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　　我國(guó)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的的硬件研究

　　溫室技術(shù)可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫自然條件的制約,實(shí)現(xiàn)反季節(jié)生產(chǎn)。尤其是先進(jìn)的溫室工程技術(shù)手段和環(huán)境控制技術(shù),可以在一定程度上克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以解決的限制因素,促進(jìn)生產(chǎn)資源的集約高效利用,從而大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,使單位面積產(chǎn)出成倍甚至數(shù)十倍地增長(zhǎng)。

　　近年來(lái),計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步,使溫室生產(chǎn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)溫室效應(yīng)的概念。目前,利用計(jì)算機(jī)不僅可以對(duì)溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子進(jìn)行模擬,還可以建立三維虛擬圖像,進(jìn)行溫室內(nèi)的虛擬生產(chǎn)。新型的全智能溫室甚至能擺脫自然環(huán)境的約束,人為創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境,生產(chǎn)出高品質(zhì)、高產(chǎn)量的產(chǎn)品。本文對(duì)溫室中的計(jì)算機(jī)模擬和控制技術(shù)作一綜述。

　　現(xiàn)代溫室常見(jiàn)的調(diào)控設(shè)備有:頂部及側(cè)面通風(fēng)窗、內(nèi)保溫幕、內(nèi)外遮陽(yáng)網(wǎng)、濕簾-風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、CO2施肥裝置、加熱設(shè)備、噴霧系統(tǒng)、肥水灌溉系統(tǒng)等。為使這些控制機(jī)構(gòu)能夠協(xié)同工作,需要相配套的硬件控制設(shè)備。最早應(yīng)用在溫室控制上的硬件設(shè)備是溫度繼電器和定時(shí)器,通過(guò)設(shè)定一個(gè)動(dòng)作溫度,溫度繼電器可以使單個(gè)設(shè)備在低于或高于這個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)被啟動(dòng),因此常用于通風(fēng)窗或加熱器的控制。

　　由于其價(jià)格便宜,安裝、操作簡(jiǎn)單,目前仍廣泛用于簡(jiǎn)易溫室或大棚的控制中。

　　目前商業(yè)溫室的控制系統(tǒng)主要采用多處理器的分布式控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)由多個(gè)控制單元組成,每個(gè)控制單元有其單獨(dú)的處理器和傳感器,系統(tǒng)中不存在一個(gè)控制中心,主要由分布的各個(gè)子處理器完成數(shù)據(jù)采集、控制、監(jiān)視、報(bào)警、記錄、系統(tǒng)管理等功能。PC機(jī)作為主處理器,僅實(shí)現(xiàn)輔助功能,脫離主處理器,整個(gè)控制系統(tǒng)仍可工作。分布式控制方式具有價(jià)格低、控制靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因此它將在今后很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期廣泛應(yīng)用于溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中。

　　我國(guó)很早就開(kāi)展了溫室控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和研究,這也說(shuō)明溫室的硬件控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)溫室可靠、有效控制是非常重要的。目前我國(guó)科研機(jī)構(gòu)研制的常用溫室控制器仍然以結(jié)構(gòu)通用、價(jià)格便宜的8位單片機(jī)為主,一般以MCS-51系列為基礎(chǔ),從數(shù)據(jù)采樣到算法控制都是由單片機(jī)完成。

　　如王慶祝等開(kāi)發(fā)了一種基于雙主從結(jié)構(gòu)的溫室群測(cè)控系統(tǒng),該系統(tǒng)是一個(gè)集管理與測(cè)控為一體的集散測(cè)控系統(tǒng),軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì),以W77E58單片機(jī)作為主從工作模式的核心,可實(shí)現(xiàn)溫室溫度、濕度、CO2濃度和土壤含水率4個(gè)主要參數(shù)的測(cè)控以及CO2濃度的報(bào)警。由于工業(yè)控制技術(shù)較為成熟、可靠性較高,將工業(yè)控制器應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)也是近年來(lái)研究的一個(gè)方向。如江蘇大學(xué)等單位研制的基于工業(yè)控制機(jī)的溫室控制系統(tǒng)是由工控機(jī)、各種傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的多輸入、多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC(可編程邏輯控制器)具有易于編程、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因此也被應(yīng)用于溫室控制的硬件設(shè)計(jì)中。溫室控制系統(tǒng)中的PLC主要用于動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境因子的變化,根據(jù)作物生長(zhǎng)的要求對(duì)參數(shù)進(jìn)行匹配,同時(shí)完成與上位機(jī)的通信。但是由于工業(yè)控制器價(jià)格較高,廣泛用于溫室控制系統(tǒng)還受到限制。

　　近年來(lái)我國(guó)科技工作者在吸收國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,也進(jìn)行了溫室內(nèi)部溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子控制技術(shù)的綜合研究。這項(xiàng)研究的一個(gè)突出表現(xiàn),就是將研究重點(diǎn)從溫室的計(jì)算機(jī)控制核心硬件向溫室控制系統(tǒng)的信號(hào)傳遞方式轉(zhuǎn)變。越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)都嘗試將新型的信號(hào)傳輸技術(shù)用于控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。例如將傳輸距離達(dá)12 m,傳輸速度達(dá)7618 kbps的RS485總線用于溫室環(huán)境分布式控制系統(tǒng)。采用RS485總線作現(xiàn)場(chǎng)總線,可與遠(yuǎn)端的氣象站通信,以獲得室內(nèi)外溫度、濕度及室外光照、降雨、風(fēng)速、風(fēng)向等參量,還可與其他控制器及上位機(jī)進(jìn)行通信,構(gòu)成更大范圍的溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)。21年,國(guó)家在十五科技攻關(guān)項(xiàng)目中啟動(dòng)了溫室環(huán)境智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)課題,由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)與北京順義示范區(qū)合作采用RS485總線作現(xiàn)場(chǎng)總線的溫室控制系統(tǒng),經(jīng)運(yùn)行和測(cè)試,達(dá)到了預(yù)期的效果,并已面向市場(chǎng)推廣。

　　由于CAN總線具有雙向傳輸和智能節(jié)點(diǎn)的特性,因此在溫室硬件控制系統(tǒng)中也被采用。例如采用單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的CAN智能節(jié)點(diǎn),由主控制器、CAN控制器和CAN收發(fā)器組成。該節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)成本低,抗干擾性強(qiáng),另外節(jié)點(diǎn)還帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可以直接輸入模擬量,進(jìn)一步方便系統(tǒng)擴(kuò)展。還有將PC機(jī)通過(guò)CAN接口適配卡與CAN總線相連的控制系統(tǒng),或用CAN總線與嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境溫度、濕度、光強(qiáng)度的智能解耦控制,以及采用CAN總線與RS485總線相結(jié)合的通信方式等。

　　近年來(lái),隨著無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展,尤其是從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)募t外技術(shù),到短距離、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)個(gè)人局域網(wǎng)(如藍(lán)牙和ZigBee),以及長(zhǎng)距離的GSM、GPRS和CDMA等,不同種類(lèi)的技術(shù)隨著需求的不同而不斷發(fā)展完善,形成了巨大的市場(chǎng)潛力。如杜輝等在單棟溫室中將藍(lán)牙技術(shù)用于連接各種檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器,各個(gè)溫室之間采用CAN總線相連,構(gòu)成一種分布式溫室群的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和控制管理。孫忠富等提出一種基于GPRS和WEB技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)布系統(tǒng)方案,通過(guò)RS485總線與數(shù)字傳感器連接,并與PC監(jiān)控計(jì)算機(jī)構(gòu)成溫室現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。刁智華等以具有ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的JN5121模塊為核心,以ARM9為核心擴(kuò)展多種資源接口作為監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)硬件,通過(guò)對(duì)前端無(wú)線節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮,完成對(duì)環(huán)境信息的采集分析和對(duì)設(shè)備的綜合控制。沈敏、張榮標(biāo)等通過(guò)對(duì)傳感器(控制)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)式匯聚節(jié)點(diǎn)短距離動(dòng)態(tài)組網(wǎng)形成自組織星型網(wǎng)絡(luò),以降低傳感器(控制)節(jié)點(diǎn)能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

　　黃曉鵬等針對(duì)北方沼氣加熱溫室的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于DSP與藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)的分布式溫室監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力都得到了較大的提高。這些無(wú)線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控過(guò)程中信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)和設(shè)備控制點(diǎn)分散的情況,設(shè)計(jì)通用性較強(qiáng),這類(lèi)系統(tǒng)的應(yīng)用為溫室現(xiàn)場(chǎng)布線以及后期維護(hù)提供了很大的方便。近年來(lái),隨著便攜式設(shè)備的價(jià)格下降,基于PDA和Zigbee的小型、模塊化、無(wú)線手持式溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)也正在開(kāi)發(fā),如張潛等研制的溫室測(cè)控系統(tǒng),由基于S3C241微處理器的掌上型專(zhuān)用控制器、基于PIC系列的MCU和Zigbee無(wú)線傳輸模塊的集成化無(wú)線變送器以及經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)控制策略構(gòu)成,系統(tǒng)的成本降低,適用性得到進(jìn)一步提高。

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