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南京理工大学t 程硕士学位论文人工气候室无线测控系统的研究与设计 摘要 人工气候室是在环境试验、科学研究等领域( 诸如种养植、植保、组培、生物工 程) 应用非常广泛的实验设备。它能模拟自然界的各种气象条件，按照实验要求精确 控制室内的温度、湿度、光照度以及c 0 2 等指标，从而复现某种气候环境。 本文设计了一以单片机( a t 8 9 c 5 1 ) 为核心的具有无线通信功能的智能型人工气 候室测控系统。不仅实现人工气候室内的温度、湿度及c 0 2 等参数的测量显示，还能 完成输出控制信号，实现人工气候室参数的本地或远程控制。并且全部测量数据可自 动存储并上传至系统中心计算机，由系统中心完成数据的分析显示，以及曲线和报表 的打印。整个系统配置灵活、价格低廉，并且具有良好的可操作性和稳定性。 该系统采用集散式控制方案，由分控器、主控器、系统中心实现三级控制，提高 了系统的可靠性。其中分控制器、主控器均由单片机( a t 8 9 c 5 1 ) 代替p c 机。分控器 与主控器之间的通信由传统的r s - - 2 3 2 串行通信来完成；主控器与系统中，t ：, p c 机的通 信则采用h a c 叫m 系列微功率蓝牙无线数据传输模块，实现无线通信。这样即降低 了整个系统的使用成本，又使得整个系统的布线工程量、维护工作量大幅度降低，具 有良好的性价比。系统在实现人工气候模拟时，考虑到人工气候室的影响因素复杂， 具有非线性和不确定性等特点，本文采用了模糊控制算法，使用多变量综合控制，将 受控参数之间的相互影响拟合到最佳状态，从而达到了良好的控制效果。最后，采用 v c + + 软件，在系统中，t ：, p c 机上，设计出使用方便、图形美观的界面，能够实现对系 统参数的总体控制和管理。 关键词：人工气候室分控器 主控器系统中心单片机无线通信蓝牙 技术h a c 一m 模块 南京理工大学工程硕士学位论文人工气候室无线测控系统的研究与设计 a b s t r a c t g l a s s h o u s ei sak i n do fe x p e r i m e n t a t i o ne q u i p m e n t sw h i c hi s l a r g e l yu s e di n e n v i r o n m e n tt e s t sa n ds c i e n c er e s e a r c hf i e l d ，s u c ha sp l a n t i n g ，c u l t i v a t i n g , b i o l o g y w o r k s i tc a l li m i t a t ea l lk i n d so fc l i m a t ec i r c u m s t a n c e s ，a c c u r a t e l yc o n t r o lt h ei n d o o r t e m p e r a t u r e ，m o i s t u r e ，s u n l i g h t , c 0 2a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s ，t oa c h i e v ea l lk i n d s o f c l i m a t e s a ni n t e l l i g e n tw i r e l e s sc o n t r o ls y s t e mo fg l a s s h o u s ew h i c hu s e sa t 8 9 c 5 1a st h e k e r n e li si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i tc a nn o to n l ya c h i e v et h em e a s u r e m e n td i s p l a yo f t e m p e r a t u r e ，m o i s t u r e ，s u n l i g h t , c 0 2p a r a m e t e r si ng l a s s h o u s e ，b u ta l s o c o m p l e t e o u t p u t t i n g t h ec o n t r o l l i n gs i g n a l sc o n v e n i e n tf o rl o c a la n dr e m o t ec o n t r o l s a l ld a t ai s c o n s e r v e db yi t s e l fa n dt r a n s m i t t e dt ot h ec e n t e rc o m p u t e r d a t aa n a l y s i s ，d i s p l a y , a n d c u r v e s , r e p o r tf o r m sm e t e r sp r i n t e di sc o m p l e t e di ns y s t e mc e n t e r t h ew h o l es y s t e mi s c o n f i g u r e dl i v e l ya n dc h e a p i y ，耐m l i g hr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y ac o n c e n t r a t ea n dd i s u a e tc o n t r o lp r o j e c ti su s e di nt h ec o n t r o l l i n gp a r to ft h e s y s t e m t h es y s t e ma d o p t st h r e el a y e r sc o n t r o l l i n gt oa c h i e v es y s t e m sr e l i a b i l i t y p c p r o c e s s o ri st a k e nt h ep l a c eo fa t 8 9 c 5 1 i na l lc o n t r o l l e r s t h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n t h ed i s t r a c tc o n t r o l l e r sa n dm a i nc o n t r o l l e ra r ea t t a i n e db yt r a d i t i o n a lr s 一2 3 2 w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni sa c h i e y e db e t w e e nt h em a i nc o n t r o l l e ra n ds y s t e mc e n t e rb yu s i n gt h e h a c - p ms e r i e sb l u e t o o t ht r a n s m i t t i n gm o d u l e , s oa st og r e a t l yr e d u c et h ew o r k sa n dt h e f u n d w h e nd e s i g n i n gt h eg l a s s h o u s es y s t e m , m u l t i - v a l u ec o n t r o l l i n gm e t h o da n df u z z y c o n t r o l l i n ga r ee m p l o y e dt om a k et h ei m p a c t sb e t w e e nt h ec o n t r o l l e dp a r a m e t e r sl e s t ， c o n s i d e r i n gf o rt h ec o m p l i c a t i o n , n o n l i n e a ra n du n c e r t a i n t yo ft h ei m p a c t s a tl a s t , u s i n g v c + + s o f t - w a r e c o n v e n i e n ta n db e a u t i f u li n t e r f a c e sa r ed e s i g n e du p o nt h es y s t e mc e n t e r p ct oc o n t r o la n da d m i n i s t r a t et h es y s t e m sp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：g l a s s h o u s e ，d i s t r a c tc o n t r o l l e r , m a i nc o n t r o l l e r , s y s t e mc e n t e r , o n ec h i p c o m p u t e r , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，b l u e t o o t ht e c h n i q u e ，h a c 。p mm o d u l e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文r f l ，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：篮益擅 口舌年犀月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 卜- 网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：登茎掏 。多年牛月妒口 南京理丁大学工程硕士学位论文 人工气候室无线测控系统的研究b 设计 1 绪论 1 1 课题背景及意义 人工气候室是在环境试验、科学研究( 诸如种养植、植保、组培、生物工程) 等 领域应用非常广泛的实验设备。它能模拟自然界的各种气象条件，按照实验要求精确 控制室内的温度、湿度、光照以及0 2 、c o 。等指标，从而复现各种气候环境。为研究不 同物种的生产、发育、生理、生化过程创造了环境条件。 人工气候室环境测控在农业领域应用尤其广泛，人们把现代工业控制技术逐渐应 用到农业生产中，在作物不适合生长的寒冷季节，通过检测与控制室内温度、湿度、 光照等参数，创造出适宜作物生长的环境，实现作物的反季节生产，从而实现作物周 年、高产、优质、高效栽培。我国是一个农业大国，用仅占世界7 的土地养活了占世 界2 2 的人口，为世界的进步和发展作出了巨大的贡献。但随着经济的发展，土地日 益减少，同时人口数目却仍在不断的增长，农业领域所存在的亟待解决的问题已日益 明显与突出。解决农业领域存在的问题，一个快捷有效的办法就是尽快推进我国农业 的规模化和产业化，走农业可持续发展的道路。实现这一目标的重要环节就是实现人 工气候室环境控制的自动化和智能化。因此人工气候室环境的自动控制在整个农业中 占有很重要的位置，其意义非常重大。用人工气候室环境测控仪器，可以调节环境因 子，使其最大程度的适宜作物的生长，提高作物的产量和质量，满足人们对食品数量、 质量与品种的需求，在一定程度上有效缓解耕地面积的减少和人们对蔬菜等作物需求 增加的矛盾n 】。 中国加入w t o 后，我国农业将与国际接轨，参与国际竞争。农业面临巨大的挑战， 因此只有提高我们的产品质量和增加品种，提高农业科技含量，提高产品的附加值、 土地产出率和空间利用率，才能使我们的农业生产不至于落伍。而以计算机技术、信 息技术为代表的现代农业革命，正在推动传统农业向现代化农业方向发展，人工气候 室系统的自动测控技术必将成为2 l 世纪我国农业发展的“发动机”。 该课题研究成果将广泛适用于农作物、花卉、无土栽培、蔬菜等优良高产新品种 的培育和生产，同时适用于对物种遗传基因的科研试验和生产活动等。还可以推广应 用于粮食仓储及蔬果、蛋肉存储仓库的温度、湿度控制；各种兽禽养殖场温度、湿度 控制：工业生产过程中厂房环境湿温度控制；实验室环境温湿度控制；中央空调系统 的控制；气象水文、造纸、环保、档案馆、博物馆、电力、烟草等领域的环 境控制等。 南京理t 大学t 程硕士学位论文 人工气候室无线测控系统的研究与设计 1 2 国内外发展状况 在一些农业发达的国家，其人工气候室环境测控起步也较早，发展较快。在美国、 以色列、荷兰、日本、韩国、加拿大、英国、法国等农业相对发达的国家中，智能化 气候室环境测控技术已经得到了广泛的普及和应用。美国现在大部分人工气候室农场 装备了环境控制计算机，采用专家系统对人工气候室内部环境进行调节，创造出适宜 作物生长的条件，这已经在生产中发挥了积极的作用，取得了显著的经济效益。在高 度发达的工业化影响下，荷兰气候室也具有了高度工业化的特征。室内温度、光照、 湿度、c 0 2 浓度等都采用智能控制系统进行测控，同时也对作物生长情况进行计算机 监控。这些国家的测控发展水平，代表了他们的农业发展水平。现阶段，以微机为核 心的人工气候室环境综合控制系统，在欧荚和日本获得了长足的发展，并迈入了网络 化、智能化阶段。但他们的人工气候室成套控制设备成本昂贵，使用复杂，能耗大， 维护困难。 我国对于人工气候室环境控制系统的研究开发起步较晚。2 0 世纪8 0 年代，在引进、 消化、吸收国外先进技术的基础上，我国有了对人工气候室进行微机控制的温室，如 重庆柑桔所人工气候温室的单片机控制系统，以及上海植生所的人工气候温室，中国 农业机械化科学研究院研制的新型智能温室等。2 0 0 3 年，国家计委启动了“设施农业 技术集成产业化示范”课题，国家自然科学基金生命科学对设施园艺也设立了重点 项目。此外许多高等院校、科研院所都在进行人工气候室控制系统的相关研究，并且 许多单位都已经建立起或将要建立起人工气候室控制系统的总体构架。经过2 0 多年的 发展，我国人工气候室测控技术已经有了长足的发展。 但我国人工气候室环境控制技术的研究现状与国外相比还有很大的差距，有些只 能实现对部分环境因子的控制，或需要人工控制，温室的监控条件也不够高；其次人 工气候室环境因子控制仪器在全国的应用具有明显的不均衡性，从国外引进以及我国 自行开发的控制仪器，主要应用于资金充足、技术实力雄厚的科研院所或农业高新示 范园，广大农村经营者很少购买。 目前，国内的人工气候室测控系统主要有”： 1 ) 单片机控制系统 目前，人工气候室控制器的结构主要是以单片机为主控板的控制系统，一般以 m c s 一5 1 系列为基础，采用8 位c p u ，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的。 该类控制方式的优点是能够全局管理，操作简单，价格低廉，缺点是布线复杂，可 靠性差，故障率高；且信号的输入、输出一般为模拟量或开关量，自动化程度低。 由于人工气候室环境噪声大、环境恶劣，单一的单片机c p u 控制系统难以达到预期 的控制效果。现在已很少采用这种控制方式。 2 南京理工大学t 程硕士学位论文 人工气候室无线测控系统的研究与设计 2 ) 基于i p c 的人工气候室控制系统 基于工业控制机( i p c ) 的人工气候室控制系统是由工控机、各种传感器及执行机 构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。以工控机为核心的系统硬件开发量小，软 件组态方便，需要的硬件及软件都能从市场买到。i p c 具有标准通信接口，为人工气 候室的群控和网络化的实现提供了方便。其缺点是i p c 及相应的组态软件都需要购买， 成本较高。温室系统中的所有输入、输出功能都由i p c 集中控制，一旦工控机发生故 障将会使整个系统瘫痪。而且布线复杂，维护困难。 3 ) 基于p l c 的人工气候室控制系统 基于p l c ( 可编程逻辑控制器) 的人工气候室控制系统是由上位机、p l c 、数据采集 单元及执行机构组成。p l c 主要用于动态、实时监测室内外环境因子的变化，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，它将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，非常适合高效人工气候 室的控制要求。p l c 不但能完成复杂的逻辑功能，还能完成复杂的运算功能。其缺点 是投资大，用户难以接受。 4 ) 集散型人工气候室控制系统 集散型人工气候室控制系统( d c s ) ，即分布式控制系统，它是相对于集中式控 制而言的新型计算机控制系统。在系统功能方面，d c s 和集中式控制系统的区别不大， 但在系统功能的实现方法上却完全不同。集中式控制系统只需一台计算机以及有关的 i o 设备和c r t 、键盘、打印机等外部设备即可完成系统功能，而d e s 则一般有四个基 本部分组成，即系统网络、现场控制站、操作员站和工程师站，来实现分散控制、集 中管理、集中监视的目标。这种控制模式成本太高，成套的d c s 系统需要1 0 万元左右， 用户难以接受。 5 ) 嵌入式l i n u x 系统 嵌人式l i n u x 系统旨在提高人工气候室系统网络支持、并发处理及功能升级能力， 降低系统开发难度，满足人工气候室计算机控制系统日益复杂化的需要，该方法是可 行的。软件平台采用l i n u x 系统，优点在于多任务系统：在温室系统中，大多数环 境因子变化缓慢，这样l i n u x 系统可以同时处理多个下位节点发送来的较为复杂任务， 提高系统响应并发处理能力；丰富的网络支持：由于温室节点分散给调试和管理带 来不便，l i n u x t 土| 核支持t c p i p 、i p x p x 等多种协议，便于实施高层网络应用； l i n u x 系统类似于图形化窗口，操作简便；l i n u x 系统所有源代码对外开放，使整体开发 及维护费用降低。但目前在人工气候室控制系统中尚不多见。 6 ) 现场总线控制系统( f c s ) 南京理工大学t 程硕十学位论文 人工气候室无线测控系统的研究0 蹬计 现场总线是在智能化测控设备之间实现双向、数字式、多节点的串行通信技术， 也称为现场底层控制网络。现场总线将传感测量、补偿运算、工程量处理与控制等功 能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊 断设备的运行状态；现场总线从根本上改变了d c s 集中与分散相结合的集散控制体系， 简化了系统结构，真正构成了一种全分散的体系结构。另外，它具有协议简单、容错 能力强、实时性高、成本低等特点，目前被广泛应用于人工气候室控制系统中。应用 现场总线控制有两种模式：基于r s 一4 8 5 的气候室现场总线控制模式和基于c a n 总线的 温室现场总线控制模式。前者可以通过r s 一4 8 5 总线与远端的气象站通讯，来获得室 内外温度、湿度及室外光照、雨量、风速、风向等参量，还可与其他控制器及上位机 进行通讯，构成更大范围的温室环境自动控制系统。后者采用c a n 总线技术，它具有 组网能力、可以实现群控和远程控制。 以上几种控制系统中，前两种控制功能不强，没有通信功能或通信技术相对比 较落后。后面的几种具有通信功能，但是都属于有线通信，布线复杂，安装工程时 问长，且维护起来不方便，成本较高。 因此，研究设计一种适合中国国情，低耗能、低成本，既能满足测控精度，又 便于使用、维护的，具有通信功能的智能控制系统是十分重要的，也具有广泛的应 用价值。 1 3 本文的主要工作 通过对该课题的研究，本文设计了一个适合中国国情的具有无线通信功能的智 能型人工气候室测控系统。解决的主要问题是：实现人工气候室各参数的测量与输 出控制；主控器与系统中心的通信在不超过2 公里的范围内采用h a c 州系列微 功率无线数据传输模块，实现无线通信；采用v c + + 编制程序，设计出使用方便、 直观、美观的操作界面，既能在屏幕菜单上点击查看测量、控制被控对象的状态， 又能实现管理和统计功能。 本文的主要工作如下： 第1 章绪论部分首先介绍了课题的背景和意义，并就国内外在该课题方面的研究 现状作了详细的调查和分析。 第2 章提出了整个系统的功能和主要的技术指标，根据这些功能和指标确定了系 统的总体设计方案和关键技术，并对系统各个组成部分作了说明。完成了整个系统的 构架。 第3 章借鉴了国外专家的研究成果，分析了人工气候室环境的物理过程，建立了 基于实验和前人经验基础上的人工气候室环境数学模型，同时本章还对人工气候室主 4 南京理工大学t 程硕士学位论文人工气候室无线测控系统的研究畸设计 要环境参数进行了综合分析，对以上内容的理解，为后续人工气候室环境参数智能控 制系统的硬件设计和软件设计提供了指导作用。 第4 章叙述了系统的硬件及软件设计过程。系统包括数据采集器、分控器、主控 器、驱动控制电路、液晶显示电路、通信电路等部分，通过对各个部分具体的分析， 完成了硬件电路设计和软件设计。 第5 章叙述了主控器与系统中心( 上位机) 间的无线通信方式。通过对h a c u m 系列微功率无线数据传输模块的详细分析说明，完成了主控器与系统中心之间通信的 硬件设计及软件设计。 第6 章对系统的设计研究进行了总结和展望。 南京理t 大学t 程硕十学位论文 人工气候室尢线铡控系统的研究吁瑷计 2 人工气候室的总体设计方案 2 1 系统功能 人工气候室测控系统具有以下功能： 1 ) 系统能实现对单个人工气候室内温度、湿度、光强、c 0 ：浓度等环境参数监测、 控制、报警、记录、系统管理。 2 ) 系统采用了模糊控制技术，不仅控制效果明显，而且节约电能，经济效益显 著，具有良好的性价比。 3 ) 该系统采用了先进的现场总线技术，使分控与主控组成一个完整的系统，以 此来实现分散控制、集中管理、集中监视的目标。 4 ) 利用无线通讯实现群控和远程控制。 5 ) 电控装置能控制各个风机通风，热水管加温、降温，喷淋启闭，天窗启闭， 卷帘及遮阳网减速机的反转运作等。 6 ) 系统中心的管理软件具有测量、控制演示、测量参数日线、周线等数据显示 功能。 2 2 系统的主要技术指标 人工气候室测控系统的主要的技术指标： 1 ) 湿度可保持在5 0 9 9 r h ，湿度测量精度5 r h ； 2 ) 冬季养护温度控制在5 1 5 。c ，夏季高温不超过3 5 0 c ，作物生长温度控制在1 5 2 5 0 c ，温度测量精度1 。c ，温度分布均匀性4 - 1 ； 3 ) 光照强度不超过5 0 0 0 l x ，并可调控。 2 3 系统的组成 2 3 1 系统的组成 人工气候室测控系统由数据采集器、分控器、主控器、无线通信模块、系统中心 组成。系统组成框图见图2 1 1 ，系统采用模块化设计，各部分即可独立工作，又可 整机工作，组建方便，具有良好的扩展性。 控制部分采用集散式控制方案，采用分控、主控、系统中一l , - - 级控制方法。室内 设有若干个电器控制柜( 分控器) ，每个室内设一个微机控制装置( 主控器) ，这样 在主控制器发生故障或现场分控制器与主控相连通信线路发生故障或主控与上位机 6 南京理丁大学t 程硕七学位论文 人工气候室无线测控系统的研究与设计 的通信发生故障时不会影响其他现场控制器的正常工作，系统的可靠性高。用廉价的 单片机代替p c 机作为现场分控制器、主控器，与传统的集散式控制系统相比，大大降 低了系统成本。 系统具有良好的通信功能，下位机( 分控器) 可接受上位机( 主控器) 的管理和 控制，实时传送各种传感器数据；主控器与系统中心的通信采用无线数据传输模块， 实现无线通信。 一书苎堕 主控 盖室l 川拿 堋 ln 渊雕渊貅 图2 1 1 系统组成框图 勰釜l 蓠 褊 驯蒌 2 3 2 系统各部分说明 1 ) 数据采集器 温湿度传感器的输出信号经过信号处理后，以电流信号传输，温度传感器采用铂 电阻传感器，湿度传感器采用薄膜电容传感器，信号处理电路线性好、工作稳定。 2 ) 分控器 分控器设计为电器控制柜，分控器由微机处理器，温湿度检测、显示及输出装置 构成。分控器具有温、湿度等参数的检测、显示、模糊控制算法的自控输出功能，并 能与主控制器进行r s 一2 3 2 串行通信。输出装置由光电耦合器、固态继电器和交流接 触器构成。电器柜上还配有手动按钮( 手动优先) 以保证必要时能实现手动操作，增 加设备运行的可靠性。 3 ) 主控器 主控器为第二级控制器，设有操作键盘及液晶显示，便于输入各种控制值，实现 7 南 南京理t 大学t 程硕十学位论文 人_ t 气候宅无线测控系统的研究0 设计 各种物理检测显示窗口( 温度、湿度、光照、风速、风向等) 与下级控制机( r s - - 2 3 2 串行通讯) 及上级管理系统( 工业控制机或微型计算机) 之间通讯。 4 ) 无线通信模块 无线通信模块采用深圳华奥通通信公司自主开发的无线数据通信产品( 其通信采 用的是蓝牙技术) ，该模块采用微功率发射，最大发射功率l o m w 。i s m 频段，无需申请 频点。采用单片射频集成电路及单片m c u ，外围电路少，可靠性高，故障率低。通信 使用的频率段不占用移动、联通基站的通信频段。 5 ) 系统中心 系统中心主要设备是一台p c 机，p c 机中安装有操作系统、数据库，及自己编制的 控制界面操作软件，控制界面由菜单及画面组成，能在屏幕菜单上点击查看测量的数 据及控制被控对象的状态，以实现管理和统计功能。既可以控制及反映整个人工气候 室的运行状态，又具备数据采集、处理及打印功能，还可以显示、打印日线、月线等 温湿度实际测量曲线。 6 ) 执行器 执行部分包括天窗开合电机、遮阳帘开合电机、通风电机、灌溉阀门、喷淋泵、 压水泵、营养液的施放等，当接收到主控器、分控器输出的控制信号后，执行器能作 出相应动作，来调节有关参数以保证系统各环境参数的要求。 2 4 系统特性 本系统具有如下特性： 1 ) 系统采用总线结构，积木式组建，一个测控区的多个温湿度测控器用一根电 缆串连即可，设置多少个测试点，即可加多少个测控点，只要设定不同地址； 2 ) 铡控系统采用液晶显示，可实时显示各参数测控器测量的参数数值、控制状 态，设定参数上下限值等； 3 ) 测控系统可显示当前时间、日期； 4 ) 系统具有掉电记忆功能； 5 ) 测控系统可通过r s - - 2 3 2 ，无线通信模块等通讯模块通讯； 6 ) 系统具有过流过热保护装置； ， 7 ) 系统模块化设计，维护简便，扩容性强，组网方便； 8 ) 系统控制中心采用计算机，可在计算机上实现远程测控； 9 ) 控制中心计算机软件具有加强测控功能，可实现对网内各测控平台的测控和 数据记录，并具有数据处理功能，生成报表、表格等功能：其数据存储功能可根据具 体要求进行1 2 个月的历史数据整理，生成历史曲线；可根据人工气候室等场所的温 8 南京理t 大学t 程硕士学位论文 人工气候室无线测控系统的研究与设计 湿度等参数数值及数学模型分析、判断、提前预警控制，提示优化处理；整体系统还 可根据需求提供远程查询等功能。 2 5 关键技术 1 ) 在软件控制算法上采用模糊控制算法与p 州( 适用于大惯性系统的脉宽调制算 法) 相结合的控制算法以适应不同季节要求的需要，不仅控制效果明显，而且节约电 能，经济效益显著，具有良好的性价比。 2 ) 用集散式控制方案。采用分控、主控、系统中心三级控制方法，系统的可靠 性高。用单片机作为现场分控制器和主控器，系统成本低。 3 ) 主控与系统中心的通信采用1 1 a c um 系列微功率无线数据传输模块，实现无 线通信。该模块是i s m 频段无线数据通信产品，通信使用的频率段是国家允许的频率 段，不需要使用任何通信基站。 4 ) 在系统机上采用v c + + ，设计出使用方便、直观、美观的画面，既能在屏幕菜 单上点击查看测量和控制被控对象的状态，又具有管理和统计功能。 2 6 本章小结 本章提出了整个系统的功能和主要的技术指标，根据这些功能和指标确定了系统 的总体设计方案和关键技术，并对系统各个组成部分作了相应的说明。 9 南京理工大学丁程硕士学位论文 人丁气候宦光线测控系统的研究设计 3 人工气候室环境建模与多参数分析 在人工气候室环境参数自动采集及智能控制系统中，研究和建立被控目标与诸多 影响因素之间的关系，也就说建立基于实验和前人经验基础上的人工气候室环境数学 模型是相当重要的。在这一章中，我们将借鉴国外专家的研究成果，详细分析了人工 气候室环境的物理过程，并建立了人工气候室环境模型。同时本章还对人工气候室主 要环境参数进行了综合分析。 3 1 人工气候室环境的物理模型 人工气候室环境涉及到很多的因素，而且这些环境因素之间是相互作用的。在人 工气候室环境中既存在着物理现象，又存在着一些植物生理现象。因此对人工气候室 环境的建模是相当复杂的，要建立一个全面的、完善的模型也是十分困难的。 1 9 9 1 年b o t 、1 9 9 3 年b o u l a r d 和b a i l l e 用能量和物质平衡方程来描述人工气候室 气候，形成了人工气候室中较有影响的基本模型。在这类模型中，般将人工气候室 系统分为五个组成部分：土壤层、加热管道、作物、室内空气和人工气候室。它们之 间的能量交换以及与外界的能量交换包括：光照热辐射、长波热辐射、通风热交换、 与人工气候室的热交换、人工加热系统、与土壤的热交换以及植物蒸腾作用。 3 1 1 人工气候室环境的物理过程 1 ) 光照热辐射”1 光照热辐射直接影响了人工气候室温度和作物蒸腾作用。虽然仅有2 - 3 的光照 辐射用于植物光合作用，却是光合作用的驱动力。其余的则通过人工气候室照射到作 物叶面和土壤表面，对人工气候室的温度以及能量平衡产生影响。根据热辐射定律， 人工气候室表面的光照热辐射为： e s = q sx s = a s l w o s 色 ( 3 1 1 ) 其中，q 。一太阳光热辐射能量密度( w m 2 ) ：魄一人工气候室表面对太阳能的吸 收率；卜太阳光光强；f 一太阳光辐射传输率；缺一太阳光照射角度；s 一人工气候 室地表面积( m 4 ) 。 2 ) 长波热辐射“1 从人工气候室内部到外界之间的热辐射交换是通过人工气候室进行的，人工气候 i o 南京理t 大学t 程顼卜学位论文人工气候宅无线测控系统的研究，设计 室对热辐射起阻碍作用，这种作用的效率取决于热辐射的波长范围。同时，在人工气 候室内部不同的组成部分之间也进行热辐射交换。不同介质之间的热辐射交换满足 s t e f a n - b o l t z m a n 定律： ，、 q 哺d 啦= 毛2 e 2 仃n - t 2 4j ( 3 1 2 ) 其中，q 。一表面l 到表面2 的热辐射通量( w h 毛：一表面1 、2 的联合辐射系 数，一般来说，大多数物体的辐射系数都接近于l ，而联合辐射系数可以由表面l 、2 的辐射系数求得，其公式为：毛：= ( 毛- 1 + 6 2 。) ；f i ：为表面之间的接触面积( m 2 ) ； 盯是s t e f a n - b o l t m a n 常数( 5 6 7 x 1 0 。w m 。2 k 4 ) ；t 1 、t 2 分别为表面l 、2 的温度( k ) 。 当表面l 、2 的温度差“一t 2 ) 较小时，d ( t 4 ) 可以被线性化为( 4 t 3 ) d ( t ) 所以公式可以写成： q “l 。= 毛2f 1 2 t r ( 4 t 3 ) ( t l t 2 ) ( 3 1 3 ) 3 ) 通风引起的能量交换。1 人工气候室结构把人工气候室内的空气和外界空气完全隔离开来，二者之间的交 换的只能通过天窗( 或侧窗) 进行通风交换。空气的流动包括能量和质量的变化，它影 响了人工气候室的大多数环境因子。通风是由人工气候室内外的压差引起的，而压差 则是由外界的风速或内外空气的密度差决定的。己有很多科学人员研究了温室顶部、 天窗以及侧窗对通风效率的不同影响，如：l a w r e n e 和w h i t t l e ；o k a d a 和t a k a k u r a ： b o t ：n e d e r h o f f , d e j o n g 等。通风的空气流通量依赖于外界风速、内外温差以及窗 口的结构等因素，通风引起的能量交换可以通过下式求得： q 。= m ，c a p 。( t g t i ) ( 3 1 4 ) 其中，q 。一通风引起的能量交换( w ) ；m ，一有效的通风量( m 3 s 4 ) ；c a p 。一人 工气候室空气的热容量( j m 。k 4 ) ；l 、t i 一人工气候室内外的温度( k ) 。 由于通风热交换与外界复杂的气候条件有着密切的关系，因而要进行精确的分析 和计算必须采用流体力学的知识。1 9 7 3 年o k a d a 和t a k a k u r a 总结了一个经验模型， 即通风率可由下式计算： f _ 7 西= k u + 2 h t i i ( 3 1 5 ) 其中，i r 外界风速( m s 。1 ) ；k 一比例系数；五一比例系数( 眦- 1 k “2 ) 。则有效的通风 量，= 姒。，a 。为通风窗有效的通风面积( m z ) 。 4 ) 人工气候室与空气的能量交换 人工气候室内的空气与人工气候室内表面进行能量交换，同时，人工气候室与外 界空气进行能量交换。这些交换主要是通过对流形成的，也有热传导的作用。 b i r d s t e w a r t 和l i g h t f o o t ( 1 9 6 0 ) 对热质量交换进行了详细的分析。在人工气候室内部， 空气的流动主要由温差引起，一般流速较低，所以人工气候室内表面与室内空气的能 南京理t 大学t 程硕十学位论文人工气候室无线测控系统的研究与搜计 量交换主要由自然对流所引起；在人工气候室外部，空气的流动主要是由于风的影响， 一般流速较大，所以产生的是受迫对流。无论对于哪种对流形式，都遵循牛顿冷却定 律，可以统一地用对流换热公式来表示： q 一= 口( t i l ) ( 3 1 6 ) 其中，q 一热流密度( w m - 2 ) ；t i 、l 分别为空气和空气所流经物体表面的温 度( k ) ；口放热系数( w m 2 k 。) ，它受到多种因素的影响，如对流的形式、流体的速度、 流体的物理性质以及流体所流经物体的几何形状等。一般来说，流体流速增高，对流 换热就激烈，放热系数口就大。对于流体的物理性质，如流体的比热c 和密度p ，一 般店称为单位容积热容量，用以表示单位容积的流体在温度改变1 度时所需的热量， 一般戊愈大，即单位容积流体温度改变1 度所需的热量愈多，也就是它携带能量的 能力越强，因而增强了热交换，提高了放热系数。此外，在对流换热时，流体沿着物 体表面流动，所以物体表面的几何形状尺寸和位置对流体的流动有很大影响，从而也 影响了放热系数。可见如何确定换热系数是一个很复杂的问题，常用的放热系数的计 算一般都是采用数学分析和实验研究相结合的方法。 对于单层大棚，热传导是不可忽略的，人工气候室的覆盖介质通常是玻璃或者是 塑料薄膜，厚度比较薄，热传导的能量计算可用下面的公式近似： q p = 一k c ( ，r 0 一t i ) d ( 3 1 7 ) 其中，q 。热流密度( w m 2 ) ；d 一覆盖层的厚度( m ) ；一人工气候室内部空气温 度( k ) ；王一人工气候室外部空气温度( k ) ；k c 导热系数( w m 。1 k 4 ) 。 5 ) 加热系统与室内空气之间的热交换“1 通常人工气候室是由加热管道系统来进行加热的，加热管的布置是多种多样的。 最常用的一种布置方式是每个温室由4 根2 ”管子距地面5 至l o 厘米平行布置，这4 根加热管被分成2 组，每组2 根，相互距离约2 0 厘米，而这两组加热管分别距人工 气候室的中心线约1 6 米平铺布置。采用这样的布置方式时，加热管也可兼作人工气 候室运输小车的轨道。 加热管与人工气候室内的空气也是通过对流来进行能量交换的，计算公式 为： q 一= ( t p t g ) ( 3 1 8 ) 其中，q 妇热流密度( w m 2 ) ；t p 一热水管的水温( k ) ；t g 一温室内空气温度( k ) ； 口。加热管与空气的换热系数( w m 。k 4 ) 。 6 ) 植物蒸腾作用 在人工气候室内，人工气候室气候和植物是相互作用的。通常来说，如果人工气 1 2 南京理工大学t 程硕+ 学位论文人工气候室无线测控系统的研究与设计 候室里没有植物的话，人工气候室气候和干燥的沙漠气候类似，一旦人工气候室里有 了植物，则人工气候室可以看作是温暖、湿润的( 亚) 热带气候。植物吸收水分，然后 通过植物茎干运输到叶面上，再通过叶面上的气孔散发到空气中去。1 9 8 7 年 s t a n g h e l l i n i 对植物的蒸腾作用进行了研究，得出的结论是，植物的蒸腾量可以用蒸腾 阻力和气体的浓度差来表示： m 。= k ( c l c 2 ) ( 3 1 9 ) 其中，c ，c ：气体浓度；蒸腾阻力r 雠( s c m ) 包括水分从植物茎干传送到叶面气 孔所受到的气孔阻力和从气孔散发到空气中所受到的边界层阻力。一般蒸腾阻力部是 严格非线性的，它是多个环境因子的函数( s t a n g h l l i n i ，1 9 8 7 ) 。 植物的蒸腾作用需要吸收能量，这可以由蒸发热h 和蒸腾量m 。，来表示： e = h m ( 3 1 1 0 ) 7 ) 与土壤的热交换“1 在考虑人工气候室内的能量消耗时，一般不考虑土壤与外界的能量交换，但在考 虑温室的物理模型时，土壤与人工气候室内其它物体进行辐射热交换以及土壤中能量 储存的影响却是不可忽略的。土壤与人工气候室内其它物体如空气进行对流换热、与 植物进行辐射换热的机理与前面讨论的一样。此外，土壤内部还要进行传导换热，这 是由土壤在垂直方向上的温度梯度引起的。b a v c r ( 1 9 7 2 ) 等人作过详细的分析，在垂 直方向z 上的热传导为： q 。i = 一l ( d t j d z ) ( 3 1 1 1 ) 其中，q s o i 卜一热流密度( w m 。2 ) ：卜一热传导系数( w m 1 k 1 ) ，由土壤的物理性质、含水 量等因素决定( l a w r e n c e 和w h i t t l e ，1 9 6 0 ) ；t s 一土壤温度( k ) 。 3 1 2 人工气候室环境的物理模型 对单层、独立的人工气候室，基于上述对人工气候室环境中各物理过程的分析， 利用热平衡可以得出关于人工气候室空气温度的动态方程式： v g c a p g c l t g d t = e ，+ e 州+ e h 删+ e 黟+ e 翻。+ e 伽+ e 酬一e ( 3 1 1 2 ) 其中，v f - 人工气候室的体积( m 3 ) ；c a p g _ 人工气候室内空气的热容：i ( j m 3k 1 ) ； l 、t a 人工气候室内外空气温度( k ) 。e s 是太阳辐射，e s = q 。s ；e 。| a d 是大棚对室 外空气的长波辐射，e 吲= 一f c 仃( 1 ：一1 ：) 是加热系统与室内空气之间的热交换， e h 。缸：q h 。s p ；e 盟是人工气候室内通过大棚与室外空气进行热传导交换的能量， e 鲈= q 醇s 。；e 。是大棚与外界空气的对流热交换，e 旷a c s c ( t a - t g ) ；e v 是与外界的 通风热交换，e 。= 。c a p g ( t i t ) ：e s o i l 是与土壤的热交换，e s o i l = - 1 ( d t d d t ) s ；e 南京理t 大学t 程硕十学位论文人工气候室无线铡控系统的研究与设计 是作物蒸腾所需要的能量，e = n r 2 ( c 。一c 。) ；则详细的表达式为： v , c a p g d t | d t = o q w o s o s 。气f c 盯( 耳一1 ：) + s p o r , 一t g ) 一k 。s 。( t g t i ) d + a , s 。( t 一t g ) 一中，c a p g ( l t g ) 一l ( a t d t ) s n r ；d ( e i c g ) ( 3 1 1 3 ) 式中，s 一人工气候室地表面积( m 2 ) ；s c _ 大棚面积( i n 2 ) ；s p 一热水管的外表面总面积 ( m 2 ) f 】。 3 2 人工气候室环境多参数分析 一 通过对以上3 1 节人工气候室模型的分析可知，人工气候室中影响环境的多因子 参数很多，诸如有温度、湿度、c 0 2 、光照、土壤水分、土壤营养、有害气体等等。 但起主导参数只有温度、湿度、二氧化碳、光照等为数不多的几个参数，它们之间关 系是相互耦合、相互协调的。所以我们可以把人工气候室设施内的环境看成是一个多 因子相互关联，共同作用的综合动态环境系统。以下进行的人工气候室环境主导多参 数分析，将作为人工气候室环境测控系统的设计基础。 3 2 1 温度参数 温度通过影响作物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用和细胞的分裂与伸长等来影 响作物的生长。同时，温度对作物生长还有间接影响，因为温度变化能引起作物生存 环境中其它因子如湿度等的变化，而影响作物产量的病虫害与湿度高低有密切关系。 因此，温度是环境控制中非常重要的控制指标。近年来，人工气候室种植专家提出了 人工气候室最适温度管理这个新概念，从中可以进一步看出人工气候室温度测控的重 要性。 1 1 温度与光合作用 作物的光合作用需要有一定温度范围及三基点( 作物生命活动过程中的最适温