吳小偉 武文娟

我國對于溫室環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)控制技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，該技術(shù)主要用于溫度、濕度等單因子環(huán)境控制。由于溫室一次性投資大，同時對操作人員的技術(shù)素質(zhì)要求較高，加上部分企業(yè)資金短缺，導(dǎo)致溫室環(huán)境參數(shù)控制技術(shù)的發(fā)展受到了限制[1]。溫室環(huán)境參數(shù)控制技術(shù)按控制方式可分為手動控制技術(shù)、自動化控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)三個主要發(fā)展階段。目前溫室在線控制主要是采用分段式控制和人工設(shè)定相結(jié)合的方法。溫室環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)是在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過改變作物生長的光照、濕度、溫度等環(huán)境條件，達到提高經(jīng)濟效益、調(diào)節(jié)作物生長周期、增加作物產(chǎn)量、改善產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

1 單片機控制方式

目前，一般采用8位CPU 51單片機作為溫室環(huán)境參數(shù)控制器主控制系統(tǒng)基礎(chǔ)系列，從數(shù)據(jù)采集到邏輯算法控制都是由單片機完成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。汪小旵等人以PC機為上位機，以單片機為下位機，完成了溫室在線監(jiān)測系統(tǒng)，較好地實現(xiàn)了上下位機之間的數(shù)據(jù)交換和通訊傳輸。李志偉等人[2]利用8031單片機實現(xiàn)了對溫室環(huán)境的動態(tài)平衡調(diào)控，建立了以溫度為主要參量的溫室環(huán)境調(diào)控模式。齊文新等人[3]采用人工智能技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境專家系統(tǒng)和多任務(wù)操作系統(tǒng)對溫室環(huán)境進行實時監(jiān)測和智能化決策，研制了分布式、智能化溫室環(huán)境群測控系統(tǒng)，解決了溫室環(huán)境控制單一性缺點。王成等人[4]以單片機為核心，研發(fā)設(shè)計了溫室環(huán)境綜合信息采集器，設(shè)計了基于模糊控制技術(shù)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫度、濕度、pH值、光照強度、EC值、CO2濃度等主要溫室環(huán)境信息的實時數(shù)據(jù)處理。

圖1 單片機溫室環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制方式

隨著無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，遙感與地理信息技術(shù)系統(tǒng)（GIS）也被廣泛地應(yīng)用于溫室作物長勢、產(chǎn)量、病蟲災(zāi)害等方面的監(jiān)測，尤其是從單點對多點的個人局域網(wǎng)到長距離的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，管理者可以通過遠程溫室環(huán)境參數(shù)信息采集與監(jiān)控技術(shù)，將分散的溫室設(shè)施集中連片成統(tǒng)一的有機整體，實現(xiàn)信息及時互通，達到集中統(tǒng)一控制的目的。蘇曉峰等人開發(fā)出了一套遠程溫室環(huán)境參數(shù)控制體系，構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，用戶只要通過瀏覽器就能夠訪問和控制分布在互聯(lián)網(wǎng)上的遠程溫室。習(xí)智華等人設(shè)計了一種帶有多種數(shù)據(jù)接口且具有無線傳輸功能的主監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的自動匯聚，解決了溫室單區(qū)域與跨區(qū)域兩種工作模式切換問題。未來如何實現(xiàn)快速、有效地采集和更新環(huán)境變量信息，將成為實現(xiàn)精準(zhǔn)溫室農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)。

3 PLC控制方式

基于PLC的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)一般由上位機、PLC控制器、數(shù)據(jù)采集器和執(zhí)行單元組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。PLC控制系統(tǒng)主要用于實時監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)的變化情況，并根據(jù)作物生長要求對環(huán)境參數(shù)進行動態(tài)匹配調(diào)整，完成與上位機的數(shù)據(jù)通信。一般情況下，大量使用PLC作為控制器會導(dǎo)致溫室的建設(shè)成本提高，因此PLC控制器廣泛用于溫室環(huán)境控制還受到一定的限制。謝向花等人[5]通過將PLC控制技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)、變頻技術(shù)和傳感器技術(shù)組合運用，研發(fā)設(shè)計了一套可應(yīng)用于溫室環(huán)境參數(shù)控制的檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對采集到的參數(shù)與設(shè)定的控制參數(shù)進行比較，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的自動控制。唐立偉等人[6]提出采用PLC控制與單片機通訊相結(jié)合的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。與普遍采用的上位PC機與下位PLC采集數(shù)據(jù)的方式相比，該系統(tǒng)在投入成本和控制形式上有了顯著改善，控制方式顯得更加簡單。呼天星[7]通過智能現(xiàn)場總線控制技術(shù)實現(xiàn)了多個溫室環(huán)境參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制和多個連棟溫室的集群控制，提升了控制系統(tǒng)的控制效率和經(jīng)濟效益。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 總線控制方式

近年來，我國科技人員在吸收國外先進溫室環(huán)境參數(shù)生產(chǎn)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，對溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)控制技術(shù)進行了綜合研究。例如，采用RS485現(xiàn)場總線與遠端的氣象站連接通信，以獲得溫室現(xiàn)場內(nèi)外溫度、濕度及室內(nèi)外光照強度、降雨量、風(fēng)力速度、風(fēng)向等環(huán)境參數(shù)；同時，總線控制方式還可以與其它控制器或上位機進行快速的數(shù)據(jù)通訊，形成大型綜合式溫室環(huán)境參數(shù)自控系統(tǒng)。如董喬雪等人[8]采用485通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和逐級驗證的通信算法進行數(shù)據(jù)傳輸，研發(fā)設(shè)計了由一臺PC主機與多個微電腦控制裝置組成的主從式分布結(jié)構(gòu)溫室環(huán)境參數(shù)控制器，通過實時檢測溫室環(huán)境參數(shù)的變化，對比歷史溫室參數(shù)值和報警值來調(diào)整控制溫室環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了對同一地區(qū)多個溫室環(huán)境參數(shù)的集群控制。由于CAN總線控制技術(shù)在性價比、可靠性、通信速率等方面具有諸多優(yōu)點，CAN總線技術(shù)已在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，但到目前為止，CAN總線技術(shù)在溫室環(huán)境參數(shù)控制中的應(yīng)用還比較少見。由于溫室是一個復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)，要完成復(fù)雜的溫室環(huán)境參數(shù)集中控制具有一定的難度，而CAN總線的出現(xiàn)恰好解決了這個問題。董健康等人[9]研發(fā)設(shè)計了基于CAN總線的溫室智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機技術(shù)開發(fā)了CAN總線智能節(jié)點，帶有232和485接口，另外節(jié)點還帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832，可以直接輸入模擬量。杜輝等人[10]在單棟溫室環(huán)境參數(shù)控制中將藍牙技術(shù)成功應(yīng)用于連接各種檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)和邏輯控制器件，各個溫室棚之間通過CAN總線相連，構(gòu)成了一種分布式溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫室環(huán)境參數(shù)的自動檢測和監(jiān)控管理，提升了系統(tǒng)的監(jiān)控效率。汪永斌等人[11]采用溫室環(huán)境參數(shù)集群控制算法研制開發(fā)了一套全數(shù)字溫濕度自動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可在100天時間內(nèi)，以小時為單位，設(shè)定溫濕度值并記錄參數(shù)，當(dāng)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)溫室病蟲害等問題時，可以查詢歷史數(shù)據(jù)，對某些病蟲害起到了防范作用。

5 結(jié)束語

隨著計算機傳感技術(shù)、自動化控制技術(shù)等新技術(shù)的不斷快速發(fā)展，溫室環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)也由前期的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測為主的簡單控制，逐步向以知識處理和智能應(yīng)用為主的溫室環(huán)境參數(shù)專家控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變；同時，信號傳輸方式也逐步由有線向無線傳輸方式轉(zhuǎn)變，傳輸速度也由慢速向快速轉(zhuǎn)變，為實現(xiàn)溫室環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)控提供了技術(shù)可能。因此，溫室環(huán)境參數(shù)的自動化監(jiān)控是實現(xiàn)現(xiàn)代溫室的發(fā)展方向，也是實現(xiàn)多個溫室大棚環(huán)境同時管理的有效措施。因其在省工節(jié)本、操作使用等方面具有顯著的優(yōu)點，未來市場應(yīng)用前景廣闊。

[1]吳小偉,史志中,鐘志堂,等.國內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)研究進展[J].農(nóng)機化研究,2013,35(4):1-7,18.

[2]李志偉,王雙喜,高昌珍,等.以溫度為主控參數(shù)的日光溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2002,18(3):68-71.

[3]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,2004,20(1):246-249.

[4]王成,喬曉軍,焦春巖.分布式溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2005,24(1):54-56.

[5]謝向花.基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].機電信息,2009(24):129,140.

[6]唐立偉,劉理云.基于PLC的智能溫室綜合控制系統(tǒng)的研發(fā)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(7):106-108.

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[9]董健康.基于CAN總線測控系統(tǒng)智能節(jié)點的開發(fā)[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2003.

[10]杜輝.連棟棚室環(huán)境因子集中監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2009(7):19-21,25.

[11]汪永斌,呂昂,孫榮高,等.溫室群全數(shù)字式溫度和濕度綜合控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2002,33(5):71-74.