農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境調(diào)控與管理系統(tǒng)設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第7頁共43頁1引言隨著控制技術(shù)、In ternet和移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化、信息化 水平不斷提高，“可控環(huán)境農(nóng)業(yè)”的研究已經(jīng)越來越為人們所重視。如何方便有效地對 溫室環(huán)境進行監(jiān)測和控制，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化水平是目前可控環(huán)境農(nóng)業(yè)研究的 重點。本章簡要說明了課題的研究背景和現(xiàn)實意義，并綜述了溫室環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的研究 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上提出了本文的研究內(nèi)容。1.1 遠(yuǎn)程溫室監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景自20世紀(jì)80年代以來，我國工程科技人員在吸收發(fā)達(dá)國家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基 礎(chǔ)上，進行了溫室中溫度、濕度和二氧化碳等單項環(huán)境因子控制技術(shù)的研究

2、，希望通過 改變植物生長的自然環(huán)境、創(chuàng)造適合植物最佳的生長條件、避免外界惡劣的氣候，達(dá)到 調(diào)節(jié)產(chǎn)期、促進生長發(fā)育、防治病蟲害等目的。由此而引發(fā)的各種溫室測控技術(shù)的實際 應(yīng)用與研究也取得了長足發(fā)展。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)向高層次的自動化、智能化方向發(fā)展，形 成了現(xiàn)代化水平高，比較完善的技術(shù)體系 。我國溫室測控技術(shù)應(yīng)用研究雖然也取得了 一定的進展，但是與發(fā)達(dá)國家相比依舊存在較大差距。隨著世界設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)發(fā)展 迅速，溫室面積和產(chǎn)量大幅增加，對各種溫室測控技術(shù)以及與之緊密相關(guān)的通信技術(shù)的 研究，已經(jīng)引起該領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。1.2 國內(nèi)外溫室測控技術(shù)1.2.1國外溫室測控技術(shù)研究狀況發(fā)達(dá)國家如荷蘭、

3、美國、英國等都大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、CO2濃度、水、氣、營養(yǎng)液等實現(xiàn)計算機調(diào)控。荷蘭在1974年首次研制出計算機控制系統(tǒng)CECS。1978年日本東京大學(xué)的學(xué)者研制出微型計算機溫室綜合環(huán)境控制系 統(tǒng)。目前，日本、荷蘭、美國等發(fā)達(dá)國家可以根據(jù)溫室作物的特點和要求，對溫室內(nèi)的 諸多環(huán)境因子進行環(huán)境控制。在日本，作為設(shè)施農(nóng)業(yè)主要內(nèi)容的設(shè)施園藝相當(dāng)發(fā)達(dá)，塑料溫室和其它人工栽培設(shè) 施達(dá)到普遍應(yīng)用，設(shè)施栽培面積位居世界前列。蔬菜、花卉、水果等普遍實行設(shè)施栽培 生產(chǎn)。針對種苗生產(chǎn)設(shè)施的高溫、多濕等不良環(huán)境。日本有關(guān)部門進行了如下幾種設(shè)施 項目的研究。主要有設(shè)施內(nèi)播種裝置、苗灌水裝置

4、、換氣扇的旋轉(zhuǎn)和遮光裝置的開閉裝置（溫度、濕度及光照控制）、缺苗不良苗的檢測及去除和補栽裝置、CO2施肥裝置等方面的自動化研究2。而在韓國，從1992年以來，政府就把設(shè)施園藝作為重點事業(yè)來推進 發(fā)展，到1992年底，設(shè)施栽培面積為5.3萬mm2,其中帶環(huán)境控制的現(xiàn)代化設(shè)施的設(shè) 置面積占10%左右3。由于溫室能完全控制作物生長的各種條件，近年來溫室農(nóng)業(yè)在以色列得到了飛速發(fā)展。以色列溫室結(jié)構(gòu)非常先進：它裝有幕簾、天窗及遮陽網(wǎng)，可根據(jù)光線強度的不同自 動調(diào)節(jié)和移動，并裝有空氣溫度和濕度調(diào)控等溫室計算機環(huán)境控制系統(tǒng)。以色列科學(xué)家 成功地開發(fā)了一系列計算機軟件、硬件，實現(xiàn)了溫室中供水、施肥和環(huán)境自動化控

5、制。 最新的彌霧氣候控制技術(shù)，使溫室降溫所需的能量非常小4。以色列的溫室從80年代到 90年代更新了三代，利用計算機控制水、肥和溫室小氣候，自動調(diào)溫、調(diào)濕、調(diào)光，而 且結(jié)構(gòu)非常先進，促進了工廠化農(nóng)業(yè)的大發(fā)展。荷蘭園藝溫室發(fā)展較早，由于地處高緯度地區(qū)，日照短，全年平均氣溫較低，因此， 集中較大力量發(fā)展經(jīng)濟價值高的鮮花和蔬菜，大規(guī)模地發(fā)展玻璃溫室和配套的工程設(shè) 施，全部采用計算機控制。荷蘭的全自動化溫室成套設(shè)備在世界市場上享有很高的技術(shù) 聲譽，但荷蘭的溫室業(yè)是一種高能耗的產(chǎn)業(yè)，全國每年溫室消耗天然氣達(dá)42億立方米。英國農(nóng)業(yè)部對溫室的設(shè)計和建造也很重視，在英國西爾索農(nóng)業(yè)工程研究院，科學(xué)家 們進行了溫

6、室環(huán)境（溫度、濕度、光照、通風(fēng)及 CO2及施肥等）與作物生理、溫室環(huán)境因 子的計算機優(yōu)化、溫室節(jié)能、溫室自動控制、溫室作物栽培與產(chǎn)后處理、無土栽培的研 究。目前，英國的溫室大量采用計算機管理，主要控制溫度、濕度、通風(fēng)、CO2濃度、施肥、營養(yǎng)液供給及pH值等。倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的計算機遙控技術(shù)，可以觀測50km以外溫室內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境狀況，并進行遙控 。另外，國外溫室業(yè)正致力于高科技發(fā)展遙測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng) 用于溫室的管理與控制中，Alves-Serodio ，C.M.J等在ISIE ' 98國際會議中提出一體 化的溫室網(wǎng)絡(luò)管理體系模型，可將氣候的調(diào)節(jié)、灌溉系統(tǒng)與營

7、養(yǎng)液的供給系統(tǒng)作為一個 整體，并可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。1.2.2 國內(nèi)溫室測控技術(shù)研究狀況a）集散控制系統(tǒng)（DCS）智能溫室的自動控制系統(tǒng)一般是由控制計算機、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動部件組成 的多輸入、多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在現(xiàn)代溫室測控系統(tǒng)中，運用最多，技術(shù)最成熟的是集散控制系統(tǒng)，總線結(jié)構(gòu)一般采用 RS485溫室群集散控制系統(tǒng)一般以PC機或工控機 為上位機，單片機作為下位機組成。下位機的任務(wù)是完成現(xiàn)場與作物有關(guān)的環(huán)境參量及作物生理參量的信息采集、分析處理和存儲顯示，并通過RS485S線同上位機相連；上位機則主要實現(xiàn)環(huán)境的調(diào)控策略、 集中操作管理、通信控制等功能，協(xié)調(diào)各從機之間的數(shù)據(jù)傳送工作，從而實

8、現(xiàn)對整個系 統(tǒng)的有效管理。隨著單片機及微機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，采用微機與多臺單片 機構(gòu)成小型集散控制系統(tǒng)在現(xiàn)代溫室測控領(lǐng)域的運用非常普遍。它利用單片機價格低、 功能強、抗干擾能力好、溫限寬和面向控制等優(yōu)點，結(jié)合微機的軟硬件支撐，是一般規(guī) 模溫室測控系統(tǒng)的常用選擇方案。但是這類溫室集散控制系統(tǒng)存在著固有的缺陷：控制 系統(tǒng)的物理層采用上下位機主從集散控制結(jié)構(gòu)，一旦上位機出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致整個控 制系統(tǒng)癱瘓，危險過于集中，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性不佳；同時該測控系統(tǒng)采用RS485總線，有效傳輸范圍不超過1200m這將成為現(xiàn)代溫室集群化方向發(fā)展的瓶頸，系統(tǒng)的 拓展性不好，布線復(fù)雜，成本較高。但是作

9、為主流的溫室測控系統(tǒng)架構(gòu)方案，集散控制 系統(tǒng)采用基于RS485 RS422等總線結(jié)構(gòu)的通信方式在國內(nèi)外溫室測控領(lǐng)域仍然占據(jù)主導(dǎo) 地位。b）國內(nèi)溫室測控技術(shù)我國農(nóng)業(yè)計算機的應(yīng)用開始于 20世紀(jì)70年代，20世紀(jì)80年代中期開始應(yīng)用于溫 室控制與管理領(lǐng)域。從1979至1987年陸續(xù)從6個國家（荷蘭、日本、美國、意大利、 羅馬尼亞、保加利亞）等引進24套溫室，總而積19萬平方米。這些溫室系統(tǒng)的引進， 總計投資960萬美元，人民幣2570萬元。每平方米面積投資80-100美元，還不包括修 建鍋爐房、水塔等輔助建筑的投資和國內(nèi)運費、關(guān)稅等開支。從國外引進的現(xiàn)代化溫室，雖然在國外經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，技術(shù)

10、上也比較成熟和先進，但是在使用中卻出 現(xiàn)了一些問題，如體積大、能耗大、濕簾降溫較差；從經(jīng)濟效益上看，因為設(shè)備投資大， 運行費用高，產(chǎn)值較低，普遍虧損等，所以并末得到普及。實踐證明，如果既要符合我 國自己的氣候特點，又可降低投資費用，根本出路在于吸收國外溫室設(shè)施的有益經(jīng)驗和 技術(shù)，建設(shè)我國自己的溫室產(chǎn)業(yè)，設(shè)計生產(chǎn)符合我國經(jīng)濟水平和各種氣候特點的溫室系 列。從80年代開始，我國的農(nóng)業(yè)工程科技人員在吸收發(fā)達(dá)國家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的 基礎(chǔ)上，進行了溫室中溫度、濕度和 CO2等單項環(huán)境因子控制技術(shù)的研究，并逐步推出適宜我國經(jīng)濟發(fā)展水平又能滿足不同生態(tài)氣候條件需要的溫室產(chǎn)品20世紀(jì)90年代初期，中國農(nóng)業(yè)科

11、學(xué)院農(nóng)業(yè)氣象研究所和蔬菜花卉研究所，研制開 發(fā)了溫室控制與管理系統(tǒng)，并采用 Visual Basic開發(fā)了基于windows操作系統(tǒng)的控制軟 件。90年代中后期，江蘇理工大學(xué)毛罕平等研制開發(fā)了溫室軟硬件控制系統(tǒng)，能對營養(yǎng)液系統(tǒng)、溫度、光照、CO2,施肥等進行綜合控制，是目前國產(chǎn)化溫室計算機控制系統(tǒng) 較為典型的研究成果。在此期間，中國科學(xué)院石家莊現(xiàn)代化研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，中 國科學(xué)院上海植物生理研究所等單位也都側(cè)重不同領(lǐng)域，研究溫室設(shè)施計算機控制與管理技術(shù)，“九五”期間，國家科技攻關(guān)項目和國家自然科學(xué)基金委，均首次增設(shè)了工廠 化農(nóng)業(yè)（設(shè)施農(nóng)業(yè)）研究項目，并且在項目中加大了計一算機應(yīng)用研究的力度

12、。90年代末河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院的目忠文研制了蔬菜大棚溫濕度測量系統(tǒng)，能對大棚內(nèi)的溫濕度進行實時測量與控制。吉林工業(yè)大學(xué)于海業(yè)、馬成林等人（1999）研制的溫室環(huán)境（溫度、濕度）自動檢測系統(tǒng)是以一臺IBM/PC及其兼容機作為主控機，模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用插入式數(shù) 據(jù)采集板卡來實現(xiàn)的。還有許多高等院校、科研所都在進行溫室控制系統(tǒng)的相關(guān)研究， 并且許多單位都己建起或?qū)⒁ㄆ饻厥铱刂葡到y(tǒng)的總體框架，并形成了一些控制理論， 如王宇欣的高寒地區(qū)充氣膜溫室局部環(huán)境調(diào)控分析等9。可以看出我國溫室設(shè)施計算機應(yīng)用與研究，在總體上正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱没⒕C合性應(yīng)用階段過 渡和發(fā)展。這些無疑對我國的溫室發(fā)展起了

13、積極的作用，但是與國外先進水平相比仍有定的差距本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第8頁共43頁2 系統(tǒng)組成2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)目前國內(nèi)外研究開發(fā)的溫室控制系統(tǒng)，大致可分為以下三種：1）單獨式多單元溫室系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)主要利用專門的溫室氣候控制計算機來檢測多個傳感器的輸入信號及輸出控制信號，這種控制計算機的外形與PC機相似，所有的傳感器和繼電器由電纜與它直接相連， 通過顯示屏以畫面的形式生動地顯示溫室運 行情衫之，并可以存儲、打印、統(tǒng)計分析、曲線說明等。但這種控制系統(tǒng)的價格比較昂 貴。2）單片機控制一個溫室單元系統(tǒng)。這是隨單片機的發(fā)展而出現(xiàn)的，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng) 用于國內(nèi)外許多溫室中。它充分利用了單片機的數(shù)

14、據(jù)傳輸方便快捷、 接口通道配置靈活、 性能穩(wěn)定可靠、價格低廉等優(yōu)點。但這種控制結(jié)構(gòu)由于單片機存儲容量小，不能保存大盤的數(shù)據(jù)，不利于分析，且人力消耗大。3）分布式多單元系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對由多個溫室構(gòu)成的溫室群地區(qū)而提出的， 它將PC機與前面兩種系統(tǒng)的優(yōu)點融為一體，每個溫室由前沿機（氣候控制計算機或單片 機控制系統(tǒng)）進行分散控制。主控室中的PC機對溫室群集中管理。這種系統(tǒng)在提高工作 效率、安全、舒適性方面有著不可比擬的優(yōu)越性，是現(xiàn)代溫室監(jiān)控系統(tǒng)的典型模式。單片機結(jié)構(gòu)簡單、物美價廉、設(shè)計與使用方便、抗干擾性及適應(yīng)環(huán)境的能力強。因 而常被用作自動化系統(tǒng)的前端處理器（下位機），深入到現(xiàn)場，采集各種數(shù)據(jù)

15、及信息，進 行簡單的處理后送至上位機。同時它也是一種控制器，接收上位機下達(dá)的命令，對現(xiàn)場 實行有關(guān)的控制。微機功能強大、人機界面友好，能處理很復(fù)雜的問題。在自動化系統(tǒng) 中，通常用作中央處理器（上位機），接收來自下位機的信息和數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后在微機界 面上顯示，并向下位機下達(dá)命令，通過下位機對現(xiàn)場實施控制10。本課題兼顧單片機和微機的特點，采用分布式監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第9頁共43頁主控計算機（上位機）串行通信接口數(shù)據(jù)采集/控制器1數(shù)據(jù)采集/控制器3圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集/控制器2本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第#頁共43頁本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第#頁共43頁本系統(tǒng)由許多分布在各溫室中的控制器（下位機）和主控計算機（上位機）組成，每個控制器連接到主控計算機上，處理各種傳感器所采集的數(shù)據(jù)并對控制驅(qū)動器進行實時 控制：主控計算機存儲、顯示控制器傳送來的數(shù)據(jù)，并可以向每個控制器發(fā)送控制設(shè)定 值和其它控制參數(shù)，對溫室進行監(jiān)測與控制。該模式不僅適用于溫室群的集中管理，而 且能夠根據(jù)用戶需要通過方便、靈活的系統(tǒng)配置及功能重組，實現(xiàn)多個溫室的控制管理。由于溫室