论文部分内容阅读
摘要：该智能温室计算机集群控制系统在完成采集环境数据的同时，可根据模糊决策系统对温室环境进行模糊决策分析，输出控制相应温室设备，从而实现自动控制。整个系统经过测试和运行，证明满足可控环境调控要求。
關键词：PLC；温室环境；模糊决策；自动控制
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）32-0231-02
1 引言
随着计算机技术、传感技术和网络技术的迅猛发展，温室环境自动监测控制的研究也有了明显的进展。特别是随着网络技术的快速进步，基于Zigbee网的温室环境自动监测控制也在逐渐应用，但我国温室产业的发展与发达国家相比，还是有很多差距。目前我国温室控制系统的发展还存在着科技含量低，可控精密程度与水平不高，不能适应现代农业产业化的需求，很难实现现代农业的规模化效益，不能科学对作物的生长过程实施全程自动控制和管理，这会严重影响设施农业向产业化、现代化发展的进程。
本智能温室计算机集群控制系统，主要用于日光温室及玻璃或塑料大棚环境自动检测和控制。在各种日光温室、大棚的应用中，除了可监测（记录、分析）温室内外的温度、湿度、光照强度、CO2含量及气象参数的变化，还可通过自动控制风机、水泵、拉幕机、卷膜器、开窗机、加热、灌溉等设备，达到自动实现通风、降温、排湿、加热、增湿、控制光照、喷水、冲注CO2等功效。另外，该系统还增加了自动灌水流量管理与控制系统，通过预先设定自动灌水、自动施肥的时间程序，可对现有灌溉实现定时定量的全自动控制和监测，同时还可根据基质变化实现自动施肥。还可在计算机终端对以上几个方面的数据实时监控。本文介绍系统的设计原理与性能测试方法。
2 系统描述
智能温室计算机集群控制系统，由室内外检测系统、自动控制系统、执行装置和远程计算机处理与监控等四大部分组成。经过项目组近年来的不断设计、修改、完善，已日趋成熟并可投入试点应用。该控制系统主要用于日光温室及玻璃或塑料大棚环境自动检测和控制。系统由上位机、PLC控制模块、各种传感器等组成。如图1所示。
图1 智能温室计算机集群控制系统框架图
智能温室计算机集群控制上位机软件系统主要由三个部分组成。
（1） 信息采集、转换与显示子模块：它包括检测室内、室外温度、湿度、CO2浓度及光照度等数据的采集；实时显示及修改各种控制数据、曲线，记录各种采集的数据；
（2） 模糊控制子模块：主要包括对环境数据的模糊化，模糊推理和解模糊化；
（3） 输出及执行子模块：控制风机、水帘、遮阳、卷膜等温室设备执行相应动作。
3 下位机系统的设计
下位机系统包含电气控制部分与PLC数据采集传输部分。电气控制部分主要负责对温室内通风系统、顶层遮阳系统（分内遮阳和外遮阳）、侧窗温湿度控制系统、冷暖控制系统、照明及喷淋系统等现场对象进行智能控制，并提供室内/室外气象站、温湿度及二氧化碳仪表信号的输入输出接口。提供各控制对象的运行状态及参数信号送温室控制器，由计算机进行采集处理；并接受计算机及温室控制器的命令，对现场各控制对象进行全自动控制。根据温室控制实际情况及现场操作要求，设计了计算机自动控制和手动控制二种控制方式，其控制切换由现场控制柜上的切换开关实现。
利用新一代温室监控器为核心，构建温室计算机气象监测系统，主要用于温室计算机控制系统中温室外气象参数检测，包括检测以下参数：温度、湿度、光照、风向、风速、雨雪气象监测系统中采用新设计的温室控制器，在控制器中首次采用PLC 新型分散式多路数据采集系统，PLC作为核心元件进行数据处理，通讯和控制，由单片机系统进行模拟量采集， A/D转换，然后将数据传送给PLC。
4 上位机系统的设计
上位机使用个人PC，通过PLC模块采集传感器数据，通过RS232通讯总线由串口进行通信，串口在传输数据方面具有稳定可靠，传输距离远等特点，同时要求程序界面图形化，易操作化，VB.net是一款易学易用易调试的图形化开发工具，在串口通信方面有一套非常成熟的控件和组件可供使用，能很好满足本系统需求，故本系统开发平台选用VB，net中文企业版。本系统所用的数据库选择功能强大、操作方便的 SQL Server 2008，完全能满足系统数据存储需求。软件系统主要功能模块如图2所示。
环境监测模块可以实时监测环境参数的变化及各设备当前的状态。主要检测参数为室外：温度、湿度、光照强度、风速、风向；室内：温度、湿度、光照强度、CO2含量；主要控制设备为：冷风机、水帘电机、卷膜电机、遮阳电机。系统能按照设定的时间间隔自动记录环境参数的变化，并加以分析处理，当某温室中某一环境参数的变化达到或超出控制值时，系统自动将控制信息传递给执行控制模块，由执行控制模块自动控制下位机动作。超出报警值则系统自动给予报警。
经验表明，间隔设置为20秒较合适。环境监测界面如图3所示。
系统控制模块采用模糊控制，系统可以根据作物生长规律设定各种参数的临界值，在临界点尚未到达之前提前做出趋势预测采取相应措施。模糊控制要建立适当的数学模型，这个数学模型不需要太精确。模糊控制器通过模糊化、模糊控制规则和模糊判决三个部分组成，通过模糊判断，设定若干个执行指令，驱动执行机构执行相应动作，其框架图如4所示。
该控制系统综合运用了计算机网络技术，使用上位机通讯技术加测控站，实现了分散采集控制，集中操作管理，相对独立的设计思想，系统具有功能强大、性能优越、配置灵活、安全可靠等优点。
5 系统测试
系统的测试内容有两项：一是可靠性测试；二是本系统的控制算法测试。以下是测试数据在下午13：00-17：00内，每隔30min利用标准温度计、湿度计测量温室内的温湿度，记录数值；同时读取由计算机测量的温湿度值，记录数值；比较两数值相对误差。如表1所示：
相对误差基本满足应用精确度的要求。程序测量的温湿度数值和标准数值非常接近，温度和湿度的变化规律具有非常明显的耦合特性。当温度上升时，相对湿度下降；当温度下降时，相对湿度上升。
6 结论
整个系统经过近半年的运行，证明软硬件设计合理，符合用户需求。该项目的实施，拓宽了工业技术应用于农业生产的广度与深度，推动了农业生产的规模化和产业化，方便种（养）植业主们选择一个有利于作物或动物成长的生长环境，并加大对大棚或温室的管理和控制力度。加快了形成具有地方特色的种植业和养殖业。本项目的实施，为形成具有地方特色的种植业和养殖业提供了扎实的技术基础。项目实施的第一期，合作双方主要在种植业，特别是珍贵花卉的温室栽培上展开，探索出一套适宜于长三角地区的温室控制成功模式，然后在长三角地区进行推广。
参考文献：
[1] 吴朋林. 温室大棚智能控制系统研究[D]. 山东大学，2015.
[2] 王述彦 师宇 冯忠绪. 基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 机械科学与技术，2011（1）.
[3] 刘力. 温室大棚内环境自动化控制方案设计[J]. 农机化研究，2013（1）.
關键词：PLC；温室环境；模糊决策；自动控制
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）32-0231-02
1 引言
随着计算机技术、传感技术和网络技术的迅猛发展，温室环境自动监测控制的研究也有了明显的进展。特别是随着网络技术的快速进步，基于Zigbee网的温室环境自动监测控制也在逐渐应用，但我国温室产业的发展与发达国家相比，还是有很多差距。目前我国温室控制系统的发展还存在着科技含量低，可控精密程度与水平不高，不能适应现代农业产业化的需求，很难实现现代农业的规模化效益，不能科学对作物的生长过程实施全程自动控制和管理，这会严重影响设施农业向产业化、现代化发展的进程。
本智能温室计算机集群控制系统，主要用于日光温室及玻璃或塑料大棚环境自动检测和控制。在各种日光温室、大棚的应用中，除了可监测（记录、分析）温室内外的温度、湿度、光照强度、CO2含量及气象参数的变化，还可通过自动控制风机、水泵、拉幕机、卷膜器、开窗机、加热、灌溉等设备，达到自动实现通风、降温、排湿、加热、增湿、控制光照、喷水、冲注CO2等功效。另外，该系统还增加了自动灌水流量管理与控制系统，通过预先设定自动灌水、自动施肥的时间程序，可对现有灌溉实现定时定量的全自动控制和监测，同时还可根据基质变化实现自动施肥。还可在计算机终端对以上几个方面的数据实时监控。本文介绍系统的设计原理与性能测试方法。
2 系统描述
智能温室计算机集群控制系统，由室内外检测系统、自动控制系统、执行装置和远程计算机处理与监控等四大部分组成。经过项目组近年来的不断设计、修改、完善，已日趋成熟并可投入试点应用。该控制系统主要用于日光温室及玻璃或塑料大棚环境自动检测和控制。系统由上位机、PLC控制模块、各种传感器等组成。如图1所示。
图1 智能温室计算机集群控制系统框架图
智能温室计算机集群控制上位机软件系统主要由三个部分组成。
（1） 信息采集、转换与显示子模块：它包括检测室内、室外温度、湿度、CO2浓度及光照度等数据的采集；实时显示及修改各种控制数据、曲线，记录各种采集的数据；
（2） 模糊控制子模块：主要包括对环境数据的模糊化，模糊推理和解模糊化；
（3） 输出及执行子模块：控制风机、水帘、遮阳、卷膜等温室设备执行相应动作。
3 下位机系统的设计
下位机系统包含电气控制部分与PLC数据采集传输部分。电气控制部分主要负责对温室内通风系统、顶层遮阳系统（分内遮阳和外遮阳）、侧窗温湿度控制系统、冷暖控制系统、照明及喷淋系统等现场对象进行智能控制，并提供室内/室外气象站、温湿度及二氧化碳仪表信号的输入输出接口。提供各控制对象的运行状态及参数信号送温室控制器，由计算机进行采集处理；并接受计算机及温室控制器的命令，对现场各控制对象进行全自动控制。根据温室控制实际情况及现场操作要求，设计了计算机自动控制和手动控制二种控制方式，其控制切换由现场控制柜上的切换开关实现。
利用新一代温室监控器为核心，构建温室计算机气象监测系统，主要用于温室计算机控制系统中温室外气象参数检测，包括检测以下参数：温度、湿度、光照、风向、风速、雨雪气象监测系统中采用新设计的温室控制器，在控制器中首次采用PLC 新型分散式多路数据采集系统，PLC作为核心元件进行数据处理，通讯和控制，由单片机系统进行模拟量采集， A/D转换，然后将数据传送给PLC。
4 上位机系统的设计
上位机使用个人PC，通过PLC模块采集传感器数据，通过RS232通讯总线由串口进行通信，串口在传输数据方面具有稳定可靠，传输距离远等特点，同时要求程序界面图形化，易操作化，VB.net是一款易学易用易调试的图形化开发工具，在串口通信方面有一套非常成熟的控件和组件可供使用，能很好满足本系统需求，故本系统开发平台选用VB，net中文企业版。本系统所用的数据库选择功能强大、操作方便的 SQL Server 2008，完全能满足系统数据存储需求。软件系统主要功能模块如图2所示。
环境监测模块可以实时监测环境参数的变化及各设备当前的状态。主要检测参数为室外：温度、湿度、光照强度、风速、风向；室内：温度、湿度、光照强度、CO2含量；主要控制设备为：冷风机、水帘电机、卷膜电机、遮阳电机。系统能按照设定的时间间隔自动记录环境参数的变化，并加以分析处理，当某温室中某一环境参数的变化达到或超出控制值时，系统自动将控制信息传递给执行控制模块，由执行控制模块自动控制下位机动作。超出报警值则系统自动给予报警。
经验表明，间隔设置为20秒较合适。环境监测界面如图3所示。
系统控制模块采用模糊控制，系统可以根据作物生长规律设定各种参数的临界值，在临界点尚未到达之前提前做出趋势预测采取相应措施。模糊控制要建立适当的数学模型，这个数学模型不需要太精确。模糊控制器通过模糊化、模糊控制规则和模糊判决三个部分组成，通过模糊判断，设定若干个执行指令，驱动执行机构执行相应动作，其框架图如4所示。
该控制系统综合运用了计算机网络技术，使用上位机通讯技术加测控站，实现了分散采集控制，集中操作管理，相对独立的设计思想，系统具有功能强大、性能优越、配置灵活、安全可靠等优点。
5 系统测试
系统的测试内容有两项：一是可靠性测试；二是本系统的控制算法测试。以下是测试数据在下午13：00-17：00内，每隔30min利用标准温度计、湿度计测量温室内的温湿度，记录数值；同时读取由计算机测量的温湿度值，记录数值；比较两数值相对误差。如表1所示：
相对误差基本满足应用精确度的要求。程序测量的温湿度数值和标准数值非常接近，温度和湿度的变化规律具有非常明显的耦合特性。当温度上升时，相对湿度下降；当温度下降时，相对湿度上升。
6 结论
整个系统经过近半年的运行，证明软硬件设计合理，符合用户需求。该项目的实施，拓宽了工业技术应用于农业生产的广度与深度，推动了农业生产的规模化和产业化，方便种（养）植业主们选择一个有利于作物或动物成长的生长环境，并加大对大棚或温室的管理和控制力度。加快了形成具有地方特色的种植业和养殖业。本项目的实施，为形成具有地方特色的种植业和养殖业提供了扎实的技术基础。项目实施的第一期，合作双方主要在种植业，特别是珍贵花卉的温室栽培上展开，探索出一套适宜于长三角地区的温室控制成功模式，然后在长三角地区进行推广。
参考文献：
[1] 吴朋林. 温室大棚智能控制系统研究[D]. 山东大学，2015.
[2] 王述彦 师宇 冯忠绪. 基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 机械科学与技术，2011（1）.
[3] 刘力. 温室大棚内环境自动化控制方案设计[J]. 农机化研究，2013（1）.