（控制理论与控制工程专业论文）基于远程监控技术的温室专家管理系统的研究.pdf

基于远程监控技术的温室专家管理系统的研究 摘要 设施农业是2 l 世纪最有活力的新产业之一，温室则是设施农业的典型代表。随着电子 技术、信息技术的蓬勃发展和广泛应用，农业温室技术也在向窦动化、信息优方向发展。 应用计算机技术，吸收智能控制和信息技术领域新的理论和方法，不断创新，逐步完善， 才能使温室系统实现真正意义上的现代化、产业化。因此，开展对适合温室环境的智能管 理专家系统的研究，对提高温室经济效益和加快我运温室生产的现代化水平具有重要意 义。本文从农业生产的实际情况出发，对控制网络与信息网络的融合技术进行了研究，将 无线远程监控系统同农业专家管理系统结合起来，提出了基于远程监控技术的温室环境管 理专家系统。 远程控制技术是借助现有的信息网络延 睾英控制范墨的监控技术。该技术针对温室地 域上的分散分布、不易铺设专用线路等特点，选择g p r s 移动通信技术实现温室现场监控网 络同g p r s 技术和i n t e r n e t 的融合；选择r s - 4 8 5 作为现场总线，通过i n t e r n e t 远程传输数据 构成远程监控系统。 论文对温室环境专家系统的知识获取进行了研究。通过中国农业科学院可控环境实验 室开发的无线远程监控系统，采集了温室环境的相关数据。在专家系统的知识表述上，采 用产生式方法表述了相应的控制规则；在推理机制上，采用正向推理策略，设计了模糊专 家控制器。同时介绍了模糊控制理论的基本概念和发展应用，以及应用模糊控制理论进行 温室环境的知识获取。 为了实现温室综合环境主要因子的优化调控，设计了温室综合环境管理专家系统。采 用面向对象技术，基于a s p n e t 技术的b s 模型的开发方式，运用v i s u a lb a s i c 程序开发语 言进行编程，根据实际要求构建了相应的系统平台。以模糊控制技术为理论，采用模块优 结构设计方略，实现了系统状态设置、控制参数设定、实时采集监控、模糊控制、历史数 据的查询以及协调帮助功能。 值得说明的是，影响德物生长发育的环境因子之间的关系是复杂多样的，由于时间和 精力所限，本文仅做了部分研究，专家控制管理系统还需要在实际运行中进一步考核帮完 善。 最后，论文对所取得的成果和结论进行了总结，并对未来工作进行了展望。 关键词：远程监控技术，数据采集，专家系统，温室环境控制，模糊推理 萋手远程 蕊豁技术懿溢室专家警缝系统豹醭究 a b s t r a c t f a c i l i t i e sa g r i c u l t u r ei so n eo ft h e2 1 s tc e n t u r y sm o s t 琏y 羲巍避i en e wi n d u s t r i e s , a n d g r e e n h o u s ei si t st y p i c a lr e p r e s e n t a t i v e a se l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gr a p i d l y ，a sw e l la sb e i n ga p p l i e dw i d e l y ，g r e e n h o u s et e c h n o l o g yh a sa i m e dt o a u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o n i z a t i o n 。o n l yi fm a k i n gf u l lu s eo ft h en e wt h e o r i e sa n dm e t h o d s f r o m c o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t c o n t r o lt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ； g r e e n h o u s ec a l lb er e a lm o d e r n i z a t i o na n di n d u s t r i a l i z a t i o n s o , t h er e s e a r c ho nt h eg r e e n h o u s e e x p e r ts y s t e mo fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o li si m p o r t a n tt ot h ei n c r e a s eo fg r e e n h o u s e e c o n o m i cb e n e f i ta n dt h em o d e r n i z a t i o no fg r e e n h o u s ei n d u s t r y i nt h i sp a p e r ，t h ei n t e g r a t i o no f c o n t r o ln e t w o r kt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g yw e r es t u d i e db a s e do nt h e a c t u a ls i t u a t i o no fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，a l le x p e r t s y s t e mo fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t m a n a g e m e n tb a s e do nw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gw e r ep r o p o s e db yc o m b i n i n gt h ew i r e l e s s r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h ec o n v e n t i o n a le x p e r ts y s t e mo fa g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n t r e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yi sam o n i t o r i n gt e c h n o l o g yw h i c he x t e n d si t sc o n t r o la r e au s i n g ， o fe x i s t e di n f o r m a t i o nn e t w o r k s 。i tr e a l i z e dt h ei n t e g r a t i o no fg r e e n h o u s e - r i t em o n i t o r i n g n e t w o r kw i t hg p r st e c h n o l o g ya n di n t e r a c tb ys e l e c t i n gg p r sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，c o n s i d e r i n gt h eg e o g r a p h i c a l l ys c a t t e r e da n d d i f f i c u l tf e a t u r e so fg r e e n h o u s e ，s u c h a st h el a y i n go fad e d i c a t e dl i n e i tc h o s e nr s 一4 8 5a si t sf i e l d - b u s , a n de s t a b l i s h e dar e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mw i t hl o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o no f d a t ao v e rt h ei n t e r n e t p a p e ro nt h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n te x p e r ts y s t e mf o rk n o w l e d g ea c q u i s i t i o nw a ss t u d i e d 。 c o l l e c t i n gt h er e l e v a n td a t ao fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tw i t ht h ew i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e md e v e l o p e db yc h i n aa c a d e m yo fa g r i c u l t u r a ls c i e n c e se n v i r o n m e n t a ll a b s i nt h e e x p r e s s i n go fe x p e r ts y s t e mk n o w l e d g e ，p r o d u c t i o nm e t h o d sw e r eu s e d ，a n de x p r e s s e dt h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o lr u l e si nt h er e a s o n i n gm e c h a n i s m ，t h ep o s i t i v er e a s o n i n gs t r a t e g yw a s u s e dt od e s i g naf u z z ye x p e r tc o n t r o l l e r a tt h es a m et i m e , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i c k n o w l e d g eo ff u z z yc o n t r o lt h e o r y ，a n dt h eb a s i cc o n c e p t s 艇t h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n s ，a s w e l la sa p p l i e di tt ot h ek n o w l e d g ea c q u i s i t i o no fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t 。 i no r d e rt oa c h i e v et h eo b j e c t i v eo fm a i nf a c t o r si ng r e e n h o u s ei n t e g r a t e de n v i r o n m e n t a l c o n t r o lo p t i m i z a t i o n ，w h i c ht od e s i g nt h eg r e e n h o u s ei n t e g r a t e de n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t e x p e r ts y s t e m u s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y ，b a s e do na s p 。n e tt e c h n o l o g yb sm o d e l d e v e l o p m e n tm o d e , u s i n gv i s u a l b a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g et op r o g r a md e v e l o p m e n t , c o n s t r u c t e di na c c o r d a n c e 硒饿t h ea c t u a lr e q u i r e m e n t so ft h ec o r r e s p o n d i n gs y s t e m p l a t f o r m t o t h et h e o r yo ff u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y ，m o d u l a rd e s i g ns t r u c t u r eo ft h es t r a t e g yt oa c h i e v et h e 薹薹 s t a t eo ft h es y s t e ms e t u p ，c o n t m ip a r a m e t e rs e t t i n g s ，r e a l - t i m e a c q u i s i t i o nm o n i t o r i n g , f u z z y 弱l 潮，a sw e l l 鑫sh i s t o r i c a ld a t af o r c o o r d i n a t i n gh e l p 如娠& 嚣忒i o 醛- w o n h yo fn o t i n gt h a lt kf e l 衲n s h i p b e 柳e e n t h ce n v i f o 姗e n t a l f a c t 螂a f f e c t sp a n t 叩冀 a n dd e v e l 二p m e n ti sc o m p l e x a n dd i v e r s 。b e c a u s eo f 也“i m e a n de n c r g yc o n s t r a j n t s w eo l l l yd ! ap a 氘o fi t ：f e s e a u r c h ，馘p e 粥c o n t f o lm a n a 萨m e n ts y s t e m a l s on e e de v a l u 撕锄a n d1 m p t o v 翩n t i nt h ef u r t h e ra c t u a lo p e r a t i o n 一 一 a tl a s t t l l ec o n c l u s i o n sa l l da c h i e v e m e n t s o ft h i sp a p e ra r e $ u m m e du p ，a n dt h ef u t u r ew 。撒 i sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ： r e m o t em o n i t o 血gt e c h n 。l o g y ，d a t aa c q u i s i t i o n ，e x p e r ts y s t e m c o n t r o l ，f u z z yr e a s o n i n g ， g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t 掰 曲阜师范大学博士硕士学位论文原刨性说明 ( 在口划“4 ) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士耐论文基于远程监控技 术的温室环境专家管理系统的研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范大 学攻读博士口，硕士耐学位期闯独立进行研究工 ；乍所取得的成果。论文中除 ：，： 注明部分外不包含他入已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果 将完全由本人承担。 作者繇占泐 瞒蚋孑，彳渺 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 基于远程监控技术的温室环境专家管理系统的研究系本人在曲阜师 范大学攻读博士口硕士回学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士日 学位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得 以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许 论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段 保存论文，可以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名：品如毋日期：鲥彦6 p 导师签名：汤嵌匆 日期：z 秽多，6 矿 基于远程监控技术的温室专家管理系统的研究 第1 章绪论 本章阐述了论文的研究背景和意义，贪绍了国内外温室环境监控管理技术的研究现状 和发展概况，以及专家系统技术在这一领域的应用现状。并在此基础上提出了本学位论文 主要的研究内容和所做的主要工作。 1 1 引言 全球经济一体化进程正日益加快，技术含量低、附加值低的农业产品市场竞争力越来 越薄弱。面对越来越激烈的市场竞争，只有改变农业粗放型的增长方式，走农业工业化、 技术化、现代化的发展道路才麓立于不败之地。农业生产在很大程度主依赖于自然环境， 为了摆脱水、光、气等诸多自然因素的影响和制约，发展温室生产是一个有效的途径。随 着科学技术的发展，温室生产已不再是简单的挡风遮雨和提高温度。利用新技术、新材料 和新能源可以对温室内各种环境因子进行监测和控制，甚至完全摆脱自然环境的束缚，人 为地创造适宜作物生长的最佳环境，生产出高品质、高产量的产品。随着温室面积的扩大 以及自动化装备的应用，如何进行温室的集群管理，以降低运行成本、提高效率、实现环 境的精确控制；如何对分散、偏僻的温室群进行远距离集中管理是目前有待研究和解决的 一个重要问题。 目前农业生产的自动化和信息化水平还远远落后于工业生产，农业生产走工业化、信 息化的道路必然要借鉴工业生产中己经广泛应用的各种技术成果。但是如果将工业生产的 技术直接照搬到农业生产中又要受到诸如能源、通信、交通、环境、资金投入等的限制。 因此结合农业生产自身的特点，对工业生产中的技术进行“农业化”改造，实现适合农业生 产的自动化和信息化，是当前农业信息技术研究的重点。在今后一个时期，随着我国经济 的高速发展，农业生产必将不断的采用各种新技术，农业自动诧技术和信息技术将迎来难 得的发展机遇，向着“可控环境农业”的最高目标不断迈进。 l 。2 课题提出的背景和意义 目前圜内温室专家系统的研究，针对农业病虫害诊断性方面的较多，丽对于温室环境 控制，乃至整个温室监控管理方恧的研究不多。一方面是因为温室环境的知识获驭非常复 杂，难以对其进行有效的知识表述和推理，包括用合适的计算机程序去实现：另一方面是 温室环境系统是一个多变量的大惯性非线性系统，并且有藕合、延迟等现象，很难对温室 环境建立准确的数学模型，难以评估最后控制的效果。近年来，随着模糊控制理论、智能 控制理论等新的理论方法的不断出现并逐渐应用于温室控制领域，以及新的专家系统开发 工具女h j e s s ，j a v a f u z z yt o o l k i t 等的成熟，这一问题得到了很好的解决。同时，计算机网络 基予远程监控技术的温室专家管理系统的研究 的迅速发展，也为专家系统提供了新的发展平台，为温室系统的远程监控和管理的实现提 供了可能。随着温室环境专家系统的不断完善和发震，这已经成为当前温室监控技术研究 的一个重要方向。 j 1 9 世纪中期以来，随着世界各国农业发展越来越需要各种工程技术与设施的支撑， 工程学开始越来越多地向农业渗透。其中，最具有革命意义的是1 9 4 9 年“人工气候室”的出 现。它是由美国植物生理与园艺学家w e n t ，在加州的p a s a d e n a 技术中心建立的世界上第_ 座能控制光、温i 湿和气体成份的人工气候室p j 。农业与工程学的结合，产生了设施农业j 它作为农业可持续发展的一个重要途径，已经成为农业现代化的一个重要标志。；， 2 0 世纪后半期，随着相关科技的快速发展，作为设施农业重要组成部分的温室的研究 与生产也得以迅速发展，而且所涉及的技术领域日益呈现多元化的趋势，如温室结构材料 研究、温室作物生长特性研究、温室环境控制研究等。这整研究成果的推广应用，又进一 步促进了设施温室在生产效益、可靠性、市场接受程度等方面的不断提高。 目前，国外的设施农业技术发展迅速，大规模的现代型温室随着农业环境工程技术的 突破而得到迸一步的发展。园艺强国荷兰位于欧洲西部，全国现有玻璃温室l 万t u n ，全部 由计算机操纵，其中蔬菜、花卉的生产各占一半。荷兰的园艺生产引人注飚，花卉销予世 界各国，每年出口收入达1 0 1 4 亿美元，蔬菜每年出口近1 0 亿美元。日本研制的蔬菜塑料大 棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。日本利用计 算机控制温室环境医素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输 入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动做出相应地修正或调整。美国 和荷兰还利用温差管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花期和成熟期进行控制，以满 足生产和市场的需要。集约型设施农业在这些发达国家已经形成了一个强大的支柱产业 l z j - l a j 。设施农业作为一种集约化程度很高的现代农业生产技术，正赣着自动化、智能亿与 网络化的方向发展，最终必将发展成为无人化的全自动植物工厂。 为了提高我国设施农业水平，加快农业现代化建设，f 1 7 0 年代末以来，我国先后从荷 兰、| 以色列、法国、美国等温室生产发达国家引进了各种类型的现代化温室，在我国大部 分省、直辖市先后建立了现代农业科技示范园区u p p j 。这些工作对子消化、吸收国外先进 的温室生产经验，提高国产温室的控制技术，发展我国温室产业起到了积极的作用。但由 于国外的温室控制系统不一定适合我围的气候状况，且这些系统结构复杂，价格和运行成 本都很高，造成资源浪费，在国痰的运行效益普遍偏低p q 。为此，国家科委组织实施了“九 五”国家科技攻关重大产业化工程项尽“工厂化高效农业示范工程”。在“十五”规划中， 农业部、科技部也将“工厂化”农业列为重点发展和研究对象，提出了“工厂化”农业产业化 的架构。这些措施是促进我国温室实现产业化、现代化的重大课题，是我国农业发展的重 大战略步骤，是发展“二高一优”农业的重大举措。 “可控环境农业”是指在人工设旌保护条件下，通过工程技术手段为生物提供适宜的生 基十远程监摊技术的温室专家管理系统的研究 长环境，以达到高效优质生产的目的，它的最高目标是能使农业生产像工业生产一样不受 自然环境因素的制约，进行自动化的高效生产。可控环麓农业的高级阶段被称为“工厂化农 业”，其典型的代表是植物工厂( p l a n tf a c t r o y ) ，植物工厂生产采用全封闭的方式，实行全面 严格有效的环境控制技术和先进的植物工程技术，从播种到采收的全过程，全部实现自动 化控制、流水线作业，可实现全年连续的生产，完全摆脱自然条件的限制。自动化环境控 制和智能化管理是可控环境农业高级阶段的重要特征，信息或数字化技术是其中的支撑与 核心技术。可控环境农业是知识与技术密集的领域，是农业中最容易实现和展示信息或数 字化的场所，也是国内外开展研究和竞争的制高点。温室监控技术的发展对于温室产业乃 至我属的农业现代化进程其有深远的影响h q 。 ： 本课题来源于中囡农业科学院可控农业环境实验室，是“可控环境农业”研究的一部分。 课题研究的目的之一就是利用远程监控技术实现大量温室的集群化管理和实时在线监控 和管理。设施环境监测和控制，即在远离温室现场的场合，通过远程监控系统监视温室设 麓的温度、湿度和光照等环境因子并对其进行管理控制。在发生异常情况时，可以自动报 警，远程处理遇到的紧急情况。远程监控可以充分利用异地智力和物质资源，降低生产成 本，提高劳动生产率，提高农产品的科技含量，大大增加产品的市场竞争实力。从农业控 制领域来讲，由于各种温室在地域上分散分布，要总揽现场控制信息和作物生长状况，或 要实现对分散在各地的温室进行状态监测、远程控制及实时的在线帮助，有着长远焉重大 的意义。 温室环境管理控制专家系统除了生产上的应用外，还能为科学研究提供便利条件，对 信息的获取和结果的验证均可在远程的异地进行。例如，研究人员通过系统可以得到作物 在不同地域、不同环境条件下的生长数据，获得格式统一的实验数据，对予农业中作物模 型的研究和应用等意义重大。本课题就是在这种背景下提高的。 王3 温室环境远程监控技术的研究现状和发展趋势 1 3 1 温室环境远程监控技术的研究现状 ( 1 ) 国外相关领域研究成果综述1 1 3 j 【1 4 1 曰本四国电力集团开发的“o p e np l a n e t ( 简称0 p _ ) ”系统是一远程监控系统。该系统主 要由检测控制l 蝌、信息采集单元、数据记录单元、分散控制器、o p n 务器等组成，该系 统可以实现温室的群管理。 此外日本的f i e l ds e r v e r ( t e 场服务器) 系统，是基手嵌入式系统的多传感器数据采集设 备，它可以连接多种传感器，同时内部集成微型摄像机，可以同时采集温度、湿度等环境 信息及图像视频信息，通过t c p i p 协议将数据发送至i j 中心服务器。f i e l ds e r v e r 可以使用电 池供电，具有体积小、功能强、耗电少等特点，便于架设在野外工作。 基于远程监控技术的温室专家管璎系统的研究 英国无线系统公司开发的一系列的无线通讯设备，如适于分布广泛的花园温室或储藏 室的无线豹霜冻j 和入侵警报系统、便携的无线电视系统、远程无线瀣永系统、加热和通风 控制系统等等。 希腊l o u kf a r m 公司开发的温室控制单元系统由计算机( 控制气候状况) 、气象站和营养 液控制系统组成。该系统与装有控制软件( 超级连接) 的计算机相连，可以进行数据采集和 处理，还可以进行远程控制。并由枫逛设备来保证精确有效地控制温室单元的环境参数。 ：美国g r e e n a i r ：公司生产的g h c l 0 0 模型6 温室控制器具有全方位的控制能力，可实现从 简单的低成本通风控制到全方位的温室控制，为植物提供最优的生长环境。该温室控制器 靠其前面板的数字设置键供用户进行设置和监控进程，并允许用户进行远程益测，数据记 录或控制。 ( 2 ) 国内相关技术发展现状l j 叫川 近年来我国温室面积不断增加，在提高设施装备水平的同时也正基于i n t e r n e t 和g p r s 技术的温室远程监控系统商逐步实现逸动他的方向迈进。我国嚣前一些大学、科研院所也 开展了温室施远程控制技术研究，并取得了一系列研究成果。国家农业信息化工程技术研 究中心开发的智能型远程温室环境控制器，可监测温室内空气温湿度、土壤和叶面温度、 含水量、光照强度、c 0 2 浓度并进行统计分析，通过专家系统和计算机网络，实现对温室 灌溉、施腮、农药喷施、逶风换气等过程的智能决策和远程分布式调控。这套设备集数据 测量、存储、远程控制和自动报警为一体，它使农业专家在办公室里就能通过网络看到植 物生长状况，并进行远程监控。中国农业大学研制的温室环境监控系统p 引，由主控微机、 温室机和室井气象站三大部分组成。主控微机控制机房，可对整个系统进行统一管理。主 控微机用于完成各种系统参数的设置，测试数据的记录、查询、打印、控制算法的实现以 及控制命令的生成等功能。每一个独立的温室放置一台温室机、内置温湿度、c 0 2 等多种 传感器、控制设备以及摄像镜头，可以实时将温室内作物生长状况传输到办公现场，同时 可以遥过电话线、数字信号传输线及i n t e r n e t 等将监测的室内外环境条件和植物生长状况传 输到农业专家的计算机屏幕上，以便他们可以根据提供的信息进行生产指导，实现对温室 环境的监测控制。 针对我国东湿、西燥、南暖、北寒等不同自然气候特征，江苏理工大学等单位成功开 发生产出适合我匿各种气候条件使用的多种型号智能型温室系列产品川。它们综合剥用温 度、湿度、光照等气候条件控制，滴灌、微灌技术控制和二氧化碳、计算机远程控制等， 具有设计新颖、自动化控制程度高、使用广泛、造型美观等特点。以上是几个典型的开发 研究实例，此外，我嚣许多公司也开发了多种远程控制系统，有的是专用于温室的环境控 制，如计算机控制的温室模拟系统、温室环境控制器等。 基于远程监控技术的温室专家管裂系统的研究 1 3 2 温室环境远程监控技术的发展趋势 随着技术的发展，温室环境远程监控技术正向智能、精确化、信息化、节能化等方向 发展，以下三个方面将是温室环境远程监控研究基予i n t e m e t 和g p r s 技术的温室远程监控 系统的几个重要方向： ( 1 ) 作物模型的研究以及佟物模型与温室智能控制的结合。 作物模型用于描述作物生长发育情况与作物生长环境因素之间的关系，作物模型是实 现精准农业的基础，也是实现自动化农业生产的关键技术。作物模型大致可分为机理模型 和经验模型，温室控制系统需要建立用环境参数描述的作物模型，并与作物的生长模型相 结合，根据作物品种提供相应的控制策略，实现全自动的智能温室。现有的作物模型壶于 其复杂性和描述方式的不兼容，很难直接与温室控制系统相结合，形成完整的控制策略。 目前衙兰和美国、日本等农业发达国家的作物模型的研究已进入实用化阶段。 ( 2 ) 基于嵌入式系统和工业以太网的温室监控系统。 工业以太网具有和i n t e r n e t 相兼容的结构和协议，因此通过工业以太网按入i n t e m e t 攒j ：节 省软硬件的开发，大大提高系统的稳定性并降低维护成本。同时工业以太网的应用要求被 控设备具备以太网接翻。随着电子技术的发展，嵌入式系统功能越来越强大，不但能实现 设备控制秘通用鼹络的功熊，而且还能在其内部集成嬲络服务器功能。嵌入式系统体积小， 价格低，安装和使用方便，对环境要求不高，能够满足农业生产的需要。用嵌入式系统取 代p c 机，实现对各种传感器和控制设备的监控，并开发智能化、网络化、无线化的通用控 制器是网络控制系统发展的重要研究方向。 ( 3 ) 与i n t e m e t 和移动通信技术相结合的远程监控系统 针对农业对象的多样性、地域广阔、偏僻分散、远离都市社区等特点，把i n t e r a c t 和移 动通信技术引入到温室远程监控系统，利用i n t e r a c t 和移动通信技术来解决温室远程监控系 统的“最后一公里”问题将是辩很好的解决方案，这将会在实际应用中有着长远的意义， 也是今后控制系统发展的一个重要方向。 ( 4 ) 农业生产的信息化智能化管理。 温室在地域上分布分散，设备种类繁多，若实现大量温室的远程基于i n t e m e t 和g p r s 技术的温室远程监控系统集群化管理必然会遇到系统重复设计，数据的存储与访闯格式不 统一，各温室的监控设备不相同，种植的作物品种不相同等问题。在工业生产和企业锊理 中，管理信患系统的应用使得企业信息传递的效率大大提高，同时对于数据的保存和管理 也更加方便灵活。霉前许多发达圜家已经将管理信息系统应用到温室管理中来。通过信息 化智能化的管理系统可以实现数据存储和访问的统一管理、系统的可伸缩性和温室设备的 模块化( 如动态调整温室设备) 、控制策略及产量预测等商业逻辑的集中管理、制定统一的 作物生长环境模型的标准接口。这也是控制系统的一个发展方向。 基卡远程监控技术的温室专窳管理系统的驯宠 1 4 温室专家系统的发展概况 专家系统是在人工智能的研究过程中产生的- f - j 新兴科学。它主簧研究如何使计算机 程孝模拟各个领域韵入类专家在解决实际闻题时的愚维过簇，使机器黑有专家东平的智能 n 7 1 。它是种餐能程序子系统，逡部共有大量专家水平的领域知识帮经验，能利焉人类专 家可用的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。一般专家系统有三个特点【1 8 1 ，即： f 羔) 启发性。可以处理不确定的知识，能运用专家的知识和经验进行推理和判断，使其 更接近于人类思维方式。 ( 透明性能解决本身的推理过程，畿回答用户提密的问题。 移l 灵活性系统豹知识库帮推璞机是分开翁，能不断瑰增长短识，嫠改原有鳇知识。 温室专家系统是把专家系统技术应用予农业温室领域的一项赢新技术。它是应用人工 智能领域的知识表示、推理以及知识获取等技术，总结农业专家长期积累的大量宝贵经验 和透过试验获得的各种数据资料及数据模型等，模拟领域专家酶决策过程的智能计算机软 件系统。馨温室系统可根据专家系统的储备镪识自动决策秘选择控卷l 参数，以适合作物鲢 生长。1 1 9 】f 驯温室专家系统主要应用计算机技术与自动控制技术，是- i l 横跨人工翘能理论、 数据库技术、信息技术、生物学、电子科学和环境控制几大学科，综合了多种高新技术的 交叉学科。 罄际上农业专家系统的研究是从7 0 年代末期开始的。2 0 世纪为年代耒期美国开始研究 农业专家系统，最初用于农作物的病虫害诊断。1 9 7 8 年伊利诺斯大学开发的大豆病虫害诊 断专家系统p l a n t d s 是世界上应用最早的专家系统。到了8 0 年代中期以后，随着专家系统 技术的迅速发展，农戴专家系统又有了相当鲍发展，在数量移水平上均有了较大的提高， 殴从单一的病虫害诊断转向生产管理、经济分析与决策和温室环境实时监控等领域。尤其 在温室环境监控领域，相关的理论的研究和应用非常的广泛l z t l l “j 。目前比较成功的应用 实铡有：美截豹p o m m e ( 采霜管理及害虫防治) 、c o m a x c o s s y m ( 棉花管理专家系统 、 e x t a a ( 农渡技术和资源保护汲嚣本千时大学开发的骜蕊病窖诊叛专家系统等1 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始研制农业专家系统，并且把该项目列入国家8 6 3 计划。中 阕科学院台肥智能机械研究所与安徽省农业科学院土壤肥料研究所合作研制的砂姜黑土 小麦专家施肥咨询系统手1 9 8 5 年差0 胃建成，在安徽省滩乾盖o 多个县褥到较大撬摸的应用 j 。盘1 9 9 2 年开始，国家8 6 3 计划智能计算机系缆专家组组织了农业专家系统的研制和应 用推广工作。以实施“农业专家系统”为突破豳，通过重点支持“智能化农业信息技术应用示 范工程j 项弱来实现加强推广信息技术在农业生产中的应用。示范工程以示范区建设为核 心，把实际应用效果作为项露的评判指标，遥过建立实雳爨农监专家系统，加快农监辩技 成果的转化，解决农业生产过程中的科技成果传援瓶颈和传援不到位等问题。 目前，农业专家系统的发展更加强调与计算机技术的结合p 嵋引。如吉林大学的“多媒 基于远程监控技术的温室专家管艘系统的研究 体玉米生产专家系统”、“多媒体水稻生产专家系统”。中科院合肥智能所的“施肥专家系统”、 “水稻生产专家系统”。浙江大学与中翟农业科学院畜牧研究所将基予案铡推理和面向对象 技术应用于饲料配方。中国科学院沈阳计算研究所运用神经网络在水稻专家系统中进行知 识获取等。可以预料，二个以农业专家系统为重要手段的智能化农业信息技术将在我国迅 速发展，并将成为我国2 l 世纪农业现代化的重要内容。 从尽前温室专家系统的发展来看，存在的主要闷题是弘w ： ( 1 ) 专家系统自身存在的问题。迄今为止，农业专家系统的技术还不是很成熟，由专 家整理出来的知识大多属于这个领域的浅层知识，形式上也主要是条件规则型知识，并没 有把专家是如何学习、获得这些j 霭识的过程整理出来，这样开发的专家系统并不具有真正 的学习能力，结果导致系统的表现只是处理人类专家见过的各种情况，不麓随机应变。 ( 2 ) 专家系统推理方法及检验知识机制问题。目前知识库缺乏自动求成机制，推理方法 缺乏误差分析及预测功能。在知识处理方法上过于简单。知识深加工处理水平上的新方法 新技术的融合少。现代信息技术的发展，提供了很多成熟的信息技术，今看温室专家系统 的开发需广泛吸收这方面的技术，特别是当今的多媒体技术、计算机技术、i n t e m e t 技术等。 ( 3 ) 采集数据的束缚。至今为止，温室控制技术还主要停留在对温室环境因子的监控上， 并没有考虑温室作物本身的生理过程。 ( 4 ) 专家系统在温室实时控制中的应用有局限性。专家系统对温室环境阂子进行实时监 控，不同于开发单纯的专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题，因此，在开发温室 农业专家控制系统时，对知识的表达及推理策略等要认真考虑。 拶) 开发工具不完善。瀑外嚣前出现了许多专用的专家系统工具，开发某领域系统基本 上是运用开发工具来实现的。国内开发的农业专家系统生成工具大都在处理文字描述的定 性知识方面功能较强，而在处理用数学模型描述的定量知识方面很少涉及。 1 5 本文所做的工作的及主要研究内容 l 。5 。l 论文所做的主要工作 ( 1 ) 在知识获取上利用数据统计结合模糊控制理论分折的方法，对温室环境的控制规簧| j 做了研究，对现有的专家经验进行了补充和完善，建立相应的控制规则库。 ( 2 ) 在专家系统的推理机制上采用了模糊推理策略，设计了模糊专家控制器。 ( 3 ) 采用三层b s 网络开发模型，通过v i s u a lb a s i c 语言整合了数据库技术，动态网 页技术实现了基于远程监控技术的温室环境管理系统，并实现了通过i n t e r n e t 的互联网 的发布，初步实现了在线决策、管理。 基于远程监控技术的温室专家管理系统的研究 1 5 2 论文的主要研究内容和组织结构 论文基于无线远程监控技术和农业专家系统在温室环境智能控制方面进行了研究，特 别是温室环境内温湿度的管理和控制，并将农业专家系统与基于远程监控技术的温室环境 监控系统结合起来，实现了温室环境的智能化远程监控和专家管理。根据研究随容和所做 工作将本论文分为以下几章： 第一章阐述了论文的研究背景和意义，介绍了温室环境监控技术和农业专家系统的研 究现状和发展概况，以及专家系统技术在这一领域的应用现状。最后阐明本学位论文主要 的研究内容和所做的主要工作。 第二章分析了影响温室气候的环境医予和调控设备，对影响温室气候的环境因子和调 控手段以及调控方案进行7 分析研究。研究了温室控制的原理和对各个环境因子控制调控 的意义。 第三章介绍了温室环境监控专家系统的总体设计方案以及所需要实现的任务。说明了 温室环境监控系统的软件开发环境。对系统的周期模型做了分析，总结了系统的开发流程。 第四章在前面工作的基础上，对专家知识进行表述和推理。采用产生式规则作为基本 的知识表示方法，通过“规则架+ 规则体”的方式来表述。采用正向推理机制，并且针对冬季 温室内的温度控制，设计了模糊专家控制器。 第五章阐述了基于远程监控技术的温室环境专家管理系统的架构思想，比较了各种网 络开发模型的优缺点，选用了基于a s p n e t 技术的b s 结构的开发模型，并对系统的开发过 程做了详细的介绍和说明。 第六章对全文工作进行了归纳和总结，并对进一步的研究提出了设想和震望。 綦f 远程监控技术的温室专家管理系统的研究 第2 章温室环境原理及其控制 作物的生长发育，除了取决于作物本身的遗传特性外，另外一个很重要的方亟还取决 于作物生长的环境条件。只有在适宜的环境里，作物才能很好的生长，并获得最佳的产出。 本章对影响温室气候的环境因子和调控手段以及调控方案进行了分析研究。研究了温室控 制的原理穰对各个环境因予控制调控的意义。 ： ，一 2 1 温室环境主要参数m l 阍 作物能够利用光能将c 0 2 和水转化为碳水化合物，这个过程叫光合作用，用化学方程 式表示出来郎为：6c 0 2 + 1 2 h 2 0 = c 6 h 1 2 纯+ 6 ( h + 6 h 2 0 。光合作用是地球上切生物赖以生存和 发展的基础。 作物赖以生存的环境嚣子包括光照、水分、温度、壤、大气嚣予及生物箧子。京然 环境因子对生物的作用是各个环境因子的综合作用，环境中任何一个因子的变化必然会引 起其他因予不同程度的变化。环境因子对作物的作用不是相等的，但都是不可缺少的。在 一定的情况下，莱一环境因子在量上的不足可以通过其他因子的增加而得到调剂。另外各 环境因子对作物的影响程度是随着作物的生长发育的阶段不断推移变化的。 ， 1 ) 温度 、 温度是影响作物生长发育的最重要的环境因子之一，它影响作物体内的一切生理变 化。每一种作物的生长发育，对溢度都有一定的要求，都有温度的“三基点”，帮最低溢度、 最适温度和最高温度。在最适温度下，作物生长发育迅速；最低和最高温度下，作物停止生 长，但尚能维持正常的生命活动。温度持续降低或升高，作物就会受到危害甚至致死，这 称为致死温度。同一作物在不同物候期对温度三基点的要求不同。不同作物的基点温度也 不相同。一般丽吉，体眠期与生长期三基点温度不同，呼吸作用与光合作用的三基点溢度 也不同。 在温室环境控制中我们一般主要关心作物的光补偿点和作物的光饱和点。 2 ) 湿度 不同的作物对空气的湿度也有不周的要求，周一种作物在它的整个生命周期中的不囝 阶段和一天的生长周期里的不同时刻对空气湿度也有不同的要求。针对温室中所种植的作 物的特性，控制系统应当控制相应的湿度，满足作物的要求。当空气湿度在5 5 9 0 范围 漆，空气湿度对佟物生长发育影晌较小。空气湿度过低，影响细胞伟长，使细胞分裂受到阻礴，柞物 毫孔关闭，c 0 2 交换下降，光会作用显著下降，从而影响作物于物质的积累。空气湿度过大时，将会 引起多种病害，因为病原抱子的形成、传播、发芽与侵害各阶段均需高湿条件。空气湿度过高，还抑制 作物蒸腾作用，影响作物对水分和养料的吸收。 温室内的空气湿度来源予壤蒸发和作物蒸腾作用。温室内作物生长旺盛，作物叶面 基 远程峪挖技术的温室专家管理系统的研究 积指数高，通过蒸腾作用释放大量的水蒸气，在密闭情况下使得温室内水蒸气迅速达到饱 和，空气绝对湿度和褶对湿度明显嵩