（计算机应用技术专业论文）温室环境计算机控制系统的研究与开发.pdf

中文摘要 我国是传统的农业大国，在农业发展上存在着一系列不利因素，诸如：人口 众多、资源有限、农产品科技含量低等。要解决这些闯题，就必须大力发展优质、 高效、高产的现代农业，以温室为代表的设施农业是现代农业的重要发展方向之 一。 设施农业是2 1 世纪最有活力的新产业。温室是设施农业的典型代表。其中， 温室环境控制是温室种植业的重要环节。温室环境控制技术在近5 0 年来发展迅 速。发达国家己拥有极为先进的温室环境控制设备与手段，但其设备主要依靠大 量消耗能源来解决，且它的环境控制侧重点与我国复杂多变的气候条件不匹配， 而且进口设备成本昂贵。目前在我国，温室主体硬件已经能够完全自给，但其铡 控系统，无论从质量上还是效率上与发达国家相比还有较大的差距，因此，开发 研制出符合我国国情的温室环境智能测控系统，对提高温室经济效益和加快我国 温室生产的现代化水平均具有重要意义。 本文的控制系统为两级分布式系统，上位机由1 台p c 机组成，主要完成参 数设定、数据处理、存贮、分析、显示、打印等功能；下位机由8 台西门子s i m a t i c s 7 2 0 0 型可编程控制器组成，主要完成数据采集、传输及执行上位机的命令。 在系统功能的分配上，上、下位机可以并行工作，提高了系统的可靠性。 上位p c 机与下位要p l c 之间采用串行r s 一4 8 5 接口通讯。其优点是数据传 输距离长、抗干扰能力强。 系统软件部分包括两大部分：上位机软件和下位机软件。上位机软件采用 v c + + 6 0 编写，以w i n d o w s 9 8 为操作平台；采用模块化设计，主要模块为：通 信模块、数据库管理模块、参数设置模块、数据实时监测模块。下位机软件采用 w i n c c 4 0 编写，下位机软件主要由通信模块、自检与初始化模块数据发送接 受中断服务程序模块、数据采集模块、数据处理模块。 关键词：温室可编程控制器r s 4 8 5v c h 6 0 u a b s t r a c t o u rc o u n t r yi sat r a d i t i o n a ll a r g ea g r i c u l t u r a lc o u n t r y a 鲥c u l t u r ed e v e l o p m e f l t h a sas e r i e so fl i m i t a t i o n s u c ha so v e r p o p u l a t i o n , l i m i t e ds o i la n dw a t e r , l o ws c i e n c e a n dt c e h n o l o g yl e v e lf a r mp r o d u c e i no r d e rt os o l v et h e s e ，w es h o u l dd e v e l o p m o d e r ne f f i c i e n ta g r i c u l t a r ew i t hh i g hq u a l i t yp r o d u c e f a c i l i t ya g r i c u l t u r ew h i c hu s e s g r e e n h o u s e 嚣r e p r e s e n t a t i v ei so n ea s p e c to fm o d e ma g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n tf i e l d s t h e r e f o r e ，e n v i r o n m e n tc o n t r o li sa ni m p o r t a n ta s p e c to f g r e e n h o u s ep l a n t i n2 1 s tc e n t u r y ，f a c i l i t ya g r i c u l t u r ei st h em o s tv i g o r o u si n d u s t r y g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sa r a p i dd e v e l o p m e n t i nr e c e n t l y5 0 y e a r s d e v e l o p e dc o l l l l n i e sh a so w n e dv e r ya d v a n c e de q u i p m e n t sa n dm e a n si n e n v i r o n m e n tc o n t r 0 1 e n v i r o n m e n tf a c t o r ss u c ha si l l u m i n a t i o n , t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y a n da t m o s p h e r ea l ea l lr e a lt i m ec o n t r 0 1 b u tt h e i re q u i p m e n t sm a i n l yd e p e n d0 1 1l a r g e q u a n t i t yo fe n e r g yw a s t e f u r t h e r m o r et h e i rc o n t r o l f o c u sd o e sn o tm a t c ho u r c o n t i n e n t a lc l i m a t e d e v e l o p e dc o u n t r i e sh a sm i g h t ye c o n o m i cp o w e ra n de n o u g h e n e r g y , w h i l eo u rc o u n t r yi sad e v e l o p i n go n e f o r e i g ne q u i p m e n t sd on o ta l lf i tt h e s i t u a t i o no fo b rc o u n t r y i t sn e c e s s a r yt od e v e l o pl o wc o s ta n dg o o dq u a i l t 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 ls y s t e ma th o m e t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so f o n ep ca su p p e rc o m p u t e r , e i g h tp l ca sl o w e r c o m p u t e r o nd i s t r i b u t i o no f s y s t e m i cf u n c t i o n , u p p e rc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e r c a n p a r a l l e lw o r k i ti n c r e a s e st h ed e p e n d a b i l i t yo ft h es y s t e m p ch a sr s - 4 9 5s e r i a l i n t e r f a c ec o m m o n l y s o r w a r ei st h ec e n t e ro fc o n t r o ls y s t e m i tc o n t a i n st w op a r t s ：u p p e r c o m p u t e rs o f t w a r ea n dl o w e rc o m p u t e rs o f t w a r e t h ef o r m e ra d o p t sv c h 6 0 w i n d o w s 9 8a so p e r a t i o np l a t f o r m t h el a t t e ra d o p t ss i m a t i cs 7 - 2 0 0w i n c c 4 0 l a n g u a g e l o w e rc o m p u t e r s o f t w a r ei s c o m p o s e d o fs o m es u b m o d e l s ： i n i t i a l i z a t i o nm o d e l ，l c dd i s p l a ym o d e l ，d a t at r a n s m i s s i o n r e c e i v i n gm o d e l ，d a t a s a m p l i n gd i s p o s a lm o d e l u p p e rc o m p u t e r s o f t w a r ei s c o m p o s e d o f c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，d a t am a n a g i n g m o d e l ，p a r a m e t e rs e t t i n gm o d e la n dd a t a r e a lt i m ed e t e c t i n gm o d e l k e y w o r d s ： g r e e n h o u s e p l c r s - 4 8 5v c 卜6 0 i i i 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘翌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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：浆面久 签字日期：嘶月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 柒融 签字日期：汹月孑日 导师签名： 第一章绪论 1 。l 课题背景 第一章绪论 改革开放以来，我国的农业生产取得了可喜的成绩，但同时，我国农业发展 中存在的闯题也越来越凸现出来，如果这些问题得不到解决，将成为严重制约我 国农业可持续发展的瓶颈【l 】。 首先是我国人口众多。目前我国人口已达到1 3 亿之多，且人口数量还在迅 速增长。因此，解决日益增长的社会需求与主要农副产品的供给之间的矛盾，成 为我国社会发展的头等大事。 其次是资源短缺。我国土地资源和水资源严重短缺。而且分布不均衡，因此， 合理利用现有资源的问题显得尤为重要。于是，提高资源的利用率，以最小的投 入获得最大的收益，成为现阶段农业发展的重要目标。如何利用有限的耕地资源 和水资源，是关系到农业能否实现可持续发展的关键。 第三是我国农产品成本高，科技含量低，无法形成产业规模。 要解决这些问题，根本在于实现我国农业从传统农业向以优质、高效、高产 为目的的现代化农业转化。农业环境综合控制作为农作物优质、高效、高产的手 段，是农业现代化的重要标志，随着社会经济的发展，以温室为代表的设施农业 将成为现代农业的发展主要方向之一，成为2 1 世纪最有活力的农业新产业。 那么，何为设施农业昵? 设施农业( f a c i l i t i e s a g r i c u l t m ，f a ) 是农业生物环境 工程的分支学科。设施农业是指在人工建造的特定设施中，以一定的工程措施控 制并加以改善局部的气候环境，从而进行有效生产的农业体系，包括设施栽培和 设施养殖。前者的主要设施为温室、气候室潴) 等【甜。 温室是设施农业的重要组成部分。温室( g r e e n h o u s e ) ，又称暖房，是透光、 保温、用以栽培植物的人工农业设施。参照植物在露天环境中生长所需要的适宜 条件，在温室内用人工方法制造出不同于外界大自然气候的小气候。比如尽量吸 收太阳辐射的光和热、加强保暖、采暖、采光、温度控制、通风换气等。由此可 知，温室是人、环境及其内部植物共同构成的半封闭的人工生态系统，它可以避 开外界环境的种种不利因素，在不适宜植物生长的季节，为温室内植物提供更佳 的生长环境。由于温室具有的土地利用率高、不受地域限制等优点，随着农业产 业化的发展，必将在我国设旋农业中得到迅速发展和广泛应用。现代化温室中一 般具有控制光照、温度、湿度等环境因子的设备，用计算机自动调控，以提供给 植物所需的最佳生长环境条件【3 1 。 温室设施包括：环境调控设施和温室建筑结构。目前，现代化大型温室的骨 第一章绪论 架和覆盖材料国产化已经基本不成问题，但其内部的配套设施和计算机管理系统 等现代化管理方法与先进国家相比还有较大的差距，而先进的环境调控是现代化 温室的重要特征。 温室环境控$ 1 j ( 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 1 ) ，是根据植物生长发育的需 要，自动调节温室内环境条件的总称。现代化温室，通过传感器技术、微型计算 机及p l c 技术、人工智能技术等，能自动调控温室的环境，其中包括温室内外 的温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度、c 0 2 浓度、营养液浓度等，从使作物 获得比在室外生长更好的环境条件，达到优质、高效、高产的目的【4 】。 1 2 温室环境控制系统的发展历史 1 手动控制时期 在温室发展的初期，并没有真正意义上的控制系统及执行机构，环境控制就 是根据种植者的经验采取一些简单措施以改善恶劣的自然环境条件，保护作物免 受严重的负面影响。如人工的加热以防止低温，手动通风以避免高温，在玻璃窗 上涂上石灰以减少过多的光照，在温室中悬挂温度计以检查温度控制效果等。这 些都是种植者通过对温室内外的气候状况和作物生长状况的观测，凭借长期积累 的经验和直觉推测判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于 作物生长的反应是最直接、最迅速，且最有效的，它符合传统农业的规律。但这 种控制劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要。 2 自动控制时期 第二次世界大战以后，手动控制的生产方式逐渐被机械设备所替代。首先引 入使用的是自动调温仪，用于控制加热系统。其后，随着计算机技术的进步和现 代控制理论的发展，对温室内的各种环境因子，如温度、湿度、光照、c o 旅度 和施肥等，进行自动控制和调节成为主要方式。从而使温室部分甚至完全摆脱了 自然环境的约束，人为创造出适宜作物生长的最佳环境。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程形象而简便。这种控制 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 环境参数的目标值，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做出反应，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。 3 智能化控制时期 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农业专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依 2 第一章绪论 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。这种智能化的控 制技术将农业专家系统与温室控制技术有机的结合在一起，以温室环境因子作为 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。这 种控制方式即能体现作物生长的内在规律，发挥农业专家系统在农业生产中的指 导作用，又可以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，温室专家控制系统是一种比较理想的控制方式， 也是温室控制技术发展的趋势。 1 3 国内外温室发展状况概述 对温室内环境因子的调控是伴随着温室的产生而产生的。各国的发展状况不 尽相同。 1 3 1国外概况 西方国家在不迟于古罗马时代就开始了温室种植。荷兰在1 7 世纪就产生了 温室产业。西方发达国家在现代温室控制技术上起步早。1 9 4 9 年，借助于工程 技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应 性和抗德能力的基础研究及应用研究。2 0 世纪6 0 年代，生产型的高级温室开始 应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，7 0 年代后荷兰、日本、美 国、英国、以色列等国家的温室技术迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生 产、畜牧业和水产养殖业。这些发达国家为争夺农业科技的制高点，争夺农产品 的世界市场份额，都纷纷加大了设施农业的技术投入，微电子技术在设施农业研 究应用中己相当普遍，温室环境控制与日常运行管理实现了计算机网络化管理， 管理与控制水平突破了人为因素的限制【5 6 7 8 9 1 0 1 。 荷兰：荷兰是一个低地国家，全国6 0 的土地略高于甚至低于海平面。面积 4 1 万平方公里，人口1 5 0 0 多万。平均每平方公里4 5 0 人，人口密度之大，居世 界第三位。它的5 8 的国土用于农业生产，其中2 3 为耕地。荷兰地处高纬度， 日照不充足。荷兰政府因地制宜，结合本国国情，经5 0 多年的探索，成功地将 荷兰由一个农产品进口国，转变为农产品净出口大国。荷兰最具特色的产业即为 温室产业，是世界上温室业最发达的国家。温室建筑面积为1 1 亿平方米，全部 为玻璃温室，占世界玻璃温室的1 4 。温室以种植花卉和蔬菜为主。荷兰由于年 温度变化小，夏季气温不高，因此降温、通风问题考虑很少，而采光问题考虑得 3 第一章绪论 较多。尤其在综合环境控制技术方面，荷兰在设施顶面涂层隔热技术、冬季保温 加湿的双层充气膜、锅炉、燃油加热系统，c 0 2 施肥系统，人工补光的研制等方 面均处于世界先进水平。 以色列：自然条件非常恶劣，水资源奇缺。由于该国气候干旱，光照好，昼 夜温差大，因此在设施栽培综合环境控制技术中，对透光和降温的要求不高，而 对灌溉系统要求很高，其灌溉技术，特别是滴灌技术和设备发展很快，处于世界 先进水平。在作物附近都安装了传感器以测定水、肥状况，由中心计算机对田间 的控制器进行通信来遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到8 0 - - 9 0 。 日本：塑料大棚和其它人工栽培设施在日本得到广泛应用，其使用面积居世 界首位。继露天栽培、设施园艺和水耕栽培之后，植物工厂已经在日本普及。植 物工厂用钠蒸气灯取代太阳光，并通过计算机将温度、湿度、c 0 2 浓度和肥料等 控制在最适合蔬菜生长发育的水平。日本e s e 公司开发的设施栽培计算机控制 系统可较全面的对温室内植物所需环境进行多因素检测控制，包括变温控制管 理、c 0 2 浓度控制、人工补光的控制等，该公司还开发了采用微机和专用设施栽 培控制机组成的网络系统，该网络可将多台计算机控制系统集中管理。对于设旌 栽培数量多、地点分散的大农场，可以通过专用配线形成设施栽培专用的网络系 统进行集中管理，还可用电话线实现异地管理。 美国：有着发达的设施栽培技术，农业设施工厂有1 0 0 多家，其综合环境控 制技术水平非常高。多数温室都以计算机控制为主，监测项目多，控制精度离， 且使用效果好。温室内监测项目包括水温、气温、土壤温度、管道温度、相对空 气湿度、保温幕状况、通气窗状况、c 0 2 浓度等。该国已能开发完全人工控制的 设施，如“生物圈2 号”就是一种特殊的保护设施，它是相对于我们居住的称为 “生物圈1 号”的地球而一言的，主要是研究将来人在宇宙空间和其他星球上的 生存f 1 1 】。 1 3 2 国内状况 我国的温室发展历史悠久，秦汉时期就有关于温室栽培瓜果和花卉的记载。 到了唐代温室技术又有进一步发展。但我国现代温室技术起步较晚。2 0 世纪7 0 年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农 村经济的发展，缓和了蔬菜季节性短缺的矛盾。与此同时，从1 9 7 9 年至1 9 9 4 年，从欧、美、日本等国引进了一系列现代化温室设施，包括加温系统、湿帘降 温系统、灌溉系统、c 倪施肥装置、监测与集中控制系统及其它附属设施，并对 其进行了实验研究。引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械 作业，生产率与资源利用率得到提高，为我国温室发展提供了借鉴作用。但这些 4 第一章绪论 温室也存在着诸多不足之处，主要表现在“”： ( 1 ) 价格昂贵。如以色列塑料温室每公顷需4 0 0 万元以上人民币。投入的资 金多，投资回收期长，国内农业生产难以接受。( 2 ) 对我国多样的气候不适应。 如荷兰夏季温度不高，不须考虑降温设施。以色列光照充足，温室覆盖物遮光度 大，对降雪的压力也没考虑。而我国幅员广阔，不同地域气候条件差异大，弓l 进 的温室难以满足需求。( 3 ) 经济效益低。引进的温室高度高，空间大，环境控制 的能耗太高。如冬季加温燃料的年费用很高，北方地区更高，经济效益差。( 4 ) 控制方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。 1 9 9 4 年以前仅单纯引进温室硬件的道路基本失败。1 9 9 5 年后采用将温室设 备和品种、栽培技术引进，效果大多也不理想。因此，开发出适合我国国情的温 室控制技术己是当务之急。 虽然我国的温室控制技术与发达国家相比，还有很大差距。但我国农业的设 施化进程己经历了二十余年，发展迅速，2 0 0 0 年设施农业面积己达2 1 0 万公顷， 居世界首位。 2 0 世纪8 0 年代以来，在吸收国外先进温室技术的基础上，我国农业科研工作 人员进行了温室内部温度、湿度、光照、c 0 2 浓度等环境因子控制技术的综合研 究：8 0 年代初期计算机开始用于温室的管理和控制领域。清华大学的郑学坚首先 介绍了应用单板机控制人工气候箱的方法和思路；1 9 8 7 年中国农业科学院引进了 f e l i x c - 5 1 2 系统，并建立了全国第一个农业系统的计算机应用研究机构“。此后， 中国农科院徐师华等提出用t p 一8 0 1 型单板机控制温室的软、硬件实施方案，以及 利用t p - 8 0 1 型单板机控制气候箱自然光照的模拟试验；范云翔等研制开发的智能 喷水器，可以根据环境的变化，自动调节喷水量“”：于海业等研制的温室环境自 动检测系统，可以自动调节温室内温度、湿度等参数；1 9 9 1 年孙学斌等开发出以 i b m 微机为上位机，s d k 一8 6 单板机或m c s 一5i 单片机为下位机，对室内环境参数进 行分级监控的研究系统；北京市农业机械研究所综合吸收以色列e l d a r 、加拿大 h r p s 以及丹麦d c t * v o l m a t i c 温室环境计算机控制系统的优点，并结合我国国情 研制出现代化连栋温室环境智能化控制系统“”。1 9 9 6 年，江苏理工大学研制出一 套温室环境控制设备，在一个1 5 0 m 2 的温室内，实现了对温室温度、湿度、光照、 c 0 2 浓度等参数的综合控制“。另外还有其他研究人员进行的许多研究实验，均 取得很大进展。但这些研究基本上是对温室的单因素检测和控制，没有进行全面 系统的研究，也没有达到规模化生产水平。总体来讲，国产温室还没有实现真正 意义上的自动检测和控制。 虽然我国现代温室技术在这2 0 年内有了长足的进展，但仍面临着一系列问 题，具体表现在：( 1 ) 从设备到栽培技术管理不配套，难以形成规范的集约化生 5 第一章绪论 产。( 2 ) 设施水平低，调控能力差。( 3 ) 作业主要依靠人力，强度大。( 4 ) 设施设 备产品可靠性差。 1 4 温室环境控制技术的发展趋势 1 智能化：随着计算机技术、传感技术和自动控制技术的不断发展，温室 计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测为主，逐步转向以 知识处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系 统为主的智能管理系统己取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。因此近 几年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温室栽培中得到了不同 程度的发展和应用。 2 网络化：目前，网络技术己成为当前世界最有活力、发展最快的高科技 领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。因此，设施农业产业化程度的提高 成为可能。我国幅员辽阔，气候复杂，劳动者整体素质低，利用网络进行在线和 离线服务，可以对不同区域进行监测、比较，不仅给管理带来很大的方便，而且 可以提高劳动生产率。 3 分布式：分布式系统通常可分为上、下两层。上层主要用作系统管理， 其它各种功能如测量与控制任务等，主要由下层完成。下层由许多各自独立的功 能单元组成，每个单元只完成一部分工作。面向对象的分布式系统，每一个功能 单元针对一个对象、每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为 对象。 4 综合环境调控：所谓综合环境调节，就是以实现作物的增产稳产为目标， 把影响作物生长的多种环境参数，如光照、温度、湿度、c 0 2 浓度等，都保持在 适宜作物生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置，既省时又节能，还 能使劳动者愉快地从事生产劳动【1 8 1 们。 5 变动的坏境控制系统：当前，主要使用精确的计算机坏境控制程序根据设 定值对温室中的环境进行调控，但研究发现，这并不能使温室内的作物达到最佳 产量。如作物的生长和发育并不取决于某一时刻某个特定温度，而主要取决于在 一个时间段中的平均温度水平。这导致控制系统向“自由设置”系统的方向发展， 如综合温度控制系统的研制，在该系统中并不设置一个固定的温度值，温室中的 温度在最高和最低温度范围内可进行变动，以求在一个较长的时间段内达到理想 的平均温度。这样计算机可以根据室外的气候，在使用最低能耗、最佳利用温室 中的现有的设备的情况下自由进行调节。 可变动的环境控制系统目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、c 0 2 浓度等 方面的研究，在温室作物产量上己表现出比较满意的效果。 6 第一章绪论 6 蓝牙技术( b i u e t o o t h ) ：蓝牙技术是近年发展起来的新型低成本、短距离的 无线网络传输技术。运用这种技术把温室环境自动检测与控制系统中的各个电子 检测装置和执行机构无线地连接起来，以达到便捷地对温室环境参数进行自动检 测，灵活地对温室环境参数进行自动控制的目的。便携式环境参数采集器内部装 有温度、湿度、光照等各种传感器，并嵌入了蓝牙芯片，因此，这种参数采集器 具有无线通信功能，可以便捷地放置在温室内的不同位置。控制器同样嵌入了蓝 牙芯片，它一方面与便携式环境参数采集器无线连接，另一方面通过r s - 4 8 5 通 信总线与温室内的计算机控制装置相连接【2 0 】。 1 5 本系统研究方案 根据我国现行温室监控系统存在的问题，提出了如下系统研究方案： 1 硬件系统的组成 采用上位机m m p c 机和下位机西门子的s i m a t i c $ 7 - 2 0 0 型可编程控制器 组成分布式温室智能监控系统的硬件部分，即两级监控系统。上级负责系统逻辑 控制和运算，由p c 机按设定的参数，通过通信网络向各单元发布命令，监测各 单元接受命令，对调控设备进行控制；下级是以p l c 为基础的功能单元，负责 温室参数的监控，属于基础单元控制。p l c 在工业控制中应用多年，属于大批量 生产的产品，其在生产、调试、应用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产 品质量稳定、可靠性高。采用p l c 成本虽然比单片机高，但要考虑到稳定性、 可维护性等综合因素，采用p l c 比单片机具有较高的性价比。并且采用r s 4 8 5 串口通信、分布式结构，当上位机发生故障时，p l c 控制器可以自行实现数据采 集、显示和输出等控制，不影响温室的自动运行。 2 系统软件的编制 温室智能监控系统软件包括上位机系统软件和下位机系统软件。上位机系统 软件的编制采用可视化编程语言v i s u a lc + + 6 0 ，下位机系统软件则采用西门子 公司的s i m a t i cs 7 2 0 0 型p l c 编程语言来w i n c c 4 0 开发。系统软件不仅可以 完成上位机和下位机之间的通信，而且可以满足用户对温室环境数据的实时查询 和监测。尽可能满足操作简单、界面友好、通用性和适应性强的软件开发原则。 为系统功能的扩充和进一步开发留下接口。 1 6 本人负责的内容 本人主要负责系统中上位机软件的设计和调试。 本系统采用可视化编程语言v c + + 6 0 设计，采用模块化结构。整个软件由 五个主要模块和其它辅助模块组成。主要模块为：通信模块、查询模块、参数设 7 第一章绪论 置模块、数据实时监测模块、当日数据实时显示模块。每个大模块又由多个小模 块组成。 上位机软件主要负责上位机和下位机之间的通信，对下位机所采集数的数据 及下位机工作状的实时监控，对历史数据的查询，以及数据图形化显示等功能。 具体功能将在后面的内容中详细介绍。 8 第二章温室环境参数及其测控系统概述 第二章温室环境参数及其测控系统概述 农业生产力的发展主要取决于两个因素：一是作物的遗传特性，它决定作物 的生长潜能；二是环境因素，它决定这种潜能可以发挥兑现的程度。相对于自然 环境而言，温室内环境是一个半封闭的环境。自然环境往往是复杂多变的，有时 甚至完全不适合农作物的生长发育。而要想使作物达到优质、高效、高产的目的， 以获得最大的经济效益，就必须为作物提供适宜的温室环境条件。这也是温室环 境调控的最终目的。 2 1温室环境对作物生长的影响 所有的生物，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 和生物环境条件等。分析环境因子对生物的影响及其相互关系，对生物的生长、 繁育非常重要。温室内环境因子主要包括：温度、湿度、光照、c 0 2 浓度、土壤、 水分、营养液条件等。本控制系统主要对温度、湿度、压差等因素进行控制，因 此本文只就这些环境因子及其对作物的影响作简单介绍。 2 1 1 温度 温室设施内的空气温度、土壤温度对作物的光合作用、呼吸作用、光合作用 产物的输送、根系的生长和水分、养分的吸收均有显著影响。作物的生长适宜温 度，随作物品种、生育阶段及生理活动的昼夜变化而变化。一般，白天作物光合 作用需要的温度高，晚上维持作物呼吸作用所需的温度低一些。大部分作物光合 作用及其大部分产物输送是同时进行的，少量的光合作用产物在夜间输送。如果 下午与夜间温度过低，叶片中的光合产物不能输送出去，叶片中碳水化合物积累， 影响第二天光合作用。叶片变厚、变紫、衰老较快，光合作用强度下降。如光照 较弱，气温过高，光合产物较少，呼吸消耗较多，则叶片变薄而且植株生长瘦弱。 在作物的生长发育的不同阶段，温度对作物的作用也不同。在作物的生长前期， 温度对叶面积扩展速度的影响显著。在偏高的温度下，有促进同化系统势态的作 用，能促进作物叶面积的扩展；相反，在偏低的温度下，有促进存储系统势态的 作用。叶面积扩展速度越快，物质再生产也旺盛，因而，生长前期温度应偏高， 叶面积的扩展应优于同化率的增加。生长的中后期以后，叶面积指数己增至最大， 此时物质生产主要由单位面积的净同化率决定，在这个阶段中，应适当降低温度， 以增加净光合产物的积累和储存 2 1 】。 常用的温度调控系统如下： 9 第二章温室环境参数及其测控系统概述 温度调控系统 冷却系统 2 。1 2 湿度 直接膨胀法c 液体制冷剂曩霎妻 间接膨胀法c 水) 骞案芸萎 一对瓣 燃系科瓷鬻 湿度主要是指设施内空气的相对湿度，它是表示空气潮湿程度的物理量。湿 度是作物最为敏感的因子之一。湿度的大小不仅影响设施内作物蒸腾作用与地面 蒸发量，而且直接影响着作物光合强度与病虫害情况。相对湿度对光合作用的影 响是间接起作用的。当空气湿度较低时，作物将通过叶面小气孔的开度来控制蒸 腾量，这样将增大c 0 2 扩散阻抗，造成c 0 2 不足而减弱光合作用强度。相对湿 度过低而温度又较高时，作物将失水过多而造成暂时或永久萎蔫，甚至给细胞原 生质的分化作用造成影响。相对湿度过高，如9 5 以上时，蒸腾作用受到抑制， 影响和阻碍了根系对养分的吸收和输送，同样会导致光合作用强度的下降。湿度 与病原微生物的繁殖密切相关。病原菌袍子形成、传播、发芽、侵染均需9 0 以上相对湿度。高温高湿利于真菌袍子的萌发，特别是温室覆盖材料及叶片表面 温度降低到露点以下时，将凝结出水滴。水滴利于细菌的繁殖和侵入。因此，温 室内湿度条件是引起作物病害的主要原因之一【2 1 1 。 常用的湿度调控系统如下： 1 0 第二章温室环境参数及其测控系统概述 加湿系统 囊凳磊鋈 i 天窗侧窗 调节系统 湿帘 l 风机 f加热控制法 去湿系统 吸附法( 化学除湿器) l排湿换气 2 2 温室环境控制系统的目标 智能温室具有高投入、高产出、高效益、无污染等特征，它的最终目标是实 现经济效益最优。因此智能温室控制系统应做到：( 1 ) 温室中承载的是有生命的 植物，因此必须保证温室中培育对象的安全。( 2 ) 温室的气候调节过程需缓慢进 行以保证温室中培育对象的良性生长，应尽可能通过各种设施运作减少温室外部 气候变化对温室环境气候的影响。( 3 ) 严格按照温室中培育对象的生长规律分阶 段对温室进行控制，在每个阶段都必须保证环境气候、水肥、防病虫害等指标达 到要求。( 4 ) 及时预测市场未来的变化，从而决定对温室的投入，控制产品的上 市时间。( 5 ) 实现农业可持续发展的根本保障是在农业生产过程中保护生态环境， 因此温室生产要考虑生态效益的要求，不施农药，保持土壤原有的酸碱度，保护 地下水和空气不受污染等。( 6 ) 尽可能低成本运作。( 7 ) 温室控制系统的最理想目 标是保证良好的综合效益，即在保证生态效益的前提下，提高产量、降低能源消 耗、减少资源消耗阱2 3 1 。 2 3 本文控制系统方案总体介绍 2 3 1 系统总体方案 本系统是根据企业要求针对本地区四季温差大、湿度变化大、日照时间起伏 大，昼夜温差大等气候特点，为当地设计的适合当地气候特点的现代化智能温室 环境计算机测控系统。在温室结构上保证了温室具有足够的承载能力和良好的光 学性能，另外，在保证结构设计合理的基础上，还要合理布置各种测试控制手段， 主要包括：传感器的布置、管道加热系统、湿帘风机系统、顶部开窗系统、卷膜 通风系统、屋顶保温遮荫幕系统、人工钠灯等。 本温室测控系统控制的温室为塑料温室，在南墙上有4 台风机，北墙上装有 与之相应的湿帘；温室的东西侧墙上安有侧部卷膜通风器，顶部有5 台顶部卷膜 第二章温室环境参数及其测控系统概述 通风器，内部顶上还装有保温遮荫幕，在温室的东西侧墙内部及每跨的结合地面 上装有加热暖气片，室内还有人工钠灯，以补充光源。温室的控制室位于西北方 向，测控系统安装在控制室内。温室环境测控系统要求对温室内的温度、湿度、 光照、c o ：浓度等环境因子进行控制，实现有效地数据采集。所以本系统要实现 环境信息采集和控制。温室环境数据采集与计算机监控系统能实现环境信息的实 时采集和综合测试， 本文的控制系统由上位p c 机和下位可编程控制器组成，上、下位机之间辅 以串行通信。在工作过程中，上位机完成集中控制，由下位机执行。下位机可独 立完成环境参数的采集、预处理和存储，并可向上位机发送信息或接受上位机的 控制指令，以调解温室内小气候。该系统简易、可靠、易于维护，能够满足用户 要求。本文的控制系统框图如图2 1 所示。 图2 - 1 控制系统结构框图 其各部分的作用如下： 1 传感器部分： 负责采集温室内各个区域的实时数据( 包括温度、湿度、光照、压差、二氧 化碳浓度等参数) 传送给下位机可编程控制器： 2 控制部分： 由计算机根据控制系统设定的参数进行数据处理，发布控制命令。并将控制 结果传送下位机可编程控制器； 3 通信接口 通信接口采用r s - 4 8 5 串口通信，主要负责上位p c 机与下位机p l c 之间的 数据交换； 5 执行机构： 1 2 第二章温室环境参数及其测控系统概述 执行机构根据控制结果进行相应的动作，最终使温室内的各个环境因子达到 最佳水平。 2 3 2 硬件方案简介 本系统硬件由三部分组成，上位p c 机子系统，下位p l c 子系统和串行通信 接口总线。下位机子系统要完成数据的采集、数据预处理控制，并与上位机传来 数据比较和控制执行机构；上位机的主要功能是完成系统参数和控制参数的设 定、控制总表的查询以及数据的存储、分析、处理、显示、统计、打印、报警等； 串行通信接口完成数据的传送、接收等。 1 计算机控制系统的分类 根据控制目的、应用特点、控制方案和系统构成，微型计算机控制系统大体 上可分为四大类型：操作指导控制系统r 即数据采集系统d a t a a e q u i s i t i o ns y s t e m ， 简称d a s ) ，直接数字控制系统( d i r e c td i 鲫a 1c o n t r o l ，简称d d c ) ，分散型控制 系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 和监督控制系统( s u p e r v i s o r y c o m p u t e r c o n t r o l ，简称s c o o ( 1 1 d a s 系统微机通过输入通道进行实时数据采集，并将采集到的数据 以一定的格式在c r t 上显示，或者通过打印机打印出来，实现生产过程的集中 监视，一般由工控机构成，可广泛用于实验室分析、数据分析与处理等方面。但 微机不直接参与生产过程控制，不会对生产过程产生直接的影响。 ( 2 ) d d c 系统微机通过输入通道对一个或多个物理量进行实时数据采 集，然后按照己设定的控制规律进行实时决策，最后通过输出通道输出控制信号， 实现对生产过程的直接控制。这是微机在工业应用中最普遍的一种方式。 ( 3 ) d c s 系统此系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而治之和 综合协调的设计原则，把系统从下而上分成若干级，如过程控制级、控制管理级、 生产管理级和经营管理级等，形成分级分布式控制，能够实现自动监视、控制和 综合管理，适用于大中型场站的自动化管理。 ( 4 ) s c c 系统是一种两级微型计算机控制系统，即d d c 级和s c c 级。一 般由直接数字控制机和监控计算机组成，直接数字控制由p l c 或单片机实现， 并可通过r s - 2 3 2 或r s - 4 8 5 接口与监控计算机进行通信，可广泛应用于环境监 控系统的控制。其中d d c 级微机完成生产过程的直接数字控制：s c c 级微机则 根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行最优化分析计算，产生最优给定值， 交由d d c 级执行。对于两级微型计算机控制系统，实际上也就是两级分布式控 制系统，包括两级层次结构。执行独立控制功能的直接数字控制机称为下级计算 机( 简称下位机，如p l c 、单片机) ；对下位机起协调作用，并担任高级控制与管 第二章温室环境参数及其测控系统概述 理功能的监控计算机称为上级计算机( 简称上位机) 。上位机主要使用微型计算 机，由控制及运算器、存储器、人机对话配置三大部分组成，能够完成数据显示、 记录、存储、参数设定和打印等功能。下位机可以作为独立的环境控制装置，也 可以作为监控机控制下的执行机，主要用于现场控制。它能够对多个环境要素进 行巡回监测，并根据规定的数学模型，发出控制信号，直接控制被控的对象。直 接数字控制机一般使用由单片机或可编程控制器构成的最小系统，其中一般包括 a d 和d a 转换器、r o m 、r a m 、定时器、记数器、串并行输入输出接口等 阱】。 2 本文系统选型 。 本系统采用两级微型计算机控制系统( s c c 系统) 的结构，即上位p c 机和多 个可编程控制器( 本系统采用西门子s i m a t i cs 7 2 0 0 ) 构成小型分布式系统。 通过r s - 4 8 5 接口，实现上、下位机之间的数据通信。 此系统以微型计算机技术为核心，与数据通讯技术、人机接口技术及i o 接 口技术相结合，可用于生产管理、数据采集和各种过程控制，是处于新技术前沿 的新型控制系统。其优点是将操作监视部分集中，下位机执行命令，上位机集中 操作；同时还具有速度快，设计、开发、维护方便，价格便宜等特点【2 5 】。 2 3 3 下位机硬件设计 下位机硬件由p l c 、数据采集单元和执行机构组成。p l c 主要用于动态、 实时监测温室内环境因子的变化，根据作物生长的要求对参数进行匹配，同时完 成与上位机的通信。p l c 是一种通用的自动控制装置，它把传统的继电器控制技 术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性 高、适宜长期连续工作的特点，非常适合高效温室的控制要求。 可编程控制器起源于2 0 世纪6 0 年代末期，由于市场的需要，工业生产开始 从大批量、少品种的生产方式转变为小批量、多品种的生产方式，于是可编程控 制器应运而生。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下 的应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序 控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过输出信号控制各种设备或生 产过程。可编程控制器及其有关外部设备都按易于与工业控制系统连成一体、易 于扩展的原则设计。总之，可编程控制器是一台计算机，是专为工业环境应用而 设计制造的计算机。它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。 但可编程控制器产品并不只针对某一具体工业应用，其灵活、标准的配置能够适 应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可以根据实际需要选用配置，其软 件可以根