何錫武

(武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430064)

0引言

人工氣候室是通過(guò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)局部環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)特殊的環(huán)境要求，是現(xiàn)代生物和農(nóng)業(yè)研究的重要設(shè)備。它對(duì)溫度、濕度和光照強(qiáng)度的控制要求很高。首先，要像普通恒溫、恒濕實(shí)驗(yàn)室一樣，能將室內(nèi)溫濕度精確地控制在設(shè)定值附近，對(duì)溫度控制精度要求達(dá)到正負(fù)1 ℃。其次，要求溫度、濕度和光照強(qiáng)度能按設(shè)定的變化規(guī)律自動(dòng)改變，最短變化時(shí)間為1 h，以1 d或若干天為周期，可以循環(huán)地變化。近年來(lái)，人工氣候室在我國(guó)也得到了發(fā)展。但是隨著各科研生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)θ斯きh(huán)境要求的提高，現(xiàn)有的人工氣候室在某些方面還不能適應(yīng)使用需求，如我國(guó)雜交水稻之父袁隆平先生在湖南建立了第一個(gè)國(guó)產(chǎn)的自動(dòng)化程度較高的人工氣候室，但只有溫度實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，且控制精度達(dá)不到正負(fù)1 ℃，濕度和光照強(qiáng)度仍采用人工控制。

近年來(lái)，由于發(fā)光二極管等電子技術(shù)的高速發(fā)展以及成本的不斷降低，LED光源已成功用于植物光源領(lǐng)域，并取得了重要進(jìn)展。與此同時(shí)，營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)(溫濕度控制系統(tǒng)和CO2控制系統(tǒng)等)以及物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)都得到了一定的發(fā)展。楊其長(zhǎng)等人進(jìn)行了人工光型密閉式植物人工氣候及其環(huán)境控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的研發(fā)，成功地研發(fā)出了能實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、CO2濃度、光照和營(yíng)養(yǎng)液等因子綜合調(diào)控的密閉式植物工廠試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)第1批用于育苗的紅藍(lán)LED光環(huán)境調(diào)控裝置，其發(fā)光強(qiáng)度、紅藍(lán)光比例和光周期可任意調(diào)整，并進(jìn)行了人工光與自然光環(huán)境下的作物栽培與育苗試驗(yàn)，為植物人工氣候室的進(jìn)一步研究提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。但是，各項(xiàng)被控制環(huán)境參數(shù)還需要認(rèn)為修改，自動(dòng)化程度不高。在此背景下，研制高性能的新一代人工氣候室成為必然。

1系統(tǒng)技術(shù)分析

本項(xiàng)目研究的目標(biāo)是完成實(shí)際工程樣機(jī)的改進(jìn)。要完成樣機(jī)的改進(jìn)研究，所采用的技術(shù)路線是在現(xiàn)有樣機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步調(diào)研明確用戶(hù)需求，吸取國(guó)內(nèi)外同類(lèi)研究的先進(jìn)成果，克服現(xiàn)有研究的技術(shù)缺陷，優(yōu)化和完善軟硬件設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)不斷地試驗(yàn)測(cè)試和改進(jìn)，使系統(tǒng)性能達(dá)到合理指標(biāo)。針對(duì)不同的研究?jī)?nèi)容采取不同的研究方法。

1.1降低能耗

降低設(shè)備運(yùn)行成本主要通過(guò)以下2個(gè)方向。一是探索使用材料，降低植物工廠成本。利用可回收利用材料進(jìn)行植物工廠新型材料的研究與開(kāi)發(fā)，不但可以降低植物工廠成本，還可以保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。利于太陽(yáng)能或者其它自然能源，降低運(yùn)行能耗及環(huán)境污染。通過(guò)安裝水培系統(tǒng)投放最合適的液體肥料，還可以通過(guò)內(nèi)部安裝水處理設(shè)備進(jìn)行水的循環(huán)利用，節(jié)約用水。以LED等節(jié)能光照設(shè)備進(jìn)行人工補(bǔ)光促進(jìn)作物的光合作用。二是通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制策略。在合適季節(jié)和晚間閉光時(shí)段，根據(jù)植物特性，充分利用自然資源和循環(huán)風(fēng)機(jī)作用來(lái)保障環(huán)境需求，減少設(shè)備能耗。以上措施既可以降低能源消耗，又可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)。

1.2提高控制精度

對(duì)于溫濕度控制精度提高則需要通過(guò)理論分析和系統(tǒng)仿真，對(duì)比不同控制算法的控制效果，然后在理論分析的指導(dǎo)下，優(yōu)化改進(jìn)硬件配置，然后通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)算法，達(dá)到提高溫濕度控制進(jìn)度的目標(biāo)。

1.3提高使用性能

對(duì)專(zhuān)家系統(tǒng)的引入首先要充分吸收生物專(zhuān)家的知識(shí)，建立合理的控制目標(biāo)曲線專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提取技術(shù)，根據(jù)專(zhuān)家數(shù)據(jù)曲線長(zhǎng)時(shí)間變更系統(tǒng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上拓展專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容，涵蓋更多生物品種需求。

對(duì)遙控技術(shù)則是利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，采用既有的無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。未來(lái)，人們只需要進(jìn)入到智能控制系統(tǒng)，就可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)觀察和控制作物生產(chǎn)，使作物生產(chǎn)完全智能化。

1.4研究設(shè)計(jì)目標(biāo)

本課題研究目標(biāo)是研制新一代智能型人工氣候室樣機(jī)，在解決目前存在主要問(wèn)題的基礎(chǔ)上，使性能更加完善，使用更加方便，引入物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)上云技術(shù)，使系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)能夠廣域無(wú)線發(fā)布，達(dá)到遙控管理的目的。通過(guò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)，模擬自然環(huán)境環(huán)境，在溫度、濕度、光照度，營(yíng)養(yǎng)液澆灌等技術(shù)指標(biāo)上滿(mǎn)足生物工程、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的科研和實(shí)驗(yàn)要求。

2控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和功能

控制系統(tǒng)有PLC及上位機(jī)觸摸屏構(gòu)成。包含有光照系統(tǒng)，溫度系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)等部分。系統(tǒng)通過(guò)傳感器讀取環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)設(shè)置要求進(jìn)行控制。通過(guò)日出日落的時(shí)間設(shè)定啟停光照亮度和色溫配比實(shí)現(xiàn)光照控制。通過(guò)啟動(dòng)加熱或空調(diào)制冷實(shí)現(xiàn)溫度控制。通過(guò)換向閥和換風(fēng)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)新風(fēng)CO2濃度控制。通過(guò)微量泵和電磁閥控制土壤濕度。通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)管模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云和遠(yuǎn)程控制。

圖1控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上除實(shí)現(xiàn)上述控制功能外，還增加了系統(tǒng)異常報(bào)警、用戶(hù)密碼和權(quán)限管理及手動(dòng)自動(dòng)切換等功能，保障系統(tǒng)使用可靠安全。報(bào)警設(shè)提示報(bào)警和保護(hù)報(bào)警兩級(jí)。被控參數(shù)到達(dá)提示報(bào)警，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警鈴聲，被控參數(shù)超過(guò)保護(hù)報(bào)警，無(wú)論在手動(dòng)還是自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)都會(huì)切斷電源，并發(fā)出報(bào)警鈴聲，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到移動(dòng)終端。用戶(hù)權(quán)限分操作員、管理員和工程師3級(jí)。操作員只具有操作權(quán)限，管理員擁有參數(shù)設(shè)置權(quán)限。工程師可進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行流程的修改。

圖2用戶(hù)操作界面

3系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1長(zhǎng)時(shí)間溫度曲線設(shè)置

溫度控制是人工氣候室的最主要功能之一?，F(xiàn)有人工氣候室都具有溫度設(shè)置功能。但植物最優(yōu)生長(zhǎng)溫度不是恒定的，需要根據(jù)不同生長(zhǎng)時(shí)期做出修改。如出牙期、瓜果期或成熟期都有些許波動(dòng)，使用者需要按天設(shè)置不同的溫度。傳統(tǒng)的氣候室大多只能設(shè)置一個(gè)溫度，溫度變化需要人工更改設(shè)置，造成使用麻煩，有時(shí)因遺忘更改而造成失誤。因此本設(shè)計(jì)特別設(shè)計(jì)了長(zhǎng)時(shí)間溫度曲線設(shè)置功能。

長(zhǎng)時(shí)間溫度曲線設(shè)置是通過(guò)上位組態(tài)軟件的配方功能實(shí)現(xiàn)的。用戶(hù)先根據(jù)所研究植物特性將生長(zhǎng)溫度曲線做成二維表格。時(shí)間軸為日期，縱軸為每日溫度。將列表數(shù)據(jù)在上位機(jī)組態(tài)軟件中以配方策略編輯配方保存?zhèn)溆谩?/p>

圖3配方編輯及數(shù)據(jù)錄入界面

在組態(tài)軟件的運(yùn)行策略中增加策略行3行，一行添加腳本程序構(gòu)建，打開(kāi)腳本程序編輯界面，編寫(xiě)腳本程序，提取內(nèi)部變量%data字符串中的時(shí)間值，通過(guò)函數(shù)變換將字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量，當(dāng)日期變量中的時(shí)間值達(dá)到更換溫度設(shè)置時(shí)間時(shí)設(shè)置啟動(dòng)變換開(kāi)關(guān)k=1，作為讀取裝載配方數(shù)據(jù)的條件。另兩行策略行添加配方數(shù)據(jù)裝載腳本，讀取配方變量數(shù)據(jù)到溫度設(shè)置變量中。當(dāng)k=1時(shí)，按配方編號(hào)讀取裝載配方數(shù)據(jù)，并將編號(hào)加1處理，這樣循環(huán)則系統(tǒng)溫度設(shè)置就會(huì)按預(yù)先設(shè)定曲線變化。這樣只要提前將溫度曲線編入配方中，系統(tǒng)就會(huì)按給定曲線控制環(huán)境溫度。另一行策略執(zhí)行條件為k=2，其執(zhí)行的條件是任意時(shí)候由手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)裝載指定編號(hào)數(shù)據(jù)。

圖4策略數(shù)據(jù)調(diào)用

圖5程序框圖

3.2光照控制及日光模擬

3.2.1 光源配置情況及要求

人工氣候室光源主要作為植物光照的光源，其特點(diǎn)要符合太陽(yáng)陽(yáng)光色譜，滿(mǎn)足基本照度。特殊情況下還需要能夠調(diào)整光源色溫。整個(gè)光源分2部分，一是調(diào)色光源，包括頂部15個(gè)燈，可以設(shè)定啟停時(shí)間點(diǎn)。15個(gè)燈的起停時(shí)間，整體同步。其中6個(gè)400 W鈉燈分為3組，每組可以手動(dòng)起停。9個(gè)150 W LED燈分為3組，每組可以手動(dòng)起停。二是背景光，主要起強(qiáng)度作用。包含6個(gè)培養(yǎng)架子共105根燈管，每個(gè)功率14～16 W。整體控制開(kāi)關(guān)及。其光源配置與分組情況如表1。

表1 光源配置及分組

3.2.2 日出日落時(shí)間的模擬

植物的光合作用也是需要分晝夜的，所以人工氣候室需要能人工模擬日出日落的自然規(guī)律。與自然環(huán)境不同的是要能夠?qū)崿F(xiàn)光照時(shí)間、光照強(qiáng)度、光照色譜的控制，以便于使用者對(duì)植物生長(zhǎng)規(guī)律的研究。手動(dòng)控制模式下，可以按組分別啟停相應(yīng)光源。在自動(dòng)模式下，光照強(qiáng)度和色譜可以在事前由使用者調(diào)配好，進(jìn)入啟用組，然后由時(shí)間控制來(lái)確定啟動(dòng)光源。所以時(shí)間控制是模擬自然光照的關(guān)鍵。系統(tǒng)操作界面如圖6。

圖6光源控制界面

時(shí)間控制的實(shí)現(xiàn)方式是由界面設(shè)置輸入日出日落時(shí)間，設(shè)置變量為數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)獲取內(nèi)部時(shí)間變量的字符串格式，經(jīng)函數(shù)變換為數(shù)據(jù)格式后，與設(shè)置變量比較，數(shù)據(jù)在日出時(shí)間和日落時(shí)間之間，則開(kāi)啟光源。根據(jù)植物研究專(zhuān)家建議，光源開(kāi)啟時(shí)間在1 d內(nèi)可以最多分成3個(gè)時(shí)間段。為了避免大功率光源啟動(dòng)帶來(lái)的電網(wǎng)沖擊，系統(tǒng)設(shè)置了分組逐級(jí)啟動(dòng)的模式。其程序?qū)崿F(xiàn)邏輯框圖如圖7。

圖7光源控制程序框圖

3.3雙源溫度系統(tǒng)的雙位控制

環(huán)境溫度控制的進(jìn)度不高，誤差在一度以?xún)?nèi)就能接收。其最佳方案是雙位控制。這控制算法簡(jiǎn)單，不需要模擬調(diào)節(jié)器件硬件開(kāi)銷(xiāo)最小，也能滿(mǎn)足環(huán)境溫度控制的要求。針對(duì)系統(tǒng)需要冷熱雙源來(lái)保證環(huán)境溫度穩(wěn)定，特別設(shè)計(jì)了加熱功率按3位421編碼，冷源按21編碼的雙源雙位控制策略。通過(guò)算法計(jì)算，系統(tǒng)能在一個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)自動(dòng)找到與外環(huán)境最佳匹配的加熱或制冷功率。系統(tǒng)控制參數(shù)能接近PID調(diào)節(jié)效果，使被控溫度穩(wěn)態(tài)波動(dòng)更加穩(wěn)定，電氣雙位啟停對(duì)系統(tǒng)沖擊最小。

3.4系統(tǒng)遠(yuǎn)程測(cè)控

本方案的最大亮點(diǎn)之一是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程操控。分別采用有線和無(wú)線兩種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程操控。其中有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)是在控制盤(pán)觸摸屏界面組態(tài)中添加ModBus TCP轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備構(gòu)建。在轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中添加所需要的數(shù)據(jù)通道，鏈接相應(yīng)變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在上位機(jī)上安裝MCGS網(wǎng)絡(luò)版軟件。其硬件組態(tài)需安裝標(biāo)準(zhǔn)接收從控制端轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，組態(tài)相應(yīng)控制界面即可。這樣在任何聯(lián)網(wǎng)地點(diǎn)，只要訪問(wèn)上位機(jī)IP地址，即可得到與上位機(jī)相同的操作界面(首次訪問(wèn)會(huì)有插件安裝)。無(wú)線數(shù)據(jù)上網(wǎng)是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)，將PLC數(shù)據(jù)上傳到企業(yè)的數(shù)據(jù)云平臺(tái)。用戶(hù)在任何地方通過(guò)移動(dòng)端訪問(wèn)該企業(yè)的數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

圖8端添加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和移動(dòng)端APP

4結(jié)語(yǔ)

人工氣候室系統(tǒng)是現(xiàn)代生物和農(nóng)業(yè)技術(shù)研究的重要裝備。在相關(guān)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有設(shè)備都會(huì)存在不同生物問(wèn)題。比較典型困難的是長(zhǎng)時(shí)間溫度曲線的設(shè)置和遠(yuǎn)程操控。本文根據(jù)實(shí)際使用需求，利用組態(tài)軟件的配方功能，有限實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間溫度曲線的設(shè)置問(wèn)題。通過(guò)有代和無(wú)線兩種技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)距離監(jiān)視操控，使設(shè)備的使用更加方便使用。按編碼的雙源溫度控制設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，硬件制造成本大大降低。系統(tǒng)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)人工氣候室得到長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用驗(yàn)證，其溫度控制進(jìn)度在0.5 ℃。特別是關(guān)照時(shí)段的任意設(shè)置及光照色譜的調(diào)節(jié)，為生物光反應(yīng)研究提供了有效的技術(shù)手段。對(duì)夏日室外溫度特別高的特殊時(shí)間，將日出日落時(shí)間與自然時(shí)間顛倒設(shè)置，可以有效利用晝夜溫差，起到很好的節(jié)能效果，得到試用者高度肯定。