智能溫室大棚建設方案探討

閆政

（山西林業職業技術學院，山西 太原030009）

1 引言

溫室大棚是北方寒冷地區農業生產的重要組成部分，隨著溫室大棚的普及，其數量不斷增多。筆者在考察了現有的一些溫室大棚后，發現目前溫室大棚存在一些問題：一是監測和管理還都處在人工階段，這樣的做法雖然施工簡單，所用材料成本低廉，但過多的人工操作和管理同樣也增加了管理成本，并且不能準確掌握作物的生長情況和采取有效的生產措施；二是一些采取了智能控制的溫室大棚，智能化程序不高，只對部分生長因子進行了監控，如溫度、濕度等，沒能全面監控生長環境，也不能實現自動化控制；三是缺少軟件支持，不能對所得到的生長數據和環境數據進行分析，無法及時做出相應控制。針對目前的應用，筆者認為，對溫室大概設計出一種集成化方案，來滿足溫室大棚的智能化建設十分必要。

針對智能化溫室大棚應用的要求和目前溫室大棚的發展情況，本文在分析溫室大棚需求后，對溫室大棚的系統進行了集成方案的設計，實時采集溫室內的土壤和空氣溫度、土壤和空氣濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環境參數，以直觀的數據、圖標或曲線方式顯示給用戶，并可以根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息。

2 系統總體設計方案

智能化建設是利用自動化技術對溫室大棚實現實時采集溫室內的土壤和空氣溫度、土壤和空氣濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環境參數，以直觀的數據、圖標或曲線方式顯示給用戶，并可以根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息。

2.1 系統組成

本系統從功能上分為信號采集系統、控制執行系統和信息處理系統，硬件主要由上位機和下位機組成。上位機是一臺PC機，主要功能是保存和處理下位傳回的數據并進行分析，對下位機做出設置和控制；實現系統監測，完成數據管理和歷史數據統計。下位機是單片機或專用的溫室大棚控制器，它通過RS485接口與上位機通信，把各種傳感器采集的數據（如濕度、溫度、光照強度、CO2濃度等）轉換成數字信號傳給上位機，并根據上位機下傳的數據和預先設定的參數，對各種執行系統進行控制，確定各執行系統的運行狀態，實現對溫室的智能化調控。系統構成圖見圖1、圖2。

圖1 系統總體示意圖

圖2 信息采集系統和控制執行系統組成示意圖

2.2 各組成部分功能

2.2.1 信息處理系統

信息處理是整個建設方案的核心部分。下位機通過網線將數據傳到上位機，上位機系統選用個人計算機，主要對上位機遞來的數據進行處理和系統控制，實時顯示及修改各種控制數據、曲線，記錄各種采集數據。由于采集回的數據大都是一種多輸入、多輸出、大滯后的非線性控制變量，所以還需要設計動態、實時、有效、可靠的人機接口的可視化界面。上位機根據溫室環境參數的設置以及預先制定的控制策略發出控制數據，通過下位機向控制系統發出各種相應的控制信號，調節溫室大棚內的環境因子。

信息處理系統主要由數據綜合管理系統組成，其主要功能有兩部分，一部分功能是用于與下位機的通訊、設置溫室環境參數，并把采集的數據存于管理數據庫中，實現數據的存儲、查詢、統計、打印，以備決策系統調用；另一部分為決策系統，功能是根據知識庫和采集的數據及時為用戶提供各種作物生長所需要的最佳氣候參數，并能自動生成最佳控制方案。

數據庫中保存各種傳感器的數據、操作記錄、控制記錄等，知識庫中存放栽培作物的植物屬性、日照要求、溫濕度要求、CO2和氧氣濃度要求等最佳氣候參數。

該綜合管理系統還應具有不同作物的生長方案，只需提前選擇好方案，整個系統就會根據預先設定的參數進行室內調節。在作物的整個生長過程中還應把各傳感器傳來的數據進行定時保存，并按要求打印，便于以后觀察和分析，由此形成一個專家系統。

2.2.2 信號采集系統

該部分主要是各種傳感器組成，包括空氣溫度濕度傳感器、土壤溫度濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氧濃度傳感器、光照強度傳感器；由于溫室大棚一般面積都比較大，這些傳感器在安裝時必須考慮到分布問題，在大棚的陽面和陰面都要適當設置傳感器，并根據大棚的長度以10～20m距離為單位設置傳感器。在選擇傳感器時要選擇抗干擾能力好、傳輸距離遠的傳感器。

2.2.3 控制執行系統

該子系統包含內容較多，控制也最復雜，各執行部件把下位機傳來的控制信號執行后，還須把執行后的狀態反饋給下位機，下位機再把這些狀態暫存于自己的緩存中，同時上傳到上位機，以保證各執行部件能按事先制定的策略完成任務。

2.3 主要設備選型

本方案采用了集成化的大棚控制器，這種集成化的控制已經成為了現代溫室大棚的主要控制設備。如北京瑞陽恒興科技有限公司的大棚專用控制器作為下位機，它的控制器可以采集6路溫度和4路模擬量輸入，可連接O2和CO2的變送器以及光照傳感器、濕度傳感器，采用4路數字量輸入和7路繼電器輸出，具備數據采集和遠傳功能?？刹杉臄祿ǎ号飪葴囟?、通風口溫度、棚內空氣濕度、棚內光照度、棚內氧氣含量和棚內CO2含量等。還具備控制功能，可以通過預先設置好的程序來完成邏輯控制；具備數字輸入和數字輸出。該控制器具備豐富的通訊端口，組網的方式是采用工業以太網，特點是數據傳輸的速度快，穩定可靠。

其他信號選用PT100溫度傳感器、Am2303濕度傳感器、BH17光照傳感器，對于CO2濃度和氧濃度的檢測，設計中采用氧氣變送器和二氧化碳傳感器，便于與大棚控制器的對接。

3 智能化溫室大棚設計分析

影響作物生長的因素很多，要根據溫室大棚內環境的變化及時作出控制，來調整溫室大棚內生長因子，達到作物最佳生長狀態。

3.1 保證數據采集的可靠性

溫室大棚內環境復雜，特別是溫度高、濕度大，對采集設備抗干擾能力要求較高，而且在信號傳輸時也要保證信號不失真。這樣必須要采用抗干擾能力強、傳輸距離遠的設備，從信號處理、電路設計、器件選擇及電磁兼容等諸多方面來考慮，將噪聲干擾降至最低，提高整個系統性能。

3.2 適當的植物生長模型

溫室大棚內的作物會根據市場的需求來確定種類，每種作物都有自己不同的生長習性，這要求本系統要有不同作物的生長模型。這些模型可以從已有的研究成果中得到，把這樣的數據直接輸入到信息處理系統中，也可以利用信息處理系統中的記錄存儲功能，把以往的數據建立起該種作物的生長模型，最終實現根據作物最優控制溫室大棚。

3.3 建立專家系統和合適智能控制策略

本系統設計中，最復雜、最難的部分就是智能控制。由于數據采集的數據大都是非線性信號變量，而且這些多輸入、多輸出的控制信號還有大滯后的特點，但對各種執行系統的控制卻要動態、實時、有效；而且整個系統不僅要有及時的信號數據采集系統和控制系統，更要有智能化的控制策略。實際應用中，常規的控制方法（如最優控制、PID）的控制效果都不是很理想，如果能把模糊控制、神經網絡、專家系統等人工智能控制方法應用于該系統中，可以大大提高溫室大棚環境控制的精度和水平。

4 結語

溫室大棚環境自動監控系統是我國現代化設施農業的推廣產品，本文通過對智能溫室大棚控制系統有關關鍵技術的分析研究，設計了一種具有較高實用性和集成度高的溫室智能控制系統，與傳統智能溫室相比具有集成度高、安裝簡單、操作方便、適配性強等特點，具有較好的應用前景，為未來智能化溫室的高可靠性、高自動化奠定了基礎。

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