浅谈农业智能温室测控系统.docx

1、浅谈农业智能温室测控系统浅谈农业智能温室系统控制技术智能温室是现代农业的重要组成部分，温室产业在我国农业中的比重不断增加，加快了我国现代化农业发展的速度。目前，我国温室面积遥遥领先世界各国，但是这些温室普遍智能化程度不高，缺少配套的技术和设备，应对自然灾害的能力很差，技术含量不高，对于温室环境的调控能力弱。造成温室产量不高，调节能力弱的根本原因在于缺少高效智能的现代控制系统，如果进口国外的控制系统和配套的设备，那么生产成本极高，对于操作人员的要求也很高，同时在技术上受到知识产权和技术使用费的不平等剥削。因此，开发具有自主产权的，适应我国农业国情的智能温室控制系统就显得很有必要。智能温室采用先进

2、的科学技术进行设计，能够为种植的作物提供生长必需的良好环境，能够控制和调节温室的小气候，使得作物生长不再受限于温度、湿度、光照等外部因素。智能温室能有效的改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，实现了农业的科学发展。智能温室控制集计算机科学、信息处理、控制工程、农业生物学、环境科学等于一体的多元综合性技术。温室控制系统要为农作物创造合适的生长环境，光照、温度、湿度、肥料等条件都要调控在适当的范围，要定制灵活多样的控制决策和管理策略，要适应作物种类的多样化需求，适应市场环境的多变，真正做到低投入、高产出、高质量的目标，体现出高科技温室的智能性和优越性。温室环境中受控对象的不确定

3、性和需求的多样性，使得温室控制比一般的工业控制更加复杂。如果采用常规的控制方法来处理这种多输入、多输出、非线性的控制过程就很难获得理想的结果。因此我们要从系统的控制算法和控制结构上进行彻底的改进，农业专家系统在温室中的运用满足了这些要求，这种专家系统是基于神经网络、PID控制基础上提出的，在集合了众多控制算法的优点并结合温室特点建立的。将神经网络的智能控制方法运用到温室环境的控制中，提高了控制的自动化和智能化，真正意义上实现了温室控制的高效、自动化和节约能源，指明了温室产业的发展方向。一、温室控制系统发展阶段 从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:手动控制自

4、动控制智能控制。手动控制是在温室技术发展初期所采取的控制手段，种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。 第二次世界大战以后，利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子，包括温度、光照、湿度、C02浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。 智能控制是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。二、国外温室

5、控制系统现状 国外对温室环境控制技术研究始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。发达国家已形成了成套的技术、完整的设施设备和生产规范，并在向高度自动化、智能化方向发展，将形成完全摆脱自然条件的术体系。设施内能根据植物对环境的不同需要，由计算机对设施内的温、光、水、气、肥等因子进行监测和调控，生产的管理和作业实现了机械化、自动化和智能化，远程控制技术在设施农业中得到了广泛的应用。 美国是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。早在20世纪80年代初，雨鸟公司、摩托罗拉等几家公司就合作开发了智能中央计算机灌溉控制

6、系统，并在20世纪90年代在全美得到了广泛的应用;此外，美国开发的温室计算机控制与管理系统还可利用差温管理技术实现对花齐、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要;现在正在研究利用“植物工厂”种植小麦、水稻以及进行植物组织培养和快繁、脱毒。GreenAir公司生产的GHC-100型温室控制器为设施农业提供了全方位的控制能力，可实现从简单的低成本通风控制到全方位的温室控制，为植物提供最优的生长环境。Electrodepot公司生产的远程监测与控制系统，能让人们在店铺或建筑物中实现远程监控，包含温度、湿度、流量、C02含量、电能、开关态或任意物理量的控制。 荷兰从20世纪80年代以

7、来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断开发模拟控制软件，温室的运作基本由计算机控制操作。荷兰的温室制造公司，不仅在结构、机械化、自动化、产品采后处理方面设备技术水平高，而且在计算机智能化、温室环境调控方面也居世界领先地位，配套温室设施出口额占世界贸易的80%。 有“沙漠上的绿洲”美誉的以色列对农作物的灌溉采用了现代化的滴灌和微喷灌系统，在作物附近都安装了传感器以测定水、肥状况，办公室里的中心计算机对田间的控制器进行通讯，即可方便地遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到80 %-90%，使得原本资源匾乏的以色列成为沙漠上的蔬菜出口国。 日本在20世纪80年代中期应用于温室中的计算机就达到10

8、00多台，目前农业生产部门中计算机的普及率高达92%。日本还建造了世界上最为先进的植物工厂，采用完全封闭生产、人工补充光照，全部由计算机控制。日本的甜瓜农场应用一种新型的智能计算机系统，对7个温室群进行管理，实现最佳控制.还研制了一种遥感温室环境控制系统，将分散的温度群与计算机控制中心联结，从而实现更大范围的温室自动化管理。开发了适合双方向的远程监视控制系统:OpenPLANET ( OP )”，不分时间、地点，只要机网相联，便能实现自如遥控。三、国内温室控制系统现状我国的智能温室产业起步较晚，但发展很快，特别是日光温室蔬菜生产是外我国农业种植中效益最大的产业。目前我国温室种植面积超过了60多

9、万hm2,居世界首位。我国的日过温室在建筑结构、环境调控和无土栽培等方面的不断改进，形成了节能型日光温室。我国的日光温室大多以塑料为覆盖材料，逐渐向大型化和多样化方向发展。各地纷纷建立了现代化高效农业示范园，我国的温室面积虽然很大，但是智能化程度普遍不高，具有智能控制的温室仅占总面积的0.01%左右。我国在“十五”和“十一五”期间，在科技部的领导和组织下，实施了“工厂化高效农业研究与示范”项目，引进了现代化的温室设备和技术，通过借鉴和技术创新，进行了品种选育、无土栽培、温度湿度等环境因素的综合控制技术的研究和攻关，取得了一系列的科技成果，有效地推动了我国智能温室的发展。有关的科研单位在温室的控

10、制系统研究方面进行了很多的探索和研究，取得了可惜的成果4。同时结合我国的具体气候和农业发展水平，形成了具有自主特色的现代温室控制技术系统。节能型日光温室控制系统就是其中的典型技术创新，它能够在不同的地区、不同的气候下实现温室的智能化和现代化控制。在温室环境监测和控制决策的研究方面，我国的相关部门也取得了开拓性的进展。在温室环境控制和温室作物栽培技术方面，中国农业大学进行了卓有成效的研究。这些研究不仅推动了我国农业现代化的发展，构建了温室控制的理论基础，同时填补了我国温室智能控制方面的空白。但是这些控制系统都对多输入多输出的多因子控制缺乏有效的控制，所以很难大面积推广。我国温室产业的发展存在以下

11、问题：科学技术含量较低。中国的温室种植无论在设备本身还是栽培管理和控制方面，大多数的设施简陋，栽培管理以传统经验为主，控制手段采用人工方式，效率低，效果差。国内的温室环境控制系统与国外的相比较存在相当大的差距。而且国内现有的一些的研究成果很难真正懂得推广应用。环境调控技术和设备落后，缺乏理论基础与量化指标。由于大多数的温室设备简单、类型落后，因此环境的可调节程度和控制技术都比较有限。塑料温室往往受到自然灾害的影响无法生产。即使在正常的条件下，大多数的日光温室能进行的环境调控手段也仅有通风和避风等，对于温度过高、日光太强或太弱都无法进行调节。缺少优秀的温室控制软件。我国智能化程度较高的温室大都引

12、进国外的控制系统，这些系统的使用费用很高，自行研制的控制系统稳定性和有效性有待提高，多数采用单因子开关量进行调节，温室中温度、湿度、光照、CO2浓度等因素彼此存在着关联，环境因素的时间变化和空间变化很复杂，当改变某一环境因子时常会影响到其他的环境因子，使温室的调控呈现出动态的波动，很难达到合适的程度。因此，结合温室结构模型、作物生长的模型和温室生产的经济模型，开发出适应我国温室发展现状的优化控制软件很有必要。四、常规温室控制系统基本模式据查阅资料及调研，我们总结出国内外温室控制系统有4种基本模式:IPC(工业控制机)；PLC(可编程程序控制器);DCS(分布式控制系统);FCS(现场总线控制系

13、统)。（1）基于工业控制机温室控制系统(IPC) 基于工业控制机(工业PC)的温室控制系统是由工控机、各种传感器及执行机构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。以工控机为核心的系统硬件开发量小，软件组态方便，需要的硬件及软件都能从市场买到。IPC具有标准通信接口，为温室的群控和网络化的实现提供了方便。其缺点是IPC及相应的组态软件都需要购买，成本较高，一般配置都需要15000元左右温室系统中的所有输入、输出功能都由IPC集中控制，造成危险过于集中，一旦工控机发生故障将会使整个系统瘫痪。同时，布线复杂，维护困难。图4-1基于IPC的温室控制系统框图（2）基于可编程逻辑控制器温室控制系统(PLC)

14、基于PLC(可编程逻辑控制器)的温室控制系统是由上位机、PLC、数据采集单元及执行机构组成。其中数据采集单元包括传感器、传感变送器。传感器完成现场数据的获取，现场的数据通过变送器处理后，将信号传送给PLC控制器，PLC对整体的工作状况进行分析，再发出信号控制执行机构达到温室内温度和湿度的自动调节。PLC主要用于动态、实时监测温室内外环境因子的变化，根据作物生长的要求对温室执行机构做出指令调控，同时完成与上位机的通信。PLC是一种通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点。其缺点是投资大，一般都在10

15、000多元以上，农业用户难以接受。图4-2基于PLC的温室控制系统框图（3）分布式控制系统(DCS) 分布式控制系统(DCS )，即集散型温室控制系统，是在现代温室测控系统中，运用最多，技术最成熟的测控系统。DCS一般有四个基本部分组成，即系统网络、现场控制站、操作员站和工程师站。在DCS中，这四个站由独立的计算机组成，它们分别完成数据采集、控制、监视、报警、记录、系统管理等功能。这些完成特定功能的计算机被称为“节点”，这些节点通过网络连接在一起，组成一个完整的系统，以此来实现分散控制、集中管理、集中监视的目标。图4-3 DCS温室控制系统框图这种控制模式利用单片机价格低、功能强、抗干扰能力好

16、、温限宽和面向控制等优点，结合微机的软硬件支撑，是一般规模温室测控系统的常用选择方案。但是这类系统存在固有缺陷:控制系统的物理层采用上下位机主从集散控制系统，一旦上位机出现故障，将会导致整个系统瘫痪，危险过于集中，系统的可靠性和稳定性不佳;同时该测控系统拓展性不好，布线复杂，成本太高，成套的DCS系统需要10万元左右，农业用户难以接受。（4）基于现场总线温室控制系统 现场总线是近年来备受关注并得到迅速发展的自控新技术，它以具备数字计算与数字通信能力的测量控制设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数字通信的联系纽带，构成开放式、数字化的控制网络，在智能化测控设备之间实现双向、数字式、多节点的串行

17、通信技术，也称为现场底层控制网络。现场总线将传感测量、补偿运算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态;现场总线从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制体系，简化了系统结构，真正构成了一种全分散的体系结构。另外，它具有协议简单、容错能力强、实时性高、成本低等特点。目前被广泛应用于温室控制系统中。在这种系统结构中，各个控制器和计算机都是挂接在总线上的“平等主体”，它们之间采用点对点方式、广播方式进行通信。环境控制系统的功能充分下放到现场的智能模块中去完成，而不需要通过上位机处理。每个智能节点独立完成系统特定的功能，智能

18、节点接收传感器所采集的现场有关数据，并在节点内完成相应的控制算法，然后再将计算结果输出到执行机构上。这个控制系统结构中的计算机和集散控制系统中的上位机概念不一样，它和其他的智能节点的地位是平等的，主要完成控制系统的一些参数设置和信息管理。同时我们也可以通过计算机Internet和企业局域网，实现系统的远程监。图4-4现场总线测控系统框图 实际上，由于这种系统的构造和设计是基于各种网络总线标准而定的，如IZC, HART, SPI,LonWorks及CAN等，每种总线标准都有自己规定的协议格式和介质，相互之间互不兼容，给系统的扩展、维护等带来不利的影响。另外对传感器/执行器的生产厂家来说，希望自

19、己的产品得到更大的市场份额，产品本身就必须符合各种标准的规定，因此需花费很大的精力来了解和熟悉这些标准，同时要在硬件的接口上符合每一种标准的要求，这无疑将增加制造商的成本;对于系统集成开发商来说，必须充分了解各种总线标准的优缺点并能够提供符合相应标准规范的产品，选择合适的生产厂家提供的传感器或执行器使之与系统匹配;对于用户来说，经常根据需要来扩展系统的功能，要增加新的智能传感器或执行器，选择的传感器/执行器就必须能够适合原来系统所选择的网络接口标准，但在很多情况下很难满足，因为智能传感器/执行器的大多数厂家都无法提供满足各种网络协议要求的产品，如果更新系统，将给用户的投资利益带来很大的损失。五

20、、智能传感器网络化模块（基于IEEE1451标准测控系统）目前我国现代化设施农业发展的进程面临一个长期无法突破的瓶颈:一方面，根据国外发达国家现代化农业发展的经验与趋势，对环境实行自动监测控制的设施农业是现代农业发展的必然途径之一，为此，我国各地纷纷引进了国外的一些先进温室设施作为示范推广措施，以推动我国的现代化高科技设施农业的发展。另一方面，由于中国工业产品与农业产品之间长期以来存在的巨大剪刀差(近二十年来虽然这一剪刀差在缩小，但与国外发达国家的工农业产品价格现状相比还是有着相当大的差距)，导致在农业设施上的投资平衡点处于较苛刻的水平，成本稍高的技术与系统便无法产生净经济效益而得到实际使用;

21、而且，我国农民的文化科技水平与国外发达国家相比，也存在着相当的差距，故对操作人员科技水平要求较高的技术与系统也就无法为普通农民所接受并推广;再次，我国农业生产环境与人员操作的粗放传统也对农业用高科技设施设备的坚固耐用性有着特别的要求。以上这些因素导致了从国外引进及国内已研发的现代温室系统成了摆设的“花瓶”，由农业科技人员在不计温室基础投入成本的前提下维持演示式运营，无法变成农民赖以养家糊口并发家致富的“饭碗”。“基于嵌入式技术低成本适用性设施农业环境测控系统关键技术研究”就是为了解决上述问题而提出。本项目旨在针对设施农业环境自动检测与控制系统的各个主要环节，如传感器与总线的接口模块、执行器与总

22、线的接口模块、网络总线平台模块及用于对监测控制进行上位决策的专用计算机系统等，以嵌入式技术为核心，研制开发相关的一系列标准化硬、软件模块，以便根据设施农业的各种实际应用要求，构建低成本、易操作、坚固经用的环境测控系统，突破长期以来困扰我国现代化设施农业发展的瓶颈。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它的发展与成熟为解决设施农业环境自动监测与控制系统这个瓶颈提供了很好的技术基础。在以上温室测控模式中，我们提到配有传感器的温室测控系统中，人们不仅要解决各种现场总线标准彼此之间互不兼容的问题，还要考

23、虑随着现场环境的变化和网络系统的必要调整，如何对大量的传感器进行再次校准的问题。为改变上述种种因素给智能传感器的设计和应用带来的不利的影响，解决智能传感器产品互不兼容的问题，实现在网络条件下智能传感器接口的标准化，国际电气电子工程师协会IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers)组织制定了对网络化智能变送器(传感器)的接口标准工EEE1451。对于智能网络化传感器接口内部标准和软硬件结构，IEEE1451标准中都做出了详细的规定。该标准的通过，将大大简化由传感器/执行器构成的各种网络控制系统，并能够最终实现各个传感器/

24、执行器厂家的产品相互之间的互换性。本系统的最大特点是:1)采用先进的嵌入式计算机技术代替传统的上位机(PC机)和下位机(单片机)，构成一个专用计算机用户系统，降低了成本，提高了系统处理能力。2)研究即插即用的网络传感器和网络执行器，使传感器和执行器接口模块化和标准化，能面对各种不同的网络总线正常工作，大大提高了设备的兼容性。3)人机界面人性简易化，方便农民应用。 将嵌入式系统代替传统的上位PC机，与基于IEEE1451.2的数据采集系统结合研制开发成本低廉、操作简单、坚固耐用的设施农业环境监测控制系统，使得测控系统中传感器能够即插即用，数据即时传输、处理、反馈。图5-1经济型设施农业嵌入式网络

25、测控系统总体方案1、模块硬件设计总体方案 整个智能传感器网络化模块分成2个模块:PIC单片机控制模块和网络通讯模块。IEEE1451标准定义一个连接STIM和NCAP的10线的标准接口TII，但目前设施农业温室测控系统大多还是沿用RS-232, RS-485串口，为了与能原系统兼容，且对原系统进行扩展，故将智能传感器网络化模块设计成TII, RS-232, RS-485三种串口共用一个DB25针，采用多路模拟开关对串口信号进行选通。以太网系统布置线路简单，具有良好的扩展性，远高于传统现场总线现有的传输速度和带宽，在测控系统中应用越来越广泛，故模块设计采用以太网通讯。图5-2智能传感器网络化模块

26、框图 MCU控制模块是由以PIC16F877为控制芯片构成的，实现STIM和以太网之间的数据根据IEEE1451标准进行读写的功能，包括NCAP与STIM之间的串行接口设计，NCAP内部PIC单片机控制模块和网络通讯模块之间的接口设计。 网络通讯模块采用通信控制器SX52BD与lOM以太网控制芯片RTL8019AS相结合，实现温室数据采集系统与外部网络互连的目的。2、智能传感器网络化模块软件设计此处讨论PIC单片机控制模块和网络通讯模块的软件设计。主要包括三部分内容，一是PIC16F877的程序，二是网络通讯模块的程序，三是PIC单片机控制模块和网络通讯模块之间的通讯程序。 智能传感器网络化模

27、块中PIC单片机控制模块(NCAP1)软件设计的主要功能是读取来自以太网的命令并根据以太网的命令做出反应，读取STIM的温室传感器数据或STIM中TEDS数据;网络通讯模块(NCAP2)的功能就是将NCAP1发送来的温室环境参数进行TCP/IP封装，处理成IP数据包，然后将这些经过IP封装的环境参数数据包按指定格式写入RTL8019AS并启动发送命令，以WebServer服务页的形式公布到网上，其数据流向为:请求信息从局域网中来，通过RJ45送到RTL8019AS，处理后的数据苞送入SX52BD协议栈，由协议栈对数据包进行解析，得到原始请求信息，请求信息再经过SX52BD的处理，产生回复信息;

28、回复信息到以太网的过程与上面正好相反。3、智能温室控制的关键技术温室作为相对封闭的环境，使得各种环境因素的控制相互制约和影响。温室控制不仅要对温度、湿度等主要因素进行调节，还要兼顾光照、CO2、pH值、EC值、肥料度等因素的控制。温室种植的作物根据品种、地域、生长周期的不同对环境的要求也不一样，同时受到设备、种植人水平、资金等生产资料的限制，因此智能温室控制必须要在科学合理的方式下进行，使得控制系统高效的运行，总体而言，智能温室控制的关键技术主要有一下几点。（1）传感器技术智能温室控制的基础首先要通过传感器进行环境参数的检测，传感器的选择对于获取数据的准确性和鲁棒性非常关键。温室控制对于传感器

29、精度的要求不高，但是温室特殊的高温、高湿度和培养液的高腐蚀性对于传感器的鲁棒性要求很高，即需要能长期耐高温、耐高湿、耐腐蚀的传感器。传感器的选择上除了测量范围、测量精度和适用场合等因素需要注意外，还要考虑传感器的输出信号，是模拟的信号还是数字的信号，甚至要了解清楚传感器的接口形式。这些对于后期数据采集模块的电路设计至关重要，了解清楚传感器与单片机的接口和温室中各种传感器的需求情况，就可以有针对性的在数据采集模块上设计好数字接口和模拟接口的数量。对于模拟接口还要考虑模拟量的输出形式，明确电流输出还是电压输出，信号输出的范围和信号的采样频率，这些因素直接关系到电路的设计和数据采集的效果。最后，传感

30、器的成本也因要进行综合考虑比较，不一定购买昂贵的设备，但要满足一般的智能温室控制需要（2）温室控制器及控制算法智能温室控制系统设计的关键部分就是温室控制器的合理设计以及选取合适的控制算法。温室控制器要满足各种数据和命令的传输和处理，具有多种通信接口，能够为现场操作提供必要的人机接口，同时要有很高的鲁棒性和效率。本项目的温室控制器具有结构简练、带有CAN总线、无线接口、串口等丰富的通讯方式；具有液晶和矩阵按键组成的人机交互系统；带有U盘和SD卡存储和时钟功能；满足了温室控制系统的数据传输、存储、转发和人机界面的需求。控制算法是智能温室控制系统的核心，只有采用合适的控制算法，温室的各种控制才能达到

31、准确有效的目的。在以往的温室控制中，常采用古典的PID控制和自适应控制，这对于简单控制和便于建立数学模型的控制对象能取得较好的效果，但对于温室这种大滞后、动态的难于建立模型的系统效果就会很差15。近年来，人工神经网络迅速发展，它具有学习能力、记忆能力、计算能力和智能处理能力，主要优点： 对于非线性关系可最大限度的近似计算，可以描述可控对象的特性，进行控制器的模型构建； 对于不确定的动态系统，可以通过自学习和自适应能力来进行动态模型的分析； 在神经网络的各层神经元中，存储了大量的有效确定性信息，具有了很强的看干扰性和稳定性； 采用了多层并发信息处理机制，提高了数据的运算速度，节省了自学习的时间。

32、人工神经网络的智能自学习特性有效的解决了温室系统非线性、多变量、大滞后、强耦合的问题，将人工神经网络、传统的PID控制算法结合成基于神经网络的PID控制，真正实现了子智能温室控制的自适应性和鲁棒性。（3）温室环境控制执行设施智能温室控制系统要调节各种环境参数最终通过执行设施完成，温室中的控制设施主要有通风设备、加热设备、遮阳和补光设备、CO2施肥设备、降温设备、微喷滴灌设备等。微喷滴灌设备是温室的重要部分，主要作用就是给作物提供生长必需的水分，同时在温度偏高时，能起到降温的效果。微喷滴灌根据具体情况选择是采用微喷还是滴灌。通风设备用于温室与外界的通风换气，一方面可以降低温室内的温度，另一方面可以排出湿气和补充CO2。本设计在温室的侧面和顶部分别留有合适的通风窗户，对于温度和湿度的微少调节可以采用开启这些通风窗，另外在温室的侧面配备大功率的风机，可以快速的降温和排出湿气。在温室内部还设计了环流风机，可以使温室内的气压、温度、湿度分布均匀。遮阳和补光设备也是温室比较关键的执行设施，温室是小气候环境，光照对于温度和湿度影响很大，当光照强度太强时，可以遮阳网遮蔽阳光，当温室外的光照太弱时，可以开启补光灯，进行人工补光。加热设备是高科技温室的必备部分，特别是对