（农业机械化工程专业论文）节能型日光温室控制器的研制.pdf

节能型目光温室控制器的研制 摘要 我国是人口大国，2 0 0 4 年的人均耕地面积已从2 0 0 3 年的1 5 9 亩减少到1 4 1 亩， 而且随着人们生活水平的提高，对蔬菜的要求也不断提升，温室的出现解决了对这方 面的需求。国外的温室生产较我国要早很多，无论温室作物的产量还是温室生产的技 术和管理水平都比我国高很多。国夕卜的温室构造和控制管理，适应其本地的地理环境 条件，不能完全适应我国的情况。我国由于地域j 。阔，南北气候差异大，导致各地的 温室构造和控制也不一致。总的来说，我国的温室起步时间晚且发展时问短，形成了 现代化管理水平不高的局面，集中体现在温室环境监控技术迫切需要改进和提高。如 何将先进的控制技术和温室环境控制有机地结合起来，是温室研究的一个重要方面， 其结果将直接影响到我国的温室产业的水平，进而关系到每个人的生活。 本文的题目正是在这样的大前提的情况下而提出的，目的是为了能够找到种适 合我国北方地理环境条件下的温室环境控制的先进技术，解决目前我国温室环境控制 水平较低，不能形成大规模产业化的实际问题，促进我国的温室生产建设。 本控制器将微型计算机控制技术、g p r s 技术、传感器技术、检测技术结合起来， 进行控制器的设计，对节能型目光温室的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度进行检 测和控制，为作物生长所提供最佳的生长环境条件。该控制器以8 9 c 5 2 单片机为核心， 对温室环境参数进行实时采集、数据处理、数据存储、数据显示及驱动执行机构进行 调控等。本控制器通过r s 2 3 2 接口与p c 机进行通讯，实现对数据的显示、存储、查 询、统计等综合管理，给出针对不同作物的不同时期生长所需要的最佳环境参数，并 且依据此最佳参数对实测数据进行处理，提出合理的控制方案，进而达到了温室的智 能化管理。同时控制器通过8 9 c 5 2 和g p r s 模块l t 8 0 3 0 之间的通讯，利用已有的网络 资源，实现异地远程监控和管理，提高了温室环境控制和管理的自动化水平。在软件 方面，由于温室环境的独特性，具有影响因子复杂、不确定性及非线性的特点，采用 模糊控制算法进行编程，能够达到良好的控制效果。论文在最后总结了本控制器的优 缺点及改迸设想，为今后的工作做了准备。 关键词：温室环境，单片机系统，g p r s ，模糊控制 t h ec o n t r o l l e rr e s e a r c ho fe c o n o m i c a ls u n l i g h tg r e e n h o u s e a b s t r a c t 0 u rn a t i o nh a sag r e alp o p u l a t i o na n dt h ec u l t i v ac e da r e aa r ef e w ，a v e r a g e c u ll i v al e da r e ao fp e rp e r s o nr e d u c e df r o m1 5 9c h i n e s ea c r e s1 n2 0 0 3t o1 4 l c h i n e s ea c r e si n2 0 0 4 m o r e o v e rt h er e q u e s tt ot h ev e g e t a b l e su n c e a s j n 9 1 v p r o m o t e sa l o n gw | l ht h ep e o p l el i v i n gs t a n d a r de n h a n c e m e n t ， t h ea p p e a r a n c e o fg r e e n h o u s eh a ss 0 1 v e dt h i sd e m a n d t h eg r e e n h o u s ep r o d u c t i o nb e g a nv e r y e a r l yjnf o r e i g nc o u n t r y ， s ot h eo u t p u to ft h eg r e e n h o u s ec r o p sa n dt h el e v e l o fl e c h n o l ( ) g yt o g e t h e rw jt hm a n a g e m e n ti sm u c hg r e a t e rt h a no u rc o u n t r y t h e o v e r s e a sg r e e n h o u s es t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o lm a n a g e m e n ta d a p t sit s1o c a l g e o g r a p h i c a ie n v i r o n m e n tc o n d i t i o na n dc a n n o ta d a p to u rc o u n t r y ss i t u a t i o n c o m p l e t e l y t h er e g i o no fo u rc o u n t r yi ss ob r o a d ：t h ed i f f e r e n c eo fc l i m a t e b e t w e e nn o r t ha n ds o u t hi sv e r yb i g a c c o r d i n gt h eg r e e n h o u s es t r u c t u r ea n d t h ec o n t r o li ne a c hpj a c ei si n c o n s js t e n t g e n e r a l ys p e a k i n g ，o u rc o u n c r y s g r e e n h o u s es t a r t sv e r y1 a t e ，t h jss i t u a t i o nf o r m e dt h em o d e r nm a n a g e m e n tl e v e l jsn o tg e tw e l l h o wt oc o 瑚b i n ea l l r i g h tc o n t r o lt e c h n o l o g yw j t ht h e g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tc o n t r 0 1o r g a n i c a l l yw i l l b ea ni m p o r t a n ta s p e c ti n g r e e n h o u s er e s e a r c h t h i sr e s u 】tw i l ln o ta f f e c tt h el e v e lo fg r e e n h o u s o i n d u s t r yi no u rc o u n t r yd i r e c t ly ， b u ta l s or e l a t ee a c hd e r s o n sl i f e t h et o p i co ft h i sa r t i c l ei sp r o p o s e di ns u c hg r e a tp r e m i s ea n di t sg o a l i st of i n do n ea d v a n c e dc o n t r o lt e c h n 0 1 0 9 yt oa d a p tt ot h en o r c he n v i r o n m e n t c ( ) n d it jo no fo u rc o u n t r y t h ew a yc a ns 0 1 v et h ep r o b l e m ss u c ha st h ele v e l o fc o n t r o lli n gg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n ti s1 0 wa tp r e s e n ta n dt h ea c t u a lp r o b l e m inf o r m i n gt h e1a r g e s c a ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，a n dt h a tp r o m o t eg r e e n h o u s e p r o d u c t i o nc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y t h jsc o n t r o l l e rc o i b i n e dt h em i c r o c o m 口u t e rc o 九t r 0 1l e c h n 0 1 0 9 y ，t h eg p r s t e c h n o l o g y ， t h es e n s o rt e c h n o l o g yw i t ht h ee x a m i n a t i o nt e c h n o l o g y t h e c o nl r ( ) 11 e ri sd e s i g n e dt oe x a m i n ea n dc o n l r o ll h et e m p e r a t u r e ，t h eh u m i d i t y ， t h ed e g r e eo fil l u m i n a t i o n ，h ec a r b o nd i o x i d ed e n s i t yf o re n e r g yc o n s e r v a t i o n s u n li g h tg r e e n h o u s e 。s ot h ec r o p sc a nh a v et h eb e s th a b i t a tc o n d it i o n t h i s c o n t r o ll e rt a k et h e8 9 c 5 2m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta sac o r e ，i tc a n p r o c e s s i n gt h ep a r a m e t e ro ft h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n ts u c ha sg a t h e r i n gi n r e a l t j m e ， p r o c e s s i n g ， s t o r a g i n g ， d i s p l a y i n ga n ds oo n ， a n dc a r r yo nt h e r e g u l a t i o nt ot h ea cc u a t i o ni 珊p l e m e n t j 几gm a c h i n e 1 、h j sc o n t r o l l e rc a r r i e s ( ) n t h ec o 咖u n jc a t i o nt h r o u g ht h er s 2 3 2c o n n e c t i o na n dp cm a c h i n e ，r e a l i z e s s y n t h e s i sm a n a g e m e n to fd e m o n s t r a t i o n ，m e m o r y ，i n q u i r y ， s t a t i s t i c st ol h e d a t u m i nl h et i m ei tc a np r o d u c eb e s te n v i r o n m e n tp a r a m e t e rw h i c hg r o w si n v i e wo ft h od i f f e r e n tc r o p si nd i f f e r e n tt i m e ，a n dp r o c e s st h em e a s u r e dd a l a b vt h i sb e s tp a r a m e t e r t h i sc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oa c h i e v et h eg r e e n h o u s e i n t e l l e c t u a l i z e dm a n a g c m e n t a tt h es a m et i m et h ec ( ) n t r o l l e ru s e dt h e i i c 伽1 l t l u n i c a t i o nb c t w e e n8 9 c 5 2 ， g p r sa n dt h em o d u l e【。t 8 ( ) 3 0a n dt h en e t w o r k r e s ( ) u r c e st or e a li z e t h ed i f f e r e n t l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n ga n dt h e m a n a g e m e n t l i k et h i sw ec a ne n h a n c e dt h ea u t o 硼a t e dl e v e lo fc o n t r o l l i n 卫a n d l h em a n a g in gg r e e n h ( ) u s ee n v i r o n m e 九t i nt h es o f t w a r ea s p e c t ，iu s e sl h ef u z z y c o n t r o la g o r i t h mt oc a r r yo nt h ep r o g r a m m i n gf o rt h es a k eo fa c h i e v i n gt h e g o o dc o n t r ( ) le f f e c ta sar e s u l to fh a v i n gd i s t i n c t jv eq u a l i t y ，t h ei n f l u e n c e f a c t o rc ob ec o m p l e x ，n o td e t e r m i n i s ma n dt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t j cb e i o n 窖 t oc h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t t h ep a p e rf i n a l l ys u i m n a r i z e st h e s eg o o da n d b a dp o j n t so ft h ec o n t r o l l e ra n dt h ei m p r o v e m e n tp l a na n dh a sm a d et h e p r e p a r a l lo nf ( ) r t h en e x tw o r k k e yw o r d ：g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t ，m o n o ll t h jci n t e g r a t e dc i r c u ils y s t e m ，g p r s ， f u z z yc o n t r 0 1 独创性声明 本人声明所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得吉林农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：唇吾武 签字日期：2 t 吣年伽彩日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意吉林农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 签字日期：? 间年月艿日 签字日期： 0 羽年朋乃目 崧n 旁明杏月 躲嚷 者 ： 作 名 文 签 仑 币 戗 别 学 吉林农业大学硕士学位论文 节能型日光温室控制器酌研制 第一章绪论 我国是农业发展相对落后的国家，在新世纪中还存在人口持续增长和耕地减少的 尖锐矛盾。我网的农业必须从粗放型的传统农业向优质、高效、高产为目的的现代 化农业转化，在有限的资源基础上力争做到节水降耗、精耕细作。农业生物环境控制 r 程己经作为农业生物速生、优质、高产的手段，成为农业现代化的重要标志之“j ， 农_ _ i k 设施的自动检测与控制是我国农业技术当前迫切急待发展的技术之一。目前温室 已成为在现代农业设旋上能够为作物提供最佳生长环境的场所，促使作物优质、高效、 高产，其已逐渐成为现代农业上不可或缺的重要组成本分。 1 1 研究的背景和意义 众所周知，每一种作物都有它们各自的生长环境，由于地理环境的差异，各地种 植的作物也千差万别。但是如果给作物提供了诸如作物生长所需的最适宜的温度、湿 度、光照等生长环境，就会达到使作物优质、高效、高产的效果。在过去，我国农产 品的种植基本上是依靠自然条件，设施农业比较落后，这在很大程度上影响了农产品 的质量和产量，使得市场上的农副产品的品种随季节呈现明显的变化，这也在定程 度上影响人民的生活水品的提高。而今随者我国国民经济的迅猛发展，人民对农副产 品的需求越来越高。所毗为了丰富农副产品市场，满足人民日益增长的物质生活的需 求，温室种植方式在我国现代化农业中占据了越来越重要的地位。 近些年，国家采取了一系列的举措来大力推进农业现代化的进程，对农业进行了 大量投入。在这样的大环境下，以及在各地政府建设的农业科技示范园的带动下，我 国的温室建设取得了很大的发展。但与农业发达的国家( 如荷兰、日本等) 相比，还 存在很大的差距，这主要表现在温室的控制和结构方面。在我国从温室中出来的产品 不论从质量、产量还是从成本上都与国外存在一定的差距，还远远不能满足人民日益 增长的需要。我国加入世贸之后，随着农产品市场的开放，国外那些高质量的农产品 必然会大量的涌入国内市场，这就给我国农副产品的市场带来很大的挑战。如果还不 加快我国现代化温室发展的步伐，不仅国外的农副产品会占据国内的市场，而且电不 能从本质上保证人民生活水准的真正提高。 建造温室的目的是模拟一个适于生物生长的气候条件，创造一一个人工气象环境， 消除对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，使其部分或全部克服外界气候的制 约，从而缩短农作物的生长周期，提高作物的产量，获得可观的经济效益。为了使温 室的温度、湿度、光照等更广泛适合农作物的生长，我们就必须人为地对温室内的环 境因素进行检测和控制，才能在温室内给作物提供最佳的生长环境，所以温室的发展 吉林农业大学硕士学位论文 节能型目光温室控制器的研制 电就是温室自动控制的发展。 1 2 温室自动控制系统综述 温室的产生虽然主要是为作物生长提供适宜的环境，但吐三冈气候差异、其使用目 的及其建造的成本呈现不同的结构和特点。我国北方地区的温室主要是为了保温和抗 雪，故北方地区目前主要以日光温室为主，其结构设计的主要方面足考虑温室的保温： 而南方地区的温室主要考虑夏季降温、抗风，其结构就跟北方地区有所不同。各个国 家电会因为不同的气候条件丽有不同的温室结构，比如荷兰，系温带海洋气候，冬暖 夏凉，日照不充足，故采用一种小屋而双坡面的玻璃温室。 1 2 1 国外温室控制技术的研究现状 温室技术最早产生于第二次世界大战期间，主要采用无土栽培技术进行农业生 产，缺少对温室环境变化控制的手段。随着工业技术的发展，美国建成了世界上第一 个植物人工气候室，开展了包括农作物在内的各种植物对自然环境的适应性和抗御能 力的基础研究，对温室应用于农业生产进行了尝试。6 0 年代，奥地利首先将生产性 的高级温室应用于农业生产，建成了番茄生长工厂。到了7 0 年代后，荷兰、日本、 美国、以色列等国家的温室园艺也迅猛发展，此时温室设施广泛应用于农作物、花卉 栽培、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的不断发展，计算机控制技术越来越多 地应用到了温室控制领域“1 。世界发达国家如荷兰、美国、英国等大力发展集约化的 温室产业，已经研制成功对温室内温度、湿度、光照、气体交换、滴灌、营养液循环 等实现计算机自动控制的现代化高科技温室，甚至于育苗、移栽、清洗、包装等也实 现了机械化、自动化。“。荷兰在1 9 7 4 年首次将计算机作为温室气候控制系统的核心 部分使用出现在荷兰及世界市场上。目前，荷兰全国现有的玻璃温室全部由这种气候 控制计算机来操纵控制，并且可以同时控制多个温室单元，形成网络化的温室管理体 系5 。 现代化温室的发展同时也为这些国家带来了可观的经济效益和社会效益。高额的 利润促进了温室生产规模和环境调控技术的发展”1 。目前绝大多数温室装备了用于环 境控制的计算机，主要用来对温室的气候环境和栽培环境进行监测和控制。监测项目 多、控制精度高是这类环境控制计算机进入9 0 年代的特色。在温室内的测控项目包 括空气温度、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、 二氧化碳浓度等。在温室外部则测定大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度 等。控制精度t 要表现在温室内空气温度上，通过对开窗机构进行调：骨，软件综合考 吉林农业大学硕士学位论文 节能型日光温室控制器的研制 虑了，阳光辐射强度、云量、风向风速等瞬时干扰因素，在恒温控制时，可以达到一昼 夜间单点的温度波动偏差很小的程度。此外，遥测技术、网络技术、控制局域网技术 也逐渐应用于温室的管理与控制中。 随着信息技术的发展，在设施农业方面，发达的国家又提出了精确农业的概念。 它是一种适用于包括温室在内的以知识为基础的农业微观管理系统。它的全部概念建 立在空问差异的数据采集与数据处理上，核心是根据当时当地测定的实际需要确定对 作物的投入。在技术i ：包括：通过全球定位系统( g p s ) ，确定农业作业者或农业机器在 田间的瞬时位置，通过传感器及监测系统随时随地采集田问数据，这些数据被输入地 理信息系统( g i s ) ，结合事先储存在g i s 中定期输入的或持久性数据，经专家系统及 其它决策支持系统对信息进行加工、处理，做出适当的农业作业决策，再通过作业者 或农业机器携带的计算机控制器控制变量执行设备，实现对作物的变量输入或操作调 整。应用精确农业技术可在减少投入的情况下增加产量、提高农产品质鼍，降低成本、 减少环境污染、节约资源和保护生态环境。凶此精确农业也是今后现代温室技术发展 的趋势之一。 1 2 2 国内温室技术发展与研究现状 我国自7 0 年代末，才先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了现代化温 室成套设备”。这些温室设备先进、技术领先，虽然如此，在我国的具体使用过程中， 仍还存在如下一些问题：首先，温室的运营模式，没有与中国的实际气候特征结合起 来，因此不能适应我国的季候特征。在外界气温较高时很少考虑降温问题，雨外界温 度较低时，导致能源消耗过大，因此温室的运营效益明显变差；其次，经济效益差， 投入和产出的比率低，而且国内农业生产难以接受很高的引进价格，使之不能大范围 的推广；再次，引进的温室设备对技术的要求过高。为保证正常的运营，要求经营者 掌握多方面的诸如英文、农业技术和计算机技术及机械的运营和维护知识等，这样就 限制了温室的适用范围，在一定程度上也限制了温室的发展；还有，温室的控制方式 一般都比较简单，其实质是基于园艺专家经验，软件实现模式比较固定，难以进步 进行功能拓展，并且各个具体的环境因子控制大都采用比例控制，这一点对于温室这 一类复杂对象不适合。所以，正是基于以上引进的温室存在的诸多问题，目前迫在眉 睫的是研究开发出既经济效益好，又能符合我国国情，并适用于大范围推广应用的、 能自动控制的温室系统。我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技 术的基础b 进行了温室中温度、湿度、光照等单项环境因子控制技术的研究，逐步 推出既适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件需要的温室产品。 9 0 年代至2 l 世纪初，温室控制的研究主要集中在计算机的真接的数字控制，以 吉林农业大学硕士学位论文 节能型日光温室控制器的研制 理，采用现在流行的g p r s 通讯，进行数据的无线通讯设计，实现远程监控和管理。 4 环境参数数据的处理设计：为了保存和分析处理显示数据，进而为将来生产提 供参考依据，需要上位机与下位机通讯。本文采用r s 2 3 2 接门相联，实现了数据综合 管理。主要有通讯、数据显示、图形显示和数据库存储软件，控制数据接收和发送。 5 试验研究：为了检验控制器应用的可行性，对控制器进行了生产中的试验研究。 1 4 本章小结 作为农业大国，为了提高人民的生活水平，迫切需要发展设施农业，作为其关键 技术之一就是温室生产的自动控制水平。我们通过对国内外温室及其控制现状的分 析，在认真总结前人的经验的基础上，探讨了我国在温室控制方面的发展方向：同时 根据实际情况确定了本文所要完成的主要设计任务。 吉林农业太学硕士学位论文 节能型日光温室控制器的研制 第二章控制器设计方案 在温室环境参数的测量与控制器的研制中，主要涉及两方面的问题：温室环境参 数的分析和参数研究手段的确定，最终形成一套总体的测控方案。本章中主要讨论r 环境因子对作物的影响、控制器的硬件设计和软件设计的总体方案。 2 1 温室环境参数的研究及控制方法 众所周知，农作物在其生长过程中，既取决于自身因素，也取决于外部条件”j 。 自身因素指作物本身的遗传特性，外部条件指作物生长的外界环境条件。在品种优良 的前提下，人们努力通过良好的栽培技术及适宜的环境条件来控制生长和发育。影响 作物生长发育的主要环境条件包括：温度( 空气温度及土壤温度) ，光照( 光的组成、光 强度和光周期) ，水分( 空气湿度和土壤湿度) ，土壤和空气等环境条件。所有这些条件 之间是相互作用、相互联系、相互耦合的，环境因子在不同的条件下起的作用不同。 作物的生长发育是这些条件综合作用的结果【。12 1 。为了能够准确地对温室环境参数 进行控制，分析环境因子对生物的影响及其相互关系是很必要的。 2 1 1 温度参数 植物在整个生活周期中所发生的一切生物化学反应，都必须在一定的温度条件下 进行，所以温度是最重要的环境因子之一，它对作物的生长发育有重要的影响。植物 的生理代谢、生长发育存在所谓生长、光合、呼吸“三基点温度”最高温度、适 宜温度和最低温度【1 3 l 。一般低于最低温度或高于最高温度，植物的生理代谢活动都不 正常。通常维持作物生命的温度范围大致在。1 0 到5 0 之间，而适宜农作物生长的 温度，约为5 到4 0 ，农作物发育要求的温度又在生长温度范围之内，通常2 0 3 0 。对温带植物来讲，适宜的生长温度是2 5 3 0 ；呼吸作用的最高温度是5 0 ， 最低温度是1 0 ，适宜温度是3 6 4 6 ；植物进行光合作用的最高温度是3 5 4 0 ， 最低温度是o 5 ，适宜的光合作用温度是2 0 2 5 。表2 1 是几种主要作物的三 基点温度。 由于地球的自转和公转，造成地表热量在时问和空问上分布的不平衡，形成地表 与空气温度在昼夜、季节和地区的变化，往往不能完全满足作物生长适宜温度的需要。 凶此，应根据温室设施的温度条件，随时采取必要的保温、加温与降温措施，以充分 满足作物的适温要求。在中国的北方，由于地理位置的原因，冬季寒冷夏季炎热，必 吉林农q 2 大学硕： 学位论文 ! 壁呈! 垄堡兰丝型墨塑竺型 需要采取升温措施；夏季室温高需要采取降温 须进行温度调节。冬季温室里室温低 措施。 进行温度调节范围般为1 5 3 0 ，精度为土l 。 表2l 几种主要作物的三基点温度( ) t a b l e2 1s e v e r a lk i n d 。fn i nc r o p s l h r e eb a s i cp o i n t st e 叩e r a t u r e s ( ， 常削温度调节方法如表2 2 所示 表2 2 常用温度调节方法 t 8 b l e2 2c o _ _ o n l y _ e t h o do ft e 畔r a t u r ec o n t r 0 1 2 。1 2 湿度参数 水在植物的生长过程中起着很重要的作用。如土壤中的养分，只有溶解在水里， 才能被植物吸收利用。光合作用所产生的有机物质，只有通过水分的作用才能从叶子 运到植物各部分。水分在温室中是以空气湿度或土壤湿度的形式体现出来的。所以湿 度电是温室环境控制中相当重要的一个指标【l ”。 对同一作物，当温室中空气湿度大时，会减少作物蒸腾量，作物不易缺水，有利 于植物的生氏发育，但空气湿度过大，则会使作物的茎叶生长过旺，造成疯长，影响 作物的开花结果。缺点是湿度过高易促成病虫害的发生，并可能发生某些生理障碍。 可是如果温室中的湿度过低，将使作物受到水分胁迫而使生长受阻。 不同的作物对湿度也有不同的要求，针对作物中所有作物的特性，控制系统应该 控制相应湿度，满足作物的要求。国外有人对番茄产量与湿度的关系研究表明：高湿 度导致番茄叶片变小，叶面积显著减小( 最多时下降达5 0 ) ，并最终导致总产量的降 低( 高湿比低湿组合产量下降5 2 4 ) 。高温还可导致番茄、黄瓜叶片缺钙和缺镁， 使叶片失绿，光合效率下降，从而导致产量下降。因此必须重视湿度问题，并进行经 济而有效的控制。但也并不是湿度越低越好。b e k k e r e t 等( 1 9 8 7 ) 对黄瓜的研究表明， 吉林农业大学硕士学位论文 节能型日光温室控制器的研制 同样，在补充二氧化碳的情况下，许多蔬菜作物的光合和生长适温也相应提离。由于 植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用，呼吸强度随温度的升高而增加。在弱 光条件下，更宜降低温度以提高净光合速率。因此，对单因子的控制是不能达到良好 效果的。所以设计微机控制的温室多参数测控系统进行温室环境因子的实时检测，作 为温室环境多参数数值设定和控制的基础，同时辅以有关的生理、物理和调控技术以 及各环境因子的相互耦合系数，使温室各参数因子控制在相刑最佳组合的水平，这样 才能使温室种植者获得最佳的产量与经济效益【1 6 l 。 2 2 温室控制器总体方案 2 2 1 控制器设计要求 温室环境的控制，归根结底是一个计算机控制系统。根据控制对象的不同，计算 机控制系统设计的具体任务也不同，但是按照计算机控制系统的分类及各自的特点， 不管属于那一类，其设计的总体要求基本是一致的，总结主要有以下四点【1 7 l ： 1 、具有良好的系统操作性。系统的操作性能好，包括两个方面的含义：使用方 便和维护容易。这个要求对计算机控制系统来说是很重要的，硬件和软件的设计都要 考虑到这个问题。硬件设计上，应该考虑使系统的控制开关不能太多、太复杂，还要 使操作顺序简单。在软件设计上不仅要求能方便操作人员掌握和使用，还需有较强的 人机对话能力。必须在系统设计时就考虑到一旦发生故障，如何能查找定位以便尽快 排除，因此往往要求软件在设计时就要配置查错或诊断程序，以便当故障发生时能用 软件来查找故障发生的部位，缩短故障排除时间。在硬件方面的要求就是要求硬件的 配置及安装位置便于操作人员进行维修。 2 、具有良好的通用性，便于扩充。一个计算机控制系统，一般可以控制多个设 备和不同的过程参数，但是各个设备和不同的被控对象的要求是不同的，而且设备和 被控对象往往不是一成不变的，控制设备会有更新，被控对象会有增减，系统设计时 要考虑到这一点，使系统无需太多改动就可以适应新情况。这就要求系统的通用性好， 能够灵活方便的进行扩充。要使系统达到这样的要求，设计时必须使系统设计尽可能 标准化，对于总线要采用通用的总线结构，以便在需要扩充时，只要增加标准插件板 就能实现；在速度允许的条件下，可以将接口部件的操作功能用软件来实现。同时系 统设计时各设计指标应留有一定的余量，例如c p u 的工作速度，内存容量，输入输 出通道等，这也是系统便于扩充的一个条件。 3 、具有良好的系统的可靠性。这是计算机控制系统重要的一个基本要求。因 为系统旦出现故降时将有可能造成整个生产过程的混乱，引起严重的后果。而在剐 吉林农业丈学硕士学位沦文 节能型日光温室控制器的研制 系统可靠性的考虑中，特别是对c p u 的可靠性要求更应严格，所以在处于计算机控 制系统设计阶段通常就应考虑到适当的后援手段。一旦汁算机控制系统出现故障，就 将后备机( 一般采用常规的控制装置作为后备机) 切换至控制回路中，以维持生产过程 的正常运行。 4 、具有设汁周期短、价格便宜的特点。在计算机技术迅速发展的今天，各种新 的技术和新型产品不断出现，在满足精度、速度和其他性能要求的前提下，应该尽可 能地缩短计算机控制系统的设计周期和尽量选用价格相对较低的元器件，以降低整个 控制系统的成本和费用。 根据以上的设汁计算机控制系统的基本要求及参考前人的经验，提出以单片机为 检测核心、p c 机为上位机、通过g p r s 能实现无线通讯的温室控制器的设计方案， 着重是单片机检测及控制算法和无线通讯的设计。 2 2 2 温室控制器的总体硬件方案 本控制器主要的构建思想为：第一，以8 9 c 5 2 为核心，通过传感器采集到温室 环境参数值，然后进行处理和分析及显示，支持中断方式和查询方式读取数据。第二， 采用g p r s 技术，将采集到的环境参数实现远程传输和现场控制。第三，采用模糊智 能控制算法实现控制任务。系统原理结构框图如图2 1 所示。 其主要的工作原理为：通过传感器将温室内的各种环境参数转换成相应大小的电 信号，由单片机进行巡回检测，将检测结果实时显示，按既定的控制算法进行实时决 策，对各参数进行实时控制、调节，输出控制参数，驱动执行元件，以满足作物生长 需要。在保证温室达到基本控制要求的前提下，为简化控制方案，测量的项目应该尽 可能的减少，最重要的温室内部环境参数即空气温度、湿度、光照及二氧化碳浓度作 为基本监测和控制项目。 立苎查些奎兰堡主堂竺堡兰 羔墼型! 些塑皇丝型墨竺竺型 图2 一l 系统结构框图 f 唔2 一ls y s s t m n u r ed i a g 俺m 2 2 3 温室控制器总体软件方案 根据以上温室系统结构图以及相互之间的关系，软件的设计围绕功能的实现进 行。由实现主要功能的主控模块和实现辅助功能的辅助模块构成。 两大部分组成的结构图如图2 2 所示： 吉林农业大学硕士学位论文 节能型 乜舢p 嚣瓤鼬瓢韵扎 霪蚕繁囊麓摇藕攀馨羹鬻冀蠢蓊薰 崭剥鼎斧h 栏托型帮型j 鞠特删爹蓦浅塑势巍翘谭哺嘏粼鬻嘎泫磊蠕湖曦汤鼎 骥。崾秀磐碾臻箍熬何 l 蝎班；潍蝉嬲m 耋。导弹堡虿；黔甄磐型旨骘判创鹭妙 鲞；鹱射彰劐尊量垂需睫增j 话雠豁剿基堇漾爵芥辫筠* 趔雾簦塑j 一蜡 控制系统，既主要针对温室内的温度、湿度、照度、 c 0 2 浓度，具体对应关系表示如下： x 吉林农业大学硕士学位论文 节能型日光温室控制器的研制 随着科学研究的不断深入，研究的对象越来越复杂，高维数变最、非线性分布和 时变甚至非结构变量系统的研究与控制越来越难建立，对系统的控制精度要求越来越 高，这样就使复杂性与精确性形成了一对_ 卜分尖锐的矛盾( ”】。常规的控制方法般都 要求建立精确的数学模型，但有些对象难以用般的物理化学方面的规律描述，有些 影响因素很多，而且相互之问又有相关耦合，使其模型很难建立以至于没有实用价值。 因此，在这种情况下，传统的基于精确数学模型的控制系统受到了严峻的挑战。 1 9 7 4 年，英国的ehn a m d a l l i 首先把模糊控制语言组成的模糊控制器用f 控制 蒸汽发动机，在阱后的2 0 多年中，模糊控制越来越受到人们的重视2 ”。 模糊控制是根据对控制对象的粗略知识与人们的生产技能等知识，导出自然语言 的控制规则，利用模糊理论进行控制的一种控制方法，它把多值逻辑、概率论、人工 智能和神经网络结合在一起，并具有坚实的数学理论基础。模糊控制规则是使控制对 象的操作方法模型化，利用“i f t 皿 x 吉林农_ k 大学硕士学位论文 节能型甘光温室控制幂的研制 3 3 模糊控制的实现 由于温室在农业生产中的特殊性，即为了满足作物的生长发育，需要对影响作物 生长发育的多个参数进行合理控制，因此它是一个复杂的多变量控制系统。而温室温 度和湿度是影响作物生长的主要因素，因此在此只选取空气温度和湿度作为输入变 量，作为输出变量的执行机构选择加热、微喷和风机。 3 3 1 模糊推理 模糊推理就是根据模糊推理规则，有前提推断出结论的过程。模糊推理是种不 确定的推理方法，其基础是模糊逻辑，它是在= 值逻辑三段论的基础上发展起来的。 在这里采用的是种普遍使用的m a m d a n i 推理方法。m a m d a n i 把模糊蕴涵关系a b 用a 和b 的之积表示，即有 a + b = a b 即r ( h ，v ) = a ( p ) a b ( v ) ， m a m d a n i 推理方法主要是实现“i fa a n dbt m 、nc ”形式的模糊推理，能获得 较好的使用效果。 3 3 2 模糊控制器的基本组成 模糊控制器的结构框图如下 图3 1 模糊控制器的结构框圈 h 鲁3 一lf h 跹yc t r 0 u e rs t r m t i l r ed i a g r a m 从框图中可以看到模糊控制器由以下几部分组成：输入、输出量的规范化；输入 量的模糊化；语言逻辑控制；模糊逻辑推理；输出量的非模糊化。输入、输出量的规 范化是指将控制器输入和输出限制在规定的范围之内，以便于控制器的设计和实现； 控制器的输入值一般都不是模糊数，为了便于模糊控制的工程实现，需要将输入值转 换为模糊量，即人为的分为离散的若干级。语言控制规则和模糊逻辑推理是控制器的 吉林农业大学硕士学位论文 节能型日光温室控制器的研制 核心。根据模糊输入量和语言控制规则。模糊逻辑推理决定输出量的一个分布函数。 非模糊化过程将输出量的分布函数转换为规范化的输出量。最后控制器将规范化的输 出量转换为实际的输出值去控制系统“。 由模糊控制器为主构成的模糊控制系统结构框图如下： ，堡 控制量被控对象 给定偏差+ 差 。”一m 一 目3 2 模糊控制系统结构框图 f 酶3 - 2f u z z y 啪t m ls y s e ms t r u c t u 代d i a g 伸m 3 3 2 1 模糊控制算法的实现方式 模糊控制算法有多种实现方式，常用的有合成推理的关系矩阵法、合成推理的查 表法、合成推理的解析公式法、强度转移法和后件函数法等。各种方法有各自的优点， 也有局限性。我们采用单片机实现模糊控制，就不能进行矩阵运算，而采用查表法实 现模糊控制：既建立实现模糊控制的响应表，在软件设计中将该表放置到程序存储区 的某一个位置，在实际控制过程中，模糊控制器把输入变量量化到输入量的语言变量 论域中，在根据查表的结果求出控制量“。 3 3 2 2 模糊控制响应表的建立 以温室环境自动控制系统的冬春季温度控制为例，来说明控制响应表建立过程， 其它控制仿照此方法进行。根据温室环境温度控制的特点，我们采用两输入一输出的 模糊控制方法。两输入指温度偏差e 和温度偏差变化率e ( = ，一输出指不同的设备运行 状况组合。模糊推理采用m a m d a n i 法 2 6 】： 步骤1 ：定义模糊子集和语言论域等级。 定义温度偏差e 的模糊子集为 n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b ) 定义温度偏差变化率e c 的模糊子集为 n b ，n m ，z ，p m ，p b ) 定义输出u 的模糊子集为 n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ) 其中，模糊子集代码的含义如表3 1 所示。 吉林农业大学硕十学位论文 节能型日光温室控制器的研制 表3l 模糊子鬃代码的含义 t a b j e3 - if u z z ys u b s e tc 0 赴m e a n i n g 代码 bn mn s2 p sp mp b 古义大负中负 小负 零 小正中正大正 步骤2 、定义输入输出的隶属函数和赋值模糊控制规则表。 为了简化计算，在保证性能的前提下，输入均采用三角隶属函数。f 图3 3 所示 为温度偏差e 的隶属函数；图3 4 所示为温度偏差变化率e c 的隶属函数：输出采用棒形 隶属函数，棒形隶属函数是其它隶属函数幅度为零的特例。图3 5 是输出u 的隶属函数。 拟沁k 32l0123 图3 3 对应e 的隶属函数 f 培3 3t h em e m b e 删h i pf u n c c i o n sc o r 傩o i o n d i n ge 厂 一21o12 图3 4 对应e ：的隶属函数 f i 昏3 - 4t h em e m b e r h l p 如n t i 蚰sc o r r e s p 硼d i 豫e c 吉林农业大学硕士学位论文 节能型日光温室控制器的铲制 n bn mn s zp s p m 图3 5 输出u 的隶属函数 f j g 3 5m em e m b e r ；k pf u n c 峙o n st oo u t p u tu 根据操作者的手动经验司以得到如表2 2 所示的模糊控制规则表。 表32 模糊控制规则袭 t a b l e3 _ 2f u z z yc 曲t 阳lr i l i et a b i e n bn b n bn mn mzp sp s n mn