智能溫室大棚建設(shè)方案探討

閆政

（山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原030009）

1 引言

溫室大棚是北方寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，隨著溫室大棚的普及，其數(shù)量不斷增多。筆者在考察了現(xiàn)有的一些溫室大棚后，發(fā)現(xiàn)目前溫室大棚存在一些問題：一是監(jiān)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(chǎn)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(jiān)控，如溫度、濕度等，沒能全面監(jiān)控生長環(huán)境，也不能實現(xiàn)自動化控制；三是缺少軟件支持，不能對所得到的生長數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)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(shè)計出一種集成化方案，來滿足溫室大棚的智能化建設(shè)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(fā)展情況，本文在分析溫室大棚需求后，對溫室大棚的系統(tǒng)進行了集成方案的設(shè)計，實時采集溫室內(nèi)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(huán)境參數(shù)，以直觀的數(shù)據(jù)、圖標或曲線方式顯示給用戶，并可以根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報警信息。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

智能化建設(shè)是利用自動化技術(shù)對溫室大棚實現(xiàn)實時采集溫室內(nèi)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(huán)境參數(shù)，以直觀的數(shù)據(jù)、圖標或曲線方式顯示給用戶，并可以根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報警信息。

2.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)從功能上分為信號采集系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)，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(shù)據(jù)并進行分析，對下位機做出設(shè)置和控制；實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測，完成數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計。下位機是單片機或?qū)Ｓ玫臏厥掖笈锟刂破?，它通過RS485接口與上位機通信，把各種傳感器采集的數(shù)據(jù)（如濕度、溫度、光照強度、CO2濃度等）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給上位機，并根據(jù)上位機下傳的數(shù)據(jù)和預先設(shè)定的參數(shù)，對各種執(zhí)行系統(tǒng)進行控制，確定各執(zhí)行系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對溫室的智能化調(diào)控。系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1、圖2。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

圖2 信息采集系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)組成示意圖

2.2 各組成部分功能

2.2.1 信息處理系統(tǒng)

信息處理是整個建設(shè)方案的核心部分。下位機通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳到上位機，上位機系統(tǒng)選用個人計算機，主要對上位機遞來的數(shù)據(jù)進行處理和系統(tǒng)控制，實時顯示及修改各種控制數(shù)據(jù)、曲線，記錄各種采集數(shù)據(jù)。由于采集回的數(shù)據(jù)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(shè)計動態(tài)、實時、有效、可靠的人機接口的可視化界面。上位機根據(jù)溫室環(huán)境參數(shù)的設(shè)置以及預先制定的控制策略發(fā)出控制數(shù)據(jù)，通過下位機向控制系統(tǒng)發(fā)出各種相應的控制信號，調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子。

信息處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)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(shè)置溫室環(huán)境參數(shù)，并把采集的數(shù)據(jù)存于管理數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、統(tǒng)計、打印，以備決策系統(tǒng)調(diào)用；另一部分為決策系統(tǒng)，功能是根據(jù)知識庫和采集的數(shù)據(jù)及時為用戶提供各種作物生長所需要的最佳氣候參數(shù)，并能自動生成最佳控制方案。

數(shù)據(jù)庫中保存各種傳感器的數(shù)據(jù)、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(shù)。

該綜合管理系統(tǒng)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(tǒng)就會根據(jù)預先設(shè)定的參數(shù)進行室內(nèi)調(diào)節(jié)。在作物的整個生長過程中還應把各傳感器傳來的數(shù)據(jù)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(tǒng)。

2.2.2 信號采集系統(tǒng)

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(shè)置傳感器，并根據(jù)大棚的長度以10～20m距離為單位設(shè)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(zhí)行系統(tǒng)

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

2.3 主要設(shè)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(jīng)成為了現(xiàn)代溫室大棚的主要控制設(shè)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(shù)字量輸入和7路繼電器輸出，具備數(shù)據(jù)采集和遠傳功能?？刹杉臄?shù)據(jù)包括：棚內(nèi)溫度、通風口溫度、棚內(nèi)空氣濕度、棚內(nèi)光照度、棚內(nèi)氧氣含量和棚內(nèi)CO2含量等。還具備控制功能，可以通過預先設(shè)置好的程序來完成邏輯控制；具備數(shù)字輸入和數(shù)字輸出。該控制器具備豐富的通訊端口，組網(wǎng)的方式是采用工業(yè)以太網(wǎng)，特點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?，穩(wěn)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(shè)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(shè)計分析

影響作物生長的因素很多，要根據(jù)溫室大棚內(nèi)環(huán)境的變化及時作出控制，來調(diào)整溫室大棚內(nèi)生長因子，達到作物最佳生長狀態(tài)。

3.1 保證數(shù)據(jù)采集的可靠性

溫室大棚內(nèi)環(huán)境復雜，特別是溫度高、濕度大，對采集設(shè)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(shè)備，從信號處理、電路設(shè)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(tǒng)性能。

3.2 適當?shù)闹参锷L模型

溫室大棚內(nèi)的作物會根據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)直接輸入到信息處理系統(tǒng)中，也可以利用信息處理系統(tǒng)中的記錄存儲功能，把以往的數(shù)據(jù)建立起該種作物的生長模型，最終實現(xiàn)根據(jù)作物最優(yōu)控制溫室大棚。

3.3 建立專家系統(tǒng)和合適智能控制策略

本系統(tǒng)設(shè)計中，最復雜、最難的部分就是智能控制。由于數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)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(zhí)行系統(tǒng)的控制卻要動態(tài)、實時、有效；而且整個系統(tǒng)不僅要有及時的信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，更要有智能化的控制策略。實際應用中，常規(guī)的控制方法（如最優(yōu)控制、PID）的控制效果都不是很理想，如果能把模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能控制方法應用于該系統(tǒng)中，可以大大提高溫室大棚環(huán)境控制的精度和水平。

4 結(jié)語

溫室大棚環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)是我國現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣產(chǎn)品，本文通過對智能溫室大棚控制系統(tǒng)有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的分析研究，設(shè)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(tǒng)，與傳統(tǒng)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(chǔ)。

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