智能溫室控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)

高尚　陳景波

摘要：我國計算機在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用較為落后，溫室控制系統(tǒng)存在很大的不足，在社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，智能溫室控制控制系統(tǒng)成為未來的主要發(fā)展趨勢。文章主要闡述了智能溫室控制系統(tǒng)多因素變量的控制關(guān)系及理論，論述了智能溫室系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計，最后總結(jié)了智能溫室系統(tǒng)軟件設(shè)計，以期開發(fā)出操作簡便、穩(wěn)定可靠的智能溫室控制系統(tǒng)，為相關(guān)研究提供參考意見。

關(guān)鍵詞：智能溫室控制系統(tǒng)；西門子PLC；人機交互；軟件設(shè)計；總體架構(gòu) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP29 文章編號：1009-2374（2015）04-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0290

農(nóng)業(yè)作為我國發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)是我國發(fā)展的重要目標(biāo)之一，近年來，基于自動化技術(shù)及計算機基礎(chǔ)而形成的智能溫室控制系統(tǒng)越來越受到人們的重視，對傳統(tǒng)的溫室進(jìn)行智能化改造具有非常重要的意義，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的準(zhǔn)確管理。本研究中智能溫室控制系統(tǒng)融合了傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、組態(tài)技術(shù)等多種技術(shù)，在西門子PLC人機交互結(jié)構(gòu)模式的基礎(chǔ)上，對室內(nèi)環(huán)境中的各個因子進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到溫室控制系統(tǒng)的需求，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 智能溫室控制系統(tǒng)多因素變量分析

1.1 多變量因素控制關(guān)系

日照、水分、CO2及溫度等因素都會影響溫室環(huán)境，不同因素的影響程度各不相同，但這些因素之間也存在一定的聯(lián)系，在控制溫室環(huán)境的過程中，只要把握好關(guān)鍵要素就能有效地達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。智能溫室控制系統(tǒng)涉及到多種設(shè)備及環(huán)境因子，是一個相對復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系，在實際控制過程中一定要找準(zhǔn)重點決定因素，將其作為切入點，綜合考慮成本投入及控制效益，為作物的生長提供一個良好的溫室環(huán)境。

1.2 多變量控制系統(tǒng)理論

由于作物生長對溫室環(huán)境的要求沒有明確的限定，因此在研究和開發(fā)智能溫室控制系統(tǒng)時，只需考慮系統(tǒng)的可行性及可控制性即可，傳統(tǒng)以PID控制技術(shù)為主的控制系統(tǒng)對參數(shù)設(shè)定的要求較為嚴(yán)格，逐漸被模糊控制所替代，在過程控制中發(fā)揮著重要作用。本文主要采用模糊推理方法對研究智能溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，形成加熱和通風(fēng)系統(tǒng)，對溫室環(huán)境中的濕度、溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)化，構(gòu)建同溫室控制系統(tǒng)對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，但由于溫室環(huán)境因子間的互相作用，在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)提高對系統(tǒng)魯棒性的重視。

2 智能溫室系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

為了滿足溫室控制要求，溫室內(nèi)設(shè)置了天窗、灌溉系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、濕簾系統(tǒng)、風(fēng)機及遮陽系統(tǒng)從多方面對環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。參考智能溫室控制系統(tǒng)功能需求，以西門子PLC下位機和上位機的人機交互結(jié)構(gòu)模式為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計，從而調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的環(huán)境因子。自動控制、遠(yuǎn)程手動控制及現(xiàn)場手動控制是構(gòu)成智能溫室控制系統(tǒng)的主要部分。

基于西門子PLC結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，在操作過程中先對溫室參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，在寄存器中儲存不同環(huán)境因子的限值，搜集實際溫室環(huán)境中的因子，并將這些數(shù)據(jù)作為PLC自動控制程序執(zhí)行及上位機組態(tài)顯示的依據(jù)。在PLC自動控制狀態(tài)下，控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ确治鰧嶋H環(huán)境因子與系統(tǒng)中已儲存的各項參數(shù)，在PLC輸出方式下利用對比結(jié)果完成相關(guān)的控制操作，改善溫室環(huán)境；在現(xiàn)場手控狀態(tài)下，可以結(jié)合實際環(huán)境狀況，運行執(zhí)行機構(gòu)；而在遠(yuǎn)程控制狀態(tài)下，也可以對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，但需要在控制室中進(jìn)行。

2.1 上位機系統(tǒng)設(shè)計方案

智能溫室控制系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)采用的控制方式為西門子和組態(tài)王在PC機上進(jìn)行連接，其中遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)界面、報警系統(tǒng)主機操作界面、趨勢曲線顯示畫面、報表系統(tǒng)界面及遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面共同構(gòu)成了組態(tài)王監(jiān)控

系統(tǒng)。

在對溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制的過程中，借助遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，用戶能夠在監(jiān)控室內(nèi)掌握多種設(shè)備的運行狀況，根據(jù)需要采取相應(yīng)的停止或啟動措施，并在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主機圖像界面下實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動或手動切換功能，發(fā)揮遠(yuǎn)程控制的作用。在報警系統(tǒng)的實時監(jiān)控下，可以提醒用戶對超過參數(shù)設(shè)置值的一些環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證各項環(huán)境因子保持在合理范圍。此外，利用歷史數(shù)據(jù)輸出表、日報表及實時報表，可以更加清楚地了解溫室環(huán)境在過去或當(dāng)前時刻的各項數(shù)據(jù)信息，為分析和決策提供數(shù)據(jù)參考，有利于達(dá)到溫室環(huán)境控制方案的最

優(yōu)化。

2.2 下位機系統(tǒng)設(shè)計方案

西門子PLC控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)是構(gòu)成下位機系統(tǒng)的主要元件，智能溫室中的下位機系統(tǒng)能夠同上位機PC相脫離，也可以同上位機進(jìn)行聯(lián)機工作。在聯(lián)機工作狀態(tài)下，利用西門子PLC總線能夠?qū)⑾挛粰C信號傳送至上位機，在讀取這些信號后將控制功能同監(jiān)視功能綜合起來，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，可以使下位機發(fā)揮更大的作用；而在單獨工作狀態(tài)下，西門子PLC通過對不同功能模塊及輸入端的信號掃描，對比實際環(huán)境中各項環(huán)境因子同標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的差距，由執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)一步做出相應(yīng)的調(diào)整。

3 智能溫室系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 溫室系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

溫室系統(tǒng)上位機的控制和監(jiān)視系統(tǒng)包括組態(tài)王、PC機，一方面保證了系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)查詢/處理、環(huán)境參數(shù)儲存、參數(shù)控制、數(shù)據(jù)/曲線顯示、通訊及系統(tǒng)控制等功能；另一方面也符合上位機的控制條件。

登錄、遠(yuǎn)程控制、歷史曲線、報警系統(tǒng)、實時曲線、日報表和退出等操作按鈕共同構(gòu)成了智能溫室控制系統(tǒng)的主設(shè)計畫面，能夠便于用戶更加清楚、直觀地進(jìn)行操作。運行智能控制系統(tǒng)的過程中，登錄系統(tǒng)進(jìn)入控制界面后，可以根據(jù)實際需求按下相關(guān)操作按鈕，對溫室環(huán)境因子進(jìn)行操作或查看，為了進(jìn)一步方便管理，還能夠?qū)Π粹o功能權(quán)限進(jìn)行劃分，由特定的工作人員進(jìn)入相應(yīng)的操作界面。

3.2 溫室系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計

智能溫室系統(tǒng)下位機軟件可以針對日照、水分、CO2及溫度等因素進(jìn)行實際值同參數(shù)值的對比分析，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計針對性的操作方案。在實現(xiàn)智能溫室控制條件的過程中，西門子PLC控制系統(tǒng)程序能夠切換自動或手動控制，處于自動控制下的系統(tǒng)程序?qū)嶋H采集數(shù)據(jù)為根本，對比參數(shù)設(shè)定值來執(zhí)行自動化操作，而手動控制下，外界環(huán)境因素不會對系統(tǒng)操作產(chǎn)生干擾，只結(jié)合需求進(jìn)行手動化操作。以需求為標(biāo)準(zhǔn)，可以將智能溫室控制系統(tǒng)程序劃分為執(zhí)行機構(gòu)輸出控制程序、環(huán)境因素判斷程序、溫度參數(shù)采集程序及數(shù)據(jù)初始化程序等多項程序，這些程序共同構(gòu)建了功能齊全、性能穩(wěn)定、操作簡便的智能溫室控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語

我國對溫室控制系統(tǒng)的研究相對落后，而智能溫室控制系統(tǒng)的研發(fā)對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的集約化和高效化發(fā)展有著非常重要的意義?；跍厥噎h(huán)境多變量控制關(guān)系及系統(tǒng)理論，在西門子PLC下位機和上位機的人機交互模式下，能夠有效地彌補傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)的不足，實現(xiàn)了環(huán)境因素采集、判斷分析、數(shù)據(jù)初始化及控制輸出的自動化，完善了數(shù)據(jù)記錄、遠(yuǎn)程控制和環(huán)境因素控制等功能，達(dá)到溫室控制系統(tǒng)的需求。

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作者簡介：高尚（1993-），男，江蘇宿遷人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)本科學(xué)生，研究方向：溫室數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制。

（責(zé)任編輯：周 瓊）