智能化温室大棚控制系统的研究*

郭立帅，徐秀妮，苏 礼

(陇东学院电气工程学院，甘肃庆阳745000)

智能化温室大棚利用环境控制设备通过人为手段营造适宜农作物生长发育的条件，使农作物的生长摆脱传统种植方式下对自然环境的高度依赖.智能化温室大棚控制系统就是通过调节温度、湿度、光照、CO2、土壤PH值、营养液等环境参数使其处于事先确定的最佳值，为农作物的生长提供良好的生长环境，从而控制农作物生长周期、提高农作物的产量及质量等.

在温室系统开发中，其控制结构的选择至关重要.合理的控制结构能提高温室控制系统控制的精确性、运行的可靠性、推广应用上的灵活性.现有的温室控制结构有单片机控制系统、基于IPC(工控机)的控制系统、基于PLC的控制系统和分布式控制系统等几种模式.为了适应大型连栋温室集群控制的需要，经过对各种温室控制结构进行分析研究，本设计采用的是分布式控制系统［1］.

1 系统方案设计

分布式控制系统一般由两级构成，即上位机系统和下位机系统.上位机系统位于管理室内，包括PC机、数据采集卡、通信转换卡等，主要功能有设定参数、数据管理(即显示、保存和查询等)、数据统计分析、智能决策等.下位机系统即是位于温室中的现场控制器系统，包括各种传感器系统、执行机构、现场控制器、手动控制器等，主要功能有采集温度、湿度、光照、CO2浓度等各种环境参数的数据，执行相应的控制功能以及监控温室设备.上位机系统可以对多个温室集中进行监测、控制和管理，用户在管理室里就可以了解全部温室的运行情况;各个温室中的现场控制器工作时相互独立、互不影响，即当某个现场控制器发生故障或其与PC机相连的通信线路发生故障时不会影响其他现场控制器的正常工作，提高了整个控制系统的安全可靠性;多台现场控制器共享PC机的管理功能.因此，该控制系统具有可靠性高和成本低、设备利用率高等优点，有利于实现温室集群控制.

在该分布式控制系统中，采用分模块独立设计上位机和下位机的方式.控制过程既可以由上、下位机结合完成，也可以由下位机独立运行.上、下位机和传感器系统结合的控制方案适用于大型连栋温室，而下位机系统与传感器系统结合的控制方案适用于小规模农家温室.分布式控制系统结构框如图1 所示［2］.

图1 系统结构框图

1.1 传感器系统方案设计

传感器是智能化温室控制系统中的基础元器件，承担着检测各种环境参数并将其转换成温室控制所需要的电信号的任务，是温室系统的输入检测模块.整个系统的测量精度、控制精度与传感器获得信息的准确性直接相关.在农作物生长环境参数中的关键的是温度、湿度、光照和CO2浓度.因此，本智能化温室大棚控制系统中的传感器系统包括温度传感器系统、湿度传感器系统、光照传感器系统和CO2传感器系统.

1.2 下位机系统方案设计

下位机系统是温室控制现场的管理核心.其输入连接传感器系统，是温室现场环境参数的检测通道;输出连接至温室控制设备，为控制信号的输出通道.下位机由单片机系统构成，主要模块包括:主控模块、输入(数据采集)模块、输出控制模块、数据显示模块和数据通信模块，具有温室数据的采集、存储、显示、上传等功能，可实现温室现场资源的统一管理.系统结构如图2所示［3］.

图2 下位机系统结构框图

1.3 上位机系统方案设计

位于温室管理室的上位机系统是系统的上层管理部分，是系统的管理核心，可以实现温室数据管理与统计分析、智能决策等功能.在上位机系统的设计中，主要包括系统管理软件、温室数据库和控制模型等.其中，系统管理软件实现对温室系统资源的管理，并能够提供友好的人机界面与方便的人机交互功能;温室数据库实现对大量温室数据的管理;控制模型中将专家智能库与模糊算法相结合，其目的是保证系统产生智能决策的实时性与准确性.

1.4 数据传输方案设计

该系统的数据通信包括两种形式，即上、下位机之间的RS－232串行通信和上位机与远端计算机之间的采用Internet进行的通信.由于智能化温室大棚控制系统的现场数据传输量比较小，而且对通信的实时性要求不高，所以上、下位机之间的数据通信采用RS－232串行通信即可满足要求.上位机与远端计算机通过Internet进行通信，不仅能够满足系统对远程数据传输的具体要求，而且可以实现资源共享.

2 传感器系统设计

传感器系统是温室环境参数的检测设备.本智能化温室大棚控制系统针对影响温室作物生长的最主要的4个环境因素:温度、湿度、光照以及CO2，进行了温度传感器系统、湿度传感器系统、光照传感器系统以及CO2浓度传感器系统的设计.温度传感器系统采用温度传感器DS18B20实现温度测量，该传感器为“一线总线”数字化温度传感器，具有体积小、经济、灵活等优点，测量温度范围为－55℃ ～+125℃，在－10℃ ～+85℃范围内，其精度为±0.5℃，能够达到系统性能指标的要求.而且现场的温度直接以“一线总线”的数字方式传输，系统的抗干扰性大大提高.湿度传感器系统采用HR202湿敏电阻实现湿度测量，该传感器是一种新型的湿度敏感元件，采用的是有机高分子材料，最宽的温度测量范围为－40℃ ～+500℃，湿度检测精度 为±5%RH，具有感湿范围宽、长期使用性能稳定等优点，光照传感器系统采用光敏三极管3DU33作为光照传感器器件来实现光照度的测量.CO2浓度传感器系统采用CO2传感器GS—160实现CO2浓度的测量，该传感器的测量范围为0～100PPM，精度为±3PPM，具有精度高、线性度好等优点.本文仅对光照传感器系统进行具体阐述.

光照传感器系统电路原理图如图3所示［4，5］.该传感器系统由光敏器件和相应的外围电路构成，可以划分为信号产生电路、信号处理与输出电路两个模块.在信号产生电路中，当光敏三极管3DU33受到光线的照射时，在基极、集电极和发射极上产生了微弱的电流信号.该电流信号经过U1构成的放大电路转换为电压信号Uo1=IC×(R2+R10).由于电流Ic很微弱，所以只有在反馈电阻R2的阻值较大时，才能得到较大的输出电压.由于R10是可调电阻，改变R10的阻值可以改变所测的光照范围.在信号处理与输出电路中，通过调整U2构成的电压放大电路中R4、R3阻值可以将Uo1继续放大，即Uo2= －R4/R3×Uo1.U3构成的运放电路的功能是实现电压到电流的转换，将生成的电流信号传送到下位机光照信号输入接口［6］.

图3 光照传感器系统电路原理图

3 下位机系统设计

下位机系统是智能温室控制系统中的温室现场管理系统.由于要求温室下位机系统能够独立运行，实时监控温室环境参数，所以要求该系统能够独立处理数据，自主采集数据，并能够传输及显示数据.下位机系统的设计包括系统的模块划分、系统硬件设计和软件设计.

3.1 系统模块划分及硬件设计

下位机系统采用单片机系统，从功能上可以划分为主控模块、输入(数据采集)模块、输出控制模块、数据显示模块和数据通信模块五部分，分别对应着系统硬件设计的五个部分.

(1)主控模块:以单片机系统为控制核心，并扩展部分外围电路，构成该系统的神经中枢，实现系统资源的管理与分配，实现系统运行的自动化.

(2)输入(数据采集)模块:系统的信号输入连接模块，负责对温室内传感器系统产生的模拟信号进行采集，并对信号进行A/D转换，实现数据的自动测量与存储.并将采集来的数据与下位机系统内预设的温室环境参数校准表进行比较.

(3)输出控制模块:将单片机系统与温室控制设备连接起来，根据主控模块的具体控制信息驱动温室控制设备进行相应的动作，实现对温室大棚各个环境参数的控制.

(4)数据显示模块:显示在下位机启动时由上位机提供的系统时钟、由上位机内部管理系统提供的标准环境参数以及温室内的现场环境参数以及现场设备的控制状态.为了保证数据显示的准确性和清晰度，显示模块采用七段LED数码管的静态显示.

(5)数据通信模块:采用RS－232串行通信实现上、下位机之间的通信.

3.2 下位机系统软件设计

下位机系统所要实现的功能要求本系统软件包括主程序、时钟子程序、采集子程序、显示子程序和通信子程序等部分.各程序的功能分别是:

(1)主程序:完成系统的启动初始化、调用和协调其它模块;

(2)时钟子程序:准确计时、协调A/D采集模块和串行通信模块运行.时钟子程序的运行采用中断方式调用A/D采集子程序和进行数据传输;

(3)采集子程序:对温室环境参数进行分时采集，并采用查询方式进行A/D转换;根据环境参数校准表对数据进行校准后，将数据送入显示缓冲单元和对应的存储单元;

(4)显示子程序:温室环境参数的实时显示、温室环境标准数据的显示、时钟的显示;

(5)通信子程序:实现与上位PC机数据通信，主要包括下位机重启时的校时通信.上位机发起的整点自动通信和控制通信.

4 上位机管理系统设计

上位机系统由PC机组成，位于温室管理室，是整个系统的管理核心，主要实现数据统一管理和上位机系统管理功能.因此，上位机管理系统主要包含数据库管理系统和控制决策模型两部分.考虑到温室控制的复杂性、多变性、非线性以及不确性，可以在上位机的控制决策模型建立中引入模糊控制技术，研究温室模糊控制器的设计方案，模糊控制算法及其实现技术.上位机管理系统采用Visual Basic6.0和关系型数据库系统SQL Server 2000来实现［2］.

5 小结

本智能化温室大棚控制系统能够实现对温度、湿度、光照以及CO2浓度等环境参数的数据采集与分析处理，并可进行相应的控制，使智能温室能够为农作物的生长提供一个良好的环境，可满足现代智能温室的需要.本系统还可广泛应用于医院、养殖孵化厂等对环境要求高的场合;同时，经过相应的改造之后，本系统还可应用于环境监测、土壤监测、智能楼宇、火灾预警等领域.本系统成本低、性能可靠、操作方便，具有广阔的市场前景.

［1］齐文新，周学文.分布式智能型温室计算机控制系统的一种设计与实现［J］.农业工程学报，2004，(1):246 －249.

［2］韩敏.智能温室监控系统的研究与实现［D］.西安:西北农林科技大学硕士学位论文，2007.

［3］康华光.电子技术基础模拟部分(第五版)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］李仕华，王志松.温室环境参量智能测控系统［J］.机电一体化，2002，(3):51 －52.

［5］杨延杰，李天来，林多，等.光照强度对番茄生长及产量的影响［J］.青岛农业大学学报(自然科学版)，2007，(3):199 －202.

［6］李东生，张勇，晁冰，等.Protel DXP电路设计教程［M］.北京:电子工业出版社，2003.