溫室環(huán)境自動(dòng)控制參數(shù)庫的研究

于海峰

摘要：溫室農(nóng)業(yè)在經(jīng)歷了數(shù)十年的探索和發(fā)展之后，其部分技術(shù)已經(jīng)十分成熟，而互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷普及也成為了上述兩種技術(shù)進(jìn)行互相融合的另一有效助力。目前，國內(nèi)外諸多農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始嘗試應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自控溫室系統(tǒng)的研究工作，本文將針對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況展開相關(guān)論述。

關(guān)鍵詞：模糊控制;LabVIEW;環(huán)境因子

引言

傳統(tǒng)控制的主要特征是基于模型的控制。但是，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，被控對(duì)象變得越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)的因素越來越多，這些復(fù)雜性都難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述。除了復(fù)雜性之外，往往還存在著某些不確定性，不確定性也難以用精確數(shù)學(xué)方法加以描述。而模糊控制則能很好地處理這方面的問題。本文介紹一種基于模糊控制理論所歸納出的溫室環(huán)境參數(shù)自動(dòng)控制參數(shù)庫.

1溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展歷程

我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在2000年之后開啟了飛躍式的發(fā)展，無論是在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量還是在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展技術(shù)儲(chǔ)備上都有了長足的進(jìn)展，其為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與溫室自控技術(shù)的結(jié)合奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著目前互聯(lián)網(wǎng)及通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類智能手機(jī)的普及率已經(jīng)達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是近年來我國三大移動(dòng)通訊加大了對(duì)于我國農(nóng)村區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，基本實(shí)現(xiàn)了村村通網(wǎng)絡(luò)、家家通電話，更是為其推廣提供了有利條件。同時(shí)，自控溫室發(fā)展所需的各類機(jī)械設(shè)備如灌溉、探測和環(huán)境調(diào)節(jié)等技術(shù)也越來越成熟，設(shè)備的穩(wěn)定性和小型化程度也不斷提升，而自控溫室最為關(guān)鍵的PLC控制設(shè)備的不斷完善，不僅在設(shè)備造價(jià)上趨向于經(jīng)濟(jì)性，而且在產(chǎn)品性能上也逐步從單一因素控制向多元素綜合控制方向發(fā)展。溫室傳統(tǒng)環(huán)境因子主要有空氣和土壤中的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及種植介質(zhì)中的養(yǎng)分含量，而溫室作為第三次科技革命的產(chǎn)物為人類穩(wěn)定地獲取各類農(nóng)產(chǎn)品提供了有利的保障。如何讓一個(gè)溫室發(fā)揮其應(yīng)有的功能，其關(guān)鍵是如何管理和營造出滿足不同作物生長需求的溫室微環(huán)境，早期的溫室僅僅只能在冬季抵御嚴(yán)寒和遮風(fēng)避雨，而通過數(shù)十年的發(fā)展尤其是近年來各類傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得現(xiàn)代溫室具備了促進(jìn)作物品質(zhì)改良和發(fā)育的功能，甚至能針對(duì)株高、作物成熟期等多對(duì)象多過程實(shí)現(xiàn)具體的目標(biāo)控制。

在現(xiàn)代自控溫室發(fā)展的初期，由于受到技術(shù)條件的限制僅僅能對(duì)溫室內(nèi)某一環(huán)節(jié)因子進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中農(nóng)戶和專家們發(fā)現(xiàn)如對(duì)溫室內(nèi)某一環(huán)節(jié)因子進(jìn)行調(diào)節(jié)，勢必會(huì)造成其他某個(gè)或數(shù)個(gè)環(huán)境因子也出現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)，在溫室自控系統(tǒng)中必須將溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，數(shù)個(gè)相關(guān)的環(huán)境因子需要隨著某一因子的改變自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)改變和調(diào)整，優(yōu)化組合創(chuàng)造一個(gè)更適合作物生長的環(huán)境條件。

目前，溫室自控系統(tǒng)首先通過各種傳感器將溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，隨后通過數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器將信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的編碼，然后利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)編碼上傳至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫則通過已經(jīng)設(shè)定的相關(guān)程序?qū)?shù)據(jù)新編進(jìn)行判斷、顯示和貯存，并將測量值與預(yù)先設(shè)定的警戒值進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過一定范圍立即啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制或直接啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行干預(yù)處理。

2模糊控制簡介

模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，由模糊集合論、模糊語言以及模糊邏輯組成的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。它屬于一種非線性的智能控制，能夠轉(zhuǎn)化人的思維和模糊化語言，實(shí)現(xiàn)對(duì)無法建立精確模型的被控對(duì)象的有效控制。

3用LabVIEW設(shè)計(jì)控制軟件及其仿真

所設(shè)計(jì)的控制模塊如下圖，利用串聯(lián)端口連接傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)或者在參數(shù)輸入對(duì)話框中手工輸入當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)按照當(dāng)前的溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)值匹配模糊規(guī)則，執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行策略，并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作方案。溫室內(nèi)環(huán)境因子很多，例如二氧化碳?xì)怏w濃度、微量元素等，眾多的環(huán)境因子共同對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生影響;知識(shí)的獲取、模糊規(guī)則的獲取也是一大瓶頸，如果弄個(gè)將眾多的環(huán)境因子作為輸入變量來建立模糊規(guī)則，并且將模糊規(guī)則進(jìn)行細(xì)分，對(duì)溫室自動(dòng)化控制領(lǐng)域?qū)⑹且恢卮笸黄啤?/p>

4我國農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境自控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

4.1促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在我國目前應(yīng)用較為廣泛的傳統(tǒng)溫室內(nèi)，農(nóng)戶用以監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境及農(nóng)作物生長情況的方式方法較為有限，千百年都是依靠農(nóng)戶的經(jīng)驗(yàn)，因此農(nóng)作物在生長期間，一旦溫室內(nèi)的環(huán)境因子發(fā)生突變，溫室內(nèi)的農(nóng)作物將遭受重大損失。如果能將現(xiàn)今的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到溫室的設(shè)備控制系統(tǒng)中，不但能夠大大減少農(nóng)戶的作業(yè)強(qiáng)度，而且更能提升農(nóng)戶在溫室單位面積的收益。通過在溫室內(nèi)大量采用與互聯(lián)網(wǎng)直接連接的各式傳感器，并通過設(shè)置在云端的數(shù)據(jù)庫從而實(shí)現(xiàn)溫室農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，進(jìn)而以現(xiàn)代化的互聯(lián)網(wǎng)自控溫室為契機(jī)轉(zhuǎn)化農(nóng)戶為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)工人。各種傳感器所收集各種數(shù)據(jù)和指標(biāo)，能夠及時(shí)地幫助農(nóng)戶采集溫室內(nèi)植物生長過程中發(fā)生的各種問題信息，逐步將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從以人為主導(dǎo)向以信息和軟件為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。通過以村集體為單位或以外來資金投資興建或改建現(xiàn)有溫室，從而將目前我國農(nóng)村的大量剩余勞動(dòng)力就地或就近轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)工人，一舉扭轉(zhuǎn)長期困擾我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中因人多地少而導(dǎo)致的勞動(dòng)力大量流失的現(xiàn)象。筆者通過分析目前互聯(lián)網(wǎng)自控溫室的推廣過程，發(fā)現(xiàn)限制其推廣的最大問題是溫室系統(tǒng)的造價(jià)和日常維護(hù)兩項(xiàng)內(nèi)容。雖然近年來我國的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商將農(nóng)村地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)費(fèi)用下降了近13，而覆蓋率提高了1倍，但部分邊遠(yuǎn)地區(qū)由于潛在客戶量較少，相對(duì)東部沿海地區(qū)農(nóng)村而言其無論是在覆蓋率還是網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用方面都顯得力不從心。為此，在自控溫室的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上應(yīng)當(dāng)選擇“兩條腿”走路，即在選用有線網(wǎng)絡(luò)布局的同時(shí)采用3G/4G網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)與云端數(shù)據(jù)庫互通數(shù)據(jù)的紐帶，從而充分利用目前已經(jīng)十分完善的4G手機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)資源。為了保證各類設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和及時(shí)性，在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一其數(shù)據(jù)格式以便于后期管理和應(yīng)用。自控溫室中除了部分影像數(shù)據(jù)外，無論是設(shè)備控制信息還是溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，其大小僅僅只有幾kb，即便是采用已經(jīng)快要淘汰的3G網(wǎng)絡(luò)也能在極短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的上傳和下載。因此，通過建立布局合理的無線網(wǎng)絡(luò)及信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠在一定程度上擴(kuò)大互聯(lián)網(wǎng)自控溫室的應(yīng)用區(qū)域。

4.2精確化環(huán)境因子管控，提倡集約型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式

長久以來我國農(nóng)戶勞作主要依靠祖祖輩輩口傳心授的經(jīng)驗(yàn)，即便是到了現(xiàn)今社會(huì)農(nóng)用機(jī)械設(shè)備、農(nóng)藥和化肥的全面普及，不少農(nóng)戶仍然對(duì)不同植物何時(shí)、何地、何種、何量進(jìn)行灌溉、施肥和施藥等方面知之甚少。而在溫室環(huán)境下反季節(jié)種植部分經(jīng)濟(jì)作物或進(jìn)行畜牧業(yè)養(yǎng)殖，其傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)更加受到外部條件的制約，常常見到農(nóng)戶為了解溫室內(nèi)作物生產(chǎn)情況不得不頻繁地進(jìn)出溫室進(jìn)行觀察，這在北方地區(qū)冬季嚴(yán)寒季節(jié)極不利于溫室內(nèi)溫度的保持。

結(jié)語

隨著我國現(xiàn)代溫室的規(guī)模和用途不斷擴(kuò)大，如何將設(shè)施農(nóng)業(yè)的功效充分發(fā)揮出來，進(jìn)而為國民提供種類豐富、品質(zhì)優(yōu)良的農(nóng)產(chǎn)品也已成為溫室自控系統(tǒng)研發(fā)的重要方向。

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