本文摘要：日光溫室環(huán)境監(jiān)測與控制技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，提高溫室環(huán)境監(jiān)測與控制技術(shù)水平，有利于節(jié)約生產(chǎn)資源，節(jié)省人力成本，提高作物產(chǎn)量。本文針對如何調(diào)控溫室環(huán)境，合理調(diào)節(jié)溫室中的溫度與濕度，使作物能夠良好的生長�！� 山東農(nóng)業(yè)大
日光溫室環(huán)境監(jiān)測與控制技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，提高溫室環(huán)境監(jiān)測與控制技術(shù)水平，有利于節(jié)約生產(chǎn)資源，節(jié)省人力成本，提高作物產(chǎn)量。本文針對如何調(diào)控溫室環(huán)境，合理調(diào)節(jié)溫室中的溫度與濕度，使作物能夠良好的生長�！�山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報》(自然科學(xué)版)創(chuàng)辦于1955年。該刊為農(nóng)業(yè)綜合性學(xué)術(shù)刊物，國內(nèi)外公開發(fā)行，主要登載：農(nóng)學(xué)、園藝、植保、畜牧、獸醫(yī)、林學(xué)、土化、食品科學(xué)、農(nóng)業(yè)工程及生物技術(shù)等方面的最新研究結(jié)果、學(xué)術(shù)論文、研究簡報、實驗技術(shù)、文獻(xiàn)綜述等。讀者對象：為農(nóng)林科研院所、大專院校師生及農(nóng)林科技人員。
隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，低技術(shù)、低附加值的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品以無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的豐富的物質(zhì)需求，面對競爭激烈的市場形勢，粗放型農(nóng)業(yè)以不適合社會的發(fā)展，必須改變農(nóng)業(yè)粗放型的增長方式，走農(nóng)業(yè)工業(yè)化、技術(shù)化和現(xiàn)代化的發(fā)展道路才能提高產(chǎn)品競爭力。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程與自然環(huán)境關(guān)系密切，農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)受地域、氣候和環(huán)境等諸多自然因素的影響和制約，為了擺脫這種影響，應(yīng)大力發(fā)展溫室農(nóng)業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步，溫室生產(chǎn)已經(jīng)不再是簡單的擋風(fēng)遮雨和提高溫度，利用新技術(shù)、新材料和新能源可以對溫室內(nèi)各種環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測和控制，甚至完全擺脫自然環(huán)境的束縛，人為地創(chuàng)造適宜作物生長的最佳環(huán)境，生產(chǎn)出高品質(zhì)、高質(zhì)量的農(nóng)產(chǎn)品[1-3]。
1.2研究的目的和意義
溫室環(huán)境控制是一門復(fù)雜的綜合性技術(shù)，它是集當(dāng)代農(nóng)業(yè)生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、電子技術(shù)、計算機控制與管理科學(xué)等多門學(xué)科于一體的綜合技術(shù)。任何一種作物的生長、開花、結(jié)果都需要相應(yīng)特定的環(huán)境條件，具有區(qū)域性和季節(jié)性，這是長期自然選擇的結(jié)果。不同種類的作物生長需要不同的環(huán)境條件。溫室智能環(huán)境控制主要是對溫室環(huán)境因子進(jìn)行綜合的調(diào)節(jié)和控制，就是對溫室中的溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子調(diào)節(jié)控制，為不同作物的生長、繁育提供適宜的環(huán)境，使作物與環(huán)境得到較好的統(tǒng)一[4]。
目前，常用的溫室環(huán)境控制器主要有單片機，工控機，PLC[5]。以單片機為核心的控制系統(tǒng)，通常以MSC51系列單片機為基礎(chǔ)，采用8位CPU,系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集，算法實現(xiàn)，設(shè)備控制都由單片機完成。該類控制方式的優(yōu)點是能夠全局管理，開發(fā)周期短，操作簡單、價格低廉，缺點是布線復(fù)雜，可靠性差，穩(wěn)定性低、元件易損壞且輸入/輸出信號通常為模擬量或開關(guān)量，自動化程度較低。由于溫室環(huán)境高溫高濕，不利于單片機的長期穩(wěn)定工作，單片機發(fā)生故障會導(dǎo)致整個監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。以工控機為核心的控制系統(tǒng)能對溫室中的各種參數(shù)和變量進(jìn)行有效控制。工控機結(jié)合模擬量采集卡，數(shù)字量采集卡以及其他輸入輸出模塊共同完成溫室環(huán)境的監(jiān)測與控制。工控機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是穩(wěn)定性高，抗干擾能力強，能夠適應(yīng)溫室中的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，缺點是工控機價格昂貴，不適合推廣應(yīng)用。
常用于溫室控制的控制算法有PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法等幾種控制方法[6]。PID算法通過計算偏差的比例、積分、微分調(diào)整輸出量完成控制，通常算法中的比例環(huán)節(jié)能夠提高系統(tǒng)的快速性，比例環(huán)節(jié)通過比例系數(shù)調(diào)整系統(tǒng)偏差，由于成倍數(shù)的放大偏差，輸出修正，所以能夠成倍數(shù)的修正偏差，使系統(tǒng)快速達(dá)到目標(biāo)值。比例作用的大小取決于比例系數(shù)，比例系數(shù)越大，比例作用就會越強，輸出的修正幅度也會越大，但是過大的修正幅度會使系統(tǒng)超調(diào)量增大，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)通過不斷的對偏差積分，不斷的修正輸出，直至偏差為零，因此積分作用能夠有效提高精度，加強系統(tǒng)對參數(shù)變化的適應(yīng)能力，積分環(huán)節(jié)通過改變積分時間常數(shù)的大小調(diào)整積分作用的輸出結(jié)果，積分時間常數(shù)越小，積分環(huán)節(jié)對輸出結(jié)果的修正能力就會越強，但是過度的修正，會導(dǎo)致系統(tǒng)時而正向輸出，時而負(fù)向輸出，引起震蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重不穩(wěn)定。微分的作用能夠描述系統(tǒng)變量的變化率，所以將系統(tǒng)偏差微分，可以獲得偏差變化的“加速度”進(jìn)而可以提前對偏差進(jìn)行修正。因此，微分環(huán)節(jié)能夠提高系統(tǒng)對動態(tài)過程的預(yù)知能力，克服慣性環(huán)節(jié)的影響，減小偏差變化，減小修正時間。微分環(huán)節(jié)的修正能力取決于微分時間常數(shù)，微分時間常數(shù)越大，對偏差的修正作用就會越大，同樣，過度的加強修正作用，會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此整定PID參數(shù)的時候，要在積分和比例、微分之間形成一種平衡[7]。模糊控制以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)首先，通過一定的方式將明確的信息模糊化從而獲取信息，然后，按照一定規(guī)則處理信息，最后將模糊的信息數(shù)字化進(jìn)而輸出信息。它是一種范圍控制，類似人工手動控制，人工控制主要憑經(jīng)驗參與控制，對控制對象只需大概了解不需要準(zhǔn)確的控制模型。人工手動控制是一種由人作為控制器的控制系統(tǒng)是典型的智能控制系統(tǒng)，其中包含了人的高級智能活動。在生產(chǎn)活動中人作為控制器觀測被控對象的輸出，然后根據(jù)觀測結(jié)果，通過大腦作出決策，最后手動調(diào)整輸入。就這樣不斷的執(zhí)行：觀測，決策，執(zhí)行，達(dá)到期望的輸出。這實際是一個過程變化到控制行動之間的映射關(guān)系，這個映射是通過人的決策來實現(xiàn)的。人在決策中并不是通過精確的計算來實現(xiàn)決策，而是依靠定性或模糊知識[8-10]實現(xiàn)的。
本課題以設(shè)計一套溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)為目的。其設(shè)計以PLC為控制核心，結(jié)合環(huán)境傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、定點攝像頭以及上位機監(jiān)控軟件對溫室環(huán)境綜合調(diào)控，以達(dá)到作物生長需求。該系統(tǒng)應(yīng)用于小型溫室中通過傳感器實時監(jiān)測溫室內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、土壤水分值等環(huán)境參數(shù)進(jìn)而對溫室內(nèi)環(huán)境或人為的或自動的進(jìn)行調(diào)控，使溫室內(nèi)環(huán)境能夠更好的適應(yīng)作物生長。并且以該監(jiān)控系統(tǒng)作為研究平臺以溫室中溫度，濕度為研究對象，研究溫室中溫度與濕度之間的關(guān)系以及它們的相互影響。同時以PID控制理論作為理論基礎(chǔ)設(shè)計溫室溫度PID控制器，調(diào)節(jié)溫室溫度，并依據(jù)溫室溫濕度變化關(guān)系補償溫室濕度使溫室環(huán)境中的溫濕度能夠得到合理的調(diào)節(jié)。最終將該設(shè)備運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為作物提供好的生長環(huán)境，為種植者創(chuàng)造效益，因此，研究該課題具有深遠(yuǎn)的理論意義和重大的現(xiàn)實意義。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
溫室控制大致經(jīng)歷了人工手動控制、機械設(shè)備控制、電子設(shè)備控制、微機綜合控制等幾個發(fā)展階段。溫室環(huán)境控制本質(zhì)是作物生長環(huán)境的優(yōu)化問題。其最高目標(biāo)是能使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)一樣不受地域、季節(jié)等環(huán)境因素的制約，并且能夠?qū)崿F(xiàn)全過程高效的生產(chǎn)自動化。
溫室環(huán)境復(fù)雜具有多環(huán)境因子，大延時，強耦合等特點。想要控制多種因素同時達(dá)到作物生長所需最佳指標(biāo)是不可能的，想要控制單一因素而不對其它因素產(chǎn)生影響也很困難，所以說，要實現(xiàn)溫室環(huán)境氣候條件的全局性綜合控制很困難。但是，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和微型計算機的普及應(yīng)用，以及計算機性能的大幅提升和價格的下降，同時伴隨著PID控制理論、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法等理論的發(fā)展成熟，以微機為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)獲得了前所未有進(jìn)步發(fā)展，并逐步邁入網(wǎng)絡(luò)化、智能化階段[11]。
1.3.1 國外研究動態(tài)
在溫室環(huán)境控制方面，國外起步較早， 20世紀(jì)80年代初，美國的雨鳥、摩托羅拉等幾家公司就合作開發(fā)了智能中央計算機灌溉控制系統(tǒng)，并于20世紀(jì)90年代在全美得到了廣泛的應(yīng)用[12]。目前，美國的科研人員將計算機控制、作物生長影像監(jiān)測分析、精確施肥等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到溫室中，大大提高了溫室生產(chǎn)的自動化程度，使用計算機進(jìn)行控制的溫室已相當(dāng)普遍，已占溫室總量的82%。荷蘭溫室農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，溫室環(huán)境控制技術(shù)先進(jìn)，荷蘭的農(nóng)業(yè)是玻璃溫室里的農(nóng)業(yè)，早在80年代，荷蘭人就已將計算機應(yīng)用于溫室的生產(chǎn)中，目前，荷蘭使用計算機控制的溫室已占溫室總量的85%。以色列對農(nóng)作物的灌溉采用了現(xiàn)代化的滴灌和微噴灌系統(tǒng)，在作物附近都安裝了傳感器以檢測水、肥的狀況，并將水、肥情況上傳辦公室里的中心計算機，中心計算機與田間的控制器進(jìn)行通訊，可方便地遙控灌溉和施肥，使水肥的利用率達(dá)到80%～90%[13]。此外，英國、希臘、德國、西班牙、日本等國家將新技術(shù)應(yīng)用于溫室中，在智能溫室的研究與應(yīng)用中處于領(lǐng)先地位。
由于溫室環(huán)境參數(shù)的程固有的非線性，使得溫室環(huán)境的線性系統(tǒng)模型只能在環(huán)境參數(shù)較小的變化范圍內(nèi)保證模型精確度[14]。因此，采用非線性系統(tǒng)模型的辨識方法是一個必然趨勢。當(dāng)前，采用智能化系統(tǒng)辯識方法對非線形系統(tǒng)進(jìn)行建模的研究非常流行，在溫室環(huán)境辯識中有大量研究。1994年Saginert等人就采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對溫室氣候進(jìn)行辯識，作者利用法國INRA和英國Silsoe研究所的數(shù)據(jù)分別建立了三層前向BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)的輸入量為氣候變量(室外光強度、室外溫度、室外濕度、室外風(fēng)速等)、控制變量(加熱器的熱通量、以弧度表示的通風(fēng)口打開角度、以時長表示的噴霧量等)、狀態(tài)變量(葉面積指數(shù))和時間變量(日期、時間)，模型預(yù)測量為室內(nèi)溫度、室內(nèi)光強度、以濕球濕度表示的室內(nèi)濕度以及土壤溫度等室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并且通過增減網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出數(shù)目觀察網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測能力，通過分析網(wǎng)絡(luò)權(quán)值大小，判斷哪些輸入變量對變量預(yù)測更加重要，結(jié)果得出風(fēng)向和葉面積指數(shù)對室內(nèi)環(huán)境影響不大的結(jié)論[15]。1996年Saginer等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)添加到溫室環(huán)境計算機控制系統(tǒng)中，通過試驗?zāi)７聦＜铱刂�。結(jié)果顯示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠很好的模仿專家的控制思想[16]。2000年Van Straten等利用作物的光合作用和蒸騰作用進(jìn)行溫室內(nèi)短期的優(yōu)化控制，利用有效積溫的原理進(jìn)行溫室長期的優(yōu)化控制，將短期優(yōu)化和長期優(yōu)化相結(jié)合，實現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)的溫室環(huán)境控制。2003年Aeslyng等人應(yīng)用機理分析法分析植物的光合作用、呼吸作用等相關(guān)物理生物過程中能量吸收與消耗，根據(jù)熱平衡理論建立溫室溫度平衡方程，通過調(diào)整光照量調(diào)節(jié)溫室溫度，通過良好的光照利用率，增加作物產(chǎn)量，提高作物品質(zhì)。2005年P(guān)aulo Salgado等人將模糊控制應(yīng)用于溫室的溫濕度控制中，該方法是一種多輸入多輸出的控制方法，利用該方法解耦達(dá)到溫室溫濕度的綜合調(diào)控。這些理論的出現(xiàn)，使得溫室環(huán)境控制技術(shù)開始向智能控制技術(shù)過渡[17]。
第六章 總結(jié)與展望
6.1 總結(jié)
具體完成工作有以下幾方面：
(1)設(shè)計了溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計由采集模塊，控制模塊，顯示模塊，工業(yè)攝像機，PLC以及上位機軟件等幾部分組成。該系統(tǒng)以PLC為核心，結(jié)合其它模塊共同完成溫室環(huán)境信息的采集與控制。同時，上位機軟件還具有數(shù)據(jù)對比分析及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。
(2)以溫室溫度濕度為研究對象，記錄不同條件下，溫室溫度濕度的變化。通過試驗及數(shù)理統(tǒng)計軟件分析試驗溫室溫濕度之間的關(guān)系。經(jīng)分析得出，在試驗溫室中溫度升高，濕度下降明顯，溫度降低，濕度升高;濕度改變(升高或降低)，溫度略有變化，變化幅度不大。溫度的變化對濕度影響較大;濕度的改變對溫度影響較小。
(3)應(yīng)用機理分析法，根據(jù)能量守恒以及溫室中的物理生物變化建立了溫室溫度模型。
(4)依據(jù)PID算法原理及溫室環(huán)境特點設(shè)計了PID控制器及控制方案，結(jié)合溫度模型及試驗溫室相關(guān)物理參數(shù)，利用Ziegler Niehols公式算出PID調(diào)節(jié)參數(shù)，同時應(yīng)用Simulink對PID控制方案進(jìn)行仿真同時調(diào)整PID參數(shù)。仿真結(jié)果表明PID溫度控制能夠滿足溫室對溫度的控制要求，能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少調(diào)節(jié)時間 。
(5)應(yīng)用PLC實現(xiàn)溫室的溫濕度控制，結(jié)合PLC的PID指令，利用脈寬調(diào)制的方式控制溫室溫度，試驗表明PID控制算法運行可靠，有效的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，結(jié)合溫濕度變化關(guān)系，溫度變化的同時，對濕度進(jìn)行補償，經(jīng)試驗驗證，補償后濕度值基本符合控制要求。
6.2 展望
溫室環(huán)境是一個綜合的、多參數(shù)、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。單純的研究溫度與濕度對溫室環(huán)境的影響是不夠的，只研究溫度與濕度之間的關(guān)系也是不夠的，針對本文的不足之處，可在以后的工作中作如下研究：
(1)本文中上位機軟件采用Delphi編寫，為單機應(yīng)用軟件，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，今后可聯(lián)合開發(fā)基于Andriod系統(tǒng)或iOS系統(tǒng)的移動終端監(jiān)控軟件，使溫室環(huán)境的監(jiān)測與控制更加便捷化。
(2)本文下位機所采用的核心PLC造價太高，設(shè)計出的監(jiān)控設(shè)備體積稍大，在穩(wěn)定性相同的條件下應(yīng)考慮采用體積小，造價略低的處理核心開發(fā)溫室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備。
(3)本文所建溫室溫度模型是在忽略了很多外界因素理想條件下建立的，不夠準(zhǔn)確，今后可在溫室建模方面嘗試一些新方法。
(4)本文中使用的控制算法為經(jīng)典控制算法PID控制算法，溫室環(huán)境為復(fù)雜系統(tǒng)單純依靠一種算法不夠全面，今后可嘗試多種算法聯(lián)合控制。
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