分布式溫室控制系統(tǒng)

1、分布式溫室控制系統(tǒng)分布式溫室控制系統(tǒng)摘要針對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)化控制的需要，研制了“分布式智能型溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”。該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為中心計(jì)算機(jī)和單片機(jī)智能控制儀的主從式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)溫室專家系統(tǒng)的人工智能技術(shù)，對(duì)溫室內(nèi)外環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能化決策調(diào)節(jié)，為農(nóng)作物創(chuàng)造最優(yōu)化的生長條件。實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)使系統(tǒng)的通信,環(huán)境參數(shù)采集,控制可以同時(shí)進(jìn)行：由于現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜性和多變性,依靠精確數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制已經(jīng)無法很好地解決問題，因此，本系統(tǒng)采用存儲(chǔ)大量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的專家系統(tǒng)來達(dá)到控制的目的。采用專家系統(tǒng)從理論上去驗(yàn)證和分析系統(tǒng),保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，降低了開發(fā)難度

2、。系統(tǒng)硬件主要由環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、智能決策模塊組成。軟件部分采用COM組態(tài)方式實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)庫管理模塊、人工控制模塊等幾部分構(gòu)成，具有操作簡(jiǎn)便，可靠性高，便于升級(jí)擴(kuò)充等特點(diǎn)，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。本系統(tǒng)軟件采用組態(tài)方式實(shí)現(xiàn),文中介紹了如何利用COM來實(shí)現(xiàn)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件。傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)在的分布式軟件模型的要求,組件化的程序設(shè)計(jì)思想是為了提高軟件的可重用洼,可擴(kuò)展性而出現(xiàn)的。組態(tài)軟件則是為了滿足控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)情況的多變性而出現(xiàn)的。為了提高軟件的可重用性.減少控制軟件設(shè)計(jì)中的重復(fù)勞動(dòng)，所以控制軟件設(shè)計(jì)成為組態(tài)方式成為一種趨勢(shì)。利用COM的思想，采取模塊包裝的方式來實(shí)現(xiàn)組

3、態(tài)軟件使得這樣的軟件能夠直用于不同的控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：溫室專家系統(tǒng)人工智能組態(tài)軟件單片機(jī)1緒論二十一世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)。加強(qiáng)以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)為主體的農(nóng)業(yè)高科技的研究與開發(fā),是下個(gè)世紀(jì)我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能否掌握科技進(jìn)步主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵。發(fā)展農(nóng)業(yè)高科技產(chǎn)業(yè)是促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)高科技研究開發(fā)及其與經(jīng)濟(jì)建設(shè)緊密結(jié)合的重要途徑。溫室設(shè)旌的自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)能為作物創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，同時(shí)溫室內(nèi)的高溫、高濕作業(yè)環(huán)境，又需要作業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)。隨著溫室面積的擴(kuò)大以及自動(dòng)化裝備的應(yīng)用，如何進(jìn)行溫室的群管理，以降低運(yùn)行成本、提高效率、實(shí)現(xiàn)環(huán)境的精確控制成為目前研究的關(guān)鍵問題。針對(duì)溫室環(huán)境的自動(dòng)控制技術(shù)、智能管理技術(shù)、溫室群管

4、理技術(shù)正在逐步得到應(yīng)用，并正向無人化方向發(fā)展。.從計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)，已形成了世界范圍的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。由于信啟.資源量大、更新傳遞速度快、遍及世界各地等特點(diǎn)，近年來它的應(yīng)用取得了飛速的進(jìn)展，同時(shí)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。近幾年來，隨著低價(jià)格、高性能計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的低價(jià)格和高速度,人們?cè)趯で髮厥业挠?jì)算機(jī)檢測(cè)控制信息形成網(wǎng)絡(luò)化，利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)溫室群的高效率栽培管理，環(huán)境控制的精確化、節(jié)能化以及設(shè)備成本的降低。本文主要介紹并分析遠(yuǎn)程分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)在溫室環(huán)境控制上的應(yīng)用。國外研究現(xiàn)狀溫室設(shè)施使用基于internet的遠(yuǎn)程控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)設(shè)施環(huán)境檢測(cè)和控制，即在遠(yuǎn)離溫室

5、現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)所，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫室設(shè)施的溫度、濕度等設(shè)施環(huán)境的確認(rèn).也可以變更加溫器等環(huán)境控制沒各的設(shè)定值。在發(fā)生異常情況時(shí).可以自動(dòng)通報(bào)到牛產(chǎn)者的電話或者傳呼機(jī)上，遠(yuǎn)程進(jìn)行緊急處置。使用該技術(shù)主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：1）可以利用網(wǎng)絡(luò)的高效率管理，實(shí)現(xiàn)分敞控制功能，使壞境均勻化、節(jié)能.實(shí)現(xiàn)精確控制。2）降低設(shè)備成本，節(jié)省人力。3）實(shí)現(xiàn)溫室的群管理。日本的四國電力集團(tuán)開發(fā)了“OPENPLANE稱OB”這一適合于雙方向的遠(yuǎn)程監(jiān)視控制系統(tǒng)。陵系統(tǒng)主要由檢測(cè)控制用LAN、信息采集單元、數(shù)據(jù)記錄單元、分散控制器、OP服務(wù)器計(jì)算機(jī)等組成。由軟件編程做成的模擬實(shí)物機(jī)器的“虛擬機(jī)VM”，可以在網(wǎng)絡(luò)間任意傳送。用PC機(jī)或P

6、DA及移動(dòng)電話可以把這個(gè)“虛擬機(jī)”呼出來進(jìn)行操作。OPENPLANET術(shù)讓“無論何地，分晝夜，只要機(jī)網(wǎng)相聯(lián)，便能遙控自如”的構(gòu)想變?yōu)榉奖阋仔械默F(xiàn)實(shí)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫室的群管理。結(jié)合人工智能及其專家系統(tǒng)領(lǐng)域的研究?jī)?yōu)勢(shì).采用中央控制計(jì)算機(jī)與單片機(jī)智能控制器的主從式體系結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)溫室專家系統(tǒng)，研制了了這套分布式智能型溫室控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)溫度，濕度.光照等環(huán)境因子實(shí)行實(shí)時(shí)控制.多任務(wù)的控制方式提高了溫室系統(tǒng)的靈活性，高精度傳感器保證了控制精度；分布式體系結(jié)構(gòu)使得控制部分與溫室部分可以分離開宋，兩者通過一根總線進(jìn)行多譏通信，降低了通信成本，使得系統(tǒng)能夠很方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制或昔手動(dòng)

7、控制。1 .系統(tǒng)軟件采用組態(tài)化設(shè)計(jì)。由于控制方式的多樣性以及溫室數(shù)目，溫室設(shè)備種類的變化，對(duì)溫室控制軟件有著更好的要求，即要求它能根據(jù)不同的場(chǎng)合進(jìn)行軟P舊1態(tài)。組件化程序設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)真正的軟件重用和高度的互操作性.它側(cè)重于組件的產(chǎn)生和裝配，這樣使得系統(tǒng)能夠滿足不同的現(xiàn)場(chǎng)狀況，可以根據(jù)不同的項(xiàng)目束預(yù)制軟件，大大提高了軟件開發(fā)的重用性。2 .溫室控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)2.1 智能溫室控制系統(tǒng)的特點(diǎn)智能溫室控制主要是根據(jù)外界環(huán)境的溫度、濕度、光照以及服速、風(fēng)向、雨量等氣候因子，基于溫室專家系統(tǒng)和用戶參數(shù)設(shè)定，通過一些控制措施米調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度、濕度、通風(fēng)、光照等環(huán)境因子，創(chuàng)造出適合作物生長的合適溫室生

8、態(tài)環(huán)境（該環(huán)境是按不同作物生長的要求進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化后制定的），即根據(jù)作物不同生長階段的需求制定出檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)，將測(cè)得參數(shù)進(jìn)行比較后自動(dòng)調(diào)整溫室各個(gè)控制設(shè)各狀態(tài)，以使各項(xiàng)環(huán)境因子符合既定要求。目前對(duì)溫室環(huán)境控制主要采用兩種方式：?jiǎn)我蜃涌刂坪投嘁蜃泳C合控制。（1）單因子控制是相對(duì)簡(jiǎn)單的控制技術(shù)，在控制過程中只對(duì)某一要素進(jìn)行控制，不考慮其它要素的影響和變化（2）多因子綜合控制也稱復(fù)合控制，可不同程度彌補(bǔ)單因子控制的缺陷。該種控制方法根據(jù)作物對(duì)備種環(huán)境要素的配合關(guān)系，當(dāng)某一種要素發(fā)生變化刑，其它要素自動(dòng)做出相應(yīng)改變和調(diào)整，能更好地優(yōu)化環(huán)境組合條件.是溫室控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。由于

9、控制方式的多樣性以及溫室數(shù)目，溫室設(shè)備種類的變化.對(duì)溫室控制軟件有著更好的要求，即要求它能根據(jù)不同的場(chǎng)合進(jìn)行軟件組態(tài)。能夠把大部分的開發(fā)工作集中在用戶提出項(xiàng)目需求之前進(jìn)行，這樣可以保證用戶提出需求或者調(diào)整需求后迅速生成或者改動(dòng)系統(tǒng)。通過組態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).可以降低項(xiàng)目承接后的軟件開發(fā)工作量，可以利用更多的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試以及軟件的易用性進(jìn)行改進(jìn)。2.2 溫室控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)及各部分功能按照系統(tǒng)要達(dá)到的控制目的，溫室控制系統(tǒng)是由四個(gè)部分組成：1）信號(hào)采集輸入部分：包括溫度、濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等環(huán)境因子的撿測(cè)：2）信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理部分：將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)和操作人員可識(shí)別的量，

10、并由汁算機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理；3）輸出及控制部分：控截風(fēng)機(jī)濕簾、遮陽網(wǎng)、窗的開關(guān)等系統(tǒng)。4）灌溉控制：包括定時(shí)灌溉，時(shí)間由控制室調(diào)整制定.并可根據(jù)實(shí)際情況.在溫室內(nèi)進(jìn)行手動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)的各個(gè)部分功能和關(guān)系如下：1）計(jì)算機(jī)為管理機(jī)，完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及管理功能。2）每個(gè)溫室具有灌溉控制和氣侯控制2個(gè)從機(jī)。3）從機(jī)為控制機(jī)，采用單片機(jī)系統(tǒng)，直接實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的控制功能，并能在主機(jī)關(guān)機(jī)的條件下實(shí)現(xiàn)所有的控制功能。4）串行通信采用RS485接口實(shí)現(xiàn)一對(duì)多通信，主要是主機(jī)向從機(jī)發(fā)送控制參數(shù)，從機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)傳給主機(jī)。5）數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器及運(yùn)行設(shè)備的檢測(cè)。6）控制器及其設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)輸出的信號(hào)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)

11、設(shè)備進(jìn)行控制。輸入輸出部分包括輸入模塊和輸出模塊，輸入模塊將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸入到從機(jī).輸出模塊將系統(tǒng)的控制信號(hào)輸出到控制器及其設(shè)備部分。系統(tǒng)組成及硬件實(shí)現(xiàn)過去溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本上采用了主機(jī)一終端模式(HostTerminaIMode),該模式通過一個(gè)主機(jī)作為控制中心，負(fù)責(zé)對(duì)其它各子系統(tǒng)進(jìn)行控制管理，該種模式不靈活，且投入較大。我們的溫室控制系統(tǒng)由中心計(jì)算機(jī)和單片機(jī)控制儀組成，一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通汛，用戶通過上位機(jī)對(duì)溫室進(jìn)行監(jiān)控以及控制。計(jì)算機(jī)與控制儀之間采用RS485總線連接方式，這種連接方式使得數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，快速。目前分布式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，該控制系統(tǒng)采用

12、了所1胃服務(wù)器一客戶模式。所謂分布式系統(tǒng)是指在整個(gè)系統(tǒng)中不存在一個(gè)所謂的中心處理系統(tǒng)，而是由許多分布在各溫室中的可編程控制器組成，每一個(gè)控制器連接到中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。由每個(gè)子處理器處理所采集的資料并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，而由主處理器存儲(chǔ)和顯示子處理器傳送來的資料，主處理器可以向每個(gè)子處理器發(fā)送控制設(shè)定值和其它控制參數(shù)。本系統(tǒng)采用了分布式的體系結(jié)構(gòu)，采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)控制儀，系統(tǒng)之間通過串口總線進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)通過與控制儀通信獲取溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)軟件里面預(yù)制的專家系統(tǒng)對(duì)溫室進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)控制。專家系統(tǒng)包含了溫室模糊控制算法，PID調(diào)節(jié)算法，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等數(shù)據(jù)。每一個(gè)控制儀控制一個(gè)溫室，控制儀主要

13、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)等功能。控制儀包含了采集，控制等電路，采用微控制器實(shí)現(xiàn)，而且外擴(kuò)的鍵盤和LCD使得可以在現(xiàn)場(chǎng)直接觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。控制儀外擴(kuò)存儲(chǔ)器，可以儲(chǔ)存運(yùn)行參數(shù)及保存歷史數(shù)據(jù)，使得控制儀可以獨(dú)立于計(jì)算機(jī)工作以及針對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)'亍相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)整，數(shù)據(jù)查錯(cuò)等處理。總結(jié)本文采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和溫室專家系統(tǒng)人工智能技術(shù)。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)的多個(gè)決策可以并行的運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和反應(yīng)速度；存儲(chǔ)大量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的溫室專家系統(tǒng)的采用保證了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)用性，可靠性；軟件組態(tài)的方式可以讓軟件適用于各種不同的溫室系統(tǒng)中，減少了重復(fù)編碼工作，提高了軟件開

14、發(fā)的效率。溫室控制系統(tǒng)使用了一臺(tái)微機(jī)作監(jiān)控服務(wù)器，多臺(tái)由單片機(jī)為核心的溫室智能控制器分別控制多個(gè)溫室。使用語言開發(fā)了控制器C5I軟件和通信程序，監(jiān)控服務(wù)器監(jiān)控軟件是在W1ndowsxp環(huán)境下、VisualC.+6.0平臺(tái)上開發(fā)的，通信程序使用Msc0mm控件編寫，最終靈活地實(shí)現(xiàn)了周期性數(shù)據(jù)采集和非周期性人工干預(yù)兩種通信方式的完美結(jié)合，通信效果相當(dāng)理想，整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果也達(dá)到了預(yù)期效果。建議1）分布式系統(tǒng)是一個(gè)開放式的系統(tǒng)，必須隨著技術(shù)的發(fā)展不斷前進(jìn)，即系統(tǒng)模型需要演進(jìn)；2）智能傳感器的改進(jìn)：目前系統(tǒng)使用的傳感器已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)溫室控制的需要，為了能夠?qū)厥疫M(jìn)行更加精確的控制，進(jìn)一步提高傳感器的精度和穩(wěn)定性是很有必要的了；3）豐富上位機(jī)的管理功能：由于實(shí)際應(yīng)用的要