智能溫室上位系統(tǒng)文獻(xiàn)綜述

1、智能溫室一上位系統(tǒng)設(shè)計(jì)III徐圍一、研究背景及動(dòng)態(tài)中國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r至關(guān)重要，要發(fā)展農(nóng)業(yè)就必須走農(nóng)業(yè) 現(xiàn)代化這條道路。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重 視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分，是中國走農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化 的一種有效途徑，符合我國的當(dāng)前國情，因此溫室大棚的研究備受重視。我國溫室農(nóng)業(yè)歷史悠久，早在公元前221206年間，就曾有“冬種瓜于驪山（陜 西）谷中溫處，瓜實(shí)成”的記載。這就是我國，也是世界上最原始的溫室栽培。國 外溫室栽培的起源，以羅馬為最早。我國從20世紀(jì)60年代末開始發(fā)展溫室產(chǎn)業(yè)， 其主要以反季節(jié)生產(chǎn)的蔬菜和園藝作物的種植為

2、主，發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)日趨壯大。世 界各國的現(xiàn)代溫室于20世紀(jì)60年代逐步完善并快速發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后，各 國致力于自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)迅速恢復(fù)和快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量大幅度 提高，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品提出了更高的要求及更多的需求，因而對(duì)生產(chǎn)溫室的需求逐年上升。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)水平的提高，農(nóng)業(yè)的工業(yè)化進(jìn)程加快了設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而 生，在全球迅速崛起，并形成資金、技術(shù)和勞動(dòng)力密集型的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，成為當(dāng) 今世界最具活力的產(chǎn)業(yè)之一。社會(huì)的需求、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的支持，使得現(xiàn)代溫室快速 發(fā)展。我國近代溫室發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：（1）發(fā)展改良型日光溫室階段：改良型溫 室的特點(diǎn)是造價(jià)低，能就地取材，保溫性能好，

3、適合我國北方氣候條件，但冬季光 照差，地爐使室內(nèi)空氣污染，對(duì)作物生長不利。目前單坡溫室仍然是我國溫室的主 要形式。（2）發(fā)展大型玻璃溫室階段：大型玻璃溫室的特點(diǎn)是其形式以大型連棟方 式出現(xiàn)，溫室骨架為全鋼結(jié)構(gòu)，涂防銹漆，電動(dòng)開窗，燃油鍋爐加溫，并安裝噴灌 裝置。但結(jié)構(gòu)性能仍然不夠好，由于大面積連片，缺乏通風(fēng)降溫裝置，夏季室內(nèi)溫 度過高無法進(jìn)行生產(chǎn)。（3）發(fā)展大型現(xiàn)代溫室階段：現(xiàn)代溫室主體骨架由采用經(jīng)熱 鍍鋅防銹處理的型鋼材組成，具備相應(yīng)的抗風(fēng)雪等載荷的能力；采用玻璃、塑料薄 膜、硬質(zhì)塑料、PC板等透光材料覆蓋及相應(yīng)的卡槽、卡簧、鋁合金型材等緊固、 鑲嵌構(gòu)件，具有透光和保溫的性能；配備有遮陽、降

4、溫、加溫、通風(fēng)換氣等配套設(shè) 備和栽培床、灌溉施肥、照明補(bǔ)光等栽培設(shè)施；此外，還有環(huán)境調(diào)控的控制設(shè)備等，形成完整成套的技術(shù)和設(shè)施設(shè)備。二、國內(nèi)智能溫室現(xiàn)狀由于溫室大棚種植符合我國的當(dāng)前國情，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，在 國家的大力支持下，近幾年得到了快速發(fā)展，但發(fā)展的同時(shí)依然存在著許多不足之 處，其歸結(jié)起來主要有以下幾個(gè)方面：（1）自動(dòng)化水平較低目前大部分的溫室還依然采用傳統(tǒng)的方法，人們主要采用溫度計(jì)、濕度計(jì)來 采集溫度值和濕度值，通過人工操作加熱、加濕、通風(fēng)和降溫設(shè)備來控制溫濕度。 溫室內(nèi)耕種機(jī)具操縱方便性差，絕大多數(shù)還要靠人工作業(yè)，工效低，勞動(dòng)強(qiáng)度大， 費(fèi)用高，導(dǎo)致設(shè)施農(nóng)業(yè)高勞動(dòng)生產(chǎn)率和高

5、土地利用率的效能得不到充分發(fā)揮。（2）規(guī)模效益差目前我國現(xiàn)用溫室還有很大一部分是由國外引進(jìn)的，國外現(xiàn)代化溫室比較適 合在氣候溫和、四季溫差較小的地區(qū)使用，但我國土域廣闊，特殊的氣候條件超出 了國外溫室的適用范圍。一個(gè)地區(qū)冬季的光照狀況和低溫的強(qiáng)度與頻率是發(fā)展溫室 的限制因素，因此研究溫室的地區(qū)氣候適應(yīng)性對(duì)日光溫室的布局和采取的措施就顯 得相當(dāng)重要。我國加溫溫室的分布與國外不同，許多溫室生產(chǎn)先進(jìn)的國家，都把溫 室建立在冬季光照和溫度條件相對(duì)比較優(yōu)越的地區(qū)，以減少溫室能源的消耗。而我 國90%的溫室集中在三北寒冷地區(qū)的大中城市周圍。這些溫室每年需投入大量的能 源用來冬季加熱，夏季降溫；而溫室產(chǎn)量產(chǎn)

6、值又很低，經(jīng)濟(jì)效益差。因此引進(jìn)或自 行設(shè)計(jì)溫室，應(yīng)因地制宜，才能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。（3）設(shè)施結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)陋我國設(shè)施結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)陋，內(nèi)部調(diào)控設(shè)備和功能不齊全、不完善，設(shè)施內(nèi)的技術(shù) 落后以及總體規(guī)劃不盡合理，綜合配套栽培技術(shù)水平低，沒有最大限度地發(fā)揮其作 用，導(dǎo)致了我國設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積位居世界第一，但產(chǎn)量并不理想。我國在溫室種 植實(shí)現(xiàn)機(jī)械化方面還有些欠缺。三、國外的智能溫室現(xiàn)狀在國外，隨著現(xiàn)代溫室智能化的不斷完善，人們對(duì)溫室環(huán)境的控制不斷提出 新的要求，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為溫室環(huán)境的控制不斷完善 注入了新的活力。具體優(yōu)勢(shì)概括出來以下幾點(diǎn)：（1）溫室的大型化單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展依賴于現(xiàn)代

7、計(jì)算機(jī)和新型硬件的發(fā)展。在計(jì)算機(jī)普及的 年代，這有力地推動(dòng)了單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展。新型軟件和硬件的使用，結(jié)合 Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制，極高地提高了工作效率，在自動(dòng)控制和管理上為溫室 大型化的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。（2）設(shè)施的成套化近幾年，國外溫室及大棚的內(nèi)部設(shè)備日趨完善，各項(xiàng)作業(yè)都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化操作， 在采暖、通風(fēng)、光照、施肥、灌溉、運(yùn)輸?shù)确矫?，基本上?shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，并開始 用微機(jī)控制各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)。溫室人工氣候控制設(shè)備專用的電腦，計(jì)算機(jī)也紛紛推向 溫室設(shè)備市場(chǎng)。（3）生產(chǎn)機(jī)械化在工業(yè)自動(dòng)控制工程中，以計(jì)算機(jī)為中心的單片機(jī)控制系統(tǒng)越來越受到廣泛的重 視，其作用也越來越明顯。在國外，機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用己

8、被廣泛重視，并取得初步成果， 如日本、韓國研究開發(fā)了瓜類、茄果類蔬菜嫁接機(jī)器人。日本研制了可行走的耕耘、 施肥機(jī)器人；可完成多項(xiàng)作業(yè)的機(jī)器人；能在設(shè)施內(nèi)完成各項(xiàng)作業(yè)、無人行走車；用 于組織培養(yǎng)作業(yè)的機(jī)器人；柑橘、葡萄收獲機(jī)器人等。（4）管理現(xiàn)代化隨著公共計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及和遠(yuǎn)程控制策略的完善，基于計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控制 系統(tǒng)大大降低了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與維護(hù)成本，提高了己有設(shè)備的利用效率和聯(lián)合生產(chǎn)能 力，因此廣泛地延伸人類的工作空間。在遠(yuǎn)離溫室現(xiàn)場(chǎng)的異地，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫室 設(shè)施的溫、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集讀取，也可以變更數(shù)據(jù)采集設(shè)備的一些工作參數(shù)， 極大地提高了工作效率、方便了用戶。這樣既解決了大棚現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信

9、息的自動(dòng)獲取 問題，又可以遠(yuǎn)程智能監(jiān)控農(nóng)場(chǎng)的執(zhí)行系統(tǒng)，滿足管理的要求，為上級(jí)管理者提供 方便，節(jié)省了大量的人力物力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的大棚溫室管理。四、智能溫室系統(tǒng)的組成（1）上位機(jī)系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)選用個(gè)人計(jì)算機(jī)，主要用于處理數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示修改各種 控制數(shù)據(jù)，曲線，記錄每天的各種采集數(shù)據(jù)以備查詢。它為用戶提供數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù) 處理，流程控制，動(dòng)畫顯示，報(bào)表輸出，曲線顯示燈解決實(shí)際工程問題的各種方案和 工具。（2）下位機(jī)系統(tǒng)可以選用單片機(jī)和DSP,現(xiàn)代市場(chǎng)上主要使用單片機(jī)。它主要用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè) 及控制，完成數(shù)據(jù)處理，根據(jù)農(nóng)作物生長的控制曲線進(jìn)行滴灌及營養(yǎng)液的配比和實(shí)施， 同時(shí)將控制及測(cè)量結(jié)果傳

10、送到上位機(jī)，并接受上位機(jī)的指令。（3）數(shù)據(jù)采集與測(cè)量通過各種高性能的傳感器對(duì)外界氣候環(huán)境的測(cè)量及數(shù)據(jù)采集，對(duì)溫室內(nèi)的各種因 素進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并將測(cè)量結(jié)果通過接口送至上位機(jī)中，上位機(jī)根據(jù)控制要求對(duì) 整個(gè)溫室進(jìn)行綜合控制。五、上位機(jī)模塊的設(shè)計(jì)上位機(jī)系統(tǒng)選用個(gè)人計(jì)算機(jī)，主要用于數(shù)據(jù)處理、通訊、系統(tǒng)控制、實(shí)時(shí)顯示及 修改各種控制數(shù)據(jù)、曲線，記錄每天的各種采集數(shù)據(jù)，以備查閱。由于影響作物生長 的因素（溫度、濕度等）大都是一種多輸入、多輸出、大滯后的非線性控制變量，還需 要?jiǎng)討B(tài)、實(shí)時(shí)、有效、可靠的人機(jī)接口（HMI）的可視化界面。因此，可以選用工控組 態(tài)軟件，它為用戶提供了從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理

11、、流程控制、動(dòng)畫顯示、 報(bào)表輸出、曲線顯示等解決實(shí)際工程問題的各種方案與實(shí)施工具，用戶可避開復(fù)雜的 計(jì)算機(jī)軟硬件問題。只需根據(jù)工程作業(yè)的需要和特點(diǎn)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與組態(tài)配置，即 可生成相應(yīng)的應(yīng)用軟件，并且可以方便的組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)充。利用工程組態(tài)軟 件的上述特點(diǎn)，在HMI中可以完成以下功能。動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)、外的溫度、濕度、二氧化碳含量、風(fēng)速、風(fēng)向、雨 量等變化值，并且可以通過RS-232/485轉(zhuǎn)換器和下位機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將畫面 上的模擬開關(guān)與下位機(jī)連接起來，當(dāng)操作人員點(diǎn)擊畫面上的模擬開關(guān)時(shí)，就可控制溫 室內(nèi)電機(jī)及閥門的實(shí)際開合與通斷。除對(duì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還可將作物生長所需環(huán)境因

12、素的范圍值輸入到上位機(jī)中， 傳入下位機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，通過對(duì)窗、簾、通風(fēng)等進(jìn)行開關(guān)調(diào)節(jié)，使溫室內(nèi)的環(huán)境達(dá) 到需要的要求。由于現(xiàn)場(chǎng)的下位機(jī)是裝在控制柜內(nèi)的，因此還必須設(shè)置下位機(jī)狀態(tài)檢 測(cè)，使用戶可以清楚的知道下位機(jī)的工作狀態(tài)，加強(qiáng)系統(tǒng)的故障排錯(cuò)能力。如圖1 所示，上位機(jī)模塊中所包含的幾個(gè)主要的程序模塊，然后共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。主模塊遠(yuǎn)程終端通信監(jiān)控程序參數(shù)設(shè)置程序數(shù)據(jù)庫程序圖1上位機(jī)包含的程序模塊上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，雙方必須約定一通訊協(xié)議。通訊協(xié)議 包括對(duì)有無握手信號(hào)、數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以 及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方

13、必須共同遵守。在本系統(tǒng)串行通訊 中我們采用起止式異步通訊協(xié)議。在智能溫室控制系統(tǒng)中為了保證通信電路的暢 通，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送前，增加握手協(xié)議機(jī)制。其握手協(xié)議如 下：PC機(jī)：【發(fā)送M】【等待】【接受下位機(jī)器的回傳字符A】【發(fā)送數(shù)據(jù)】單片機(jī)：【接收上位機(jī)發(fā)送的M】【回傳字符A】【接收數(shù)據(jù)】在上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)前，PC機(jī)首先發(fā)送字符“M”，之后等待下位機(jī)的回傳字符。 判別回傳字符是否為A，如果是，則證明通信電路暢通，握手成功；否則說明電路 存在故障，發(fā)出報(bào)警信息。另外，在確定的時(shí)間內(nèi)如果接受不到下位機(jī)回傳字符， 也證明通信電路存在故障，發(fā)出報(bào)警信息。上所述過程為上位機(jī)發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸過

14、程，如果首先由下位機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，則由下位機(jī)首先開始握手過程。為了更清楚 的表達(dá)與上位機(jī)系統(tǒng)的工作方式與流程，繪制得到主程序流程圖如圖2所示：圖2主程序流程圖（2）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫。包括文件管理數(shù)據(jù)庫、安全保密數(shù)據(jù)庫等。溫室參數(shù)庫。包括溫室的控制參數(shù)錄入、修改等檔案情息。其它輔助庫。包括調(diào)整方案庫、各種報(bào)警信息庫等輔助數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)運(yùn)行庫。包括溫室參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫。（3）用戶界面設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)分析確定的目標(biāo)和功能，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了系統(tǒng)的界面結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)界面由多個(gè)模塊組成，每一個(gè)模塊完成一項(xiàng)獨(dú)立功能，但模塊與模塊 之間通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)界面框圖如圖3所示

15、。主界面窗口數(shù)趨歷標(biāo)據(jù)勢(shì)史準(zhǔn)實(shí)圖數(shù)參時(shí)顯據(jù)數(shù)顯示查修示詢改圖3系統(tǒng)界面框圖三、結(jié)論近年來，隨著單片機(jī)功能的日益強(qiáng)大和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，因此通過計(jì)算機(jī)、 單片機(jī)、傳感器等技術(shù)相結(jié)合，VB6.0軟件的運(yùn)用，來設(shè)計(jì)出低成本、高效益、高 精度、性能穩(wěn)定的現(xiàn)代化智能溫室大棚，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)控， 讓溫室技術(shù)能廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研的各個(gè)領(lǐng)域，大力推進(jìn)溫室的產(chǎn)業(yè)化和 智能化發(fā)展步伐，從而加速我國現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)向規(guī)范化，低成本、產(chǎn)業(yè)化、智能化 方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)：張真和.我國棚室覆蓋材料的應(yīng)用與發(fā)展OL.bttp:/.陳國輝.溫室發(fā)展現(xiàn)狀及我國溫室需要解決的主要問題J.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè) 備

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