甜菜育苗智能控制系統(tǒng)的研制

穆喜林，羅成飛

(哈爾濱工業(yè)大學后勤集團 哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 前言

目前，我國智能化蔬菜溫室較多，在反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)過程中得到普遍應用，但這類溫室主要針對蔬菜生產(chǎn)設計，在甜菜中應用并不理想。另外，此類設備價格昂貴，不適合國情。為此，我們從作物作物的生長特性出發(fā)，利用計算機控制技術結合不同作物生長特點開發(fā)了一套農(nóng)業(yè)種植溫室自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝了“農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)”，能夠及時為用戶提供溫室各種作物在不同時期生長所需要的最佳氣候參數(shù)及栽培技術和措施，不但能為不懂農(nóng)業(yè)技術的用戶提供技術幫助和實時指導，而且能自動生成合理的控制方案，實現(xiàn)了人造氣候的智能化管理。

1 系統(tǒng)的總體構成和功能

本系統(tǒng)以主機(PC機)為上位機，以若干個(100個以內)溫室內的“氣候自動控制器”為下位機，其間以RS -485通訊線路相連接。如圖1所示，各溫室內的“氣候自動控制器”負責采集本溫室溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度等氣候參數(shù)，并通過通訊線路傳送給主機，主機通過我們開發(fā)的軟件，把傳來的氣候參數(shù)和“農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)”對各溫室事先設定的最佳氣候參數(shù)進行比較、分析和運算，向各溫室的“氣候自動控制器”發(fā)出“通風、加熱、噴淋、調節(jié)光照、補充CO2”等相應控制指令，各溫室內的“氣候自動控制器”根據(jù)主機對本溫室的控制指令立即接通或斷開“通風機”、“加熱器”、“淋水泵”、“光照調節(jié)裝置”和“CO2施放機構”等設備的電源，從而控制本溫室的氣候參數(shù)始終保持在適合植物快速生長的最佳狀態(tài)。

1.1 氣候參數(shù)的采集

溫室環(huán)境氣候參數(shù)的采集是依靠傳感器進行的，主要包括土壤濕度傳感器、葉面濕度傳感器、空氣溫濕度一體化傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器，它們是監(jiān)控系統(tǒng)的信息來源，關系到整個系統(tǒng)的檢測、數(shù)據(jù)分析和控制的可靠性與準確性。

1.2 伺服機構

伺服機構是“氣候自動控制器”具體控制的執(zhí)行者，包括通風機、加熱器、噴淋水泵、光照調節(jié)裝置(遮陽網(wǎng)滾筒機構和補充照明設備)、CO2施放機構等設備。

圖1 控制系統(tǒng)工作示意圖

1.3 氣候自動控制器

“氣候自動控制器”可在無主機的情況下單獨控制本溫室的氣候，其核心是AT89C52單片機，如圖2所示，外圍部分是對它配置的接口電路和存儲單元。本溫室各種氣候參數(shù)通過傳感器進行實時檢測，然后經(jīng)單片機分析處理后輸出控制指令，經(jīng)執(zhí)行機構完成最佳氣候的自動化控制。為了實現(xiàn)人機對話，氣候自動控制器設置了按鍵輸入部分和液晶顯示部分，可以設定控制參數(shù)和實時顯示本溫室控制狀態(tài)及氣候參數(shù)的變化情況。當然，通過擴展輸出電流，增加氣候傳感器的數(shù)量，也可適用于較大規(guī)模的溫室。另外，氣候自動控制器也可在室外單獨控制苗圃的濕度，此時應關閉“通風”、“加熱”功能，省去除土壤濕度傳感器和葉面濕度傳感器外的其它傳感器。

圖2 氣候自動控制工作原理

2 系統(tǒng)軟件及農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)及農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)兩部分組成:數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)軟件主要用于溫室環(huán)境參數(shù)的設置、通訊、顯示、存儲、查詢、統(tǒng)計和打印等。農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)軟件，能夠及時為用戶提供溫室各種作物在不同時期生長所需要的最佳氣候參數(shù)及栽培技術和措施，并能自動生成最佳控制方案，為用戶提供技術幫助和實時指導。

2.2 農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)的設計

農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)具有專家決策與咨詢兩項功能，因為數(shù)據(jù)能反映事物的數(shù)量化特征，在數(shù)量上能為各級管理者和決策者提供數(shù)據(jù)和輔助決策信息，所以該系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)形式進行輔助管理的，其結構框架如圖3所示。

圖3 專家管理系統(tǒng)結構圖

1)人機接口

人機接口是人機交流的界面，用戶可以向系統(tǒng)提供信息、需求和系統(tǒng)向用戶提供解答及索取為完成任務所需要的補充信息。

2)知識庫的內容

由于溫室生產(chǎn)過程中農(nóng)藝專家知識范圍廣泛，相對知識類型也比較復雜，通過采用樹形目錄的方式進行分類表示的，內容包括植物類別、植物特性、栽培技術、最佳氣候參數(shù)等。其中植物類別有甜菜、蔬菜等大類;植物特性包括植物屬性、日照要求、原產(chǎn)地等;栽培技術包括栽培土質、適應品種、繁殖方法、種苗管理、澆水措施、施肥操作、病蟲害防治等;最佳氣候參數(shù)是我們用于溫室控制最重要最直接的參數(shù)，包括白天、夜晚植物在不同生長期的最佳溫度、濕度、光照度和CO2濃度等。

3)知識庫管理系統(tǒng)的功能

知識庫管理系統(tǒng)包括知識庫編輯和專家咨詢兩個模塊，通過知識庫編輯模塊可以輸入、增加、刪除、修改領域知識，實現(xiàn)知識的繼承輸入;通過知識庫咨詢模塊，用戶可以查看知識庫的總體結構，并能迅速查出某溫室栽培作物的有關知識。

4)專家決策系統(tǒng)

根據(jù)用戶提出的任務要求通過專家決策系統(tǒng)來解決。專家決策系統(tǒng)功能主要包括：信息收集、問題識別、問題求解等。從本系統(tǒng)的決策環(huán)境來看，一方面要涉及專家豐富的知識因素，另一方面決策是建立在實時測量基礎上的，在信息網(wǎng)絡條件下，決策過程如下:用戶通過人機接口，只需把指定編號溫室的植物類型和生長期輸入到專家管理系統(tǒng)，主機即可根據(jù)農(nóng)藝專家推薦的最佳氣候參數(shù)和系統(tǒng)傳來的本溫室實測氣候數(shù)據(jù)，自動生成科學合理的控制方案，再通過系統(tǒng)把控制指令下達到該編號溫室內的氣候自動控制器，通過伺服機構實施智能化控制。

3 結語

本智能溫室系統(tǒng)的研制，不僅可以在甜菜幼苗培育中使用，也可以在反季節(jié)蔬菜栽培中應用。因為隨著人們生活水平的提高反季節(jié)蔬菜的消費量也逐年增加。目前我國農(nóng)村正在大力發(fā)展溫室栽培，絕大部分溫室大棚已經(jīng)安裝有通風、加熱、噴淋等設備，只需添加我們“只能制系統(tǒng)”中的氣候自動控制器、環(huán)境參數(shù)采集傳感器及輸出控制柜，就可以將目前現(xiàn)有的中、低檔溫室改裝成一套低成本高效率的智能溫室。大大減少了人力成本，降低了蔬菜成本。