（农业电气化与自动化专业论文）温室环境控制器的开发.pdf

巾嘲农业大学硕l 。学位论文 摘要 摘要 温室环境控制器的开发是国家自然科学基金项目“温室环境动态建模与控制算法研究”的课 题研究任务之。本人借桀了国内外温室控制器的开发思想，针对我国目前温室产业的现状，开 发出了一套温室环境控制器和上位机采集软件，即一套适于温室农业生产过程的控制平台。温室 环境控制器能实时采集和监控温室的各种环境参数，上位机软件能读取控制器中的数据，并进行 处理和存储。 本文介绍了了国内外温室环境控静j 技术的发展及现状，分析了温室调控技术的特点，采用变 温管理模式，进干j 四季温度调控。温室环境参数和执行机构状态的采集以及控制命令的输出都是 通过4 8 5 总线实现。利用8 2 5 1 扩展一个串口，温室控制器可以分别与k 位机和下位机通过4 8 5 总线进行通信。介绍了控制器与上位机通信协议的设定，上位机软件的实现。 本文重点：温室环境控制器的硬件和软件的实现，上位机软件的实现。 温室环境控辨器系统已经在试验温室中调试运行，实现了对温室中的各个环境参数的实时采 集与监控，上位机软件能实现与控制器的通信和对数据的处理存储，在长期测试后表明该系统符 合设计要求，可以投入实际使用。 【关键词】：温室，环境参数，控制器，上位机软件 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o l l e ri so n eo ft h et a s k so fn a t i o n a ln a t u r e s c i e n c ef o u n d a t i o n - - “r e s e a r c h e so nd y n a m i cm o d e l i n ga n dc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mo fg r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t ”b o r r o w i n gd e v e l o p m e n tc o n c e p t i o n so fg r e e n h o u s ec o n t r o l l e rf r o mh o m ea n da b r o a d ，a g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o l l e ra n dd a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r ef o rp co ni n d u s t r i e so fg r e e n h o u s e a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ni no u rc o u n t r ya r ed e v e l o p e d g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tc o n t r o l l e rc a na c q u i r e a n dm o n i t o rp a r a m e t e r so f g r e e n h o u s e ，a n ds o f t w a r ef o rp cc a nr e a dd a t af r o mc o n t r o l l e r , p r o c e s sa n d s t o r ea c q u i r e dd a t a c u r r e n ts t a t u so fg r e e n h o u s ea n dt h et e c h n o l o g i e so fe n v i r o n m e n tc o n t r o l l i n gw e r ei n t r o d u c e d ； f e a t u r e so f t 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 o l l i n gw e r ea n a l y z e d t h es y s t e mu s e st e m p e r a t u r e - v a r i e d m a n a g e m e n tm o d ef o rf o u rs e a s o n s t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fg r e e n h o u s ea n d a c q u i r e ds t a t e so f t h ec o n t r o lu n i t sa r et r a n s f e r r e dt h r o u g h4 8 5b u s a n o t h e rs e r i a lp o r tw a se x t e n do na s i n g l ec h i pc o n t r o l l e rb y8 2 5 1 ，t h u st h eg r e e n h o u s ec o n t r o l l e rc o u l dc o m m u n i c a t ew i t hb o t hm o d e la n d p ct h r o u 曲4 8 5b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nc o n t r o l l e ra n dp c ，r e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r e w e r ei n t r n d u c e d t h ek e yp o i n to ft h i sp a p e ri st h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o l l e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e r e a l i z a t i o no f t h es o f t w a r eo np c t h i sg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o l l e rs y s t e mh a sb e e nt e s t e di ng r e e n h o u s e ；r e s u l t ss h o wt h a t i tc a na c q u i r ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so f g r e e n h o u s ea n dp e r f o r mr e a lt i m em o n i t o r i n g t h es o f t w a r e o f fp cc a nc o m m u n i c a t ew i t hc o n t r o l l e ra n dp r o c e s sd a t a l o n gt i m et e s t i n gp r o v e st h a tt h i ss y s t e mc a n m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n di sr e l i a b l et op u ti n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：g r e e n h o u s e , e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ，c o n t r o l l e r , s o f t w a r ef o rp c i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究：【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，也不包含为获得中国农q k 大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同上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。 研究生签名：李傻时间：6 年6 月岬日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、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。同意中国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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 著傻 斑南争 时间：函一年4 月尸日 鼬涌：v 一薜6 玛日 1 1 前言 第一章绪论 农业是我国国民经济的基础，农业发展的好坏始终是保证我国经济发展和社会稳定的最 蕈要因素。目前，我国农业形势发生了根本性变化，农业牛产进入了主要依靠科技、提高农 产品质量、加速结构调整、迅速增加农民收入、提高农业整体效益、改善生态环境以及大力 提高农业国际竞争力的新时期。技术密集的内涵型增长方式将成为农业发展的主要方向。通 过知识和技术创新，走技术替代资源的道路，实现我围农业从传统的粗放、低效、资源高消 耗型增长方式，向集约、高效、资源节约、可持续型生产方式的根本转变。发展工厂化农业 是实现这一转变的蕈要途径。 制约农业生产的因素可以概括为遗传和环境两个方面。遗传决定生物生长发育的潜在可 能性，而环境则决定生物的遗传潜力能在多大程度上得以实现”j 。农业生物在个地方能否生 存、繁殖以及它们生产力的高低都取决于它们能否适应当地的环境条件，或者在生产中能否 为它创造一个适宜的环境。那些传统的生产技术要继续推动农业生产发展已受到种种条件的 制约，于是，人们开始把目光集中在生物环境问题上。 综合环境调控是以作物的快速生长、优质、高产为目标进行生| 丈环境条件监测、分析与 调节。在进行综合温室环境调控时不仅要考虑温室内外各种环境因子和作物生长发育情况， 而且还要从栽培者经营角度来考虑，考虑到各种生产资料投入的成本、市场价格变化、资金 周转和栽培管理作业等经济性因子，以最大的经济效益为目标进行综合环境调节及管理。因 为对设施温室进行综合环境调控，为植物提供生长所需的最佳综合动态环境条件，其最终目 的是为了获得最大的经济效益”。 综合生产管理应该在综含环境调节的基础上，随时根据市场变化与效益分析，对目标环 境指标进行修订，以期获得最大的经济效益。在市场变化与竞争日趋激烈的情况下，加强综 合环境调控与生产管理是十分必要的。如，在实际生产中温度的设定值并不是按照作物的最 人产量来决定，还应该充分考虑温度调控用的燃料的价格、收获时期、市场预想价格等来综 台判断而决定的。另外，设旅内的环境因子是密切相关，相互影响的，例如设施内的换气会 影响设腌内气温、c 0 2 浓度、湿度、光照强度等。 工厂化农业成为农业现代化的必由之路。作为工j 化农业重要硬件设施的温室，其核心 是环境控制技术。现代大型温室中，所有环境因子如室内温、光、气、湿、热、营养液养分 状况与温度、植物根部环境温湿度等因子的监测、传感、调节，都由计算机进行综台管理， 实行自动控制。近年来，利用计算机来解析这些复杂的关系，并综合判断各执行机构的运转 状况的智能环境控制系统在温室环境综合管理中得到长足的发展。在选用优良品种以及科学 的管理措施的条件下，采取各种环境工程手段来改善农业生物的生活环境，以适应现代农业 高产量的要求。现代农业需要种能够经受大风和大雪的，劳动投入较少的，能提供良好劳 动环境的自动化系统，并且要求是保温和通风性良好的，具备综合性能的现代化温室。但是 目前我国设施农业才刚刚起步，相当一部分温室生产效益低。温室环境调控能力和调控水平、 中国农业人学聩士学位论文 第一章绪论 十产管删水平低，仍主要是依据管理者个人经验和主观感觉进行袂策的粗放式管理。温室环 境调控与生产管理设施还未完善配套，较多温室环境监测与控制系统硬件与软件依赖国外进 口。冈此开发出符合中国国情的自动化温室系统，才足解决问题的关键“1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外现状 自动控制温窜是荷兰、法国、德国、日本等发达国家首先发展起来的种现代化温室， 世界上现代化温室最多的国家是荷兰、法国、美国、日本等国，荷兰在8 0 年代来期现代化温 室面积就己达1 万公顷。由于这种温室可以自动控制温室内的温度、湿度、灌溉、通风、二氧 化碳浓度和光照强度等生态因子，以番茄生产为例，每，l 方米现代化温室一季可产3 0 一5 0 公 斤，相当，：露地栽培产量的十倍以上。目前，现代化温室发展的主要问题是能源消耗大、成 奉高，因此近年来一些国家大力研究温室节能措施，改善控制手段，对温室控制提出r 更高 的要求。 l 、发达国家设施农业的现状 目前欧美的荷兰、美国、以色列、法国以及亚洲的日本、韩国是世界温室应用昂广泛、控 制技术最先进的国家。国际先进的温室，除了结构设计、覆盖材料、配套设施方面达到较高 水平，具有品种多样，质鼍可靠，寿命长的优点外，先进的控制系统也是其技术优势之一， 室内配套设旌齐全( 如具备温度、湿度、施肥、灌溉、喷雾、喷药、通风、日照、补光、c 0 1 的 调控功能等) ，尤其是计算机控制的自动化智能化环境调控系统水平很高，可以根据不同作物 的生长需求，提供相应的专家控制策略，从而可以达到很好的环境调控和节约能源的效果。 大多数国家生产上应用的以塑料温室为主，荷兰等西欧国家由于气候的原因以玻璃温室为 主。温室骨架材料为钢材骨架和铝合金屋顶，覆盖材料一般都分两层，即外覆盖材料和内覆 盖材料，外覆盖材料多用各种塑料薄膜、玻璃、玻璃纤维加强聚醋扳和聚酸醋板：内覆盖材料 有保温帘( 用于冬季或夜间提高保温性能) 、遮阳网或各种降温降湿材料( 用于夏季降低温室内 的温度和湿度) 。发达国家的温室覆盖材料都具有高适光性、高保温性、抗老化、使用期长等 特点。近年米同本、美国开发出的功能膜具有光谱选择、降温、杀菌、防虫等特点。温室用 能源以石油和天然气为主。在温室的管理上引进了计算机技术，实现对温室内的温度、湿度、 二氧化碳浓度和温室外的温度、风雨、日照以及植物生长状况的自动控制。基本上实现了温 室的机械化、自动化和现代化。 发达国家的温室种植品种均以高附加值的蔬菜、花卉和特种水果为主，蔬菜品种以果菜类 蔬菜为主，少量以无土栽培方式种植叶菜类蔬菜。温室种植产量最高的每亩可产黄瓜4 万公斤， 相当于陆地生产产量的8 倍，以色列创造出每公顷温室每季收获3 0 0 万枝玫瑰的高产量。 国外温室类型主要是属于现代化温室阶段的大型联栋温室，其中荷兰大型联栋温室是世 界温室典范。从技术上讲，我国还是低投入、低能耗、低产出的模式，发达国家由于科技发 达、经济实力强，设施农业采取的是高投入、高能耗、高产出的技术路线，其加热、降温、 补光、灌溉、营养液配置、c o z 施肥、自动监控与集中控制系统傧备，基本摆脱农业资源( 耕地、 2 水、气候、环境等) 限制，实现了农业生产的工、f k 化”1 。 2 、发达国家设施农业的发展趋势 ( 1 ) 温室大型化。随着温室技术的发展，发达国家的生产型温室不断向大型化方向发展， 美国1 9 9 4 年以来在南方新建多处大型温室，单栋面积均在2 0 公顷以r 。荷兰、比利时的温室 户营规模一般为2 公顷左右，每座温室的单栋面积都在半公顷以上，日本提出的温室发展方向 是单拣面积5 0 0 0 平方米以上的温室。 ( 2 ) 岛新技术化、工厂化。发达国家应用于设施农业的高新技术主要有：无上栽培技术、营 养液调配技术、环境监测调控技术、二氧化碳施肥技术、蜜蜂授粉( 生物) 技术、基质消毒技 术、机械消毒技术、机械化作业技术、产品采后处理技术、新能源技术、激光技术、空间技 术和海洋工程技术等现代技术，使设施农业逐步向植物工厂方向发展，从而向设施农业的高 级彤式t 厂化农业演变。 ( 3 ) 温室产品多样化、特色化。除蔬菜、水果和花卉等温章常规作物外，凡是能产生高附 加值的如香料、特种植物、工业原料植物、药用植物、食用菌和其它观赏植物均已成为温室 栽培的主要品种。同时各国又在产品的特色上大做文章，以花卉生产为例，由于国际花卉乍 产布局基本形成，荷兰逐渐在花卉种苗、球报、鲜花、自动化生产后面占有绝对优势：美国在 草花及花坛植物育种、盆花、观叶植物生产方面处于世界领先地位。 ( 4 ) 温室产业向节省能源、低成本的地区转移。 1 2 2 国内现状 在我国，温室面积居世界首位，塑料大棚、中棚及口光温室为我国主要设施结构类型。 其中能充分利用太阳光热资源、节约、减少环境污染的臼光温室为我国所特有。1 9 9 7 年我国 日光温室面积已超过近1 6 7 2 r 公顷。由农业部联合有关部门试验推广的新一代节能型日光温 室，每年每亩可节约燃煤约2 0 吨。但是其缺点也是显而易见的。温室主要是结构简易、设备 简陋的日光温室，根本谈不上温、光、水、气等环境的综合调节控制。温室生产的劳动生产 率低，以人均管理温室面积比较，只相当于日本的i 5 、西欧的1 5 0 、美国的1 3 0 0 “。 由于缺乏配套技术与设备、我国温室环境控制能力低，抵御自然灾害能力差，技术含量 低，生产潜力有限。我国温室普遍产品产量低、产品品质羞。其巾重要原因之一是环境调控 管理技术水平低。目前我国温室生产环境调控和生产管理还主要是根据露地生产经验，对各 环境因素进行单独调控，实际操作多是生产者凭经验和感觉，具有很大的不确定性。国产的 大型温室和早期引进的温室也基本靠人工经验管理，半机械化操作，对温室中的光、温、水、 气、肥等环境综合考虑、实行全面综合的最优化控制管理技术尚未确立。在对温室内植物生 长与环境关系、生产科学管理方面的研究，以及温室栽培作物的生长模式、温室综合环境预 测分析模型和栽培专家系统等方面的研究还相当薄弱。 温室装备产业化程度低温室装备生产分散，技术水平低，企业还处于自由发展、低水 平竞争阶段，仓业规模小，产品质量不高，舀己套技术服务也跟不上，还没有形成温室装备生 产龙头企业。我国的计算机控制技术还大多处于单控制器+ 单传感器+ 执行机构这种较原始的 状态。出于温室特殊的高温、离湿环境，各类国产传感器的可靠性、稳定性也是一个较为重 3 中国农业人学硕士学位论文 帮章绪论 要的问题，急需解决。此外，温室控制的计箅机软件也有待于进一步开发“。 我国设施农业发展中存在的问题： 1 、管理体制和机制落后，设施农业生产效益差； 2 、设掩规模小，不利于规模效益的发挥； 3 、装备水平低，劳动强度人，劳动生产率低下； 4 、土地利用率低： 5 、产量低、品质差； 6 、施农业科研欠缺，专用装备产品品种和数量少，缺乏统一的标准。 计算机在我国农业中的应用开始于2 0 世纪7 0 年代，n 2 0 世纪8 0 年代中期开始应用于温室 控制与管理领域。在接下来的2 0 年间，我国先后从荷兰、以色列、日本、美国等国引进了许 多先进的现代化大中型温室，在确定引进的温室中，大多数为大犁连栋温室。其中大型的连 栋塑料温室约占2 3 以上，其余为玻璃温室。例如，上海自1 9 9 6 年n 2 0 0 0 年陆续从荷兰、以色 列、法国引进7 3 0 公顷现代化蔬菜温室。并组织力量进行了认真的消化和吸收。在吸收发达 国家高科技温室环境控制技术的基础上，我国科技人员也进行了温室内部环境因子控制技术 的综台研究取得了一定的成果。 由于国外、溢室地域特色明显，导致从国外引进的温室不能很好适应我国气候条件。例如， 荷兰系海洋性温带气候，冬暖夏凉，但冬季日照百分率低，光照弱，降雪量大，因此其温室 设计具有明显的荷兰地域特色，其主要考虑承载、保温和采光，一般不设降温设施，通风窗 设计得比较小，在中国大多数地区无法满足夏季降温要求，而建在北方则保温性能也达小到 要求。以色列则地处荒漠气候区，常年温暖、千燥，最低气温在o 。c 左右，年降水量不足3 0 0 m m ， 口照充足，光照强，因此，以色列在温室设计上一般没有将采光和采暖作为主要问题考虑， 温室的主体结构相对高大，对雪载考虑较小，风载考虑较多，采暖设备相对简单，而对通风 考虑较多。以色列温室加热设备相对简单，在我国北方就存在冬季加热困难问题”。所以开 发出符合我国国情，经济实用的温室控制系统是非常有必要的。 1 3 选题意义 随着我国温室应用的增长，温室环境控制技术也逐渐发展起来。而要实现自动控制，就 必须要对温室的环境因素进行数据采集和存储。所以温室环境撺制器的开发就成为温室控制 系统中的重要的一环。控制器的数据采集是获得数据的重要方法，测量的手段主要依靠各种 传感器的工作。控制器对温室的控制就是在计算机分析温窀环境数据后对温章中不适宜的 环境因素进行调整，这种调整主要是通过温室中的各个执行机构进行控制。根据我国农村的 实际情况，温室控制器的价格不能太高，所以必须要设计一款价格低廉又实用控制器。 我国温室经过多年的发展形成了以f 几类温室控制系统。 温室控制d c s 系统，这类系统的典型模式为：以计算机系统为中心，通过采集卡来搜集温 室的环境参数，采取有限的控制决策，通过i 0 v i 来控制执行机构调控温室环境；或者是基于 单片机或p l c 的测控系统。由于拓扑结构的限制，这类系统布线繁多、维护麻烦，系统造价偏 高。 4 基于r s 一4 8 , 5 总线或m o d b u s ( 兼容r s 一4 8 5 ) 的分布式控制系统“。r s - 4 8 5 总线为主从结构， 通讯由主节点发起，把从节点参数部传到主节点，由主节点做出控制决策，再以命令形式摔 制从节点实施，从而使r s 一4 8 5 系统得以适应提高温室控制系统性能的要求”“。而这种系统的 价格不高，正好适合我国农村的现状。 所以，将r s 一4 8 5 总线应用于温室控制中，建立摹于r s 一4 8 5 总线的温室控制系统，将改 善温室控制系统的通讯性能，为提高温室控制系统的性能提供较大的空间。 1 4 课题研究内容 l 、利用8 2 5 1 为8 9 c 5 2 扩展一个串1 2 ，使控制器能分别与总线h 模块和上位机进行通信 2 、采用d s l 3 0 2 为时钟芯片作为时间基准并控制数据采集的周期： 3 、采集并存储温聿环境参数； 4 、实现控制器的键盘和显示功能； 5 、上位机软件的编写。 5 第二章温室环境调控技术 2 ，1 温室环境调控的目标 2 1 1 温室环境因子 一切生物进行正常的生命活动都需要一定的环境条件，包括物理、化学和生物环境条件。 分析环境因子对生物的影响及其相互关系为生物的生k 、繁育创造更适宜的条件”。影响 作物生长的主要环境网子有温度、湿度、二氧化碳、光照、土壤p h 值、营养液等，为了能使 作物达到高产高质，必须要对这些环境因子进行调控。 1 、温度 作物生长发育及维持生命都要求一定温度范围，在适宜温度下，作物不仅生命活动旺盛， 而且生长发育迅速。作物不同生育期对温度的要求也有差异，一般作物发芽期适宜温度较高， 开花结果期不仅要求温度较高，而且此期对温度反应敏感，适应范围较窄，高温和低温容易 引起作物的损伤。温室设施内的气温、低温对作物光合作用、呼吸作用、作物根系的生长、 活性及根毛发生，都有显著的影响。能否为作物提供适宜其生长的环境温度是衡量作物高产 高质的关键因素之一。 2 、湿度 温室内的湿度主要包括室内空气湿度和土壤湿度两方面。温室内土壤水分偏多或过少均 妨碍农你物的正常生长发育。水分长时间偏多容易降低土壤中的含氧量，导致烂根，抑制根 系伸长生长，报系分布浅，根群小，低温季节土壤水分多还易降低地温，抑制报系活动及土 壤生物的分解活动。使肥料利用率降低。土壤水分不足可导致植株萎缩，生产上多用浇永等 方法调节士壤水分使其满足蔬菜生长麓育的需要。另外。空气湿度与病原微生物的繁殖密 切相关，并且不同作物对空气湿度的要求也有不同。温室内应保持一定的湿度，满足作物的 要求。 3 、二氧化碳 植物体进行光合作用时吸收二氧化碳，放出氧气。二氧化碳是作物光合作用的重要原料 之一，犀时对温室农作物生长影响最大的气体也是二氧化碳。二氧化碳浓度不足时，植株的 光合作用减弱，光台作用数量少，供应养分不足导致植株生长缓慢，产量低，品质差，补充 _ 氧化碳时要注意浓度不能过高，因为浓度过商会造成农作物的中毒，如叶片美蔫、黄化落 叶、果实畸形等。通过试验研究表明适量增加二氧化碳浓度对提高农作物的产量、质量有良 好的效果。 4 、光照 太阳能是切生物进行生命活动的起始能源，光通过化学反应、光电效应、光热效应， 实现光能的转换和能量的流动。光对生物的影响来自两个方面一为生物的生理代谢提供能量， 二为生物形态的形成提供适宜的温度。光是光合作用主要能源，光台作用的形成不仅与光照 的强度，而且与光照的时间有关。在。定的辐照强度下，温室光照分布越均匀，作物的光能 6 l 】坦农、l k 大学坝士学位论文第二章温室环境调控技术 利用率越高。为了使作物快速生长必须保证作物的光照时间、光亮和光质，以进行充分的 光合作用。 5 、十壤p h 值 不同土壤其p h 值不同，大多数土壤p h 值在4 9 之间。上壤p h 值对养分有效性的影响是多方 面的。p h 值不同，既能直接影响土壤中养分的溶解或0 c 淀，叉能影响土壤微生物的活动，从 而影响养分的有效性。 6 、营养液 营养液包括水分和养分。一切生物体的生长都离不开水。植物吸收的养分是呈溶解状态 的，所以水分是土壤养分有效化的溶剂。只有溶解在土壤溶液中的养分才能通过扩散和分流 到达根茎，在实际生产中，土壤水分不足时，施肥效果很差。土壤水分对养分的转化虽有良好 的作用，但必有在适宜的土壤含水量范围内，植物才能正常地吸收水分和养分。土壤水分过 多时，容易造成有效养分的流失，也容易使土壤通气不良，造成某些还原态养分的增加，而 不利于植物吸收。土壤水分过少，有效液态养分也随之减少。不同的农作物以及作物的不同 生长时期，对水分和养分的需求不同。通过控制水质可以减少痫虫害的发生，适时适量地给 作物提供各种养分，可以促进作物的良好生长。 温室环境可以分为无个部分： 主控因素：包括温室内通风率，通风形式，热量补充，蒸发降温； 干扰因素：包括室外天气条件植物产生的热量和气体： 被控因素：包括室内温度，室内湿度，室内光照等； 温室结构参数：包括建筑的热传递特性，植物数量，加热能力和通风能力，蒸发降温 效率； 温室结构：温室结构决定干扰输入，温室结构参数及丰控因素之间如何互相作用来影 响被控变量。 其中被控变量即通常所说的温室环境因子，是控制系统酹最终控制目标。在充分考虑到 干扰因素及温室环境参数的前提下，如何通过调节主控因素，虽终使被控变量维持在要求的 范围内，是温室控制的最终目标，也是本课题的研究内容。 2 1 2 温室环境调控目标 温室控制系统总的控制目标就是创造一个适合于作物生长的人工小气候环境，包括适宜 的温室温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及水和营养液等1 2 “。在温室智能控制器的作用下， 把各种环境因素维持在适台作物牛长的水u 甲，给作物创造一个优良的生长环境，以期获的优 质，高产和低耗的日的，实现最大的经济效益。 2 2 温室环境调控技术硬件 2 2 1 温室环境调控系统 7 中国稻l k 人学硕士学位论文 第二章湓室j f 境调控技查 温幸的环境调控系统包括：l 、强制通风湿帘降温系统；2 、自然通风系统；3 、热水采暖 系统；4 、太刚能地下热交换系统；5 、温室保温系统；6 、幕帘与遮阴系统。各个环境调节系 统的特点与功能介绍如下： t 、强制通风湿帘降温系统 强制通风湿帘降温系统由风机与湿帘组成。主要用于夏季，蚓处于高溢，自然通风系统 能起到降温作用。 2 、自然通风系统 自然通风系统由天窗和侧窗组成。自然通风系统的作用原理包括热压作用和压风作用， 前者是利用温度差而产生的室内外空气的压力差形成热压作用而通风换气。后者是利用风吹 向建筑物时，迎面形成正压，背风形成负压。自然通风系统主要用于春季、秋季等气温不很 高的季节的通风换气和降温。 3 、热水采暖系统 采用三向调节阀，根据室内实际温度与要求的室内温度的差通过三向阀调节网络供水温 度。 4 、太阳能地下热交换系统 地下热交换系统由风机、风道、蓄放热管道与控制装置组成。白天由于温室效应，温室 气温远远高于地下热交换管道周围土壤的温度，系统运行时，多余的太阳能存储于地下土壤； 夜间地f 热交换管道交换周围土壤所存储的热量又释放出来，补充温室内维持一定室温所需 的。利用地下热交换系统可以补偿连栋温室缺少蓄放热体的缺陷，成功的实现了白天与夜 间太阳能的储积与释放加温，节省加温设备的消耗与运行费用。 5 、温室保温系统 保温系统包括：( 1 ) 项部采用充气膜，由于两层膜问有层空气，大大减少了晚问温室 通过项棚散失的热量。采用两台小功率充气风机和电磁阀定时充气以维持双层膜间的空气厚 度和一定的空气压力。( 2 ) 东、西侧窗亦采用了严密的隔热措施，其充气方式与顶棚相同。 6 、幕帘与遮阴系统 该系统由保温遮阴幕帘、传动机构与动力机构组成。夏季晴天可以根据作物的光照需求 关闭进行遮阴与降温，夜间可以关闭保温。其冬季夜间保温原理为：冬季夜间温室的热量散 失主要是通过顶棚和天沟辐射散热，温室项部空气温度低，底f 空气温度高。当保温遮阴幕 帘减半，可以阻隔温室内的卒气对流，使热卒气留在温室内作物生长的空间。另外，保温幕 帘能够发射夜间温室内的红外线辐射，防止热量通过辐射形式散失。 2 2 2 总线系统 4 8 5 总线是一种符合国际标准的总线系统，具有成本低、可靠性高、易于扩展等优点， 标准的4 8 5 总线可以挂接3 2 个节点，电缆长度可达1 2 0 0 米“。我们采用4 8 5 总线实现了 温室控制系统测、控设备之间双向串行多节点数据通信，建立了网络集成式分布温室控制系 统。通信电缆采用线径为7 5 1 0 _ 4 m 的屏蔽双绞线，通信速率为9 6 0 0b i t s ，帧格式为8 个 数据位1 个停止位无奇偶校验。上位机与控制器之间的通信也采用4 8 5 通信协议，通信电缆 8 中国农业人学硕士学位论文第二章温室环境调控技术 线径为7 5 1 0 - 4 m ，通信速率为9 6 0 0 b i t $ ，8 个数据位，1 个停止位，无校验。 为了保证高效、可靠的通信，我们还制定了适合于温室控制系统的通信协议，该协议充 分考虑了通信效率、可靠性和与国际流行的4 8 5 钡控模块通信协议的兼容性等口j 题。 该系统的特点足： 1 、通信胁议简练有效、兼容性好： 2 、底层模块按功能分块进行开发； 3 、部分数据采集、处理功能下放到智能传感器完成，系统配置灵活。 由十具有上述特点，该控制系统具有其独特的优点： l 、安装、维护费用低； 2 、系统可靠性高： 3 、系统集成灵活，便于扩展、升级。 2 3 温室环境调控技术算法 温室系统中的执行机构主要包括强制通风和湿帘降温系统、自然通风系统、热水采暖系 统、地下热交换系统、保温系统、幕帘保温与遮阴系统。根据季节的不同，我们将整个控制 系统分为三个控制模式：夏季、春秋季和冬季模式。对于不同的控帝4 模式，温室启用的执行 机构是不同的，执行机构的状态划分也不同，具体情况如下： l 、夏季：执行机构包括强制通风湿帘降温系统、自然通风系统和遮阴系统； 2 、春秋季：执行机构主要是风机强制通风、自然通风系统、地热系统、保温系统、幕帘 的保温与遮阴系统； 3 、冬季：执行机构主要是采暖系统、保温系统。 9 第三章温室环境控制器的硬件 3 1 温室环境控制器硬件的设计 控制器是温室控制系统的核心部分，本课题的研究目标是开发一款基于4 8 5 通讯的温室 环境控制器，能独立对各个温室模块进行数据采集和控制。同时也可以和上位机进行通信， 接受上位机指令对各个模块进行控制，并把采集的数据传给上位机。 为实现上述功能，设计功能框圈如图3 1 所示。 图3 - 1 智能控制器功能框图 2 温室环境控制器硬件的实现 3 2 1 微处理器的选择 a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压、高性能c m o s8 位单片机。器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内萱通用8 位中央处理器( c p u ) 和f l a s h 存储 单元，功能强大的a t 8 9 c 5 2 单片机适合于许多较为复杂的控制瘟用场合。 丰要性能参数及特点： 与m c s 一5 1 产品指令和引脚完全兼容； 8 k 字节可重擦写f l a s h 闪速存储器； 1 0 0 0 次擦写周期； 三级加密程序存储器： 2 5 6 * 8 字节内部r a m ； 3 2 可编程i o 口线； 。3 个1 6 位定时计数器： 6 个中断源； 可编程串行u a r t 通道： 0 中国农业大学硕士学位论文 第1 章温室环境控制器的硬件 低功耗空闲和掉电模式【15 1 。 3 2 2 键盘及显示 要实现温宰环境控制器的环境参数实时显示功能，就需要一个显示器。液晶显示用北京 青云公司生产的l e m 0 4 5 ，l c t 0 4 5 为4 位多功能通用型液晶显示模块，内含看门狗( w d t ) 时钟发 生器，2 种频率的蜂鸣驱动电路，内置显示r a m 。 l c m 0 4 5 功能特点”1 ： l 、l c m 0 4 5 为4 位8 段液晶显示模块： 2 、3 - 4 线串行接口，可与任何单片机接口，i c 接l j 连接： 3 、低功耗特性：显示状态5 0 m ( 典型值) ，省电模式 “1 0 ” “0 1 ” “0 0 ”。该优先级是 4 i 可编程的。 需要注意的是，当一个中断挂起时，其它相同优先级或更低优先级的中断将不被响应。 但u a r t 在处理完第一个中断后会立即标识新中断。所以在每种中断源类型处理完之后要继 续判断中断标识寄存器的d o 位是否为0 ，如果为0 ，则说明还有未处理的中断。 ( 5 ) m o d e m 控制寄存器( m c r ) m o d e m 控制寄存器和下面将介绍的m o d e m 状态寄存器提供了u a r t 与r s 2 3 2 或 中国农业大学颁士学位沧文 第四章温室环境控制器的软件 m o d e m 之间联络应答信号的输入输出状态= m o d e m 控制寄存器用丁设置输出信号 ( r t s ，d t r ，o u t i ，o u t 2 ) ，m o d e m 状态寄存器用于提供状态输入信g - ( d c d , r i d s r c t s ) 。m c r 的各位定义如表4 - 5 所示。 表4 _ 5 o 酬控制寄存器 d 7d 6d 5d 4 d 3d 2d 1d o 憾。 保留保留自环o u t 2o u t l r t sd t r 恒为0恒为0测试控制 控制控制控制 d 4 位为自环测试位，当置l 后，u a r t 就处于循环测试反馈状态。d 3 位置1 后， o u t 2 = 0 ，此时允许中断请求输出。对于中断串口操作方式，此位必须置i ，而对于查淘串口 操作方式，此位应清0 。d l 位置1 后，控制输出r t s = 0 ，即u a r t 请求发送。d o 位置i 后， 控制输 ：d t r = 0 ，即u a r t 数据终端就绪。 ( 6 ) m o d e m 状态寄存器( m s r ) m o d e m 状态寄存器提供m o d e m 逻辑控制的四个输入控制信号的当前状态以及这些 信号的变化信息。其各位的定义如表4 6 所示。 d 7 位置1 ，表示载波检测( d c d ) 有效；d 6 位置1 ，表示震铃指示( r j ) 有效；d 5 位 置1 ，表示数据设备就绪( d s r ) 有效；i ) 4 位置l ，表示清除发送( c t s ) 有效。 d 3 - d 0 四位分别反映m o d e m 控制逻辑的四个输入信号的状态变化。如果这四个状态有 变化，则相应位置1 ，当这四位中任一位置1 ，且i e r 中的d 3 = 1 ，则产生m o d e m 状态变 化中断。 表4 _ 6i t o d e m 状态寄存器 l i ) 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld o l d c d r i d s rc t sd c dr 1d s rc t s i 控制撺制控制 控制 变化变化变化变化 ( 7 ) f i f o 控制寄存器( f c r ) u a r t 提供了两个1 6 字节的f i f o 缓冲器，一个用于接收数据，另一个用于准备发送的 数据，此寄存器的各位定义如表4 7 所示。 表4 - 7f if o 控制寄存器 d 7 d 6d 5 d 4d 3 d 2 d l d o 接收触发电平 1 5 | 留 保留d m a发送接收f i f o 0 0 ：l 模式 f i f of i f o 允许 0 1 ：4 选择复位复位 1 0 ：8 l l ：1 6 d 7 - d 6 位用于设置接收f i f o 的触发电平。当利用d m a 方式访问串口时，d 3 置i 。当 d 2 、d i 位置1 时，分别清除发送和接收f i f o 缓冲器中的数据。当d o 位置1 时，表示f i f o 中国农业大学硕士学位沧文 笫四章温室环境控制器的软件 功能允许，因此住利用f i f o 方式时此位必须一直为1 。 2 、与总线上模块的通信 控制器与总线上模块通信是通过4 8 5 总线，采用查询的方式。 8 9 c 5 2 的串行口是全双工串行通信接u ，能同时进行串口发送和接收。应用串口可实现单 片机间点对点的双机通信、多机通信以及单片机与系统微机间的通信。其帧格式可有8 位、 1 0 位和1 l 位，能设置各种波特率。 8 9 c 5 2 通过引脚r x d ( p 3 0 ) 串行数据接收端和引脚t x d ( p 3 1 ) 串行数据发送端与外界 通信。 ( 1 ) 串口初始化程序 控制器采用9 6 0 0 波特率进行c p u 与总线r 其它模块的数据交换。对串口的初始化为： m o v s c o n 搿5 0 h；串口方式1 m o v t m o d ，# 2 0 h；t o 为1 6 位计数中断方式 m o vt l i 拌0 f d h m o vt h l # 0 f d h ；9 6 0 0 h z s m o vp c o n # 0 0 h s e t bt r l ；t 1 开始工作 控制器通过单片机串口对总线上模块发送命令地址，当地址相符的模块接到命令后，就 判断有没有接传感器，如果有就进行数据采集，把其采集到的数据向串口发送。控制器在接 到数据后，对这些数据进行分拆和转化，存入数据存储器中。 ( 2 ) 串u 发送接收程序设计 串口发送接收程序流程图如图4 - 6 所示。 4 4 7 四季温度控制模块 圉4 - 6 串口通信程序框匝 由于温室内环境受自然环境影响很大，而一年四季的外界自然条件变化很大，因此温室控 制应该随季节的不同而有所不同。根据专家提供的知识经验和当前室外自然条件选择不同的 控制方式。四季控制模块框图如图4 7 所示。 图4 7 四季控制模块程序框图 其中冬季模式采用四段变温管理。四段变温是将一昼夜分成上午、下午、中午、夜间四 个时间带，白天以促进光台作用为目标，晴天设置较高气温；下午气温略降，以促进体内物 质运转：夜间气温继续降低，以便抑制呼吸作用，要保证作物生长发育不受阻。四段变温管 理模块框图 图4 - 8 四段变温管理横块程序框围 第五章上位机软件的实现 5 1 上位机软件的任务 温室的上位机软件是温室系统的终端结构，负责把通过4 8 5 串行通信采集到的温室环境参 数进行存储和处理。智能温室环境控制系统上位机在整个系统控制中起辅助作用，它的主要 功能是：数据处理、文件处理等。因为v c 6 0 作为面向对象的可视化语言，具有强大的数据处 理功能、易于操作、与其它通用软件有良好的兼容性、且编程方便、高教，性能满足上位机 软件设训要求，所以我们选择v c 60 作为编程语言。 5 2 通信协议的编制 5 2 1 串行通信协议 l 、串行通信起止式异步协议” ( 1 ) 起止式异步防议的特点：一个字符一个字符的传输，并且传送一个字符总是以起始 位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位起 始位( 低电平，逻辑值0 ) ，字符本身有5 7 位数据位组成，接着字符后面是一位校验位( 也 可以没有校验位) ，最后是1 位，或1 5 位，或二位停止位，停i e 位后面是不定长度的空闲伉。 停止位和空闲位都规定为高电平( 逻辑值) ，这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。这 种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为起始式协议。传送时，数据 的低位在前高位在后。 ( 2 ) 起止位的作用：起始位实际上是作为联络信号附加进来的当它变为低电平时， 告诉收方传送开始。它的到来，表示下面接着是数据位来了，要准备接收。而停j | 位标志一 个字符的结束，它的出现，表示。个字符传送完毕。这样就为通信双方提供了何时开始收发， 何时结束的标志。传送开始前，发收双方把所采用的起止式格式( 包括字符的数据位长度、 停止位位数、有无校验位以及是奇校验还是偶校验等) 和数据传输速率作统一规定。传送开 始后，接收设备不断地检测传输线，看是否有起始位到来。当收到。系列的“l ”( 停止位或 空闲位) 之后，检测到一个下跳沿，说明起始位出现，起始位经确认后，就开始接收所规定 的数据位和奇偶校验位以及停j t 俺。经过处理将停止位去掉，把数据位拼装成一个并行字节， 并且经校验后，无奇偶错才算正确的接收一个字符。一个字符接收完毕，接收设备有继续测 试传输线，监视0电平的到来和下一个字符的开始，直到全部数据传送完毕。 由上述工作过程可看到，异步通信是按字符传输的，每传输一个字符，就用起始位来通 知收方，以此来重新核对收发双方同步。若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差， 这也不会因偏差的累积而导致