智能溫室大棚建設(shè)方案探討.doc

智能溫室大棚建設(shè)方案探討 摘要：指出了溫室大棚的應(yīng)用是為了給作物提供一個更好的生長環(huán)境,但人工管理仍不能及時、準確地掌握作物的生長過程和對環(huán)境的要求。在普通日光溫室的基礎(chǔ)上,運用農(nóng)業(yè)生物學、管理科學等多種技術(shù),結(jié)合現(xiàn)代計算機自控技術(shù),對溫室大棚進行了全面的設(shè)計,提出了一種先進、實用的溫室大棚建設(shè)方案。 關(guān)鍵詞：智能;溫室大棚;建設(shè)方案;系統(tǒng)設(shè)計 收稿日期：20120402 作者簡介：閆政（1981），男，山西壺關(guān)人,助教,碩士，主要從事程序設(shè)計、軟件開發(fā)方面的教學與研究工作。中圖分類號：S629文獻標識碼：A文章編號：16749944(2012)05029302 1引言 溫室大棚是北方寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分,隨著溫室大棚的普及,其數(shù)量不斷增多。筆者在考察了現(xiàn)有的一些溫室大棚后,發(fā)現(xiàn)目前溫室大棚存在一些問題：一是監(jiān)測和管理還都處在人工階段,這樣的做法雖然施工簡單,所用材料成本低廉,但過多的人工操作和管理同樣也增加了管理成本,并且不能準確掌握作物的生長情況和采取有效的生產(chǎn)措施;二是一些采取了智能控制的溫室大棚,智能化程序不高,只對部分生長因子進行了監(jiān)控,如溫度、濕度等,沒能全面監(jiān)控生長環(huán)境,也不能實現(xiàn)自動化控制;三是缺少軟件支持,不能對所得到的生長數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析,無法及時做出相應(yīng)控制。針對目前的應(yīng)用,筆者認為,對溫室大概設(shè)計出一種集成化方案,來滿足溫室大棚的智能化建設(shè)十分必要。 針對智能化溫室大棚應(yīng)用的要求和目前溫室大棚的發(fā)展情況,本文在分析溫室大棚需求后,對溫室大棚的系統(tǒng)進行了集成方案的設(shè)計,實時采集溫室內(nèi)的土壤和空氣溫度、土壤和空氣濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù),以直觀的數(shù)據(jù)、圖標或曲線方式顯示給用戶,并可以根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報警信息。 2系統(tǒng)總體設(shè)計方案 智能化建設(shè)是利用自動化技術(shù)對溫室大棚實現(xiàn)實時采集溫室內(nèi)的土壤和空氣溫度、土壤和空氣濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù),以直觀的數(shù)據(jù)、圖標或曲線方式顯示給用戶,并可以根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報警信息。 2.1系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)從功能上分為信號采集系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng),硬件主要由上位機和下位機組成。上位機是一臺PC機,主要功能是保存和處理下位傳回的數(shù)據(jù)并進行分析，對下位機做出設(shè)置和控制;實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測,完成數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計。下位機是單片機或?qū)Ｓ玫臏厥掖笈锟刂破?它通過RS485接口與上位機通信,把各種傳感器采集的數(shù)據(jù)(如濕度、溫度、光照強度、CO2濃度等)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給上位機,并根據(jù)上位機下傳的數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的參數(shù),對各種執(zhí)行系統(tǒng)進行控制,確定各執(zhí)行系統(tǒng)的運行狀態(tài),實現(xiàn)對溫室的智能化調(diào)控。系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1、圖2。 圖1系統(tǒng)總體示意圖 圖2信息采集系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)組成示意圖 2.2各組成部分功能 2.2.1信息處理系統(tǒng) 信息處理是整個建設(shè)方案的核心部分。下位機通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳到上位機,上位機系統(tǒng)選用個人計算機,主要對上位機遞來的數(shù)據(jù)進行處理和系統(tǒng)控制,實時顯示及修改各種控制數(shù)據(jù)、曲線,記錄各種采集數(shù)據(jù)。由于采集回的數(shù)據(jù)大都是一種多輸入、多輸出、大滯后的非線性控制變量,所以還需要設(shè)計動態(tài)、實時、有效、可靠的人機接口的可視化界面。上位機根據(jù)溫室環(huán)境參數(shù)的設(shè)置以及預(yù)先制定的控制策略發(fā)出控制數(shù)據(jù),通過下位機向控制系統(tǒng)發(fā)出各種相應(yīng)的控制信號,調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子。 信息處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)組成,其主要功能有兩部分,一部分功能是用于與下位機的通訊、設(shè)置溫室環(huán)境參數(shù),并把采集的數(shù)據(jù)存于管理數(shù)據(jù)庫中,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、統(tǒng)計、打印,以備決策系統(tǒng)調(diào)用;另一部分為決策系統(tǒng),功能是根據(jù)知識庫和采集的數(shù)據(jù)及時為用戶提供各種作物生長所需要的最佳氣候參數(shù),并能自動生成最佳控制方案。 數(shù)據(jù)庫中保存各種傳感器的數(shù)據(jù)、操作記錄、控制記錄等,知識庫中存放栽培作物的植物屬性、日照要求、溫濕度要求、CO2和氧氣濃度要求等最佳氣候參數(shù)。 該綜合管理系統(tǒng)還應(yīng)具有不同作物的生長方案,只需提前選擇好方案,整個系統(tǒng)就會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進行室內(nèi)調(diào)節(jié)。在作物的整個生長過程中還應(yīng)把各傳感器傳來的數(shù)據(jù)進行定時保存,并按要求打印,便于以后觀察和分析,由此形成一個專家系統(tǒng)。 2.2.2信號采集系統(tǒng) 該部分主要是各種傳感器組成,包括空氣溫度濕度傳感器、土壤溫度濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氧濃度傳感器、光照強度傳感器;由于溫室大棚一般面積都比較大,這些傳感器在安裝時必須考慮到分布問題,在大棚的陽面和陰面都要適當設(shè)置傳感器,并根據(jù)大棚的長度以1020m距離為單位設(shè)置傳感器。在選擇傳感器時要選擇抗干擾能力好、傳輸距離遠的傳感器。 2.2.3控制執(zhí)行系統(tǒng) 該子系統(tǒng)包含內(nèi)容較多,控制也最復雜,各執(zhí)行部件把下位機傳來的控制信號執(zhí)行后,還須把執(zhí)行后的狀態(tài)反饋給下位機,下位機再把這些狀態(tài)暫存于自己的緩存中,同時上傳到上位機,以保證各執(zhí)行部件能按事先制定的策略完成任務(wù)。 2.3主要設(shè)備選型 本方案采用了集成化的大棚控制器,這種集成化的控制已經(jīng)成為了現(xiàn)代溫室大棚的主要控制設(shè)備。如北京瑞陽恒興科技有限公司的大棚專用控制器作為下位機,它的控制器可以采集6路溫度和4路模擬量輸入,可連接O2和CO2的變送器以及光照傳感器、濕度傳感器,采用4路數(shù)字量輸入和7路繼電器輸出,具備數(shù)據(jù)采集和遠傳功能?？刹杉臄?shù)據(jù)包括:棚內(nèi)溫度、通風口溫度、棚內(nèi)空氣濕度、棚內(nèi)光照度、棚內(nèi)氧氣含量和棚內(nèi)CO2含量等。還具備控制功能,可以通過預(yù)先設(shè)置好的程序來完成邏輯控制;具備數(shù)字輸入和數(shù)字輸出。該控制器具備豐富的通訊端口,組網(wǎng)的方式是采用工業(yè)以太網(wǎng),特點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?穩(wěn)定可靠。 其他信號選用PT100溫度傳感器、Am2303濕度傳感器、BH17光照傳感器,對于CO2濃度和氧濃度的檢測,設(shè)計中采用氧氣變送器和二氧化碳傳感器,便于與大棚控制器的對接。 3智能化溫室大棚設(shè)計分析 影響作物生長的因素很多,要根據(jù)溫室大棚內(nèi)環(huán)境的變化及時作出控制,來調(diào)整溫室大棚內(nèi)生長因子,達到作物最佳生長狀態(tài)。 3.1保證數(shù)據(jù)采集的可靠性 溫室大棚內(nèi)環(huán)境復雜,特別是溫度高、濕度大,對采集設(shè)備抗干擾能力要求較高,而且在信號傳輸時也要保證信號不失真。這樣必須要采用抗干擾能力強、傳輸距離遠的設(shè)備,從信號處理、電路設(shè)計、器件選擇及電磁兼容等諸多方面來考慮,將噪聲干擾降至最低,提高整個系統(tǒng)性能。 3.2適當?shù)闹参锷L模型 溫室大棚內(nèi)的作物會根據(jù)市場的需求來確定種類,每種作物都有自己不同的生長習性,這要求本系統(tǒng)要有不同作物的生長模型。這些模型可以從已有的研究成果中得到,把這樣的數(shù)據(jù)直接輸入到信息處理系統(tǒng)中,也可以利用信息處理系統(tǒng)中的記錄存儲功能,把以往的數(shù)據(jù)建立起該種作物的生長模型,最終實現(xiàn)根據(jù)作物最優(yōu)控制溫室大棚。 3.3建立專家系統(tǒng)和合適智能控制策略 本系統(tǒng)設(shè)計中,最復雜、最難的部分就是智能控制。由于數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)大都是非線性信號變量,而且這些多輸入、多輸出的控制信號還有大滯后的特點,但對各種執(zhí)行系統(tǒng)的控制卻要動態(tài)、實時、有效;而且整個系統(tǒng)不僅要有及時的信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng),更要有智能化的控制策略。實際應(yīng)用中,常規(guī)的控制方法(如最優(yōu)控制、PID)的控制效果都不是很理想,如果能把模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能控制方法應(yīng)用于該系統(tǒng)中,可以大大提高溫室大棚環(huán)境控制的精度和水平。 4結(jié)語 溫室大棚環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)是我國現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣產(chǎn)品,本文通過對智能溫室大棚控制系統(tǒng)有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的分析研究,設(shè)計了一種具有較高實用性和集成度高的溫室智能控制系統(tǒng),與傳統(tǒng)智能溫室相比具有集成度高、安裝簡單、操作方便、適配性強等特點,具有較好的應(yīng)用前景,為未來智能化溫室的高可靠性、高自動化奠定了基礎(chǔ)。 參考文獻： 1 劉永華,王念春,陳愷亮.智能溫室自動控制系統(tǒng)的研究與介紹J.計算機與信息技術(shù),2008(8):6869. 2 李偉,段翠芳,滑偉娟.溫室監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢J.中國果菜,2010(8):171172. 3 田祎,樊景博.智能溫室測控系統(tǒng)的分析與設(shè)計J.商洛學院學報,2011,25(2):216219. 4 楊靜,張磊.農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.廣東農(nóng)業(yè)科學,2011,38(4):4046. 智能溫室大棚建設(shè)技術(shù)方案 文檔格式：DOC| 瀏覽次數(shù)：74| 上傳日期：2014-07-01 02:12:30|文檔星級： (function() var s = “_” + Math.