智能化溫室大棚控制系統的研究*

郭立帥，徐秀妮，蘇 禮

(隴東學院電氣工程學院，甘肅慶陽745000)

智能化溫室大棚利用環境控制設備通過人為手段營造適宜農作物生長發育的條件，使農作物的生長擺脫傳統種植方式下對自然環境的高度依賴.智能化溫室大棚控制系統就是通過調節溫度、濕度、光照、CO2、土壤PH值、營養液等環境參數使其處于事先確定的最佳值，為農作物的生長提供良好的生長環境，從而控制農作物生長周期、提高農作物的產量及質量等.

在溫室系統開發中，其控制結構的選擇至關重要.合理的控制結構能提高溫室控制系統控制的精確性、運行的可靠性、推廣應用上的靈活性.現有的溫室控制結構有單片機控制系統、基于IPC(工控機)的控制系統、基于PLC的控制系統和分布式控制系統等幾種模式.為了適應大型連棟溫室集群控制的需要，經過對各種溫室控制結構進行分析研究，本設計采用的是分布式控制系統［1］.

1 系統方案設計

分布式控制系統一般由兩級構成，即上位機系統和下位機系統.上位機系統位于管理室內，包括PC機、數據采集卡、通信轉換卡等，主要功能有設定參數、數據管理(即顯示、保存和查詢等)、數據統計分析、智能決策等.下位機系統即是位于溫室中的現場控制器系統，包括各種傳感器系統、執行機構、現場控制器、手動控制器等，主要功能有采集溫度、濕度、光照、CO2濃度等各種環境參數的數據，執行相應的控制功能以及監控溫室設備.上位機系統可以對多個溫室集中進行監測、控制和管理，用戶在管理室里就可以了解全部溫室的運行情況;各個溫室中的現場控制器工作時相互獨立、互不影響，即當某個現場控制器發生故障或其與PC機相連的通信線路發生故障時不會影響其他現場控制器的正常工作，提高了整個控制系統的安全可靠性;多臺現場控制器共享PC機的管理功能.因此，該控制系統具有可靠性高和成本低、設備利用率高等優點，有利于實現溫室集群控制.

在該分布式控制系統中，采用分模塊獨立設計上位機和下位機的方式.控制過程既可以由上、下位機結合完成，也可以由下位機獨立運行.上、下位機和傳感器系統結合的控制方案適用于大型連棟溫室，而下位機系統與傳感器系統結合的控制方案適用于小規模農家溫室.分布式控制系統結構框如圖1 所示［2］.

圖1 系統結構框圖

1.1 傳感器系統方案設計

傳感器是智能化溫室控制系統中的基礎元器件，承擔著檢測各種環境參數并將其轉換成溫室控制所需要的電信號的任務，是溫室系統的輸入檢測模塊.整個系統的測量精度、控制精度與傳感器獲得信息的準確性直接相關.在農作物生長環境參數中的關鍵的是溫度、濕度、光照和CO2濃度.因此，本智能化溫室大棚控制系統中的傳感器系統包括溫度傳感器系統、濕度傳感器系統、光照傳感器系統和CO2傳感器系統.

1.2 下位機系統方案設計

下位機系統是溫室控制現場的管理核心.其輸入連接傳感器系統，是溫室現場環境參數的檢測通道;輸出連接至溫室控制設備，為控制信號的輸出通道.下位機由單片機系統構成，主要模塊包括:主控模塊、輸入(數據采集)模塊、輸出控制模塊、數據顯示模塊和數據通信模塊，具有溫室數據的采集、存儲、顯示、上傳等功能，可實現溫室現場資源的統一管理.系統結構如圖2所示［3］.

圖2 下位機系統結構框圖

1.3 上位機系統方案設計

位于溫室管理室的上位機系統是系統的上層管理部分，是系統的管理核心，可以實現溫室數據管理與統計分析、智能決策等功能.在上位機系統的設計中，主要包括系統管理軟件、溫室數據庫和控制模型等.其中，系統管理軟件實現對溫室系統資源的管理，并能夠提供友好的人機界面與方便的人機交互功能;溫室數據庫實現對大量溫室數據的管理;控制模型中將專家智能庫與模糊算法相結合，其目的是保證系統產生智能決策的實時性與準確性.

1.4 數據傳輸方案設計

該系統的數據通信包括兩種形式，即上、下位機之間的RS－232串行通信和上位機與遠端計算機之間的采用Internet進行的通信.由于智能化溫室大棚控制系統的現場數據傳輸量比較小，而且對通信的實時性要求不高，所以上、下位機之間的數據通信采用RS－232串行通信即可滿足要求.上位機與遠端計算機通過Internet進行通信，不僅能夠滿足系統對遠程數據傳輸的具體要求，而且可以實現資源共享.

2 傳感器系統設計

傳感器系統是溫室環境參數的檢測設備.本智能化溫室大棚控制系統針對影響溫室作物生長的最主要的4個環境因素:溫度、濕度、光照以及CO2，進行了溫度傳感器系統、濕度傳感器系統、光照傳感器系統以及CO2濃度傳感器系統的設計.溫度傳感器系統采用溫度傳感器DS18B20實現溫度測量，該傳感器為“一線總線”數字化溫度傳感器，具有體積小、經濟、靈活等優點，測量溫度范圍為－55℃ ～+125℃，在－10℃ ～+85℃范圍內，其精度為±0.5℃，能夠達到系統性能指標的要求.而且現場的溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，系統的抗干擾性大大提高.濕度傳感器系統采用HR202濕敏電阻實現濕度測量，該傳感器是一種新型的濕度敏感元件，采用的是有機高分子材料，最寬的溫度測量范圍為－40℃ ～+500℃，濕度檢測精度 為±5%RH，具有感濕范圍寬、長期使用性能穩定等優點，光照傳感器系統采用光敏三極管3DU33作為光照傳感器器件來實現光照度的測量.CO2濃度傳感器系統采用CO2傳感器GS—160實現CO2濃度的測量，該傳感器的測量范圍為0～100PPM，精度為±3PPM，具有精度高、線性度好等優點.本文僅對光照傳感器系統進行具體闡述.

光照傳感器系統電路原理圖如圖3所示［4，5］.該傳感器系統由光敏器件和相應的外圍電路構成，可以劃分為信號產生電路、信號處理與輸出電路兩個模塊.在信號產生電路中，當光敏三極管3DU33受到光線的照射時，在基極、集電極和發射極上產生了微弱的電流信號.該電流信號經過U1構成的放大電路轉換為電壓信號Uo1=IC×(R2+R10).由于電流Ic很微弱，所以只有在反饋電阻R2的阻值較大時，才能得到較大的輸出電壓.由于R10是可調電阻，改變R10的阻值可以改變所測的光照范圍.在信號處理與輸出電路中，通過調整U2構成的電壓放大電路中R4、R3阻值可以將Uo1繼續放大，即Uo2= －R4/R3×Uo1.U3構成的運放電路的功能是實現電壓到電流的轉換，將生成的電流信號傳送到下位機光照信號輸入接口［6］.

圖3 光照傳感器系統電路原理圖

3 下位機系統設計

下位機系統是智能溫室控制系統中的溫室現場管理系統.由于要求溫室下位機系統能夠獨立運行，實時監控溫室環境參數，所以要求該系統能夠獨立處理數據，自主采集數據，并能夠傳輸及顯示數據.下位機系統的設計包括系統的模塊劃分、系統硬件設計和軟件設計.

3.1 系統模塊劃分及硬件設計

下位機系統采用單片機系統，從功能上可以劃分為主控模塊、輸入(數據采集)模塊、輸出控制模塊、數據顯示模塊和數據通信模塊五部分，分別對應著系統硬件設計的五個部分.

(1)主控模塊:以單片機系統為控制核心，并擴展部分外圍電路，構成該系統的神經中樞，實現系統資源的管理與分配，實現系統運行的自動化.

(2)輸入(數據采集)模塊:系統的信號輸入連接模塊，負責對溫室內傳感器系統產生的模擬信號進行采集，并對信號進行A/D轉換，實現數據的自動測量與存儲.并將采集來的數據與下位機系統內預設的溫室環境參數校準表進行比較.

(3)輸出控制模塊:將單片機系統與溫室控制設備連接起來，根據主控模塊的具體控制信息驅動溫室控制設備進行相應的動作，實現對溫室大棚各個環境參數的控制.

(4)數據顯示模塊:顯示在下位機啟動時由上位機提供的系統時鐘、由上位機內部管理系統提供的標準環境參數以及溫室內的現場環境參數以及現場設備的控制狀態.為了保證數據顯示的準確性和清晰度，顯示模塊采用七段LED數碼管的靜態顯示.

(5)數據通信模塊:采用RS－232串行通信實現上、下位機之間的通信.

3.2 下位機系統軟件設計

下位機系統所要實現的功能要求本系統軟件包括主程序、時鐘子程序、采集子程序、顯示子程序和通信子程序等部分.各程序的功能分別是:

(1)主程序:完成系統的啟動初始化、調用和協調其它模塊;

(2)時鐘子程序:準確計時、協調A/D采集模塊和串行通信模塊運行.時鐘子程序的運行采用中斷方式調用A/D采集子程序和進行數據傳輸;

(3)采集子程序:對溫室環境參數進行分時采集，并采用查詢方式進行A/D轉換;根據環境參數校準表對數據進行校準后，將數據送入顯示緩沖單元和對應的存儲單元;

(4)顯示子程序:溫室環境參數的實時顯示、溫室環境標準數據的顯示、時鐘的顯示;

(5)通信子程序:實現與上位PC機數據通信，主要包括下位機重啟時的校時通信.上位機發起的整點自動通信和控制通信.

4 上位機管理系統設計

上位機系統由PC機組成，位于溫室管理室，是整個系統的管理核心，主要實現數據統一管理和上位機系統管理功能.因此，上位機管理系統主要包含數據庫管理系統和控制決策模型兩部分.考慮到溫室控制的復雜性、多變性、非線性以及不確性，可以在上位機的控制決策模型建立中引入模糊控制技術，研究溫室模糊控制器的設計方案，模糊控制算法及其實現技術.上位機管理系統采用Visual Basic6.0和關系型數據庫系統SQL Server 2000來實現［2］.

5 小結

本智能化溫室大棚控制系統能夠實現對溫度、濕度、光照以及CO2濃度等環境參數的數據采集與分析處理，并可進行相應的控制，使智能溫室能夠為農作物的生長提供一個良好的環境，可滿足現代智能溫室的需要.本系統還可廣泛應用于醫院、養殖孵化廠等對環境要求高的場合;同時，經過相應的改造之后，本系統還可應用于環境監測、土壤監測、智能樓宇、火災預警等領域.本系統成本低、性能可靠、操作方便，具有廣闊的市場前景.

［1］齊文新，周學文.分布式智能型溫室計算機控制系統的一種設計與實現［J］.農業工程學報，2004，(1):246 －249.

［2］韓敏.智能溫室監控系統的研究與實現［D］.西安:西北農林科技大學碩士學位論文，2007.

［3］康華光.電子技術基礎模擬部分(第五版)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］李仕華，王志松.溫室環境參量智能測控系統［J］.機電一體化，2002，(3):51 －52.

［5］楊延杰，李天來，林多，等.光照強度對番茄生長及產量的影響［J］.青島農業大學學報(自然科學版)，2007，(3):199 －202.

［6］李東生，張勇，晁冰，等.Protel DXP電路設計教程［M］.北京:電子工業出版社，2003.