智能化控制在溫室大棚中的應(yīng)用

謝志勇 朱娟芬

摘 要：近年來，隨著社會的不斷發(fā)展和科技的日益進步，我國許多從事溫室大棚的種植人員為了提高農(nóng)作物產(chǎn)量，開始嘗試在大棚中合理應(yīng)用智能化控制?；诖?，本文主要介紹了智能溫室大棚的有關(guān)知識，而且分析了智能化溫室大棚控制系統(tǒng)方案設(shè)計，以供大家學(xué)習(xí)和參考。

關(guān)鍵詞：智能化控制;溫室大棚;反季節(jié)水果蔬菜

中圖分類號：TP273.5文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0013-03

The Application of Intelligent Control in Greenhouse is Analyzed

XIE Zhiyong ZHU Juanfen

（Loudi Vocational and Technical College，Loudi Hunan 417000）

Abstract： In recent years， with the continuous development of society and the increasing progress of science and technology， many people in China engaged in greenhouse planting personnel in order to improve crop yield， began to try to rationally apply intelligent control in the greenhouse. Based on this， this paper mainly introduces the relevant knowledge of the intelligent greenhouse， and analyzes the intelligent greenhouse control system design， for everyone to learn and reference.

Keywords： intelligent control; greenhouse; fruits and vegetables out of season

溫室大棚主要種植一些反季節(jié)水果蔬菜，雖然采用傳統(tǒng)的種植技術(shù)和種植手段具有一定的成效，但是隨著人們對食物的需求越來越多，如果仍是沿用傳統(tǒng)種植技術(shù)，那么就難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，所以應(yīng)該在溫室大棚中積極應(yīng)用智能化控制，這是尤為重要的，也是目前溫室大棚種植人員需要重視的問題。

1 智能溫室大棚的有關(guān)簡介

1.1 智能溫室大棚的概念

溫室大棚技術(shù)是常見的農(nóng)業(yè)種植方法之一，不僅是密集型，而且是技術(shù)型。相對于以往的種植技術(shù)來說，自然環(huán)境不會對溫室大棚造成重大的影響，可以利用人工干預(yù)手段建立滿足農(nóng)作物生長需求的環(huán)境。利用溫室大棚種植方法除了可以增加農(nóng)作物產(chǎn)量，為種植人員創(chuàng)造更加可觀的經(jīng)濟收入外，也能夠滿足人們的飲食需求。一般來說，反季節(jié)種植對大棚多項參數(shù)都有很高的要求，如大棚內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度等，必須要使用相關(guān)的輔助設(shè)備，只有這樣才可以確保農(nóng)作物有合適的生長環(huán)境?，F(xiàn)階段重點研究及設(shè)計的對象是智能化溫室大棚。

1.2 智能控制大棚的結(jié)構(gòu)

智能化溫室大棚如圖1和圖2所示，利用機器24 h調(diào)節(jié)大棚的所有參數(shù)，如溫濕度和光照強度等，其結(jié)構(gòu)涉及多個方面，主要包括基礎(chǔ)設(shè)施與硬軟件設(shè)備等。首先，就基礎(chǔ)設(shè)施來講，主要是指種植農(nóng)作物需要搭建的裝置，如栽種槽和灌溉管等，必須要將這些裝置全部搭建完成，才能夠?qū)⒅悄芑{(diào)節(jié)所需的硬件設(shè)備和軟件設(shè)備安裝到位。其中，硬件設(shè)備包括的裝置有很多，如通風(fēng)空調(diào)和照明系統(tǒng)等，這些硬件設(shè)備必須通過物聯(lián)網(wǎng)利用軟件來有效連接控制，以確?？梢詫厥掖笈飪?nèi)部的所有環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)。軟件設(shè)備是指種植人員調(diào)節(jié)溫室大棚的系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)的常見模式有多種，一種是手動調(diào)節(jié)，另一種是自動調(diào)節(jié)，需要結(jié)合具體情況進行有效處理。

2 智能化的溫室大棚控制系統(tǒng)方案設(shè)計

通常，分布式控制系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩個部分組成。其中上位機系統(tǒng)安裝在管理室，如個人計算機和數(shù)據(jù)采集卡等，功能是以數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析為主。下位機系統(tǒng)是指溫室安裝的現(xiàn)場控制器系統(tǒng)，其功能是以采集環(huán)境參數(shù)為主，如溫濕度和二氧化碳等，認(rèn)真執(zhí)行對應(yīng)的監(jiān)控溫室設(shè)備和控制功能。上位機系統(tǒng)能夠集中監(jiān)管與控制許多溫室，用戶只要在管理室就能掌握各個溫室的實際運行狀況。每個溫室的現(xiàn)場控制器運行中彼此獨立沒有任何影響，也就是說，其中一個現(xiàn)場控制其出現(xiàn)故障不會對其他現(xiàn)場控制器工作造成任何影響，使控制系統(tǒng)更加安全可靠。因此，此控制系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，如可靠性相當(dāng)高和充分利用設(shè)備等，有助于控制溫室集群控制。該分布式控制系統(tǒng)可以使下位機獨立運行，控制方案中將上位機、下位機以及傳感器系統(tǒng)相結(jié)合，通常適合應(yīng)用在大規(guī)模的連棟溫室中，但如果控制方案中將下位機系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)相結(jié)合，那么通常只適合應(yīng)用在小型農(nóng)家溫室中。

2.1 智能化溫室大棚系統(tǒng)控制方案設(shè)計流程

智能化溫室大棚控制系統(tǒng)主要包括可編程邏輯控制器（PLC）智能處理系統(tǒng)及無線傳感器采集系統(tǒng)等[1]。就溫室控制系統(tǒng)來講，PLC控制器是其控制管理的重點，利用采集不同類型傳感器溫室中環(huán)境因子有關(guān)參數(shù)，借助轉(zhuǎn)換器變成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流信號，然后利用模擬量采集模塊EM235向PLC控制單元傳送，最后PLC利用適合的智能控制算法來處理分析系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息與農(nóng)作物生長最合適的環(huán)境值，輸出控制信號，合理控制執(zhí)行單元。就該系統(tǒng)來講，也能利用以太網(wǎng)或者串口的形式連接PC機，以確?？梢约皶r存儲并管理數(shù)據(jù)，為將來農(nóng)作物生長的探究提供重要依據(jù)。參數(shù)具體包括以下幾點：①溫濕度。溫濕度是關(guān)鍵的參數(shù)，也是農(nóng)業(yè)智能化控制的核心因素，通過傳感器技術(shù)對參數(shù)進行24 h監(jiān)控，在調(diào)節(jié)參數(shù)過程中必須要有對應(yīng)的執(zhí)行動作。②土壤干燥度。農(nóng)作物生長離不開土壤，因此在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中必須有效控制土壤干燥度，這樣不僅可以節(jié)省水資源，而且可以為農(nóng)作物生產(chǎn)建立適宜的土壤環(huán)境。利用24 h監(jiān)測土壤干燥度，確保農(nóng)作物可以正常生長。③光照度。農(nóng)作物產(chǎn)生光合作用的主要因素有光照度和二氧化碳濃度兩個，在現(xiàn)代化溫室中往往將人造光源當(dāng)作農(nóng)作物來補光，根據(jù)二氧化碳濃度能夠建立出符合農(nóng)作物生長要求的呼吸環(huán)境。

2.2 設(shè)計傳感器系統(tǒng)方案

對于智能化溫室控制系統(tǒng)而言，傳感器是不可或缺的重要元器件之一，具有很多功能，不僅可以檢測環(huán)境參數(shù)，而且可以將其轉(zhuǎn)變成溫室控制必須要有的電信號[2]。系統(tǒng)的控制精度和測量精度都直接取決于傳感器是否獲取精確的信息。就農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)來講，重要的參數(shù)包括溫濕度及光照等。因此，該智能化溫室大棚控制系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)并非僅僅有一種，而是有很多種，主要包括溫濕度傳感器和光照傳感器等。

2.3 設(shè)計下位機系統(tǒng)方案設(shè)計

就溫度控制現(xiàn)場來講，其管理的關(guān)鍵在于下位機系統(tǒng)，而對于溫室現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進行檢測的重要通道是其輸入連接傳感器系統(tǒng)。將輸出與溫室控制設(shè)備進行連接，這樣可以控制信號。下位機的主要組成部分是單片機系統(tǒng)，其包括很多模塊，如數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示以及主控等，功能多樣化，如對溫室數(shù)據(jù)進行采集、存儲以及顯示等，能夠以統(tǒng)一的形式來嚴(yán)格管理溫室現(xiàn)場全部資源。

2.4 設(shè)計上位機系統(tǒng)方案

在溫室管理室中的上位機系統(tǒng)屬于系統(tǒng)的上層管理范圍，是系統(tǒng)的管理重點，具有很多功能，如對溫室數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及管理等[3]。在上位機系統(tǒng)設(shè)計過程中通常包括多個方面，一是系統(tǒng)管理軟件能夠管理溫室系統(tǒng)資源，二是具有溫室數(shù)據(jù)庫，可以管理煩瑣復(fù)雜的溫室數(shù)據(jù)。

2.5 設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸方案

此系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的形式主要有兩種，形式一是上位機和下位機之間的RS-232串行通信，形式二是上位機和遠端計算機之間通過網(wǎng)絡(luò)完成的通信[4]。由于智能化控制的溫室大棚系統(tǒng)只有非常小的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸量，而且對通信時效性的要求相當(dāng)?shù)停@樣一來，上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)通信利用形式一就可以滿足需求，而針對上位機和遠端計算機的通信主要利用形式二，既可以確保系統(tǒng)符合遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠嘘P(guān)要求，又能夠真正實現(xiàn)資源共享。

2.6 設(shè)計傳感器系統(tǒng)

利用傳感器系統(tǒng)能夠科學(xué)檢測溫室環(huán)境參數(shù)，溫室大棚應(yīng)用智能化控制技術(shù)往往會對溫室作物生長的多個方面造成影響，主要包括溫濕度和光照等。針對溫度、濕度以及光照等參數(shù)合理設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)。首先，利用溫度傳感器DS18B20對溫度進行準(zhǔn)確測量，該傳感器屬于新型傳感器，具有體積小和成本低等特點，與系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求相符?，F(xiàn)場溫度在傳輸過程中運用的數(shù)字方法是以一線總線為主，這樣可以使系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗干擾性能[5]。其次，濕度傳感器系統(tǒng)在濕度測量過程中主要使用HR202濕敏電阻，該傳感器是全新的濕度敏感元件，不同于以往的傳感器，運用有機高分子材料，感濕范圍較寬，而且可以長時間正常使用。最后，就光照傳感器系統(tǒng)來講，主要是將光敏三極管3DU33應(yīng)用在光照傳感器上，這樣可以準(zhǔn)確測量出光照度。這種類型傳感器主要由光敏器件和相應(yīng)的外圍電路兩部分組成，可以分成不同的模塊，主要包括信號產(chǎn)生電路等。

2.7 設(shè)計下位機系統(tǒng)

就智能溫室控制系統(tǒng)來講，下位機系統(tǒng)在溫室現(xiàn)場管理系統(tǒng)中是缺一不可的，直接關(guān)乎系統(tǒng)整體運行是否可靠[6]。由于溫室下位機系統(tǒng)運行具有一定的獨立性，一天之中任何時候都可以監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)，這樣該系統(tǒng)可以獨立對數(shù)據(jù)進行處理。自己主動采集數(shù)據(jù)，而且可以完成數(shù)據(jù)的傳輸，并正確顯示數(shù)據(jù)。設(shè)計下位機系統(tǒng)通常體現(xiàn)在兩個方面，一方面是劃分系統(tǒng)模塊，另一方面是系統(tǒng)硬軟件設(shè)計。

2.8 系統(tǒng)模塊劃分和硬件設(shè)計

下位機往往應(yīng)用單片機系統(tǒng)，結(jié)合不同的功能能夠劃分成多個部分，如主控模塊、輸入/輸出控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊等。①主控模塊。單片機系統(tǒng)是控制的核心，也可以使很多外圍電路得到拓展，建立該系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，凸顯出系統(tǒng)資源分配和管理的科學(xué)性，顯著提高系統(tǒng)運行自動化水平。②輸入/輸出控制模塊?？梢詫纹瑱C系統(tǒng)和溫室控制設(shè)備進行連接，根據(jù)第一個模塊的控制系統(tǒng)，成功驅(qū)動溫室控制設(shè)備，做好有關(guān)的動作，這樣就可以將溫室大棚的每個環(huán)境參數(shù)得到有效控制。③數(shù)據(jù)顯示模塊。在啟動下位機時顯示由上位機所提供的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場設(shè)備的控制情況。為了可以保證精確顯示出每個數(shù)據(jù)信息，就顯示模塊來講，主要是借助七段LED數(shù)碼管以靜態(tài)的形式來全部顯示。⑤數(shù)據(jù)通信模塊。利用RS-232串行通信，可以確保上、下位機之間保持正常的通信。

2.9 設(shè)計下位機系統(tǒng)軟件

對于下位機系統(tǒng)而言，其軟件部分的組成包括主程序和時鐘子程序等。每個程序都有不同的功能，應(yīng)做好系統(tǒng)的啟動初始化及調(diào)用等。通過時鐘子程序可以正確計時，協(xié)調(diào)A/D，而且通過查詢方法來轉(zhuǎn)換A/D，結(jié)合環(huán)境參數(shù)校準(zhǔn)表來校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，向顯示緩沖單元及相應(yīng)的存儲單元輸送數(shù)據(jù)。此外，不管在什么時候，都可以顯示溫室環(huán)境參數(shù)和溫室環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等。

2.10 設(shè)計上位機管理系統(tǒng)

上位機系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分是個人計算機，也是溫室管理室中系統(tǒng)管理的重點，具有多種功能，主要包括對數(shù)據(jù)進行集中管理等。對于上位機管理系統(tǒng)而言，其通常是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和控制決策模型兩部分組成。但因為溫室控制容易發(fā)生變化，復(fù)雜程度也相當(dāng)高，所以需要將模糊技術(shù)應(yīng)用在上位機構(gòu)建的控制決策模型中，深入探究溫室模糊控制器的整體設(shè)計方案。

3 結(jié)語

當(dāng)前，我國越來越多的種植人員在溫室大棚中普遍應(yīng)用智能化控制，這樣在增加農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，可以顯著提高種植效率和種植水平，帶來更多的經(jīng)濟效益，對促進我國農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展有著極其重要的意義。

參考文獻：

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