溫室產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展速度很快。如在荷蘭的阿姆斯特丹 RAI展覽館每年11月舉辦一次國際花卉展覽會,，2003 年就有來自世界各國的 477 個廠商展示了各自的產(chǎn)品和實力,。荷蘭、日本,、以色列,、美國、韓國、西班牙,、意大利,、法國、加拿大等國是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達的國家,，溫室以大型溫室為主,。這些高水平大型溫室的環(huán)境控制系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器采集室溫、葉濕,、地濕,、室內(nèi)濕度、土壤含水量,、溶液濃度,、二氧化碳濃度、風速,、風向,、以及植物作物生長狀態(tài)等有關(guān)參數(shù)，結(jié)合作物生長所需最佳條件,，有效調(diào)節(jié)有關(guān)設(shè)備裝置,，將室內(nèi)溫、濕,、光,、水、肥,、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài),。

歐美等國家在 30 年代就相繼建立了人工氣候室。溫室調(diào)控技術(shù)至今經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展過程,。初期是使用儀表對溫室設(shè)施中的光照,、溫度等參數(shù)進行測量，再使用手動或電動執(zhí)行機構(gòu)（如幕簾,、通風設(shè)備等）施行簡單控制,，隨著傳感元件、儀表及執(zhí)行器技術(shù)的進步,，逐步發(fā)展成為對溫度,、濕度、光照等幾乎所有室內(nèi)環(huán)境參數(shù)分別進行自動控制,。計算機技術(shù)的發(fā)展使環(huán)境參數(shù)的綜合控制成為可能,。70 年代中期，荷蘭,、日本,、美國,、意大利等國家已使用微型計算機控制植物生長環(huán)境。從 80 年代開始,，根據(jù)不同作物,、不同生長階段及外界環(huán)境變化對溫室環(huán)境進行綜合調(diào)節(jié)控制的技術(shù)得到了快速的發(fā)展。目前,，在溫室控制技術(shù)方面，荷蘭,、美國,、以色列、日本等國較為先進,。由于借鑒了工業(yè),、航空航天等領(lǐng)域的先進成果，技術(shù)水平不斷提高,，它能根據(jù)作物生長的最佳生長條件,，調(diào)節(jié)溫室氣候使之一年四季滿足植物生長需要，不受氣候和土壤條件的影響,，在有限的土地上周年地生產(chǎn)蔬菜和鮮花,。除了對溫室進行監(jiān)控外，計算機優(yōu)化環(huán)境參數(shù),、節(jié)能,、節(jié)水及設(shè)施裝備的可靠性等很多方面都取得了很好的技術(shù)成果，并推出了許多新產(chǎn)品,。美國開發(fā)的冬天保溫用的雙層充氣膜,、高壓霧化降溫加濕系統(tǒng)以及夏季降溫用的濕簾降溫系統(tǒng)處于世界領(lǐng)先水平；韓國的換氣,、灌水,、二氧化碳濃度控制等設(shè)施比較先進；荷蘭的頂面涂層隔熱,、加熱系統(tǒng),、人工補光等方面有較高的水平；以色列的灌溉系統(tǒng)比較先進,，室內(nèi)設(shè)施齊全,。日本、韓國開發(fā)了瓜類,、茄果類蔬菜嫁接機器人,。日本開發(fā)了育苗移栽、耕耘,、施肥移動機器人,，可完成多項功能的多功能機器,，能在溫室內(nèi)完6成各項作業(yè)的無人行走車，用于組織培養(yǎng)作用的機器人,，柑橘,、葡萄收獲機器人等 。資源相對貧瘠的荷蘭溫室生產(chǎn)最值得研究,。 國土面積不大的荷蘭已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的典范,。1999 年一年四季全天候生產(chǎn)的大型溫室有 1.1 萬 hm²，其中 90%為玻璃溫室,。國外現(xiàn)代溫室單位面積的產(chǎn)量高經(jīng)濟效益高,，荷蘭溫室番茄年產(chǎn)量達到 60kg/m²,，5000 hm²用于種植花卉,，花卉產(chǎn)業(yè)每天向世界鮮花市場上出口 1700 萬支鮮花和 170 萬盆盆花,，鮮花出口占全世界鮮花市場的 60%以上,，年收入高達 110 億美元,，占全國農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的 35%,，經(jīng)濟效益高,，成為歐洲的“菜籃子”,，“花籃子”,。 荷蘭大量投資與溫室相關(guān)的基礎(chǔ)研究,。建立“蔬菜工廠”、“花卉工廠”,、“苗木工廠”等用于研究和示范,，成為溫室業(yè)的堅實科研后盾。重視作物生理,、產(chǎn)量,、品質(zhì)與環(huán)境因子之間的定量關(guān)系等方面研究，因而設(shè)施內(nèi)綜合環(huán)境控制系統(tǒng)智能化水平高,，設(shè)施種植技術(shù)實現(xiàn)了規(guī)范化和標準化,。

1.1.2 國內(nèi)溫室產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及存在的問題

改革開放以來，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得了可喜的成績,，但同時,，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問題也越來越凸現(xiàn)出來，如果這些問題得不到解決,，將成為嚴重制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,。首先是我國人口眾多。其次是資源短缺,。第三是我國農(nóng)產(chǎn)品成本高,，科技含量低，無法形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模,。要解決這些問題,，根本在于實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以優(yōu)質(zhì),、高效、高產(chǎn)為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化,。農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合控制作為農(nóng)作物優(yōu)質(zhì),、高效、高產(chǎn)的手段,，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志,，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，以溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展主要方向之一,，成為21世紀最有活力的農(nóng)業(yè)新產(chǎn)業(yè),。

20 世紀 50 年代末，我國在華北地區(qū)曾建造過屋脊式大型玻璃溫室,，到 60 年代初，在東北地區(qū)建成 1hm2的大型玻璃溫室,。 由于國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)比國外落后,，必然走一條引進、消化,、吸收,、創(chuàng)新的路子。 1979-1987 年,，從保加利亞,、荷蘭、羅馬尼亞,、美國,、日本、意大利等六國,，引進現(xiàn)代溫室 24 座,，共 19.2hm2,分別建造在北京、黑龍江,、廣東,、江蘇、上海,、新疆等六省市區(qū),，其中 60%用于蔬菜生產(chǎn)，40%用于花卉生產(chǎn),。 這次較大規(guī)模的引進溫室,，各地都重視了溫室本身，但卻忽視了對我國氣候的實用性和配套的栽培技術(shù),，在運動中存在著冬季能耗高,、夏季降溫困難等問題,，經(jīng)濟效益普遍不佳。 90 年代中期開始,，我國現(xiàn)代溫室快速發(fā)展,。“九五”期間,，國家科技部將工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程列為國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程,，這是唯一的一項農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)示范工程項目。由此,，又一個大規(guī)模引進國外大型現(xiàn)代溫室,，至 1998 年，共引進溫室175.4hm2,引進的國家有荷蘭,、法國,、以色列、西班牙,、美國,、日本、韓國以及我國的臺灣地區(qū),，基本涵蓋了現(xiàn)代溫室發(fā)達的國家和地區(qū),；引進和建設(shè)的地點，北起黑龍江,，南至海南島,，東起上海，西至新疆,，包括了全國所有的省,、市、自治區(qū),；引進溫室的主要類型包括單屋脊和雙屋脊的大型連棟玻璃溫室,，拱圓形、鋸齒形,、雙層充氣和雙層結(jié)構(gòu)的塑料膜溫室,，以及聚碳酸酯板溫室等，代表了現(xiàn)代溫室的所有類型,；引進溫室的配套設(shè)備包括遮陽,、通風、降溫,、加溫,、保濕、自動控制和計算機管理,，以及栽培床,、活動苗床,、噴滴灌和自走噴灌、自走式采摘車,、自動化穴盤育苗,、水培設(shè)備等等，也基本包括了所有先進的配套設(shè)備,。這次打規(guī)模的引進溫室,，特別是北京、上海幾個示范園區(qū),，在引進溫室至溫室園藝成套設(shè)施硬件的同時,，還引進了配套品種、栽培技術(shù),、專家系統(tǒng)等軟件成套技術(shù),，以及國外相關(guān)專家現(xiàn)場指導。

目前,，我國是設(shè)施園藝栽培面積最大的國家,。80年代中后期，隨著高效節(jié)能日光溫室生產(chǎn)技術(shù)在東北地區(qū)試驗成功,，就迅速在我國北方發(fā)展起來，各級政府把其作為帶領(lǐng)農(nóng)民致富奔小康,、培育農(nóng)村新的經(jīng)濟增長點的重點措施,，各級農(nóng)業(yè)科研機構(gòu)也投入了大量的人力、物力進行節(jié)能日光溫室建造及生產(chǎn)技術(shù)的專項研究,，并取得了重大進展,。日光溫室發(fā)展到今天，已由生產(chǎn)各種反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)設(shè)施,，發(fā)展為日光溫室園藝設(shè)施,，進而發(fā)展為設(shè)施農(nóng)業(yè)，已成為種植業(yè),、養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè),。據(jù)統(tǒng)計，全國節(jié)能日光溫室面積到2002年底已到達760萬畝,。

隨著我國現(xiàn)代溫室產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,，在溫室產(chǎn)業(yè)的運營中暴露出了一些問題:1）現(xiàn)代溫室管理和種植的人才缺乏，溫室種植技術(shù)落后,，造成了現(xiàn)代溫室的功能和優(yōu)勢不能充分發(fā)揮,。2）能源消耗大，以現(xiàn)代溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)效益低下,，導致溫室產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了滑坡的現(xiàn)象,。3）不同地域的氣候環(huán)境制約了進口大型溫室適用性,，溫室不能周年運行。4）計算機控制水平低,。目前國內(nèi)溫室計算機控制系統(tǒng)與國際選進技術(shù)存在很大差距,，商用控制系統(tǒng)不能滿足高效節(jié)能有效控制溫室機構(gòu)運行的要求。

1.2 國內(nèi)外溫室控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代溫室中常見的能自動控制的調(diào)控機構(gòu)有:頂部通風窗,、側(cè)面通風窗,、外遮陽簾幕、內(nèi)遮陽簾幕,、軸流通風機,、降溫濕簾、人工補光燈,、二氧化碳施肥器,、加熱設(shè)備、噴霧系統(tǒng)及熏蒸設(shè)備,?？刂破骶C合調(diào)節(jié)各個機構(gòu)，使系統(tǒng)在運行中節(jié)約能源的同時保證室內(nèi)氣候滿足植物生長需求,。使用的控制器可以有很多選擇,，如單片機、工控機,、PLC,、通用PC機等?？刂破髦g可以通過局域網(wǎng)或現(xiàn)場總線進行信息交換,。國內(nèi)外研究學者對控制系統(tǒng)和控制算法做了大量的研究。

1.2.1國外溫室控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

西方發(fā)達國家在現(xiàn)代溫室測控技術(shù)上起步比較早,。1949年,，借助于工程技術(shù)的發(fā)展，美國建成了第一個植物人工氣候室,，開展了植物對自然環(huán)境的適應(yīng)性和抗御能力的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究,。20世紀60年代，生產(chǎn)型的高級溫室開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),，奧地利首先建成了番茄生產(chǎn)工廠,，70年代后荷蘭、日本,、美國,、英國、以色列等國家的溫室園藝迅猛發(fā)展，溫室設(shè)施廣泛應(yīng)用于園藝作物生產(chǎn),、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),。隨著計算機技術(shù)的進步和智能控制理論的發(fā)展，近百年來,，溫室大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分,，其自動控制和管理技術(shù)不斷得以提高，在世界各地都得到了長足的發(fā)展,。特別是二十世紀70年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計算機的出現(xiàn),，更使溫室大棚環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。80年代,，隨著微型計算機日新月異的進步和價格大幅度下降,，以及對溫室控制要求的提高，以微機為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng),，在歐美得到了長足的發(fā)展,，并邁入了網(wǎng)絡(luò)化，智能化階段,。

目前,，國外現(xiàn)代化溫室的內(nèi)部設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標準,。溫室內(nèi)的各環(huán)境因子大多由計算機集中控制,，檢測傳感器也較為齊全，如溫室內(nèi)外的溫度,、濕度,、光照度、二氧化碳濃度,、營養(yǎng)液濃度等,，由傳感器的檢測基本上可以實現(xiàn)對各個執(zhí)行機構(gòu)的自動控制,，如無級調(diào)節(jié)的天窗通風系統(tǒng),，濕簾與風扇配套的降溫系統(tǒng)，由熱水鍋爐或熱風機組成的加溫系統(tǒng),，可定時噴灌或滴灌的灌溉系統(tǒng),，二氧化碳施肥系統(tǒng)，以及適用于溫室作業(yè)的農(nóng)業(yè)機械等,。計算機對這些系統(tǒng)的控制己經(jīng)不是簡單的,、獨立的、靜態(tài)的直接數(shù)字控制,，而是基于環(huán)境模型上的監(jiān)督控制,，以及基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展,。

1.2.2國內(nèi)溫室控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

我國溫室產(chǎn)業(yè)起步比較晚,。自70年代末起，我國先后從日本,、美國,、荷蘭和保加利亞等國引進了40套左右的現(xiàn)代化溫室成套設(shè)備。雖然這些溫室技術(shù)領(lǐng)先,、設(shè)備先進,，但在我國的使用過程中還存在較嚴重問題，主要有以下幾點:引進價格高,，運行經(jīng)濟效益差;技術(shù)要求過高,，要求經(jīng)營者既要懂農(nóng)業(yè)技術(shù)，熟悉英文,，還要掌握電腦操作和機械運營和維護;運營模式?jīng)]有與中國的實際結(jié)合起來,，不適合于我國的氣候特征。所以,，研究開發(fā)符合我國國情,、產(chǎn)生明顯經(jīng)濟效益并適用于大范圍推廣應(yīng)用的自動控制溫室系統(tǒng)己經(jīng)迫在眉睫?；谝陨系姆N種原因,，我國的農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達國家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了溫室中溫度,、濕度,、光照等單因子控制技術(shù)的研究，并逐步推出既適宜我國經(jīng)濟發(fā)展水平又能滿足不同生態(tài)氣候條件要求的溫室控制系統(tǒng),。從控制器類型來劃分,，主要有以下幾種溫室自動控制系統(tǒng):

1.基于工業(yè)控制計算機的溫室自動控制系統(tǒng)。如由江蘇理工大學李萍萍,、毛罕平等人自行研制的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng),，它采用工業(yè)控制計算機作為溫室控制系統(tǒng)的核心，它是江蘇省“九五”農(nóng)業(yè)科技項目,，他們在1996年7月初步建成了一套具有降溫,、補光、控濕和增施二氧化碳等功能的智能溫室,，1997年又相繼完成了應(yīng)用夜加溫和太陽能加溫的系統(tǒng),。1996年8月起進行了溫室環(huán)境控制的技術(shù)效果測試分析和生菜、空心菜,、三葉芹的無土栽培試驗,，測試表明,，溫度、濕度,、光照,、營養(yǎng)液和二氧化碳等各個環(huán)境因子控制技術(shù)效果良好，基本達到預(yù)期目的,，并明確了各環(huán)境參數(shù)的合理控制范圍,。該環(huán)境自動控制系統(tǒng)為多變量輸入輸出控制系統(tǒng)，通過傳感器監(jiān)測溫室中各環(huán)境參數(shù),，得到模擬輸入量,，經(jīng)相應(yīng)的變送器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在自編軟件支持下經(jīng)接口板采集數(shù)據(jù),，計算機進行處理分析,，將輸入量與設(shè)定值比較后，輸出開關(guān)量,，通過驅(qū)動電路控制各執(zhí)行機構(gòu),。王東升等研究了日光溫室的計算機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包含工控計算機,、傳感器變送器、模擬量輸入模塊(DAC-8017),、數(shù)字量輸出模塊(DAC-8050),，RS-232/485轉(zhuǎn)換模塊、輸出控制電路等,?？刂茩C構(gòu)有補光燈、排風扇,、滴灌設(shè)備,、二氧化碳發(fā)生器等。采集量有室內(nèi)溫度,、濕度,、光照、土壤水份及C02濃度,。光照不足啟動補光燈,、溫度低啟動加熱器,、土壤水分不夠則開啟滴灌系統(tǒng),，采用簡單開關(guān)控制方式。

2.基于單片機的溫室自動控制系統(tǒng),。例如:汪永斌,，呂昂等研制的溫室群全數(shù)字式溫度和濕度綜合控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)下位機以89C51為核心，能自動控制溫室內(nèi)100天的溫濕度,，用戶可以小時為單位設(shè)定溫濕度值,。每個下位機與上位機之間用RS-585通信。上位機為PC機,，程序用VB開發(fā),，用戶根據(jù)作物生長要求，在PC機上輸入溫濕度經(jīng)驗數(shù)據(jù)(100天內(nèi)每小時的溫度和濕度),。溫濕度傳感器用LTM8901直接輸出數(shù)字信號,。控制器對比室內(nèi)溫度,、濕度的測量值與設(shè)定值,，根據(jù)溫度、濕度偏高,、偏低或者合適得出9種組合,，每個組合對應(yīng)一組熱風爐、天窗,、噴霧,、通風機的組合狀態(tài)。董喬雪,，王一鳴設(shè)計的溫室計算機分布式自動控制系統(tǒng),，其上位機軟件是在虛擬儀器平臺  Lab windows/CVI下開發(fā)完成的，下位機使用單片機,。胡建東,，肖建軍等采用模糊控制原理設(shè)計了連棟溫室溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的控制器由單片計算機80C31及外擴展一定數(shù)量的存貯器和接口芯片組成:作者將溫度控制系統(tǒng)簡化成一個二維的模糊控制系統(tǒng),，分別從模糊系統(tǒng)包括的輸入輸出變執(zhí)行機理和反模糊化方面進行了設(shè)計,，模糊控制技術(shù)的應(yīng)用使連棟溫室控制盡可能達到一個最佳的狀態(tài)。楊明等設(shè)計的基于溫濕度模糊控制的智能溫室控制系統(tǒng),，該系統(tǒng)上位機為PC機,，下位機為AT89C52，采用模糊控制器進行溫濕度的智能控制,。

3.基于PLC的溫室自動控制系統(tǒng),。例如用歐姆龍系列的CZOOHS作為下位機，COMPAQ計算機為上位機構(gòu)成溫室控制系統(tǒng),。采集的室外信號有溫度,、濕度、光照,、風速,、風向,、下雨，室內(nèi)信號有溫度,、濕度,、C02濃度。輸出信號控制的機構(gòu)有:開窗電機,、遮陽電機,、通風電機、加熱閥門,、壓水泵和噴淋泵,。

1.3 溫室環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

1.智能化：隨著計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展,，溫室計算機環(huán)境控制系統(tǒng)的應(yīng)用將由簡單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測為主,，逐步轉(zhuǎn)向以知識處理和應(yīng)用為主。因此軟件系統(tǒng)的研制開發(fā)將不斷深入完善,，其中以專家系統(tǒng)為主的智能管理系統(tǒng)已取得了不少研究成果,，而且應(yīng)用前景非常廣闊。因此近幾年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),、遺傳算法,、模糊推理等人工智能技術(shù)在溫室栽培中得到了不同程度的發(fā)展和應(yīng)用。

2.網(wǎng)絡(luò)化：目前,，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)己成為當前世界最有活力,、發(fā)展最快的高科技領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展促進了信息傳播,。因此,，設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度的提高成為可能。我國幅員遼闊,，氣候復(fù)雜,，勞動者整體素質(zhì)低，利用網(wǎng)絡(luò)進行在線和離線服務(wù),，可以對不同區(qū)域進行監(jiān)測,、比較，不僅給管理帶來很大的方便,，而且可以提高勞動生產(chǎn)率,。

3.分布式：分布式系統(tǒng)通常可分為上,、下兩層,。上層主要用作系統(tǒng)管理，其它各種功能如測量與控制任務(wù)等,，主要由下層完成,。下層由許多各自獨立的功能單元組成，每個單元只完成一部分工作,。面向?qū)ο蟮姆植际较到y(tǒng),，每一個功能單元針對一個對象、每一根進線,、每一根出線,、每個傳感器、接觸器等都可作為對象,。

4.綜合環(huán)境調(diào)控：所謂綜合環(huán)境調(diào)節(jié),，就是以實現(xiàn)作物的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)為目標，把影響作物生長的多種環(huán)境參數(shù),，如光照,、溫度、濕度,、CO2濃度等,，都保持在適宜作物生長的狀態(tài)，并盡可能使用最少量的環(huán)境調(diào)節(jié)裝置,，既省時又節(jié)能,，還能使勞動者愉快地從事生產(chǎn)勞動。

5.變動的壞境控制系統(tǒng)：當前,，主要使用精確的計算機壞境控制程序根據(jù)設(shè)定值對溫室中的環(huán)境進行調(diào)控,，但研究發(fā)現(xiàn)，這并不能使溫室內(nèi)的作物達到最佳產(chǎn)量,。如作物的生長和發(fā)育并不取決于某一時刻某個特定溫度,，而主要取決于在一個時間段中的平均溫度水平。這導致控制系統(tǒng)向“自由設(shè)置”系統(tǒng)的方向發(fā)展,，如綜合溫度控制系統(tǒng)的研制,，在該系統(tǒng)中并不設(shè)置一個固定的溫度值，溫室中的溫度在最高和最低溫度范圍內(nèi)可進行變動,，以求在一個較長的時間段內(nèi)達到理想的平均溫度,。這樣計算機可以根據(jù)室外的氣候，在使用最低能耗,、最佳利用溫室中的現(xiàn)有的設(shè)備的情況下自由進行調(diào)節(jié),。可變動的環(huán)境控制系統(tǒng)目前主要側(cè)重于溫度,、光照,、相對濕度、CO2濃度等方面的研究,，在溫室作物產(chǎn)量上已表現(xiàn)出比較滿意的效果,。

6.藍牙技術(shù)(B1uetooth)：藍牙技術(shù)是近年發(fā)展起來的新型低成本,、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。運用這種技術(shù)把溫室環(huán)境自動檢測與控制系統(tǒng)中的各個電子檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)無線地連接起來,，以達到便捷地對溫室環(huán)境參數(shù)進行自動檢測,，靈活地對溫室環(huán)境參數(shù)進行自動控制的目的。便攜式環(huán)境參數(shù)采集器內(nèi)部裝有溫度,、濕度,、光照等各種傳感器，并嵌入了藍牙芯片,，因此,，這種參數(shù)采集器具有無線通信功能，可以便捷地放置在溫室內(nèi)的不同位置,?？刂破魍瑯忧度肓怂{牙芯片，它一方面與便攜式環(huán)境參數(shù)采集器無線連接,，另一方面通過RS-485通信總線與溫室內(nèi)的計算機控制裝置相連接,。

第二章 研究方案的設(shè)計

2.1 溫室大棚內(nèi)重要參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制

2.1.1 溫度的調(diào)節(jié)與控制

與其他環(huán)境因子比較，溫度是設(shè)施栽培中相對容易調(diào)節(jié)控制的環(huán)境因子,。溫室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)和控制包括保溫,、加溫和降溫3種。溫度調(diào)控要求達到能維持適宜于作物生育的設(shè)定溫度,。溫度的空間分布均勻,，時間變化平緩。（1）保溫,，為了提高大棚的保溫能力,，常采用各種保溫覆蓋。具體方法就是增加保溫覆蓋的層數(shù),，采用隔熱性能好的保溫覆蓋材料,，以提高設(shè)施的氣密性。（2）加溫,，我國傳統(tǒng)的單屋面溫室,，大多采用爐灶煤火加溫，近年來也有采用鍋爐水暖加溫或地熱水暖加溫的,。大型連棟溫室和花卉溫室,，則多采用集中供暖方式的水暖加溫，也有部分采用熱水或蒸汽轉(zhuǎn)換成熱風的采暖方式,。（3）降溫,，保護設(shè)施內(nèi)降溫最簡單的途徑是通風，但在溫度過高，依靠自然通風不能滿足作物生育要求時,，必須進行人工降溫,。降溫包括遮光降溫法、屋面流水降溫法,、蒸發(fā)冷卻法及強制通風法,。遮光降溫法是一種在室外與溫室屋頂部相距40cm處張掛遮光幕，對溫室降溫很有效,。另一種在室內(nèi)掛遮光幕,，降溫效果比掛在室外差,；屋面流水降溫法采用時須考慮安裝成本,，清除玻璃表面的水垢污染問題；蒸發(fā)冷卻法使空氣先經(jīng)過水的蒸發(fā)冷卻降溫后再送入室內(nèi),，達到降溫目的,。蒸發(fā)冷卻法有濕簾——風機降溫法、細霧降溫法,、屋頂噴霧法,。

2.1.2 濕度的調(diào)節(jié)與控制

土壤濕度要與空氣相對濕度協(xié)調(diào)一致才能達到溫室濕度的有效控制，濕度調(diào)控范圍一般在60%RH-80%RH,，精度為士5%,。濕度的調(diào)控影響溫度，要求濕度與溫度的調(diào)控需按按一定的程序進行,。常用的濕度調(diào)節(jié)方式是加濕和去濕,。（1）加濕，一般常用的方法是水噴霧法和蒸汽加濕,。水噴霧法采用雙位或多位控制來實現(xiàn),；蒸汽加濕則采用電極加濕器或澆蒸加濕器實現(xiàn)。（2）去濕,，在溫室中去濕常用以下三種方式：加熱控制法,、吸附法-化學除濕器、排濕換氣,。在濕度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,，溫室內(nèi)的加濕和去濕則由溫室內(nèi)的調(diào)節(jié)部件完成，這些部件有天窗,、側(cè)窗,、濕簾、風機等,。

2.1.3 溫度,、濕度之間的耦合

溫度與濕度之間有一定的耦合關(guān)系，對一個因子的控制常會帶來另一個因子的變化。在冬季溫室環(huán)境控制中,，默認為溫度控制優(yōu)先的原則,，在溫度條件滿足后，再來滿足濕度條件,。如溫度過低,、濕度過大的情況下，以加溫為主導,，只有當溫度上升到一定值后,，才能通風降濕，另一方面,，溫度提高本身可以使相對濕度降低,。在夏季降溫加濕的過程中，采用以濕度優(yōu)先的原則,。當濕度過小時,，開啟蒸發(fā)降溫加濕裝置。而當溫度過高需要啟動蒸發(fā)降溫執(zhí)行機構(gòu)時,，必須先檢測室內(nèi)的相對濕度,，只有濕度低于某一設(shè)定范圍時，才能啟動蒸發(fā)裝置,。

2.1.4 光照的調(diào)節(jié)與控制

在溫室內(nèi)光照強度調(diào)節(jié)中通常選用改變溫室大棚的硬件環(huán)境方法,，人工調(diào)節(jié)大棚外部設(shè)施的方法來改變溫室內(nèi)的光照強度。調(diào)節(jié)方法一般有以下四種：（1）改善設(shè)施的透光率,；（2）應(yīng)用反光幕,；（3）人工補光；（4）遮光,。

2.1.5 二氧化碳含量的調(diào)節(jié)與控制

大氣中二氧化碳平均濃度一般為0.03%,，變幅較小。在冬春設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中,，為了保溫,，設(shè)施經(jīng)常處于密閉狀態(tài)，缺少內(nèi)外氣體交換,，二氧化碳濃度變幅較大,，中午設(shè)施內(nèi)由于光合作用，二氧化碳濃度下降,，接近甚至低于補償點,，二氧化碳處于虧缺狀態(tài)應(yīng)當及時的補充二氧化碳。補充二氧化碳的方法很多,，常用的主要有三種：（1）燃燒法,；（2）化學反應(yīng)法（目前在我國的設(shè)施栽培中運用較多）；（3）施用顆粒有機生物氣肥法。

2.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

根據(jù)作物生長所需要的環(huán)境模型制定環(huán)境設(shè)施輸出方案是溫室環(huán)境控制的關(guān)鍵技術(shù),。為避免控制方案過于復(fù)雜,，本設(shè)計選擇最重要的環(huán)境因子如溫室內(nèi)空氣溫度、濕度,、光照,、CO₂濃度作為基本的監(jiān)測和控制項目,針對日光溫室自身特點，制訂如圖2-1所示的控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案,。

據(jù)采集; 采用PLC為核心控制器,，PC機與組態(tài)軟件作為監(jiān)控模塊,，兩者通過串口進行通信來控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件,，實現(xiàn)了過程的智能化、人性化,。其突出特點是：單片機價格低廉,，PLC編程靈活，PC機存儲空間大,，因此,，具有相當高的性價比。而且,，PLC有各種組態(tài)模塊功能,，通過先進的現(xiàn)場總線技術(shù)，可實現(xiàn)多臺PLC,、多個溫室的網(wǎng)絡(luò)化分布式控制,，特別適合上、下位機結(jié)合的大型連棟溫室集群控制,。其上位機的功能有：介入互聯(lián)網(wǎng),、PLC采集數(shù)據(jù)上傳的管理、設(shè)定點的下載,、控制算法的優(yōu)化與生成等,。其缺點是投資較大,一般農(nóng)業(yè)用戶難以接受。

第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 單片機系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 傳感器系統(tǒng)設(shè)計

傳感器系統(tǒng)的主要功能是將傳感器采樣得到的模擬信號轉(zhuǎn)換成溫室現(xiàn)場控制器所需要的信號,。溫室環(huán)境參數(shù)的檢測中,，傳感器位于作物需要檢測的位置，一般通過雙絞線將檢測的信號傳輸?shù)綔厥铱刂破鲀?nèi)?？紤]到傳輸距離的問題,，本文設(shè)計中將系統(tǒng)的輸出電流都控制在0-10mA，從而減小傳輸過程中的干擾,，保證采樣值的準確性與可靠性,。

1.溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計

對傳感器型號的選用應(yīng)該首先考慮使用方便，變換電路簡單等特點?，F(xiàn)存的傳感器類型很多,，根據(jù)對傳感器的應(yīng)用分析，AD590是應(yīng)用較普遍的一類傳感器,。溫度傳感器AD590是電流輸出型溫度傳感器,，以電流輸出量作為溫度指示，其電流溫度靈敏度為1μA/K,。它的輸出電流精確地正比于絕對溫度,，可以作為精確測溫元件。AD590只需要一個電源(+4V～+30V),，即可實現(xiàn)溫度到電流源的轉(zhuǎn)換,，使用方便。AD590的校準精度可達±0.5℃,，當其在常溫區(qū)范圍內(nèi)校正后,，測量精度可達±0.1℃。作為一種正比于溫度的高阻電流源,，它克服了電壓輸出型溫度傳感器在長距離溫度遙測和遙控應(yīng)用中電壓信號損失和噪聲干擾問題,，不易受接觸電阻、引線電阻,、電壓噪聲的干擾,，因此，除適用于多點溫度測量外,，特別適用于遠距離溫度測量和控制,。因此，選用溫度AD590傳感器與可達到設(shè)計要求,。

要想克服簡單電路的缺陷,，就要使得增益調(diào)整和補償調(diào)整相互獨立。本文設(shè)計了具有獨立調(diào)節(jié)功能的測溫電路,，具體如圖3-1所示,。AD590的輸出電流I=（273+T）uA（T為攝氏溫度），因此測得電壓U₀₁=（273+T）uA×10KΩ=（273+T）×10-2V,。但由于AD590的增益有偏差,，電阻也有誤差,，因此應(yīng)對電路進行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中,，調(diào)整電位器R1,，使U₀₁=2.732V；或者在室溫（25 C）的條件下通過調(diào)節(jié)電位器R2,，使電壓U₀₂=-2.73V,，調(diào)整電位器R3，使U₀=1.25V,。這種調(diào)整的方法,，可以保證在0℃或25℃附近有較高精度。

圖3-1 溫度測量電路                            圖3-2濕度測量電路

2. 濕度傳感器系統(tǒng)設(shè)計

國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品,，電容式濕敏元件較為多見,。電容式濕度傳感器的動態(tài)范圍大，動態(tài)響應(yīng)快,，幾乎沒有零漂,，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強,?；谝陨显颍驹O(shè)計選用電容式濕度傳感器HS1101

電容式濕度傳感器HS1101,，它是基于獨特工藝設(shè)計的電容元件,，固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu),，精度高達±2％RH,；極好的線性輸出；1～99％RH濕度量程,；-40～100℃的溫度工作范圍,，響應(yīng)時間5秒；濕度輸出受溫度影響極小,，防腐蝕性氣體,；常溫使用無需溫度補償，無需校準,；電容與濕度變化0.34pf/％RH,；典型值180pf@55%RH；長期穩(wěn)定性及可靠性,；年漂移量0.5％RH/年,。電容式濕敏元件，具有最突出的優(yōu)點是長期穩(wěn)定性極強,，通過嚴格的工藝制作,，制成的儀表和傳感器產(chǎn)品可以達到較高的精度,。

將HS1101接入555定時器組成的振蕩器電路中，輸出一定頻率的方波信號,。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單,，使用方便，因此被廣泛使用,。具體的測量電路如圖3-2所示：

本文選用的是NE556芯片,，它內(nèi)部含有兩個NE555定時器。其中R 1,、R 2,、C 1、C2和NE556構(gòu)成多諧振蕩器,，外接電阻R 1,、R 2與濕敏電容C1構(gòu)成了對電容C1的充電回路，7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對C1的放電回路,，并將引腳2,、6端相連引入到片內(nèi)比較器。該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源U_CC通過R 1,、R 2向C2充電,，經(jīng)t₁充電時間后，U_C2充至芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平,，約2/3U_CC,，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電,，經(jīng)t₂放電時間后,，U_C2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約1/3U_CC,，此時輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平,。如此翻來覆去，形成方波輸出,。

3.光照傳感器系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)溫室內(nèi)作物對光照強度的要求,，光照傳感器應(yīng)該反應(yīng)靈敏、精度高,。本電路設(shè)計選用光照傳感器器件光敏三極管3DU33作為感光元器件,。光照傳感器是利用光電子產(chǎn)生的電流來測量光照度的，通過放大電路的放大后輸出合適的電壓或電流信號,。

    4. 二氧化碳傳感器系統(tǒng)設(shè)計

在二氧化碳濃度測量上采用響應(yīng)速度快,、測量精度高,、技術(shù)成熟的紅外二氧化碳氣體傳感器6004,，并配合了一系列有效的補償措施,。為了增加系統(tǒng)的通用性,、靈活性，本系統(tǒng)硬,、軟件都采用了模塊化結(jié)構(gòu),，根據(jù)應(yīng)用場合不同而選用不同的配置。該系統(tǒng)可廣泛地應(yīng)用于諸如溫室大棚,、蔬菜儲藏以及其它農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域,，并且由于系統(tǒng)的靈活性和模塊化，可以方便地滿足其它場合的需要,。

3.1.2 單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集是整個控制與管理系統(tǒng)的重要組成部分,，要達到對環(huán)境和設(shè)備進行控制，必須要對環(huán)境和設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)測,，經(jīng)過分析決策,，然后實施控制行為。本模塊采用AT89C51單片機作為控制核心,，通過各傳感器對溫室內(nèi)溫度,、濕度、光照,、CO₂濃度等參數(shù)實時檢測,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機。數(shù)據(jù)采集處理電路如圖3-3所示,。

數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換由8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809來完成,。ADC0809內(nèi)部具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)，外接8路模擬輸入端,，可同時對8路0~5V的輸入模擬電壓信號分時進行采集轉(zhuǎn)換,。ADC0809與AT89C51單片機的接口見圖2，ADC0809的8位數(shù)據(jù)輸出引腳直接與數(shù)據(jù)總線相連,，地址譯碼引腳A,、B、C分別與74LS373的Q0,、Q1、Q2相連,，以選通INO~IN7中的一個通道, INO~IN7的通道地址為EFF8H-EFFFH,。AT89C51的P2.0作為片選信號，在啟動A/D轉(zhuǎn)換時,，由單片機的寫信號WR和P2.0控制ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動,。由于ALE與START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換,，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時,，用單片機的讀信號RD和P2.0接或非門產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號,，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。

圖3-3 數(shù)據(jù)采集處理電路                          圖3-4 顯示/報警電路

3.1.3 顯示/報警電路

為直觀顯示當前狀態(tài)或最終結(jié)果,，本系統(tǒng)選用TC1602型LCD液晶顯示器,，液晶屏顯示模塊與數(shù)碼管相比，它顯得更為專業(yè),、漂亮,。TC1602型LCD是一種用5×7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，顯示的容量為2行16個字,。同時,，為了在某些緊急狀態(tài)或反常狀態(tài)下，能使操作人員不致忽視,，以便及時處理,，本系統(tǒng)采用簡單易行的聲光報警電路。顯示/報警電路如圖3-4所示,。

3.2 主控模塊設(shè)計

主控系統(tǒng)由可編程控制器與輸入輸出設(shè)備及驅(qū)動/執(zhí)行機構(gòu)組成,。主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-5 所示。

3.2.1 PLC選型

FX2N是FX系列中功能最強、速度最快的微型可編程序控制器,它的基本指令執(zhí)行時間高達0.08μs每條指令,，遠遠超過了很多大型可編程序控制器,。

3.2.2 執(zhí)行設(shè)施及電氣控制設(shè)計

    1. 執(zhí)行機構(gòu)

溫室的執(zhí)行機構(gòu)可分為兩大類:一類是正反轉(zhuǎn)運行電機，如開窗,、拉幕等,，這些電機需要正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止,，必須有限位開關(guān),；另一類是開關(guān)控制設(shè)備，如風機,、水泵等^［2］,。本設(shè)計中包括的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)有:外遮陽幕系統(tǒng)、保溫被系統(tǒng),、鈉燈補光系統(tǒng),、前后窗自然通風系統(tǒng),、濕簾水泵系統(tǒng)、環(huán)流風機系統(tǒng),、熱水采暖系統(tǒng),、噴灌系統(tǒng)。噴灌系統(tǒng)是一個相對獨立的系統(tǒng),，是溫室自動控制系統(tǒng)的一個重要組成部分,，從安全角度考慮設(shè)計為灌溉提醒從而實現(xiàn)自動噴灌。

系統(tǒng)設(shè)計為“手動”,、“自動”兩種工作方式,，“自動”工作方式又分為“離線”、“在線”兩種方式,，即PLC可以脫離上位計算機單獨控制,，又可與上位計算機聯(lián)合控制。而且不同的設(shè)備還可以單獨設(shè)定采用不同的控制策略,，比如灌溉控制,，采用按時間控制；微氣候控制,，可以根據(jù)設(shè)定的溫度,、濕度目標值，控制目標值的變化,，該控制方式可以采用前饋式和后饋式控制策略,。

為了保證執(zhí)行機構(gòu)的安全，各執(zhí)行部件的限位開關(guān)的常閉接點都連接在電機電路中,，用常開接點作為下位機的輸入信號,，達到雙保險的目的。

2. 電氣控制設(shè)計

（1）溫室控制子系統(tǒng)組成

圖3-6  溫室控制子系統(tǒng)組成

（2)電氣主回路的實現(xiàn)

接觸器位于主回路中,，以實現(xiàn)三相電機的啟動,、停止與換向以及單相電機的啟動、停止,。

圖3-7 電氣主回路

（3）PLC輸出繼電端子板接線

PLC I/O分配見表3-1,。SQ表示行程開關(guān)，SB表示帶鎖按鈕,，SW表示三位置旋鈕,，分別用于把各自的開關(guān)信號輸入PLC到中。

表3-1 PLC I/0分配表

3.2.3 串行通訊接口電路設(shè)計

FX系列PLC基本單元模塊提供了一個RS-422異步串行通訊口,，用SC-09編程電纜將“422編程口”（8針mini口）與計算機的“232串行通訊口”（9針D形口）相連，實現(xiàn)上下位機的通訊,。該通訊口具有雙重功能,，較常用的基本功能是采用編程軟件GX Developer7.0對PLC的程序進行下載,、內(nèi)部狀態(tài)和數(shù)據(jù)的監(jiān)控；另一功能是與上位機進行數(shù)據(jù)通訊,。上位機程序用北京昆侖自動化軟件科技有限公司的組態(tài)軟件MCGS編寫,，用戶還可根據(jù)自己的需求用VB編制特定的功能構(gòu)件來擴充系統(tǒng)的功能。

第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件主要包括：單片機部分的軟件,、PLC部分的軟件,、串口通訊軟件和上位機系統(tǒng)軟件。單片機部分用匯編語言編程,，主要完成數(shù)據(jù)采集處理和溫濕度的顯示/報警,，數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換由ADC0809來完成，其接口控制程序采用中斷方式,；本系統(tǒng)選用TC1602型LCD液晶顯示器,，顯示掃描由程控實現(xiàn)；將實測參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的上下限值進行比較,，如有越限量,，則發(fā)出聲光報警。PLC部分用梯形圖編輯主控程序，設(shè)計為“手動”,、“自動”兩種工作方式,，根據(jù)從單片機送來的實測參數(shù)與預(yù)先設(shè)定值進行自動控制，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu),。上位機程序用組態(tài)軟件 MCGS編寫,，包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分，所建立的工程由主控窗口,、設(shè)備窗口,、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構(gòu)成,，每一部分分別進行組態(tài)操作,，監(jiān)視溫室環(huán)境狀態(tài)及機構(gòu)運行狀態(tài)，保存和統(tǒng)計數(shù)據(jù),，傳遞人的控制命令去控制溫室機構(gòu)運行,。

4.1 單片機部分的軟件

單片機軟件程序設(shè)計主要包括:主程序設(shè)計，采樣子程序設(shè)計,，顯示/報警子程序,，ADC0809接口程序等。

4.1.1 主程序設(shè)計

ADTURNO  EQU  21H     ;INO通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放首址

ADTURN1  EQU  2CH     ;IN1通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放首址

LINEADRO  EQU  37H    ;1N0采集數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理數(shù)據(jù)存

放地址

LINEADR1 EQU 38H    ;INl采集數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理數(shù)

據(jù)存放地址

      LINEADR EQU 39H    ;平均值存放地址

      HUMID EQU 3BH      ;標度變換后的濕度值存放地址

      BCDADR EQU 3CH     ;BCD轉(zhuǎn)換后的濕度值存放地址

      HUMADR EQU 3DH     ;上位機傳來的濕度值存放地址

      TIMEADR EQU 3EH     ;上位機傳來的時間值存放地址

      T100US EQU 256-50   ;延時參

      Cl00US EQU 3FH

      SHOWADR EQU 40H    ;顯示區(qū)數(shù)據(jù)存放首址

      ORG OOOOH

      SJMP START

      ORG OOOBH      ;定時器0中斷服務(wù)程序入口

      Limp TOINT

      ORG 0023H       ;串行I/O中斷服務(wù)程序入口

       Limp SERVE

       ORG 0050H

START: MOV SP, #50H       ;設(shè)置堆棧

     MOV HUMADR, #OFFH

     SETB OD3H    ;選中寄存器3

     SETS OD4H

     MOV R0, #HUMADR

     CLR OD3H          ;選中寄存器0

     CLR OD4H

Mov  TMOD, #22H;主程序初始化

Mov   TH1, #OF3H

Mov   TLl, #OF3H

Mov  SCON, #50H

Mov  PCON, #80H

mov   DPTR, #7FF8H

mov  A, #4DH

MOVX  @DPTR, A

SETB  TR1

SETB  EA

SETB  ES

RUN: LCALL AD;調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序

LCALL MAOPAO;調(diào)用濾波子程序

LCALL TURN;調(diào)用濕度轉(zhuǎn)換子程序

Mov A, HUMID;將濕度值送往上位機

Mov SBUF, A

LCALL  TWOSEC;延時等待兩妙鐘

LCALL BCDTURN;調(diào)用BCD轉(zhuǎn)換子程序

LCALL  SHOW;調(diào)用顯示子程序

Mov  A, HUMID

CJNE A, HUMADR, COMP; 檢測到的濕度值大于上位機送來

                            的濕度值時,，則循環(huán)采樣,，否則報

                            警灌溉

DONE: CLR  P1.1

LCALL  ALARM;調(diào)用報警延時子程序進行灌溉動作

LCALL  TIME

ORL  P1, #02H

LCALL  TENMIN;灌水結(jié)束等待10分鐘

Limp  RUN;回到主程序

COMP:JC  DONE

LJMP  RUN

        END

4.1.2 采樣子程序設(shè)計

根據(jù)電路圖5，因EOC未接入單片機,，故只能采用延時等待的方法來讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,，ADC0809的INO和INl兩個地址分別是OBFF8H, OBFF9H, INO通道采集到的11個數(shù)據(jù)放入以ADTURNO(片內(nèi)21H)為首址的一片數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，IN1通道采集到的11個數(shù)據(jù)放入以ADTURN1(片內(nèi)2CH)為首址的另一片數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi),。

   程序清單:

AD:      MOV  R0, #ADTURNO

         MOV  R6, #OBH

ADLOOP:  MOV  DPTR, #OBFF8H; 啟動INO通道A/D轉(zhuǎn)換

GOON:    MOVX  @DPTR, A

         MOV  R7, #OAOH; 延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

DLAY:    NOP 

         NOP

         NOP

         NOP

         NOP

         DJNZ R7, DLAY

         MOVX A, @DPTR

         MOV @R0,  A;將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入以

ADTURNO為首址的一片

RAM內(nèi)

INC RO

DJNZ R6, ADLOOP

SJMP  AD

RET

4.2 PLC部分的軟件

PLC部分用梯形圖編輯主控程序,，設(shè)計為“手動”、“自動”兩種工作方式,，根據(jù)從單片機送來的實測參數(shù)與預(yù)先設(shè)定值進行自動控制,，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。

4.2.1 梯形圖語言實現(xiàn)的簡單控制

當PLC處于“離線”工作方式時,，主要通過EPROM內(nèi)存儲的程序進行輸出控制,，控制策略比較簡單。下位機軟件在GX Developer7.0環(huán)境下開發(fā),，而PLC本身又有多種程序設(shè)計語言,，如梯形圖語言、指令語句表語言,、功能表語言等,。其中梯形圖語言沿襲傳統(tǒng)的電氣符號控制圖,，但簡化了符號，編程容易且直觀,。根據(jù)設(shè)計要求,，本系統(tǒng)涉及的電氣設(shè)備中:保溫被在早晨打開,，夜間收攏;室內(nèi)環(huán)流風機定時打開和關(guān)閉(使用濕簾時禁用);濕簾風機與濕簾水泵為同時控制;前后開窗互鎖,。

控制策略。根據(jù)傳感器采集的存儲在PLC指定數(shù)據(jù)寄存器中的溫度,、濕度,、光照強度、CO2濃度值以及根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)置的各參數(shù)的上下限,，決定各執(zhí)行機構(gòu)的輸出狀態(tài),。由于各環(huán)境參數(shù)之間的禍合關(guān)系，某一環(huán)控設(shè)備的啟閉會對多個環(huán)境因子產(chǎn)生影響,，如打開濕簾水泵不僅使溫室內(nèi)的濕度增大,，還使溫室內(nèi)的溫度降低;當溫室內(nèi)的CO2濃度較低需通風換氣時，也使溫室內(nèi)的溫度降低;需要增溫增濕時,，采用打開供熱水泵的方法,，一方面溫度增加了，但同時濕度也降低了,，給溫度方面的控制帶來了負面影響,。針對這些情況，我們采取了以下相應(yīng)的措施:( l)根據(jù)時間的不同(晝夜),、環(huán)境因子的重要性不同,，設(shè)置不同的優(yōu)先級，首先考慮優(yōu)先級高的環(huán)境因子的要求,，比如我們在此采用3級優(yōu)先級,，即溫度、濕度>光照強度>CO2濃度,。(2)溫度,、濕度采用聯(lián)合控制策略，策略如表4-1,。(3)考慮意外情況的影響,，如濕度低于濕度下限時，采用報警輸出的方式,，由人工操作噴灌機給作物噴灌,。(空氣濕度高低反應(yīng)土壤水分的多少)。溫濕度,、光照強度,、CO2濃度的控制策略如下:

光照強度>光強上限時，打開遮陽幕;

光照強度<光照下限時，打開補光鈉燈,；

CO2濃度>濃度上限或者CO2濃度<濃度下限時,，開窗通風換氣。

表4-1 溫濕度聯(lián)合控制策略

4.2.2 模糊控制算法實現(xiàn)的高級控制

PLC與監(jiān)控計算機聯(lián)合工作為“在線”工作方式,，“在線”工作方式充分發(fā)揮了計算機容量大,、計算速度快的優(yōu)點。溫室環(huán)境是一個非線性,、分布參數(shù),、時變、大時延,、多變量藕合的復(fù)雜對象,，被控對象的數(shù)學模型很難建立，為此,，采用模糊控制來解決,。

1. 模糊控制器結(jié)構(gòu)

2. 算法的實現(xiàn)

在上位機中對模糊控制表進行優(yōu)化,，然后將其下傳至下位機,，下位機將傳感器檢測到的溫度與設(shè)定值比較，計算出當前誤差和誤差變化率,，查模糊控制表得相應(yīng)的控制量,，根據(jù)該控制量的大小來確定控制設(shè)備加熱閥、風機,、噴淋閥,、天/側(cè)窗的工作狀態(tài)。算法實現(xiàn)主要分以下幾個步驟：

第一步：計算誤差,。從上位機系統(tǒng)的專家數(shù)據(jù)表中取出溫濕度的專家數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定值，讀入由下位機系統(tǒng)結(jié)合傳感器系統(tǒng)得到的實測數(shù)據(jù),，并計算溫濕度誤差,。

第二步：模糊化。通過傳感器及信號處理后得到的誤差是精確值,，那么,，必須將其模糊化變成模糊控制器所能接受的模糊量，同時把語言變量的語言值化為某適當論域上模糊子集,。依據(jù)溫室環(huán)境的實際情況和操作經(jīng)驗,，選取誤差（e₁、e₂）,、控制量（y₁,、y₂、y₃,、y₄）的基本論域為：[-5,，5]。進行線性化尺度變換和離散化后,，得到其模糊論域分別為：X,、Y∈{-6，-5,，-4,，-3，-2,，-1,，0，+1,，+2,，+3,，+4，+5,，+6},。并選取相應(yīng)的模糊子集如下：A={PL，PM,，PS,，PO，NO,，NS,，NM，NL},； C={PL,，PM，PS,，O,，NS，NM,，NL},。式中：PL，PM,，PS,，PO，NO,，NS,，NM，NL分別為正大,，正中,，正小，正零,，負零,，負小，負中,，負大,。

第三步：建立模糊控制規(guī)則。根據(jù)溫室環(huán)境控制過程的經(jīng)驗可以得出對應(yīng)控制量的一系列語言規(guī)則,，分別建立兩輸入單輸出（E1, E2, Y1）,、（E1, E2, Y2）、（E1, E2, Y3）,、（E1, E2, Y4）的模糊規(guī)則,，這樣總共得到25條模糊規(guī)則,，如控制規(guī)則1: If E1=NB and E2=NB Then Y1=PB and Y2=PB and Y3=NB and Y4=NB?？刂埔?guī)則1的意義如下: 當系統(tǒng)給定溫濕度值與實測溫濕度值的誤差都為負大(NB)時,，輸出控制量Y1應(yīng)為正大(PB)、Y2為正大(PB),、Y3為負大(NB),、Y4為負大(NB)，以減小負偏差,，使實際溫濕度趨近于給定值,。

第四步：應(yīng)用模糊推理合成規(guī)則，計算出相應(yīng)的模糊控制量,，建立模糊控制查詢表,，將此表存于計算機中，編制一個查找查詢表的子程序,。系統(tǒng)將根據(jù)實際輸入量的模糊值E1和E2通過查詢表得到實際控制量Y1,、Y2、Y3,、Y4，解模糊后,，加到系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)輸入端去控制其工作,。

4.3 上位機系統(tǒng)軟件

上位機程序北京昆侖自動化軟件科技有限公司的組態(tài)軟件MCGS開發(fā)溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控平臺，采用面向?qū)ο罂梢暬Z言Visual Basic 6.0軟件編寫模糊控制算法,。動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)是windows實現(xiàn)其應(yīng)用程序之間通訊的一種手段,。MCGS支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換，能夠和其他支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序方便地交換數(shù)據(jù),。通過DDE,，工程人員可以利用PC機豐富的軟件資源來擴充MCGS的功能，比如利用VSIUALBASIC開發(fā)服務(wù)程序,。

圖4-2 下位機與VB應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)

溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控平臺作為與用戶直接對話的窗口,，既要實現(xiàn)對溫室的實時控制，同時還要向用戶提供一系列生產(chǎn)管理幫助,，因此其主要功能有:

①畫面監(jiān)控,。通過溫室內(nèi)三維動態(tài)畫面及二維平面畫面的演示，用戶可在控制室內(nèi)掌握溫室的實際生產(chǎn)情況,。

②系統(tǒng)設(shè)置,。用戶可方便對溫室生產(chǎn)狀況及控制器的參數(shù)設(shè)置進行更改。

③報表查詢,。提供實時報表查詢,，歷史報表查詢和日報,、周報的統(tǒng)計報表。

④報警,。提供實時報警和歷史報警,。

⑤趨勢曲線。提供實時曲線和歷史曲線,。

⑥系統(tǒng)菜單,。提供系統(tǒng)運行，用戶管理方面的設(shè)置,。

⑦數(shù)據(jù)查詢,。查詢實時及理論環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

⑧幫助,。提供系統(tǒng)使用說明文件,。

系統(tǒng)工作過程如下:上位機每經(jīng)過一定時間就向下位機發(fā)出控制信號，啟動下位機及其被控機構(gòu),，同時準備接收下位機發(fā)送來的信號和數(shù)據(jù),。被啟動的下位機，一方面啟動各種傳感器來測量溫室環(huán)境,，將采集到的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路換成相應(yīng)的數(shù)字量后,，送入下位機進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、判斷分析并進行保存,，另一方面把上次采集到的數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送,，同時根據(jù)上位機發(fā)出的控制信號去控制執(zhí)行機構(gòu)以達到溫室作物所需的環(huán)境。當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,，PC機便把接受到的數(shù)據(jù)進行存儲,、處理，并與最優(yōu)環(huán)境參數(shù)設(shè)定值進行比較得出偏差,，按模糊控制理論進行運算,，經(jīng)補償后把結(jié)果送入下位機得出控制信號，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作,。如此不斷循環(huán),，以保證溫室作物所需的生長環(huán)境。

第五章 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

本系統(tǒng)是在對我國溫室控制的現(xiàn)狀以及溫室控制系統(tǒng)存在的問題兩個方面進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,，研究并開發(fā)了適合我國溫室控制的智能溫室控制系統(tǒng),。歸納起來，得到以下結(jié)論：

（1）提出了基于上,、下位機溫室控制結(jié)構(gòu)模式,。各模塊之間功能既相互獨立又協(xié)調(diào)一致，同時還提供了多種方式的控制方案,，如大型溫室的控制,，可采用上下位機結(jié)合的方式,，小型溫室僅采用下位機單獨工作方式；

（2）根據(jù)溫室傳感器系統(tǒng)需求,，基于模擬電子技術(shù)和傳感器系統(tǒng)設(shè)計理論,，設(shè)計的溫度傳感器系統(tǒng)、濕度傳感器系統(tǒng)以及光照傳感器系統(tǒng),，使系統(tǒng)具有高精度,、低成本的特點。

（3）采用單片機+PLC+PC機組成的溫室綜合控制系統(tǒng),，用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能,，可降低成本、節(jié)約空間,，PLC編程靈活,，PC機存儲空間大，因此,，具有相當高的性價比,；

（4）提出模糊智能控制方案，采用兩輸入-四輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器,，符合溫室環(huán)境是一個非線性,、分布參數(shù)、時變,、大時延,、多變量藕合的復(fù)雜對象的實際；

（5）采用先進的MCGS組態(tài)軟件,，可自動檢測并記憶全年任意時間的環(huán)境溫度地溫及濕度值，還可根據(jù)需要,，預(yù)先設(shè)定自動記錄各種數(shù)據(jù)的時間周期,；采用可視化編程，提高了編程效益,。

5.2 進一步研究方向

（1）考慮到溫室遠程控制,，系統(tǒng)應(yīng)擴展無線功能模塊和GSM短消息功能模塊，解決溫室布線困難的問題,；

（2）從系統(tǒng)控制決策生成出發(fā),，根據(jù)溫室控制類型的不同，進行系統(tǒng)專家智能庫的開發(fā),；

（3）系統(tǒng)檢測設(shè)備需要完善,，傳感器系統(tǒng)的測量精度需要校準；

（4）模糊控制算法的優(yōu)化,，對溫室多個環(huán)境因子進行綜合考慮,，實現(xiàn)多維模糊控制器的設(shè)計,，提出能更好解決多維控制器控制規(guī)則的兼容性和冗余性問題的方法。