溫室環(huán)境自動(dòng)控制技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)_李善軍.pdf

20 溫室園藝 GREENHOUSE HORTICULTURE 發(fā)達(dá)國(guó)家如荷蘭 美國(guó) 英國(guó)等都大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè) 溫室內(nèi)溫度 濕度 光照 CO 2 濃度 水 氣 營(yíng)養(yǎng)液等實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)調(diào) 控 荷蘭在1974 年首次研制出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)CECS 1978 年日本 東京大學(xué)的學(xué)者研制出微型計(jì)算機(jī)溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng) 目前 日 本 荷蘭 美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家可以做到根據(jù)溫室作物的特點(diǎn)和要求 對(duì) 溫室內(nèi)的諸多環(huán)境因子進(jìn)行環(huán)境控制 自20世紀(jì)70年代末開(kāi)始 中國(guó)陸續(xù)從以色列 美國(guó) 日本 荷蘭等國(guó)引進(jìn)了許多先進(jìn)的現(xiàn)代化溫室 在吸收國(guó)外高科技溫 室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上 中國(guó)農(nóng)業(yè)科研工作人員進(jìn)行了溫室內(nèi)部 溫度 濕度 光照 CO 2 濃度等環(huán)境因子控制技術(shù)的綜合研究 1987年中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院引進(jìn)FEL IXC 512系統(tǒng) 并建立了全國(guó)農(nóng)業(yè) 系統(tǒng)的第一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究機(jī)構(gòu) 到了20世紀(jì)90年代初期 計(jì) 算機(jī)開(kāi)始用于溫室的管理和控制領(lǐng)域 清華大學(xué)的鄭學(xué)堅(jiān)首先介 紹了應(yīng)用單片機(jī)控制人工氣候箱的方法和思路 此后 中國(guó)農(nóng)業(yè) 科學(xué)院徐師華報(bào)道Z 80C控制溫室的軟 硬件實(shí)施方案 以及利用 單片機(jī)控制氣候箱自然光照的模擬試驗(yàn) 于海業(yè)等研制的溫室環(huán) 境自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 可以自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度 濕度等參數(shù) 1996 年江蘇理工大學(xué)研制了一套溫室環(huán)境控制設(shè)備 通過(guò)對(duì)溫室內(nèi)部 溫度 濕度 光照及CO 2 濃度的監(jiān)控 在150 m 2 溫室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了溫 度 濕度 光照 CO 2 濃度的綜合控制 目前 在國(guó)內(nèi)外有應(yīng)用研究的溫室自動(dòng)控制方式主要有以下幾種 基于單片機(jī)的溫室環(huán)境因子控制 此控制系統(tǒng)按照信號(hào)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(zhuǎn)換器及按鍵設(shè)置三個(gè)部分 控制主板由AT89C51單片 機(jī) LCD顯示模塊 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 打印輸出端口及聲光預(yù)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(jī) 電磁閥 手動(dòng)控制電路 溫室開(kāi)窗電動(dòng)機(jī)和滴灌系統(tǒng)等六個(gè)部分 按照作物生長(zhǎng)規(guī)律設(shè)置好溫 室環(huán)境溫度和土壤含水率以后 系統(tǒng)可自動(dòng)控制開(kāi)窗機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)溫室內(nèi) 的環(huán)境溫度 自動(dòng)控制滴灌電磁閥使溫室內(nèi)的土壤含水率保持在一個(gè)最 適宜作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用中斷技術(shù)來(lái)控制各個(gè)外設(shè) 定時(shí)掃描環(huán)境因子的變化 通過(guò)與設(shè)定值比較運(yùn)算對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制 本 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際使用 證明采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的方法 特別是在溫 室這種相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)節(jié)水抗旱是可行的 分布式智能型溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)溫室專家系統(tǒng) 該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為中心計(jì)算機(jī)和單片機(jī)智能控制儀的主從式結(jié) 構(gòu) 系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)溫室專家系統(tǒng)的人工智能技 術(shù) 對(duì)溫室內(nèi)外環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能化決策調(diào)節(jié) 為農(nóng)作物 創(chuàng)造最優(yōu)化的生長(zhǎng)條件 實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)使系統(tǒng)的通信 環(huán)境參數(shù)采 集 控制可以同時(shí)進(jìn)行 由于現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜性和多變性 依靠精確 數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制已經(jīng)無(wú)法很好地解決問(wèn)題 因此 本系統(tǒng)采用存 儲(chǔ)大量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的專家系統(tǒng)來(lái)達(dá)到控制的目的 系統(tǒng)硬件主要 由環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊 智能決策模塊組成 軟件部分采用COM 組態(tài)方式實(shí)現(xiàn) 包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊 人工控制模塊等 具有操作簡(jiǎn) 便 可靠性高 易升級(jí)擴(kuò)充等特點(diǎn) 已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化 基于單總線技術(shù)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(jī) 下位機(jī) 的集 散控制結(jié)構(gòu) 相互之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信 下位機(jī)的所有信息均要上傳到上 位機(jī) 再由上位機(jī)將控制命令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu) 這對(duì)于控制變量很 多的溫室系統(tǒng) 帶來(lái)了布線不便和線路擁塞的可能 既不經(jīng)濟(jì)也欠可 靠 另外 系統(tǒng)的擴(kuò)展性不好 在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 不易增加新的溫室 控制系統(tǒng) 同時(shí)需要控制的溫室數(shù)量比較多時(shí) 控制系統(tǒng)的復(fù)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(dòng)控制技術(shù)研究應(yīng)用 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 李善軍 張衍林 艾 平 翟 紅 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 430070 摘 要 農(nóng)業(yè)的工廠化生產(chǎn)及精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)要求全自動(dòng)化的溫室控制裝置 本文簡(jiǎn)要敘述了目前國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用的幾種自動(dòng)化溫室 控制方式 基于單片機(jī)的溫室環(huán)境因子控制 分布式智能型溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 基于單總線技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng) 多目標(biāo)日光溫 室計(jì)算機(jī)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(jiǎn)要分析了溫室自動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì) 關(guān)鍵詞 溫室 溫室環(huán)境 自動(dòng)控制系統(tǒng) 發(fā)展趨勢(shì) 引 言 隨著生活水平的不斷提高 人們對(duì)新鮮蔬菜 觀賞植物等植物需求量越來(lái)越大 從而推動(dòng)了溫室技術(shù)的 發(fā)展 溫室是一個(gè)相對(duì)較小的封閉環(huán)境 這個(gè)小環(huán)境的自身調(diào)節(jié)能力有限 經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)環(huán)境因子 超過(guò)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(duì)溫室作物生長(zhǎng)的條件進(jìn)行控制 溫室環(huán)境中可調(diào)控的環(huán)境因子 包括溫室內(nèi)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(zhǎng)的環(huán)境條件 以獲得速生 優(yōu)質(zhì) 高產(chǎn)和低耗的農(nóng)產(chǎn)品 隨著電子技術(shù)和輕工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展 利用廉價(jià)的單片機(jī)并綜合現(xiàn)代傳感器技術(shù) 智能控制等先進(jìn)技術(shù)來(lái) 實(shí)現(xiàn)在全自動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用 國(guó)內(nèi)外的研究應(yīng)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(jī)械設(shè) 備 環(huán)境控制設(shè)備及生產(chǎn)管理者等組成了一個(gè) 十分復(fù)雜的非線性系統(tǒng) 因此企圖研究其輸入 與輸出的定量關(guān)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(guó)的科學(xué)家正大力研究作物種植模式 讓計(jì)算 機(jī)決策 其基本模式可分為統(tǒng)計(jì)模式和動(dòng)態(tài)模 式 統(tǒng)計(jì)模式是通過(guò)統(tǒng)計(jì)手段 建立作物生長(zhǎng) 和產(chǎn)量形成之間的關(guān)系 動(dòng)態(tài)模式是以能量平 衡和產(chǎn)量形成的全過(guò)程與環(huán)境因素相互關(guān)系 的數(shù)學(xué)模型 溫室環(huán)境自動(dòng)控制主要指計(jì)算機(jī) 在溫室控制中的應(yīng)用 而溫室環(huán)境計(jì)算機(jī)自動(dòng) 控制技術(shù)的發(fā)展主要趨向于智能化 網(wǎng)絡(luò)化 綜合化 多樣化 隨著傳感技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展 溫室計(jì)算機(jī)的應(yīng) 用將由簡(jiǎn)單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測(cè) 逐步轉(zhuǎn) 向以知識(shí)處理和應(yīng)用為主 因此除了不斷完善 硬件控制設(shè)備外 主要是軟件系統(tǒng)的研制開(kāi)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(luò) 遺傳算法 模糊推理等人工智能技術(shù)在 設(shè)施農(nóng)業(yè)中也得到了不同程度的應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)是20世紀(jì)90年代最具活 力 發(fā)展速度最快的高科技領(lǐng)域 通過(guò)網(wǎng)絡(luò) 隨意獲取世界范圍內(nèi)的有用信息 指導(dǎo)自己 的生產(chǎn) 甚至可以通過(guò)在線服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行咨 詢 是未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)所在 也即是有人 提出的虛擬農(nóng)業(yè)的概念 隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的規(guī) ?；彤a(chǎn)業(yè)化程度的不斷提高 網(wǎng)絡(luò)通訊技 術(shù)會(huì)在溫室控制和管理系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng) 用 溫室內(nèi)部的管理和控制實(shí)際上就具有局 域網(wǎng)的特性 隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展 地 區(qū)之間甚至跨國(guó)之間可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn) 程控制和管理 中國(guó)土地遼闊 氣候復(fù)雜 種 植模式多樣 種植者整體素質(zhì)較低 利用現(xiàn)代 化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行在線和離線服務(wù) 從長(zhǎng)遠(yuǎn)看 具有廣闊的應(yīng)用前景 把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)應(yīng)用于溫室無(wú)線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)信息采集分系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 在溫室大棚部署具有自組網(wǎng)傳輸能 力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 結(jié)合溫室智能控制系 統(tǒng)和農(nóng)業(yè)信息專家系統(tǒng) 可實(shí)現(xiàn)溫室信息采 集的自動(dòng)部署 自動(dòng)組織傳輸和溫室環(huán)境的 精細(xì)化控制 實(shí)現(xiàn)了溫室信息的遠(yuǎn)程訪問(wèn) 未來(lái)的溫室環(huán)境自動(dòng)控制技術(shù)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(wù)系統(tǒng)是未來(lái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于 溫室控制的研究熱點(diǎn) 參考文獻(xiàn)略 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助 2006 作者簡(jiǎn)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(jī)械方面研究 在溫室自動(dòng)控制中引入現(xiàn)場(chǎng)總線 采用現(xiàn)場(chǎng)單總線式集散控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)FDCS Field Distributed Control System 結(jié)構(gòu) 由操作站 控 制單元及CAN現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)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(gè)控制單元節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)立完成某溫室控 制 通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)中 各個(gè)控制單元和計(jì)算機(jī)都是掛接在 總線上的平等主體 它們之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式 廣播方式進(jìn)行通信 將溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)和功能下放到現(xiàn)場(chǎng)的控制單元中去完成 不需要 通過(guò)上位機(jī) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立完成系統(tǒng)特定的功能 多目標(biāo)日光溫室計(jì)算機(jī)生產(chǎn)管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用RS 485遠(yuǎn)距離通訊 多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集 工控組態(tài)圖形動(dòng) 態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù) 所有監(jiān)控點(diǎn)傳感器都連接到由模擬量輸入模塊組成的 RS 485網(wǎng)絡(luò)上 通過(guò)一條雙絞線與遠(yuǎn)程控制單元 RTU 通訊 收發(fā)控 制信號(hào) 所有傳感器都通過(guò)屏蔽雙絞線連接到ADC 8017模擬量輸入 模塊 A D轉(zhuǎn)換模塊 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 經(jīng)RS 232 485數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換模塊將RS 485信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)串口的RS 232信號(hào) 可實(shí)時(shí)觀 測(cè)到各控制參數(shù)的變化 計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令經(jīng)DAC 8050輸入 模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào) 通過(guò)輸出控制電路控制補(bǔ)光燈 排風(fēng)扇 滴灌 設(shè)備 CO 2 發(fā)生器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān) 實(shí)現(xiàn)日光溫室內(nèi)溫度 濕度 光 照 土壤水分及CO 2 濃度等環(huán)境因子的調(diào)控 日光溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件 可實(shí)現(xiàn)功能軟件設(shè)計(jì)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(shù)資料分析 利用組態(tài)軟件內(nèi)部數(shù) 據(jù)庫(kù)功能建立主要農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù) 計(jì)算機(jī)根據(jù) 數(shù)據(jù)庫(kù)資料設(shè)定各生長(zhǎng)發(fā)育階段控制參數(shù) 實(shí)現(xiàn)智能控制 數(shù)據(jù) 庫(kù)具有開(kāi)放性 經(jīng)授權(quán)的程序員可進(jìn)行修改 該系統(tǒng)采用最新計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與傳感器技術(shù) 只使用一臺(tái) 中心計(jì)算機(jī)集成 沒(méi)有使用單片機(jī) 實(shí)現(xiàn)對(duì)影響日光溫室果蔬生 產(chǎn)的各項(xiàng)環(huán)境因素進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)與控制 系統(tǒng)技術(shù)性能穩(wěn)定 控制準(zhǔn)確 操作管理方便 運(yùn)行可靠 減輕了日光溫室生產(chǎn)管理 勞動(dòng)強(qiáng)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(luò)服務(wù)器一臺(tái) 專用管理工作站一臺(tái) 一般工作站若干 包括溫室專用工控機(jī) 采用最新的客戶機(jī) 服 務(wù)器方式 利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源共享 低層的傳感器等信號(hào)傳 輸處理和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與基于單片機(jī)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(shí)時(shí)多任務(wù)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(wù)器將數(shù) 據(jù)庫(kù)與應(yīng)用程序分離 便于維護(hù)和管理 同時(shí) 該系統(tǒng)還可以與 國(guó)際聯(lián)網(wǎng) 共享資源 進(jìn)行國(guó)際交流 但該系統(tǒng)成本較高 一次 性投入較多 目前我國(guó)還沒(méi)有條件大規(guī)模應(yīng)用 只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室 和大型農(nóng)場(chǎng)有條件試用 但它的功能強(qiáng)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(yīng)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(jī) PLC 數(shù)據(jù)采集單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成 PLC主要用于動(dòng)態(tài) 實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境因子的變化 根據(jù)作物生長(zhǎng)的要求對(duì)參數(shù)進(jìn)行匹 配 同時(shí)完成與上位機(jī)的通信 PLC是一種通用的自動(dòng)控制裝置 它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體 具有控制能力強(qiáng) 操作靈活方便 可靠性高 適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作 的特點(diǎn) 非常適合高效溫室的控制要求 以計(jì)算機(jī)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(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)等幾部 分組成 另外 PLC不但能完成復(fù)雜的邏輯功能 還能完成復(fù)雜的 運(yùn)算功能 PLC有各種組態(tài)模塊功能 通過(guò)先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PLC 多個(gè)溫室的網(wǎng)絡(luò)化分布式控制 其缺點(diǎn)是投資 大 一般都在萬(wàn)元以上 農(nóng)業(yè)用戶難以接受 發(fā)展趨勢(shì)