（农业机械化工程专业论文）温室环境计算机测控系统的研制.pdf

摘要 厂、 f 虹j 。化是现代农业的必由之路，高度自动化是其显著特征，温室生产 是农业工厂化的主要内容，而温室内环境因子的优化控制是实现温室高产 优质的关键q 、一7 f 本文在介绍国内外温室计算机测试与控制技术的研究现状和发展方向 的基础上，利用传感器技术、自动控制技术和微型计算机技术，设计了新 型温室环境计算机测控系统的硬件和相应的软件实现方法，对系统精度和 分辨率进行讨论，并对运行结果进行了初步的分析，最后讨论了系统存在的 问题及其应用前景。整个系统主要由传感器、自动测试电路、a d 转换电 路、数据采集系统、微型计算机和环境调控设备组成。传感器、自动测试 电路、a d 转换电路、数据采集系统组成单片机数据采集和处理系统，其 主要功能是完成环境信息的数据采集与处理。单片机通过串行口与计算机 相连，通过开关量输出电路，实现对调控设备的控制。 整个系统经过现场运行考核，证明其设计合理、运行可靠，效果良好， 完全能实现对温室环境的优化控制，具有一定的推广价值。 关键词温室温室环境计算机测控系统 数据采集系统自动控制 a b s t r a c t f a c t o r i z a t i o ni st h e e s s e n t i a l w a y t om o d e r n a g r i c u l t u r e ，i t s m o s t s i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i ci sh i g ha u t o m a t i o n g r e e n h o u s ei st h em a i nc o n t e n to f a g r i c u l t u r ef a c t o r i z a t i o n ，f u r t h e r ，o p t i m a lc o n t r o lo fi n n e re n v i r o m n e n tf a c t o r si s t h ek e yp o i n tt or e a l i z eh i g h q u a n t i t ya n dq u a l i t yi ng r e e n h o u s e b a s e do nt h er e v i e wo fr e s e a r c hs i t u a t i o na n d d e v e l o pt e n d e n c y o f g n ：, n h o u s ea u t o m a t i cc o n t r o li na n da b r o a d ，an e ws y s t e mw a sd e s i g n e dw i t h c o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h i ss y s t e mw a sm a i n l yc o m p o s e do f s e n s o la u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mc i r c u i t ，a dc o n v e n t i o nc i r c u i t ，s i n g l ec h i p p r o c e s s o rs y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，p c - m i c r o c o m p u t e ra n dr e g u l a t i n g d e v i c e s e n s o r , m o n i t o r e da u t o m a t i cc o n t r o lc i r c u i ta n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m c o n s i s t e do ft h ea u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s ss y s t e mt oa c q u i r ea n d p r e p r o c e s s t h ee n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o no ft h e g r e e n h o u s e s i n g l ec h i p p r o c e s s o ri s c o n n e c t e dw i t hp c - m i c r o c o m p u t e rt h r o u g hs e r i a lc o m m u n i c a t i o n c i r c u i tt oc o n t r o le x t e r n a ld e v i c e i nt h ee n d ，t h es y s t e mw a sc o n f i r m e db yt h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，t h er e s u l t s i n d i c a t e di tw a sp r o p e r l yd e s i g n e da n dh a dah i 啦r e l i a n c ea n db e t t e re f f e c t s ， f u l l y f u n c t i o n e dt h eo p t i m i z e dc o n t r o lo fg r e e n h o u s e t h i ss y s t e mc o u l db e g e n e r a l i z e dw i t h f u r t h e rm o d i f i c a t i o n k e y w o r d s g r e e n h o u s eg r e e n h o u s e - e n v i r o n m e n t a u t o m a t i c m o n i t o r e da n dc o n t r o ls y s t e m d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m 文献综述 我国农业正处于从传统农、肚向以优质、高产、高效为目的的现代化农业 转化的新阶段，而作为农业4 i 物速生、优质、高产育效为日的的工厂化农业 的发展是农业现代化的标志1 2 ”，温室生产是农业：f 厂化的主要内容，而温 室环境的优化控制是实现温室高产、优质的关键，有效控制农业动植物的生 长环境、实行自动化的生产作业与管理是“i 厂化农业的重要特征( 2 】o 1 国内外温室环境计算机测控技术的研究状况 现代化温室设施应用先进的科学技术，采用连续生产方式和先进管理方 式，高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等。它可以不受地点和 气候的影响，设置在包括寒冷地区或不毛之地的各个地区。它能够有效的改 善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高土地的 产出率、劳动生产率和社会、经济效益。温室实现自动化的目的是提高控制 及作业精度，提高生产率。因此，世界各国在这方面的研究进步很快。温室 设施的关键技术是环境控制、机械化和自动化生产。一方面人们利用温室来 创造适宜的作物生长发育环境条件，其主要内容包括温室内部温度、湿度的 自动调节、灌水水量、水温自动调节、c 0 2 施肥自动调节及温室通风换气的 自动调节等计算机的发展最早可以追溯到2 0 世纪4 0 年代，但将计算机用于 环境控制技术则开始于6 0 年代。随着7 0 年代微型计算机问世，设施环境调 控技术得到了迅速的发展【3 。世界发达国家如荷兰、美国、英国等都大力发 展集约化的温室产业，温室内温度、湿度、光照、c 0 2 浓度、水、气、营养 液等实现计算机调控。荷兰在1 9 7 4 年首次研制出计算机控制c e c s l 4 j 。1 9 7 8 年日本东京大学的学者首先研制出微型计算机温室综合环境控制系统。目前 日本、荷兰、美国等发达国家可以根据温室作物的要求和特点，对温室内的 诸多环境因子进行自动调控。j o s e p h b a u m 研制了一个温室群的集中控制系 统p m s 2 0 0 0 ，p m s 2 0 0 0 由一台p c 机和分布于各个温室中的微处理器组成口j ； h b e r n i e r 研制了一个以微处理器6 8 0 p 为核心的实时多任务计算机控制系统 6 1 ：j k t i t l o w 研制了l a i s g 控制系统，并着重研究了温室数据由于环境、 设备因素导致在传输及管理时出差错的软件对策【7 j ：l l c h r i s t i a n s o n 构造了 温室的能量平衡模型，研究表明了室外光照和室外温度对控制系统有很大的 影响【8 】0 在日本，作为工厂化主要内容的设施园艺相当发达，塑料温室和其它人 i ：栽培设施得到普遍的应用，设施栽培面积位居世界前列，蔬菜、花卉、水 果等普遍实行设施栽培的生产。针对种苗生产设旌的高温、多湿等不良环境， h 本有关部门进行了如i - - 几种醴施项目的研究挣 ，主要有：设施内播种装置； 菌接触刺激装置；苗灌水装簧；换气扇的旋转、遮光装置的丌闭装置( 温度、 湿度及光照控制) ；缺苗、不良苗的检测、除去、补栽装置；c o ：施肥装置 等方面的自动化研究。而在韩国，从1 9 9 2 年以来，政府就把设施园艺作 为重点事业来推进发展，到1 9 9 2 年底，设旖栽培面积为5 3 1 2 l h m 2 ，其中环 境控制的现代化设施的设置面积占1 0 左右i 。由于温室能完全控制作物生 长的各种条件，近年来，温室农业在以色列得到了b 速的发展，温室面积从 8 0 年代的9 0 0 公顷发展到9 0 年代的2 0 0 0 公顷，直至今天的3 0 0 0 公顷。利 用温室，每年冬季生产的反季节果蔬、花卉产品大量出口，使以色列享有“冬 季欧洲厨房”的美称。以色列农民成功到在每公顷温室一季收获3 0 0 万支玫 瑰，一公顷西红柿产量最高达5 0 0 吨( 露天种植时仅为6 0 - 8 0 吨) 。以包列温 室结构非常先进，它装有幕帘、天窗及遮阳网，可以根据光线强度的不同自 动调节和移动。新温室均较高，可达5 米，从而提供了较好的通风条件，也 便于遮阳网和保温膜的安装。l 、：程装备技术包括温室结构、覆盖材料、育苗 栽培设施、滴灌水肥设施、温室空气温度与湿度调控等温室计算机环境控制 技术等。以色列科学家成功) r 发了一系列计算机软、硬件，实现了温室中供 水、施肥和环境自动化控制。最薪的弥雾气候控制技术，使温室降温所需能 量非常小。以色列的温鼙面积从8 0 年代发展到9 0 年代，更新了三代，利用 计算机控制水、肥和温室小气候，自动调温调湿、调节光能，而且结构非常 先进，促进了工厂化农业的大发展。据估计，在以色列，新建一套2 0 0 0m 2 的全自动温室的基本建设投资合1 0 0 美元矗，般花卉温室投资1 0 美元 i n 2 1 1 12 1 。荷兰园艺温室发展较早，由于地处高纬度地区，日照短，平均气温较 低，因此，集中较大力量发展经济价值高的温室鲜花和蔬菜，大规模的发展 玻璃温室和配套的工程设施。全国现有玻璃温室1 0 0 0 h a ，占农业可耕地丽积 的0 5 ，其中蔬菜、花卉约各占一半，全部有计算机控制。每年花卉出口收 入达1 5 亿美元左右，蔬菜出口收入也达1 0 亿美元，其年营业额达7 8 亿美 元，平均每h a 温室创产值7 8 万美元，约占全国农业总产值的2 0 。荷兰全 自动化温室成套设备在世界市场上享有很高的技术声誉。但荷兰温室是一种 高能耗的产业，全国每年温室消耗天然气达4 2 亿h ，i l3 ”j 。英国农业部对温 室的设计和建造也很重视，在英国西尔索农业工程研究院，科学家们进行了 温室环境( 温度、湿度、光照、通风及c 0 2 施肥) 与作物生理、温室环境因 子的计算机优化、温室节能、温室自动c 0 2 控制等方面课题的研究。目前， 英国的温室大量采用计算机管理，主要控制温度、湿度、光照、通风、c 0 2 施肥、营养液供给及p h 值、e c 值等。伦敦大学农学院研制的温室计算机遥 控技c 0 2 术，可以观测、遥控5 0 k m 以外温室内的温度、湿度等环境状况， 并进行调控。为保证浓度在温室分布均匀，温室中通常安装了通风机，以便 搅动空气使温室中的浓度一致1 1 5 l ：另外，国外温室业正致力于高科技方向发 展。馗测技术( w i r e l e s s t e c h n o l o g y ) 、网络技术( t r a n s f e r c o n t r o l p r o t o c o l 一e l n e tp r o t o c o l f c p i p ) 、控制局域网( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 已逐 渐应j f = | 于温室的管理与控制，巾，a l v e s s e r o d i o ，cm j 等在i s i e 9 8 国际会议 中提出了一体化的温室网络管理体系模型【l “，司将气候调节、灌溉系统与营 养液供给系统作为一个整体。并可以实现远程控制。 国内计算机的应用开始于7 0 年代中期，当时主要用于数据的统计分析 和计算。自8 0 年代以来，我国陆续从以色列、荷兰等国引进了许多先进的 现代化温室，在吸收国外发达国家高科技温室生产技术的基础卜，我国农业 科研、工作人员进干亍了温室内部温度、湿度、光照、c 0 2 浓度等环境因子控 制技术的综合研究。1 9 8 7 年中国农业科学院引进了f e l i x c 一5 1 2 系统，并建 立全国农业系统的第一个计算机应用研究机构口j 。到了8 0 年代初期计算机开 始用丁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j ；机控 制人工气候箱的方法和思路，此后，中国农科院徐师华报道了z 8 0 c 控制温 室的软、硬件实施方案，以及利用z 8 0 单板机控制气候箱自然光照的模拟 试验7 1 1 陈思聪等人研究的以节能为目标的温室微机控制系统；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；上海园林 工具厂等单位设计的温室微机控制系统pj ；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i l ；1 9 9 6 年，江苏理工大 学研制一套温室环境控制设备，通过对温室内部温、湿、光及c 0 2 的监控， 在一个15 0m 2 的温室内，实现了温室温度、湿度、光照、c 0 2 浓度的综合控 制 1 9 2 0 。1 9 9 7 年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面取得了 一定的成果 2 1 。但这些研究基本上是温室的单因素检测和控制，没有进行全 系统的研究，也没有达到规模化生产水平，且这些研究成果没有达到产业化。 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：丽且由于国 外温室的引进成本高，也不一定适合国内情况。 2 温室环境计算机测控技术的发展趋势 温室生产管理有己逐步向定量、客观化方向发展，目前世界各国的利 学家正大力研究作物种植模式，让计算机决策。其基本模式可分为统计模 式和动态模式。统计模式是通过统计手段，建立作物生长发育和产量形成 之间的关系；动态模式是以能量平衡和产量形成的全过程与环境因素相互 关系的数学模型。温室环境计算机测控技术的发展主要是趋向于智能化、 网络化、分布式系统和综合性、多样化的发展方向。 随着传感器技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机 的应用将由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和应用为 主1 16 1 。因l 比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：恪 不断深入完善，其中主要以号家系统为代表的智能管理系统已取得了小少 研究成果一专家系统作为一种知识的载体，所表现出来的可靠性、客烈性、 水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f j 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，从这个意义上来 将，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。因此 近j 乙年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在设施农业得到 了不同程度的应用。温室牛产系统由作物、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，因此企业企图 研究其输入与输出的定量关系是 分困难的。神经网络 2 2 】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着明显的 缺陷：即需要大量的历史资剁，否则在进行外推和演绎时可靠性明显降低。 所以近来有人| 23 j 利用一种所谓基于拓扑案例模型对温室番茄日产量进行模 拟分析，取得了较好的效果。该方法仍属于黑箱技术，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。浚系统能够通过输入的参数，搜索与之相似的案例，进行产量 的预报。与其他方法相比，其准确率与稳定性都明显增加，因此会得到更 广泛的应用。 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。通过 网络随意获取世界范围内的有用信息，指导自己的生产，甚至可以通过在 线服务系统进行咨询，是未来农业的发展趋势所在，也即是有人提出的虚 拟农业【2 4 的概念。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、控制与管理系统中得到广泛的应用。温室群内部的管 理和控制实际上就具有局域网的特性，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 ) 和离线( o f f - l i n e ) 服务，从长远看不仅有广阔的应用前景， 而且完全有可能的。 目前开发的温室计算机控制系统基本上采用了主机- 终端模式 ( h o s t t e r m i n a lm o d e ) ，该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其他 各子系统进行控制管理，该模式不灵活，而且投入大。目前分布式计算机 系统是计算机控制系统的发展方向 2 5 2 6 , 该控制系统采用了所谓的服务器一 客户模式( s e r v e r c l i e n tm o d e ) 。 来来的计算机控制与管理系统是综合性的、多方位、温室环境测试与 自动控制技术将朝多因素方向发展。形式也会趋于多样化，集图形、声音、 影视为一体的多媒体服务系统是未来计算机应用的热点。 6 1 引言 自7 0 年代后期以来，设施农业在我国取得了突飞猛进地发展，温室环 境是设施农业最基本的技术实现形式之一，其目的是营造农作物生长适合 的人工气候环境，使作物能够部分或全部克服外界气候和土壤因素的制约， 一年四季都能生长，并且能够缩短生长周期，提高产量、质量，进行大规 模工厂化生产。我国是农业大国，在耕地面积日渐减少的今天，为提高人 民的生活水平，使主要农副产品的总供给与总需求保持基本平衡和协调发 展，它是关系经济发展的根本问题。而建立现代化的大型温室是提高土地 利用率、提高劳动生产率、以及提高农产品的产量与质量的基本方案之一一 现代化温室设施应用先进的科学技术，采用连续生产方式和先进管理方式， 高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等。它能够有效的改善农 业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高土地的产 出率、劳动生产率和社会、经济效益。因此在世界范围内得到了广泛的应 用。而建立现代化温室设施的关键技术是环境控制、机械化和自动化生产。 由于温室设施内高温、高湿的不良劳动环境以及要求高效、准确地作业， 因此实现自动化是设施发展的必然趋势。温室环境的自动控制系统对于提 高环境控制的精确度、节约能源、提高温室的管理水平、提高温室的产量 并最终提高温室的社会经济效益起到了举足轻重的作用。 近2 0 年来，随着传感器技术、微型计算机技术和自动控制技术的迅速 发展，自动检测和调控领域发生了巨大的变化。微型计算机监控和管理系 统已逐步取代了传统模式控制仪表和人工管理模式。微型计算机测控管理 系统的特点不仅在于其灵活的配置，模块化、开放式的结构，强的运算能 力，高的可靠性和完善的开发手段，优越的数据处理和分析能力，更在于 其科学的管理系统和自动测控技术。 本课题是北京市农业机械研究所课题 的部 分内容。 本文的研究工作是结合当地地理和气候环境，研制与连栋温室环境调 控机构相结合的温室环境计算机控制系统、计算机测试系统、数据处理系 统等技术关键，使温室环境完全实现自动控制成为可能。 本文的重点体现在温室环境计算机测试、环境因子的数据采集与处理、 自动控制等几个部分，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 传感器的选取与性能分析。传感器是计算机测控系统的关键组成 部分，传感器选择的合理性及其精度对系统的精度起决定性的影响作用。 ( 2 ) 由于传感器与计算机中心测控系统相距甚远，且被测信号较小， 因此，信号需要前处理，以提高整个测试系统的信噪比。基于此，本研究 设计了前置信号处理器和后置信号处理器。 ( 3 ) 设计创建了多通道数据采集系统、计算机测试系统和自动控制系 统。 ( 4 ) 调试了底层驱动程序和系统应用程序。 ( 5 ) 对测控系统的精度和性能进行了讨论分析，对系统的现场运行进 行调试，并对运行结果进行了初步的数据分析。 2 温室环境测控系统总体设计 温室内环境相对于外界自然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。通过温室效应和对 半封闭系统的物质交换和能量调节，以创造常年适于作物生k 的优良环境， 以达到农作物生产的高速、优质、高产、均衡的目的，以获得最大的经济 效益，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求定的环境条件，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 的生长、繁育创造更适宜的条件是非常重要的。构成农业生物的综合环境 往往是由温度、湿度、光照、c 0 2 浓度、土壤、水分、营养液等多种因予 组成。 ( 1 )温度 生物体中的所有化学过程，都需要在一定的温度条件下刁能完成。植 物的生理代谢、生长发育，存在所谓生长、光合、呼吸“三基点温度”一 最高温度、适宜温度和最低温度。一般低于最低温度和高于最高温度，植 物的生理活动代谢都不正常。温室设施内的气温、地温对作物光合作用、 呼吸作用、光合产物的输送、根系的生长和水分、养分的吸收有显著的影 响。作物的生育适宜温度，随作物种类、品种、生育阶段及生理活动的昼 夜变化而变化。温室中的温度应该随每种作物生长的各个时期所要求的最 佳曲线变化，为作物提供最适宜其生长的环境温度。 ( 2 )湿度 温室内的湿度指的是室内空气的相对湿度。相对湿度对作物光合作用 的影响是间接起作用的。当湿度较低时，作物将部分关闭小气孔开度来控 制蒸腾量，这样将增大c 0 2 扩散阻抗，造成c 0 2 不足而减弱光合强度。相 对湿度过高时，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，也会造成光合强度的下降。另外，湿度与病原微生物的繁殖密切相关， 且不周的作物对空气湿度的要求也不同。所以，温室环境测控系统应控制 n 刚泣的湿度，满足作物的要求。 ( 3 )c 0 2 浓度 植物进行光合作用时是吸收空气中的c 0 2 ，放出0 2 ，在定范围内提 高叶片周围的c 0 2 浓度，对叶菜、根菜、果菜极其种子为收获对象的作物 均有显著的增产效果。从产量形成来看，高c 0 2 浓度有利于c ，作物营养和 生殖器管营养的生长和发育，从而导致光合生产总量的增加；从生化角度 看c 0 2 浓度增加时，叶片内外浓度扩散的梯度加大，因此有利于c o ，分子 不断地被光合作用吸收利用，结果有更多地c o 。分予进入叶片。研究表明， 适当地增加温室中c 0 2 的浓度具有增加产量、提高品质的良好功效。 ( 4 )光照 太阳能是一切生物进行生命活动的起始能源。光通过光化学效应、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，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。光是光合作用的主要能源，光合产物的形成不仅与光照的强度， i f f i 且与光照的时间，即由定光照累计的光照量所决定的。在定的辐照 度下，温室光照分布越均匀，作物的光能利用率就越高。为了使作物快速 生长，必须保证作物的光照时间、光量和光质，以进行充分的光合作用。 如果由于外界气候的原因，使作物的有效光照时间缩短，应开启人工光源 及人工光照补充。 ( 5 )营养液( 包括水分和养分) 水与生物的生命活动密切相关，没有水就没有生物。 不同的作物以及作物生长的不同阶段，对水分和养分的需求有不同的 要求，通过控制水质可以减少病虫害的发生；适时适量地给作物提供各种 养分，可以促进作物的生长。 2 2 温室环境控制的特点 农业生产力的发展主要取决于遗传与环境两大因素。遗传决定农业生 产的潜能，而环境则决定这种潜能可以发挥兑现的程度。温室是利用覆盖 材料与围护结构将温室与露天隔离开来的一个半封闭系统。这个系统随时 都在与外界进行着物质和能量传递。温室设施的环境因素，同时也受外界 气象条件与内部工程设施的制约。因此，温室内环境条件也是一个诸多因 子互相关联，共同作用的综合生态环境系统。它作为一个控制对象可以说 是一个非线性、分布参数、时变、大时延、多变量耦合的复杂系统。 温室内部的气候处于热平衡混沌状态，在加上作物本身的蒸腾现象【】 使我们按照般的暖通工程的方法无法对其进行建模。而且，一般温室面 积都比较大；在这样一个大面积的环境中，各个物理量的分布是很不均匀 的。比如温度，温室内各点的温度都不一样，四周一般比之间较低，顶部 和底部也有差别，其值的大小依赖于空间位置和气流的方向等各种因素。 温室作为一个被控对象，它是一个时变、大时延的系统。作物在生长 周期的不同阶段，光合作用能力、吸热散热能力等均有差别。因而，系统 是一个随蒂时间变化的动态参数。对于外界所施加的作用，系统并不立即 响应，而是经过一段时间的延迟才能有反映。比如，对系统加热升温，热 量需要经过一段h j - f f q 的延迟，温度才会有所提高。系统各个变量之间并不 9 足相互独立的，各个子系统的控制回路彼此耦合在一起。温度降低，使得 湿度减少：二氧化碳浓度增大，会使温度升高：同样，光照过多，也会使 温度升高等。总之，对系统任一目标的控制，都会影响其他状态的变化。 2 3 温室环境测控系统设计 本系统是北京市农业机械研究所针对西北地区干旱、昼夜温差大、日照 时间短的气候特点，为陕西省三原市没计的适合当地气候的五连栋现代化 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，在考虑当地地理环境条件的同时选择性能良好的 无滴膜作为覆盖材料；在超载能力设计卜_ ，主要考虑到恒载( 温室骨架覆 盖材丰薯和永久性设备) 、活载( 维修施工人员、器其以及作物的生长载荷) 、 风载、雪载等几个主要方面的因素；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、东西卷膜通风系统、屋顶保温遮荫幕 糸统、人工钠灯等。 本温室测控系统控制的温室为塑料温室，南北长度为6 0m ，东西方向 为5 x 8m ，脊高为4 2 m 。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 0 2 浓度、室 外风速等环境因子进行控制，实现有效地数据采集。所以本系统要实现的 一是要采集环境信息，二是要实现控制。温室环境数据采集与计算机监测 系统能实现环境信息( 温度、湿度、关照、c 0 2 浓度) 的实时采集和综合 测试，其结构框图如图2 1 所示，控制系统的结构框图如图2 2 所示。 圈2 - 1 温室环境数据采集和计算机测斌系统结构框图 圆圃圆圈 一据集统一 一 l l l 薷一 卜 ，ll斟，l 一 一 鄄引引蚶引刿 西一 展垂 藏一 翻2 - 2 温室环境计算机控制系统结构框图 2 4 浏控系统主要功能和技术参数 该测控系统的主要功能为： 1 ) 实现各路数据( 温室内的环境参数，如温度、湿度、光照、c o ：浓 度、室外风速等) 的实时采集； 2 ) 对采集的数据进行分时存储和输出，也可对历史数据进行存储和输 ：出： 3 ) 单片机可以根据系统机发送的控制参数，通过各调控机构的运行， 对温室环境进行手动或自动控制。系统的技术指标见表2 1 袁2 i蒡统的技术指标 璋目 测最范目舟辨率 采集精度 温度( t ) 口5 0o c01 0 c 0 3o c 湿度( r h ) 0 - 9 9 01 - + 35 光瞪( p r )0 - 2 0 0 0 v f m 2 s 1 0 止 血p s 1 0 c o ：浓废 f l - 1 0 0 0 p p m l0 p 芦l + - 2 5 采集时阿 3 2 0 m s 3 温室环境计算机测控系统硬件设计 3 1 传感器的选择与性能分析 31 】温度传感器 温室内环境温度的变化为o c 一5 0 c ，且温室是有很大惯性的对象，温 度的变化速度较慢，因而对传感器的反映速度要求不高，但由于温室内湿 度较大，需要传感器有较好的物理和化学稳定性。所以，本系统采用北京 昆仑海岸传感器厂生产的a d 5 9 0 集成温度传感器，它是一种将湿敏元件， 偏置电路，放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温发传感器。它的 工作原理是输出电压正比与绝对温度 a d 5 9 0 的内部结构图见图3 一l ，其中q p 和q 1 l 是两个性能相同的晶体 管，它们的基极连在一起，其集电极电流的比率固定。它们的b e 极电压差 逐步正比于温度。温度信号的检测电路为反相输入的运算放大器，将电流 信号变换为0 - 2 0 0 0 m v 的电压信号输出，如图3 - 2 ，图中r w l 、r 砒分别为 零点和满度调整。将04 c 一5 0 的温度变化，转变为0 - 2 0 0 0 m v 的电压输出。 系统设置2 个通道。 + 2s v 50 7 l b v 3 图3 。1a d 5 9 0 内部结构图3 - 2 温度检测电路 3 ，1 2 湿度传感器 影响作物生长的湿度是空气中的相对湿度，因而本系统需要检测温室 内空气的相对湿度。由于在湿度检测中，液态水会使一些高分子材料和电 解质材料的溶解，会使湿敏材料丧失原有性能，另外，湿信号的传递必须 依靠水对湿敏元件的直接接触完成的，因此，湿敏元件只能直接暴露在待 测环境中，而不能密封，因而一般湿度传感器的寿命都较短。基于以上原 因，本系统选用h 2 0 4 c 湿度传感器，它的电阻随相对湿度的变化而变化。 该湿度传感器是经过高温烧结的金属氧化物( z t l c r 2 0 + c i z n v 0 4 + c u o ) 多孔质陶瓷。它的电阻与吸附在该陶瓷细结晶表面上的水分子的量有关， 并与相对湿度( r h ) 呈半对数关系。但湿度传感器h 2 0 4 c 的湿度一电阻 特性不是线性的。为获得与湿度成正比例的输出，一般需要进行线性化处 理。所以在实际应用中，h 2 0 4 c 湿度系统的检测电路如图3 - 3 所示图中， t h 是热敏电阻，阻值为2 0 kq ，r h 是湿度传感器h 2 0 4 c 。 系统设置2 个通道。 3 1 3 光照传感器 太阳能的测量是基于辐刺的热效应。考虑到影响作物生长的是光照量子 流密度，所以选择检测光量了流密度的光照传感器。本系统选用北京昆仑 海岸传感器j 生产的光量子传感器，它主要是由感应元件和滤光片系统组 成。光量子传感器是一种灵敏的蓝色硅电池，在近红外区域07 1 1um 只 有相当低的响应，而在可见域0 4 0 7ui l l 比一般硅电池的响应都高的多， 峰值响应在o 5 5 08 5um 之间。植物进行光合作用利用的光的波长限于 4 0 0 7 0 0 r a m 范围，超过7 0 0 m m 吸收率急剧下降，而小于4 0 0 m m 紫外线利 用率也很低。所以本系统选用此传感器较为合理。它的检测电路采用低失 调电压( ( 5 0 u v ) 高增益( 1 1 0 0 0 可调) 的高精度仪表放大器。图3 - 4 为其 检测电路。 系统设罨2 个通道。 圈3 - 3 湿度检测电路 圈3 _ 4 光照检测电路 3 1 4c 0 2 浓度传感器 c o ：浓度传感器选用红外线气敏传感器，根据c 0 2 气体对红外线特征 波长的吸收来检测c 0 2 的浓度。c 0 2 对4 2 6 um 的红外光有强烈的吸收 c o ，对红外光的吸收能力在一定范围内与其浓度成正比。 c o ，浓度传感器由二对p 。线圈构成，一对接触标准空气，用做温度补 偿，另一对接触取样气体，结构简单。其检测电路图如图3 - 5 所示 系统设置两个通道。 图3 - 5c 0 2 传感器检测电路 3 1 5 风速传感器 风速传感器用于对室夕 风速进行检测，风速的检测采用三杯风速传感 器，它的测量与范围为o 2 5 r r d s ，启动当风速) 0 2 5 m s 。风速的脉冲转换是 通过光电转换实现的，图3 - 6 为风速检测电路。当风速过高时，必须关闭天 窗，以免损坏。本传感器采用北京昆仑海岸传感器厂生产的风速传感器。 系统设置2 个通道。 c d 3 2 前置信号处理器的设计 罔3 - 6 风速检测电路 3 2 1 无源滤波 来自传感器的信号经过一无源滤波网络后为后续的信号处理电路接受， 这样做能有效的滤除高频信号。选用无源网络，原因之一为：由于来自信 号传感器的信号很小，如粜采用有源滤波髓 影响，使信噪比反而降低。 无源滤波网络如图3 7 所示，传递函数为 e 小) 一 l e ，( s 1r c ，+ 1 式中：r 和c 决定滤波网络的截止频率。 则有可能由于工作电源的 ( 3l 、 图3 7 无源滤波网络 3 2 - 2 微弱信号的放大 由于传感器输出的微弱信号需要经过一段较长的时间才能到达数据采 集系统，传输途中会引起较大的电磁干扰，更何况被测信号是处于温室这 样一个环境较为恶劣的状况下，因此，信号在进入计算机数据采集系统之 前必须进行放大处理等】：作。理论上，任何小的信号都能通过运算放大器 将信号放大，但实际上难于用单个运算放大器制成高增益、低漂移、性能 稳定的运算放大器。对于我们所研究的微信号处理，需要采用高性能的元 器件，才能完成高放大倍数、低漂移的信号放大，否则难以得到正确的信 息。 随着电子集成技术的高速发展，各国均在生产高性能的集成运算放大 器，如日本的国家半导体公司、美国的模拟器件公司等都生产作为运算放 大器的仅用放大器，如a m 2 0 1 、a m p 。0 1 、a f 5 2 1 、a d 6 1 2 、a d 6 1 4 、a d 5 2 4 、 a d 6 2 4 、i n a l 0 1 、i n a l 0 2 、蹦a 1 0 4 、i n a l l 4 、i n a i l 5 、i n a l 2 0 等等，国 内也有厂家生产集成仪用放大器，但基于目前国内的工艺水平，所生产的 集成仪用放大器还难以和国外高水平的生产厂家相抗衡，在此基础上，选 用了美国a d 公司生产的a d 6 2 4 仪用放大器作为信号放大器。该公司是一 家专f u 3 生产高性能集成芯片的厂家。 a d 6 2 4 基本原理为三运放仪用放大器，其原理如图3 罐所示，内部结 构如图3 - 9 所示。其输出为： 忙陈( 警 哦惫 肛瞧( 爿一陈警 n ：， 叫书帆( 爿( 喇 。宰 v i r h r 幽3 - 8 三运放原理图 a d 6 2 4 芯片的电子网络采用高技术集成在芯片中，因此阻值可以根据 需要做得相当精切，且有r l = r l ，r 2 = r 2 = r 3 = r7 3 ，如果啦运放自己设计 研制，其对称性要求难于满足，a d 6 2 4 的输出为： = ( 睁y 二) ( 孥+ ) ( 3 ，) 敝有放大倍数为 矿：堕+ 1f 34 、 r g a d 6 2 4 芯片中还集成有精密的电阻网络，根据需要进行管脚编程，组 合出所需要的增益电阻r ，也可以在脚3 和脚1 6 之间跨接一高精度电阻 满足用户需要，阻值由式( 34 ) p 7 - 以计算出。 a d 6 2 4 仪用放大器的主要性能有： ( ”引脚可编程增益f a v ) 1 ，】0 0 ，2 0 0 ，5 0 0 ，1 0 0 0 ，用户自定义 ( 2 ) 输入失调电压低最大2 5 u v ( 3 ) 输入失调电压温度漂移低最大o 2 5 1 tv o c ( 4 ) 非线性度最大0 0 0 1 ( 5 ) 共模抑制l l ( c m r r ) 高c m r r = 1 3 0 d b ( g = 5 0 0 1 0 0 0 ) ( 6 ) 噪声低 o 2 u v p - p ( 0 1 - 1 0 h z ) ( 7 ) 增益温度系数( r e ) 低最大5 p p m ( g = 1 ) ( 8 ) 增益带积宽2 5 m h z ( 9 ) 瞬态性能好摆率5 v t u s ，建立时间1 5 u s ( 1 0 ) 可不需外部元件 ( 1 1 ) 内部补偿 1 6 图3 - 9 a d 6 2 4 内部结构 3 , 2 3 电压电流转换 由于传感器位于温室内部环境中，部分还处于外部环境中，远离计算 机数据采集系统，即有电机磁场的影响，还有外界较为恶劣的自然环境， 因此需要将微弱信号放大器前置与传感器端，同时为了尽可能地减少由于 信号传输所带来的影响，在系统设计时特将放大的电压信号立即转变为电 流信号，以电流形式传输被测物理量的信号量。 电压电流转换形式较多，我们在此采用了一种高性能的线性集成转换 元件。相当于将被测信号转换为一电流源，不会因负载在一定范围内的变 化而改变电流源的大小。在系统中我们选用了美国b b 公司生产的x r t l l 0 精密电压电流转换器，它的主要性能特点有： ( 1 )标准4 - 2 0 m a 电流输出 ( 2 )输入，输出范围可选择 ( 3 )非线性度低，最大为0 0 0 5 ( 4 )提供精密+ 1 0 v 电源输出 ( 5 )单电源供电，范围宽 x t r l l 0 基本结构及功能如图3 1 0 所示，可以看出，x t r l l 0 由四个 主要功能模块组成： ( 1 ) 精密电阻网络模块( r i r 1 5 ) ： c 2 ) 电压电流转换模块( a 1 、q 1 、r 6 、r 7 ) ： c3 1 电流。电压转换模块( a 2 、r 8 、r 9 、q e x t ) ； ( 4 ) 精密1 0 v 电源基准模块。 17 图3 1 0x t r l l 0 功能框图示意图 x t r l l 0 的基本工作原理是：精密电阻网络模块由于将三路输入电压信 号通过分压输入运放a 1 的同相输入端，三路输入电压为v i n l ( 1 0 v 为满程) ， v 【n 2 ( 满量程5 v ) 和v i e f i n ( 用于偏置) 。电压电流转换模块中，运放a 1 使同相端输入电压全部作用在量程范围设置电阻r 6 和r 7 上，由于q 1 是 高增益达林顿三极管，因此基极电流可以忽略不计，所有电流便流经电流 电流转换模块中的电阻r 8 ，由此可知流过r 8 的电流为： ，r s ：! 墨竺：型 ， o 。1 i 一 u 。 其中r s p a n 为q 1 发射极到公共端之间的量程范围设置电阻。 电流电流转换模块是x t r l l 0 的输出部分，由运放a 2 将电流流经r 8 所形 成的电压加在r 9 上，同时利用外接m o s 场效应管将电流传送到负载上， 输出电流不会因负载的变化而改变，只取决于r 8 两端的电压差，即r 9 两 端的电压差。由于场效应管的门极没有电流流过，全部电流全部由源极流 向漏极，得到的输出电压为流经r 8 的1 0 倍( r 9 = r 8 1 0 ) ，故x t r l l 0 的输 出由流为： 塑竺：兰：型 b 。， r w , n 将场效应管设计在x t r l l o 芯片外的主要目的是加强散热效果，提高整 体性能。 如果要使输出电流增大，则可不用r 9 ，而选用一精密电阻倒替r 9 。该 器件不仅能将电压转换为电流，而且能够提供一精密的直流电压源。 32 4 前置信号处理器 前嚣信号处理器由低通滤波、微信号放大、电压电流转换器构成实现 微信号的放大，电压。将无源滤波器、信号放大器、电压电流变换元件有 机地设计在一起，便构成了前置信号处理器，由于电压电流转换器是单极 性输入，因此存信号放大器的输 = ：| 需要进行电平移动。前置信号处理器电 路原理图如图3 i l 所示 图3 - i1 前置信号处理器原理图 3 3 后置信号处理器的设计 3 3 i 电流电压转换与隔离放大 计算机数据采集系统一般采集的是电压信号，前置信号处理器输来的 电流信号需要转换成电压信号，同时，为了提高系统的抗干扰能力。需要 将传感器的“地”，即前置信号处理器的“地”与计算机数据采集系统隔离 起来。 电压电流转换方式较多，可以由多路转换电路来实现。 要求做到性能好并不是一件容易的事，既要考虑元器件的选择，有要 考虑负载的连接，负载的变化不能影响被测电流