溫室環(huán)境在線控制方式應用分析

吳小偉 武文娟

我國對于溫室環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)控制技術的研究始于20世紀80年代，該技術主要用于溫度、濕度等單因子環(huán)境控制。由于溫室一次性投資大，同時對操作人員的技術素質要求較高，加上部分企業(yè)資金短缺，導致溫室環(huán)境參數(shù)控制技術的發(fā)展受到了限制[1]。溫室環(huán)境參數(shù)控制技術按控制方式可分為手動控制技術、自動化控制技術、智能化控制技術三個主要發(fā)展階段。目前溫室在線控制主要是采用分段式控制和人工設定相結合的方法。溫室環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)是在充分利用自然資源的基礎上，通過改變作物生長的光照、濕度、溫度等環(huán)境條件，達到提高經濟效益、調節(jié)作物生長周期、增加作物產量、改善產品品質的目的。

1 單片機控制方式

目前，一般采用8位CPU 51單片機作為溫室環(huán)境參數(shù)控制器主控制系統(tǒng)基礎系列，從數(shù)據采集到邏輯算法控制都是由單片機完成，控制系統(tǒng)結構如圖 1所示。汪小旵等人以PC機為上位機，以單片機為下位機，完成了溫室在線監(jiān)測系統(tǒng)，較好地實現(xiàn)了上下位機之間的數(shù)據交換和通訊傳輸。李志偉等人[2]利用8031單片機實現(xiàn)了對溫室環(huán)境的動態(tài)平衡調控，建立了以溫度為主要參量的溫室環(huán)境調控模式。齊文新等人[3]采用人工智能技術的農業(yè)溫室環(huán)境專家系統(tǒng)和多任務操作系統(tǒng)對溫室環(huán)境進行實時監(jiān)測和智能化決策，研制了分布式、智能化溫室環(huán)境群測控系統(tǒng)，解決了溫室環(huán)境控制單一性缺點。王成等人[4]以單片機為核心，研發(fā)設計了溫室環(huán)境綜合信息采集器，設計了基于模糊控制技術的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫度、濕度、pH值、光照強度、EC值、CO2濃度等主要溫室環(huán)境信息的實時數(shù)據處理。

圖1 單片機溫室環(huán)境控制系統(tǒng)結構

2 網絡技術控制方式

隨著無線通訊技術的快速發(fā)展，遙感與地理信息技術系統(tǒng)（GIS）也被廣泛地應用于溫室作物長勢、產量、病蟲災害等方面的監(jiān)測，尤其是從單點對多點的個人局域網到長距離的網絡通信技術的快速發(fā)展，管理者可以通過遠程溫室環(huán)境參數(shù)信息采集與監(jiān)控技術，將分散的溫室設施集中連片成統(tǒng)一的有機整體，實現(xiàn)信息及時互通，達到集中統(tǒng)一控制的目的。蘇曉峰等人開發(fā)出了一套遠程溫室環(huán)境參數(shù)控制體系，構建了互聯(lián)網動態(tài)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，用戶只要通過瀏覽器就能夠訪問和控制分布在互聯(lián)網上的遠程溫室。習智華等人設計了一種帶有多種數(shù)據接口且具有無線傳輸功能的主監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了無線網絡數(shù)據的自動匯聚，解決了溫室單區(qū)域與跨區(qū)域兩種工作模式切換問題。未來如何實現(xiàn)快速、有效地采集和更新環(huán)境變量信息，將成為實現(xiàn)精準溫室農業(yè)的重要基礎。

3 PLC控制方式

基于PLC的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)一般由上位機、PLC控制器、數(shù)據采集器和執(zhí)行單元組成，控制系統(tǒng)結構如圖 2所示。PLC控制系統(tǒng)主要用于實時監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)的變化情況，并根據作物生長要求對環(huán)境參數(shù)進行動態(tài)匹配調整，完成與上位機的數(shù)據通信。一般情況下，大量使用PLC作為控制器會導致溫室的建設成本提高，因此PLC控制器廣泛用于溫室環(huán)境控制還受到一定的限制。謝向花等人[5]通過將PLC控制技術、組態(tài)監(jiān)控技術、變頻技術和傳感器技術組合運用，研發(fā)設計了一套可應用于溫室環(huán)境參數(shù)控制的檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對采集到的參數(shù)與設定的控制參數(shù)進行比較，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的自動控制。唐立偉等人[6]提出采用PLC控制與單片機通訊相結合的方法實現(xiàn)數(shù)據采集功能。與普遍采用的上位PC機與下位PLC采集數(shù)據的方式相比，該系統(tǒng)在投入成本和控制形式上有了顯著改善，控制方式顯得更加簡單。呼天星[7]通過智能現(xiàn)場總線控制技術實現(xiàn)了多個溫室環(huán)境參數(shù)的網絡化控制和多個連棟溫室的集群控制，提升了控制系統(tǒng)的控制效率和經濟效益。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結構

4 總線控制方式

近年來，我國科技人員在吸收國外先進溫室環(huán)境參數(shù)生產控制技術的基礎上，對溫室內部環(huán)境參數(shù)控制技術進行了綜合研究。例如，采用RS485現(xiàn)場總線與遠端的氣象站連接通信，以獲得溫室現(xiàn)場內外溫度、濕度及室內外光照強度、降雨量、風力速度、風向等環(huán)境參數(shù)；同時，總線控制方式還可以與其它控制器或上位機進行快速的數(shù)據通訊，形成大型綜合式溫室環(huán)境參數(shù)自控系統(tǒng)。如董喬雪等人[8]采用485通信網絡技術和逐級驗證的通信算法進行數(shù)據傳輸，研發(fā)設計了由一臺PC主機與多個微電腦控制裝置組成的主從式分布結構溫室環(huán)境參數(shù)控制器，通過實時檢測溫室環(huán)境參數(shù)的變化，對比歷史溫室參數(shù)值和報警值來調整控制溫室環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了對同一地區(qū)多個溫室環(huán)境參數(shù)的集群控制。由于CAN總線控制技術在性價比、可靠性、通信速率等方面具有諸多優(yōu)點，CAN總線技術已在工業(yè)控制中得到了廣泛應用，但到目前為止，CAN總線技術在溫室環(huán)境參數(shù)控制中的應用還比較少見。由于溫室是一個復雜的環(huán)境系統(tǒng)，要完成復雜的溫室環(huán)境參數(shù)集中控制具有一定的難度，而CAN總線的出現(xiàn)恰好解決了這個問題。董健康等人[9]研發(fā)設計了基于CAN總線的溫室智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機技術開發(fā)了CAN總線智能節(jié)點，帶有232和485接口，另外節(jié)點還帶有模數(shù)轉換器ADC0832，可以直接輸入模擬量。杜輝等人[10]在單棟溫室環(huán)境參數(shù)控制中將藍牙技術成功應用于連接各種檢測裝置、執(zhí)行機構和邏輯控制器件，各個溫室棚之間通過CAN總線相連，構成了一種分布式溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫室環(huán)境參數(shù)的自動檢測和監(jiān)控管理，提升了系統(tǒng)的監(jiān)控效率。汪永斌等人[11]采用溫室環(huán)境參數(shù)集群控制算法研制開發(fā)了一套全數(shù)字溫濕度自動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可在100天時間內，以小時為單位，設定溫濕度值并記錄參數(shù)，當技術人員發(fā)現(xiàn)溫室病蟲害等問題時，可以查詢歷史數(shù)據，對某些病蟲害起到了防范作用。

5 結束語

隨著計算機傳感技術、自動化控制技術等新技術的不斷快速發(fā)展，溫室環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)也由前期的以數(shù)據采集處理和監(jiān)測為主的簡單控制，逐步向以知識處理和智能應用為主的溫室環(huán)境參數(shù)專家控制系統(tǒng)轉變；同時，信號傳輸方式也逐步由有線向無線傳輸方式轉變，傳輸速度也由慢速向快速轉變，為實現(xiàn)溫室環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)控提供了技術可能。因此，溫室環(huán)境參數(shù)的自動化監(jiān)控是實現(xiàn)現(xiàn)代溫室的發(fā)展方向，也是實現(xiàn)多個溫室大棚環(huán)境同時管理的有效措施。因其在省工節(jié)本、操作使用等方面具有顯著的優(yōu)點，未來市場應用前景廣闊。

[1]吳小偉,史志中,鐘志堂,等.國內溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)研究進展[J].農機化研究,2013,35(4):1-7,18.

[2]李志偉,王雙喜,高昌珍,等.以溫度為主控參數(shù)的日光溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)的研制與應用[J].農業(yè)工程學報,2002,18(3):68-71.

[3]齊文新,周學文.分布式智能型溫室計算機控制系統(tǒng)的一種設計與實現(xiàn)[J].農業(yè)工程學報,2004,20(1):246-249.

[4]王成,喬曉軍,焦春巖.分布式溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化技術與應用,2005,24(1):54-56.

[5]謝向花.基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設計[J].機電信息,2009(24):129,140.

[6]唐立偉,劉理云.基于PLC的智能溫室綜合控制系統(tǒng)的研發(fā)[J].自動化技術與應用,2009,28(7):106-108.

[7]呼天星.PLC智能控制系統(tǒng)在棚栽溫室上的應用[J].浙江農業(yè)科學,2011(4):947-951.

[8]董喬雪,王一鳴.溫室計算機分布式自動控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].農業(yè)工程學報,2002,18(4):94-97.

[9]董健康.基于CAN總線測控系統(tǒng)智能節(jié)點的開發(fā)[D].北京:中國農業(yè)大學,2003.

[10]杜輝.連棟棚室環(huán)境因子集中監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].農業(yè)裝備與車輛工程,2009(7):19-21,25.

[11]汪永斌,呂昂,孫榮高,等.溫室群全數(shù)字式溫度和濕度綜合控制系統(tǒng)[J].農業(yè)機械學報,2002,33(5):71-74.