智能温室控制系统的研究与开发

高尚　陈景波

摘要：我国计算机在农业中的发展应用较为落后，温室控制系统存在很大的不足，在社会经济和科学技术不断发展的过程中，智能温室控制控制系统成为未来的主要发展趋势。文章主要阐述了智能温室控制系统多因素变量的控制关系及理论，论述了智能温室系统总体架构设计，最后总结了智能温室系统软件设计，以期开发出操作简便、稳定可靠的智能温室控制系统，为相关研究提供参考意见。

关键词：智能温室控制系统；西门子PLC；人机交互；软件设计；总体架构 文献标识码：A

中图分类号：TP29 文章编号：1009-2374（2015）04-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0290

农业作为我国发展的支柱性产业，实现农业现代化生产是我国发展的重要目标之一，近年来，基于自动化技术及计算机基础而形成的智能温室控制系统越来越受到人们的重视，对传统的温室进行智能化改造具有非常重要的意义，可以实现农业的准确管理。本研究中智能温室控制系统融合了传感技术、通讯技术、组态技术等多种技术，在西门子PLC人机交互结构模式的基础上，对室内环境中的各个因子进行调控，达到温室控制系统的需求，提高农业生产的经济效益。

1 智能温室控制系统多因素变量分析

1.1 多变量因素控制关系

日照、水分、CO2及温度等因素都会影响温室环境，不同因素的影响程度各不相同，但这些因素之间也存在一定的联系，在控制温室环境的过程中，只要把握好关键要素就能有效地达到系统的控制要求。智能温室控制系统涉及到多种设备及环境因子，是一个相对复杂的对应关系，在实际控制过程中一定要找准重点决定因素，将其作为切入点，综合考虑成本投入及控制效益，为作物的生长提供一个良好的温室环境。

1.2 多变量控制系统理论

由于作物生长对温室环境的要求没有明确的限定，因此在研究和开发智能温室控制系统时，只需考虑系统的可行性及可控制性即可，传统以PID控制技术为主的控制系统对参数设定的要求较为严格，逐渐被模糊控制所替代，在过程控制中发挥着重要作用。本文主要采用模糊推理方法对研究智能温室控制系统进行设计，形成加热和通风系统，对温室环境中的湿度、温度进行转化，构建同温室控制系统对应的数学模型，但由于温室环境因子间的互相作用，在系统设计时，应提高对系统鲁棒性的重视。

2 智能温室系统总体架构设计

为了满足温室控制要求，温室内设置了天窗、灌溉系统、补光系统、湿帘系统、风机及遮阳系统从多方面对环境进行调节。参考智能温室控制系统功能需求，以西门子PLC下位机和上位机的人机交互结构模式为基础，对系统方案进行设计，从而调节温室内部的环境因子。自动控制、远程手动控制及现场手动控制是构成智能温室控制系统的主要部分。

基于西门子PLC结构基础的控制系统，在操作过程中先对温室参数数据进行初始化处理，在寄存器中储存不同环境因子的限值，搜集实际温室环境中的因子，并将这些数据作为PLC自动控制程序执行及上位机组态显示的依据。在PLC自动控制状态下，控制系统能够对比分析实际环境因子与系统中已储存的各项参数，在PLC输出方式下利用对比结果完成相关的控制操作，改善温室环境；在现场手控状态下，可以结合实际环境状况，运行执行机构；而在远程控制状态下，也可以对执行机构进行调控，但需要在控制室中进行。

2.1 上位机系统设计方案

智能温室控制系统的上位机系统采用的控制方式为西门子和组态王在PC机上进行连接，其中远程控制系统界面、报警系统主机操作界面、趋势曲线显示画面、报表系统界面及远程监控画面共同构成了组态王监控

系统。

在对温室内环境进行控制的过程中，借助远程监控界面，用户能够在监控室内掌握多种设备的运行状况，根据需要采取相应的停止或启动措施，并在远程控制系统主机图像界面下实现对系统的自动或手动切换功能，发挥远程控制的作用。在报警系统的实时监控下，可以提醒用户对超过参数设置值的一些环境因子进行调节，保证各项环境因子保持在合理范围。此外，利用历史数据输出表、日报表及实时报表，可以更加清楚地了解温室环境在过去或当前时刻的各项数据信息，为分析和决策提供数据参考，有利于达到温室环境控制方案的最

优化。

2.2 下位机系统设计方案

西门子PLC控制器、传感器、执行机构是构成下位机系统的主要元件，智能温室中的下位机系统能够同上位机PC相脱离，也可以同上位机进行联机工作。在联机工作状态下，利用西门子PLC总线能够将下位机信号传送至上位机，在读取这些信号后将控制功能同监视功能综合起来，进行远程控制操作，可以使下位机发挥更大的作用；而在单独工作状态下，西门子PLC通过对不同功能模块及输入端的信号扫描，对比实际环境中各项环境因子同标准参数的差距，由执行机构进一步做出相应的调整。

3 智能温室系统软件设计

3.1 温室系统上位机软件设计

温室系统上位机的控制和监视系统包括组态王、PC机，一方面保证了系统具备数据查询/处理、环境参数储存、参数控制、数据/曲线显示、通讯及系统控制等功能；另一方面也符合上位机的控制条件。

登录、远程控制、历史曲线、报警系统、实时曲线、日报表和退出等操作按钮共同构成了智能温室控制系统的主设计画面，能够便于用户更加清楚、直观地进行操作。运行智能控制系统的过程中，登录系统进入控制界面后，可以根据实际需求按下相关操作按钮，对温室环境因子进行操作或查看，为了进一步方便管理，还能够对按钮功能权限进行划分，由特定的工作人员进入相应的操作界面。

3.2 温室系统下位机软件设计

智能温室系统下位机软件可以针对日照、水分、CO2及温度等因素进行实际值同参数值的对比分析，根据分析结果设计针对性的操作方案。在实现智能温室控制条件的过程中，西门子PLC控制系统程序能够切换自动或手动控制，处于自动控制下的系统程序将实际采集数据为根本，对比参数设定值来执行自动化操作，而手动控制下，外界环境因素不会对系统操作产生干扰，只结合需求进行手动化操作。以需求为标准，可以将智能温室控制系统程序划分为执行机构输出控制程序、环境因素判断程序、温度参数采集程序及数据初始化程序等多项程序，这些程序共同构建了功能齐全、性能稳定、操作简便的智能温室控制系统。

4 结语

我国对温室控制系统的研究相对落后，而智能温室控制系统的研发对我国农业生产方式的集约化和高效化发展有着非常重要的意义。基于温室环境多变量控制关系及系统理论，在西门子PLC下位机和上位机的人机交互模式下，能够有效地弥补传统温室控制系统的不足，实现了环境因素采集、判断分析、数据初始化及控制输出的自动化，完善了数据记录、远程控制和环境因素控制等功能，达到温室控制系统的需求。

参考文献

[1] 李善军，张衍林，艾平，翟红.温室环境自动控制技术研究应用现状及发展趋势[J].农业工程技术（温室园艺），2008，（2）.

[2] 高建平，赵龙庆.温室计算机控制与管理技术的发展概况及在我国的应用前景[J].计算机与农业（综合版），2003，（2）.

[3] 宋永飞.基于PLC和组态思想的智能温室控制系统

[J].工业控制计算机，2009，（1）.

[4] 杨文选，王琎.温室环境智能控制系统的研究[J].农机化研究，2006，（8）.

[5] 汪永斌，吕昂，孙荣高，等.温室群全数字式温度和湿度综合控制系统[J].农业机械学报，2002，（5）.

作者简介：高尚（1993-），男，江苏宿迁人，南京农业大学本科学生，研究方向：温室数据监测与控制。

（责任编辑：周 琼）