溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)設計

單慧勇，張程皓，李晨陽，趙輝，衛(wèi)勇，郭旭存

（天津農(nóng)學院 工程技術(shù)學院，天津 300384）

根據(jù)光合作用的反應機制，對設施農(nóng)作物生長影響較大的環(huán)境因素主要有光照、CO2濃度及溫濕度等，由于溫室環(huán)境為密閉環(huán)境，內(nèi)部環(huán)境參數(shù)多通過人工進行調(diào)控，工作效率低。針對以上問題，孫小平[1]對溫室中的供暖設備、風機、LED 燈與其相對應的調(diào)控參數(shù)（如溫度、光強等）之間的關(guān)系進行研究，尋找其相關(guān)函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)溫室環(huán)境自動調(diào)控。張漫等[2]設計了作物光合速率預測模型，將實時監(jiān)測光照、溫度及CO2濃度輸入預測模型中，獲取相應的CO2濃度最佳目標值，從而實現(xiàn)溫室CO2自動調(diào)控。李雅善等[3]擬合設計出了多元非線性光合速率預測模型，可進行光飽和點尋優(yōu)，確定了溫室作物在不同光強條件下的環(huán)境參數(shù)最佳目標值，實現(xiàn)了溫室光強自動調(diào)控。以上研究多針對溫室環(huán)境中單一環(huán)境變量進行調(diào)控，難以實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)自適應調(diào)控。為有效提高溫室環(huán)境自動化程度，促進溫室作物生長，設計溫室自動調(diào)控系統(tǒng)，結(jié)合溫室環(huán)境監(jiān)測、作物光合速率預測模型和多目標協(xié)同控制尋優(yōu)方法設計基于MATLAB 的溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)，以溫室黃瓜為研究對象，對其光合速率進行預測并對環(huán)境調(diào)控效果進行驗證。為方便操作者實時監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)的變化，設計基于MATLAB 環(huán)境的人機交互GUI 界面，為溫室環(huán)境智能調(diào)控的研究提供借鑒。

1 系統(tǒng)設計的理論基礎(chǔ)

調(diào)控系統(tǒng)的設計首先需搭建溫室環(huán)境參數(shù)尋優(yōu)模型，模型的建立主要包括三部分：首先建立光合速率預測模型，然后在光合速率預測模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建有限二氧化碳資源下溫室二氧化碳優(yōu)化調(diào)控模型數(shù)據(jù)庫，繼而提出了以光照增長相對價值為評價指標的相對最經(jīng)濟的補光策略，最終實現(xiàn)有限二氧化碳資源下的溫室光氣耦合優(yōu)化調(diào)控。

采用LS-SVM算法構(gòu)建光合速率預測模型[4]，尋求溫度（x1）、光強（x2）及CO2濃度（x3）和輸出光合速率（y）之間的關(guān) 系：y=f(x1，x2，x3)。首先，使用MATLAB 中的mapminmax 函數(shù)對溫度、光強及CO2濃度進行歸一化處理，其模擬歸一化區(qū)間為[0.2，0.9][5]。選取徑向基函數(shù)作為核函數(shù)進行建模，gam是控制錯分樣本懲罰程度的可調(diào)參數(shù)，sig2是徑向基核函數(shù)的參數(shù)，通過網(wǎng)格搜索獲取最優(yōu)的建模參數(shù)gam和sig2[6]，最終確定 的gam=263.549，sig2=0.204 042 5。模型各參數(shù)確定后調(diào)用LS-SVM 工具箱的trainlssvm函數(shù)進行光合速率預測模型的構(gòu)建。

基于上述光合速率預測模型，擬在1 d 內(nèi)的有限資源下對溫室CO2濃度進行優(yōu)化調(diào)控，即給定可用補氣總量，尋找當天溫室中最優(yōu)的補氣時間及對應的單位時間補氣量，將補氣后的光合速率增量作為評價指標，建立CO2優(yōu)化調(diào)控模型數(shù)據(jù)庫。在獲取補氣時間段與補氣量后，將依據(jù)光照增長相對價值曲線曲率最大值對補光量進行尋優(yōu)。

結(jié)合上述調(diào)控模型，擬設計溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)，通過PLC 實時采集溫室中溫度、光強及CO2濃度等參數(shù)，通過OPC 通信協(xié)議實現(xiàn)遠程通信。在MATLAB 中搭建調(diào)控系統(tǒng)，依據(jù)調(diào)控模型，分析預測作物生長的最佳補氣時間及補氣總量，控制氣肥發(fā)生器及補光燈工作，結(jié)合實時讀取的數(shù)據(jù)進行追蹤控制。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)功能分析及整體框架設計

溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)的功能主要包括實時環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析目標值尋優(yōu)以及自動輸出調(diào)控環(huán)境參數(shù)。通過監(jiān)測溫室中的實時環(huán)境數(shù)據(jù)，獲取對植物生長速率影響較大的各種參數(shù)，如溫度、光強和CO2等，可實時監(jiān)測植物生長狀態(tài)。根據(jù)實時環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)可調(diào)用上述模型，對環(huán)境參數(shù)進行尋優(yōu)，獲得植物生長最佳調(diào)控目標值。結(jié)合模型尋優(yōu)目標值和實時反饋的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，控制補光燈組及氣肥發(fā)生器等設備進行環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)溫室環(huán)境自動調(diào)控。為實現(xiàn)以上功能，設計了溫室環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析決策和輸出控制子系統(tǒng)三部分（圖1）。

溫室環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)包括：CO2傳感器、溫度傳感器以及光照傳感器，監(jiān)測溫室中實時環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能，并將其輸入調(diào)控目標值尋優(yōu)子系統(tǒng)中，調(diào)用相應的模型，將光強與CO2協(xié)同調(diào)控目標值尋優(yōu)。輸出控制子系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)計算出的環(huán)境參數(shù)目標值，結(jié)合實時環(huán)境參數(shù)，控制溫室中補光燈組及氣肥發(fā)生器改變光強與CO2值，從而達到目標值要求，完成反饋控制。

圖2 為溫室環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，由CO2傳感器、溫度傳感器、光照傳感器和PLC 控制器組成。由于溫室生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，作物生長環(huán)境存在高溫高濕情況，對監(jiān)控與控制系統(tǒng)具有較高的可靠性要求[7]，因此，采用PLC 作為控制器。溫室中各傳感器監(jiān)測記錄溫度、CO2濃度和光照強度等，為調(diào)控目標值尋優(yōu)子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了溫室實時環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

圖3 為數(shù)據(jù)分析決策子系統(tǒng)控制流程圖，環(huán)境監(jiān)測傳感器將實時采集到的信息發(fā)送到控制器PLC，PLC 通過OPC 通信，與計算機建立遠程通信，將環(huán)境參數(shù)實時上傳至計算機中，計算機分析判斷環(huán)境溫度所屬區(qū)間，繼而通過模型調(diào)用該溫度下子模型，通過模型分析預測出光照強度與CO2濃度調(diào)控目標值。實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析目標值尋優(yōu)功能，計算調(diào)控目標值與實時環(huán)境值的差值，將調(diào)控目標值發(fā)送至相應的控制設備。

本研究選擇在MATLAB 環(huán)境下設計輸出控制子系統(tǒng)[8]。自動模式下，傳感器將監(jiān)測到的溫度、光照及CO2濃度數(shù)據(jù)傳輸至計算機，計算機根據(jù)模型計算出協(xié)同決策的光強及CO2濃度目標值，計算機通過OPC 通信與現(xiàn)場控制器PLC 建立通信，寫入光強及CO2濃度目標值，PLC 輸出控制補光燈[9]及氣肥發(fā)生器使得光照與CO2濃度達到目標值[10]，實現(xiàn)了自動輸出調(diào)控環(huán)境參數(shù)功能（圖4）。在手動模式下，操作者可根據(jù)傳感器上傳的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，手動控制補光燈及氣肥發(fā)生器調(diào)控溫室環(huán)境參數(shù)。

2.2 通信系統(tǒng)設計

為方便計算機讀取溫室實時環(huán)境數(shù)據(jù)進而分析決策，獲取調(diào)控目標值，同時反饋控制調(diào)控設備工作，需實現(xiàn)計算機與現(xiàn)場PLC 之間的通信連接，通信協(xié)議選擇OPC通信[11-13]。

OPC（OLE for process control）是由OPC 基金會（OPC Foundation）所制定的工業(yè)標準[14]。OPC 主要是在Microsoft 的OLC(ActiveX)、COM、DCOM 的基礎(chǔ)上所研發(fā)的一個開放的標準接口。其主要應用體系為客戶端/服務器[15]，在客戶端和服務器之間建立一種通信和數(shù)據(jù)交換的工業(yè)標準[16]，以OPC 為交換數(shù)據(jù)的主要方法。

7.0版本以上的MATLAB 軟件中均支持OPC服務，有相應的工具箱OPC toolbox[17]，支持讀寫OPC數(shù)據(jù)。MATLAB 中讀取溫室實時環(huán)境數(shù)據(jù)方式有如下2種。

（1）通過GUI界面讀取實時環(huán)境參數(shù)

A.啟動Opctool界面

在MATLAB 命令窗口輸入Opctool，單擊回車即可打開Opctool界面，其操控界面如圖5所示。

B.創(chuàng)建客戶端對象、組對象和項

右鍵單擊OPC Network 可添加本地Host，名字選用默認名字Localhost。右鍵單擊Localhost 添加Client，從OPC Server ID 中選擇GrmOpcServer.GRMOPC，即可建立連接，順序添加Group、Item，即可顯示溫室環(huán)境參數(shù)實時數(shù)據(jù)，如圖6 所示。選中相應數(shù)據(jù)，點擊Add即可讀取實時環(huán)境參數(shù)。

（2）輸入程序讀取實時環(huán)境參數(shù)

實時環(huán)境數(shù)據(jù)讀取程序如下所示：

da=opcda（‘localhost’,‘GrmOpcServer.GRMOPC’）；%創(chuàng)建客戶端對象

connect（da）；%連接一個客戶到服務器；

grp=addgroup（da，‘group2’）；%創(chuàng)建數(shù)據(jù)訪問組對象；

itm=additem（grp，‘GRM.二氧化碳（溫室）’）；%讀取實時環(huán)境參數(shù)；

itm1=additem（grp，‘GRM.光照強度（溫室）’）；

itm2=additem（grp，‘GRM.空氣溫度（溫室）’質(zhì)；

set（grp,′UpdateRate′，0.2）；%設置數(shù)據(jù)保存間隔

r=read（itm）；%讀取數(shù)據(jù)；

a={r.Value}；%讀取實時環(huán)境數(shù)值；

b=cell2mat（a）；%將元胞數(shù)組類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值型方便處理；

clear grp itm itm1 itm2。

2.3 人機交互GUI界面設計

為方便操作人員實時監(jiān)控溫室環(huán)境，GUI 界面設計如圖7—8 所示，對接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行存儲，并對數(shù)據(jù)進行分析、判斷與智能決策，根據(jù)決策結(jié)果發(fā)送相應控制指令到相應的輸出裝置。根據(jù)系統(tǒng)硬件要求，在MATLAB 環(huán)境下設計了人機交互的GUI界面。

（1）控制系統(tǒng)主界面如圖7所示，主要包括實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)設定、報警信息四部分，按下按鈕可跳轉(zhuǎn)至相應界面。

（2）實時顯示界面如圖8所示，包括溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示欄、溫室環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)控目標值、工作模式選擇、工作狀態(tài)四部分。

A.溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示欄：溫室中通過溫度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至PLC，MATLAB 通過OPC 通信協(xié)議與PLC建立遠程通信，將各項數(shù)據(jù)實時顯示在界面上，便于操作者監(jiān)控溫室環(huán)境變化。

B.溫室環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)控目標值：系統(tǒng)根據(jù)實時采集的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，依據(jù)當前溫度，調(diào)用適合的模型，預測最佳環(huán)境參數(shù)，并發(fā)送至界面，方便操作者對比實時環(huán)境參數(shù)決策控制方案。

C.工作模式選擇：根據(jù)需求可選擇自動控制或手動控制。自動控制模式下，系統(tǒng)根據(jù)實時溫度，調(diào)用相應的模型，分析溫室環(huán)境參數(shù)，計算出環(huán)境參數(shù)目標值，并顯示在目標欄上。

D.工作狀態(tài)：實時顯示控制裝置工作狀態(tài)，便于操作者決策控制。

（3）手動控制界面如圖9所示，包括溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示欄、溫室環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)控目標和手動控制面板三部分。

溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示欄和溫室環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)控目標值與自動模式下相同，控制面板上操作者可根據(jù)控制要求手動輸入環(huán)境參數(shù)，按下執(zhí)行按鈕可控制裝置輸出，控制系統(tǒng)向氣肥發(fā)生器或補光燈發(fā)送調(diào)控指令，待實時數(shù)據(jù)達到目標值后停止工作，完成環(huán)境參數(shù)調(diào)控。

（4）參數(shù)配置界面如圖10 所示，在主界面按下參數(shù)配置按鈕可調(diào)出參數(shù)配置界面，包括增加通訊組、刪除通信組和刷新服務器三部分，可根據(jù)操作者實際需求，進行增刪通信組與刷新服務器操作。

（5）歷史數(shù)據(jù)顯示欄如圖11 所示，在主界面按下歷史數(shù)據(jù)按鈕可調(diào)出歷史數(shù)據(jù)顯示界面，可顯示不同時間溫度、光強和CO2濃度，操作者可根據(jù)數(shù)據(jù)判斷不同時間溫室環(huán)境參數(shù)變化情況，記錄保存。

2.4 系統(tǒng)測試

以天津農(nóng)學院西校區(qū)溫室作為研究基地，對系統(tǒng)進行測試。2020 年3 月4 日，溫室中保溫時間段為9:00—16:00，選擇9:30—15:30 作為調(diào)控時間段。首先，設定好可用補氣資源總量，通過調(diào)控模型尋優(yōu)確定當天內(nèi)最優(yōu)補氣時間及單位時間補氣量，控制氣肥發(fā)生器在對應時間段工作，同時控制補光燈工作，控制系統(tǒng)通過PLC 不斷讀取溫室中光照強度及CO2濃度?；谏鲜鰧?yōu)方法，得到了以溫度、CO2濃度為輸入數(shù)據(jù)，以光照強度調(diào)控目標值為輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，結(jié)合實時讀取的光照強度數(shù)據(jù)，對比調(diào)控目標值獲得光照強度調(diào)控增量，控制系統(tǒng)實時追蹤控制補光燈光照強度，實現(xiàn)溫室光氣耦合調(diào)控。調(diào)控完成后，獲得了調(diào)控時間段內(nèi)的光合速率增量，為1 176.918 μmol/(m2·s)。調(diào)控過程中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，實時反饋效果好，自動模式控制界面、手動模式控制界面分別如圖12—13所示。

3 結(jié)論與討論

為實現(xiàn)溫室環(huán)境自動調(diào)控，在融合光合速率預測模型與溫室環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，建立了溫室環(huán)境調(diào)控的尋優(yōu)模型，基于上述調(diào)控模型，在MATLAB 環(huán)境下設計了溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。通過溫室中的CO2傳感器、溫度傳感器以及光照傳感器分別監(jiān)測溫室實時環(huán)境參數(shù)，并上傳至控制器PLC中。PLC 通過OPC 技術(shù)與計算機建立遠程通信，計算機讀取PLC 上傳的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，調(diào)用相應的尋優(yōu)模型，分析計算出CO2濃度及光照強度的調(diào)控目標值，將其發(fā)送給控制器。控制器根據(jù)調(diào)控目標值控制氣肥發(fā)生器和補光燈組工作，直至溫室環(huán)境數(shù)據(jù)達到調(diào)控目標值后，停止工作，完成反饋控制。對構(gòu)建的系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可完成作物生長自適應補光補氣，調(diào)控時間段內(nèi)的光合速率增量為1 176.918 μmol/(m2·s)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，實時反饋效果好。為方便操作者決策控制，查看溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，設計了人機交互GUI 界面，監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)，及時進行決策控制。本研究側(cè)重點在于溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的設計，對所涉及的環(huán)境參數(shù)尋優(yōu)模型并未詳述，后續(xù)將另文介紹上述尋優(yōu)模型建模過程，結(jié)合組態(tài)軟件，設計完善控制系統(tǒng)及圖形用戶控制界面，進一步提高溫室環(huán)境自動調(diào)控技術(shù)。