智能溫室大棚建設(shè)方案探討.doc

智能溫室大棚建設(shè)方案探討 摘要：指出了溫室大棚的應(yīng)用是為了給作物提供一個(gè)更好的生長(zhǎng)環(huán)境,但人工管理仍不能及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握作物的生長(zhǎng)過程和對(duì)環(huán)境的要求。在普通日光溫室的基礎(chǔ)上,運(yùn)用農(nóng)業(yè)生物學(xué)、管理科學(xué)等多種技術(shù),結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)自控技術(shù),對(duì)溫室大棚進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì),提出了一種先進(jìn)、實(shí)用的溫室大棚建設(shè)方案。 關(guān)鍵詞：智能;溫室大棚;建設(shè)方案;系統(tǒng)設(shè)計(jì) 收稿日期：20120402 作者簡(jiǎn)介：閆政（1981），男，山西壺關(guān)人,助教,碩士，主要從事程序設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)方面的教學(xué)與研究工作。中圖分類號(hào)：S629文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944(2012)05029302 1引言 溫室大棚是北方寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分,隨著溫室大棚的普及,其數(shù)量不斷增多。筆者在考察了現(xiàn)有的一些溫室大棚后,發(fā)現(xiàn)目前溫室大棚存在一些問題：一是監(jiān)測(cè)和管理還都處在人工階段,這樣的做法雖然施工簡(jiǎn)單,所用材料成本低廉,但過多的人工操作和管理同樣也增加了管理成本,并且不能準(zhǔn)確掌握作物的生長(zhǎng)情況和采取有效的生產(chǎn)措施;二是一些采取了智能控制的溫室大棚,智能化程序不高,只對(duì)部分生長(zhǎng)因子進(jìn)行了監(jiān)控,如溫度、濕度等,沒能全面監(jiān)控生長(zhǎng)環(huán)境,也不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制;三是缺少軟件支持,不能對(duì)所得到的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,無法及時(shí)做出相應(yīng)控制。針對(duì)目前的應(yīng)用,筆者認(rèn)為,對(duì)溫室大概設(shè)計(jì)出一種集成化方案,來滿足溫室大棚的智能化建設(shè)十分必要。 針對(duì)智能化溫室大棚應(yīng)用的要求和目前溫室大棚的發(fā)展情況,本文在分析溫室大棚需求后,對(duì)溫室大棚的系統(tǒng)進(jìn)行了集成方案的設(shè)計(jì),實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)的土壤和空氣溫度、土壤和空氣濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù),以直觀的數(shù)據(jù)、圖標(biāo)或曲線方式顯示給用戶,并可以根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報(bào)警信息。 2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 智能化建設(shè)是利用自動(dòng)化技術(shù)對(duì)溫室大棚實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)的土壤和空氣溫度、土壤和空氣濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù),以直觀的數(shù)據(jù)、圖標(biāo)或曲線方式顯示給用戶,并可以根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報(bào)警信息。 2.1系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)從功能上分為信號(hào)采集系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng),硬件主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)是一臺(tái)PC機(jī),主要功能是保存和處理下位傳回的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，對(duì)下位機(jī)做出設(shè)置和控制;實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè),完成數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。下位機(jī)是單片機(jī)或?qū)Ｓ玫臏厥掖笈锟刂破?它通過RS485接口與上位機(jī)通信,把各種傳感器采集的數(shù)據(jù)(如濕度、溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給上位機(jī),并根據(jù)上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的參數(shù),對(duì)各種執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制,確定各執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的智能化調(diào)控。系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1、圖2。 圖1系統(tǒng)總體示意圖 圖2信息采集系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)組成示意圖 2.2各組成部分功能 2.2.1信息處理系統(tǒng) 信息處理是整個(gè)建設(shè)方案的核心部分。下位機(jī)通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī),上位機(jī)系統(tǒng)選用個(gè)人計(jì)算機(jī),主要對(duì)上位機(jī)遞來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和系統(tǒng)控制,實(shí)時(shí)顯示及修改各種控制數(shù)據(jù)、曲線,記錄各種采集數(shù)據(jù)。由于采集回的數(shù)據(jù)大都是一種多輸入、多輸出、大滯后的非線性控制變量,所以還需要設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、有效、可靠的人機(jī)接口的可視化界面。上位機(jī)根據(jù)溫室環(huán)境參數(shù)的設(shè)置以及預(yù)先制定的控制策略發(fā)出控制數(shù)據(jù),通過下位機(jī)向控制系統(tǒng)發(fā)出各種相應(yīng)的控制信號(hào),調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子。 信息處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)組成,其主要功能有兩部分,一部分功能是用于與下位機(jī)的通訊、設(shè)置溫室環(huán)境參數(shù),并把采集的數(shù)據(jù)存于管理數(shù)據(jù)庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、打印,以備決策系統(tǒng)調(diào)用;另一部分為決策系統(tǒng),功能是根據(jù)知識(shí)庫(kù)和采集的數(shù)據(jù)及時(shí)為用戶提供各種作物生長(zhǎng)所需要的最佳氣候參數(shù),并能自動(dòng)生成最佳控制方案。 數(shù)據(jù)庫(kù)中保存各種傳感器的數(shù)據(jù)、操作記錄、控制記錄等,知識(shí)庫(kù)中存放栽培作物的植物屬性、日照要求、溫濕度要求、CO2和氧氣濃度要求等最佳氣候參數(shù)。 該綜合管理系統(tǒng)還應(yīng)具有不同作物的生長(zhǎng)方案,只需提前選擇好方案,整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)調(diào)節(jié)。在作物的整個(gè)生長(zhǎng)過程中還應(yīng)把各傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)保存,并按要求打印,便于以后觀察和分析,由此形成一個(gè)專家系統(tǒng)。 2.2.2信號(hào)采集系統(tǒng) 該部分主要是各種傳感器組成,包括空氣溫度濕度傳感器、土壤溫度濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氧濃度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器;由于溫室大棚一般面積都比較大,這些傳感器在安裝時(shí)必須考慮到分布問題,在大棚的陽面和陰面都要適當(dāng)設(shè)置傳感器,并根據(jù)大棚的長(zhǎng)度以1020m距離為單位設(shè)置傳感器。在選擇傳感器時(shí)要選擇抗干擾能力好、傳輸距離遠(yuǎn)的傳感器。 2.2.3控制執(zhí)行系統(tǒng) 該子系統(tǒng)包含內(nèi)容較多,控制也最復(fù)雜,各執(zhí)行部件把下位機(jī)傳來的控制信號(hào)執(zhí)行后,還須把執(zhí)行后的狀態(tài)反饋給下位機(jī),下位機(jī)再把這些狀態(tài)暫存于自己的緩存中,同時(shí)上傳到上位機(jī),以保證各執(zhí)行部件能按事先制定的策略完成任務(wù)。 2.3主要設(shè)備選型 本方案采用了集成化的大棚控制器,這種集成化的控制已經(jīng)成為了現(xiàn)代溫室大棚的主要控制設(shè)備。如北京瑞陽恒興科技有限公司的大棚專用控制器作為下位機(jī),它的控制器可以采集6路溫度和4路模擬量輸入,可連接O2和CO2的變送器以及光照傳感器、濕度傳感器,采用4路數(shù)字量輸入和7路繼電器輸出,具備數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)傳功能。可采集的數(shù)據(jù)包括:棚內(nèi)溫度、通風(fēng)口溫度、棚內(nèi)空氣濕度、棚內(nèi)光照度、棚內(nèi)氧氣含量和棚內(nèi)CO2含量等。還具備控制功能,可以通過預(yù)先設(shè)置好的程序來完成邏輯控制;具備數(shù)字輸入和數(shù)字輸出。該控制器具備豐富的通訊端口,組網(wǎng)的方式是采用工業(yè)以太網(wǎng),特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?穩(wěn)定可靠。 其他信號(hào)選用PT100溫度傳感器、Am2303濕度傳感器、BH17光照傳感器,對(duì)于CO2濃度和氧濃度的檢測(cè),設(shè)計(jì)中采用氧氣變送器和二氧化碳傳感器,便于與大棚控制器的對(duì)接。 3智能化溫室大棚設(shè)計(jì)分析 影響作物生長(zhǎng)的因素很多,要根據(jù)溫室大棚內(nèi)環(huán)境的變化及時(shí)作出控制,來調(diào)整溫室大棚內(nèi)生長(zhǎng)因子,達(dá)到作物最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。 3.1保證數(shù)據(jù)采集的可靠性 溫室大棚內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,特別是溫度高、濕度大,對(duì)采集設(shè)備抗干擾能力要求較高,而且在信號(hào)傳輸時(shí)也要保證信號(hào)不失真。這樣必須要采用抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的設(shè)備,從信號(hào)處理、電路設(shè)計(jì)、器件選擇及電磁兼容等諸多方面來考慮,將噪聲干擾降至最低,提高整個(gè)系統(tǒng)性能。 3.2適當(dāng)?shù)闹参锷L(zhǎng)模型 溫室大棚內(nèi)的作物會(huì)根據(jù)市場(chǎng)的需求來確定種類,每種作物都有自己不同的生長(zhǎng)習(xí)性,這要求本系統(tǒng)要有不同作物的生長(zhǎng)模型。這些模型可以從已有的研究成果中得到,把這樣的數(shù)據(jù)直接輸入到信息處理系統(tǒng)中,也可以利用信息處理系統(tǒng)中的記錄存儲(chǔ)功能,把以往的數(shù)據(jù)建立起該種作物的生長(zhǎng)模型,最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)作物最優(yōu)控制溫室大棚。 3.3建立專家系統(tǒng)和合適智能控制策略 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,最復(fù)雜、最難的部分就是智能控制。由于數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)大都是非線性信號(hào)變量,而且這些多輸入、多輸出的控制信號(hào)還有大滯后的特點(diǎn),但對(duì)各種執(zhí)行系統(tǒng)的控制卻要?jiǎng)討B(tài)、實(shí)時(shí)、有效;而且整個(gè)系統(tǒng)不僅要有及時(shí)的信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng),更要有智能化的控制策略。實(shí)際應(yīng)用中,常規(guī)的控制方法(如最優(yōu)控制、PID)的控制效果都不是很理想,如果能把模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能控制方法應(yīng)用于該系統(tǒng)中,可以大大提高溫室大棚環(huán)境控制的精度和水平。 4結(jié)語 溫室大棚環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是我國(guó)現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣產(chǎn)品,本文通過對(duì)智能溫室大棚控制系統(tǒng)有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的分析研究,設(shè)計(jì)了一種具有較高實(shí)用性和集成度高的溫室智能控制系統(tǒng),與傳統(tǒng)智能溫室相比具有集成度高、安裝簡(jiǎn)單、操作方便、適配性強(qiáng)等特點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景,為未來智能化溫室的高可靠性、高自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)： 1 劉永華,王念春,陳愷亮.智能溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與介紹J.計(jì)算機(jī)與信息技術(shù),2008(8):6869. 2 李偉,段翠芳,滑偉娟.溫室監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)J.中國(guó)果菜,2010(8):171172. 3 田祎,樊景博.智能溫室測(cè)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)J.商洛學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(2):216219. 4 楊靜,張磊.農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,38(4):4046. 智能溫室大棚建設(shè)技術(shù)方案 文檔格式：DOC| 瀏覽次數(shù)：74| 上傳日期：2014-07-01 02:12:30|文檔星級(jí)： (function() var s = “_” + Math.