基于现代智能控制技术的温室控制系统研究设计

基于现代智能控制技术的温室控制系统研究设计摘要；随着农业的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室控制系统的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用，关键词；国外温室，国内温室，温室控制系统正文；1，1温室产业的现状，1.1.1发达国家温室产业的现状温室产业及相关技术在国内外的发展速度很快。如在荷兰的阿姆斯特丹RAI展览馆每年11月举办一次国际花卉展览会，欧美等国家在30年代就相继建立了人工气候室，这些高水平大型温室的环境控制系统能够根据传感器采集室温、叶湿、地湿、室内湿度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风速、风向、以及植物作物生长状态等有关参数，结合作物生长所需最佳条件，有效调节有关设备装置，将室内温、湿、光、水、肥、气等诸因素综合协调调节到最佳状态。如国土面积不大的荷兰已经成为世界农业发展的典范。1999年一年四季全天候生产的大型温室有1.1万hm2，其中90%为玻璃温室。国外现代温室单位面积的产量高经济效益高，荷兰温室番茄年产量达到60kg/m2，5000hm2用于种植花卉，花卉产业每天向世界鲜花市场上出口1700万支鲜花和170万盆盆花，鲜花出口占全世界鲜花市场的60%以上，年收入高达110亿美元，占全国农业总产值的35%，经济效益高，成为欧洲的“菜篮子”，“花篮子”。荷兰大量投资与温室相关的基础研究。建立“蔬菜工厂”、“花卉工厂”、“苗木工厂”等用于研究和示范，成为温室业的坚实科研后盾。重视作物生理、产量、品质与环境因子之间的定量关系等方面研究，因而设施内综合环境控制系统智能化水平高，设施种植技术实现了规范化和标准化。1.1.2国内温室产业的现状及存在的问题我国对于温室控制系统技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。20世纪80年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了21.2hm2连栋温室。由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。随着我国现代温室产业的快速发展，在温室产业的运营中暴露出了一些问题:1）现代温室管理和种植的人才缺乏，温室种植技术落后，造成了现代温室的功能和优势不能充分发挥。2）能源消耗大，以现代温室为代表的设施农业生产企业效益低下，导致温室产业出现了滑坡的现象。3）不同地域的气候环境制约了进口大型温室适用性，温室不能周年运行。4）计算机控制水平低。目前国内温室计算机控制系统与国际选进技术存在很大差距，商用控制系统不能满足高效节能有效控制温室机构运行的要求。1.2国内外温室控制系统发展技术1.2.1国外温室控制系统发展技术80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。1.2.2国内温室控制系统发展技术1计算机的温室自动控制如由江苏理工大学李萍萍、毛罕平等人在1996年8月起进行了温室环境控制的技术效果测试分析和生菜、空心菜、三叶芹的无土栽培试验，测试表明，温度、湿度、光照、营养液和二氧化碳等各个环境因子控制技术效果良好，基本达到预期目的，并明确了各环境参数的合理控制范围。我国王东升等研究了日光温室的计算机控制系统。控制系统包含工控计算机、传感器变送器、模拟量输入模块(DAC-8017)、数字量输出模块(DAC-8050)，RS-232/485转换模块、输出控制电路等。控制机构有补光灯、排风扇、滴灌设备、二氧化碳发生器等。采集量有室内温度、湿度、光照、土壤水份及C02浓度。光照不足启动补光灯、温度低启动加热器、土壤水分不够则开启滴灌系统，采用简单开关控制方式。2.基于PLC的温室自动控制系统。例如用欧姆龙系列的CZOOHS作为下位机，COMPAQ计算机为上位机构成温室控制系统。采集的室外信号有温度、湿度、光照、风速、风向、下雨，室内信号有温度、湿度、C02浓度。输出信号控制的机构有:开窗电机、遮阳电机、通风电机、加热阀门、压水泵和喷淋泵。1.3温室环境控制技术的发展趋势1.智能化：随着计算机技术、传感技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测为主，逐步转向以知识处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。因此近几年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温室栽培中得到了不同程度的发展和应用。2.网络化：目前，网络技术己成为当前世界最有活力、发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。因此，设施农业产业化程度的提高成为可能。我国幅员辽阔，气候复杂，劳动者整体素质低，利用网络进行在线和离线服务，可以对不同区域进行监测、比较，不仅给管理带来很大的方便，而且可以提高劳动生产率。3.分布式：分布式系统通常可分为上、下两层。上层主要用作系统管理，其它各种功能如测量与控制任务等，主要由下层完成。下层由许多各自独立的功能单元组成，每个单元只完成一部分工作。面向对象的分布式系统，每一个功能单元针对一个对象、每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为对象。4.综合环境调控：所谓综合环境调节，就是以实现作物的增产稳产为目标，把影响作物生长的多种环境参数，如光照、温度、湿度、CO2浓度等，都保持在适宜作物生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置，既省时又节能，还能使劳动者愉快地从事生产劳动。5.变动的坏境控制系统：当前，主要使用精确的计算机坏境控制程序根据设定值对温室中的环境进行调控，但研究发现，这并不能使温室内的作物达到最佳产量。如作物的生长和发育并不取决于某一时刻某个特定温度，而主要取决于在一个时间段中的平均温度水平。这导致控制系统向“自由设置”系统的方向发展，如综合温度控制系统的研制，在该系统中并不设置一个固定的温度值，温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动，以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度。这样计算机可以根据室外的气候，在使用最低能耗、最佳利用温室中的现有的设备的情况下自由进行调节。可变动的环境控制系统目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、CO2浓度等方面的研究，在温室作物产量上已表现出比较满意的效果。6.蓝牙技术(B1uetooth)：蓝牙技术是近年发展起来的新型低成本、短距离的无线网络传输技术。运用这种技术把温室环境自动检测与控制系统中的各个电子检测装置和执行机构无线地连接起来，以达到便捷地对温室环境参数进行自动检测，灵活地对温室环境参数进行自动控制的目的。便携式环境参数采集器内部装有温度、湿度、光照等各种传感器，并嵌入了蓝牙芯片，因此，这种参数采集器具有无线通信功能，可以便捷地放置在温室内的不同位置。控制器同样嵌入了蓝牙芯片，它一方面与便携式环境参数采集器无线连接，另一方面通过RS-485通信总线与温室内的计算机控制装置相连接。2温室农业专家控制系统技术2.1温室农业专家控制系统托普物联网研制的温室农业专家控制系统是一种计算机管理控制系统。它将农业专家系统技术与当今的温室控制技术有机结合，将农业专家的知识自动地运用到温室的实时控制中去。即该温室系统可根据专家系统的储备知识，自动决策和选择控制参数，以适合作物的生长。温室农业专家系统控制技术主要应用计算机与自动控制技术，是一门横跨人工智能理论、数据库技术、信息技术、生物学、电子科学、机械设计和环境控制等几大学科，综合了多种高新技术的边缘学科。3温室农业专家系统控制技术的应用前景智能化温室是在可持续发展战略指导下开辟的农业新方向。从作物产量角度来看，它具有很高的单位面积产出值;就环境保护角度而言，它不仅可以产出清洁的瓜果蔬菜，而且由于精确控制化肥及其它添加剂的用量，也避免了对土壤和地下水的污染。据不完全统计，我国的大型温室面积己超过700hm2，1000m2以上的连栋温室全国32个省市自治区无一空白。温室生产己从蔬菜扩展到了花卉、瓜果以及畜禽、水产养殖、林木育苗、食用菌、中草药等领域。近年来，大型连栋温室以每年超过100hm2的速度增长。目前，国内从事温室制造的企业己从20世纪80年代的5～6家发展到300余家。我国的温室环境控制技术与国外技术相比还比较落后，最近几年才真正实现计算机自动控制。目前我国的现代化温室，除智能化控制系统外，硬件系统基本达到与国际同步的水平。可见，将农业专家系统应用于温室的实时监控与自动调控技术无疑是温室发展的新亮点，也是温室控制技术发展的大势所趋。其发展潜力及应用空间大，对农民的实际生产有很重要的指导意义。既满足了温室生产的需要，又缓解了领域专家缺乏的矛盾，从而大大提高了科学技术的转化率、到位率和普及率