穆喜林，羅成飛

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)后勤集團(tuán) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 前言

目前，我國智能化蔬菜溫室較多，在反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)過程中得到普遍應(yīng)用，但這類溫室主要針對蔬菜生產(chǎn)設(shè)計，在甜菜中應(yīng)用并不理想。另外，此類設(shè)備價格昂貴，不適合國情。為此，我們從作物作物的生長特性出發(fā)，利用計算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合不同作物生長特點開發(fā)了一套農(nóng)業(yè)種植溫室自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝了“農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)”，能夠及時為用戶提供溫室各種作物在不同時期生長所需要的最佳氣候參數(shù)及栽培技術(shù)和措施，不但能為不懂農(nóng)業(yè)技術(shù)的用戶提供技術(shù)幫助和實時指導(dǎo)，而且能自動生成合理的控制方案，實現(xiàn)了人造氣候的智能化管理。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成和功能

本系統(tǒng)以主機(jī)(PC機(jī))為上位機(jī)，以若干個(100個以內(nèi))溫室內(nèi)的“氣候自動控制器”為下位機(jī)，其間以RS -485通訊線路相連接。如圖1所示，各溫室內(nèi)的“氣候自動控制器”負(fù)責(zé)采集本溫室溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度等氣候參數(shù)，并通過通訊線路傳送給主機(jī)，主機(jī)通過我們開發(fā)的軟件，把傳來的氣候參數(shù)和“農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)”對各溫室事先設(shè)定的最佳氣候參數(shù)進(jìn)行比較、分析和運(yùn)算，向各溫室的“氣候自動控制器”發(fā)出“通風(fēng)、加熱、噴淋、調(diào)節(jié)光照、補(bǔ)充CO2”等相應(yīng)控制指令，各溫室內(nèi)的“氣候自動控制器”根據(jù)主機(jī)對本溫室的控制指令立即接通或斷開“通風(fēng)機(jī)”、“加熱器”、“淋水泵”、“光照調(diào)節(jié)裝置”和“CO2施放機(jī)構(gòu)”等設(shè)備的電源，從而控制本溫室的氣候參數(shù)始終保持在適合植物快速生長的最佳狀態(tài)。

1.1 氣候參數(shù)的采集

溫室環(huán)境氣候參數(shù)的采集是依靠傳感器進(jìn)行的，主要包括土壤濕度傳感器、葉面濕度傳感器、空氣溫濕度一體化傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器，它們是監(jiān)控系統(tǒng)的信息來源，關(guān)系到整個系統(tǒng)的檢測、數(shù)據(jù)分析和控制的可靠性與準(zhǔn)確性。

1.2 伺服機(jī)構(gòu)

伺服機(jī)構(gòu)是“氣候自動控制器”具體控制的執(zhí)行者，包括通風(fēng)機(jī)、加熱器、噴淋水泵、光照調(diào)節(jié)裝置(遮陽網(wǎng)滾筒機(jī)構(gòu)和補(bǔ)充照明設(shè)備)、CO2施放機(jī)構(gòu)等設(shè)備。

圖1 控制系統(tǒng)工作示意圖

1.3 氣候自動控制器

“氣候自動控制器”可在無主機(jī)的情況下單獨控制本溫室的氣候，其核心是AT89C52單片機(jī)，如圖2所示，外圍部分是對它配置的接口電路和存儲單元。本溫室各種氣候參數(shù)通過傳感器進(jìn)行實時檢測，然后經(jīng)單片機(jī)分析處理后輸出控制指令，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最佳氣候的自動化控制。為了實現(xiàn)人機(jī)對話，氣候自動控制器設(shè)置了按鍵輸入部分和液晶顯示部分，可以設(shè)定控制參數(shù)和實時顯示本溫室控制狀態(tài)及氣候參數(shù)的變化情況。當(dāng)然，通過擴(kuò)展輸出電流，增加氣候傳感器的數(shù)量，也可適用于較大規(guī)模的溫室。另外，氣候自動控制器也可在室外單獨控制苗圃的濕度，此時應(yīng)關(guān)閉“通風(fēng)”、“加熱”功能，省去除土壤濕度傳感器和葉面濕度傳感器外的其它傳感器。

圖2 氣候自動控制工作原理

2 系統(tǒng)軟件及農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)及農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)兩部分組成:數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)軟件主要用于溫室環(huán)境參數(shù)的設(shè)置、通訊、顯示、存儲、查詢、統(tǒng)計和打印等。農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)軟件，能夠及時為用戶提供溫室各種作物在不同時期生長所需要的最佳氣候參數(shù)及栽培技術(shù)和措施，并能自動生成最佳控制方案，為用戶提供技術(shù)幫助和實時指導(dǎo)。

2.2 農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)的設(shè)計

農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)具有專家決策與咨詢兩項功能，因為數(shù)據(jù)能反映事物的數(shù)量化特征，在數(shù)量上能為各級管理者和決策者提供數(shù)據(jù)和輔助決策信息，所以該系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)形式進(jìn)行輔助管理的，其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 專家管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1)人機(jī)接口

人機(jī)接口是人機(jī)交流的界面，用戶可以向系統(tǒng)提供信息、需求和系統(tǒng)向用戶提供解答及索取為完成任務(wù)所需要的補(bǔ)充信息。

2)知識庫的內(nèi)容

由于溫室生產(chǎn)過程中農(nóng)藝專家知識范圍廣泛，相對知識類型也比較復(fù)雜，通過采用樹形目錄的方式進(jìn)行分類表示的，內(nèi)容包括植物類別、植物特性、栽培技術(shù)、最佳氣候參數(shù)等。其中植物類別有甜菜、蔬菜等大類;植物特性包括植物屬性、日照要求、原產(chǎn)地等;栽培技術(shù)包括栽培土質(zhì)、適應(yīng)品種、繁殖方法、種苗管理、澆水措施、施肥操作、病蟲害防治等;最佳氣候參數(shù)是我們用于溫室控制最重要最直接的參數(shù)，包括白天、夜晚植物在不同生長期的最佳溫度、濕度、光照度和CO2濃度等。

3)知識庫管理系統(tǒng)的功能

知識庫管理系統(tǒng)包括知識庫編輯和專家咨詢兩個模塊，通過知識庫編輯模塊可以輸入、增加、刪除、修改領(lǐng)域知識，實現(xiàn)知識的繼承輸入;通過知識庫咨詢模塊，用戶可以查看知識庫的總體結(jié)構(gòu)，并能迅速查出某溫室栽培作物的有關(guān)知識。

4)專家決策系統(tǒng)

根據(jù)用戶提出的任務(wù)要求通過專家決策系統(tǒng)來解決。專家決策系統(tǒng)功能主要包括：信息收集、問題識別、問題求解等。從本系統(tǒng)的決策環(huán)境來看，一方面要涉及專家豐富的知識因素，另一方面決策是建立在實時測量基礎(chǔ)上的，在信息網(wǎng)絡(luò)條件下，決策過程如下:用戶通過人機(jī)接口，只需把指定編號溫室的植物類型和生長期輸入到專家管理系統(tǒng)，主機(jī)即可根據(jù)農(nóng)藝專家推薦的最佳氣候參數(shù)和系統(tǒng)傳來的本溫室實測氣候數(shù)據(jù)，自動生成科學(xué)合理的控制方案，再通過系統(tǒng)把控制指令下達(dá)到該編號溫室內(nèi)的氣候自動控制器，通過伺服機(jī)構(gòu)實施智能化控制。

3 結(jié)語

本智能溫室系統(tǒng)的研制，不僅可以在甜菜幼苗培育中使用，也可以在反季節(jié)蔬菜栽培中應(yīng)用。因為隨著人們生活水平的提高反季節(jié)蔬菜的消費(fèi)量也逐年增加。目前我國農(nóng)村正在大力發(fā)展溫室栽培，絕大部分溫室大棚已經(jīng)安裝有通風(fēng)、加熱、噴淋等設(shè)備，只需添加我們“只能制系統(tǒng)”中的氣候自動控制器、環(huán)境參數(shù)采集傳感器及輸出控制柜，就可以將目前現(xiàn)有的中、低檔溫室改裝成一套低成本高效率的智能溫室。大大減少了人力成本，降低了蔬菜成本。