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(guó)智能化蔬菜溫室較多，在反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)過(guò)程中得到普遍應(yīng)用，但這類溫室主要針對(duì)蔬菜生產(chǎn)設(shè)計(jì)，在甜菜中應(yīng)用并不理想。另外，此類設(shè)備價(jià)格昂貴，不適合國(guó)情。為此，我們從作物作物的生長(zhǎng)特性出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合不同作物生長(zhǎng)特點(diǎn)開發(fā)了一套農(nóng)業(yè)種植溫室自動(dòng)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(shí)為用戶提供溫室各種作物在不同時(shí)期生長(zhǎng)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(shí)時(shí)指導(dǎo)，而且能自動(dòng)生成合理的控制方案，實(shí)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(gè)(100個(gè)以內(nèi))溫室內(nèi)的“氣候自動(dòng)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(dòng)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(guò)通訊線路傳送給主機(jī)，主機(jī)通過(guò)我們開發(fā)的軟件，把傳來(lái)的氣候參數(shù)和“農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)”對(duì)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(dòng)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(dòng)控制器”根據(jù)主機(jī)對(duì)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(zhǎng)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(lái)源，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、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(dòng)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(yáng)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(dòng)控制器

“氣候自動(dòng)控制器”可在無(wú)主機(jī)的情況下單獨(dú)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(duì)它配置的接口電路和存儲(chǔ)單元。本溫室各種氣候參數(shù)通過(guò)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，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(dòng)化控制。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，氣候自動(dòng)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(shí)時(shí)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(guò)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(dòng)控制器也可在室外單獨(dú)控制苗圃的濕度，此時(shí)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(dòng)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(jì)

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(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)和打印等。農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)軟件，能夠及時(shí)為用戶提供溫室各種作物在不同時(shí)期生長(zhǎng)所需要的最佳氣候參數(shù)及栽培技術(shù)和措施，并能自動(dòng)生成最佳控制方案，為用戶提供技術(shù)幫助和實(shí)時(shí)指導(dǎo)。

2.2 農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

農(nóng)藝專家管理系統(tǒng)具有專家決策與咨詢兩項(xiàng)功能，因?yàn)閿?shù)據(jù)能反映事物的數(shù)量化特征，在數(shù)量上能為各級(jí)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(shí)庫(kù)的內(nèi)容

由于溫室生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)藝專家知識(shí)范圍廣泛，相對(duì)知識(shí)類型也比較復(fù)雜，通過(guò)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(zhǎng)期的最佳溫度、濕度、光照度和CO2濃度等。

3)知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)的功能

知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)包括知識(shí)庫(kù)編輯和專家咨詢兩個(gè)模塊，通過(guò)知識(shí)庫(kù)編輯模塊可以輸入、增加、刪除、修改領(lǐng)域知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的繼承輸入;通過(guò)知識(shí)庫(kù)咨詢模塊，用戶可以查看知識(shí)庫(kù)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(shí)。

4)專家決策系統(tǒng)

根據(jù)用戶提出的任務(wù)要求通過(guò)專家決策系統(tǒng)來(lái)解決。專家決策系統(tǒng)功能主要包括：信息收集、問(wèn)題識(shí)別、問(wèn)題求解等。從本系統(tǒng)的決策環(huán)境來(lái)看，一方面要涉及專家豐富的知識(shí)因素，另一方面決策是建立在實(shí)時(shí)測(cè)量基礎(chǔ)上的，在信息網(wǎng)絡(luò)條件下，決策過(guò)程如下:用戶通過(guò)人機(jī)接口，只需把指定編號(hào)溫室的植物類型和生長(zhǎng)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(lái)的本溫室實(shí)測(cè)氣候數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成科學(xué)合理的控制方案，再通過(guò)系統(tǒng)把控制指令下達(dá)到該編號(hào)溫室內(nèi)的氣候自動(dòng)控制器，通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)施智能化控制。

3 結(jié)語(yǔ)

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?yàn)殡S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(guó)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(dòng)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。