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1、基于基于 PLC 的智能温室控制系统的设计的智能温室控制系统的设计 第一章 前言 智能温室系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农 业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、 智能传感技术等高科技手段发展起来的。自上世纪 90 年代以来，我国农 业上程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础土，对温室 温度、湿度、COZ 浓度和光照等环境因子控制技术的研究，研制开发了 我国自己的智能温室控制系统。1.1 研究的背景 1、山东省潍坊市于 1995 年在潍坊职业学院(原昌潍农校)种植基 地一一潍禾示范农场，创办了我国第一批现代化温室，个部引进以色列 智能温室技术
2、，用于种植“名、优、特”花卉及高经济价值蔬菜，不仅 成为潍坊市集约化设施农业样板，而且成为高新技术的辐射源和全国农 业生产技术、信息的集散地(如寿光蔬菜、青州花卉)，并受到包括吴 仪等在内各级领导的参观。 2、 “工厂化农业关键技术研究与示范一现代大型温室标准化栽培技 术体系研究与产业化示范”被列为国家重点科技攻关内容并成功结题。 为了推广温室技术，国家农委强调在每一个地区都要建立温室示范工程。 因此，智能温室环境控制技术有巨大的市场空间。 3、潍坊市重大科技攻关项目“中国兰花品种筛选与组培快繁工厂化 育苗技术研究”(编号:农科攻字(2004)第 5 一 1 号)。 4、潍坊职业学院园林工程系
3、的“组培中心”被列为山东省高等职业 院校示范基地，受到省市财政的大力支持。 5、山东省科技攻关项目“名特优花卉工厂化育苗及产业化开发示 范” 。 6、潍坊市于 2007 年在潍坊职业学院南校区投资 300 万人民币新建 智能日光连栋温室如图 l 一 1 所示，温室主体结构框架经招标由山东省青 岛蓝天有限公司承建，并于 2007 年 7 月完成。温室控制系统的设计、安 装、调试由本单位独立完成，计划 2007 年 11 月工程结束。 1.2 研究的意义 1、近两年来，农业作为国家优先发展产业正受到各级政府的高度重 视，增加 8 亿农民收入是我们国家当前的基本国策，农业现代化是我们 追求的目标，基
4、于计算机和自动化技术的智能温室是农业现代化的一个重要方面。图 1 一 1 新建智能日光连栋温室 2、以色列的园艺温室发展早，其国上面积中的 2 邝为丘陵和沙漠， 干旱少雨，人均占有淡水资源仅相当于我国的 1/8。但农产品出口额达 到全国的 5%，从业人员平均月收入 1243 美元【2。作为全国蔬菜花卉 的核心地区与潍坊地区相比还有很大的差距，因此，现代化的、高效的 温室工程生产技术需加大力度进行国产化、自行化研究和推广使用。 3、国家“十五”重点科技攻关内容“工厂化农业关键技术研究与示 范”尽管以结题。为了推广温室技术，国家农委强调的在每一个地区都 要建立温室示范工程，但每一个地区的气候条件都
5、不一样，其控制模型和控制算法都不可能一样，因此，智能温室环境控制技术仍有很多问题 需要解决。 4、1995 年潍坊市引进的以色列智能温室其计算机控制系统依靠国外 进口，核心技术掌握于国外，而且实践证明，由于地域、水质、气候乃 至资源的差异，引进的温室控制系统，并不完全适合本地区的情况，引 进的设备没有充分发挥作用，成本高，效益低，难以维护，难以推广。 5、智能温室控制系统的自行设计，其运行工作模式符合潍坊职业学 院的教学和科研要求，摈弃了引进技术的弊端，并大大减少了设计经费， 也为我院教师提供了科研攻关的机会。 6、该智能温室的先进控制模式适合本地区情况的，综合考虑植物生 长和产量、节能、环境
6、控制、经济效益等多方面因素，继续为本地区的 种植业的发展的起到了模范作用。 7、智能温室控制系统将实现对农业生产的准确管理。通过控制器实 时监测温室内空气温度、空气湿度、上壤温度、土壤湿度值，使对作物生长环境监测与普 通简单温度、湿度计测量相比，更准确、更可靠。人 们能够通过这些监测手段实时准确地了解情况，完成相关设备调节，避 免了监测误差和监测滞后带来的损失。 8、智能温室将自动化技术引入了农业生产，为农业科研活动提供了 有利的科学手段。通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相 关农艺科学研究，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方 法的改进，都提供了简便、准确的手段。 因此，
7、研究该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。1.3 国内外温室环境控制技术的研究现状 1.3.1 国外研究现状 西方发达国家如美国、荷兰、以色列、英国、加拿大、日本等在现 代温室测控技术起步比较早，都大力发展集约化的温室产业，温室内 的温度、湿度、光照度、c(理浓度、水、 兀、营养液等实现计算机调控。 1、美国在 1949 年，借助于工程技术的发展，建成了第一个植物人 工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研 究。20 世纪 60 年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产【3。 2、荷兰园艺温室发展较早，在 1974 年首次研制出计算机控制系统 CECS，成功开发了一系
8、列计算机软件、硬件，实现了温室供水、施肥和 环境自动化控制。他们的全自动化温室成套设备在世界市场上享有很高 的技术声誉【4】 。 3、以色列开发了一种植物生理生态监测仪:它可以监测株高、植物 果实大小、叶片大小与厚薄、茎直径、茎流量、叶温、叶片附近湿度、 C02 浓度等，24 小时连续工作，每隔一定周期就采集一次数据，得到的 数据定期发送到对环境气候进行控制的 PC 机上。 4、目前，英国的温室大量采用计算机管理，主要控制温度、湿度、 通风、COZ 施肥、营养液供给及 pH 值、EC 值等。伦敦大学农学院研制的 计算机遥控技术，可以观测 50km 以外温室内的温度、湿度等环境状况， 并进行遥控
9、。为保证 COZ 气体在温室内分布均匀，温室中通常安装通风机，搅动空气使温室中的 C02 浓度一致。 5、在加拿大，已经开始使用一种计算机辅助温室管理软件(HGM)帮 助生产者判断和解决病虫害问题，同时提高温室的整体管理水平。llGM 可 以将生产过程中采集的数据与标准数据库中的资料进行对比和分析，从 而对作物的生长状态进行判断，进而将系统调整到最佳状态。这不但降 低了生产成本，而且还可以减少农药的使用，达到利用非化学方法控制 病虫害的效果闭【5。6、日本利用网络技术实现对设施栽培数量多、地点 现异地监控与管理。通过网络不仅可以向种植者提供市 息、专家策略，还可以从远程启动设备，对环境调控【
10、总之，国外智能温室产业发展早，经济效益高。随 新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求 为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的 网络化，智能化阶段。 1.3.2 国内研究现状 1、从 20 世纪 70 年代起，我国的农业工程技术人员 借鉴国际上设施农业发展的先进经验，致力于温室工程 作，逐渐地引进了大量的温室。引进的温室与我国传统 间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高， 发展提供了借鉴作用。但这些温室也存在着许多不足之 2、1995 年建立的潍坊职业学院潍禾示范农场，是中 建立的第一批商业示范农场。该项目一期工程总投资 215 引进以色列技术和设备，建成了以色列现
11、代化玫瑰温室、 卉和蔬菜种苗加工厂，引进了一条果蔬、花卉脱水漂染 部为自动化控制，技术指标均高于以色列国内农场平均 农场投产以来，已为社会提供种苗 5000 多万株;加工果 并全部出口，部分产品已上网销售，对当地农业生产起 带动、吸纳作用，不仅成为潍坊市集约化设施农业样板， 技术的辐射源和农业生产技术、信息的集散地。 2、90 年代中后期起，我国高校开始研制自己的控制 1996 年，北京农业大学研制成功了“WJG 一型实验温室环 理系统” ，此系统属于小型分布式数据采集控制系统;江 教授研制的“温室环境测控系统” ，主要用于无土栽培实 较高，且处于实验阶段;吉林工业大学研制成功的用于 控制器，
12、能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调 年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面 成果;还有许多高等院校、科研院所都在进行温室控制系 并且许多单位都己建立起或将要建起温室控制系统的总 3、近 2005 年来，出现了设计生产日光温室的公司， 有影响的温室设计公司有:北京奥托精密科技发展有限公 光温室有限公司、上海都市绿色工程有限公司、上海华 有限公司等，这些公司的温室产品型号较多，但一般采 山东大学硕士学位论文单片机嵌入式测控系统，由于形成的是单片机系统，所以人 友好，非专业人员使用困难，难以操控，所以自动控制模式 置状态，造成资源的浪费。 以上产品均没有面向我国广大农村现有的 10
13、00 力一亩传统 工程。所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度 度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控 因此，以土产品的推广一使用价值仍然不大。 总之，同国外先进水平相比，我国对于温室控制系统的 综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单 境调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿 度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物 影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。因此， 据我国的囚情研制出适合我 l6J 农业的发展的初能温室控制系 业设施中广泛推广【11。 1.4 温室环境测控技术的发展趋势 温室智能控制系统作为一种资源节约型的高效农
14、业技术， 计算机综合控制下，创造适宜于作物生长的环境，实现优质 耗的工业化规模生产。要提高测控系统的性能除了硬件系统 算法也不可缺少。只有采用合理的控制算法，才能使温室环 子达到最优的控制效果，才能使温室控制系统达到智能化的 是我国现阶段在温室控制的理论研究和工程实践中常涉及到 算法12。 1、模糊控制算法 模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，它是通 成人们用自然语言所描述的控制活动。其控制算法是把各种 合起来分析考虑，然后进行模糊控制。再根据实验结果和经 糊控制规则，经模糊推理得到模糊控制表，使综合参数的相 到最佳状态。模糊控制有许多良好的特性，它不需要事先知 学模型，具有响应速度快、
15、超调小、过渡时间短等优点。比 节速度快、鲁棒性好，但模糊控制稳态精度欠佳【13】 。 2、专家系统 专家系统作为一种知识的载体，所表现出来的可靠性、 久性及其易于传播和复制的特性，是人类专家所不及的，因 解决某些领域问题时具有不可取代的重要作用。特别是对人类 高级专家数量很少，相应的知识传播和复制也较难，从这个 山东大学硕士学位论文 开发领域内的专家系统不仅非常必要，而且应用前景非 3、神经网络控制 神经网络采用黑箱方法能把复杂的系统通过有限的 但神经网络方法也存在着明显的缺陷，即需要大量的历 进行外推和演绎时可靠性明显降低。所以近年来有人利 拓扑案例模型对温室番茄日产量进行模拟分析，取得了较
16、 4、改进尸D 控制算法 常规 P 工 D 控制是自动控制中产生最早、应用最广的采用常规 PID 控制器，参数不易在线调整，容易产生超 差，不能满足现代温室环境参数监控的要求。 因此，在温室实际控制过程中，为提高系统动态调 度，通常对常规 PID 控制进行改进，主要有不完全微分 分分离的尸 ID 控制、变速积分的尸D 控制等。合理的选 分系数和微分系数，对 P 工 D 调节器采用四点中心差分法 力，比传统 PID 算法有了一定的改进。 5、基于遗传算法的优化模糊控制算法 遗传算法(GA)是模拟生物在自然环境中的遗传和进 一种自适应全局优化概率搜索算法。用 GA 调控模糊控制 GA 优化过程的早熟现象，又可提高优化控制规则的速度 GA 优化设计的模糊控制器来控制温度，响应速度快，温 有利于作物的生长，并降低了系统的能耗，达到了预期 1.5 本系统研究方案 根据我院现在建造的日光连栋温室，提出了如下系统 1、硬件系统的组成 采用上位机计算机和下位机日本松下 FPI 型可编程 式智能温室控制系统的硬件部分，即两级监控系统。上 对智能温室进行监控和参数的设定。下级是以 P
