农业温室自动控制系统的设计与实现.doc

农业温室自动控制系统的设计与实现
摘要:设计了一套能实时控制农业种植温室内温度、湿度、光照度及CO2浓度等参数的测控系统,该系统安装了农艺专家管理程序,能给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数,并自动生成合理的控制方案,实现了人造气候的智能化管理。阐述了一个大棚温室自动控制系统，该系统运行可靠、成本低。系统通过对温室内的温度与湿度参量的采集，并根据上述参数实现对温度和湿度的自动调节，达到了温室大棚自动控制的目的。
关键词:农业温室；农业专家管理系统；专家决策；人造气候；温室自动控制系统
托普物联网认为：温室生产是一种人为地创造作物生长所需的最佳环境条件，通过科学的经营管理获得最佳经济效益的农业生产模式。其关键技术为环境控制，温室环境控制是通过改变温室内的温度、湿度、光照和CO2浓度等环境因子来获得作物生长的最佳条件，从而提高农业经济效益。温室环境控制在所有室内环境控制中是最困难的，除了要监控温度和湿度外，还需兼顾土壤水分、光照度、CO2浓度、EC值和pH值等。由于温室环境控制的对象种类繁多,在不同生长阶段的需求也各不相同，而且受能源、资金、劳动力等资源的限制及市场与天气变化的影响，温室环境控制必须在极有效率的状态下进行。因此，要建立一个良好的温室环境控制系统,就必须要有一个良好的系统控制方案。
一、国内智能化温室现状
目前，国内具有生产智能化温室能力的公司约20余家，由于其研制时间较早，受当时的电脑水平和国内部分种类传感器的性能所限，系统整体水平不高。此外，由于其产品进入市场时间短，系统的可靠性和耐用性还有待证明。目前，国内公司主要依靠自己的力量研发，虽拥有独立的知识产权，但仍无法与荷兰、以色列等国家的智能化温室系统相比。一是此类设备价格昂贵，不能得到普及；二是对各种参数的控制缺少智能化，而使其应用受栽培学知识的局限性。一种植物在不同的生长期其最佳气候要求不同，不同植物在相同生长期的最佳气候要求也不同，由于操作者不一定是农业专家，其设定的气候参数是否是植物本生长期的最佳参数，因此操作人直接影响着自控系统效益的发挥。为此，我们从植物的生长需求出发，利用电子技术生物技术、计算机控制技术开发了一套农业种植温室自动控制系统，该系统安装了“农业专家管理系统”，能够及时为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，不但能为不懂农业技术的用户提供技术帮助和实时指导，而且能自动生成合理的控制方案，实现了人造气候的智能化管理。
二、系统构成及功能
本系统以主机为上位机，以若干个温室内的“气候自动控制器”为下位机，其间以通讯线路相连接（图1）。各温室内的“气候自动控制器”负责采集本温室温度、湿度、光照度和CO2浓度等气候参数，并通过通讯线路传送给主机，主机通过我们开发的软件，把传来的气候参数与“农业专家管理系统”对各温室事先设定的最佳气候参数进行比较、分析和运算，向各温室的“气候自动控制器”发出“通风、加热、喷淋、调节光照、补充CO2”等相应控制指令，各温室内的“气候自动控制器”根据主机对本温室的控制指令立即接通或断开“通风机”、“加热器”、“淋水泵”、“光照调节装置”和“CO2施放机构”等设备的电源，从而控制温室的气候参数始终保持在适合植物快速生长的最佳状态。

2.1
气候参数的采集
温室环境气候参数的采集依靠传感器进行，包括土壤湿度传感器、叶面湿度传感器、空气温湿度一体化传感器、光照度传感器、CO2传感器。它们是监控系统的信息来源，关系到整个系统的检测、数据分析和控制的可靠性与准确性。2.2伺服机构
伺服机构是“气候自动控制器”具体控制的执行者，包括通风机、加热器、喷淋水泵、光照调节装置、CO2施放机构等设备。
2.3气候自动控制器
“气候自动控制器”可在无主机的情况下单独控制本温室的气候，本温室各种气候参数通过传感器进行实时检测，然后经单片机分析处理后输出控制指令，经执行机构完成最佳气候的自动化控制（图2）。这种控制方式成本较低，特别适用于对我国中小型温室的智能化控制。
三、系统软件
系统软件由数据综合管理系统（图3）及农业专家管理系统（图4）两部分组成。数据综合管理系统软件主要用于温室环境参数的设置、通讯、显示、存储、查询、统计和打印等；农业专家管理系统软件能及时为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，并能自动生成最佳控制方案，为不懂农业技术的用户提供技术帮助和实时指导。

四、农业专家管理系统设计
农业专家管理系统具有专家决策与咨询两项功能，因为数据能反映事物的数量化特征，在数量上能为各级管理者和决策者提供数据和辅助决策信息，因此该系统是以数据形式进行辅助管理的。4.1人机接口
人机接口是人机交流的界面，用户可以向系统提供信息、任务要求和系统向用户提供解答及索取为完成任务所需要的补充信息。4.2知识库内容
由于温室生产中农业专家知识范围广泛，知识类型复杂，我们采用了树形目录的方式进行分类表示，内容包括植物类别、植物特性、栽培技术、最佳气候参数等，其中植物类别有花卉、苗木和反季节蔬菜三大类；植物特性包括植物属性、日照要求、原产地等；栽培技术包括栽培土质、适应品种、繁殖方法、种苗管理、浇水措施、施肥操作、病虫害防治等；最佳气候参数是用于温室控制最重要、最直接的参数，包括白天、夜晚植物在不同生长期的最佳温度、湿度、光照强度和CO2浓度等。其内容以黄瓜为例见表1。

4.3知识库管理系统功能
知识库管理系统包括知识库编辑和专家咨询两个模块，通过知识库编辑模块可以输入、增加、删除、修改领域知识，实现知识的继承输入；通过知识库咨询模块，用户可查看知识库的总体结构，并能迅速查出某温室栽培作物的有关知识。4.4专家决策系统
专家决策系统的功能包括信息收集、问题识别、问题求解等，可根据用户提出的任务要求进行分析、判断，并利用专家知识库提供的知识进行问题求解。就本系统的决策环境来看，一是要涉及专家丰富的知识因素；二是决策要建立在实时测量基础上,在联网控制方式下,决策过程为:用户通过人机接口，只需把指定编号温室的植物类型和生长期输入到专家管理系统，主机即可根据农艺专家推荐的最佳气候参数结合RS-485通讯线路传来的温室实测气候数据，自动生成合理的控制方案，再通过通讯线路把控制指令下达到该编号温室内的气候自动控制器，通过伺服机构实施智能化控制。
五、托普物联网简介：
托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。
1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。
2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。
3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。
4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。
5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。
6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。
六、结语
目前，我国农村正在大力发展温室栽培，绝大部分温室大棚已经安装有通风、加热、喷淋等设备，只需添加“自动控制系统”中的气候自动控制器、环境参数采集传感器及输出控制柜。经实证验证，本系统运行状况良好，由于采用模块化设计，上位机未采用个人计算机并可根据情况进行取舍，通信距离可达到1km，系统经济、灵活,而且操作方便，比较适合在中、小规模大棚内使用和推广。
参考文献：
[1]颜全生.温室自动控制系统设计及实现[J].电力系统及其自动化学报,2001(4):66-69.
[2]马德华,庞金安,霍振荣.低温锻炼对黄瓜幼苗光合作用的影响[J].河南农业大学学报,2000,34(1):40-41