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温室产业及相关技术在国内外的发展速度很快。如在荷兰的阿姆斯特丹 RAI展览馆每年11月举办一次国际花卉展览会，2003 年就有来自世界各国的 477 个厂商展示了各自的产品和实力。荷兰、日本、以色列、美国、韩国、西班牙、意大利、法国、加拿大等国是设施农业十分发达的国家，温室以大型温室为主。这些高水平大型温室的环境控制系统能够根据传感器采集室温、叶湿、地湿、室内湿度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风速、风向、以及植物作物生长状态等有关参数，结合作物生长所需最佳条件，有效调节有关设备装置，将室内温、湿、光、水、肥、气等诸因素综合协调调节到最佳状态。 欧美等国家在 30 年代就相继建立了人工气候室。温室调控技术至今经历了几十年的发展过程。初期是使用仪表对温室设施中的光照、温度等参数进行测量，再使用手动或电动执行机构（如幕帘、通风设备等）施行简单控制，随着传感元件、仪表及执行器技术的进步，逐步发展成为对温度、湿度、光照等几乎所有室内环境参数分别进行自动控制。计算机技术的发展使环境参数的综合控制成为可能。70 年代中期，荷兰、日本、美国、意大利等国家已使用微型计算机控制植物生长环境。从 80
年代开始，根据不同作物、不同生长阶段及外界环境变化对温室环境进行综合调节控制的技术得到了快速的发展。目前，在温室控制技术方面，荷兰、美国、以色列、日本等国较为先进。由于借鉴了工业、航空航天等领域的先进成果，技术水平不断提高，它能根据作物生长的最佳生长条件，调节温室气候使之一年四季满足植物生长需要，不受气候和土壤条件的影响，在有限的土地上周年地生产蔬菜和鲜花。除了对温室进行监控外，计算机优化环境参数、节能、节水及设施装备的可靠性等很多方面都取得了很好的技术成果，并推出了许多新产品。美国开发的冬天保温用的双层充气膜、高压雾化降温加湿系统以及夏季降温用的湿帘降温系统处于世界领先水平；韩国的换气、灌水、二氧化碳浓度控制等设施比较先进；荷兰的顶面涂层隔热、加热系统、人工补光等方面有较高的水平；以色列的灌溉系统比较先进，室内设施齐全。日本、韩国开发了瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本开发了育苗移栽、耕耘、施肥移动机器人，可完成多项功能的多功能机器，能在温室内完6成各项作业的无人行走车，用于组织培养作用的机器人，柑橘、葡萄收获机器人等 。资源相对贫瘠的荷兰温室生产最值得研究。 国土面积不大的荷兰已经成为世界农业发展的典范。1999 年一年四季全天候生产的大型温室有 1.1 万 hm2，其中 90%为玻璃温室。国外现代温室单位面积的产量高经济效益高，荷兰温室番茄年产量达到 60kg/m2，5000 hm2用于种植花卉，花卉产业每天向世界鲜花市场上出口 1700 万支鲜花和 170 万盆盆花，鲜花出口占全世界鲜花市场的 60%以上，年收入高达 110 亿美元，占全国农业总产值的 35%，经济效益高，成为欧洲的“菜篮子”，“花篮子”。 荷兰大量投资与温室相关的基础研究。建立“蔬菜工厂”、“花卉工厂”、“苗木工厂”等用于研究和示范，成为温室业的坚实科研后盾。重视作物生理、产量、品质与环境因子之间的定量关系等方面研究，因而设施内综合环境控制系统智能化水平高，设施种植技术实现了规范化和标准化。 1.1.2 国内温室产业的现状及存在的问题 改革开放以来，我国的农业生产取得了可喜的成绩，但同时，我国农业发展中存在的问题也越来越凸现出来，如果这些问题得不到解决，将成为严重制约我国农业可持续发展的瓶颈。首先是我国人口众多。其次是资源短缺。第三是我国农产品成本高，科技含量低，无法形成产业规模。要解决这些问题，根本在于实现我国农业从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化。农业环境综合控制作为农作物优质、高效、高产的手段，是农业现代化的重要标志，随着社会经济的发展，以温室为代表的设施农业将成为现代农业的发展主要方向之一，成为21世纪最有活力的农业新产业。 20 世纪 50 年代末，我国在华北地区曾建造过屋脊式大型玻璃温室，到 60 年代初，在东北地区建成 1hm2的大型玻璃温室。 由于国内设施农业技术比国外落后，必然走一条引进、消化、吸收、创新的路子。 1979-1987 年，从保加利亚、荷兰、罗马尼亚、美国、日本、意大利等六国，引进现代温室 24 座，共 19.2hm2,分别建造在北京、黑龙江、广东、江苏、上海、新疆等六省市区，其中 60%用于蔬菜生产，40%用于花卉生产。 这次较大规模的引进温室，各地都重视了温室本身，但却忽视了对我国气候的实用性和配套的栽培技术，在运动中存在着冬季能耗高、夏季降温困难等问题，经济效益普遍不佳。 90 年代中期开始，我国现代温室快速发展。“九五”期间，国家科技部将工厂化高效农业示范工程列为国家重大科技产业工程，这是唯一的一项农业产业示范工程项目。由此，又一个大规模引进国外大型现代温室，至 1998 年，共引进温室175.4hm2,引进的国家有荷兰、法国、以色列、西班牙、美国、日本、韩国以及我国的台湾地区，基本涵盖了现代温室发达的国家和地区；引进和建设的地点，北起黑龙江，南至海南岛，东起上海，西至新疆，包括了全国所有的省、市、自治区；引进温室的主要类型包括单屋脊和双屋脊的大型连栋玻璃温室，拱圆形、锯齿形、双层充气和双层结构的塑料膜温室，以及聚碳酸酯板温室等，代表了现代温室的所有类型；引进温室的配套设备包括遮阳、通风、降温、加温、保湿、自动控制和计算机管理，以及栽培床、活动苗床、喷滴灌和自走喷灌、自走式采摘车、自动化穴盘育苗、水培设备等等，也基本包括了所有先进的配套设备。这次打规模的引进温室，特别是北京、上海几个示范园区，在引进温室至温室园艺成套设施硬件的同时，还引进了配套品种、栽培技术、专家系统等软件成套技术，以及国外相关专家现场指导。
目前，我国是设施园艺栽培面积最大的国家。80年代中后期，随着高效节能日光温室生产技术在东北地区试验成功，就迅速在我国北方发展起来，各级政府把其作为带领农民致富奔小康、培育农村新的经济增长点的重点措施，各级农业科研机构也投入了大量的人力、物力进行节能日光温室建造及生产技术的专项研究，并取得了重大进展。日光温室发展到今天，已由生产各种反季节蔬菜的生产设施，发展为日光温室园艺设施，进而发展为设施农业，已成为种植业、养殖业和水产业全面发展的新兴产业。据统计，全国节能日光温室面积到2002年底已到达760万亩。 随着我国现代温室产业的快速发展，在温室产业的运营中暴露出了一些问题:1）现代温室管理和种植的人才缺乏，温室种植技术落后，造成了现代温室的功能和优势不能充分发挥。2）能源消耗大，以现代温室为代表的设施农业生产企业效益低下，导致温室产业出现了滑坡的现象。3）不同地域的气候环境制约了进口大型温室适用性，温室不能周年运行。4）计算机控制水平低。目前国内温室计算机控制系统与国际选进技术存在很大差距，商用控制系统不能满足高效节能有效控制温室机构运行的要求。 1.2 国内外温室控制技术的研究现状 现代温室中常见的能自动控制的调控机构有:顶部通风窗、侧面通风窗、外遮阳帘幕、内遮阳帘幕、轴流通风机、降温湿帘、人工补光灯、二氧化碳施肥器、加热设备、喷雾系统及熏蒸设备。控制器综合调节各个机构，使系统在运行中节约能源的同时保证室内气候满足植物生长需求。使用的控制器可以有很多选择，如单片机、工控机、PLC、通用PC机等。控制器之间可以通过局域网或现场总线进行信息交换。国内外研究学者对控制系统和控制算法做了大量的研究。 1.2.1国外温室控制技术的研究现状 西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。 目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。 1.2.2国内温室控制技术的研究现状 我国温室产业起步比较晚。自70年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了40套左右的现代化温室成套设备。虽然这些温室技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严重问题，主要有以下几点:引进价格高，运行经济效益差;技术要求过高，要求经营者既要懂农业技术，熟悉英文，还要掌握电脑操作和机械运营和维护;运营模式没有与中国的实际结合起来，不适合于我国的气候特征。所以，研究开发符合我国国情、产生明显经济效益并适用于大范围推广应用的自动控制温室系统己经迫在眉睫。基于以上的种种原因，我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度、光照等单因子控制技术的研究，并逐步推出既适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件要求的温室控制系统。从控制器类型来划分，主要有以下几种温室自动控制系统: 1.基于工业控制计算机的温室自动控制系统。如由江苏理工大学李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能温室环境控制系统，它采用工业控制计算机作为温室控制系统的核心，它是江苏省“九五”农业科技项目，他们在1996年7月初步建成了一套具有降温、补光、控湿和增施二氧化碳等功能的智能温室，1997年又相继完成了应用夜加温和太阳能加温的系统。1996年8月起进行了温室环境控制的技术效果测试分析和生菜、空心菜、三叶芹的无土栽培试验，测试表明，温度、湿度、光照、营养液和二氧化碳等各个环境因子控制技术效果良好，基本达到预期目的，并明确了各环境参数的合理控制范围。该环境自动控制系统为多变量输入输出控制系统，通过传感器监测温室中各环境参数，得到模拟输入量，经相应的变送器转换成数字信号，在自编软件支持下经接口板采集数据，计算机进行处理分析，将输入量与设定值比较后，输出开关量，通过驱动电路控制各执行机构。王东升等研究了日光温室的计算机控制系统。控制系统包含工控计算机、传感器变送器、模拟量输入模块(DAC-8017)、数字量输出模块(DAC-8050)，RS-232/485转换模块、输出控制电路等。控制机构有补光灯、排风扇、滴灌设备、二氧化碳发生器等。采集量有室内温度、湿度、光照、土壤水份及C02浓度。光照不足启动补光灯、温度低启动加热器、土壤水分不够则开启滴灌系统，采用简单开关控制方式。 2.基于单片机的温室自动控制系统。例如:汪永斌，吕昂等研制的温室群全数字式温度和湿度综合控制系统。该系统下位机以89C51为核心，能自动控制温室内100天的温湿度，用户可以小时为单位设定温湿度值。每个下位机与上位机之间用RS-585通信。上位机为PC机，程序用VB开发，用户根据作物生长要求，在PC机上输入温湿度经验数据(100天内每小时的温度和湿度)。温湿度传感器用LTM8901直接输出数字信号。控制器对比室内温度、湿度的测量值与设定值，根据温度、湿度偏高、偏低或者合适得出9种组合，每个组合对应一组热风炉、天窗、喷雾、通风机的组合状态。董乔雪，王一鸣设计的温室计算机分布式自动控制系统，其上位机软件是在虚拟仪器平台 Lab windows/CVI下开发完成的，下位机使用单片机。胡建东，肖建军等采用模糊控制原理设计了连栋温室温度控制系统，该系统使用的控制器由单片计算机80C31及外扩展一定数量的存贮器和接口芯片组成:作者将温度控制系统简化成一个二维的模糊控制系统，分别从模糊系统包括的输入输出变执行机理和反模糊化方面进行了设计，模糊控制技术的应用使连栋温室控制尽可能达到一个最佳的状态。杨明等设计的基于温湿度模糊控制的智能温室控制系统，该系统上位机为PC机，下位机为AT89C52，采用模糊控制器进行温湿度的智能控制。 3.基于PLC的温室自动控制系统。例如用欧姆龙系列的CZOOHS作为下位机，COMPAQ计算机为上位机构成温室控制系统。采集的室外信号有温度、湿度、光照、风速、风向、下雨，室内信号有温度、湿度、C02浓度。输出信号控制的机构有:开窗电机、遮阳电机、通风电机、加热阀门、压水泵和喷淋泵。 1.3 温室环境控制技术的发展趋势 1.智能化：随着计算机技术、传感技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测为主，逐步转向以知识处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。因此近几年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温室栽培中得到了不同程度的发展和应用。 2.网络化：目前，网络技术己成为当前世界最有活力、发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。因此，设施农业产业化程度的提高成为可能。我国幅员辽阔，气候复杂，劳动者整体素质低，利用网络进行在线和离线服务，可以对不同区域进行监测、比较，不仅给管理带来很大的方便，而且可以提高劳动生产率。 3.分布式：分布式系统通常可分为上、下两层。上层主要用作系统管理，其它各种功能如测量与控制任务等，主要由下层完成。下层由许多各自独立的功能单元组成，每个单元只完成一部分工作。面向对象的分布式系统，每一个功能单元针对一个对象、每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为对象。 4.综合环境调控：所谓综合环境调节，就是以实现作物的增产稳产为目标，把影响作物生长的多种环境参数，如光照、温度、湿度、CO2浓度等，都保持在适宜作物生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置，既省时又节能，还能使劳动者愉快地从事生产劳动。 5.变动的坏境控制系统：当前，主要使用精确的计算机坏境控制程序根据设定值对温室中的环境进行调控，但研究发现，这并不能使温室内的作物达到最佳产量。如作物的生长和发育并不取决于某一时刻某个特定温度，而主要取决于在一个时间段中的平均温度水平。这导致控制系统向“自由设置”系统的方向发展，如综合温度控制系统的研制，在该系统中并不设置一个固定的温度值，温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动，以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度。这样计算机可以根据室外的气候，在使用最低能耗、最佳利用温室中的现有的设备的情况下自由进行调节。可变动的环境控制系统目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、CO2浓度等方面的研究，在温室作物产量上已表现出比较满意的效果。 6.蓝牙技术(B1uetooth)：蓝牙技术是近年发展起来的新型低成本、短距离的无线网络传输技术。运用这种技术把温室环境自动检测与控制系统中的各个电子检测装置和执行机构无线地连接起来，以达到便捷地对温室环境参数进行自动检测，灵活地对温室环境参数进行自动控制的目的。便携式环境参数采集器内部装有温度、湿度、光照等各种传感器，并嵌入了蓝牙芯片，因此，这种参数采集器具有无线通信功能，可以便捷地放置在温室内的不同位置。控制器同样嵌入了蓝牙芯片，它一方面与便携式环境参数采集器无线连接，另一方面通过RS-485通信总线与温室内的计算机控制装置相连接。 第二章 研究方案的设计 2.1 温室大棚内重要参数的调节与控制 2.1.1 温度的调节与控制 与其他环境因子比较，温度是设施栽培中相对容易调节控制的环境因子。温室内温度的调节和控制包括保温、加温和降温3种。温度调控要求达到能维持适宜于作物生育的设定温度。温度的空间分布均匀，时间变化平缓。（1）保温，为了提高大棚的保温能力，常采用各种保温覆盖。具体方法就是增加保温覆盖的层数，采用隔热性能好的保温覆盖材料，以提高设施的气密性。（2）加温，我国传统的单屋面温室，大多采用炉灶煤火加温，近年来也有采用锅炉水暖加温或地热水暖加温的。大型连栋温室和花卉温室，则多采用集中供暖方式的水暖加温，也有部分采用热水或蒸汽转换成热风的采暖方式。（3）降温，保护设施内降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物生育要求时，必须进行人工降温。降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效。另一种在室内挂遮光幕，降温效果比挂在室外差；屋面流水降温法采用时须考虑安装成本，清除玻璃表面的水垢污染问题；蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内，达到降温目的。蒸发冷却法有湿帘——风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。 2.1.2 湿度的调节与控制 土壤湿度要与空气相对湿度协调一致才能达到温室湿度的有效控制，湿度调控范围一般在60%RH-80%RH，精度为士5%。湿度的调控影响温度，要求湿度与温度的调控需按按一定的程序进行。常用的湿度调节方式是加湿和去湿。（1）加湿，一般常用的方法是水喷雾法和蒸汽加湿。水喷雾法采用双位或多位控制来实现；蒸汽加湿则采用电极加湿器或浇蒸加湿器实现。（2）去湿，在温室中去湿常用以下三种方式：加热控制法、吸附法-化学除湿器、排湿换气。在湿度的调节系统中，温室内的加湿和去湿则由温室内的调节部件完成，这些部件有天窗、侧窗、湿帘、风机等。 2.1.3 温度、湿度之间的耦合 温度与湿度之间有一定的耦合关系，对一个因子的控制常会带来另一个因子的变化。在冬季温室环境控制中，默认为温度控制优先的原则，在温度条件满足后，再来满足湿度条件。如温度过低、湿度过大的情况下，以加温为主导，只有当温度上升到一定值后，才能通风降湿，另一方面，温度提高本身可以使相对湿度降低。在夏季降温加湿的过程中，采用以湿度优先的原则。当湿度过小时，开启蒸发降温加湿装置。而当温度过高需要启动蒸发降温执行机构时，必须先检测室内的相对湿度，只有湿度低于某一设定范围时，才能启动蒸发装置。 2.1.4 光照的调节与控制 在温室内光照强度调节中通常选用改变温室大棚的硬件环境方法，人工调节大棚外部设施的方法来改变温室内的光照强度。调节方法一般有以下四种：（1）改善设施的透光率；（2）应用反光幕；（3）人工补光；（4）遮光。 2.1.5 二氧化碳含量的调节与控制 大气中二氧化碳平均浓度一般为0.03%，变幅较小。在冬春设施蔬菜生产中，为了保温，设施经常处于密闭状态，缺少内外气体交换，二氧化碳浓度变幅较大，中午设施内由于光合作用，二氧化碳浓度下降，接近甚至低于补偿点，二氧化碳处于亏缺状态应当及时的补充二氧化碳。补充二氧化碳的方法很多，常用的主要有三种：（1）燃烧法；（2）化学反应法（目前在我国的设施栽培中运用较多）；（3）施用颗粒有机生物气肥法。 2.2 系统总体方案的设计 根据作物生长所需要的环境模型制定环境设施输出方案是温室环境控制的关键技术。为避免控制方案过于复杂，本设计选择最重要的环境因子如温室内空气温度、湿度、光照、CO2浓度作为基本的监测和控制项目,针对日光温室自身特点，制订如图2-1所示的控制系统整体设计方案。
据采集; 采用PLC为核心控制器，PC机与组态软件作为监控模块，两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件，实现了过程的智能化、人性化。其突出特点是：单片机价格低廉，PLC编程灵活，PC机存储空间大，因此，具有相当高的性价比。而且，PLC有各种组态模块功能，通过先进的现场总线技术，可实现多台PLC、多个温室的网络化分布式控制，特别适合上、下位机结合的大型连栋温室集群控制。其上位机的功能有：介入互联网、PLC采集数据上传的管理、设定点的下载、控制算法的优化与生成等。其缺点是投资较大,一般农业用户难以接受。 第三章 系统硬件设计 3.1 单片机系统设计 3.1.1 传感器系统设计 传感器系统的主要功能是将传感器采样得到的模拟信号转换成温室现场控制器所需要的信号。温室环境参数的检测中，传感器位于作物需要检测的位置，一般通过双绞线将检测的信号传输到温室控制器内。考虑到传输距离的问题，本文设计中将系统的输出电流都控制在0-10mA，从而减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性与可靠性。 1.温度传感器系统设计 对传感器型号的选用应该首先考虑使用方便，变换电路简单等特点。现存的传感器类型很多，根据对传感器的应用分析，AD590是应用较普遍的一类传感器。温度传感器AD590是电流输出型温度传感器，以电流输出量作为温度指示，其电流温度灵敏度为1μA/K。它的输出电流精确地正比于绝对温度，可以作为精确测温元件。AD590只需要一个电源(+4V～+30V)，即可实现温度到电流源的转换，使用方便。AD590的校准精度可达±0.5℃，当其在常温区范围内校正后，测量精度可达±0.1℃。作为一种正比于温度的高阻电流源，它克服了电压输出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰问题，不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，因此，除适用于多点温度测量外，特别适用于远距离温度测量和控制。因此，选用温度AD590传感器与可达到设计要求。 要想克服简单电路的缺陷，就要使得增益调整和补偿调整相互独立。本文设计了具有独立调节功能的测温电路，具体如图3-1所示。AD590的输出电流I=（273+T）uA（T为摄氏温度），因此测得电压U01=（273+T）uA×10KΩ=（273+T）×10-2V。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R1，使U01=2.732V；或者在室温（25 C）的条件下通过调节电位器R2，使电压U02=-2.73V，调整电位器R3，使U0=1.25V。这种调整的方法，可以保证在0℃或25℃附近有较高精度。
图3-1 温度测量电路
图3-2湿度测量电路 2. 湿度传感器系统设计 国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见。电容式湿度传感器的动态范围大，动态响应快，几乎没有零漂，结构简单，适应性强。基于以上原因，本设计选用电容式湿度传感器HS1101 电容式湿度传感器HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，固态聚合物结构，精度高达±2％RH；极好的线性输出；1～99％RH湿度量程；-40～100℃的温度工作范围，响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小，防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿，无需校准；电容与湿度变化0.34pf/％RH；典型值180pf@55%RH；长期稳定性及可靠性；年漂移量0.5％RH/年。电容式湿敏元件，具有最突出的优点是长期稳定性极强，通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度。 将HS1101接入555定时器组成的振荡器电路中，输出一定频率的方波信号。这种方法具有结构简单，使用方便，因此被广泛使用。具体的测量电路如图3-2所示： 本文选用的是NE556芯片，它内部含有两个NE555定时器。其中R 1、R 2、C 1、C2和NE556构成多谐振荡器，外接电阻R 1、R 2与湿敏电容C1构成了对电容C1的充电回路，7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C1的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源UCC通过R 1、R
2向C2充电，经t1充电时间后，UC2充至芯片内比较器的高触发电平，约2/3UCC，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t2放电时间后，UC2下降到比较器的低触发电平，约1/3UCC，此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此翻来覆去，形成方波输出。 3.光照传感器系统设计 根据温室内作物对光照强度的要求，光照传感器应该反应灵敏、精度高。本电路设计选用光照传感器器件光敏三极管3DU33作为感光元器件。光照传感器是利用光电子产生的电流来测量光照度的，通过放大电路的放大后输出合适的电压或电流信号。 4. 二氧化碳传感器系统设计 在二氧化碳浓度测量上采用响应速度快、测量精度高、技术成熟的红外二氧化碳气体传感器6004，并配合了一系列有效的补偿措施。为了增加系统的通用性、灵活性，本系统硬、软件都采用了模块化结构，根据应用场合不同而选用不同的配置。该系统可广泛地应用于诸如温室大棚、蔬菜储藏以及其它农业生产和科研领域，并且由于系统的灵活性和模块化，可以方便地满足其它场合的需要。 3.1.2 单片机数据采集系统设计 数据采集是整个控制与管理系统的重要组成部分，要达到对环境和设备进行控制，必须要对环境和设备的状态进行监测，经过分析决策，然后实施控制行为。本模块采用AT89C51单片机作为控制核心，通过各传感器对温室内温度、湿度、光照、CO2浓度等参数实时检测，经A/D转换后送入单片机。数据采集处理电路如图3-3所示。 数据采集与转换由8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809来完成。ADC0809内部具有锁存控制的8路模拟开关，外接8路模拟输入端，可同时对8路0~5V的输入模拟电压信号分时进行采集转换。ADC0809与AT89C51单片机的接口见图2，ADC0809的8位数据输出引脚直接与数据总线相连，地址译码引脚A、B、C分别与74LS373的Q0、Q1、Q2相连，以选通INO~IN7中的一个通道, INO~IN7的通道地址为EFF8H-EFFFH。AT89C51的P2.0作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号WR和P2.0控制ADC的地址锁存和转换启动。由于ALE与START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换，在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和P2.0接或非门产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。
图3-3
数据采集处理电路
图3-4 显示/报警电路 3.1.3
显示/报警电路
3.2
主控模块设计 主控系统由可编程控制器与输入输出设备及驱动/执行机构组成。主控系统结构如图3-5 所示。 3.2.1 PLC选型
FX2N是FX系列中功能最强、速度最快的微型可编程序控制器,它的基本指令执行时间高达0.08μs每条指令，远远超过了很多大型可编程序控制器。 3.2.2 执行设施及电气控制设计 1. 执行机构 温室的执行机构可分为两大类:一类是正反转运行电机，如开窗、拉幕等，这些电机需要正转、反转和停止，必须有限位开关；另一类是开关控制设备，如风机、水泵等［2］。本设计中包括的环境调控系统有:外遮阳幕系统、保温被系统、钠灯补光系统、前后窗自然通风系统、湿帘水泵系统、环流风机系统、热水采暖系统、喷灌系统。喷灌系统是一个相对独立的系统，是温室自动控制系统的一个重要组成部分，从安全角度考虑设计为灌溉提醒从而实现自动喷灌。 系统设计为“手动”、“自动”两种工作方式，“自动”工作方式又分为“离线”、“在线”两种方式，即PLC可以脱离上位计算机单独控制，又可与上位计算机联合控制。而且不同的设备还可以单独设定采用不同的控制策略，比如灌溉控制，采用按时间控制；微气候控制，可以根据设定的温度、湿度目标值，控制目标值的变化，该控制方式可以采用前馈式和后馈式控制策略。 为了保证执行机构的安全，各执行部件的限位开关的常闭接点都连接在电机电路中，用常开接点作为下位机的输入信号，达到双保险的目的。 2. 电气控制设计 （1）温室控制子系统组成
图3-6 温室控制子系统组成 （2)电气主回路的实现 接触器位于主回路中，以实现三相电机的启动、停止与换向以及单相电机的启动、停止。
图3-7 电气主回路 （3）PLC输出继电端子板接线 PLC I/O分配见表3-1。SQ表示行程开关，SB表示带锁按钮，SW表示三位置旋钮，分别用于把各自的开关信号输入PLC到中。 表3-1 PLC I/0分配表
3.2.3 串行通讯接口电路设计 FX系列PLC基本单元模块提供了一个RS-422异步串行通讯口，用SC-09编程电缆将“422编程口”（8针mini口）与计算机的“232串行通讯口”（9针D形口）相连，实现上下位机的通讯。该通讯口具有双重功能，较常用的基本功能是采用编程软件GX
Developer7.0对PLC的程序进行下载、内部状态和数据的监控；另一功能是与上位机进行数据通讯。上位机程序用北京昆仑自动化软件科技有限公司的组态软件MCGS编写，用户还可根据自己的需求用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。
 通过FX2N-485-BD通信板实现PLC与单片机通信，通信板与单片机的接线方法如图3-8所示。FX2N-485-BD通信板采用的是422电气接口标准, 通信板可连接到FX系列可编程控制器的基本单元，连接到RS-485的端子有RDA、RDB、SDA、SDB、SG（接地端）。另外，485总线上传送的是差模信号，RDA和SDA之间的电平相差4V以上，如果将RDA和SDA直接相连，无法进行任何一个方向的通信，因此，在RDA和SDA之间接入的330欧姆端子电阻解决问题。在不改变PLC原有程序结构的前提下,通过无协议的串行通讯圆满地解决了单片机与的数据交换问题。电气接口标准与单片机通信时采用的格式是：1）异步半双工；2）波特率：9600bps；3）奇偶校验：偶校验；4）帧校验：累加方式（和校验）；5）字符形式：ASCLL码。
第四章 系统软件设计 本系统软件主要包括：单片机部分的软件、PLC部分的软件、串口通讯软件和上位机系统软件。单片机部分用汇编语言编程，主要完成数据采集处理和温湿度的显示/报警，数据采集与转换由ADC0809来完成，其接口控制程序采用中断方式；本系统选用TC1602型LCD液晶显示器，显示扫描由程控实现；将实测参数与预先设定的上下限值进行比较，如有越限量，则发出声光报警。PLC部分用梯形图编辑主控程序，设计为“手动”、“自动”两种工作方式，根据从单片机送来的实测参数与预先设定值进行自动控制，驱动执行机构。上位机程序用组态软件
MCGS编写，包括组态环境和运行环境两个部分，所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，监视温室环境状态及机构运行状态，保存和统计数据，传递人的控制命令去控制温室机构运行。 4.1 单片机部分的软件 单片机软件程序设计主要包括:主程序设计，采样子程序设计，显示/报警子程序，ADC0809接口程序等。 4.1.1 主程序设计 ADTURNO EQU
21H ;INO通道A/D转换数据存放首址 ADTURN1 EQU
2CH ;IN1通道A/D转换数据存放首址 LINEADRO EQU
37H ;1N0采集数据经滤波处理数据存 放地址 LINEADR1 EQU 38H ;INl采集数据经滤波处理数 据存放地址 LINEADR EQU 39H ;平均值存放地址 HUMID EQU 3BH ;标度变换后的湿度值存放地址
BCDADR EQU
3CH ;BCD转换后的湿度值存放地址 HUMADR EQU 3DH ;上位机传来的湿度值存放地址 TIMEADR EQU 3EH ;上位机传来的时间值存放地址 T100US EQU 256-50 ;延时参 Cl00US EQU 3FH SHOWADR EQU 40H ;显示区数据存放首址 ORG OOOOH SJMP START ORG OOOBH ;定时器0中断服务程序入口 Limp TOINT ORG 0023H ;串行I/O中断服务程序入口 Limp SERVE ORG 0050H START: MOV SP, #50H ;设置堆栈 MOV HUMADR, #OFFH SETB OD3H ;选中寄存器3 SETS OD4H MOV R0, #HUMADR CLR OD3H
;选中寄存器0 CLR OD4H Mov TMOD, #22H;主程序初始化 Mov TH1, #OF3H Mov TLl, #OF3H Mov SCON, #50H Mov PCON, #80H mov DPTR, #7FF8H mov A, #4DH MOVX @DPTR, A SETB TR1 SETB EA SETB ES RUN: LCALL AD;调用A/D转换子程序 LCALL MAOPAO;调用滤波子程序 LCALL TURN;调用湿度转换子程序 Mov A, HUMID;将湿度值送往上位机 Mov SBUF, A LCALL TWOSEC;延时等待两妙钟 LCALL BCDTURN;调用BCD转换子程序 LCALL SHOW;调用显示子程序 Mov A, HUMID CJNE A, HUMADR, COMP; 检测到的湿度值大于上位机送来
的湿度值时，则循环采样，否则报
警灌溉 DONE: CLR P1.1 LCALL ALARM;调用报警延时子程序进行灌溉动作 LCALL TIME ORL P1, #02H LCALL TENMIN;灌水结束等待10分钟 Limp RUN;回到主程序 COMP:JC DONE LJMP RUN END 4.1.2
采样子程序设计 根据电路图5，因EOC未接入单片机，故只能采用延时等待的方法来读取A/D转换结果，ADC0809的INO和INl两个地址分别是OBFF8H, OBFF9H, INO通道采集到的11个数据放入以ADTURNO(片内21H)为首址的一片数据区内，IN1通道采集到的11个数据放入以ADTURN1(片内2CH)为首址的另一片数据区内。
程序清单: AD:
MOV R0, #ADTURNO
MOV R6, #OBH ADLOOP:
MOV DPTR, #OBFF8H; 启动INO通道A/D转换 GOON:
MOVX @DPTR, A
MOV R7, #OAOH; 延时等待转换结束 DLAY:
NOP
NOP
NOP NOP
NOP
DJNZ R7, DLAY
MOVX A, @DPTR
MOV @R0, A;将转换后的数据送入以 ADTURNO为首址的一片 RAM内 INC RO DJNZ R6, ADLOOP SJMP AD RET 4.2 PLC部分的软件 PLC部分用梯形图编辑主控程序，设计为“手动”、“自动”两种工作方式，根据从单片机送来的实测参数与预先设定值进行自动控制，驱动执行机构。 4.2.1 梯形图语言实现的简单控制 当PLC处于“离线”工作方式时，主要通过EPROM内存储的程序进行输出控制，控制策略比较简单。下位机软件在GX Developer7.0环境下开发，而PLC本身又有多种程序设计语言，如梯形图语言、指令语句表语言、功能表语言等。其中梯形图语言沿袭传统的电气符号控制图，但简化了符号，编程容易且直观。根据设计要求，本系统涉及的电气设备中:保温被在早晨打开，夜间收拢;室内环流风机定时打开和关闭(使用湿帘时禁用);湿帘风机与湿帘水泵为同时控制;前后开窗互锁。 控制策略。根据传感器采集的存储在PLC指定数据寄存器中的温度、湿度、光照强度、CO2浓度值以及根据生产经验设置的各参数的上下限，决定各执行机构的输出状态。由于各环境参数之间的祸合关系，某一环控设备的启闭会对多个环境因子产生影响，如打开湿帘水泵不仅使温室内的湿度增大，还使温室内的温度降低;当温室内的CO2浓度较低需通风换气时，也使温室内的温度降低;需要增温增湿时，采用打开供热水泵的方法，一方面温度增加了，但同时湿度也降低了，给温度方面的控制带来了负面影响。针对这些情况，我们采取了以下相应的措施:( l)根据时间的不同(昼夜)、环境因子的重要性不同，设置不同的优先级，首先考虑优先级高的环境因子的要求，比如我们在此采用3级优先级，即温度、湿度>光照强度>CO2浓度。(2)温度、湿度采用联合控制策略，策略如表4-1。(3)考虑意外情况的影响，如湿度低于湿度下限时，采用报警输出的方式，由人工操作喷灌机给作物喷灌。(空气湿度高低反应土壤水分的多少)。温湿度、光照强度、CO2浓度的控制策略如下: 光照强度>光强上限时，打开遮阳幕; 光照强度<光照下限时，打开补光钠灯； CO2浓度>浓度上限或者CO2浓度<浓度下限时，开窗通风换气。 表4-1 温湿度联合控制策略
4.2.2 模糊控制算法实现的高级控制 PLC与监控计算机联合工作为“在线”工作方式，“在线”工作方式充分发挥了计算机容量大、计算速度快的优点。温室环境是一个非线性、分布参数、时变、大时延、多变量藕合的复杂对象，被控对象的数学模型很难建立，为此，采用模糊控制来解决。 1. 模糊控制器结构
从控制系统的任务来看，控制系统至少由四个子系统组成，分别是光照、温度、湿度以及二氧化碳浓度控制。本文选取室内温度和湿度作为主要被控制量，以加热器、风扇、喷淋、天窗和侧窗等执行机构作为控制手段。系统输入变量为温度误差、湿度误差，输出变量为调节温度和湿度的控制量，控制设备为：加热阀、风机、喷淋阀、天/侧窗。因此，本系统采用两输入-四输出结构的模糊控制器，将温湿度误差e1、e2作为控制器输入，控制器的输出变量分别用y1、y2、y3、y4 表示，模糊控制器结构如图4-1所示。
2. 算法的实现 在上位机中对模糊控制表进行优化，然后将其下传至下位机，下位机将传感器检测到的温度与设定值比较，计算出当前误差和误差变化率，查模糊控制表得相应的控制量，根据该控制量的大小来确定控制设备加热阀、风机、喷淋阀、天/侧窗的工作状态。算法实现主要分以下几个步骤： 第一步：计算误差。从上位机系统的专家数据表中取出温湿度的专家数据作为系统参数的设定值，读入由下位机系统结合传感器系统得到的实测数据，并计算温湿度误差。 第二步：模糊化。通过传感器及信号处理后得到的误差是精确值，那么，必须将其模糊化变成模糊控制器所能接受的模糊量，同时把语言变量的语言值化为某适当论域上模糊子集。依据温室环境的实际情况和操作经验，选取误差（e1、e2）、控制量（y1、y2、y3、y4）的基本论域为：[-5，5]。进行线性化尺度变换和离散化后，得到其模糊论域分别为：X、Y∈{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。并选取相应的模糊子集如下：A={PL，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NL}； C={PL，PM，PS，O，NS，NM，NL}。式中：PL，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NL分别为正大，正中，正小，正零，负零，负小，负中，负大。 第三步：建立模糊控制规则。根据温室环境控制过程的经验可以得出对应控制量的一系列语言规则，分别建立两输入单输出（E1,
E2, Y1）、（E1, E2, Y2）、（E1, E2, Y3）、（E1, E2, Y4）的模糊规则，这样总共得到25条模糊规则，如控制规则1: If E1=NB and E2=NB Then Y1=PB
and Y2=PB and Y3=NB and Y4=NB。控制规则1的意义如下: 当系统给定温湿度值与实测温湿度值的误差都为负大(NB)时，输出控制量Y1应为正大(PB)、Y2为正大(PB)、Y3为负大(NB)、Y4为负大(NB)，以减小负偏差，使实际温湿度趋近于给定值。 第四步：应用模糊推理合成规则，计算出相应的模糊控制量，建立模糊控制查询表，将此表存于计算机中，编制一个查找查询表的子程序。系统将根据实际输入量的模糊值E1和E2通过查询表得到实际控制量Y1、Y2、Y3、Y4，解模糊后，加到系统执行机构输入端去控制其工作。 4.3 上位机系统软件 上位机程序北京昆仑自动化软件科技有限公司的组态软件MCGS开发温室环境参数监控平台，采用面向对象可视化语言Visual Basic 6.0软件编写模糊控制算法。动态数据交换(DDE)是windows实现其应用程序之间通讯的一种手段。MCGS支持动态数据交换，能够和其他支持动态数据交换的应用程序方便地交换数据。通过DDE，工程人员可以利用PC机丰富的软件资源来扩充MCGS的功能，比如利用VSIUALBASIC开发服务程序。
图4-2 下位机与VB应用程序交换数据 温室环境参数监控平台作为与用户直接对话的窗口，既要实现对温室的实时控制，同时还要向用户提供一系列生产管理帮助，因此其主要功能有: ①画面监控。通过温室内三维动态画面及二维平面画面的演示，用户可在控制室内掌握温室的实际生产情况。 ②系统设置。用户可方便对温室生产状况及控制器的参数设置进行更改。 ③报表查询。提供实时报表查询，历史报表查询和日报、周报的统计报表。 ④报警。提供实时报警和历史报警。 ⑤趋势曲线。提供实时曲线和历史曲线。 ⑥系统菜单。提供系统运行，用户管理方面的设置。 ⑦数据查询。查询实时及理论环境参数数据。 ⑧帮助。提供系统使用说明文件。 系统工作过程如下:上位机每经过一定时间就向下位机发出控制信号，启动下位机及其被控机构，同时准备接收下位机发送来的信号和数据。被启动的下位机，一方面启动各种传感器来测量温室环境，将采集到的信号经A/D转换电路换成相应的数字量后，送入下位机进行数据预处理、判断分析并进行保存，另一方面把上次采集到的数据向上位机发送，同时根据上位机发出的控制信号去控制执行机构以达到温室作物所需的环境。当数据发送完毕，PC机便把接受到的数据进行存储、处理，并与最优环境参数设定值进行比较得出偏差，按模糊控制理论进行运算，经补偿后把结果送入下位机得出控制信号，控制执行机构的动作。如此不断循环，以保证温室作物所需的生长环境。 第五章 结论与展望 5.1 结论 本系统是在对我国温室控制的现状以及温室控制系统存在的问题两个方面进行充分调研的基础上，研究并开发了适合我国温室控制的智能温室控制系统。归纳起来，得到以下结论： （1）提出了基于上、下位机温室控制结构模式。各模块之间功能既相互独立又协调一致，同时还提供了多种方式的控制方案，如大型温室的控制，可采用上下位机结合的方式，小型温室仅采用下位机单独工作方式； （2）根据温室传感器系统需求，基于模拟电子技术和传感器系统设计理论，设计的温度传感器系统、湿度传感器系统以及光照传感器系统，使系统具有高精度、低成本的特点。 （3）采用单片机+PLC+PC机组成的温室综合控制系统，用单片机实现数据采集功能，可降低成本、节约空间，PLC编程灵活，PC机存储空间大，因此，具有相当高的性价比； （4）提出模糊智能控制方案，采用两输入-四输出结构的模糊控制器，符合温室环境是一个非线性、分布参数、时变、大时延、多变量藕合的复杂对象的实际； （5）采用先进的MCGS组态软件，可自动检测并记忆全年任意时间的环境温度地温及湿度值，还可根据需要，预先设定自动记录各种数据的时间周期；采用可视化编程，提高了编程效益。 5.2 进一步研究方向 （1）考虑到温室远程控制，系统应扩展无线功能模块和GSM短消息功能模块，解决温室布线困难的问题； （2）从系统控制决策生成出发，根据温室控制类型的不同，进行系统专家智能库的开发； （3）系统检测设备需要完善，传感器系统的测量精度需要校准； （4）模糊控制算法的优化，对温室多个环境因子进行综合考虑，实现多维模糊控制器的设计，提出能更好解决多维控制器控制规则的兼容性和冗余性问题的方法。 |
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