)驗(yàn)表明，間隔設(shè)置為20秒較合適。環(huán)境監(jiān)測(cè)界面如圖3所示。

系統(tǒng)控制模塊采用模糊控制，系統(tǒng)可以根據(jù)作物生長(zhǎng)規(guī)律設(shè)定各種參數(shù)的臨界值，在臨界點(diǎn)尚未到達(dá)之前提前做出趨勢(shì)預(yù)測(cè)采取相應(yīng)措施。模糊控制要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，這個(gè)數(shù)學(xué)模型不需要太精確。模糊控制器通過(guò)模糊化、模糊控制規(guī)則和模糊判決三個(gè)部分組成，通過(guò)模糊判斷，設(shè)定若干個(gè)執(zhí)行指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，其框架圖如4所示。

該控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用上位機(jī)通訊技術(shù)加測(cè)控站，實(shí)現(xiàn)了分散采集控制，集中操作管理，相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越、配置靈活、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容有兩項(xiàng)：一是可靠性測(cè)試；二是本系統(tǒng)的控制算法測(cè)試。以下是測(cè)試數(shù)據(jù)在下午13：00-17：00內(nèi)，每隔30min利用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、濕度計(jì)測(cè)量溫室內(nèi)的溫濕度，記錄數(shù)值；同時(shí)讀取由計(jì)算機(jī)測(cè)量的溫濕度值，記錄數(shù)值；比較兩數(shù)值相對(duì)誤差。如表1所示：

相對(duì)誤差基本滿足應(yīng)用精確度的要求。程序測(cè)量的溫濕度數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值非常接近，溫度和濕度的變化規(guī)律具有非常明顯的耦合特性。當(dāng)溫度上升時(shí)，相對(duì)濕度下降；當(dāng)溫度下降時(shí)，相對(duì)濕度上升。

6 結(jié)論

整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近半年的運(yùn)行，證明軟硬件設(shè)計(jì)合理，符合用戶需求。該項(xiàng)目的實(shí)施，拓寬了工業(yè)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廣度與深度，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，方便種（養(yǎng)）植業(yè)主們選擇一個(gè)有利于作物或動(dòng)物成長(zhǎng)的生長(zhǎng)環(huán)境，并加大對(duì)大棚或溫室的管理和控制力度。加快了形成具有地方特色的種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。本項(xiàng)目的實(shí)施，為形成具有地方特色的種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)提供了扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。項(xiàng)目實(shí)施的第一期，合作雙方主要在種植業(yè)，特別是珍貴花卉的溫室栽培上展開(kāi)，探索出一套適宜于長(zhǎng)三角地區(qū)的溫室控制成功模式，然后在長(zhǎng)三角地區(qū)進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳朋林. 溫室大棚智能控制系統(tǒng)研究[D]. 山東大學(xué)，2015.

[2] 王述彥 師宇 馮忠緒. 基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011（1）.

[3] 劉力. 溫室大棚內(nèi)環(huán)境自動(dòng)化控制方案設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013（1）.