溫室環(huán)境自動控制技術研究應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢_李善軍.pdf

20 溫室園藝 GREENHOUSE HORTICULTURE 發(fā)達國家如荷蘭 美國 英國等都大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè) 溫室內溫度 濕度 光照 CO 2 濃度 水 氣 營養(yǎng)液等實現(xiàn)計算機調 控 荷蘭在1974 年首次研制出計算機控制系統(tǒng)CECS 1978 年日本 東京大學的學者研制出微型計算機溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng) 目前 日 本 荷蘭 美國等發(fā)達國家可以做到根據(jù)溫室作物的特點和要求 對 溫室內的諸多環(huán)境因子進行環(huán)境控制 自20世紀70年代末開始 中國陸續(xù)從以色列 美國 日本 荷蘭等國引進了許多先進的現(xiàn)代化溫室 在吸收國外高科技溫 室生產(chǎn)技術的基礎上 中國農(nóng)業(yè)科研工作人員進行了溫室內部 溫度 濕度 光照 CO 2 濃度等環(huán)境因子控制技術的綜合研究 1987年中國農(nóng)業(yè)科學院引進FEL IXC 512系統(tǒng) 并建立了全國農(nóng)業(yè) 系統(tǒng)的第一個計算機應用研究機構 到了20世紀90年代初期 計 算機開始用于溫室的管理和控制領域 清華大學的鄭學堅首先介 紹了應用單片機控制人工氣候箱的方法和思路 此后 中國農(nóng)業(yè) 科學院徐師華報道Z 80C控制溫室的軟 硬件實施方案 以及利用 單片機控制氣候箱自然光照的模擬試驗 于海業(yè)等研制的溫室環(huán) 境自動檢測系統(tǒng) 可以自動調節(jié)溫室內溫度 濕度等參數(shù) 1996 年江蘇理工大學研制了一套溫室環(huán)境控制設備 通過對溫室內部 溫度 濕度 光照及CO 2 濃度的監(jiān)控 在150 m 2 溫室內實現(xiàn)了溫 度 濕度 光照 CO 2 濃度的綜合控制 目前 在國內外有應用研究的溫室自動控制方式主要有以下幾種 基于單片機的溫室環(huán)境因子控制 此控制系統(tǒng)按照信號流向和控制模塊可劃分為 前向輸入通道 控 制主板和后向輸出控制部分 其中 前向輸入通道包括溫度及土壤含水 量傳感器 A D 轉換器及按鍵設置三個部分 控制主板由AT89C51單片 機 LCD顯示模塊 數(shù)據(jù)存儲電路 打印輸出端口及聲光預警電路等組 成 后向輸出控制模塊包括固態(tài)繼電器 打印機 電磁閥 手動控制電路 溫室開窗電動機和滴灌系統(tǒng)等六個部分 按照作物生長規(guī)律設置好溫 室環(huán)境溫度和土壤含水率以后 系統(tǒng)可自動控制開窗機構以調節(jié)溫室內 的環(huán)境溫度 自動控制滴灌電磁閥使溫室內的土壤含水率保持在一個最 適宜作物生長的范圍內 系統(tǒng)軟件設計采用中斷技術來控制各個外設 定時掃描環(huán)境因子的變化 通過與設定值比較運算對外設進行控制 本 系統(tǒng)經(jīng)過實際使用 證明采用單片機實現(xiàn)自動控制的方法 特別是在溫 室這種相對穩(wěn)定的環(huán)境條件下實現(xiàn)節(jié)水抗旱是可行的 分布式智能型溫室計算機控制系統(tǒng) 實時多任務操作系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)溫室專家系統(tǒng) 該系統(tǒng)體系結構為中心計算機和單片機智能控制儀的主從式結 構 系統(tǒng)采用實時多任務操作系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)溫室專家系統(tǒng)的人工智能技 術 對溫室內外環(huán)境因子進行實時監(jiān)測和智能化決策調節(jié) 為農(nóng)作物 創(chuàng)造最優(yōu)化的生長條件 實時多任務系統(tǒng)使系統(tǒng)的通信 環(huán)境參數(shù)采 集 控制可以同時進行 由于現(xiàn)場情況的復雜性和多變性 依靠精確 數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制已經(jīng)無法很好地解決問題 因此 本系統(tǒng)采用存 儲大量現(xiàn)場經(jīng)驗和知識的專家系統(tǒng)來達到控制的目的 系統(tǒng)硬件主要 由環(huán)境因子實時監(jiān)測模塊 智能決策模塊組成 軟件部分采用COM 組態(tài)方式實現(xiàn) 包括數(shù)據(jù)庫管理模塊 人工控制模塊等 具有操作簡 便 可靠性高 易升級擴充等特點 已實現(xiàn)產(chǎn)品化 基于單總線技術的農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng) 如果控制系統(tǒng)的物理層采用如前所述的 上位機 下位機 的集 散控制結構 相互之間點對點通信 下位機的所有信息均要上傳到上 位機 再由上位機將控制命令發(fā)送給執(zhí)行機構 這對于控制變量很 多的溫室系統(tǒng) 帶來了布線不便和線路擁塞的可能 既不經(jīng)濟也欠可 靠 另外 系統(tǒng)的擴展性不好 在原系統(tǒng)的基礎上 不易增加新的溫室 控制系統(tǒng) 同時需要控制的溫室數(shù)量比較多時 控制系統(tǒng)的復雜度和 難度就大大增加 布線數(shù)量增加 系統(tǒng)成本大幅增加 溫室環(huán)境自動控制技術研究應用 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 李善軍 張衍林 艾 平 翟 紅 華中農(nóng)業(yè)大學工程技術學院 430070 摘 要 農(nóng)業(yè)的工廠化生產(chǎn)及精細農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢要求全自動化的溫室控制裝置 本文簡要敘述了目前國內外研究應用的幾種自動化溫室 控制方式 基于單片機的溫室環(huán)境因子控制 分布式智能型溫室計算機控制系統(tǒng) 基于單總線技術的農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng) 多目標日光溫 室計算機生產(chǎn)管理系統(tǒng) 以局域網(wǎng)為工作環(huán)境的溫室控制系統(tǒng) 基于PLC的溫室控制系統(tǒng) 并簡要分析了溫室自動控制的發(fā)展趨勢 關鍵詞 溫室 溫室環(huán)境 自動控制系統(tǒng) 發(fā)展趨勢 引 言 隨著生活水平的不斷提高 人們對新鮮蔬菜 觀賞植物等植物需求量越來越大 從而推動了溫室技術的 發(fā)展 溫室是一個相對較小的封閉環(huán)境 這個小環(huán)境的自身調節(jié)能力有限 經(jīng)常會出現(xiàn)一個或多個環(huán)境因子 超過作物最適界限 影響了溫室作物的栽培效益的現(xiàn)象 需要對溫室作物生長的條件進行控制 溫室環(huán)境中可調控的環(huán)境因子 包括溫室內的空氣溫度 濕度 光照 CO 2 濃度 土壤的水分 酸堿度 養(yǎng) 分和溫度等 其目的是改善和創(chuàng)造適合植物生長的環(huán)境條件 以獲得速生 優(yōu)質 高產(chǎn)和低耗的農(nóng)產(chǎn)品 隨著電子技術和輕工業(yè)技術的不斷發(fā)展 利用廉價的單片機并綜合現(xiàn)代傳感器技術 智能控制等先進技術來 實現(xiàn)在全自動化溫室中蔬菜 花卉等作物工廠化生產(chǎn)已經(jīng)成為可能 并且在實際生產(chǎn)中得到廣泛應用 國內外的研究應用現(xiàn)狀 21GREENHOUSE HORTICULTURE 溫室園藝 溫室生產(chǎn)系統(tǒng)由作物 各種農(nóng)業(yè)機械設 備 環(huán)境控制設備及生產(chǎn)管理者等組成了一個 十分復雜的非線性系統(tǒng) 因此企圖研究其輸入 與輸出的定量關系是十分困難的 溫室生產(chǎn)管 理已逐步向定量 客觀化方向發(fā)展 目前世界各 國的科學家正大力研究作物種植模式 讓計算 機決策 其基本模式可分為統(tǒng)計模式和動態(tài)模 式 統(tǒng)計模式是通過統(tǒng)計手段 建立作物生長 和產(chǎn)量形成之間的關系 動態(tài)模式是以能量平 衡和產(chǎn)量形成的全過程與環(huán)境因素相互關系 的數(shù)學模型 溫室環(huán)境自動控制主要指計算機 在溫室控制中的應用 而溫室環(huán)境計算機自動 控制技術的發(fā)展主要趨向于智能化 網(wǎng)絡化 綜合化 多樣化 隨著傳感技術 計算機技術 和自動控制技術的不斷發(fā)展 溫室計算機的應 用將由簡單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測 逐步轉 向以知識處理和應用為主 因此除了不斷完善 硬件控制設備外 主要是軟件系統(tǒng)的研制開發(fā) 將不斷深入完善 其中主要以專家系統(tǒng)為代表 的智能管理系統(tǒng)已取得了不少研究成果 神經(jīng) 網(wǎng)絡 遺傳算法 模糊推理等人工智能技術在 設施農(nóng)業(yè)中也得到了不同程度的應用 網(wǎng)絡通訊技術是20世紀90年代最具活 力 發(fā)展速度最快的高科技領域 通過網(wǎng)絡 隨意獲取世界范圍內的有用信息 指導自己 的生產(chǎn) 甚至可以通過在線服務系統(tǒng)進行咨 詢 是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢所在 也即是有人 提出的虛擬農(nóng)業(yè)的概念 隨著設施農(nóng)業(yè)的規(guī) ?；彤a(chǎn)業(yè)化程度的不斷提高 網(wǎng)絡通訊技 術會在溫室控制和管理系統(tǒng)中得到廣泛的應 用 溫室內部的管理和控制實際上就具有局 域網(wǎng)的特性 隨著網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展 地 區(qū)之間甚至跨國之間可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠 程控制和管理 中國土地遼闊 氣候復雜 種 植模式多樣 種植者整體素質較低 利用現(xiàn)代 化網(wǎng)絡技術進行在線和離線服務 從長遠看 具有廣闊的應用前景 把無線傳感器網(wǎng)絡技 術應用于溫室無線測控網(wǎng)絡信息采集分系統(tǒng) 的設計 在溫室大棚部署具有自組網(wǎng)傳輸能 力的無線傳感器網(wǎng)絡 結合溫室智能控制系 統(tǒng)和農(nóng)業(yè)信息專家系統(tǒng) 可實現(xiàn)溫室信息采 集的自動部署 自動組織傳輸和溫室環(huán)境的 精細化控制 實現(xiàn)了溫室信息的遠程訪問 未來的溫室環(huán)境自動控制技術將朝多因 素 多樣化方向發(fā)展 集圖形 聲音 影視為 一體的多媒體服務系統(tǒng)是未來計算機應用于 溫室控制的研究熱點 參考文獻略 華中農(nóng)業(yè)大學科技創(chuàng)新基金項目資助 2006 作者簡介 李善軍 1977 男 主要 從事農(nóng)業(yè)工程方面的科研與管理工作 通訊作者 張衍林 1957 男 主要從事 生物環(huán)境與能源工程 農(nóng)業(yè)機械方面研究 在溫室自動控制中引入現(xiàn)場總線 采用現(xiàn)場單總線式集散控制系 統(tǒng)結構FDCS Field Distributed Control System 結構 由操作站 控 制單元及CAN現(xiàn)場控制網(wǎng)絡組成 操作站主要完成控制系統(tǒng)離線組 態(tài) 生成及在線系統(tǒng)監(jiān)控 多個控制單元節(jié)點各自獨立完成某溫室控 制 通過CAN現(xiàn)場總線 在操作站和控制單元之間交換各種數(shù)據(jù)和管 理控制信息 在這種系統(tǒng)結構中 各個控制單元和計算機都是掛接在 總線上的平等主體 它們之間采用點對點方式 廣播方式進行通信 將溫室自動控制系統(tǒng)和功能下放到現(xiàn)場的控制單元中去完成 不需要 通過上位機 每個節(jié)點獨立完成系統(tǒng)特定的功能 多目標日光溫室計算機生產(chǎn)管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用RS 485遠距離通訊 多點數(shù)據(jù)采集 工控組態(tài)圖形動 態(tài)監(jiān)測技術 所有監(jiān)控點傳感器都連接到由模擬量輸入模塊組成的 RS 485網(wǎng)絡上 通過一條雙絞線與遠程控制單元 RTU 通訊 收發(fā)控 制信號 所有傳感器都通過屏蔽雙絞線連接到ADC 8017模擬量輸入 模塊 A D轉換模塊 模擬信號轉換為數(shù)字信號 經(jīng)RS 232 485數(shù)據(jù) 轉換模塊將RS 485信號轉換成計算機串口的RS 232信號 可實時觀 測到各控制參數(shù)的變化 計算機發(fā)出的控制指令經(jīng)DAC 8050輸入 模塊轉換為模擬信號 通過輸出控制電路控制補光燈 排風扇 滴灌 設備 CO 2 發(fā)生器等執(zhí)行機構的開關 實現(xiàn)日光溫室內溫度 濕度 光 照 土壤水分及CO 2 濃度等環(huán)境因子的調控 日光溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)軟件用組態(tài)軟件開發(fā)應用軟件 可實現(xiàn)功能軟件設計的模塊化 系統(tǒng)具有打印歷史數(shù)據(jù)記錄及歷 史曲線分析功能 用于生產(chǎn)技術資料分析 利用組態(tài)軟件內部數(shù) 據(jù)庫功能建立主要農(nóng)作物生長發(fā)育技術參數(shù)數(shù)據(jù)庫 計算機根據(jù) 數(shù)據(jù)庫資料設定各生長發(fā)育階段控制參數(shù) 實現(xiàn)智能控制 數(shù)據(jù) 庫具有開放性 經(jīng)授權的程序員可進行修改 該系統(tǒng)采用最新計算機控制技術與傳感器技術 只使用一臺 中心計算機集成 沒有使用單片機 實現(xiàn)對影響日光溫室果蔬生 產(chǎn)的各項環(huán)境因素進行有效的監(jiān)測與控制 系統(tǒng)技術性能穩(wěn)定 控制準確 操作管理方便 運行可靠 減輕了日光溫室生產(chǎn)管理 勞動強度 提高日光溫室生產(chǎn)管理水平 以局域網(wǎng) Intranet 為工作環(huán)境的溫室控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要包括 網(wǎng)絡服務器一臺 專用管理工作站一臺 一般工作站若干 包括溫室專用工控機 采用最新的客戶機 服 務器方式 利用網(wǎng)絡技術實現(xiàn)資源共享 低層的傳感器等信號傳 輸處理和驅動執(zhí)行機構與基于單片機的溫室環(huán)境因子控制裝置所 使用的方案基本一致 高層控制環(huán)境軟硬件和實時多任務操作系 統(tǒng) 農(nóng)業(yè)溫室專家系統(tǒng)基本一致 所不同的是它采用服務器將數(shù) 據(jù)庫與應用程序分離 便于維護和管理 同時 該系統(tǒng)還可以與 國際聯(lián)網(wǎng) 共享資源 進行國際交流 但該系統(tǒng)成本較高 一次 性投入較多 目前我國還沒有條件大規(guī)模應用 只有少數(shù)實驗室 和大型農(nóng)場有條件試用 但它的功能強大 隨著農(nóng)業(yè)及電子工業(yè) 的不斷發(fā)展 必將得到大規(guī)模的應用 基于PLC的溫室控制系統(tǒng) 基于PLC 可編程邏輯控制器 的溫室控制系統(tǒng)是由上位機 PLC 數(shù)據(jù)采集單元及執(zhí)行機構組成 PLC主要用于動態(tài) 實時 監(jiān)測室內外環(huán)境因子的變化 根據(jù)作物生長的要求對參數(shù)進行匹 配 同時完成與上位機的通信 PLC是一種通用的自動控制裝置 它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術 計算機技術和通訊技術融為一體 具有控制能力強 操作靈活方便 可靠性高 適宜長期連續(xù)工作 的特點 非常適合高效溫室的控制要求 以計算機和PLC為核心的 控制系統(tǒng) 由氣候監(jiān)控系統(tǒng) 灌溉系統(tǒng) 營養(yǎng)液控制系統(tǒng)等幾部 分組成 另外 PLC不但能完成復雜的邏輯功能 還能完成復雜的 運算功能 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 其缺點是投資 大 一般都在萬元以上 農(nóng)業(yè)用戶難以接受 發(fā)展趨勢