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20 温室园艺 GREENHOUSE HORTICULTURE 发达国家如荷兰 美国 英国等都大力发展集约化的温室产业 温室内温度 湿度 光照 CO 2 浓度 水 气 营养液等实现计算机调 控 荷兰在1974 年首次研制出计算机控制系统CECS 1978 年日本 东京大学的学者研制出微型计算机温室综合环境控制系统 目前 日 本 荷兰 美国等发达国家可以做到根据温室作物的特点和要求 对 温室内的诸多环境因子进行环境控制 自20世纪70年代末开始 中国陆续从以色列 美国 日本 荷兰等国引进了许多先进的现代化温室 在吸收国外高科技温 室生产技术的基础上 中国农业科研工作人员进行了温室内部 温度 湿度 光照 CO 2 浓度等环境因子控制技术的综合研究 1987年中国农业科学院引进FEL IXC 512系统 并建立了全国农业 系统的第一个计算机应用研究机构 到了20世纪90年代初期 计 算机开始用于温室的管理和控制领域 清华大学的郑学坚首先介 绍了应用单片机控制人工气候箱的方法和思路 此后 中国农业 科学院徐师华报道Z 80C控制温室的软 硬件实施方案 以及利用 单片机控制气候箱自然光照的模拟试验 于海业等研制的温室环 境自动检测系统 可以自动调节温室内温度 湿度等参数 1996 年江苏理工大学研制了一套温室环境控制设备 通过对温室内部 温度 湿度 光照及CO 2 浓度的监控 在150 m 2 温室内实现了温 度 湿度 光照 CO 2 浓度的综合控制 目前 在国内外有应用研究的温室自动控制方式主要有以下几种 基于单片机的温室环境因子控制 此控制系统按照信号流向和控制模块可划分为 前向输入通道 控 制主板和后向输出控制部分 其中 前向输入通道包括温度及土壤含水 量传感器 A D 转换器及按键设置三个部分 控制主板由AT89C51单片 机 LCD显示模块 数据存储电路 打印输出端口及声光预警电路等组 成 后向输出控制模块包括固态继电器 打印机 电磁阀 手动控制电路 温室开窗电动机和滴灌系统等六个部分 按照作物生长规律设置好温 室环境温度和土壤含水率以后 系统可自动控制开窗机构以调节温室内 的环境温度 自动控制滴灌电磁阀使温室内的土壤含水率保持在一个最 适宜作物生长的范围内 系统软件设计采用中断技术来控制各个外设 定时扫描环境因子的变化 通过与设定值比较运算对外设进行控制 本 系统经过实际使用 证明采用单片机实现自动控制的方法 特别是在温 室这种相对稳定的环境条件下实现节水抗旱是可行的 分布式智能型温室计算机控制系统 实时多任务操作系统和农业温室专家系统 该系统体系结构为中心计算机和单片机智能控制仪的主从式结 构 系统采用实时多任务操作系统和农业温室专家系统的人工智能技 术 对温室内外环境因子进行实时监测和智能化决策调节 为农作物 创造最优化的生长条件 实时多任务系统使系统的通信 环境参数采 集 控制可以同时进行 由于现场情况的复杂性和多变性 依靠精确 数学模型的传统控制已经无法很好地解决问题 因此 本系统采用存 储大量现场经验和知识的专家系统来达到控制的目的 系统硬件主要 由环境因子实时监测模块 智能决策模块组成 软件部分采用COM 组态方式实现 包括数据库管理模块 人工控制模块等 具有操作简 便 可靠性高 易升级扩充等特点 已实现产品化 基于单总线技术的农业温室控制系统 如果控制系统的物理层采用如前所述的 上位机 下位机 的集 散控制结构 相互之间点对点通信 下位机的所有信息均要上传到上 位机 再由上位机将控制命令发送给执行机构 这对于控制变量很 多的温室系统 带来了布线不便和线路拥塞的可能 既不经济也欠可 靠 另外 系统的扩展性不好 在原系统的基础上 不易增加新的温室 控制系统 同时需要控制的温室数量比较多时 控制系统的复杂度和 难度就大大增加 布线数量增加 系统成本大幅增加 温室环境自动控制技术研究应用 现状及发展趋势 李善军 张衍林 艾 平 翟 红 华中农业大学工程技术学院 430070 摘 要 农业的工厂化生产及精细农业的发展趋势要求全自动化的温室控制装置 本文简要叙述了目前国内外研究应用的几种自动化温室 控制方式 基于单片机的温室环境因子控制 分布式智能型温室计算机控制系统 基于单总线技术的农业温室控制系统 多目标日光温 室计算机生产管理系统 以局域网为工作环境的温室控制系统 基于PLC的温室控制系统 并简要分析了温室自动控制的发展趋势 关键词 温室 温室环境 自动控制系统 发展趋势 引 言 随着生活水平的不断提高 人们对新鲜蔬菜 观赏植物等植物需求量越来越大 从而推动了温室技术的 发展 温室是一个相对较小的封闭环境 这个小环境的自身调节能力有限 经常会出现一个或多个环境因子 超过作物最适界限 影响了温室作物的栽培效益的现象 需要对温室作物生长的条件进行控制 温室环境中可调控的环境因子 包括温室内的空气温度 湿度 光照 CO 2 浓度 土壤的水分 酸碱度 养 分和温度等 其目的是改善和创造适合植物生长的环境条件 以获得速生 优质 高产和低耗的农产品 随着电子技术和轻工业技术的不断发展 利用廉价的单片机并综合现代传感器技术 智能控制等先进技术来 实现在全自动化温室中蔬菜 花卉等作物工厂化生产已经成为可能 并且在实际生产中得到广泛应用 国内外的研究应用现状 21GREENHOUSE HORTICULTURE 温室园艺 温室生产系统由作物 各种农业机械设 备 环境控制设备及生产管理者等组成了一个 十分复杂的非线性系统 因此企图研究其输入 与输出的定量关系是十分困难的 温室生产管 理已逐步向定量 客观化方向发展 目前世界各 国的科学家正大力研究作物种植模式 让计算 机决策 其基本模式可分为统计模式和动态模 式 统计模式是通过统计手段 建立作物生长 和产量形成之间的关系 动态模式是以能量平 衡和产量形成的全过程与环境因素相互关系 的数学模型 温室环境自动控制主要指计算机 在温室控制中的应用 而温室环境计算机自动 控制技术的发展主要趋向于智能化 网络化 综合化 多样化 随着传感技术 计算机技术 和自动控制技术的不断发展 温室计算机的应 用将由简单的以数据采集处理和监测 逐步转 向以知识处理和应用为主 因此除了不断完善 硬件控制设备外 主要是软件系统的研制开发 将不断深入完善 其中主要以专家系统为代表 的智能管理系统已取得了不少研究成果 神经 网络 遗传算法 模糊推理等人工智能技术在 设施农业中也得到了不同程度的应用 网络通讯技术是20世纪90年代最具活 力 发展速度最快的高科技领域 通过网络 随意获取世界范围内的有用信息 指导自己 的生产 甚至可以通过在线服务系统进行咨 询 是未来农业的发展趋势所在 也即是有人 提出的虚拟农业的概念 随着设施农业的规 模化和产业化程度的不断提高 网络通讯技 术会在温室控制和管理系统中得到广泛的应 用 温室内部的管理和控制实际上就具有局 域网的特性 随着网络通讯技术的发展 地 区之间甚至跨国之间可以通过互联网进行远 程控制和管理 中国土地辽阔 气候复杂 种 植模式多样 种植者整体素质较低 利用现代 化网络技术进行在线和离线服务 从长远看 具有广阔的应用前景 把无线传感器网络技 术应用于温室无线测控网络信息采集分系统 的设计 在温室大棚部署具有自组网传输能 力的无线传感器网络 结合温室智能控制系 统和农业信息专家系统 可实现温室信息采 集的自动部署 自动组织传输和温室环境的 精细化控制 实现了温室信息的远程访问 未来的温室环境自动控制技术将朝多因 素 多样化方向发展 集图形 声音 影视为 一体的多媒体服务系统是未来计算机应用于 温室控制的研究热点 参考文献略 华中农业大学科技创新基金项目资助 2006 作者简介 李善军 1977 男 主要 从事农业工程方面的科研与管理工作 通讯作者 张衍林 1957 男 主要从事 生物环境与能源工程 农业机械方面研究 在温室自动控制中引入现场总线 采用现场单总线式集散控制系 统结构FDCS Field Distributed Control System 结构 由操作站 控 制单元及CAN现场控制网络组成 操作站主要完成控制系统离线组 态 生成及在线系统监控 多个控制单元节点各自独立完成某温室控 制 通过CAN现场总线 在操作站和控制单元之间交换各种数据和管 理控制信息 在这种系统结构中 各个控制单元和计算机都是挂接在 总线上的平等主体 它们之间采用点对点方式 广播方式进行通信 将温室自动控制系统和功能下放到现场的控制单元中去完成 不需要 通过上位机 每个节点独立完成系统特定的功能 多目标日光温室计算机生产管理系统 该系统采用RS 485远距离通讯 多点数据采集 工控组态图形动 态监测技术 所有监控点传感器都连接到由模拟量输入模块组成的 RS 485网络上 通过一条双绞线与远程控制单元 RTU 通讯 收发控 制信号 所有传感器都通过屏蔽双绞线连接到ADC 8017模拟量输入 模块 A D转换模块 模拟信号转换为数字信号 经RS 232 485数据 转换模块将RS 485信号转换成计算机串口的RS 232信号 可实时观 测到各控制参数的变化 计算机发出的控制指令经DAC 8050输入 模块转换为模拟信号 通过输出控制电路控制补光灯 排风扇 滴灌 设备 CO 2 发生器等执行机构的开关 实现日光温室内温度 湿度 光 照 土壤水分及CO 2 浓度等环境因子的调控 日光温室环境自动控制系统软件用组态软件开发应用软件 可实现功能软件设计的模块化 系统具有打印历史数据记录及历 史曲线分析功能 用于生产技术资料分析 利用组态软件内部数 据库功能建立主要农作物生长发育技术参数数据库 计算机根据 数据库资料设定各生长发育阶段控制参数 实现智能控制 数据 库具有开放性 经授权的程序员可进行修改 该系统采用最新计算机控制技术与传感器技术 只使用一台 中心计算机集成 没有使用单片机 实现对影响日光温室果蔬生 产的各项环境因素进行有效的监测与控制 系统技术性能稳定 控制准确 操作管理方便 运行可靠 减轻了日光温室生产管理 劳动强度 提高日光温室生产管理水平 以局域网 Intranet 为工作环境的温室控制系统 该系统主要包括 网络服务器一台 专用管理工作站一台 一般工作站若干 包括温室专用工控机 采用最新的客户机 服 务器方式 利用网络技术实现资源共享 低层的传感器等信号传 输处理和驱动执行机构与基于单片机的温室环境因子控制装置所 使用的方案基本一致 高层控制环境软硬件和实时多任务操作系 统 农业温室专家系统基本一致 所不同的是它采用服务器将数 据库与应用程序分离 便于维护和管理 同时 该系统还可以与 国际联网 共享资源 进行国际交流 但该系统成本较高 一次 性投入较多 目前我国还没有条件大规模应用 只有少数实验室 和大型农场有条件试用 但它的功能强大 随着农业及电子工业 的不断发展 必将得到大规模的应用 基于PLC的温室控制系统 基于PLC 可编程逻辑控制器 的温室控制系统是由上位机 PLC 数据采集单元及执行机构组成 PLC主要用于动态 实时 监测室内外环境因子的变化 根据作物生长的要求对参数进行匹 配 同时完成与上位机的通信 PLC是一种通用的自动控制装置 它将传统的继电器控制技术 计算机技术和通讯技术融为一体 具有控制能力强 操作灵活方便 可靠性高 适宜长期连续工作 的特点 非常适合高效温室的控制要求 以计算机和PLC为核心的 控制系统 由气候监控系统 灌溉系统 营养液控制系统等几部 分组成 另外 PLC不但能完成复杂的逻辑功能 还能完成复杂的 运算功能 PLC有各种组态模块功能 通过先进的现场总线技术 可实现多台PLC 多个温室的网络化分布式控制 其缺点是投资 大 一般都在万元以上 农业用户难以接受 发展趋势
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