（机械电子工程专业论文）营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前，能够自动控制温、湿、光、气等综合环境因子，用于植物周年生产的 智能温室，是现代农业新的产业模式。设施农业精确灌溉施肥系统是现代化智能 温室的核心之一，而上位机是灌溉施肥系统的重要组成部分。因此，研发上位机 软件具有重要意义。本文主要研究内容如下： 本研究确定了上位机软件的总体设计方案，采用v i s u a lb a s i c 作为上位机软 件开发工具，m i c r o s o f ta c c e s s 作为后台数据库开发工具。根据需求分析，确定 上位机软件的主要功能；遵循软件设计原则，上位机软件包括三个主要模块。 在灌溉施肥设置方面，以温室黄瓜为例，建立灌溉量和施肥量的理论模型， 实现上位机软件对灌溉量和施肥量的智能计算。灌溉量模型考虑温室黄瓜蒸腾量 受温室环境的影响，通过实验，建立日平均温度、日平均湿度、日光累积与温室 黄瓜日蒸腾量的多元回归模型，从而确定灌溉量，经验证，最大相对误差1 2 2 5 ， 最小相对误差0 3 9 ，平均相对误差4 5 3 ，模型较合理；施肥量模型考虑有效 积温对温室黄瓜生长的影响，通过实验，建立有效积温与温室黄瓜需肥量的关系 模型，从而确定施肥量，经验证模型合理；在系统启动管理方面，设计系统启动 的主流程，建立定时启动方式和基于信息传感采集系统的灌溉启动方式。 在数据存储及处理方面，本研究比较各种v i s u a lb a s i c 数据库访问技术，采 用a d o 技术实现v i s u a lb a s i c 对a c c e s s 数据库的操作；根据实际需要，本研究 遵循数据库开发原则，设计数据表及其相关字段，实现相应的数据存储功能；本 研究利用v i s u a lb a s i c 工具实现了数据查询、显示和参数设置等功能。 在通信方面，本研究比较各种通信技术的特点，采用r s 2 3 2 实现上下位机 通信。根据实际情况，本研究参考m o d b u s 标准，制定上下位机通信协议。本研 究调用v i s u a lb a s i c 中m s c o m m 控件，并进行相关程序设计，实现通信功能。 本上位机软件的主要模块包括自动灌溉施肥、数据存储及处理、上下位机通 信等。进过测试，系统工作正常，软件能实现相应的功能，满足相应的要求。 关键词：灌溉施肥系统，上位机，软件设计，数据库，串口通信 江苏大学硕士学位论文 a tp r e s e n t t h ee n v i r o n m e n tf a c t o r ss u c ha sh u m i d i t y , i l l u m i n a t i o na n ds oo nc a n b ec o n t r o l l e db yt h ei n t e l l i g e n tg r e e n h o u s e t h i sk i n do fs p a ng r e e n h o u s eu s e df o r p l a n tp r o d u c t i o ni st h en e wi n d u s t r i a lm o d e lo fm o d e ma g r i c u l t u r e t h ea c c u r a t e d i r r i g a t i o na n df e r t i g a t i o ns y s t e mu s e di nf a c i l i t ya g r i c u l t u r ei so n eo ft h ee s s e n t i a l p a r t si n t h em o d e mi n t e l l i g e n tg r e e n h o u s e t h eh o s tc o m p u t e ri sb u i l ti n t ot h e s t r u c t u r eo ft h ea c c u r a t e df e r t i g a t i o ns y s t e m s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h eh o s t c o m p u t e rs o f t w a r e t h em a i nc o n t e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： t h et o t a ld e s i g ns c h e m eo ft h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ew a sc o n f i r m e di n t h i s p a p e r i tu s e dv i s u a lb a s i ca n dm i c r o s o f ta c c e s sa st h ed e v e l o p m e n tt o o l s a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so fr e q u i r e m e n t ，t h em a i nf u n c t i o n so ft h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ew e r e d e f i n e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g nf o l l o w e dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r i n c i p l e sa n d t h e r ew e r et h r e em a i nm o d u l e si n c l u d e di nt h es o f t w a r e i nt h es e t t i n g so fi r r i g a t i o na n d f e r t i g a t i o n ，t h e m o d e l so fi r r i g a t i o na n d f e r t i g a t i o ns c h e d u l i n g su s e di n t h eg r e e n h o u s ec u c u m b e rh a v eb e e ns e tu pi nt h i s p a p e r i tr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fi n t e l l i g e n tc o m p u t a t i o ni nt h eq u a n t i t yo fi r r i g a t i o n a n df e r t i l i z a t i o n c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h eg r e e n h o u s ec u c u m b e rt r a n s p i r a t i o n i nt h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t ，t h ep l u r a ll i n e a rr e g r e s s i o nm o d e la m o n gt h ea v e r a g e d a f f yt e m p e r a t u r e ，t h ea v e r a g ed a f f yh u m i d i t y , t h ed a f f yl i g h t a c c u m u l a t e da n dt h e t r a n s p i r a t i o no fg r e e n h o u s ec u c u m b e rh a sb e e ns e tu pi nt h es t u d yt h r o u g hm a n y e x p e r i m e n t s t h r o u g ht h et e s t s ，t h er e s u l ts h o w e dt h em a x i m a lr e l a t i v ee r r o rw a s 1 2 2 5 ，t h em i n i m a lr e l a t i v ee r r o rw a s0 3 9 ，t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o rw a s4 5 3 a n dt h em o d e lw a sr e a s o n a b l e c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h eg r e e n h o u s ec u c u m b e r g r o w t ha s s o c i a t e dw i t ht h ee f f e c t i v ea c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r e ，t h em o d e lb e t w e e n f e r t i l i z a t i o nr e q u i r e m e n ta n de f f e c t i v ea c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r eh a sb e e ns e tu pi nt h i s p a p e r t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h em o d e lw a sr e a s o n a b l e i nt h ew a yo ft h es y s t e m s t a r t u pm a n a g e m e n t ，t h es t u d yd e s i g n e dt h em a i nf l o w i ts e t 叩t w os t a r tm e t h o d s i n c l u d e dt h et i m e s t a r t u pm o d ea n dt h es t a r t - u pm o d eb a s e do nt h ei n f o r m a t i o n i i i 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 c o l l e c t i o ns y s t e m i nt h ew a yo ft h ed a t as t o r a g ea n d p r o c e s s i n g , a l lk i n d so ft e c h n o l o g i e si nv i s u a l b a s i ch a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r a tl a s t ，t h ea d o t e c h n o l o g yw a su s e dt or e a l i z e t h ef u n c t i o no fa c c e s s i n gt h ed a t a b a s eb yv i s u a lb a s i c a c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s ，t h e p r i n c i p l e so ft h ed a t a b a s ed e v e l o p m e n tw e r ef o l l o w e di nt h es t u d y t h ed a t at a b l e sa n d t h er e l a t e df i e l d sh a v eb e e nd e s i g n e d a tl a s t ，t h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o no ft h ed a t a s t o r a g eh a sb e e nr e a l i z e d t h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n so ft h ed a t ap r o c e s s i n gh a v e b e e nr e a l i z e d li nv i s u a lb a s i c i nt h ew a yo ft h ec o m m u n i c a t i o n ，a l ls o r t so fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sw e r e c o m p a r e di nt h es t u d y a tl a s t ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ra n dt h e s l a v eh a sb e e nr e a l i z e d a c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s ，t h es t u d yr e f e r r e dt h es t a n d a r d so f m o d b u sa n ds e tu pac o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t i no r d e rt oc o m m u n i c a t e ，t h es t u d y u s e dt h em s c o m mc o n t r o li nv i s u a lb a s i ca n dd e s i g n e ds o m ep r o g r a m st or e a l i z et h e f u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o n t h em a i nm o d u l e so ft h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ei n c l u d e dt h ea u t o m a t i o no f i r r i g a t i o na n df e r t i g a t i o n ，t h ed a t as t o r a g ea n dp r o c e s s i n g ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h eh o s ta n dt h es l a v ea n ds oo n a f t e rt h ef i e l de x p e r i m e n tt e s t s ，t h es y s t e mw o r k e d n o r m a l l y t h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ec o u l dc o m p l e t et h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n s a n dm e tt h ec o r r e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：f e r t i g a t i o ns y s t e m ，h o s tc o m p u t e r , s o f t w a r ed e s i g n ，d a t a b a s e ，s e r i a l i v c o m m u n i c a t i o n 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的意义和目的 第1 章绪论 首先，从我国目前的环境状况来看，我国的水资源相对短缺，人均占有量不 足世界人均占有量的1 4 ；同时，我国是世界上化肥施用量最多的国家，然而化 肥的有效利用率却非常低【1 1 。因此，有效地提高水资源和化肥的利用率，采用精 确灌溉与精确施肥相结合的方法来发展农业，是促使我国经济可持续发展的一项 重要任务【2 】。 精确灌溉施肥的概念是2 0 世纪8 0 年代美国学者率先提出的。精确灌溉施肥 技术融合了自动控制、通信、地理学、生态环境学和农学等诸多学科，对作物生 长发育过程的动态信息进行管理和检测。作物对水量和肥量的需求有一定的规律 可寻，根据这一规律可以控制灌溉量和需肥量，这样作物对水分和肥料的需求可 以得到满足，同时也实现了对水分和肥料的最佳调控管理【3 一。 现代设施农业是现代农业新的产业模式。它主要依靠能够自动控制温、湿、 光、气等环境因子，用于植物周年生产的智能温室。智能温室是指将建筑工程技 术与自动控制技术相结合，在自然环境下创建成一个适合植物生长的人工生态环 境。覆盖材料、主体框架、通风系统、灌溉施肥系统、二氧化碳监控系统、湿帘 风机降温系统、遮阳保温系统、辅热系统以及计算机控制系统等等，这些构成 了一个完整的智能温室系统。目前，现代设施农业是全世界农业发展的重点1 5 j 。 到了2 0 世纪9 0 年代，现代设施农业对水肥用量的控制越来越精确，一些发 达国家利用成熟的自动化技术，开发了一些控制精度较高的智能灌溉施肥系统。 系统的控制器根据作物对e c ( 浓度电导率) 、p h ( 酸碱度) 的要求，自动调节吸肥 电磁阀的占空比，从而改变肥料溶液的配比。系统通过高精度的传感器检测肥料 溶液是否满足作物对e c 和p h 的要求，满足要求则停止调控；不满足要求继续 调控直到满足要求为止，整体形成闭环控制系统【6 】。 2 1 世纪，随着现代设施农业的进一步发展，基于设施农业的智能灌溉施肥 系统已成为农业可持续发展的重中之重。 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 1 2 国内外营养液灌溉施肥系统的研究现状 1 2 1 国外研究现状 灌溉施肥系统起源于以色列。2 0 世纪6 0 年代，以色列研发了世界上第一套 滴灌系统，直接将水肥混合，通过管道运送到植物的根部。这标志着农业灌溉施 肥由粗放型走向集约型，具有里程碑意义啊。 随着科学技术的不断发展，灌溉施肥系统方面的研究越来越成熟。目前，诸 如荷兰、以色列、澳大利亚、日本、美国等设施农业发展较快的国家，其在精确 灌溉施肥方面也有较高的研究水平【8 o l 。 荷兰，温室产业发达，制造了大量的设施农业装备，在灌溉施肥系统方面， 有成熟的产品。荷兰p r i v a 有限公司研制p r i v an u t r i f l e x 自动灌溉施肥机，如图 1 1 所示，可以结合时间、光照强度和累计光照等环境参数自动进行灌溉施h e r l l 】。 以色列，在精确灌溉施肥方面起步较早，技术较成熟。其设计的灌溉施肥系 统能够将营养液与水一起供给植物根系。中央计算机统一调配和供给营养液，通 过灌溉施肥系统上的泵等设备直接把肥料注入灌溉水管中，与灌溉水一起适时适 量地施加给作物，实现了灌溉施肥一体化，大大提高了水肥资源的有效利用 率【1 2 】。以色列拥有世界上农业计算机控制系统的主导企业e l d a r - s h a n yc o m p a n y ， 他们开发的e l g a l a g r os y s t e m ，如图1 2 所示，其能够实现对多路营养液的动态 配比，实现精确灌溉施肥，技术先进，处于国际领先地位【1 3 】。 澳大利亚，近几年在灌溉施肥方面发展较快。澳大利亚h a r d i ei r r i g a t i o n 公 司研制的m i r c r o m a s t e r 系列灌溉控制器，操作简单，安装便利，如图1 3 所示。 其能够与上位机交互通信，通过上位机对其进行编程操作和控制，并能用上位机 实时监控灌溉系统的工作状况【1 4 1 。 日本，设施农业环境控制技术水平很高，依靠自己发达的自动化技术，大兴 精确灌溉施肥设备，并建立了很多植物工厂。目前，日本已获得了很好的效果， 在部分领域已经超过了温室技术发达的荷兰和以色列等国【1 5 l 。 美国，微灌面积大，科研条件好，有许多研究中心，其综合环境控制技术水 平很高，其温室栽培的灌溉施肥技术研究处于世界领先地位。美国的瓦尔蒙物公 司和a r s 公司共同研发了一种红外湿度计，能够自动采集植物叶面湿度数据。 2 江苏大学硕士学位论文 当植物需要水时，湿度计就会通过计算机发出指令及时启动灌溉系统，实现自动 灌溉【1 4 1 6 1 。 图1 1p r i v an u t r i f l e x 自动灌溉施肥机 图1 2e l g a l - a g r o 系统图1 3m i r o o - m a s t e r 灌溉控制器 总体而言，按灌溉控制方式，国外开发的灌溉施肥系统主要有以下三种形式： 第种、时序控制灌溉系统，这种系统以灌溉时间为难一的控制量，实现自动灌 溉，即为我们通常所说的定时灌溉系统：第二种、计算机灌溉管理监控系统，这 种系统在时序控制灌溉系统的基础上，添加一些监测设备，实际是对时序控制灌 溉系统的扩容：第三种、基于自动气象站的计算机控制系统，这种系统通过传感 器采集的各种信息，反馈给中央计算机进行决策分析，并由中央计算机发出指令 自动指挥灌溉旋肥。 前两种形式的灌溉旌肥系统属于开环控制系统，控制不够精确，不能反映作 物的实际生理需求，但系统简单易实现；第三种形式的灌溉旌肥系统属于闭环控 制系统，能够根据作物的实际生理需求进行灌溉施肥，但系统复杂、成本较高。 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 1 2 2 国内研究现状 2 0 世纪9 0 年代，北京农业工程大学以8 0 3 1 单片机为核心研制了一套全自 动化灌溉控制系统，具有多路水分检测的功能和多路灌溉控制的闭环系统，并能 够合理地设定灌溉周期，实现多路定时控制灌溉的功能。但系统也存在一些问题， 工作不稳定、精度低【1 7 1 。 上海大学李浩亮等研制的温室灌溉系统中，采用常见电磁阀和脉宽调制技 术( p w m ) ，精确控制母液、酸液和清水的配比。这种控制方法的调控系统易实 现，且控制效果较为理想，但成本较耐坞】。 上海交大李锐等设计的灌溉施肥系统，针对电磁阀只有开关两种状态，传统 控制不易得到较好结果，将模糊控制理论应用到施肥过程当中，取得了一些突破。 但仅限传统的a _ b 箱式的灌溉施肥系统，难以实现多路母液的精确调配控制【1 9 1 。 江苏大学程月华等研制的系统，采用p i 控制器，控制电机的转速调整营养 液浓度。但是，一旦控制器的参数设定后就不能再改变。所以对于非线性时变的 营养液调配系统，单纯的p i 控制效果往往效果不理想，不能满足控制系统准确、 稳定、快速的要求【捌。 江苏大学毛罕平等研制的营养液自动灌溉施肥系统，设计了多种灌溉启动模 式，能够实现多路营养液的精确调配和控制，能够进行多区自动灌溉施肥，系统 性能稳定可靠，且成本比国外同类产品低。 总体而言，国内开发的灌溉施肥系统有以下特点：第一、营养液配比固定， 基本都是基于a b 箱式的混合系统，如图1 4 所示，即预先配制好营养液，装入 a ，b 灌中检测反馈信号，控制母液、酸液进入混肥灌中的流量：第二、控制方 式单一，以定时控制系统为主。对比国外，我国的灌溉施肥系统功能不够突出、 自动化程度低、可靠性较差，与国外有一定距离。 4 i 毡瑙鸳翠衄 ，砸塘蜓 轴畦s l 矗 h 嚣 b cd - -lc 图1 4 a b 箱式的混合系统 江苏大学硕士学位论文 1 3 课题的主要研究内容 在分析比较国内外灌溉施肥系统的基础上，针对我国灌溉施肥系统的实际情 况，包括营养液配比固定、控制方式单一等问题，从荷兰p d v a 定制了一套非标 营养液自动灌溉施肥机，对该机具进行了系统分析、研究、试验和测量。在此基 础上，设计出一套适合于我国长江中下游地区温室的营养液自动灌溉施肥系统。 该系统解决的关键问题包括以下三个方面：第一、不同营养液浓度、不同营养液 配比情况下，各路母液之间的精确控制问题；第二、开发性能稳定可靠、控制精 确的装置；第三、降低成本，比荷兰p r i v a 同类产品价格低。灌溉施肥系统硬件 部分由课题组其它成员完成，本人负责设计营养液灌溉施肥系统上位机软件。上 位机软件是灌溉施肥系统的重要组成部分，能实现对系统的管理、监测和控制， 对保证系统整体稳定可靠运行起关键作用。因此，研发上位机软件具有重要意义。 本课题的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据需求分析，确定灌溉施肥系统上位机软件的总体框架、软件的界 面及软件各个模块的功能。 ( 2 ) 建立了灌溉量和施肥量的算法模型，设计系统的启动管理模块。根据 实际条件建立温室作物灌溉量和需肥量的计算模型，并进行相关试验分析；设计 系统启动的主流程，设计信息采集传感系统，并建立基于信息传感采集系统的灌 溉施肥启动方式。 ( 3 ) 比较各种v i s u a lb a s i c 访问数据库的技术；建立满足实际需求的数据库 模型；利用v i s u a lb a s i c 对数据进行相关处理。 ( 4 ) 比较各种通信方式优缺点，选择适合本系统的通信方式；参考m o d b u s 标准，制定适合本系统的上下位机通信协议。 5 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 第2 章灌溉施肥系统和上位机软件总体设计 2 1 灌溉施肥系统的整体介绍 2 1 1 系统的整体结构 本课题组设计的灌溉施肥系统，其总体研究思路，如图2 1 所示，其系统整 体结构如图2 2 所示。 母液、酸ii 不同营养液配比、浓度 液流量与卜+ | 与各母液、酸( 碱) 液 e c 的关系i注肥器p w m 的关系 温室内外 环境参 数、作物 生长状态 符合技术指标 的灌溉施肥机 灌溉启动模式( 光照强 度、光积累、温湿度、 温室蒸发量、作物冠气 温差、土壤湿度等) 样机测试、试 验分析、完善 作物 需水 信息 传痘 制作灌溉施 肥机样机 图2 1 总体研究思路 作物需 水量、 灌溉时 间决策 控制策略( 设 定值控制、 p i d 控制、模 糊控制等) 控制算法 软件实现 1 混肥罐2 遥控浮球阀 3 h n 0 34 营养液母液a5 营养液母液b6 营养液母 液c7 营养液母液d8 营养液母液e 9 p h 4 专- 感器 1 0 e c 传感器 ：1 1 中央计算机1 2 灌溉泵 1 3 吸肥电磁阀1 4 文丘里吸肥器1 5 压力表 图2 2 自动灌溉施肥机系统整体结构 6 江苏大学硕士学位论文 所研制的灌溉施肥机主要由灌溉泵、遥控浮球阀、文丘里、吸肥器、混肥罐、 营养液罐、酸液罐、管路、中央计算机等组成，营养液罐由5 个营养元素罐( 分 别盛放四水硝酸钙、硝酸钾、磷酸二氢铵、七水硫酸镁、微量元素) 和1 个酸液 罐组成。系统可分别控制6 只吸肥电磁阀，通过各自的吸肥器控制每个营养液罐 的动态配比量；采用双级p h 、e c 测试传感器，提高施肥系统检测可靠性；设计 故障报警及处理程序，保证系统正常工作，通过多种工程技术措施的应用，提高 灌溉施肥的控制精度和产品可靠性；能实时、动态调控营养液的各营养元素配比 和营养液的p h 、e c ；能根据用户选择的启动模式，进行多区旋肥灌溉，确定节 水灌溉的优化方案，实现自动灌溉旋肥。 2 1 2 系统各组成部件介绍 自动灌溉施肥机的组成部件主要包括上位机部分、吸肥部分、p h e c 检测部 分、底座、混肥罐和其它配件等组成。 上位机部分是整个灌溉施肥系统的监控管理中心，对于维护系统的正常运行 有重要作用。本系统上位机安装w i n d o w s x p 操作系统。主要硬件配置如下，c p u ： 奔腾4 主频2 8 g ，内存：5 1 2 m ，硬盘：8 0 g ，显示器：1 7 寸液晶显示器等。 吸肥部分是营养液的吸入通道，利用文丘里管产生的负压，将营养液吸入混 合液罐中。采用文丘里管，其构造简单，操作简便并且成本相对较低。吸入量的 大小通过吸肥电磁阀的占空比来调节，设计完成后实物照片如图2 3 所示。 图2 3 吸肥部分管道 7 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 p h e c 检测部分是营养液混合后e c 和p h 的检测装置，为提高检测的可靠 性，采用了并联双级p h 、e c 检测回路，如图2 4 所示。 图2 4 p h - e c 检测回路 底座是灌溉施肥机各个部件安装、承重的地方。它的设计主要考虑系统各部 分之间的无干涉、安装便利、强度合理以及抗腐蚀等因素，选用了不锈钢作为底 座的主要材料。运用三维绘图软件设计底座结构如图2 5 所示。 图2 5 底座三维结构图 其它配件设计包括管道设计、混肥罐设计、管材选型、灌溉泵选型等等，限 于篇幅不再详细叙述。 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 系统的功能及主要技术指标 本系统的主要功能包括以下几个方面： ( 1 ) 实现5 路肥料和1 路酸液在不同配方下的精确调配； ( 2 ) 实现8 个基本灌区( 最多2 4 个灌区) 的自动灌溉施肥控制； ( 3 ) 实现灌溉施肥过程的手动和自动控制； ( 4 ) 浓度、酸碱度自动监测与控制； ( 5 ) 历史记录查询。 本系统要达到的主要技术、经济指标及社会、经济效益： ( 1 ) 灌溉量测量和控制精度误差5 ； ( 2 ) 施肥量测量和控制精度误差5 ； ( 3 ) 各路营养液配比的精度误差5 ； ( 4 ) 价格比荷兰p r i v a 同类产品低。 2 2 上位机软件的总体设计 根据需求分析确定上位机系统的主要功能，划分各个模块，设计便于操作、 交互友好的人机界面。本章主要针对上位机软件的功能结构、界面设计和各模块 功能展开叙述。 2 2 1 上位机软件的需求分析 上位机系统的主要功能是为操作人员提供可视化操作界面。它能够实时监测 现场运行环境；能够根据卜同用户的需求自行设定各参数的取值；能够通过串口 通信设备实现与下位机之间的数据通信，并对获得的数据进行一系列的分析与处 理。因此，上位机软件必须具备的几项主要功能如下： ( 1 ) 实时监控。操作员可直观地在电脑屏幕上观看到温室内各个灌区的实 时工作情况，包括：实时环境信息、系统工作状况、系统故障状况、系统信息概 要等。 ( 2 ) 参数设置。上位机应具备良好的可操作性，使该系统能方便不同层次 的用户使用，包括：启动模式设置、灌溉施肥设置、通信设置、标定设置等。 ( 3 ) 实时曲线显示。上位机系统根据下位机传送的数据，实时在二维图表 9 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 上绘制出相应的曲线，包括：外界环境参数、灌区环境参数等。 ( 4 ) 历史数据存储及查询。上位机能够把相关数据存储到设置好的数据库 中，操作人员便可以对历史数据进行查询操作，查询内容包括：外界信息查询、 灌区信息查询、系统故障报警查询等【2 1 】。 2 2 2 上位机软件的功能结构 根据上述的需求分析，可简要上位机软件的主要功能结构，如图2 6 所示 图2 6 上位机软件的功能结构 上位机软件的开发设计以w i n d o w sx p 为开发平台，以v i s u a lb a s i c 为开发 语言，采用v i s u a lb a s i c6 0 作为前台开发环境，m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 作为后台 开发数据库的工具，最终实现了营养液灌溉施肥机上位机的各项功能。 2 2 3 上位机软件的界面设计 上位机软件主体界面面向用户，最终实现人机交互。在软件设计的过程中， 界面设计是个重要部分。操作方便、界面美观是衡量软件优劣的重要指标。利用 v i s u a lb a s i c 开发软件，软件由多个窗口及菜单组成，每个窗口独立，可以单独 调试、运行，且窗口及菜单的建立都非常方便，避免了设计过程中程序的层层嵌 套和相互干涉，相对于单文档结构v i s u a lc + + 来说简单易行。本软件根据实际需 要设计了一个主界面，多个子界面【2 1 1 。 上位机软件的部分界面，如图2 7 所示。 1 0 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 系统信息概要 基瞬哪设i 翻僵聊啊妇 夏蓑捌怃况 景蛐栅i 雅嘲 _ 竺! i 竺苎竺| 匠垂亘一 r n l u 口 说明：赚灯襄示正常：红灯寰示勰 持水蕞况 口 囔屯薯鬣2 峨懦鲰：骶删i ： 吡捌融：卿黼：0 卿e 蛹鼬：卿e 棚摊： 黛较所有：苏大学农业工螂口囊囊景方孟：t r 一1 c _当柏量娆糟户：z2 0 1 2 - - 争31 5 ：心 ( b ) 系统故障状况 图2 7 上位机软件部分子界面 2 2 4 上位机软件各模块的功能介绍 上位机软件实现的功能包括实时监控、参数设置、实时曲线显示、历史数据 存储及查询。根据功能的需求，遵循外联度最小、内联度最大，以及影响域应该 是控制域子域的软件设计原则【2 2 2 3 1 ，本上位机软件主要包括三大模块，即灌溉 施肥策略和启动管理模块、数据存储及处理模块、上下位机通信模块。下面将分 别对这三个模块进行简单的介绍。 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 ( 1 ) 灌溉施肥策略和启动管理模块 该模块能实现软件的主要功能，是整个上位机软件的核心，包括灌溉施肥策 略和启动方式管理两大部分。本上位机软件独特之处在于灌溉施肥设置和启动模 式设置。在灌溉施肥设置方面，提供两种模式，即自定义模式和推荐模式。在推 荐模式中，根据环境信息，通过给定的算法模型，得出相应的灌溉量和施肥量， 降低了操作难度，能适应各类设施生产用户；在系统启动管理方面，通过信息传 感采集系统，设计多种灌溉启动方式，能适应设施生产用户不同管理模式的要求。 ( 2 ) 数据存储及处理模块 数据存储模块实现了上位机对灌区内外环境数据，系统内部工作状况等各种 数据的存储。数据处理包括：数据显示查询功能、参数设置功能、数据有效性检 测功能等。 ( 3 ) 上下位机通信模块 上下位机可靠通信是保证系统正常运行的必要条件。本模块采用串口通信的 方式，上位机与下位机之间采用r s 2 3 2 实现串口通信；通信协议遵循m o d b u s 标准。 2 3 本章小结 本章介绍了营养液灌溉施肥机上位机软件的需求分析、功能结构、界面设计。 同时对整个上位机软件进行了系统的划分：灌溉施肥策略和启动管理模块、数据 存储及处理模块、上下位机通信模块。分别对这三个单元进行了简单的功能和技 术实现的介绍，详细的内容将在后文分别叙述。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第3 章灌溉施肥策略和启动管理模块 研究在温室条件下的灌溉施肥策略，设计自定义模式控制、推荐模式控制两 种方式，确定灌溉施肥优化方案；研制信息传感采集系统，设计多种灌溉启动模 式，通过采集的光照强度、光累积、温湿度、温室蒸发量、作物冠层气温差、土 壤湿度等信息启动灌溉施肥机。 3 1 温室作物日灌溉量模型建立 3 1 1 温室作物日灌溉量的计算模型 人工实践经验法和水分平衡方程法是温室作物灌溉量的两种主要计算方法。 第一种方法一人工实践经验法，以历史资料和人工经验为依据，观察作物生长情 况、天气情况和土壤情况，从而确定灌溉时间和灌溉量，这种方法只能定性的分 析，人为因素影响很大；第二种方法一水分平衡法，以水分平衡方程为理论依据， 根据气象资料和作物生长情况，推算出灌溉量，是一种定量的分析方法，准确度 较高，是目前广泛应用的计算方法【渊。一二一一一? 根据温室作物水分平衡方程【2 5 1 ： 易= 一( 3 1 ) 式中：一作物灌溉量，单位：删； 一作物的需水量，单位：加m ； s 脚一土壤可提供水量，单位：聊疗。 包括作物蒸腾耗水量和土壤水分蒸发量。因为温室生产中有地膜覆盖， 所以基质水分蒸发量可以忽略不计闭。然而在生产实践中，可以将作物的需水 量可以当成作物生长发育正常条件下的作物蒸发蒸腾量，即= ； ，的计算表达式为： s 。协= ( 秒一只憎) 幸j l( 3 2 ) 式中：矽一土层平均容积含水量，单位：； 1 3 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 一萎蔫点时土层平均容积含水量，单位：； h 一土层厚度，单位：朋m 。 由于本试验在温室进行，采用无土栽培技术，以珍珠岩作为基质，珍珠岩本 身固水能力差，土层平均容积含水量p 近似等于萎蔫点时土层平均容积含水量 吒，故土壤可提供水量为o 。 3 1 2 温室作物日灌溉量模型的实验 温室作物灌溉量砩取决于作物的蒸腾量，首先，本研究对温室作物的 蒸腾量进行了试验测量。 二 试验地点设在江苏大学生物机电研究院现代农业装备与技术省部共建教育 部肛苏省重点试验室，试验时间从2 0 1 0 年0 5 月1 0 日到2 0 1 0 年0 6 月0 3 日， 试验作物选取黄瓜，品种为津优一号，环境信息通过温室环境控制系统自动采集。 具体试验步骤如下，首先，选择2 0 株长势一致的黄瓜移植到花盆中，保障 基质水分充足；第二，通过称量法得到黄瓜每天的蒸腾量，即每天6 ：0 0 和1 8 ： 0 0 各称量一次花盆的质量，计算黄瓜当天的蒸腾量。 实测温室黄瓜的蒸腾量如图3 1 所示。 皇 量 蚓 筵 糕 日期 图3 1 温室黄瓜实测蒸腾量 选取2 0 1 0 年0 5 月1 1 日到2 0 1 0 年0 5 月2 5 日的试验数据进行分析，建立温 室黄瓜的实测蒸腾量与环境信息的关系如图3 2 、图3 3 、3 4 所示。 1 4 江苏大学硕士学位论文 4 0 0 3 5 0 3 0 0 吕2 5 0 崮 、 2 0 0 唧 墼1 5 0 糕1 0 0 o 5 0 o 0 0 0 5 0 o 温度 0 图3 2 蒸腾量与日平均温度的关系 日平均温度与蒸腾量的回归方程为： 咒= 0 3 0 2 6 x a 一5 6 0 6 ( 3 3 ) 式中：五一日平均温度，单位：i 乃一蒸腾量，单位：1 ；i 。 数据分析：回归方程的决定系数评= 0 6 9 2 0 ；回归效果的显著性检验： a = 0 0 5 ，f = 2 9 2 1 ，f o 9 5 ( 1 , 1 3 ) - - 4 6 7 ，f f o 9 5 g 1 3 ) ，回归效果显著。 4 0 0 3 5 0 3 o o 自 2 5 0 吕 面2 0 0 墼1 5 0 槭l 瑚 o 5 0 o o o o - 0 5 0 日平均湿度 图3 3 蒸腾量与日平均湿度的关系 1 5 营养液自动灌溉施肥系统上位机软件设计 日平均湿度与蒸腾量的回归方程为： y 2 = - 0 0 7 3 5 5 x 2 + 6 9 9 7 ( 3 4 ) 式中：矗一日平均湿度，单位：； y 2 - - 黼，单位：m m 。 数据分析：回归方程的决定系数芹= 0 6 5 0 3 ；回归效果的显著性检验： a = 0 0 5 ，f = 2 4 1 7 ，f o 9 5 g 1 3 ) - - - 4 6 7 ，f f o 9 5 ( 1 , 1 3 ) ，回归效果显著。 0 0 0 0 1 00 2 0 0 3 00 4 00 5 0 0 6 00 7 0 日光累积w m 一2 图3 4 蒸腾量与日光累积的关系 日光累积与蒸腾量的回归方程为： y 3 = 6 2 1 3 x 3 0 1 6 6 5 式中：而一日光累积，单位：w m 2 ； y 3 一蒸腾量，单位：m m 。 日光累积的计算方法如下： 瓦( d ) = - q ( x ，+ 五+ 。) 岛 _ t = l 式中：瓦( d ) 一为累积光照值，单位：w m 2 ； 置一第i 次实测光合速率值，单位：w m 2 s ； 1 6 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 的 卯 的 色 & l l m m 星嘲鍪糕 江苏大学硕士学位论文 置+ 1 一第i + 1 次实测光合速率值，单位：w m 2 s ； 一第i 次观察与第i + 1 次观察的间隔时间，单位：s 。 数据分析：回归方程的决定系数砰= 0 9 7 3 3 ；回归效果的显著性检验： a = 0 0 5 ，f - - 4 7 3 3 8 ，f o 9 5 q 1 3 ) = 4 6 7 ，f 矗9 5 g 1 3 ) ，回归效果显著。 从图3 2 、图3 3 和图3 4 可以看出，温室黄瓜的蒸腾量与环境因素均显著相 关。以日光累积为参数的回归方程，决定系数最大，温度次之，湿度最小。回归 方程决定系数的大小显示出黄瓜日蒸腾量与温室有效光照累积、空气温湿度有很 好的相关性，可以进行多元回归分析。根据试验数据，得到回归方程如下： y = 0 0 5 1 6 8 x a 一0 0 0 1 9 9 x 2 + 5 3 9 3 x 3 0 9 9 2 1 ( 3 7 ) 式中：五一日平均温度，单位：。c ； 五一日平均湿度，单位： 五一日光累积，单位：w m 2 ； y 一蒸腾量，单位：l l l m 。 数据分析：回归方程的决定系数砰= o 9 8 9 6 ；回归效果的显著性检验： a - - - 0 0 5 ，f = 1 8 5 5 6 ，f 0 9 5 ( 3 ，1 1 ) = 3 5 9 ，f f o 9 5 ( 3 ，1 1 ) ，线性回归方程在a - - - 0 0 5 水平下有显著意义。 根据多元回归方程，我们可以通过日平均温度、日平均湿度和日光累积来预 测温室作物的蒸腾量，从而得到作物的理论灌溉量。 3 1 3 温室作物日灌溉量模型实验精度分析 通过2 0 1 0 年0 5 月1 1 日到2 0 1 0 年0 5 月2 5 日的试验，得到了环境因素与温 室黄瓜蒸腾量的多元回归方程式( 3 6 ) 。为了验证模型的可靠性，下面设计9 组 试验，对2 0 1 0 年0 5 月2 6 日到2 0 1 0 年0 6 月0 3 日期间的蒸腾量进行预测，并求 出预测值与测量值之间的相对误差，试验结果如表3 1 所示。 1 7 营养液自动灌溉施