現(xiàn)代溫室環(huán)境智能控制技術(shù)分析

朱迅毅

【摘 要】關(guān)于現(xiàn)代溫室環(huán)境智能控制技術(shù)的研究，我國已經(jīng)取得了突破性的成果，這一技術(shù)在多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，如生物醫(yī)學(xué)、能源工程、汽車、制造業(yè)、室內(nèi)設(shè)施裝備、工業(yè)工程等。本文就溫室環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展歷史以及現(xiàn)代溫室環(huán)境智能控制技術(shù)的問題展開分析。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代溫室環(huán)境；智能控制技術(shù)；模糊控制系統(tǒng)

我國是一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中存在著很多不利因素，例如人口眾多、土地和水資源缺乏、農(nóng)產(chǎn)品科技含量低等等。這些問題要想得到解決，就要大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、工廠化和信息化。溫室種植業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向之一，而對溫室環(huán)境的控制是溫室種植業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。溫室環(huán)境控制就是根據(jù)植物生長發(fā)育的需要，自動控制溫室內(nèi)的環(huán)境條件?，F(xiàn)代化的溫室環(huán)境智能控制通過傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及人工智能技術(shù)等自動調(diào)節(jié)溫室的溫度、濕度、光照等，使農(nóng)作物在外界不適宜生長的季節(jié)，在溫室內(nèi)獲得更好的生長環(huán)境，實(shí)現(xiàn)早熟、優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)。

1 溫室環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展歷史

我國的溫室環(huán)境技術(shù)近50年來得到了迅速發(fā)展。70年代，政府大力提倡發(fā)展塑料大棚、節(jié)能日光溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，在一定程度上促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使蔬菜的季節(jié)性短缺的矛盾逐步緩和。并且從歐美、日本等國家引進(jìn)了現(xiàn)代化的溫室在我國進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。引進(jìn)的溫室空間較大，更利于進(jìn)行機(jī)械作業(yè)，使生產(chǎn)率和資源的利用率進(jìn)一步提高。但是這些溫室也存在著一些不足，主要表現(xiàn)為：投入資金巨大不適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；我國的氣候條件也不適合；經(jīng)濟(jì)效益較低；軟件的控制模式固定，功能不能擴(kuò)展。所以我國科研人員也不斷開發(fā)適合我國國情的溫室技術(shù)，并且取得了很大的進(jìn)展。1999年，江蘇大學(xué)研制出智能溫室環(huán)境的控制系統(tǒng)。廣東農(nóng)機(jī)研究所和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)也對溫室結(jié)構(gòu)以及調(diào)控設(shè)施的優(yōu)化進(jìn)行了研究，并取得了很大成果。

2 溫室環(huán)境智能控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1 智能化

隨著傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，溫室計算機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的應(yīng)用由以前簡單的數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測，變成了現(xiàn)在的知識處理和應(yīng)用。對軟件系統(tǒng)的開發(fā)不斷深入和完善，其中的智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣闊。近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊推理等人工智能技術(shù)也在溫室的栽培中得到很廣泛的應(yīng)用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得設(shè)施農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化程度不斷提高，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)促進(jìn)了信息傳播，勞動者可以充分利用網(wǎng)絡(luò)為農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)。

2.3 分布式

分布式系統(tǒng)分為上下兩層，上層屬于系統(tǒng)管理，下層用作功能管理。下層是由很多獨(dú)立功能單元構(gòu)成，每個單元負(fù)責(zé)一部分工作。

2.4 綜合環(huán)境調(diào)控

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，綜合環(huán)境調(diào)控把影響作物生長的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等多種環(huán)境參數(shù)，調(diào)整到適合農(nóng)作物生長的狀態(tài)，并且盡量減少使用環(huán)境調(diào)節(jié)裝置，做到既節(jié)能又省工，促進(jìn)勞動者愉快勞作。

2.5 變動的環(huán)境控制系統(tǒng)

作物的生長和發(fā)育主要取決于某一段時間的平均溫度，這樣就出現(xiàn)了變動的環(huán)境控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)設(shè)置的溫度有一個最低和最高的范圍，系統(tǒng)可以根據(jù)室外的氣候，使用最低的能耗，充分利用室溫中的現(xiàn)有設(shè)備，自動調(diào)節(jié)室溫，保持室溫在較長時間內(nèi)的最佳平均溫度。

3 溫室環(huán)境的模糊控制系統(tǒng)

這個控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)是由一臺PC機(jī)構(gòu)成，下位機(jī)是一臺8031單片機(jī)和周圍的電路和存儲器單元組成，上位機(jī)和下位機(jī)能夠并行工作，增加了系統(tǒng)的可靠性能。

一般的PC機(jī)配備串行RS232接口，這樣的接口有很大的缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸距離短、速度較慢，抗干擾的能力不太強(qiáng)，而串行RS485接口，數(shù)據(jù)傳輸距離變長，抗干擾能力也增強(qiáng)，所以模糊控制系統(tǒng)采用RS485接口。上下位機(jī)要實(shí)現(xiàn)通信，必須對RS232和RS485信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需要借助于串行通信轉(zhuǎn)換器電路。

控制系統(tǒng)的核心是軟件。軟件部分分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件使用Windows98作為操作平臺，VB6.0編寫；下位機(jī)軟件使用匯編語言。下位機(jī)軟件若干模塊構(gòu)成主程序，上位機(jī)軟件主要的模塊有：通信模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊和數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測模塊。（介紹過長過細(xì)且過時，與主題關(guān)聯(lián)性不大，應(yīng)簡略）

溫室環(huán)境具有多變量、非線性的特點(diǎn)，用傳統(tǒng)控制方法很難對其控制，也不能建立精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制系統(tǒng)適應(yīng)性好，不要求被控對象建立數(shù)學(xué)模型，所以本控制系統(tǒng)采用模糊控制算法。

4 溫室環(huán)境智能控制算法的應(yīng)用

溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)是基于系統(tǒng)軟件和硬件基礎(chǔ)，算法的選擇會直接影響系統(tǒng)性能。最為實(shí)用的算法就是PID控制算法，該種算法是根據(jù)輸入偏差值，根據(jù)積分、微分、比例函數(shù)關(guān)系，將結(jié)果應(yīng)用在輸出控制中。一般情況下，常規(guī)PID控制器參數(shù)難以在線調(diào)整，抗干擾能力不強(qiáng)，容易出現(xiàn)超調(diào)問題，無法滿足現(xiàn)代化溫室的控制需求。基于此，人們開始推廣模糊控制算法，該種算法綜合考慮到了農(nóng)作物生長情況與溫室內(nèi)部環(huán)境，借助模糊控制理論與模糊數(shù)學(xué)理論，對溫室環(huán)境進(jìn)行智能控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模糊控制規(guī)則，經(jīng)歷一系列的過程之后，將參數(shù)因子調(diào)整至最佳狀態(tài)，該種方式有著過渡時間段、超調(diào)小、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢，但是如果系統(tǒng)模糊語言分級增大時，模糊規(guī)則數(shù)目也會大量增加，影響了整個系統(tǒng)的性能。

總之，現(xiàn)代室溫環(huán)境智能控制技術(shù)取得了重大的進(jìn)步，我國在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國國情優(yōu)先發(fā)展成本低、質(zhì)量優(yōu)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，本文根據(jù)溫室環(huán)境，提出了溫室環(huán)境模糊控制系統(tǒng)，并從軟件和硬件上加以實(shí)現(xiàn)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]