郭立帥，徐秀妮，蘇 禮

(隴東學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅慶陽745000)

智能化溫室大棚利用環(huán)境控制設(shè)備通過人為手段營造適宜農(nóng)作物生長發(fā)育的條件，使農(nóng)作物的生長擺脫傳統(tǒng)種植方式下對自然環(huán)境的高度依賴.智能化溫室大棚控制系統(tǒng)就是通過調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照、CO2、土壤PH值、營養(yǎng)液等環(huán)境參數(shù)使其處于事先確定的最佳值，為農(nóng)作物的生長提供良好的生長環(huán)境，從而控制農(nóng)作物生長周期、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及質(zhì)量等.

在溫室系統(tǒng)開發(fā)中，其控制結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要.合理的控制結(jié)構(gòu)能提高溫室控制系統(tǒng)控制的精確性、運行的可靠性、推廣應(yīng)用上的靈活性.現(xiàn)有的溫室控制結(jié)構(gòu)有單片機控制系統(tǒng)、基于IPC(工控機)的控制系統(tǒng)、基于PLC的控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)等幾種模式.為了適應(yīng)大型連棟溫室集群控制的需要，經(jīng)過對各種溫室控制結(jié)構(gòu)進行分析研究，本設(shè)計采用的是分布式控制系統(tǒng)［1］.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

分布式控制系統(tǒng)一般由兩級構(gòu)成，即上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng).上位機系統(tǒng)位于管理室內(nèi)，包括PC機、數(shù)據(jù)采集卡、通信轉(zhuǎn)換卡等，主要功能有設(shè)定參數(shù)、數(shù)據(jù)管理(即顯示、保存和查詢等)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、智能決策等.下位機系統(tǒng)即是位于溫室中的現(xiàn)場控制器系統(tǒng)，包括各種傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、現(xiàn)場控制器、手動控制器等，主要功能有采集溫度、濕度、光照、CO2濃度等各種環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的控制功能以及監(jiān)控溫室設(shè)備.上位機系統(tǒng)可以對多個溫室集中進行監(jiān)測、控制和管理，用戶在管理室里就可以了解全部溫室的運行情況;各個溫室中的現(xiàn)場控制器工作時相互獨立、互不影響，即當(dāng)某個現(xiàn)場控制器發(fā)生故障或其與PC機相連的通信線路發(fā)生故障時不會影響其他現(xiàn)場控制器的正常工作，提高了整個控制系統(tǒng)的安全可靠性;多臺現(xiàn)場控制器共享PC機的管理功能.因此，該控制系統(tǒng)具有可靠性高和成本低、設(shè)備利用率高等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)溫室集群控制.

在該分布式控制系統(tǒng)中，采用分模塊獨立設(shè)計上位機和下位機的方式.控制過程既可以由上、下位機結(jié)合完成，也可以由下位機獨立運行.上、下位機和傳感器系統(tǒng)結(jié)合的控制方案適用于大型連棟溫室，而下位機系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)結(jié)合的控制方案適用于小規(guī)模農(nóng)家溫室.分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1 所示［2］.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 傳感器系統(tǒng)方案設(shè)計

傳感器是智能化溫室控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)元器件，承擔(dān)著檢測各種環(huán)境參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換成溫室控制所需要的電信號的任務(wù)，是溫室系統(tǒng)的輸入檢測模塊.整個系統(tǒng)的測量精度、控制精度與傳感器獲得信息的準(zhǔn)確性直接相關(guān).在農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)中的關(guān)鍵的是溫度、濕度、光照和CO2濃度.因此，本智能化溫室大棚控制系統(tǒng)中的傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器系統(tǒng)、濕度傳感器系統(tǒng)、光照傳感器系統(tǒng)和CO2傳感器系統(tǒng).

1.2 下位機系統(tǒng)方案設(shè)計

下位機系統(tǒng)是溫室控制現(xiàn)場的管理核心.其輸入連接傳感器系統(tǒng)，是溫室現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的檢測通道;輸出連接至溫室控制設(shè)備，為控制信號的輸出通道.下位機由單片機系統(tǒng)構(gòu)成，主要模塊包括:主控模塊、輸入(數(shù)據(jù)采集)模塊、輸出控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，具有溫室數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示、上傳等功能，可實現(xiàn)溫室現(xiàn)場資源的統(tǒng)一管理.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］.

圖2 下位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 上位機系統(tǒng)方案設(shè)計

位于溫室管理室的上位機系統(tǒng)是系統(tǒng)的上層管理部分，是系統(tǒng)的管理核心，可以實現(xiàn)溫室數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計分析、智能決策等功能.在上位機系統(tǒng)的設(shè)計中，主要包括系統(tǒng)管理軟件、溫室數(shù)據(jù)庫和控制模型等.其中，系統(tǒng)管理軟件實現(xiàn)對溫室系統(tǒng)資源的管理，并能夠提供友好的人機界面與方便的人機交互功能;溫室數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對大量溫室數(shù)據(jù)的管理;控制模型中將專家智能庫與模糊算法相結(jié)合，其目的是保證系統(tǒng)產(chǎn)生智能決策的實時性與準(zhǔn)確性.

1.4 數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信包括兩種形式，即上、下位機之間的RS－232串行通信和上位機與遠(yuǎn)端計算機之間的采用Internet進行的通信.由于智能化溫室大棚控制系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸量比較小，而且對通信的實時性要求不高，所以上、下位機之間的數(shù)據(jù)通信采用RS－232串行通信即可滿足要求.上位機與遠(yuǎn)端計算機通過Internet進行通信，不僅能夠滿足系統(tǒng)對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w要求，而且可以實現(xiàn)資源共享.

2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計

傳感器系統(tǒng)是溫室環(huán)境參數(shù)的檢測設(shè)備.本智能化溫室大棚控制系統(tǒng)針對影響溫室作物生長的最主要的4個環(huán)境因素:溫度、濕度、光照以及CO2，進行了溫度傳感器系統(tǒng)、濕度傳感器系統(tǒng)、光照傳感器系統(tǒng)以及CO2濃度傳感器系統(tǒng)的設(shè)計.溫度傳感器系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度測量，該傳感器為“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器，具有體積小、經(jīng)濟、靈活等優(yōu)點，測量溫度范圍為－55℃ ～+125℃，在－10℃ ～+85℃范圍內(nèi)，其精度為±0.5℃，能夠達到系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求.而且現(xiàn)場的溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，系統(tǒng)的抗干擾性大大提高.濕度傳感器系統(tǒng)采用HR202濕敏電阻實現(xiàn)濕度測量，該傳感器是一種新型的濕度敏感元件，采用的是有機高分子材料，最寬的溫度測量范圍為－40℃ ～+500℃，濕度檢測精度 為±5%RH，具有感濕范圍寬、長期使用性能穩(wěn)定等優(yōu)點，光照傳感器系統(tǒng)采用光敏三極管3DU33作為光照傳感器器件來實現(xiàn)光照度的測量.CO2濃度傳感器系統(tǒng)采用CO2傳感器GS—160實現(xiàn)CO2濃度的測量，該傳感器的測量范圍為0～100PPM，精度為±3PPM，具有精度高、線性度好等優(yōu)點.本文僅對光照傳感器系統(tǒng)進行具體闡述.

光照傳感器系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示［4，5］.該傳感器系統(tǒng)由光敏器件和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成，可以劃分為信號產(chǎn)生電路、信號處理與輸出電路兩個模塊.在信號產(chǎn)生電路中，當(dāng)光敏三極管3DU33受到光線的照射時，在基極、集電極和發(fā)射極上產(chǎn)生了微弱的電流信號.該電流信號經(jīng)過U1構(gòu)成的放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號Uo1=IC×(R2+R10).由于電流Ic很微弱，所以只有在反饋電阻R2的阻值較大時，才能得到較大的輸出電壓.由于R10是可調(diào)電阻，改變R10的阻值可以改變所測的光照范圍.在信號處理與輸出電路中，通過調(diào)整U2構(gòu)成的電壓放大電路中R4、R3阻值可以將Uo1繼續(xù)放大，即Uo2= －R4/R3×Uo1.U3構(gòu)成的運放電路的功能是實現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換，將生成的電流信號傳送到下位機光照信號輸入接口［6］.

圖3 光照傳感器系統(tǒng)電路原理圖

3 下位機系統(tǒng)設(shè)計

下位機系統(tǒng)是智能溫室控制系統(tǒng)中的溫室現(xiàn)場管理系統(tǒng).由于要求溫室下位機系統(tǒng)能夠獨立運行，實時監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)，所以要求該系統(tǒng)能夠獨立處理數(shù)據(jù)，自主采集數(shù)據(jù)，并能夠傳輸及顯示數(shù)據(jù).下位機系統(tǒng)的設(shè)計包括系統(tǒng)的模塊劃分、系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計.

3.1 系統(tǒng)模塊劃分及硬件設(shè)計

下位機系統(tǒng)采用單片機系統(tǒng)，從功能上可以劃分為主控模塊、輸入(數(shù)據(jù)采集)模塊、輸出控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊五部分，分別對應(yīng)著系統(tǒng)硬件設(shè)計的五個部分.

(1)主控模塊:以單片機系統(tǒng)為控制核心，并擴展部分外圍電路，構(gòu)成該系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的管理與分配，實現(xiàn)系統(tǒng)運行的自動化.

(2)輸入(數(shù)據(jù)采集)模塊:系統(tǒng)的信號輸入連接模塊，負(fù)責(zé)對溫室內(nèi)傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬信號進行采集，并對信號進行A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動測量與存儲.并將采集來的數(shù)據(jù)與下位機系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的溫室環(huán)境參數(shù)校準(zhǔn)表進行比較.

(3)輸出控制模塊:將單片機系統(tǒng)與溫室控制設(shè)備連接起來，根據(jù)主控模塊的具體控制信息驅(qū)動溫室控制設(shè)備進行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)對溫室大棚各個環(huán)境參數(shù)的控制.

(4)數(shù)據(jù)顯示模塊:顯示在下位機啟動時由上位機提供的系統(tǒng)時鐘、由上位機內(nèi)部管理系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)以及溫室內(nèi)的現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)以及現(xiàn)場設(shè)備的控制狀態(tài).為了保證數(shù)據(jù)顯示的準(zhǔn)確性和清晰度，顯示模塊采用七段LED數(shù)碼管的靜態(tài)顯示.

(5)數(shù)據(jù)通信模塊:采用RS－232串行通信實現(xiàn)上、下位機之間的通信.

3.2 下位機系統(tǒng)軟件設(shè)計

下位機系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能要求本系統(tǒng)軟件包括主程序、時鐘子程序、采集子程序、顯示子程序和通信子程序等部分.各程序的功能分別是:

(1)主程序:完成系統(tǒng)的啟動初始化、調(diào)用和協(xié)調(diào)其它模塊;

(2)時鐘子程序:準(zhǔn)確計時、協(xié)調(diào)A/D采集模塊和串行通信模塊運行.時鐘子程序的運行采用中斷方式調(diào)用A/D采集子程序和進行數(shù)據(jù)傳輸;

(3)采集子程序:對溫室環(huán)境參數(shù)進行分時采集，并采用查詢方式進行A/D轉(zhuǎn)換;根據(jù)環(huán)境參數(shù)校準(zhǔn)表對數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)后，將數(shù)據(jù)送入顯示緩沖單元和對應(yīng)的存儲單元;

(4)顯示子程序:溫室環(huán)境參數(shù)的實時顯示、溫室環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的顯示、時鐘的顯示;

(5)通信子程序:實現(xiàn)與上位PC機數(shù)據(jù)通信，主要包括下位機重啟時的校時通信.上位機發(fā)起的整點自動通信和控制通信.

4 上位機管理系統(tǒng)設(shè)計

上位機系統(tǒng)由PC機組成，位于溫室管理室，是整個系統(tǒng)的管理核心，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和上位機系統(tǒng)管理功能.因此，上位機管理系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和控制決策模型兩部分.考慮到溫室控制的復(fù)雜性、多變性、非線性以及不確性，可以在上位機的控制決策模型建立中引入模糊控制技術(shù)，研究溫室模糊控制器的設(shè)計方案，模糊控制算法及其實現(xiàn)技術(shù).上位機管理系統(tǒng)采用Visual Basic6.0和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SQL Server 2000來實現(xiàn)［2］.

5 小結(jié)

本智能化溫室大棚控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、濕度、光照以及CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與分析處理，并可進行相應(yīng)的控制，使智能溫室能夠為農(nóng)作物的生長提供一個良好的環(huán)境，可滿足現(xiàn)代智能溫室的需要.本系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、養(yǎng)殖孵化廠等對環(huán)境要求高的場合;同時，經(jīng)過相應(yīng)的改造之后，本系統(tǒng)還可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、土壤監(jiān)測、智能樓宇、火災(zāi)預(yù)警等領(lǐng)域.本系統(tǒng)成本低、性能可靠、操作方便，具有廣闊的市場前景.

［1］齊文新，周學(xué)文.分布式智能型溫室計算機控制系統(tǒng)的一種設(shè)計與實現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，(1):246 －249.

［2］韓敏.智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.西安:西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［3］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第五版)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］李仕華，王志松.溫室環(huán)境參量智能測控系統(tǒng)［J］.機電一體化，2002，(3):51 －52.

［5］楊延杰，李天來，林多，等.光照強度對番茄生長及產(chǎn)量的影響［J］.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，(3):199 －202.

［6］李東生，張勇，晁冰，等.Protel DXP電路設(shè)計教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.