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基于c a n 总线的温室环境控制系统研究 摘要 温室是设施农业的重要组成部分，国内外温室种植业的实践经验表明，提高 温室的自动控制和管理水平可充分发挥温室农业的高效性。本文总结了温室系统 的特点( 非线性、大滞后、强耦合) ，并结合模糊控制的知识，把模糊控制技术、 计算机技术、信息网络技术、应用于温室控制系统的设计与研究，并将c a n 总线 技术引人温室环境监控领域，设计开发了基于c a n 总线技术的智能温室环境监控 系统。 论文在分析温室各个环境影响因子的基础上，提出了智能化温室环境控制系 统的总体方案。采用模块化思想，设计了模拟信号采集、数字信号采集以及开关 信号控制三类c a n 总线智能节点，并采用单总线技术进行现场层数据传输。介绍 了温室现场监控系统的硬件电路，完成了温室系统硬件平台的搭建。 系统采用c a n 总线作为通讯方式，并在帧结构的基础上采用c a n 2 o a 技术规 范，设计了系统通讯协议。分析c a n 模块初始化、c a n 报文接收以及发送过程， 对通讯模块的软件进行了设计。工控机主动地向智能节点发送数据请求以及控制 命令，并对传感器采集的数据进行存储、处理，设计了温室环境监控系统软件， 实现对温室环境的控制。 根据温室环境的特点，采用模糊控制方法作为系统的控制策略。通过对输入 输出量以及控制规则的分析，设计了温室内温湿度环境监控系统的模糊控制器。 并将该模糊控制方法运用于试验基地，对p i d 控制和模糊控制进行了比较，实验 证明模糊控制方法超调量小，调整时间短，控制效果优于p i d 控制。 关键词：温室温湿度c a n 总线单总线模糊控制 青岛科技大学研究生学位论文 t h es t u d y0 fg r e e n h o u s e e n r o n m e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e d0 n c a nb u s a bs t r a c t g r e e n h o u s ei st h ei m p o r t a n tp a r to fi n s t a l l a t i o na g r i c u l t u r e c r o pp r o d u c t i o ni n d o m e s t i ca n do v e r s e a sg r e e n h o u s e ss h o w st h a ta d v a n c e da u t o m a t i o na n dm a n a g e m e m s y s t e mf o rg r e e n h o u s ew i l li m p r o v et h ee 伍c i e n c yo fa g r i c u l t u r ep r o d u c t i o n i nt h i s t h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r e e n h o u s es y s t e ma r es m n m a r i z e d , s u c ha sn o n l i n e a r i t y , l a r g ed e l a y , s t r o n gc o u p l i n g w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h ec a nb u si n t ot h ef i e l do ft h e g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t ac a nb u sb a s e df i e l dl e v e lm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mw a s d e s i g n e db ye m p l o y i n g t h e t e c h n i q u e s o ff u z z yc o n t r o l ，c o m p u t e r t e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y n l ep r i m a r yf a c t o r sa f f e c t i n gt h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tw e r ea n a l y z e da n dt h e w h o l ed e s i g np l a nh a sb e e no f f e r e d t h e nt h r e ek i n d si n t e l l i g e n tc a nb u sn o d e s i n c l u d i n ga n a l o gs i g n a lc o l l e c t i o n , d i g i t a ls i g n a lc o l l e c t i o na n do n - 0 1 j fc o n t r o lo n e s ， w e r ed e v e l o p e du s i n gt h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，a n dt h ed a t aw a st r a n s m i t t e db y 1 - w i r e t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ef i e l dl e v e lg r e e n h o u s em o n i t o ra n dc o n t r 0 1s y s t e m w a si n t r o d u c e d i nt h ee n d , t h es o f t w a r eo ft h ew h o l es y s t e mw a sd i s i g n e d n l es y s t e ma d o p t e dt h ec a nb u sm e t h o dt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h ei p ca n dt h ei n t e l l i g e n tc a nb u sn o d e s n l ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t o g e t h e r 、析吐l t h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mm o d u l ei n c l u d i n gc a nm o d u l ei n i t i a l i z a t i o n , c a nd a t a r e c e p t i o na n dt r a n s m i s s i o n w a sd e s i g n e db a s e do nt h ef r a m es t r u c t u r eu s i n gc a n 2 o a s t a n d a r d i nt h es y s t e m t h ep ct a k e st h ei n i t i a t i v er o l ei nc o n t r o l l i n gt h eg r e e n h o u s e e n v i r o n m e n tb ys e n d i n gc o m m a n d st ot h ei n t e li i g e n tc a nn o d e sf o rd a t ee o l l e c t i o n a n do t h e ro p e r a t i o n s 1 1 1 e f u z z yc o n t r o lm e t h o dw a su s e di nt h es y s t e ma st h e c o n t r o ls t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i e so fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ei n p u t s ，o u t p u t sa n dt h ec o n t r o lr u l e so ft h eg e e n h o u s ee n v i r o n m e n t , af u z z y c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e df o rt h ec o n t r o ls y s t e m a f t e rt 1 1 a t t h ec o n t r o lm e t h o dw a s a p p l i e dt oat e s tb a s e i nt h ee n d t h eo u t c o m eo ff u z z yc o n t r o lw a sc o m p a r e dw i t ht h a t o fp i d c o n t r 0 1 i tw a sc o n f m n e dt h a tt h ef u z z yc o n t r o lw i t has m a lle ro v e r s h o o ta n d a d i u s t i n gt i m e c o n s t a n ti ss u p e r i o rt ot h ep i dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：g r e e n h o u s e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y c a nb u s1 - w i r e i i i 基于c a n 总线的温室环境控制系统研究 f u z z yc o n t r o l 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论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中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人己用于其 他学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期：泖_ 1 年；月；日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、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。本人授权学校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。 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 b h s 月月 一 ， 一 年年 ，穷h叫，沂k1 ，劲沙 啪醐醐 方 匕 以在 1 生同 p饼氧 磁叫饭 力鸯 名名签签人师本导 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国作为世界上最大的发展中国家和传统的农业大国，农业在我国占有很大 的比重，但我国的人均耕地面积只占世界平均水平的三分之一，对于我们这个拥 有1 3 亿人口的大国来说，农业的有效发展始终是保证我国经济发展和社会稳定 的最重要因素，加快现代农业高科技的研究与开发，具有非常的重要性和战略性， 是本世纪我国农业领域能否掌握科技进步主动权的关键【l j 。设施农业是世界现代 农业发展的主要方向之一，作为设施农业中的重要内容，温室已经成为农业现代 化的标志性工程。温室可以在不同季节下为农作物提供所需的环境，例如合适的 温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度等。目前，如何引导温室种植户根据作物 的生长要求进行环境因子的调节以获得作物产量和质量的提高，是温室环境因子 监控系统的主要目标和研究方向【2 1 。温室控制的核心在于环境信息的采集，现在 国内的温室大多采用人工方法控制，由人工读取各个传感器数据，工作量大，精 确度差，并且不能得到所有位置的环境信息，这不利于农产品质量和产量的提高。 随着计算机技术的发展、网络的普及以及温室栽培面积的扩大，温室种植户对环 境因子调控的要求越来越高，我国对于现代化温室系统的研制也进入了一个新的 阶段。但是由于我国的温室农业起步较晚，发展时间短，我国的温室存在技术水 平低、温室环境监测条件差，现代化管理程度不高等缺点，迫切要求我国温室控 制在技术上进一步改进和提高。如何利用现代网络和自动控制系统对温室环境进 行有效的控制，是目前我国温室研究的重要课题之一，对我国温室产业水平的提 高有着重大的现实意义p j 。 1 2 课题研究意义及背景 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室 生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度、光照和二氧化碳等单项环境因子 控制技术的研究。国外的温室从2 0 世纪6 0 年代开始飞速发展，如今已有相当的 水平，相比之下我国则起步较晚，水平也较低，通过从国外引进先进的温室技术 是促进我国温室发展的重要方法之一。但这些温室产品的成本相对较高，如加拿 大a r g u s 公司【4 】，每套温室控制器的价格在十万元左右；以色列国家农业中心 基于c a n 总线的温室环境控制系统研究 的一片玻璃试验温室，每间的造价高达上百万美元。另外，由于气候条件不同， 地理环境差异以及种植农作物的不同，在客观上限制了国外温室产品在我国的运 用。国内已有的一些温室存在技术水平发展缓慢，管理体系落后等缺点，不能满 足现代农业和温室自动化控制发展的要求。因此，研究开发出适合我国国情、具 有独立知识产权、高效温室环境监控技术是智能温室的核心技术之一，同时也是 最难掌握的技术之一。 我国的温室技术虽然取得了长足的进步，但是在这一方面还是非常落后的， 本文对现代化温室环境参数( 主要是温湿度) 控制的智能化进行了研究和探索，在 总结前人研究的基础上，分析了温室环境系统的影响因子、综合控制特性、以及 温室控制过程这个非线性、大滞后、强耦合的复杂过程；在分析现有的温室监控 系统模式及微处理技术特点的基础上，综合运用现代智能传感器技术、远程通讯 技术和微型计算机技术，自行设计了一个实用的温室环境自动控制系统，可以实 现对温室环境温湿度两个参数的监控。为智能化在温室环境参数自动控制系统中 的应用作了有益的尝试。 1 3 温室环境控制技术国内外现状和发展趋势 温室环境的控制是作物生长环境优化问题。其最高目标是能使农业生产和工 业生产一样不受自然环境因素制约，并且进行自动化的高效生产。自2 0 世纪7 0 年代以来，电子技术的迅猛发展和微型计算机的普及应用，为温室环境控制技术 提供了广阔的发展空吲5 ，引。温室控制大致经历了人工手动控制、机械设备控制、 电子环境控制、微机综合控制等几个发展阶段，采用微机控制的传统温室控制方 法，都存在着明显的缺陷，要模拟复杂气候环境中作物所处的局部环境几乎是不 可能的，要实现对这种相互制约、相互影响的环境因素的综合控制也很困难。随 着微型计算机性能的大幅提升和价格的下降，以及伴随着模糊控制技术、神经网 络技术和遗传算法等理论的发展成熟，以微机为核心的温室综合环境控制系统获 得了长足的发展，并逐步迈入网络化、智能化阶段【7 】。 1 3 1 国外温室环境控制技术发展现状 在温室环境控制方面，国外起步较早并且已经达到相当水平，早在2 0 世纪 8 0 年代初，美国的雨鸟、摩托罗拉等几家公司就合作开发了智z 月匕l - , 中央计算机灌溉 控制系统，并于2 0 世纪9 0 年代在全美得到了广泛的应用引。目前，美国己将全 球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产，已有8 2 的温室使用 2 青岛科技大学研究生学位论文 计算机进行控制。荷兰到8 0 年代中期，已有5 0 0 0 多台计算机应用于温室，目前 荷兰拥有玻璃温室1 8 万多亩，占全世界的1 4 以上，有8 5 的温室种植者使用环 境控制计算机。英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算 机控制与管理技术在温室控制中的成功应用。另外，德国已经把3 s 技术( 地理 信息系统g i s 、全球定位系统g p s 、遥感技术r s ) 应用于温室。以色列对农作物 的灌溉采用了现代化的滴灌和微喷灌系统，在作物附近都安装了传感器以测定 水、肥的状况，办公室里的中心计算机与田间的控制器进行通讯，可方便地遥控 灌溉和施肥，使水肥的利用率达到8 0 9 0 一j 。 由于温室环境参数的动态过程固有的非线性，使得温室环境的线性系统模型 只能在环境参数较小的变化范围内保证模型精确度【lo 】。因此，采用非线性系统模 型的辨识方法是一个必然趋势【1 。当前，采用智能化系统辩识方法对非线形系统 进行建模的研究非常流行，在温室环境辩识中有大量研究。早在1 9 9 4 年s e g i n e r t l 2 j 等人就采用人工神经网络方法对温室气候进行辩识，作者利用法国i n r a 和英国 s i l s o e 研究所的数据分别建立了三层前向b p 神经网络模型，网络的输入量为气候 变量( 室外光强度、室外温度、室外湿度、室外风速等) 、控制变量( 加热器的 热通量、以弧度表示的通风口打开角度、以时长表示的喷雾量等) 、状态变量( 叶 面积指数) 和时间变量( 日期、时间) ，模型预测量为室内温度、室内光强度、 以湿球湿度表示的室内湿度以及土壤温度等室内环境参数，并且通过增减网络的 输入输出数目观察网络的预测能力，通过分析网络权值大小，判断哪些输入变量 对变量预测更加重要，结果得出风向和叶面积指数对室内环境影响不大的结论。 1 9 9 6 年s e g i n e r 1 3 】等研究了利用神经网络来模仿专家的温室控制策略。结果显示， 神经网络能够很好的模仿专家的控制思想。在1 9 9 7 年s e g i n e r t l 4 系统分析了神经 网络在温室环境控制中的应用，介绍了神经网络在温室环境参数建模、环境参数 模型输入的降维、植物模型的简化以及温室环境最优控制方面的应用。2 0 0 2 年 p m f e r r e i m t l 5 】等采用输入为室外温度、室外光照强度和室内相对湿度的径向基神 经网络建立了水培温室的温度模型，并将模型应用于温室的自适应预测控制中。 t a n t a u ( 1 9 8 5 ，1 9 8 9 ) 在温室小气候的控制中以前馈控制来增强反馈控制，即前 馈一反馈控制【16 ，1 7 】。c g a k a b uz s 等( 1 9 9 6 ) 采用一个实时加热控制算法，目的是 为了减少温室能量消耗【1 8 】。同时验证了算法的可行性并把它应用到实际的环境控 制中。h a n s j u e r g e n t a n t a u ( 1 9 9 8 ) 提出改进温室内部空气温度的设定点降低温度 能量消耗【1 9 】。m e i rt e i t e l 等( 2 0 0 4 ) 比较两种温室通风扇的控制系统，一种是开 关( o n o f f ) 系统，另一种是可变频率触发驱动系纠2 0 1 ，研究的目的是通过决 定每个系统对温室能量的消耗来比较它们的优越性。2 0 0 5 年p a u l os a l g a d o 等【2 堆j 采用模糊逻辑建立温室温度和湿度模型，该模型采用分层的模型结构将一个大型 基于c a n 总线的温室环境控制系统研究 m i m o 模型分解成多个子模型，使得子模型的模糊推理具有可解释的物理意义。 这些理论的出现，使得温室环境控制技术开始向智能控制技术过渡。 1 3 2 国内温室环境控制技术发展现状 与国外相比，国内对温室环境控制技术的研究相对较晚。到2 0 世纪8 0 年代 初期，我国农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室发展技术的基础上，进 行了温室中温度、湿度和二氧化碳浓度等单项环境因子控制技术的研究，计算机 控制技术开始应用于温室的管理和控制领域【2 3 1 。1 9 8 2 年中国农业科学院引进了 f e l i x c 5 1 2 计算机系统，并建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构； 清华大学首先介绍了应用单片制人工气候箱的方法和思路；上海园林工具厂研究 了以节能为目标的温室微机控制系统；吉林工业大学、浙江大学、山东果树研究 所等都进行过一些相关研究；浙江农业大学、江苏理工大学等单位还提出了一些 气候物理过程的模型理论。然而对于自动化温室环境的优化控制尚未有过深入地 研究【2 4 1 。 近年来，国内在温室模型的研究方面也取得了较大进剧2 ”。7 1 。2 0 0 3 年李树海 针对我国华北型连栋温室建立了温湿度动态机理模型，定量地描述了覆盖材料与 室外空气的对流换热、土壤传导、太阳辐射、热辐射、植物蒸腾、地面蒸发、水 汽凝结、机械通风和自然通风等物理过程，并开发了g c m l a b 温室环境模型应 用程序【2 8 】；除此之外，还有其它一些人也做了大量的研列2 9 。3 2 1 。2 0 0 3 年汪小旦研 究了适合于我国南方现代化温室的温室小气候模拟及能耗模型，并且采用b p 前 向神经网络分析了南方梅雨季节温室的小气候环境，对温室内各层面的温度进行 了模拟试验；江苏理工大学李萍萍、毛罕平等研制开发了温室软硬件控制系统， 能对温度、光照强度、二氧化碳施肥和营养液等进行综合控制，是国产化温室计 算机控制系统较为典型的研究成果：2 0 0 2 年，聂毅、聂晖以8 0 3 1 单片机为核心 设计了温室单片机控制系统，通过与设定值简单比较，控制机构运行来调节温室 的温度、湿度、光照强度等；2 0 0 2 年，朱伟兴、毛罕平等用三片单片机8 0 3 l 为 下位机和一台p c 5 8 6 计算机为上位机构成集散控制系统，控制两个温室气候区和 一个施肥系统；同年，汪永斌等研制了温室群全数字式温度和湿度综合控制系统 控制华东型温室；胥芳在2 0 0 4 年分析了温室小气候中辐射、通风、对流和作物 蒸腾作用引起的质热交换物理过程，并且基于能量和物质守恒原理，建立了温室 小气候温湿度动态模型，并对模型进行了仿真，最后应用均方根误差算法对仿真 结果进行了分析，得出动态模型能有效地预测温室内空气的温湿度值的结果【3 3 , 3 4 】。 总的来说，在温室自动控制系统的研究中，国内的众多研究单位和学者进行 4 青岛科技大学研究生学位论文 了大量的研究和实际系统的开发。与国外类似，国内温室自动控制系统结构也可 分为集中式结构、分布式结构和现场总线式结构3 5 , 3 6 。总体上看，国内温室自动 控制系统在功能、可靠性和可扩展性等方面还有待进一步提高。 1 3 3 温室环境控制技术发展趋势 对比国内外温室环境控制系统发展的情况我们可以得出以下结论：温室环境 控制系统正向着分布式、网络化、智能化发展 3 7 , 3 9 。 ( 1 ) 智能化技术 温室作物具有生长周期长、过程复杂等特点，而且温室的外部环境( 自然气 候) 以及温室内部种植作物随市场需求和季节的变化具有不确定性，因此有时仅 仅依靠人工进行控制很难达到预期的效果，所以借助计算机对温室进行控制就成 为了温室控制的一个研究方向。 模糊理论是l a - z a d a h 教授于1 9 6 5 年创立的模糊集合理论的数学基础上发展 起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容， 其中模糊控制是模糊理论在工业控制领域应用的成功范例。它把人的经验形式化 并引入控制过程，再运用比较严密的数学处理过程，实现模糊推理，进行判断决 策，以达到令人满意的控制效果。9 0 年代初，应用模糊控制技术的各类家电产品 在日本大量上市，在世界上引起了巨大的反响，随之而来，工业界掀起了模糊控 制的应用热潮。由于温室系统比较复杂，很难建立精确的数学模型，而模糊控制 方法的应用优势，正好适合温室环境控制的特点，是现阶段温室环境控制技术发 展的主要趋势之一。温室环境控制技术中的智能化技术，不仅指智能控制算法， 还有包括其它方面的应用内容，如实现系统的自诊断功能等。 ( 2 ) 分布式控制 目前开发的温室计算机控制系统主要采用了主机一终端模式，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，灵活性差且投入大， 针对时空变异性大、空间分布性强、多参数相互影响的实际温室系统而言，很难 实现高投入高产出的目标。分布式控制系统是温室控制系统的发展方向【3 9 1 ，其采 用服务器一客户模式，系统中的每一个子处理器处理所采集的数据并进行实时控 制，而由主处理器存储、显示并管理子处理器传送来的数据，主处理器可以向每 个子处理器发送控制设定值和其它控制参数，同时每个子处理器又可以独立工 作。系统表现出来的适应性好、可靠性高、扩展性强等特点，可使温室达到更好 的控制效果，从而产生较好的经济效益。 ( 3 ) 网络通信技术的发展 5 基于c a n 总线的温室环境控制系统研究 进入2 1 世纪以来，全球性的网络化、信息化进程加快，并成为发展速度最 快、最具活力的高科技领域，将网络通信技术应用于温室的生产与管理系统之中 必将成为一种趋势。可靠、开放、高效的信息网络为温室种植者提供各种有用 信息，如利用网上发布的市场需求，来指导温室生产的规模、种植的品种、最佳 上市时间等，并可通过在线服务系统进行咨询。此外，利用网络技术可实现对温 室的远程控制和管理。随着计算机技术、控制技术、信息技术和网络技术的不断 发展，对温室环境的控制将沿着综合性、多因子、开放式、多层次的复杂网络化 的方向发展。现代智能温室测控系统与i n t e r n e t 相连接【4 1 1 ，实现控制网络和信息 网络的无缝结合，是现代化温室群发展的要求，也是集约化可控设施农业发展的 方向。 ( 4 ) 专家系统的应用与控制算法的发展【4 2 】 专家系统是人工智能应用研究的一个重要分支，现在已广泛应用于科研、工 业、军事等众多领域，它作为一种知识的载体，可以捕捉和保存宝贵的工程知识， 其所表现出来的可靠性、客观性、永久性及其易于传播和复制等特性，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。目前 将专家系统应用于温室环境控制己得到了研究者的重视【4 3 , 4 4 】。有代表性的农业专 家系统有埃及农垦部的黄瓜栽培管理专家系统，希腊的六种温室蔬菜病虫害和缺 素诊断专家系统等【4 5 1 。与此同时，将作物生长模型与专家系统相结合的研究也得 以发展，如虚拟农业闱( v i r t u a l a g r i c u l t u r e ) 概念的提出。在控制算法方面，研究者 已逐步将神经网络【轫、遗传算法删及模糊推理【4 9 1 等智能控制算法运用到温室环境 的控制中，来提高系统的自动化、智能化水平。然而，这些温室的控制水平、精 度及节能高效等方面还有待于进一步提高，合理有效的提供农作物生长所需的环 境因子，从而使企业获得良好的经济和社会效益，这无疑是推动温室应用自动化 的强大动力。因此，专家系统、控制算法的进一步完善以及在温室控制系统中更 为广泛的应用将是温室技术的发展趋势之一。 目前，国产的温室环境控制系统分为基于p c 机的控制系统、基于单片机的 控制系统和基于可编程序控制器( p l c ) 的控制系统，系统结构为集中式控制结构。 基于p c 机的控制系统具有抗干扰能力强、可靠性高、计算能力强、开发周期短 的特点，但是成本较高，布线极其复杂；基于可编程序控制器的控制系统实现顺 序逻辑控制功能并且工作稳定性、可靠性高，但其可扩展性、通讯能力、运算能 力、模拟量处理能力都相对较弱。 目前国内温室控制系统结构普遍采用“上位机+ 下位机的集中式控制结构， 相互之间采用点对点通信，这就导致温室系统布线不便、系统拓展性不好，尤其 在需要控制的温室数量较多时，控制系统的复杂度和难度就大大增加，布线数量 6 青岛科技大学研究生学位论文 增加，系统成本也大幅增加。由于采用集中式控制，使系统的危险性过于集中， 一旦温室环境控制系统的上位机出现问题，将会导致整个系统的瘫痪。另外，温 室环境由于其特殊性，对控制系统的可靠性要求很高，因此在现场环境恶劣的温 室中，需要一种具有可靠性高、传输距离远等优点的控制系统。 现场总线具有开放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化等特点。其主 要特点是实现了信息处理的现场化，把控制功能彻底下放到现场，使得系统所处 理的信息量大大增加，而用于传输信息的线缆却反而大大减少，具有布线简单、 可长距离通讯、维护方便、部件互换性好等优点，同时较传统控制结构在同功能 下系统价格可以大幅度降低。现场总线控制系统的全分布、长距离组网、价格低 廉、高可靠性、完全开发性和可扩展性、减少布线工作量的特点，决定了其在温 室控制领域具有十分广阔的应用前景。 鉴于现场总线具有上述优点，加上它在恶劣条件下可靠的工作性能、快速的 数据交换能力、极高的可靠性、高可维护性等特点，把现场总线应用于现代温室 中，设计出一种低成本、高可靠性的适合我国国情的温室环境监控系统，在我国 农业生产领域中一定具有非常广阔的发展前景。 1 4 论文的主要工作 温室的控制主要是对温室内各个环境因子的控制，这些因子通过室内执行机 构进行调节。温室环境监控系统中传感器采集的信号以及执行机构较多，而且信 号的传输距离较远。本文针对温室环境系统的特点，考虑系统智能节点扩展的灵 活性，采用c a n 总线作为系统通讯方式，数据传输通道采用单总线技术来设计 温室环境现场层监控系统。主要研究内容包括： 第一章阐述论文的研究背景和意义，介绍国内外温室环境控制技术的研究现 状和发展概况。并提出将现场总线应用于温室控制中。 第二章阐述了现场总线技术的特点、优点以及几种典型的现场总线，通过分 析比较得到，c a n 总线是适合于应用在温室控制中的现场总线，并对c a n 总线 特性进行了简单介绍。 第三章对整个温室环境结构进行了分析，设计了基于c a n 总线技术的温室 现场监控系统的硬件电路。通过对模拟信号、数字信号以及开关信号的分析，设 计了针对这三类信号的c a n 智能节点，实现了模块化的思想设计，提高了系统 的通用性，完成了控制系统硬件平台的搭建。 第四章根据c a n 2 0 a 技术规范，实现了c a n 通讯协议的设计。对c a n 总 线通讯涉及到的c a n 通讯模块的初始化，数据的接收以及数据的发送进行研究， 7 基于c a n 总线的温室环境控制系统研究 设计了系统通讯软件。通过对c a n 智能节点的分析，设计了模拟信号采集模块、 数字信号采集模块以及开关信号控制模块的控制程序，实现了系统数据采集和控 制的功能。对系统控制功能进行分析，设计了温室环境监控系统软件，实现温室 环境的调控。 第五章通过对模糊控制策略的研究，设计出基于模糊控制理论的温室温湿度 模糊控制器，并完成了相关程序的编写。将该方法运用于试验基地，结果表明模 糊控制方法能达到更理想的控制效果。 第六章对全文工作进行总结和归纳，指出了此系统的不足，并对此系统的进 一步研究提出设想和展望。 8 青岛科技大学研究生学位论文 2 1 引言 第二章现场总线技术及应用 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初兴起的现场总线技术引发了工业自动化领域的 重大变革【5 0 1 ，它代表着工业控制网络技术的发展方向。现场总线控制系统( f c s ) 将集散式控制系统中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模式， 控制功能彻底下放到现场，现场控制设备通过总线与管理层交换信息。在企业信 息系统的层次上，整个企业信息网络可以分为现场控制层、过程监控层、生产管 理层、市场经营层等多个层次。工业控制网络是控制技术、通信技术、计算机技 术在企业现场控制层、过程监控层的综合体现，被称为工厂底层网络。目前，工 业控制网络技术的应用已经推广到过程控制自动化、制造自动化、楼宇自动化以 及交通运输等多个领域。 目前一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作现场总线控制系统 ( f c s ) 。人们一般把5 0 年代前的气动信号控制系统p c s 称作第一代，把4 2 0 m a 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三 代，而把7 0 年代中期以来的集散式分布控制系统d c s 称为第四代。现场总线控 制系统f c s 作为新一代控制系统，一方面，它突破了d c s 系统采用通信专用网 络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺 陷；另一方面把d c s 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式 结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场 总线系统的最显著的特征。 目前的现场总线技术有较强实力和影响的有：基金会现场总线f f ( f o u d a t i o n f i e l d b u s ) 、局部操作网络l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、过程现场总线 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、h a r t 协议、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 和d u p l i n e 等。它们各具特色，在不同的应用领域形成了自己独特的优 势。 2 2 现场总线控制系统的特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。在传统模拟控制系统中采用 9 基于c a n 总线的温室环境控制系统研究 一对一的设备连续，按控制回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与位于控 制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的 物理连接；而在f c s 中，由于通信能力的提高，现场总线可以将它们简单地串行 连接在一起。 现场总线控制系统的全分布特点为系统的大量信息集成提供了基础，全数字 特点消除了4 - - 2 0 m a 信号传输的瓶颈现象，全开放、互操作特性使用户可按自 己的需要和考虑将不同品牌的产品组成大小随意的系统。工业现场总线的结构特 点还使其具有以下优点： 1 ) 现场设备具有智能和自治的特点 在现场总线系统中，现场设备已经不仅仅是测量单元或执行单元，而是将传 感测量、补偿计算、过程量处理与控制等功能集中到一台现场设备中，不但可以 实现自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态，和其他设备进行信息 交换。另外，现场总线设备具有较强的抗干扰能力，能实现总线供电与通信，并 可满足本质安全防爆要求等。 2 ) 提高了系统的精度和自诊断功能 现场总线设备可以不依赖其他设备独立地实现调节功能，控制周期大大缩 短，可以从目前d c s 的每秒2 , - - , 5 次增加到每秒1 0 - - 2 0 次，从而改善了调节性能； 系统使用数字信号传输，使控制精度可以从d c s 的o 5 提高到o 1 。现场总 线系统设备具有诊断数据、操作情况统计和自动故障通告等功能，满足了远程诊 断和故障定位的需要。 3 ) 降低了设计、安装的软硬件费用和系统的维护费用 现场总线系统的接线具有串行的优点，一对双绞线或一条电缆上通常可以挂 接多个设备，可减少1 2 - 2 3 的隔离器、端子柜、i o 终端和i o 卡架等，连线 设计与接头校对的工作量也大大减小。更重要的是，智能设备能直接执行多种传 感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不需要单独的调节器、计算 单元等，也不再需要集散式控制系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复 杂接线，还可以用工控计算机作为操作站，从而节省了一大笔硬件的投资，减小 了控制室的占地面积，并缩短了安装调试时间。 由于现场控制设备具有诊断与简单故障处理能力，并通过数字通信将相关的 诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所以设备的运行、诊断维护信息，以便 早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化， 并具有互换和互操作的特点，减少了维护工作量。 4 ) 组态和修改容易 在组态过程中，可以根据实际需要采用总线型、树形等多种拓扑结构，当需 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 要增加现场控制设备时，无须增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节 省了投资，又减小了设计、安装的工作量，便于系统扩充和修改。由于它的设备 标准化，在系统重构时也很容易。 2 3 应用于温室控制的现场总线选择 在温室中引入现场总线，其系统构成如图2 1 所示。它是一个典型的分布式 控制系统，在这种系统结构中，各个模块和计算机都是挂接在总线上的“平等主 体”，它们之间采用点对( 多) 点方式、广播方式进行通信。每个智能节点接收 传感器所采集到的现场数据，并在节点内完成相应的控制算法，然后再将计算结 果输出到执行机构上。 现场总线 图2 1 基于现场总线的温室控制系统结构图 f i g 2 1g r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a mb a s e do l lt h ef c s 各种总线都具有各自的技术特点和不同的应用领域，在目前主流的现场总线 产品中，只有c a n 总线得到了计算机芯片商的广泛支持，m o t o r a l a 、i n t e l 、p h i l i p s 均生产独立的c a n 芯片和带有c a n 接口的8 0 c 5 1 芯片，c a n 总线产品还包括 a b 公司的d e v i c e n e t 、台湾研华的a d a m 数据采集产品等。带有c a n 的m c u 芯片总量己经达到1 亿3 千万片，因此在接口芯片技术方面，c a n 总线己经遥遥 领先于其他所有现场总线，c a n 总线己经成为最易于实现和成本最为低廉的现场 总线。 另外，欧美等国家己通过国家立法将c a n 总线标准或以c a n 为基础的新型 总线( 如d e v i c e n e t 等) 确定为农业装备控制的标准总线。 所以，我们选择以c a n 总线为主构建温室环境控制系统【5 卜蚓。 基于c a n 总线的温室环境控制系统研究 2 4c a n 总线介绍【5 0 】 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 且p 控制器局域网络，是一种高性能、高可靠性、 易开发和低成本的现场总线，在全球得到广泛应用，也是最早在我国应用的现场 总线之一。c a n 总线最初由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部 件之间的数据通信。由于c a n 总线自身的特点，其应用领域已由汽车行业扩展 到过程控制、机械制造、机器人和楼宇自动化等领域，并且在众多总线中成为国 际标准。 c a n 总线与其它通信网的不同之处有：报文传送中不包含目标地址，它是以 全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收的 收下，不该收的弃而不用，其好处是可在线上网下网、即插即用、主动发送和多 站接收；强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统 需求。由于其高性能和高可靠性，c a n 总线越来越受到人们的重视。 2 4 1c a n 总线的通信模型 c a n 总线采用短帧结构和简化的通信模型【5 0 1 ，只定义了物理层和数据链路 层，如图2 2 所示。 数据链路层逻辑链路控制( l l c ) ( d l l )介质访问控制( m a c ) 物理信号( p l s ) 物理层( p h y )物理介质附属装置( p m a ) 介质相关接口( m d i ) 图2 - 2c a n 总线的通信模型 f i g 2 2t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo fc a n b u s c a n 总线的数据链路层分为：逻辑链路控制和介质访问控制两个子层。逻辑 链路子层的功能包括：为远程数据请求以及数据传输提供服务；在由l l c 子层接 收到的报文当中，确定实际采用哪些报文；为恢复管理和超载通知提供手段。介 质访问控制子层是c a n 协议的核心，它的功能范围主要是传输规则，也就是组 帧控制，向下传送从l l c 子层得到的报文，并把接收的报文传送给l l c 子层。 它负责执行仲裁、错误检测、出错标识和故障界定。 c a n 的物理层分为：物理信号，实现与位表示、定时和同步相关的功能；物 理介质附属装置，是实现总线驱动器和接收器的功能电路，并提供总线故障检测 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 方法；介质相关接口，定义了接口连接器的机械、电器特性。 2 4 2c a n 总线的特性 c a n 总线的特点可概括如下【5 u 】： 多主工作方式。网络上任一节点均可主动发起传输。依据报文的优先权而 不是节点的优先权进行总线访问控制； 非破坏性的总线仲裁技术。发生总线冲突时，高优先级报文可以不受影响 地完成传输，保证了高优先级报文的实时性； 借助接收过滤器可实现点对点、点对多点及广播等传输方式； 远程数据请求。特有的“远程帧”可用于数据请求； 总线配置灵活。例如在总线速率与距离方面，传输速率5 k b s 时通信距离 可达10 k m ，传输速率i m b s 时通信距离为4 0 m ； 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，以总线驱动器8 2 c 2 5 0 为例， 节点数可达1 1 0 个。报文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制； 高校的短帧结构。每个数据帧数据域最长为8 字节，传送短报文时效率高； 高可靠性。短帧传输时间短，受干扰几率低；每帧都有位填充、c r c 校验 等措施，保证了极低的出错率。发送期间丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自 动重