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渐扛工业大学硕士学位论文 基于w e b 的温室远程智能监控系统研究 摘要 我国温室产业近年来发展迅速，对温室控制技术和理论提出了更 新、更高的要求，而网络技术的发展也使基于i n t e r n e t 的远程监控 技术渗透到温室环境控制中。因此应用计算机技术，智能控制和信息 技术领域新的理论和方法，结合温室实际生产状况，研究具有现实意 义的温室智能监控系统是温室现代化、产业化的发展方向。 论文研究了温室智能监控的网络化问题，分析各种网络监控模 式，根据温室需求，提出了一种w e b 远程监控从硬件到软件的完整设 计和实现方案。 针对目前视频监视系统价格昂贵的现状，采用u s b 摄像头和j 肝 多媒体开发包，通过r t p 协议传输流媒体，开发了基于w e b 的远程视 频监视模块，降低了温室视频监视的实现成本，并具有平台无关，播 放稳定流畅等特点。 研究了实际温室运行中存在控制算法的不足，通过对温室设备控 制成本计算和振荡控制模型的分析，获取了温室节能控制专家系统知 识，采用了“规则架+ 规则体”的描述方式，以产生式方法表述相应 的控制规则，利用正向推理方法设计推理机，开发了温室节能专家控 制系统，经实验验证节能效果明显。 温室远程智能监控系统采用基于j a v a 技术的b s 模型的开发方 式，利用a j a x 技术优化页面响应速度，根据实际需求，开发了系统 的各个功能模块。并且通过a p p l e t 技术把视频监视模块嵌入监视页 面，结合专家系统，对温室实现可视化智能监控。 最后，论文对所取得的成果和结论进行了总结，并分析了研究中 的不足，对未来的工作进行展望。 关键词：温室，远程监控，b s 结构，瓜伍，专家系统，视频监视 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ew e b b a s e d r e m o t ei n t e l l i g e n c ec o n t r o lo f g r e e n h o u s e a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y sg r e e n h o u s ei n d u s t r yt h e s e y e a r s ，m o i ea d v a n c e da n di n n o v a t i v et e c h n o l o g i e sa r er e q u e s t e dt o i m p r o v eg e e n h o u s ee n v i r o n m e n tc o n t r 0 1 a n dt h eg r e a ta d v a n c e m e n ti n w e bt e c h n o l o g ym a k e si tf l e x i b l et oa p p l yt h ei n t e r n e tb a s e dr e m o t e m o n i t o rt e c h n o l o g yi nt h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tc o n t r 0 1 t h u s ，i t m a k e ss e n s et od e v e l o pai n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rg r e e n h o u s e e n v i r o n m e n tb yc o m b i n i n gn e wr e s u l t sf t o mc 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 tc o n t r o la n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h e s t h ef e a s i b i l i t yo fd e v e l o p i n gaw e b - b a s e dg r e e n h o u s ec o n t r o l s y s t e mw a si n v e s t i g a t e d , a n dd i f f e r e n tw e b b a s e dm o n i t o rp a t t e r n sw e r e a n a l y z e d ar e a l i z a b l e p l a na b o u td e v e l o p i n gaw e b b a s e dr e m o t e c o n t r o la n dm o n i t o ri n t e l l i g e n ts y s t e mf o rg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tw a s p r o p o s e da c c o r d i n g t ot h ea c t u a lc o n d i t i o n s i nv i e wo ft h ee x p e r e u s i v ep r i c eo fv e d i os p ys y s t e m sc u r r e n t l y a v a i l a b l e ，an e wr e m o t ev e d i os p ys y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do nt h e j m fm u t l i m e d i at o o l k i ta c c o r d i n gt h ea c t u a ld e m a n da n dd e v e l o pc o s t i n a d d i t i o nt ot h es t r e n g t ho fl o wc o s t , t h es y s t e mh a sa d v a n t a g e si ns m o o t h a n ds t a b l eb r o a d c a s t i n g , i n d e p e n d e n to f t h ep l a t f o r m t h ei n s u f f i c i e n c yo ft h ec o n t r o la l g o r i t h m , e x p o s e dd u r i n gt h e g r e e n h o u s er u n n i n gp r o c e s s ，w a sa n a l y z e d p a y i n gf u l l a t t e n t i o nt ot h e i l 浙江工业大学硕士学位论文 c o n t r o lc o s t , ag r e e n h o u s ee l l e r ! g y s a v i n go x p o r tc o n t r o ls y s t e mw a s d e v e l o p e db a s e do ne x p c t tk n o w l e d g es u c ha st h ee x p r e s s i o nm e t h o do f r u l e - s k e l e t o n + r u l e - b o d y a n dg r e e n h o u s ec o n t r o le x p e r i e n c ea q u i r e di n t h ep a s t a n dt h es y s t e mp e r f o r m sw e l li np e r s p e c t i v eo f e n e r g ys a v i n g e m b e d e dw i t ht h ee n e r g y - s a v i n g e x p e r t c o n t r o l s y s t e ma n dt h e v e d i os p ys y s t e m ，aw e b - b a s e dg r e e n h o u s er e m o t ei n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e mw a sd e v e l o p e d t h es y s t e mo f f e r sf u n c t i o n si n c l u d i n go n l i n ed a t a m o n i t o r , d a t ai n q u i r y , d i a g r a md i s p l a y , w e b - b a s e do n l i n ec o n t r o l ，a n d v e d i os p yi na p p l e ta sw e l l a n di tu s e dt e c l m o l e d g eo fa j a xt oi m p r o v e t h er e s p o n s es p e e di nw e bc o n t r 0 1 a tl a s t , t h ea c h i e v e m e n t so ft h i s p a p e rw e r ec o n c l u d e d ，t h e s h o r t c o m i n g sw e r ea n a l y z e da n ds o m eo p i n i o n sw e r ep r o p o s e df o rf u t u r e w o r k k i g y w o r d s ：g r e e n h o u s e ，r e m o t ec o n t r o l ，b sm o d e l ，j m f 9e x p e r t s y s t e m ，v e d i om o n i t o r i n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 储张羡落b 谚- 隰腑6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：炭压荡 日期：如7 年月日 导师签名。i m 日期：哆棚日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】本章介绍了温室环境控制在国内外的发展现状和发展趋势，研究了专家系统和远程 监控技术在这一领域的应用现状，阐明本学位论文的研究意义和主要研究内容 1 1 1工厂化农业的概述 世界各国以科技含量较高、高投入、高产出的设施农业为切入点，建造现代 化农业设旌【1 】，投入自动化、机械化、微电子智能化高新技术，使设施内温度、 湿度、营养等综合环境自动调控到作物生育所需的最佳状态。科学利用资源、能 源，达到提高土地利用率、劳动生产率的目标。由于自动化和智能化高科技的运 用，栽培环境得到有效控制而不受自然条件影响，使农业产品工厂化生产成为现 实，这是设施农业发展到高级阶段的工厂化农业。这一领域已成为当今世界各国 展示农业科技发展水平的重要标志，是农业发展中最具有活力的新兴产业之一。 1 1 2国外温室环境控制的发展现状 欧洲的荷兰，中东的以色列，北美洲的美国以及亚洲的日本和韩国是设施农 业十分发达的国家。近年来，随着计算机技术、自动控制及网络等技术在温室环 境控制及管理等方面的广泛应用，温室技术发展非常迅速，这些国家的设施综合 环境调控及农业机械化技术等有较高的水平，居世界领先地位。 荷兰有5 大温室制造公司，不仅在结构、机械化、自动化、产品采后处理方 面设备技术水平高，而且在计算机智能化、温室环境调控方面也居世界领先地位， 配套温室设施出口额占世界贸易的8 0 。荷兰温室的运作基本由计算机控制操 作，把计算机和精密控制等应用于温室技术，温室的环境控制和水肥调控已经全 面走向自动化，其配套设施求全，配有以燃烧天然气为主的加热升温系统、c 0 2 施肥系统、通风系统、遮阳和保温幕帘、营养需液循环灌溉系统和人工补光系统 等，通过计算机采集每刻的环境因子变化数据，自动进行数据在线处理分析，进 浙江工业大学硕士学位论文 行自动调控，实现了温、光、水、气的自动化控制。温室种植人员仅需购买安装 相应的温室控制系统硬件及软件后，即可实现温室种植的自动化管理，这不但给 作物提供了一个理想的生长环境，而且也使资源和生产效益达到合理的平衡。在 计算机智能控制技术方面，荷兰目前已研制出温室气候控制和番茄、黄瓜等生长 发育模拟型软件【2 i i ”l ，并逐步向实用化发展。 以色列信赖高新科技，将电子仪器和生物技术科学相结合开发了一系列计算 机硬件和软件【6 i ，实现了温室中的气候、供水和施肥的自动化控制。计算机微气 候控制系统通过各种灵敏的感应器对温室的各种气候要素进行监测，再自动启动 计算机控制的风扇、热风机、遮阳网、喷雾器等来系统地、动态的量化调控温室 内光照强度( 或时数) 、温度、湿度、二氧化碳浓度等，创造一种适宜作物生长的 最佳气候环境。温室按功能和造价的不同可分为包含供水、施肥和气候系统自动 控制的计算机化温室；构件简单，方便易建的自助型温室；以及类似于珠江三角 洲地区常用的简易拱型塑料薄膜大棚三类。温室的构造各不相同，但多考虑适宜 当地条件，先进温室的天窗、遮阳网以及侧帘可根据光照强度的不同自动移动进 行调节。以色列发明的一种新技术可以以最小的能源投入，完成温室白天降温、 夜晚加热的工作。这种技术是通过一个间歇性喷洒系统来完成，该系统安装在温 室的一端，在白天，通过喷洒大小均匀的水滴吸收温室中的多余的热量，并一直 储存在晚上，再把这些热量释放出来加热温室。 日本的塑料大棚和其它人工栽培设施使用面积居世界之首，继露天栽培、设 施园艺和水耕栽培之后，被称作“第四高技术农业”的植物工厂m 已在日本普及。 植物工厂用钠蒸气灯取代太阳光，并通过计算机将温度、湿度、c 0 2 浓度和肥 料等控制在最适合蔬菜生长发育的水平。同旱地栽培相比，蔬菜的生长速度快了 4 5 倍，且不受气候左右，不施农药，四季稳定生产。在寒冷地带、沙漠地带， 甚至在宇宙空间和地下空间，也能提供新鲜的蔬菜。现在已能利用植物工厂生产 豆芽菜、蘑菇、鸭儿芹、白萝卜和生菜等。如日本一家公司设计出完全自动化的 生菜培育工厂，其生产速度要比通常速度高3 倍。这对于土地少、需要进口大量 蔬菜的国家来说是一项成功的发明。日本在鸟取县的沙漠地带进行塑料大棚的蔬 菜种植，取得了良好效果。北海道大棚盘育苗灌水实现了自动化，自走喷灌机行 2 浙江工业大学硕士学位论文 走速度和喷水量可自行调节，以达到合理灌水的目的。该机解决了大棚灌水费时、 喷灌不均匀等问题，从而使水稻大棚育秧实现了灌水机械化。 1 1 3国内温室环境控制的发展现状及其问题 在2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，随着我国塑料工业的发展，地膜覆盖、中小 拱棚逐渐得到广泛应用，这些措施能够有效地提高地温、减少水分蒸发、防止风 霜，具有一定的抵抗自然灾害的能力，可使多种作物获得增产。 8 0 年代以后，我国从荷兰、以色列等国引进了四十多套大中型温室【习，引 进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利 用率得到提高，为我国温室发展提供了借鉴作用。但是实际证明，由于地域、水 土气候资源的差异，引进的国外系统并不完全适合于我国国情或本地情况，引进 的设备并没有充分发挥其作用，( 1 ) 引进的温室价格，投资回收期长，国内农业 生产难以接受。( 2 ) 引进的温室运行成本高，环境测控的能耗比较高，冬季加温 燃料的年费用很高，北方地区更高，经济效益差。( 3 ) 温室测控软件与我国气候 特点不相适应，荷兰由于温度变化很小，故降温、透风问题考虑很少，而采光问 题考虑得较多，这样的温室控制系统肯定不适合我国温差大的现时情况。 9 0 年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所。研制开 发了温室环境控制与管理系统0 6 1 ，并采用v i s u a lb a s i c 语言开发了基于 w i n d o w s 操作系统的控制软件。中国农业工程设计研究院和北京工业大学在 温室群环境参数分级监控方面做了一些研究，该系统中的p c 机只用于存储测量 数据及一些简单的管理工作，其实质就是利用一个单片机系统来同时控制八问温 室中的温度、湿度和光照。所以，这种控制只能很简单。例如它的温度控制只有 两种方式：升温用加热器，降温用风机。另外，它的控制模式还属于集中控制， 因此，整个系统的可靠性和经济性不高，作物生长小环境中环境因子调控程度很 低，这样使温室生产的生产潜力和生产效率与国外的工厂化蔬菜生产相比尚有很 大差距。 “九五”期间，国家科技部启动了工厂化高效农业示范工程，先在北京、上 海、辽宁、浙江、广东5 省市组织实施，后又将天津市纳入工程之中。国家科委 组织实施了工厂化高效农业示范工程，通过生物环境工程三大主干学科的有机结 浙江工业大学硕士学位论文 合取得了丰硕的成果，促进工厂化农业技术的重大突破，带动了工厂化农业及其 相关产业的发展。通过工厂化高效农业示范工程的实施，我们成功地开发出了符 合我国东北、华北、华东、华南及沿海地区生态类型特点的具有自主知识产权的 温室及配套设施。独具中国特色的辽沈节能型日光温室的应用已经覆盖了我国北 方大部分地区。目前，温室设施除传感器等少量配件需从国外进口外，基本上实 现了温室设施的国产化和自动化，北京、上海等全国其它地区自主生产的现代化 温室的出现，一举扭转了我国温室长期依赖进口的被动局面。 但我国的温室产业尚处起步阶段，由于基础薄弱各行业的发展不平衡，与国 外先进技术相比，我国的工厂化农业生产的总体水平依然有非常大的差距嘲。在 环境监控技术方面表现为环境控制能力低、自动化程度比较落后。国内开发的系 统仅仅只能进行检测和简单的控制，且价格也不菲，对温室环境的调节能力有限， 使用监控系统与没使用相比温室经济效益没有明显的提高，甚至会出现投入产出 的负增长。温室自控系统的研究刚起步，仅有一些单因子控制的产品，而且尚在 试制阶段，先进性和可靠性无法得到保证。过程控制技术及现代通讯技术在温室 环境控制中的应用研究较少，温室计算机现场总线控制系统的开发和温室集群控 制中的接口技术、网络通讯技术研究及实现还有待进一步加强。 因此，研究适合我国具体情况的温室环境控制技术显得十分迫切。国家“十 五”重点科技攻关项目“工厂化农业关键技术研究与示范，涉及以下几方面： ( 1 ) 温室专家决策支持系统研究。基于我国气候特点，研究温室环境信息( 温、湿、 气) 、水肥信息( 水、肥、盐等) 的模拟、分析、预测，建立黄瓜、番茄基质栽培的 温、光、气、水、肥管理模型及相关知识库、数据库，为实现温室智能调控提供 软件。( 2 ) 温室环境智能控制技术研究与系统开发。研究温室环境信息( 温、光、 湿、气) 、水肥信息( 水、肥、盐等) 的自动监测技术；应用人工神经网络、模糊控 制、遗传算法等先进控制技术，研究开发计算机分布式控制系统；研究开发基于 智能化综合调控系统；研究温室群控中的接口和网络通讯技术。( 3 ) 温室环境调 控配套工程技术与设施研究。研究温室冬季节能保温、夏季降温配套工程技术， 强化环境抗逆能力，实现光、热资源的高效利用；开发与研究高效生产的温室环 境综合调控模式与配套设施：研究不同种植体系下，灌溉系统经济配套模式；研 究温室高效水、肥、药一体化灌溉技术与配套设备。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 4温室环境控制的发展趋势 温室环境控制技术的发展得益于多种相关学科的综合研究应用，随着现代科 技的飞速发展，其发展日益表现为多元化、专业化态势。目前世界各国对温室环 境控制系统的研究与应用主要涉及以下几个方面i 辄8 】1 1 2 l ： 1 ) 智能化 随着计算机技术的不断发展，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和完善，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。包含了温室环境气候动态模拟模型、作物生 长发育规律模型等智能理论的专家系统，将会成为综合温室监控技术的一个合适 的平台。 2 ) 网络化 网络通讯技术是9 0 年代最具活力、发展速度最快的高科技领域。网络技术 应用于农业，不但能及时解决农业发展中的技术问题，而且能降低农业信息的获 取成本。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 室控制与管理中得到广泛的应用。从微观上看，网络技术甚至可以代替现在使用 的总线技术以及传统的串口通信技术。从宏观上看，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技术，进行远程控制或诊断。我国幅员广 大气候复杂，种植模式多样，种植者总体素质相对较低，利用现代化网络技术进 行在线服务具有广阔的应用前景。 3 ) 综合化 未来的计算机控制与管理系统是综合性的、多方位的，集成化数据库、系统 模拟、人工智能、遥感、地理信息系统和全球定位系统等单项技术在农业领域的 应用日趋成熟，但是，现代农业对信息资源及信息技术的综合开发利用需求却日 趋迫切，单项信息技术往往不能满足需要。因此，多种信息技术的结合与集成越 来越引起人们的普遍关注。同时各种学科包括生物学、园艺栽培学、微气象与生 态学、农业生物环境与能源工程学、土木工程学、测试技术与自动控制、计算机 与信息科学、市场营销与经济学等之间互相渗透互相融合的综合性研究也越来越 s 浙江工业大学硕士学位论文 受到重视。总之，随着各种高新技术和理论的应用于温室研究，将会给现代温室 带来了新动力。 4 ) 实用化 目前农业系统软件的研制及应用大多还只局限于科研院所及示范基点，其潜 在作用远没有被充分发挥，因此，农业应用软件的开发及推广将成为农业信息化 的重要内容。当然，农业生产、经营管理的生物性、地域性、季节性和持续性决 定了农业信息开发的复杂性，因此，对这类软件的开发必须通过多部门、多学科 的合作以及农业生产、经营管理专家的协同攻关，才能确保软件结构、功能、界 面、程序的规范化，才能提高软件的科学性、有效性、适应性，最终才能产生可 观的经济效益。 1 1 5专家系统在温室环境控制中的应用 简单地讲，专家系统就是一个具有智能特点的计算机程序，它的智能化主要 表现为能够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。因此，专家系统 必须包含领域专家的大量知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些 知识来解决实际问题。 温室专家系统是把专家系统技术应用于农业温室领域的一项高新技术【s 9 l 。 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通过试验获得的各种数据资料及数据模型等，模拟领域 专家的决策过程的智能计算机软件系统。即温室系统可根据专家系统的储备知识 自动决策和选择控制参数，以适合作物的生长。温室专家系统主要应用计算机技 术与自动控制技术，是- - i q 横跨人工智能理论、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。 1 9 6 5 年美国斯坦福大学研制出了第一个专家系统d e n d r a l ”l ，从此，人 工智能中的专家系统就发展起来，并迅速渗透到各个领域，而在农业上的应用更 是广泛。从2 0 世纪7 0 年代末期美国开始研究农业专家系统，最初的专家系统主 要用于农作物的病虫害诊断，如美国工i l l i n o i s 大学的植物病理学家和计算机学 家共同开发的大豆病害诊断专家系统p l a n t d s t “。到8 0 年代中期开始有了迅 6 浙江工业大学硕士学位论文 速的发展，美国、日本、英国、荷兰、澳大利亚、加拿大等国相继在作物栽培、 畜禽饲养、农业经济效益分析、农产品市场销售管理等方面研制出不少的农业专 家系统。2 0 世纪后期国内外的农业专家系统有了新的发展，涉及的领域进一步 变广，出现了很多具有代表性的农业专家系统。如埃及农垦部的黄瓜栽培管理专 家系统，希腊的6 种温室蔬菜病虫害和缺素诊断专家系统等。 我国对于农业专家系统的研究开始于2 0 世纪8 0 年代【”，在国家8 6 3 计划 智能计算机主题所开展的“智能化农业信息技术应用示范工程”项目支持下，我 国的农业专家系统的开发取得了可喜的成绩，研究出了一系列农业生产相关的专 家系统，为我国的现代化农业的发展做出了卓越的贡献。其中有专项性的，如“施 肥专家系统”、“小麦、玉米新品种选育专家系统”、“砂姜黑土小麦施肥专家系统”、 “防御玉米低温冷害专家系统”等：也有综合性的，如“冀北小麦专家系统”、“小 麦栽培管理专家系统”等：另外还开发一系列的农业专家系统的通用开发平台， 如中科院智能所的“雄风”系统，中国农业信息化研究中心的“p a i d ”系统等。 但是目前温室专家系统的发展来看，还是存在很多问题； ( 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、获得这些知识的过程整理出来，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，不能随机应变。 ( 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，今后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。 “) 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因子进 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。 7 浙江工业大学硕士学位论文 1 2远程监控技术在温室环境控制中的应用 1 2 1 温室远程监控的发展现状”l 【1 9 】 ( 1 ) 国外发展现状 国外在近几年来开始把远程监控技术融入到农业工程方面，取得了良好的效 果。如英国的无线系统公司开发了一系列的无线通讯设备，有适于分布广泛的花 园温室或储藏室的无线霜冻和入侵警报系统、便携的无线电视系统、远程无线洒 水系统、加热和通风控制系统等。 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提供用户进行设置和监控进程的 能力，并允许用户进行远程监测，数据记录或控制。 日本的四国电力集团开发了“o p e n p l a n e t ( 简称o p ) ”这一适合于双方 向的远程监视控制系统。该系统主要由检测控制用l a n 、信息采集单元、数据 记录单元、分散控制器、op 服务器计算机等组成。由软件编程做成的模拟实物 机器的“虚拟机v m ”，可以在网络间任意传送。用p c 机或p d a 及移动电话可 以把这个“虚拟机”呼出来进行操作。o p e np l a n e t 技术让“无论何地，不分 昼夜，只要机网相联，便能遥控自如”的构想变为方便易行的现实。 以色列的p h y t e c h 公司开发了一种系统，允许农民通过远程控制来检测谷 物。该系统分为两级：传感器测量作物周围的环境状况，如土壤湿度，温度与空 气湿度等。另一级传感器依附在植物身上，每隔5 到1 0 分钟采集一次数据，种 植者可以用家用电脑通过电缆或无线连接下载数据。该软件显示了作物在健康状 况与疾病状态下的图表与颜色。而且从叶子温度，径杆直径与其它数值的变化， 计算机程序可以判断是否对作物采取相应行动来对灌溉与温室内小气候进行调 节。该系统既可以节省种植费用，又可以提高产量达1 0 一1 5 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 室或储藏室的无线的霜冻和入侵警报系统、便携的无线电视系统、远程无线洒水 系统、加热和通风控制系统等等。 ( 2 ) 国内发展现状 8 浙江工业大学硕士学位论文 目前，我国一些大学、科研院所也开展了温室设施远程控制技术的研究，并 取得了很多研究成果。 中国农业大学研制的温室环境监控系统由主控微机、温室机和室外气象站三 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，同时可以通过电话线、数字信号传输线和互联网将监测到的室内外环 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。 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、施肥、农药喷施、通 风换气等过程的智慧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。 1 2 2温室远程监控发展趋势 可以预见，随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地用在温室生产管理 的过程中。专业技术人员可以通过互联网来监视和控制温室环境，使之到达作物 生长的最适宜条件，最终降低生产成本，提高效益，以下三方面将会是温室远程 监控的发展趋势1 1 4 l 。 ( 1 ) 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 m e t 相兼容的结构和协议，因此通过工业以太网接入 i n t e m e t 将节省软硬件的开发，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口。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和通用网络的功能，而且还能在其内部 集成网络服务器功能。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 9 浙江工业大学硕士学位论文 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。 c 2 ) i n t e r n 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 m e 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 m e 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”问题将是一种很好的解决方案，这将 会在实际应用中有着长远的重要的意义，也是今后控制系统发展的一个重要方 向，本文在这一方向上进行了一定的研究。 ( 3 ) 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集群化管理 必然会遇到系统重复设计，数据的存储与访问格式不统一，各温室的监控设备不 相同，种植的作物品种不相同等问题。在工业生产和企业管理中，管理信息系统 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。目前许多发达国家己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( 如动态调增减温室设备) 、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。 1 3研究内容 1 3 1研究意义 通过以上对上述材料的分析，温室环境控制正朝着网络化、智能化、综合化 和实用化的方向发展，因此专家控制系统和远程监控等各种新技术不断应用于温 室现代化控制中。 国外温室，例如美国、荷兰、日本和以色列已经在此大背景下迅猛发展了数 十年，但温室计算机监控系统虽然成熟，可价格不菲，而且其设计的控制模型和 系统并不适合我国各地气候情况，使得一年之中很长一段时间温室不能正常使 用，造成温室资源的极大浪费。除此之外，由于中国农业基础的比较薄弱，栽培 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 者新技术培训较少的现状，用户普遍感觉进口控制系统操作太复杂，售后服务无 保障。故国内的广大用户迫切需要市场提供具有专家系统、操作维护简单、价格 相对低廉的温室智能监控系统。 国内温室产业虽然起步较晚，但也在加速从粗放型的设施农业迈向精细型的 设旌农业，对温室环境因子控制提出了更高的要求。显然，原先简易的监控设备 和控制方法已经不再适用，研究和开发新的适合我国国情的现代化温室智能监控 系统已迫在眉睫。到2 0 0 5 年底我国己有各类温室突破2 5 0 万h m 2 ，预计每年需 温室自控装置1 5 0 0 套以上，因此研发具有我国自主产权的现代化温室环境监控 系统的市场前景将是非常广阔。 温室系统的核心在于温室环境监控系统。应用计算机技术，不断吸收智能控 制和信息技术领域新的理论和方法，结合温室作物种植的特点，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 1 3 2论文主要研究内容 论文以温室系统作为研究对象，设计开发了温室节能专家控制系统和低成本 视频监视模块，结合基于w e b 的温室远程监控系统，实现了温室的可视化智能 远程控制。论文内容主要包括： 第一章介绍温室环境控制在国内外的发展现状和发展趋势，研究了专家系统 和远程监控技术在这一领域的应用现状，阐明本学位论文的研究意义和主要研究 内容。 第二章研究了温室环境因子和温室气候的控制方法，对远程监控系统结构进 行分析改进，提出了基于b s 结构的四层体系架构，采用该架构设计了温室远程 监控系统结构，并提出了研究重点。 第三章分析比较了视频监视系统实现方法，采用适合实际需求的u s b 摄像 头开发温室视频监视，并在解决硬件设计困难后，设计了视频监视硬件结构。深 入研究了j a v a 多媒体开发包j m f 和视频传输协议r t p ，采用该技术并通过对视 频数据的采集和基于j m f 的r t p 传输两方面的设计，开发了通过a p p l e t 即可在 w e b 页面中监视的温室视频监视模块。 第四章实现了基于w e b 的温室智能监控系统，介绍了w e b 应用的开发环境， 浙江工业大学硕士学位论文 研究了j d b c 连接s q l s e r v e r 数据库的方法，并结合数据库连接池技术实现后台 数据端，采用j f i - e e c h a r t 开发包和a j a x 技术分别实现温室实时曲线图和优化了 w e b 页面，通过分析系统功能图设计开发了w e b 远程监控的各个子模块。 第五章分析了专家控制系统结构，从知识获取、知识内容、知识表示、推理 机设计四个方面设计了专家系统，其中以知识获取为重点，分别从作物生长参数、 温室偏置量极限气候控制、温室设备运行成本、振荡节能控制四方面设计了作物 生长条件知识、温室气候控制知识、成本控制知识和节能控制知识，分析了温室 知识内容，采用了“规则体+ 规则架”的产生式表述方式，利用正向推理的方法 设计了推理机，最后实验验证分析得出专家控制系统节能效果明显。 第六章对本文所做的工作进行全面总结，并分析了本系统的不足和今后的研 究重点。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 第二章温室环境分析和控制系统设计 【摘要】本章研究了温室环境因子和温室气候的控制方法，对远程监控系统结构进行分析改 进，提出了基于b s 结构的四层体系架构，包括表示层、功能层、数据层、控制层，利用该 架构结合温室控制的实时性要求，设计了温室远程监控系统结构，并提出了研究重点 2 1 温室环境因子及其控锚技术分析 2 1 1温室环境因子分析 影响作物生长的因子主要有五个，即温度、湿度、光照、c 0 2 浓度和营养 液1 2 “。而在作物生长的不同时期，起主要作用的环境因子各不相同，一般情 况下，在作物的苗期，温度占主导地位，适宜的温度利于幼苗的发育。生长期则 是湿度起主要作用，此时作物生长迅速，需要大量的水分，因此要保持足够的湿 度，但湿度太大容易引发病虫害的发生，影响作物的生长。而在开花结果期则要 重视光照和c 0 2 、光照充足，作物才能更好地进行光合作用，c 0 2 增浓可使作 物增产，果实丰硕。因此要在对作物的生态特性了解的基础上，抓住主要的环境 因子，把其它因子与主要因子协调起来。 ( 1 温度因子 任何植物都是生活在具有一定温度的外界环境中并受着温度变化的影响。首 先，植物的生理活动、生化反应，都必须在一定的温度条件下才能进行。一般而 言，温度升高，生理生化反应加快、生长发育加速；温度下降，生理生化反应变 慢，生长发育迟缓。当温度低于或高于植物所能忍受的温度范围时，生长逐渐缓 慢、停止，发育受阻，植物开始受害甚至死亡。其次温度的变化能引起环境中其 它因子如湿度、降水、风、水中氧的溶解度等的变化，而环境诸因子的综合作用， 又能影响植物的生长发育、作物的产量和质量。 ( 2 ) 湿度因子 空气湿度影响植物蒸散以及植物组织中水分平衡的变化。相对湿度小，则植 物蒸腾旺盛，吸水较多，植物对养分的吸收也多，生长加快。所以在一定程度上， 空气湿度小些对植物是有利的。空气中水分达到饱和，植物的生长就会受到抑制， 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 谷物籽粒的灌浆速度也降低。湿度还影响作物成熟时的脱水过程，延迟收获，降 低质量，且不易收藏。湿度过低可能导致干旱，特别是高温低湿，影响更加严重， 轻者减产，重者萎蔫死亡。温度对病虫害的影响也很大，潮湿的天气有利于真菌 和细菌的繁殖。如稻瘟病、小麦锈病、橡胶白粉病等都是在高湿条件下发生的， 而许多害虫则在低湿条件大量发生。 ( 3 _ ) c 0 2 因子 c 0 2 是影响植物进行光合作用的重要因子，如果不足会成为影响植物生长 发育的限制因素。充足的c 0 2 对于温室内作物幼苗素质的提高和生长发育的促 进有显著的影响，尤其在蔬菜作物的前期指数生长阶段，经过高浓度c 0 2 处理 净同化率和叶面积扩展率较高因此补充c 0 2 的增产作用主要表现在前期产量上 ( 4 ) 光照因子 光照强度对农作物光含作用和产量的形成起着十分重要的作用。一定范围 内，随光照的增强，光合强度也增强，光照强度增加到一定程度时，光合强度不 再增加，这时的光照强度称为光的饱和点。叶片只有处于光饱和点的光照强度下， 才能发挥其最大曲制造与积累干物质的能力。超过光的饱和点，光合作用强度不 变甚至降低，而且过高的光照强度会损害植物的叶面组织细胞，导致植物死亡。 但光强过弱，往往会减慢发育速度，延迟开花结果，在纱幕遮阴下，果树开花结 果不良。 2 1 2温室环境因子控制技术 温室在结构上是一个半封闭的系统，温室内部受温室结构的制约和影响形成 了不同于外界环境的所谓的“温室小气候”，主要包括室内的温度、湿度、光照、 二氧化碳等要素。温室结构的半封闭性又决定了温室与外界的物质与能量交换， 又会引起温室小气候环境的变化，这种变化在一定程度上又会影响作物的生长。 温室环境控制系统要求可以根据温度、湿度、光照度、c 0 2 浓度等环境因子， 设置相应的控制机构的状态，使作物在适宜的环境下生长。本论文设计的温室远 程监控系统主要功能是实现温室内温度、湿度、光照度和c 0 2 浓度等因子的监 测和控制。 环境控制设备作为主要的环境因子调节系统，对整个环境控制系统的效果产 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 生直接的影响。它主要可以由温度控制设备、湿度控制设备、光照控制设备和 c 0 2 控制设备等： ( 1 ) 温度控制设备 温度控制设备又分为升温设备、保温设备和降温设备。其中升温设备能为温 室内作物生长提供适宜的温度条件。一般有热水锅炉、燃油风炉、电加热器、蒸 汽管道加热及太阳能加热器等几种形式。其中热水锅炉加热系统适合于大面积的 温室群或大型温室的加温，其运行成本较低，并能较好的保证温室内作物生长所 需的温度。热风加热系统适合于面积较小的温室，其可较灵活的操作，一次性投 资小；地热加热系统是利用地热能源进行温室的加温，在地热资源较丰富的地区 是一种很实用的加热方法。太阳能加热是利用太阳能热水器的原理，充分利用太 阳能的无污染、资源丰富等优点，解决了锅炉和燃油热风机加热中的高能耗问题， 达到了低成本，低功耗的目的，但是太阳能安装费用高，如出现阴雨天气则效果 不佳也限制了它的推广。在寒冷的北方，因其加热时间长，一般都配备水暖加温， 而在加温时间较短的南方，一般配置燃油热风机加温。对于大型温室的加热系统， 从经济性方面考虑，主要使用加热管道加热。它利用热水锅炉或电厂蒸汽余热， 通过加热管道对温室加热。在本研究中选用燃油热风加热系统。 保温设备主要用于减少温室的散热量，主要的执行机构有各种开窗系统、遮 阳幕和保温幕，可以减少热能的损耗，减低温室的运行成本。冬天通常关闭温室 的所有窗户，在夜间开启遮阳网避免对流热损失，减少向外的热辐射。 降温设备是为了降低温室内温度，使得温