（农业机械化工程专业论文）研究型温室分区控制与管理系统设计研究.pdf

，气 一 明 1 1 1 11i ii ii i in ili iiii y 1813 0 5 7 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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，也不包含为获得西南大学或其他教育机构的学 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谢意。 学位论文作者：乡嘶乏 签字日期： 一6 年 广月r 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南大学研究生院可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至2 0 10 年6 月止) 。 、t 1 ，c 学位论文作者签名： m 屯导师签名：似夕 签字日期： ，一6 年广月 ，口日 签字日期：少口口勿年厂月，了日 学位论文作者毕业后去向：西南大学工程技术学院 通讯地址： 电话：( 0 23 ) 6 8 2519 6 7 邮编： 两南人学硕l ：学位论文摘要 摘要 温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件的场所。随着优质农产品 市场的发展和农业种植结构的调整，以温室及其配套设施为代表的设施农业技术发展迅速。 我国”设施农业”的特点是适合中国国情的简易日光节能温室的发明和人面积的迅速推广。 温室控制最重要的是温室环境控制。目前我国绝人部分自主开发的大型现代化温室及引 进的国外设备都采用以下控制方式：各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境 变化，计算机将传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较后决定温室环境参数的调 整。系统常常存在由于过分依赖计算机稳定性不够高；基于温室综合模型进行多因子复合控 制不够；数据传输与处理能力不够强；不能对温室进行分区域独立控制等缺陷。 本论文以温室控制技术的现状与发展趋势为基础，研究设计了一种面向研究型温室的分 区控制与管理系统。该系统由多种传感器如温度传感器、湿度传感器、c 0 2 传感器、照度传感 器，以及单片机、控制器、液晶显示模块、计算机等组成。温室参数通过传感器转换为线性 电压，单片机一方面进行a d 转换，另一方面等待计算机数据传输命令，在接到命令后完成 数据的发送。控制器在收到计算机命令后可独立完成对温室参数的监测控制，液晶显示模块 实时显示数据。计算机主要接受并发送用户指令，同时完成温室数据的存储与处理。由于控 制器、计算机可独立或同时对温室参数进行控制，系统稳定性得到了提高；运片j 数据库技术 进行数据处理，系统数据处理能力有所增强；基丁r s 2 3 2 - m a x 4 8 5 总线结构建系统，不必设计 复杂的通信协议即可保证数据传输正确无误，并可以实现温室远程控制与管理；对温室分区 域独立控制可使温室的有限空间获得更多的利用。论文论述了系统硬件与软件的实现，同时 也指出了系统尚且需要进一步研究的问题。 试验表明：该系统设计先进，运行稳定，数据测量与传输准确，达到了预期的设计目的 和要求。 关醒词：温室数据采集总线结构分区控制 r a p i d l y t h ec h a r a c t e r i s t i co f ”p r o t e c t i v ea g r i c u l t u r e ”i no u rc o u n t r yi st h a ts a v i n ge n e r g ys u n l i g h t g r e e n h o u s ew a si n v e n t e da n dt h e nw a sp r o m o t e dl a r g es c a l e l y 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 li st h em o s ti m p o r t a n tt h i n go fg r e e n h o u s ec o n t r 0 1 a tp r e s e n t l a r g es c a l em o d e r n i z e dg r e e n h o u s ed e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yi n o u rc o u n t r ya n dg r e e n h o u s e i n t r o d u c e df r o mo v e r s e a sa l lu s et h i sc o n t r o lm o d e ：s e n s o r sc o l l e c tg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t p a r a m e t e rd a t a , c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e md i s p l a y se n v i r o n m e n tp a r a m e t e rv a r i a t i o n sa tt h es a m e t i m e ，a n da l lp a r a m e t e ra c t u a lv a l u e a r ec o m p a r e dw i t ht h e t a r g e t v a l u ew h i c hb e f o r e h a n d e s t a b l i s h e d ，i fo b v i o u sd e v i a t i o ne x i s t ，c o n t r o ls y s t e mw i l la d j u s tg r e e n h o u s ep a r a m e t e r sa c c o r d i n g t ot h et a r g e tv a l u e t h e s es y s t e mo f t e nh a v es o m ed e f e c t s ，s u c ha sr e l y i n go nc o m p u t e re x c e s s i v e l y s y s t e ms t a b i l i t yi sn o te n o u g h ，m u l t i - f a c t o r sc o m p o u n dc o n t r o lb a s e do ng r e e n h o u s eu n i f i e dm o d e l i si n s u f f i c i e n t ，d a t at r a n s m i s s i o na n dd a t am a n a g e m e n ta b i l i t yi sn o ts t r o n g ，g r e e n h o u s ec a nn o tb e c o n t r o l l e dd i f f e r e n t l yi nd i f f e r e n tp a r t ，e t c b a s e do ng r e e n h o u s ec o n t r o lt e c h n o l o g yp r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c y ，t h i s p a p e rh a sd e s i g n e dad i s t i n c t i o nc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e mf o rr e s e a r c hg r e e n h o u s e t h i s s y s t e mc o n t a i n sm a n yk i n d so fs e n s o r ss u c ha st e m p e r a t u r es e n s o f ，h u m i d i t ys e n s o r , c a r b o nd i o x i d e s e n s o r ，i n t e n s i t yo fi u u m i n a t i o ns e n s o r , a sw e l la sm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，c o n t r o l l e r , l i q u i d c r y s t a ld i s p l a ym o d u l e ，c o m p u t e ra n ds oo n g r e e n h o u s ep a r a m e t e r sw i l lb et r a n s f o r m e di n t ol i n e a r v o l t a g eb ys e n s o r s ，o nt h eo n eh a n dm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t sc a r r yo na dt r a n s f o r m a t i o n ，o n t h eo t h e rh a n dw a i tc o m p u t e rd a t at r a n s m i s s i o no r d e r , a f t e rr e c e i v e dt h eo r d e rt h e yw i l lc o m p l e t e d a t at r a n s m i s s i o n i fn e c e s s a r yw h e nr e c e i v e dc o m p u t e ro r d e rc o n t r o l l e rc a nc o n t r o lg r e e n h o u s e p a r a m e t e r si n d e p e n d e n t l yi d e n t i c a lw i t ht h et a r g e tv a l u ee s t a b l i s h e db yu s e r , a n dl i q u i dc r y s t a l d i s p l a ym o d u l ec a nd i s p l a ys e n s o rd a t aa tt h es a m et i m e c o m p u t e ra c c e p t sa n dt r a n s m i t su s e r i n s t r u c t i o n s ，c o m p l e t e sg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n td a t as t o r a g ea n da n a l y s i s b e c a u s ec o n t r o l l e ra n d c o m p u t e rm a yc o n t r o lg r e e n h o u s ep a r a m e t e r ss e p a r a t e l yo ra tt h es a m et i m e ，t h i sc o n t r o ls y s t e m s t a b i l i t yh a sb e e ni n c r e a s e d ，u s e dd a t ab a n kt e c h n o l o g y , s y s t e md a t aa n a l y s i sc a p a c i t yh a sb e e n r a i s e d ，b a s e do nr s 2 3 2 - m a x 4 8 5d a t ab u si ti sn o tn e c e s s a r yt od e s i g nac o m p l e xc o r r e s p o n d e n c e a g r e e m e n t ，s y s t e mc a nt r a n s m i td a t ac o r r e c t l y , a n du s e rc a nc o n t r o lg r e e n h o u s ea tl o n g - d i s t a n c e ， b e e nc o n t r o l l e ds e p a r a t e l yg r e e n h o u s ef i n i t es p a c eo b t a i n sm o r eu s e s t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt h e w a yf o rs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e a l i z a t i o n ，a tt h es a m et i m et h eq u e s t i o n sw h i c hs y s t e m n e e d sf u r t h e rt os t u d yh a sa l s ob e e np o i n t e do u ti ni t e x p e r i m e n t sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h i sg r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e mi sa d v a n c e d ，i tc a nb ec a r r i e d o u ts t a b l e l y , i t sd a t am e a s u r e m e n ta n dd a t at r a n s m i s s i o na r ea c c u r a t e ，s ot h es y s t e md e s i g nh a s a c h i e v e de x p e c t a t i o ng o a la n dr e q u e s t k e y w o r d ：g r e e n h o u s e ；d a t ac o l l e c t i o n ；d a t ab u s ；d i s t i n c t i o nc o n t r o l 两南人学硕f j 学f t 论文同录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章文献综述1 1 1 温室概述1 1 1 1 温室发展现状1 1 1 2 温室存在的问题与发展趋势：1 1 2 温室控制技术概述2 1 2 1 温室控制技术发展现状2 1 2 3 温室控制关键技术6 1 2 4 温室控制技术发展趋势7 1 2 5 温室农业专家控制系统9 1 3 温室数据处理技术1 1 第2 章绪论1 3 2 1 研究目的和意义1 3 2 2 研究范围和内容1 5 第3 章研究型温室分区控制与管理系统设计研究1 6 3 1研究型温室分区控制与管理系统的设计思路与系统功能1 6 3 1 1研究型温室分区控制与管理系统的设计思路1 6 3 1 2 系统功能1 6 3 2 控制系统的核心单片机1 6 3 2 1 单片机概述1 6 3 2 2p i c 单片机的特点1 7 3 2 3p i c l 6 f 8 7 7 a 特点及引脚功能介绍1 8 3 3 分区控制系统传感器2 0 3 3 1d s l 8 8 2 0 数字温度传感器2 0 3 3 2h i h 3 6 1 0 湿度传感器2 3 3 3 3c 0 2 传感器2 5 3 3 4 光敏二极管2 8 3 4 液晶显示模块2 9 3 4 1 引脚图2 9 3 4 2 液晶显示模块的驱动控制器3 0 两雨人学硕f 学位论文日录 3 4 3 液晶显示模块读写时序3 1 3 5 系统硬件电路和控制软件设计3 2 3 5 1系统硬件电路设计3 2 3 5 2 系统控制软件设计3 7 第4 章实验结果与分析4 3 4 1 传感器校正一4 3 4 1 1 校正设备4 3 4 1 2 光电转换校正4 3 4 1 3 温度校正4 3 4 1 4 湿度校正4 4 4 2 系统软硬件总调试结果4 4 第5 章结论与建议4 6 5 1 结论4 6 5 2 建议4 6 参考文献4 7 致i 射4 9 发表论文5 0 l j r - o 温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶 劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适 宣露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及 提高质量、产量等为目的。温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制 与作业精度。 随着优质农产品市场的发展和农业种植结构的调整，以温室及其配套设施为代表的设施 农业技术发展迅速。据初步统计，到1 9 9 9 年底，中国设施栽培面积已达1 5 0 万公顷，主要用 于蔬菜、花卉、果树、苗木栽培、畜牧及水产养殖等，其中塑料中小拱棚约6 5 万公顷、塑料 大棚3 5 万公顷、各类温室约5 0 万公顷，其中，日光温室约占9 9 8 ，现代化温室仅占o 2 ，近1 0 0 0 公顷，其中来自世界约十几个国家( 美国、荷兰、法国、西班牙、韩国、日本、 加拿大、比利时、意大利、保加利亚、匈牙利、罗马尼亚等) 的进口温室约2 0 0 公顷。对上 述数据进行分析可以发现，在所有的设施栽培面积中，大型现代化温室的增长速度最快，并 正在成为中国设施农业中最具热点的产业之一，同时，与之相关的温室材料、温室配套设施、 温室作业机具等也得到了巨大发展。预计在今后5 - 1 0 年中，中国温室产业将成为全球温室 产业中的重要组成部分，中国也将成为世界上新兴的、最大的温室产品市场之一。目前我国 已经能够设计生产各种现代化温室，国内温室厂家迅速发展到3 0 0 多家，全国2 3 以上的大 型温室都是国内设计、生产和安装的。国内有制造销售大型温室能力的厂家4 0 多家。 设施农业是中国农业实现优质、高产、高效的重要手段，随着中国农产品国际化趋势的 发展和国际农产品市场竞争的加剧，提高中国农产品的质量、品质、效益将成为中国2 1 世纪 农业生存与发展的首要任务，设施农业的发展将成为中国实现这一目标的重要保证。温室作 为设施农业中的重要内容也必将面临前所未有的机遇和空前的发展n 一一1 。 1 i 2 温室存在的问题与发展趋势 从目前的研究情况来看，我国的温室科研水平与国外相比仍有较大差距，主要表现 在以下几个方面： ( 1 ) 尚未建立温室结构国家标准。研究者给出的系统大都具有较强的针对性，由于温 室结构千差万别，执行机构各不相同，控制系统的优劣缺乏横向可比性。 ( 2 ) 缺乏与我国国情相适应的温室优化控制软件。目前我国引进温室的控制系统大多运 西雨大学硕 j 学位论文 文献综述 行费用过高，而自行研制的控制系统缺乏相应的优化软件，大多仍使用单因子开关量进行环 境因子的调节。而实际上，温室内的日射量、气温、地温、湿度及c 0 2 浓度等环境要素，是 在相互间彼此关联着的环境中对作物的生长产生影响的，环境要素的时间变化和空间变化都 很复杂，当我们改变某一环境因子时，常会把其它环境因子变到一个不适宜的水平上。因此， 结合温室内的物理模型、作物的生长模型和温室生产的经济模型，开发出一套路我国温室生 产现状相适应的环境控制优化软件是非常重要的。 ( 3 ) 需进一步加强对温室结构的研究。不同地区的不同气候条件，应有相应的温室结构。 温室结构的好坏直接影响到温室生产的经济性。例如：在我国的北方地区，应加强对温室保 温性能研究，以减少冬季的热能耗：而在南方地区，则应加强对夏季通风装置的研究，以减 少夏季的温室高热。 ( 4 ) 加紧对温室相关的技术的研究。例如：开发适合温室生产的综合机械配套设备，研 究温室内的管理技术，研制适合温室种植的优良品种等h “1 。 1 2 温室控制技术概述 1 2 1 温室控制技术发展现状 从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段： ( 1 ) 手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的 控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理 的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的 观测。凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制 方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规 律。但这种控制方式的劳动生产率较低不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素 质要求较高。8 0 年代中期，以辽宁海城和瓦房店为代表的高效节能日光温室基本属于这种控 制方式。荷兰温室发展的初期，环境因子也是根据种植者的经验来控制。如使用手动加热系 统和手动通风系统，在玻璃窗上涂上石灰以减少过多的光照等。另外，在温室中挂上温度计 用来检查对温室环境的控制效果。 ( 2 ) 自动控制。第二次世界大战以后，温室生产己远远超过“温室效应”的概念。手动 控制的生产方式正逐渐被机械设备所替代。首先被引入使用的是自动调温仪，其后，与环境 控制和作物生长有关的研究成果相继问世。这些新的成果促进了新型环境控制设备的诞生。 于是利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子，包括温度、光照、湿度、c 0 2 浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。根据温室作物的生长习性和 市场的需要，部分甚至完全摆脱自然环境的约束，使人为创造适宜作物生长最佳环境的自动 控制技术手段成为主流。此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数 据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过 2 西南大学硕上学位论文 文献综述 程形象而且简便。这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机 根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程 控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自 动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地 进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时作出反应，难 以介入作物生长的内在规律。 目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式， 主要控制方式有两种：单因子控制和多因子综合控制。单因子控制是相对简单的控制技术， 在控制过程中只对某一要素进行控制，不考虑其它要素的影响和变化。例如在控制温度时， 控制过程只调节温度本身，而不理会其它因素的变化和影响，其局限性是非常明显的。实际 上影响作物生长的众多环境要素之间是相互制约、相互配合的，当某一要素发生变化时，相 关的其它因素也要相应改变，才能达到环境要素的优化组合。综合环境控制也称复合控制， 可不同程度弥补单因子控制的缺陷。该种控制方法根据作物对各种环境要素的配合关系，当 某一种要素发生变化时，其它要素自动做出相应改变和调整，能更好地优化环境组合条件， 是温室控制技术的主要发展方向。 ( 3 ) 智能化控制。这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业 领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研 究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。这种智能化的控制技术将农业 专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专 家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数 对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动 作实现温室的智能化管理与生产。农业专家系统为我们提供了一种全新的处理复杂农业问 题的思想方法和技术手段。它能够根据温室环境条件和作物生长状况，应用适当的知识表达 和规则化，推理决策出最适合作物生长的温室环境。将农业专家系统应用于温室的实时监控 与自动调控是温室发展的新亮点。这种控制方式既能体现作物生长的内在规律，发挥农业专 家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有 效，实现温室的完全智能化控制。因此，温室专家控制系统技术是一种比较理想、比较有发 展前途的控制方式。 温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越 完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析 模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展嫡一】。 我国对于温室控制技术的研究较晚，始于2 0 世纪8 0 年代。我国工程技术人员在吸收发 达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、 湿度和c ：0 2 浓度等单项环境因子的控制。之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。2 0 世 3 西南大学硕一i ：学位论文 文献综述 纪8 0 年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了2 1 2 h m 2 连栋温室。由于当时只注重引 进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继 亏损或停产。9 0 年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷。“九五”初期，以以色列温室为 代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。 国家科技攻关项目和国家自然科学基金委，均首次增设了工厂化农业( 设施农业) 研究项目， 并且在项目中加大了计算机应用研究的力度。其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效 农业示范工程”中，直接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”专 题。 到9 0 年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行 研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。1 9 9 5 年，北京农业大学研制 成功了“w j g - 1 型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控 制系统。1 9 9 6 年，江苏理工大学研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统。该系统能 对温度、光照、c 0 2 浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典 型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。该系统由大棚本 能存储一部分环境要素的原始记录。当然，由于内存贮单元有限，原始记录的存贮量主要靠 通讯接口( 如r s 2 3 2 串行接口) ，将记录送至上位机完整贮存。直接数字控制机一般使用由单 片机构成的最小系统，其中包括了a d 、d a 变换，r o m 、r a m 、定时器、计数器及串并行输 入输出接口等n 。 ( 2 ) 系统的软件构成 目前，用计算机软件控制环境大致有以下几种方法： 以自适应控制论和系统论为依据，把温室作为一个多输入多输出的黑箱模型来考虑， 其系数一般通过对系统的输入输出值的在线测量，再通过最小二乘法估算得出。如t h e s k e t h 针对新西兰温室设计的数字控制系统检测室内温度，随光照度、加热设备及降温设备的工作 情况而变化，从而随时改变动态模型的参数。p j o n e s 联合使用单独建立的两个模拟模型， 以评价西红柿温室采用的不同控制方案，其通过广泛的温度设定点的模拟表明，最佳设定点 主要取决于温室西红柿生产的燃料价格和西红柿价格等因素。b n i e l s o n 介绍了一种确定温 室气温的传递函数的方法，通过应用桥回归获得脉冲响应函数，从而得到整个温室的输入输 出性能。k c h a o 把状态一空间平均法用于开关控制系统的设计，采用平均时间的温度反馈控 制传统的单相两速通风风机，实验分析表明，温室内的温度更接近设定点温度，且温度的波 动减小。 由于神经网络在解决黑箱模型上的优越性，因此也在温室控制中得到应用。j s e g i n e r 等用神经网络对温室气候进行控制。温室气候因素包括作物移栽日期，、作物状态，太阳辐 射，室内外温度标准差，以及温室所消耗能量与作物市场价格的比值等。神经网络可用这些 输入变量预测第2 天的温度控制点，以便对室内气候进行控制。 以温室环境模式、作物生长模式为依据。通过对温室内传热介质物理过程以及植物 生理特性的分析，建立起相应的分析模型。这类模型不仅可以用于控制，且可用于温室结构 参数的优化。如t t a k a k u r a 在1 9 8 5 年提出温室控制的物理模型，并把温室控制模型分为动 态模型和静态模型，指出动态模型是减少能量消耗的有效方法，而自适应控制系统对减少加 热系统的能耗，收到良好的效果。h j t a n t a u 综合温室内外的温度、光照、风速以及热水管 的进出口温度，建立起温室数学模型，此模型输出加热、通风系统执行机构的设定点温度， 把此温度送至负反馈控制环，把温室系统控制在设定温度上。并且在后级主从控制的基础上， 还加有前馈控制的数学模型。以进一步提高系统的控制精度，b j b a ll e y 综合考虑了保温幕 对温度的影响，以及对整个加热系统的经济性进行了分析，提出了优化以后的温度控制范 围e j v a nh e n t e n 用二阶线性方程拟合非线性温室系统，以优化以前的线性模型。为了克 服控制环境单一因子所存在的问题，l g a u t h l e r 以人工智能为基础，建立了温室环境多因子 动态目标控制系统，可针对不同作物、不同环境条件的多个温室联合动态控制，效果良好。 5 两南大学硕上学位论文文献综述 c s t a n 8 h e u i n i 建立了作物的蒸腾模型，在这个模型中，气候控制因子不是去设定白天和夜 间的温湿度，而是对作物蒸腾量的设定，由模型计算温湿度的组合，以期获得较好的作物品 质。 到了9 0 年代，温室控制的研究基本趋于成熟，此间提出了温室的分级控制系统。分级控 制系统可以创建合适的温室气候条件，保证作物的良好生长发育以及人们所希望的最佳产量 输出。该模型分为三级，最高级( 第三级) 控制第二级，第二级控制第一级。温室气候控制是 分级控制的第一级，其他环境因素( 例如营养液浓度配制及灌溉水的定时供应) 也包括在这一 级。第一级的任务是测量和控制温室内的环境参数，一般采用自适应控制系统或带有前馈与 反馈的闭环控制系统。第二级控制是在线植物生长的优化，有很多方案可以在这一级上运作， 例如光合作用和呼吸作用进程中的强度变化，以及植物蒸腾过程中气孔阻力的变化等，都可 以作为第二级子系统的输出变量，以此判断并控制作物的生长发育。第三级主要由产品计划、 经济模型以及商业预测、病虫害防治等组成的专家系统承担，第三级一般可以离线运行n “伯1 。 1 2 3 温室控制关键技术 温室环境控制是所有室内环控中最困难的。一般建筑物的环境控制几乎可以完全不受阳 光的影响，温室环境控制则不然，温室外的环境状况对温室环境控制有着决定性的影响。一 般的环控多只针对温度及湿度，温室环控则还需兼顾光照量、光质、光照时间、气流、植物 保护、c q 浓度、水量、水温、e c 值、p h 值、溶氧等。而且温室环控的对象种类繁多，同一 地生长的生物，不同种类、不同品种对环境状况的要求大不一样，即使是同一品种，在不同 生长阶段对环境的要求也有所不同。而且，受能源、资金、劳动力、生产资料等资源的限制 加之市场与天气的变换的影响，温室环控必须在极有效率的状态下进行。这一切使得建立一 个好的温室计算机环控系统被视为一个无止境的挑战。 总体而言，温室计算机控制和管理技术的关键集中在以下几个方面： ( 1 ) 温室传感器技术 温室控制的依据是温室传感器检测到的信号，如果这个信号本身是不可靠的，那么整个 控制系统的可靠程度就无从谈起，因此温室传感器技术是温室控制中首要的，也是最为关键 的技术之一。温室传感器所要求的精度固然不高，但它的特殊性却给设计人员带来了挑战。 首先是温室内长期高温高湿，由于施肥的原因，土壤及空气还会具有较高的酸碱性，这就要 求温室传感器具有长久耐热、耐湿、和耐腐蚀的特性。其次是测试现场与控制器距离通常都 较远，这样又出现了信号的长距离传输问题。另外由于农产品价贱，这就要求温室传感器的 成本又要低。国外的传感器技术比较成熟，不仅能实现对温室内温、光、气、湿、热、营养 液养分状况及温度、植物根部环境温湿度等因子的检测，而且用于检测光和速率、叶温、蒸 腾速率、气孔阻力、叶面积指数、叶温和长势等信息的传感器也已开始使用，这使得国外的 温控系统自动化程度和控制的精度都很高。而目前我国的温室传感器技术相对落后这也正是 我国温室控制技术发展的主要障碍所在。我国在温室内二氧化碳检测方面的研究十分薄弱， 6 西南人学硕十学位论文文献综述 这是我国二氧化碳施肥技术落后的主要原因；另外我国的土壤水分传感器多数还是开关量传 感器，这使得我国灌溉的自动化程度相对较低。 7 0 年代后期至8 0 年代初提出了所谓的s p a ( s p e a k i n gp l a n t a p p r o a c h ) 的概念；即植物 的生理状态不仅随时间而变化，而且直接受环境影响。通过对植物本身生理状态的监测，便 能反应( 告知) 环境质量的优劣程度，达到环境优化控制的目标。从以上可看出，温室监测 与控制系统需要处理不同类型和性质的对象，因此传感器的设计与选型是致关重要的，传感 器本身的性能指标是制约数据采集系统的关键性因素。在8 0 年代后期，提出了所谓的智能型 传感器的概念，与传统的传感器相比有以下重要特性：同类产品的互换性，即批量生产的传 感器具有一致性的质量；输出信号的兼容性，即很容易与用户系统连接：可重复性，即在连 续与重复操作过程中表现出的稳定性：易标定或换算性，传感器所输出的信号容易标定和换 算；输出信号补偿性，在剧烈变化的环境下，仍能稳定输出信号，或能自我补偿；自我诊断 性，当传感器自身或系统的某一部分出现故障时能自动检测和报警；抗逆性，在恶劣条件下 能稳定工作等等。 ( 2 ) 温室控制器及控制软件 控制器是温室控制系统的心脏，控制软件是温室控制系统的血液。因此这两项技术在温 室控制与管理技术中当然尤为关键。随着半导体工业的飞速发展，控制器处理数据的容量和 速度都在呈指数增长，这才使得对温室环境的控制更为精确化，从而使温室作物的精确化生 产成为可能。采用所为的服务器一客户模式( s e r v e r - - c e e n tm o d e ) 的分布式系统及c a n 现场 总线技术使得温室控制的区域更大、精确度更高、实时性更好。近年来出现的p h s h 闪存技术 又使得温室控制参数要经常修改这一特殊要求得到了很好的满足，可以方便地升级控制软件， 甚至可以做到在线编程。 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，很难对这 类系统建立数学模型及用经典控制方法和现代控制方法实现控制。近年来，随着神经网络、 遗传算法、模糊推理等新的控制理论不断出现并逐渐应用于温室控制领域，这一问题得到很 好的解决。温室控制软件也越来越多，越来越方便与成熟，专家系统也不断发展和完善，并 成为当前温室控制技术研究的重要方向。 ( 3 ) 作物模拟模型应用 由于温室系统的主体是作物，所以是否在控制系统中应用作物模型，是衡量该控制系统 综合性能的重要标准。所谓作物模型实际上就是利用数学方法描述作物生长发育过程。并模 拟作物的生长发育，在该领域近年来取得了很大的进展。通过计算机对作物冠层截获的太阳 辐射量、光和作用率、干物质传输与积累等进行动态模拟，预测发育期和产量，是温室计算 机综合控制系统中十分重要的组成部分一5 一引。 1 2 4 温室控制技术发展趋势 ( 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 7 西南大学硕一卜学位论文文献综述 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己取得了 不少研究成果。专家系统作为一种知识的载体，所表现出来的可靠性、客观性、永久性及其 易于传播和复制的特性，是人类专家所不及的，因此在处理与解决某些领域问题时具有不可 取代的重要作用。特别是对于人类专家而言，越是高级专家数量越少，而且其知识越难以传 播和复制，从这个意义上说，开发领域内的专家系统不仅非常必要，而且应用前景非常广阔。 但建立一个真正完善实用的专家系统也是非常困难的。首先，如何从专家获得知识并形 成知识库本身就不容易；其次，由于所面对的生产实际问题往往十分复杂，需要建立大量的 推理规则，使操作和使用非常困难。因此近年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能 技术在设施农业中得到重视并逐步发展，其中神经网络在温室环境控制模型与作物模型的研 究中得到了不同程度的应用。温室生产系统由作物、各种农业机械设备、环境控制设备及生 产与管理者等组成了一个十分复杂的非线性系统，因此企图研究其输入与输出的定量关系是 十分困难的。神经网络采用黑箱方法，能把复杂的系统通过有限的参数进行表达。但神经网 络方法也存在明显的缺陷：即需要大量的历史资料，否则在进行外推和演绎时可靠性明显降 低。所以近年来又有人利用一种所谓基于拓扑案例模型( t c b m _ t 0 p o l o g i c a lc a s eb a s e d m o d e l i n g ) 对温室番茄日产量进行模拟分析，取得了较好的效果。该方法仍属黑箱技术，即 并不是研究系统的输入与输出之间的解析关系，而是将其作为一个有代表性的案例存储在数 ， 据库中。该系统能够通过输入的参数，搜索与之相似( 近) 的案例，进行产量的预报。与其 它方法相比，其准确率与稳定性都明显增加，因此会得到更广泛的应用。 ( 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。以美国 为首的西方发达国家在建设信息高速公路方面投入巨资，其潜在效益是无法估计的。近年来 美国农户可以每月只花3 0 美元，通过i n t e r n e t 或购买c d - r o m 光盘随意获取美国乃至世界范 围的有用信息，指导自己的生产。甚至可以通过在线服务系统( o n l i n es e r v i c e ) 进行咨询 服务，有人因此提出了所谓虚拟农业( v i r t u a la g r i c u l t u r e ) 的新概念。依此类推，如果提 出虚拟温室( v i r t u a lg r e e n h o u s e ) 的概念似乎也无可非议。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。温室群内部的管 理和控制实际上就具有局域网( i n t r a n e t ) 的特性。例如在日本为了能应用网络技术实现对 温室的控制管理。利用面向对象技术和j a v a 语言进行软件开发，并对计算机控制与通讯协议 进行标准化研究，不仅能通过电话线对温室控制的设定值进行修改，也能对温室状态与环境 数据进行实时监测和处理。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( i n t e r n e t ) ，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( o n l i n e ) 或离线( o f f l i n e ) 服务，从长 远观点看不仅有广阔的应用前景，而且是完全有可能的。 ( 3 ) 分布式系统。过去温室计算机控制系统基本上采用了主机一终端模式( h o s t - t e r m i n a l 西南人学硕f ：学位论文 文献综述 m o d e ) ，该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其它各子系统进行控制管理，该种模式不 灵活，且投入较大。目前分布式系统是计算机控制系统的主要发展方向，该控制系统采用了 所谓服务器一客户模式( s e r v e r - c 1 i e n tm o d e ) 。所谓分布式系统是指在整个系统中不存在一 个所谓的中心处理系统，而是由许多分布在各温室中的可编程控制器( p r o g r a m , a b l e c o n t r o l l e r ) 或者子处理器( s u b p r o c e s s o r s ) 组成，每一个控制器连接到中心监控