楊 樂， 舒建文， 盛立冉

(1.江西農業(yè)大學計算機與信息工程學院，江西南昌330045;2.南昌航空大學信息工程學院，江西南昌330038;3.江西撫州市煙草專賣局煙葉技術中心，江西撫州344600)

0 引言

發(fā)展現(xiàn)代煙草農業(yè)，由傳統(tǒng)的小棚(無棚)育苗轉向現(xiàn)代化溫室大棚育苗［1］?，F(xiàn)代溫室能夠通過人工控制環(huán)境因素，滿足煙葉的最佳生長條件，使煙葉生長環(huán)境得到優(yōu)化，有效地改善農業(yè)生態(tài)，提高土地的產出率和社會經濟效益。在溫室環(huán)境控制中，溫度的控制是整個控制系統(tǒng)中最重要的、對作物生長環(huán)境影響最大且耗能最多，但溫室系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)，大的純滯后可引起系統(tǒng)不穩(wěn)定或降低系統(tǒng)反饋性能［2-3］。另外，溫室環(huán)境復雜，外界輻射量、天窗開度等都會影響室內溫度，擾動量大，這些都將導致溫控對象模型參數(shù)的參數(shù)時變，采用傳統(tǒng)的控制方法很難達到最佳的控制效果［4-5］?；诖?，本文提出了一種基于FCS的煙葉溫室溫度控制模型，用溫度數(shù)據(jù)采集方法和分析計算方法來控制溫室溫度，從而培育出適合煙葉生長的最佳環(huán)境，再配合煙葉生長的不同階段給予充足營養(yǎng)的供應，創(chuàng)造一個適合煙葉生長發(fā)育的溫室環(huán)境。

1 模型構建原理

煙葉生長有其規(guī)律，并且不同品種的煙葉在不同階段其生長規(guī)律各有其特點。通過在江西省撫州市煙葉專賣局黎川縣分局現(xiàn)代煙草農業(yè)試點大量的實驗，確定各種煙葉在各個階段生長的最佳環(huán)境，然后再通過人工和技術相結合自動控制溫室溫度處于最佳環(huán)境。同一溫室可以通過控制溫度適于多種煙葉生長，并不受當時外界環(huán)境的影響，從而保證煙葉的最短生長期、最大產量、最佳品質，實現(xiàn)資源最佳優(yōu)化。

2 煙葉溫室溫度控制模型

2.1 方案設計

煙葉溫室溫度控制是一個復雜的系統(tǒng)，它要求對室內外各種參數(shù)進行自動監(jiān)測、信息處理、實時控制、在線優(yōu)化等，用傳統(tǒng)的集中控制難以完成復雜的運算功能，從而無法給煙葉提供最佳的生長環(huán)境?，F(xiàn)場總線將傳感測量、補償運算、工程量處理、回歸處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成［6-7］，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集方法

本系統(tǒng)主要利用設備溫度的變化進行分析，采用紅外測溫儀對設備溫度進行檢測，并將檢測溫度與正常溫度和歷史數(shù)據(jù)進行對比，判斷該部位是否異常。溫室溫度由于受眾多因素和條件的制約，是非常復雜的物理過程，因此在溫室溫度設計過程中，所進行的計算和分析過程是相當復雜的。相同條件下，同類型設備各探測零部件的溫度檢測值呈正態(tài)分布［8］。系統(tǒng)采用圖1所設計的方案進行計算，經過分析、統(tǒng)計得到各探測監(jiān)測點的標準溫度，構造如下數(shù)學模型來定量描述溫室溫度的動態(tài)變化過程:

式中:Ts為在外測溫儀所測部位的標準溫度;Ti為檢測部位溫度;j為溫度檢測次數(shù);為i臺設備該檢測部位的平均溫度;n為同類型設備數(shù)量。

如果室內溫度異常，往往易產生漏發(fā)警報，其造成的損失遠遠大于虛發(fā)警報，所以需要給同類型設備所測部位設定上限溫度，即:

式中:Tmax為上限溫度;λ為系數(shù)，其取值范圍(1，2］;Si為i臺設備該檢測部位溫度的標準偏差。

2.3 分析計算方法

系統(tǒng)將 Ti與 Ts、Tw和 Tmax進行對比，當 Ti∈［Ts，Tw］時，系統(tǒng)運行正常;當 Ti∈［Tw，Tmax］時，系統(tǒng)提示該部位需要檢查;當Ti∈［Tmax，+∞］或連續(xù)出現(xiàn)Ti∈［Tw，Tmax］時，系統(tǒng)報警該部位需要維修。通過觀察溫室內實時環(huán)境參量，從而實現(xiàn)了溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)底層網絡與信息發(fā)布上層網絡的無縫連接［9］。

系統(tǒng)記錄多臺設備該部位的一次檢測溫度，將其作為一組數(shù)據(jù)，并計算出30組數(shù)據(jù)的Ts和Tmax，繪制出曲線控制圖，去掉高于Tmax的數(shù)據(jù)后，再補足部分測試數(shù)據(jù)重新計算Ts和Tmax，然后繪制出新的曲線控制圖，直到沒有數(shù)據(jù)點超過Tmax為止。這時Ts和Tmax被確定為該部位的標準溫度和上限溫度，同時計算出Tw，確定其作為報警溫度，即:

3 實驗分析

目前，溫室溫度控制的結構主要是以單片機(MCU)為主的控制系統(tǒng)［10］，一般以MCS-51系列為基礎，采用8位CPU［11］，從數(shù)據(jù)采樣到算法控制都由單片機來完成，其拓撲結構為集中式控制方式，這種系統(tǒng)所有性能都集中在單片機上，單片機系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)都會失控，煙葉的生長會受到頗為嚴重的影響。此外，煙葉溫室溫度的控制還有集散型溫室控制系統(tǒng)(DCS)［12］，它是相對于集中式控制而言的新型計算機控制，但這種控制方案成本太高，當然也可以用單片機作為控制機來節(jié)省成本，但這個方案沒有組態(tài)功能，不能做到智能化控制，對煙葉生長環(huán)境不利。

本文提出的溫室控制模型與DCS相比，可以省去相當數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積［13］。而且，F(xiàn)CS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等［14］，同時也節(jié)省了設計、安裝和維護費用。本模型相對于DCS［15］組態(tài)簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

實驗地點:江西省撫州市煙葉專賣局黎川縣分局現(xiàn)代煙草農業(yè)試點，采取分析對比方法，用本模型實現(xiàn)的溫室溫度控制系統(tǒng)和一般的溫室溫度控制系統(tǒng)進行比較，共設計6次實驗，實驗條件復雜性逐漸提升。根據(jù)實驗分析數(shù)據(jù)可以看出，用本模型實現(xiàn)的溫室溫度控制系統(tǒng)所培植的煙葉理墑飽滿，移栽質量高，存活率顯著提升，實驗結果如圖1所示。

圖1 煙苗存活率分析