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毕业设计文献综述本 科 生 毕 业 论 文（设计）文献综述温室环境自动控制系统研究综述摘要：基于对现代温室环境自动控制技术的研究与应用，本文简述了国内外的发展现状，并就该系统从其组成部分三方面做了概述与总结，指出其中存在的问题与困难。最后对温室环境的智能控制系统作研究应用的前景展望。关键词：温室环境 自动控制系统引言传统农业由于极度依赖于自然气候条件，约束了作物的生长环境，只能靠天吃饭的根本缺点也极大地限制了农产品的输出产量和时间。随着科学技术的进步和生活水平的提高，人们对农产品的需求量越来越大，各种技术发展应用于作物生长，设施农业和现代农业加快了发展的脚步。温室的出现，使作物对外界环境的依赖性得以降低，营造了一个比较适宜作物生长的小环境，在一定程度上实现了人们对蔬菜水果一年四季需求的梦想。但是温室这个相对较小的封闭环境的自我调节能力是有限的，经常会出现一个或多个环境因子超过作物的最适界限，影响温室作物的栽培效益的现象。为适应我国农业向优质、高效、高产为目的的现代化农业转变的目标，农业环境控制工程作为一种良好的实现手段，也是农业现代化的重要标志，受到了农业工程领域研究学者的高度关注和倾力研究。同时，与国外先进的智能温室环境控制系统相比，我国温室的发展速度比较慢，环境控制水平低，作物在产量和质量上都还有很大的提高空间，因此，农业设施的自动检测与控制是我国亟待发展的项目。利用温室的自动控制技术，可以为作物生长创造适宜的光照、温度、湿度、水份、土壤、空气、养份等环境条件，适应不同的生长需求和成熟的上市时间，能够实现高产出、高品质的目标。但是，实际中温室作物环境的控制远比一般的工业环境控制要复杂的多。温室环境是一个多输入、多输出、非线性、很复杂的控制系统。温室外部环境多变，内部植物生长作机理复杂，而作物生长、繁育都要求一定的环境条件，而这些同时随着作物种类的不同而改变。同时温室各个环境因子之间的关系错综复杂、相互制约：如温度的变化会引起湿度的变化；湿度的改变会引起温度的变化；温、湿、光、气等因子之间相互耦合，相互影响。这些都对温室环境提出了更高的要求和挑战，要求温室自动控制系统具有较好的适应性。一、国内外研究现状1.国外温室自动控制技术概述国外研究温室环境控制系统开始于20世纪70年代末，东京大学首先研制出微型计算机温室综合环境控制系统。随着计算机技术的发展，设施环境调控技术在日本、荷兰、以色列、美国等发达国家得到了迅速的发展。目前这些国家可以根据温室作物的要求和特点，对温室内光照、温度、水分、气、肥等诸多因子进行自动控制，大力发展集约化的温室产业。西欧是世界现代温室的发源地。1903年荷兰建成第一栋现代玻璃温室。目前荷兰玻璃温室面积近1.1万平方公顷，占全世界玻璃温室的1/4。荷兰是世界著名的鲜花生产王国，花卉销往世界各地，每年出口收入达1014亿美元，蔬菜每年出口近l0亿美元。荷兰国内有十大温室制造公司，多数成立于上世纪20年代，有较长的生产历史，经验丰富，技术精湛。温室已经实现了温、光、水、气的全自动化控制。温室种植人员仅需购买安装相应的温室控制系统硬件及软件后，即可实现温室种植的自动化管理。在综合计算机控制技术方面，荷兰目前已研制出温室气候控制和番茄、黄瓜等生长发育模拟型软件，并逐步向实用化发展。以色列虽然处于中东沙漠地带，自然条件恶劣，但通过大力发展温室栽培技术，应用现代农业和节水灌溉技术改造沙漠，一举从农产品进口国转变为出口国，闻名于世。以色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转和移动，并装有空气温度和湿度调控等温窒计算机环境控制系统。以色列科学家成功地开发了一系列计算机软件、硬件，实现了温室中供水、施肥和环境自动化控制，并利用最新的弥雾气候控制技术，使温室降温所需的能量非常小。以色列的温室从80年代到90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、调光，而且结构非常先进，促进了工厂化农业的大发展。日本是世界设施园艺最发达的国家之一，是将塑料薄膜最早应用于水稻育秧，进而大面积做蔬菜生产的国家，至1999年，日本的塑料温室和玻璃温室合计面积为5.35万平方公顷。日本研制的蔬菜塑料大棚，在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用，采用微机和专用设施栽培控制装置组成网络系统，实现对设施栽培数量多、地点分散的大农场进行集中管理，可以利用电话线实现异地监控与管理。同时还建造了世界上最先进的植物工厂，采用完全封闭生产、人工补充光照，各类条件控制全部由计算机完成。此外，其他国家也广泛地把现代化温室技术运用到作物的种植中。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在温室中的成功应用。美国开发的计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产。随着现代工业向农业的渗透和微电子技术的应用，集约型设施农业在一些发达国家得到迅速发展，并形成了强大的支柱产业。由于信息高速公路的提出，网络在近几年得到了迅速发展，远程控制技术在温室中的应用已成为温室今后发展的主要趋势。2.国内温室自动控制技术概述我国温室发展比较晚，60年代仅利用简易式塑料大棚来种植蔬菜。直到80年代才从日本、荷兰和美国等发达国家引入先进的现代化温室成套设备，但自主生产量比较少。由于国外设备价格高、技术要求高，并且不适合我国的气候特征，使用效果不够理想。因此，我国的农业工程领域的专业人才在吸取国外高科技的同时，致力于温室自动控制的技术研究。目前为止，在科学研究和实际应用中已取得了较好的成果，并有很多投入生产运行。贺鹏设计了一个基于单片机的花房温湿度控制系统，该控制系统由中央控制装胃、终端控制没备、传感器等组成。通过键盘先编制出温室花卉最适环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，计算机根据程序表确认、修正温室内的参数，并给终端控制系统指令。传感器向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，实现温室环境调节。薛俊采取“以温度因子为主，湿度因子为辅，其他因子协调配合”的基一本控制思想，不断地寻找各环境因子的最佳组合，温室控制系统包括加热、通风、帘幕、喷雾、空气循环、湿帘风机、屋顶喷淋、二氧化碳、补光灯和灌溉施肥等子系统。设计了基于PCI04的嵌入式硬件系统，总的系统采用分布式集散控制结构，使系统能以较高的稳定性和可靠性，能满足温室控制日夜不间断长时间运行的特殊要求。系统软件采用Delphi开发，具有友好的人机交互界面，能够完成系统组态配置，控制参数设置，自动控制温室环境，数据存储、查询和曲线显示等功能。闻珍霞、何龙等人建成了杭州市美人紫葡萄园自动控制精准滴灌技术试验基地。采用土壤和环境信息无线传感网络检测和滴灌自动控制相结合的系统设计方案，每块地安排2个环境信息采集点，利用土壤和环境信息无线传感网络监测系统，实现了对土壤主要水分、养分信息的快速实时检测和信息传输，通过滴灌自动控制系统自动启闭水泵、电磁感应阀，进行对农作物的按需精准灌水和施肥，并通过计算机实现远程网络查询和控制管理。二、温室环境自动控制系统总结综合国内外的研究发现，温室环境自动控制系统主要包括环境参数检测部分、信号转换与传导部分、下位机数据处理部分、上位机监控部分、信号反馈调理部分等组成，系统设计通常大同小异。通过下位机的控制器，各环境因子传感器将检测到的实际信号转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到下位机中进行调节，下位机将输出量转化成占空比，通过固态继电器控制格环境因子相应调控设备来实现对环境因子的控制，同时利用组态软件设计一个人机界面（HMI），通过串行口与下位机通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。以下主要从温室环境因子及传感器、自动控制方式、控制系统模式、监控人机界面四个方面进行归纳与总结。2.1 温室环境因子及传感器温室环境主要分外界环境和内部环境两部分。在温室内作物的各个生长时期，影响作物生长的环境参数有很多，温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤水分、土壤营养、有害气体浓度等，其中温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度是作物生长、发育最基本的要素，它们对植物的生长发育产生着重要的作用。此外，各个因素之间不是独立的，而是一种相互影响、制约、耦合的复杂关系。一般来说，国内外的研究也基本涵盖了这些环境因子，有些是全部综合考虑，而有些则侧重研究其中的几个基本要素，比较多的是温湿度及它们的关系匹配。传感器的作用是负责采集温室环境参数的实时数据及变化，并通过数据转换模块将非电量转化为电信号，通过接口传送至PLC控制器。它是实现测量与控制的重要环节，是测控系统的关键部件。对应于相应的环境因子，传感器主要有温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、风速传感器等等。农业无线传感器网络在国外已有产品出现，具有代表性的有美国Crossbow公司生产的无线传感器网络Moteworks和以色列Phytech公司生产的Phytomonitoring系统。Crossbow公司所生产的无线传感器网络中可以使用的传感器包括：加速度计、压力计、湿度计、感光计、温度计等等。数据还可以通过专门设计的网关设备收集并通过互联网等通用通信网络传输到监控终端，广泛应用在智能交通、无人驾驶汽车、温室、建筑物安全保卫等场合中。2.2 自动控制方式由于温室控制系统具有许多特点，如时变性、非线性和不确定性，难以建立准确的数学模型。所以需要有合适的调控方式，在研究和应用中比较普遍的是两种控制方式：PID控制和模糊控制。此外也有专家在研究集合这两种控制方法优点的模糊PID控制，但是实现过程和算法非常复杂，在实际应用中较难完成。PID控制是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，使偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称PID控制器。它包括比例调节、积分调节和微分调节。由于其算法简便，易于工程人员理解和操作，得到了广泛的应用。但PID应用中的一个重要的问题是：它需要人为设定参数。但存在没有进行参数优化的问题，因而只能保证能对系统进行控制，并且如果参数调整不恰当，系统可能会发散。所以，将PID控制算法应用于温室参数控制，同样存在控制器参数需根据经验选取，只能保证系统被稳定控制，无法实现优化控制。模糊控制由于能很好地运用农业专家的经验，在温度控制中获得很多应用。但是由于其设计过程中语言变量隶属度函数、推理规则和模糊判决的选取等受主观因素的影响很多，没有一个统一的标准，随意性较大，所以不存在所谓的优化指标。而简单的模糊控制器一般只用误差与误差的变化率作为模糊控制器的输入，而不含误差的积分项，所以它消除系统稳态误差的性能比较差，其性能有待提高。在温室模型和实际温室大棚中的试验测试表明，运用模糊控制策略其控制过程超调小，无振荡，平稳性好，达到稳定状态的时间短，稳态误差小，控制效果较理想。2.3 控制系统模式国内外温室环境控制系统模式基本相同，有单片机、工控机、PLC控制器、嵌入式Linux系统等。它们各有各的优缺点，在实际应用中发挥着下位机的作用。单片机控制系统，主要是以8位单片机为主控板的控制系统，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的，其拓扑结构可以采用集中式控制方式。该类控制方式的具有全局管理，操作简单，价格低廉等优点，但是也存在布线复杂，可靠性差，故障率高等缺点。基于工业控制机（IPC）的温室控制系统，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。其缺点是温室系统中的所有输入、输出功能都由IPC集中控制，造成危险过于集中，一旦工控机发生故障将会使整个系统瘫痪。基于可编程逻辑控制器(PLC)的温室控制系统，PLC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。在PLC具有功能齐全、使用方便、可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，操作方便的特点，非常适合高效温室的控制要求。另外通过先进的现场总线技术，可实现多台PLC、多个温室的网络化分布式控制。其缺点是投资大，一般农业用户难以接受。目前，嵌入式Linux系统在温室控制系统中尚不多见。采用嵌入式Linux，其目的是提高温室系统网络支持，并发处理及功能升级能力，降低系统开发难度，满足温室计算机控制系统日益复杂化的需要。采用Linux系统，其优点是多任务系统。在温室系统中，大多数环境因子变化缓慢，对实时性要求不高，这样Linux 系统可以同时处理多个下位节点发送来的较为复杂任务。此外，Linux系统所有源代码对外开放，使整体开发及维护费用低。2.4 监控人机界面基于组态软件的仿真系统，有助于用户对温室环境参数实施远程和实时的管理和监控，保存数据以待查看和研究。其实现的原理在于PLC内部各种继电器的状态与组态软件数据库中数据的链接以及该数据与计算机界面上图形对象的链接。组态化的基本模块可以包括：I/O模块，图形界面组态模块，报警组态模块，数据库组态模块，控制策略组态模块，数据存档与交换模块，报表生成模块，网络配置模块等。从国内外的研究看，设计组态监控界面的软件有组态王软件、MATLAB、LABVIEW等，结合VB、C、C+的计算机语言编程，就可以实现人机界面的设计。此外，也有人使用Delphi6.5和Access数据库进行编程。采用Access，用于设计标记名库的结构以及完成对标记名实时值和报警信息的录入、插入、删除、修改等操作。由于像Access之类的数据库软件拥有很强的数据库管理能力，此种方案极其适用于监测点很多的情况，其最大优点是能充分利用数据库功能，易于查询及对存储的数据进行有效的组织和管理。PLC公司自主研发的人机界面设计软件，也是一个不错的选择。如用西门子触摸屏TP270，其编程语言是Protool，设计的主导思想是尽量控制和引导用户正确操作，在用户界面上能很直观的反映运行状态。SIMATIC PROTOOL是STEP7开发平台的扩展应用软件，专门用于HIM（人机界面）的组态和编程开发，它的主要优点是支持HIM种类繁多，便于使用且功能强大，与SIMATIC SETP7项目集成化，可以实现离线组态。因此，对于使用西门子PLC的用户和系统来说，使用该公司相应的软件，在匹配上会有很大的便利，只需简单的设置即可完成触摸屏与PLC系统的无缝连接。三、存在的困难及问题大力发展以温室为代表的现代设施农业是实现我国农业现代化的重要手段之一。然而，目前我国大部分温室设施简单、自动化程度低、系统功能还不完善，温室技术与现代化农业生产需求还很不适应。国外温室技术虽然水平较高，但由于其成本高昂，温室环境与我国地理条件还有较大的差异，曾经从国外直接引进的结果都不太明显，不太适应我国实际的农业生产状况。我国现代化温室环境控制技术的缺点和落后的表现主要有：温室自动控制系统以单因子检测和控制为多，缺乏对温室系统环境参数如温度、光照、湿度、二氧化碳浓度等因子的综合研究；温室自动控制水平低，环境参数的设定主要以经验为主，缺乏精确的科技指标的指导；其稳定性和精度方面还有待于进一步提高，尤其是在外部环境恶劣的情况下；温室管理还比较粗放，不能根据植物生长实现分阶段实现控制，不能实现精细农业操作，这样能源耗费太大；目前的使用范围仍然局限于大型的公司及企业，普通农民的覆盖率不高；温室专用的管理软件还不能满足广大生产用户的要求。因此，加强对温室自动控制机理的研究，研制符合我国国情的智能化温室，有效提高自动化控制的效率、精度稳定性，尽可能降低成本，在今后还有很长的一段路要走。四、总结与展望温室环境自动化控制系统利用传感器技术、自动控制技术等科学技术，为作物生长创造适宜的光照、温度、湿度、水份、土壤、空气、养份等环境条件，适应不同的生长需求和成熟的上市时间，期望能够实现高产出、高品质的目标。由于其在农业发展中的重要地位，受到国内外学者的关注与研究，在系统的构架与设备、创新方面取得了一定的成绩。本文主要从温室环境因子及传感器、自动控制方式、控制系统模式、监控人机界面四个方面进行了归纳与总结，阐述研究的构架类型与主要方向。跟随我国农业现代化的要求提升及农产品市场的需求情况的脚步，设施农业的发展起着至关重要的作用，而温室自动控制系统的研究与推广势在必行。从目前的研究和应用现状来看，自动控制系统的应用仅仅局限于大型发展良好的农业设施公司于企业，农民用户普及率不高，并且自动化水平较低、成本居高不下，而研究层面则比较活跃。很多大学及研究机构致力于各种自动控制温室的构建，并与企业合作搭建试验平台，已取得了较多的成功例子。尽管如此，与国外先进发达的智能化温室相比，与国内普遍简陋的温室而言，我国的温室智能化水平仍然有待于提高。参考依据1. 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