智能溫室控制系統(tǒng)技術(shù)

田新英

隨著社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能溫室控制系統(tǒng)逐漸演變?yōu)楫?dāng)下農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要趨勢，深刻影響人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)活動。在實(shí)踐工作中，利用溫室的自動控制技術(shù)，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供高產(chǎn)出、高品質(zhì)目標(biāo)保障，具有較強(qiáng)的價(jià)值應(yīng)用優(yōu)勢，值得深入研究與推廣?；诖耍疚膰@智能溫室控制系統(tǒng)，為其技術(shù)應(yīng)用工作提供幾點(diǎn)優(yōu)化建議，以供相關(guān)研究參考。

【關(guān)鍵詞】溫室環(huán)境 自動控制系統(tǒng) 多因素變量

近年來，以自動化技術(shù)為代表的智能溫室控制系統(tǒng)受到社會公眾的高度關(guān)注，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)溫室智能化改造模式顯得尤為關(guān)鍵，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供準(zhǔn)確管理效益。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的快速發(fā)展背景下，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫度、光照、濕度、空氣相等環(huán)境因素，明確農(nóng)作物生長過程中各個(gè)環(huán)境因子的影響情況，提升溫室控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能顯得尤為關(guān)鍵，便于培養(yǎng)溫室智能化、適應(yīng)性特征。目前，立足于溫室智能化改造條件，為滿足農(nóng)作物生長需求，擬定合適的生長環(huán)境虛擬化方案，以智能化程度較高的智能溫室控制系統(tǒng)為典型代表，也已成為當(dāng)下農(nóng)業(yè)控制的有效應(yīng)用舉措。

1 明確總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，我國智能溫室面積達(dá)到588.4hm2，其中以玻璃溫室面積為典型特征，占據(jù)世界溫室面積的22.5%。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，智能溫室控制系統(tǒng)結(jié)合西門子PLC上位機(jī)+下位機(jī)“人機(jī)交互”結(jié)構(gòu)模式，針對室內(nèi)溫度、濕度演變情況，為農(nóng)作物生長提供系統(tǒng)設(shè)定要求，且大多情況下以現(xiàn)場手動控制、遠(yuǎn)程手動控制、自動控制為組建內(nèi)容，經(jīng)由數(shù)據(jù)初始化—環(huán)境因子采集—數(shù)值比較分析實(shí)施流程，圍繞調(diào)節(jié)溫室環(huán)境設(shè)計(jì)方案，形成系統(tǒng)智能控制效應(yīng)。

以玻璃連棟鋼結(jié)構(gòu)溫室應(yīng)用方案為例，溫室結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)以頂層設(shè)置對光照的具體變化情況為主，并結(jié)合天窗的輔助程序，達(dá)到彌補(bǔ)光照度不足、空氣流通、葉面灌溉等實(shí)際目的。結(jié)合智能溫室系統(tǒng)功能要求，該系統(tǒng)的上位機(jī)以PC+Kingview 6.55（組態(tài)王）控制為主，通過動態(tài)監(jiān)控觀察情況，綜合分析整個(gè)溫室的運(yùn)行狀況，并與溫度、濕度、光照度等因子相關(guān)聯(lián)，深入調(diào)整遠(yuǎn)程操作狀態(tài)下的恒定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)單獨(dú)工作運(yùn)行狀態(tài)；此外，該溫室下位機(jī)系統(tǒng)主要以PLC控制器、傳感機(jī)構(gòu)為基本表征，與-48MRPLC擴(kuò)展模塊共同聯(lián)合，通過掃描特殊功能模塊演變信息，比較溫室內(nèi)部的CO2、溫濕度、水分源等情況，完成遮陽網(wǎng)、天窗及其相關(guān)信號的總線傳輸工作。該種智能溫室控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)控制為主，利用傳感器測量、外圍電路控制輔助工具，自動運(yùn)轉(zhuǎn)溫室環(huán)境的智能化控制機(jī)構(gòu)，便于監(jiān)控溫室環(huán)境因子變化情況，且具有ZigBee、Internet溫室群體環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)管性能（參照溫室內(nèi)的溫濕度要求：當(dāng)濕度達(dá)到50-65%RH時(shí)，土壤水分控制恒定為70-90%RH，達(dá)到上限值完成溫室補(bǔ)水操作）。

2 結(jié)合多因素變量分析

在溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)檢測中，多以日照、水分、溫濕度、CO2等環(huán)境因素考慮對象，立足于溫室成本投入、控制效益、系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)不同影響因素的內(nèi)外聯(lián)系。但由于農(nóng)作生長對溫室環(huán)境的具體要求并不明確，結(jié)合傳統(tǒng)PID控制技術(shù)所設(shè)定的參數(shù)要求，對應(yīng)遮陽系統(tǒng)、通風(fēng)環(huán)境、溫控系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)等系統(tǒng)關(guān)系，構(gòu)建FIS（模糊推理系統(tǒng)）方案，為溫室環(huán)境內(nèi)部的溫度、濕度轉(zhuǎn)換提供參考研究對象，可結(jié)合數(shù)學(xué)模型公式（加熱—通風(fēng)模型），如下所示：

（所涉及的參數(shù)表示溫室的內(nèi)外濕度、熱量情況等），以助于智能控制應(yīng)用的參數(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

以溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的單片機(jī)控制方案為例，該系統(tǒng)經(jīng)過FELIXC-512系統(tǒng)的演變與轉(zhuǎn)換，由智能傳感器、控制設(shè)備、前臺機(jī)組等基本架構(gòu)為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過A/D轉(zhuǎn)換器—ARM控制器等工作流程，以AVR單片機(jī)與RS-485總線通信為參考方向，構(gòu)成多輸入、多輸出的控制系統(tǒng)（將PLC內(nèi)部的8000步程序容量擴(kuò)展至16000步）。在溫室系統(tǒng)控制環(huán)境下，采用多因素變量模擬控制模型，以4-20mA、-20+20mA的模擬量標(biāo)準(zhǔn)為模塊可接受的恒定功率（輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號），聯(lián)合PLC的FROM/TO應(yīng)用指令，相關(guān)采集系統(tǒng)具備遠(yuǎn)距離傳輸功效，且長期穩(wěn)定性能達(dá)到“濕度<1%RH/年”、“溫度<0.1℃/年”標(biāo)準(zhǔn)，輔助完成室內(nèi)外環(huán)境因子的監(jiān)測工作。

3 注重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

立足于溫室環(huán)境中的CO2濃度、溫濕度、水分、光照情況，不同農(nóng)作物對溫室環(huán)境的具體溫度指標(biāo)各不相同，溫室PLC控制系統(tǒng)的實(shí)際要求也會有所轉(zhuǎn)變。在實(shí)踐生產(chǎn)中，智能溫室系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要以PLC編程情況為基本指標(biāo)，采用GX Developer Version 8.34編程軟件，輔助系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理、控制參數(shù)等配置結(jié)構(gòu)，結(jié)合WEB版本的B/S結(jié)構(gòu)的便利特征，拓展各個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)視功能，以FX2N-4AD模擬量輸入模塊，采集高性能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，便于控制具體溫室參數(shù)。以RS-485通訊總線遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控狀態(tài)為例，圍繞風(fēng)機(jī)、遮陽網(wǎng)、天窗、灌溉系統(tǒng)，采用WEB版本組態(tài)王形態(tài)，多以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為參考對象，選用合適的軟件開放工具（PLC可編程控制），提升自動控制系統(tǒng)的可靠性能（采用4-20mA電流信號），具備輸出信號線性較強(qiáng)、遠(yuǎn)距離傳輸快速等顯著特征，且設(shè)計(jì)成本不高，便于輔助改造溫室控制技術(shù)。

4 總結(jié)

綜上所述，智能溫室控制系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有利輔助條件，具備經(jīng)濟(jì)效益高、設(shè)計(jì)成本低廉等特征。在溫室環(huán)境研究中，自動控制系統(tǒng)結(jié)合總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、多因素變量分析、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等方面要點(diǎn)內(nèi)容，圍繞溫度、濕度、水分、CO2、光照等環(huán)境因子，設(shè)計(jì)符合農(nóng)作物生長的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并在原有恒溫基礎(chǔ)上，構(gòu)建良性生長輔助恒溫調(diào)節(jié)機(jī)制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支持?；谥悄軠厥铱刂葡到y(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，可結(jié)合具體的環(huán)境而定，適當(dāng)應(yīng)用PLC技術(shù)的便利性能，以輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的溫室自動調(diào)節(jié)作用。

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作者單位

石家莊理工職業(yè)學(xué)院 河北省石家莊市 050228