分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng) 文獻(xiàn)綜述

浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述（2014屆）題 目分布式溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)學(xué) 院 信息與電子工程學(xué)院專 業(yè)電子信息工程班 級(jí) 102班 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成日期2014年2月20日本課題的研究意義農(nóng)業(yè)是國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)，我國(guó)作為世界第一農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。良好的氣候與生態(tài)環(huán)境條件是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要保障，而我國(guó)幅員遼闊，氣候與生態(tài)環(huán)境條件相對(duì)惡劣，制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展。我國(guó)作為世界第一農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)上也是積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，但我國(guó)大部分地區(qū)都存在山多土地少，圖治不好，土壤資源匱乏，氣候條件復(fù)雜多變等劣勢(shì)，這些劣勢(shì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)極其不利；況且隨著社會(huì)的進(jìn)步，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人也日趨減少，而社會(huì)的對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求卻日益增高，原有農(nóng)作種植方式已經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要，必須對(duì)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)進(jìn)行技術(shù)更新和改造。近年來(lái)，中央的一號(hào)文件都是關(guān)于農(nóng)業(yè)的，而且在黨的十八大，黨中央明確提出要推動(dòng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。因此，在我國(guó)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)是今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，推廣高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也勢(shì)在必行。而現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)技術(shù)就能夠滿足以上的要求。溫室作為一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所。建造溫室的目的就是為了模擬適于作物生長(zhǎng)的氣候條件，創(chuàng)造人工氣象環(huán)境以消除外界對(duì)作物生長(zhǎng)不利的環(huán)境因素來(lái)促進(jìn)作物生長(zhǎng)，使其部分或者全部克服外界氣候的制約，從而縮短作物生長(zhǎng)周期，提高作物產(chǎn)量，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。由于影響作物生長(zhǎng)的因素主要是溫度、濕度、光照度，所以溫室的主要目的就是能對(duì)溫度、濕度、光照度等進(jìn)行監(jiān)控。也就是溫室環(huán)境監(jiān)控，其平臺(tái)就是溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。目前在溫室中使用的無(wú)線通信方式存在一定的局限性，如藍(lán)牙通信設(shè)備成本高、功耗大（在不充電的情況下僅能工作幾周），當(dāng)作為主設(shè)備時(shí)只能連接7個(gè)從設(shè)備；。其他的無(wú)線通信方式也或多或少存在一定的缺陷。但就無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本身而言，我國(guó)在傳感器組網(wǎng)方面的研究工作做的還是比較少的，大多數(shù)停留在基礎(chǔ)理論跟國(guó)際研究階段，缺乏典型的實(shí)際應(yīng)用示范及產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，有必要通過(guò)溫室實(shí)際應(yīng)用來(lái)提升我國(guó)在這一領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代溫室等設(shè)施農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)將解決目前溫室等設(shè)施的一系列缺陷和弊端，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化，提高設(shè)施環(huán)境調(diào)控智能化，自動(dòng)調(diào)控溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因子，因此基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)潛在用戶巨大、市場(chǎng)前景良好、經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時(shí)改善溫室等設(shè)施內(nèi)工作環(huán)境和工作條件，保障農(nóng)民身體健康，提高農(nóng)民生活質(zhì)量，有助于解決“三農(nóng)”問(wèn)題，為我國(guó)的現(xiàn)代化做出貢獻(xiàn)。對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的增長(zhǎng)、增收，推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)智能化進(jìn)程具有極其重要的意義，具有巨大的社會(huì)效益。本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀[1]國(guó)外對(duì)溫室環(huán)境控制技術(shù)的研究較早，始于 20世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。 80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正在開(kāi)發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。現(xiàn)在世界各國(guó)的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。像園藝強(qiáng)國(guó)荷蘭，以先進(jìn)的鮮花生產(chǎn)技術(shù)著稱于世，其玻璃溫室的控制系統(tǒng)全部由計(jì)算機(jī)操作。日本研制的蔬菜大棚在光照、播種、運(yùn)苗、灌水、噴藥等作業(yè)的自動(dòng)化和無(wú)人化方面都有應(yīng)用。日本利用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法，主要是將各種作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段多需要的環(huán)境條件輸入計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)某一環(huán)境因素發(fā)生改變時(shí)，其余因素自動(dòng)做出相應(yīng)修正或調(diào)整，一般以光照條件作為始變因素，溫度、濕度和二氧化碳濃度作為隨便因素，使這四個(gè)主要的環(huán)境因素隨時(shí)處于最佳配合狀態(tài)。美國(guó)和荷蘭還利用溫差管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉、果蔬等產(chǎn)品的開(kāi)花和成熟期進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)和市場(chǎng)的需要。英國(guó)倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀測(cè) 50km以外溫室內(nèi)的光、濕、溫、氣和水等環(huán)境狀況，并進(jìn)行遙控。韓國(guó)為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和降低生產(chǎn)費(fèi)用，溫室內(nèi)設(shè)置了光照控制等環(huán)境因子的自動(dòng)化裝置，但由于有些自動(dòng)化裝置需要靠人們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，因此沒(méi)能充分發(fā)揮它們的作用。另外，軟件的開(kāi)發(fā)也存在一定的問(wèn)題。目前，以色列走在了發(fā)展現(xiàn)代溫室高產(chǎn)農(nóng)業(yè)的前列，其先進(jìn)一體化智能光照控制溫室、配套監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)及相關(guān)設(shè)備均為世界領(lǐng)先水平，極大程度上彌補(bǔ)了其本國(guó)農(nóng)業(yè)資源、氣候環(huán)境和基本國(guó)情的先天不足。2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀[2]作為世界第一農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)對(duì)于溫室控制技術(shù)的研究較晚，始于 20實(shí)際80年代。我國(guó)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家溫室控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了人工氣候室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于光照、溫濕度和二氧化碳濃度等單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。之后，我國(guó)的溫室控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展。20世紀(jì)80年代，我國(guó)先后從歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了連棟溫室。由于當(dāng)時(shí)只注重引進(jìn)溫室設(shè)備，而忽略了溫室的管理技術(shù)和栽培技術(shù)，且引進(jìn)的溫室能耗過(guò)高，致使企業(yè)相機(jī)虧損或停產(chǎn)。 90年代初，我國(guó)大型溫室跌入了發(fā)展的低谷。“九五”期間，以引進(jìn)以色列溫室技術(shù)為代表的北京中以示范農(nóng)場(chǎng)的建立，拉開(kāi)了我國(guó)第二次學(xué)習(xí)和引進(jìn)國(guó)外現(xiàn)代溫室技術(shù)的序幕。到 90年代中后期，在對(duì)國(guó)外溫室設(shè)備配置、溫室栽培品種、栽培技術(shù)等各個(gè)方面進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)了一些研究性質(zhì)的環(huán)境控制系統(tǒng)。1995年，北京農(nóng)業(yè)大學(xué)成功研制了“WJG-1型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)”，此系統(tǒng)屬于小型分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，包含了對(duì)溫室光照、溫濕度、灌溉等子系統(tǒng)。1996年，江蘇理工大學(xué)毛罕平等研制成功了使用工控機(jī)進(jìn)行管理的植物工廠系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)溫度、光照、二氧化碳濃度、營(yíng)養(yǎng)液和施肥等進(jìn)行綜合控制，是目前國(guó)產(chǎn)化溫室控制技術(shù)比較典型的研究成果。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制成功了新型智能溫室系統(tǒng)。該系統(tǒng)由大棚本體及通風(fēng)降溫系統(tǒng)、 太陽(yáng)能貯存系統(tǒng)⑶、燃油熱風(fēng)加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)等組成。1997年以來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在溫室環(huán)境的自動(dòng)控制技術(shù)方面也取得了一定的成果。90年代末，河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院的閏忠文研制了一體化蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)，其能夠?qū)庹?、溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。但由于我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平較低，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)程度相對(duì)較低，成型實(shí)用的相關(guān)配套技術(shù)較少溫室的一次性投資大，以及對(duì)操作人員的素質(zhì)要求比較高等因素，限制了溫室控制技術(shù)在我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的發(fā)展。本課題研究的關(guān)鍵問(wèn)題及方法分布式溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)UH5］的研究涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、生物技術(shù)與環(huán)境科學(xué)等多種技術(shù)領(lǐng)域。在21世紀(jì)前，由于匱乏核心技術(shù)的支撐，功能齊全的完全智能化的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)應(yīng)用的還不是很多。但是，隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，其運(yùn)用于環(huán)境監(jiān)控方面的優(yōu)勢(shì)逐步突顯，其相對(duì)廉價(jià)的成本與豐富便利的應(yīng)用功能為溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的建立提供了有力的技術(shù)支撐平臺(tái)。因此，在我國(guó)研究基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室相關(guān)控制系統(tǒng)⑹［7］，具有其獨(dú)特的科研價(jià)值和使用性。鑒于溫室環(huán)境檢測(cè)與控制中遇到的問(wèn)題和溫室產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的總體趨勢(shì)，本課題研究的目的在于解決溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制低成本問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，研制出一套較高性價(jià)比的分布式控制系統(tǒng)硬件、軟件，以期能夠?yàn)槲覈?guó)的農(nóng)業(yè)智能化⑻發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。1研究的基本內(nèi)容：整個(gè)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的架構(gòu)。這里包括了環(huán)境檢測(cè)模塊、中央控制模塊、電機(jī)模塊還有每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)相互通信的無(wú)線傳輸模塊等。這里的每個(gè)模塊都有相對(duì)應(yīng)的技術(shù)問(wèn)題，有待一一解決。環(huán)境檢測(cè)模塊中，主要的研究?jī)?nèi)容為在環(huán)境較為復(fù)雜的溫室之中如何獲取正確的、必要的數(shù)據(jù)。我們要知道溫室中土壤的溫度、濕度，空氣的溫度、濕度，應(yīng)如何選取正確的傳感器［9］以及了解其所適應(yīng)的工作環(huán)境，以免造成不必要的測(cè)量誤差。中央控制模塊。軟件的設(shè)計(jì)，采用51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，隨后由中央控制模塊來(lái)發(fā)出控制指令進(jìn)而控制顯示模塊與存儲(chǔ)模塊。采用C語(yǔ)言［10］進(jìn)行編程。電機(jī)模塊接收來(lái)自中央在控制模塊的指令，進(jìn)而控制相應(yīng)的燈泡亮滅(這里用220V燈泡來(lái)代替溫室中的風(fēng)扇、噴淋灌溉閥門(mén)以及電動(dòng)卷簾)。模塊間的無(wú)線傳輸研究。51單片機(jī)控制的無(wú)線傳輸與接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)技術(shù)研究。系統(tǒng)供電方案研究［11］。GSM模塊的短信應(yīng)用研究［12］［13］。單片機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控目的，人機(jī)交互更加便捷。2需要解決的主要問(wèn)題：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與采集涉及到傳感器的選擇問(wèn)題。在環(huán)境較為復(fù)雜的溫室中，要想得到想要的數(shù)據(jù)參數(shù)，必須選擇正確的傳感器和達(dá)到一定的精確度要求。編寫(xiě)正確的軟件程序來(lái)處理所采集的數(shù)據(jù)問(wèn)題。運(yùn)用不同的算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理，得到正確的指令代碼形式。所寫(xiě)的代碼應(yīng)具備一定的靈活性，有助于之后的人機(jī)交互中的數(shù)據(jù)修改。編寫(xiě)過(guò)程中還要注意設(shè)置固定參數(shù)問(wèn)題，這符合溫室監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示問(wèn)題。采用的是顯示屏是分辨率不小于VGA的LCD顯示屏且能連續(xù)記錄至少1000000個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。斷電24小時(shí)之內(nèi)數(shù)據(jù)不能丟失。最后的技術(shù)關(guān)鍵是遠(yuǎn)程操控溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。所采用的是GSM模塊的短信應(yīng)用，單片機(jī)所記錄下的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以直接呈現(xiàn)在用戶的面前，而用戶只需通過(guò)短信的方式就能遠(yuǎn)程操控溫室系統(tǒng)，從而達(dá)到人機(jī)交互更加便捷的目的。四、總結(jié)部分本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)將分為兩大部分完成：第一是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的認(rèn)識(shí)，熟悉各個(gè)模塊的組成與工作原理。第二是分布式溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。具體步驟：將在模擬溫室的環(huán)境中進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，分析并處理數(shù)據(jù)。通過(guò)分析數(shù)據(jù)，對(duì)不同的參數(shù)要求進(jìn)行算法設(shè)置，還有通訊設(shè)置。最后在相應(yīng)的軟件支撐基礎(chǔ)上，研發(fā)出分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。改空通濕圖1分布式溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)框圖參考文獻(xiàn)于海業(yè)，馬成林，陳曉光.發(fā)達(dá)國(guó)家溫室設(shè)施自動(dòng)化研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1997,(zk):253-257李萍萍，毛漢平.我國(guó)溫室生產(chǎn)的現(xiàn)狀與亟待研究的技術(shù)問(wèn)題探討[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1996,(03):135-139史永基，高雅利.半導(dǎo)體/液體結(jié)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和貯存研究進(jìn)展[J].傳感器世界，2008.14(8)：6-10.VGoggos,RKing.Qualitative-evolutionarydesignofgreenhouseenvironmentcontrolagents[J].ComputersandAgriculture,2000,(26):271-282.楊衛(wèi)中，王一鳴，李海健.分布式溫室智能控制系統(tǒng)智能控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006，(02)：137-140王艷艷.基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2012.劉建峰.溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.彭培英，殷建秋，馬冰玉.智能化技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.31(5)：125-129何鵬，袁琪，丁春欣.傳感器在溫室大棚控制中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與農(nóng)業(yè)，200