智能温室上位系统文献综述

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1、重庆理工大学毕业论文文献综述1 智能温室上位系统设计徐围一、研究背景及动态中国作为一个农业大国，农业的发展状况至关重要，要发展农业就必须走农业现代化这条道路。 随着国民经济的迅速增长， 农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分，是中国走农业现代化的一种有效途径，符合我国的当前国情，因此温室大棚的研究备受重视。我国温室农业历史悠久， 早在公元前 221206 年间， 就曾有 “冬种瓜于骊山 (陕西) 谷中温处，瓜实成”的记载。这就是我国，也是世界上最原始的温室栽培。国外温室栽培的起源，以罗马为最早。我国从20 世纪 60年代末开始发展温室产业，其主要以

2、反季节生产的蔬菜和园艺作物的种植为主，发展迅速，产业日趋壮大。世界各国的现代温室于20 世纪 60年代逐步完善并快速发展。 第二次世界大战后， 各国致力于自身的经济发展。 随着经济迅速恢复和快速发展，人们的生活质量大幅度提高， 对农产品提出了更高的要求及更多的需求，因而对生产温室的需求逐年上升。随着科学技术的进步和工业水平的提高，农业的工业化进程加快了设施农业应运而生，在全球迅速崛起，并形成资金、技术和劳动力密集型的高新技术产业，成为当今世界最具活力的产业之一。社会的需求、技术和经济的支持，使得现代温室快速发展。我国近代温室发展经历了三个阶段： （1）发展改良型日光温室阶段：改良型温室的特点是

3、造价低，能就地取材，保温性能好，适合我国北方气候条件，但冬季光照差，地炉使室内空气污染，对作物生长不利。目前单坡温室仍然是我国温室的主要形式。 （2）发展大型玻璃温室阶段：大型玻璃温室的特点是其形式以大型连栋方式出现，温室骨架为全钢结构，涂防锈漆，电动开窗，燃油锅炉加温，并安装喷灌装置。但结构性能仍然不够好，由于大面积连片，缺乏通风降温装置，夏季室内温度过高无法进行生产。（3）发展大型现代温室阶段：现代温室主体骨架由采用经热镀锌防锈处理的型钢材组成，具备相应的抗风雪等载荷的能力；采用玻璃、塑料薄膜、硬质塑料、 PC 板等透光材料覆盖及相应的卡槽、卡簧、铝合金型材等紧固、镶嵌构件，具有透光和保温

4、的性能；配备有遮阳、降温、加温、通风换气等配套设备和栽培床、 灌溉施肥、照明补光等栽培设施； 此外，还有环境调控的控制设备等，重庆理工大学毕业论文文献综述2 形成完整成套的技术和设施设备。二、国内智能温室现状由于温室大棚种植符合我国的当前国情，是农业现代化实现的重要环节，在国家的大力支持下， 近几年得到了快速发展， 但发展的同时依然存在着许多不足之处，其归结起来主要有以下几个方面：（1）自动化水平较低目前大部分的温室还依然采用传统的方法，人们主要采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度。温室内耕种机具操纵方便性差，绝大多数还要靠人工作业，工效低

5、，劳动强度大，费用高，导致设施农业高劳动生产率和高土地利用率的效能得不到充分发挥。（2）规模效益差目前我国现用温室还有很大一部分是由国外引进的，国外现代化温室比较适合在气候温和、四季温差较小的地区使用，但我国土域广阔，特殊的气候条件超出了国外温室的适用范围。 一个地区冬季的光照状况和低温的强度与频率是发展温室的限制因素，因此研究温室的地区气候适应性对日光温室的布局和采取的措施就显得相当重要。我国加温温室的分布与国外不同，许多温室生产先进的国家，都把温室建立在冬季光照和温度条件相对比较优越的地区，以减少温室能源的消耗。 而我国 90% 的温室集中在三北寒冷地区的大中城市周围。这些温室每年需投入大

6、量的能源用来冬季加热，夏季降温；而温室产量产值又很低，经济效益差。因此引进或自行设计温室，应因地制宜，才能取得一定的经济效益。（3）设施结构简陋我国设施结构较简陋，内部调控设备和功能不齐全、不完善，设施内的技术落后以及总体规划不尽合理，综合配套栽培技术水平低， 没有最大限度地发挥其作用，导致了我国设施农业种植面积位居世界第一，但产量并不理想。我国在温室种植实现机械化方面还有些欠缺。三、国外的智能温室现状在国外，随着现代温室智能化的不断完善，人们对温室环境的控制不断提出新的要求， 电子技术、 计算机与通信技术的飞速发展又为温室环境的控制不断完善注入了新的活力。具体优势概括出来以下几点：重庆理工大

7、学毕业论文文献综述3 （1）温室的大型化单片机控制系统的发展依赖于现代计算机和新型硬件的发展。在计算机普及的年代，这有力地推动了单片机控制系统的发展。新型软件和硬件的使用，结合Internet网络技术的控制，极高地提高了工作效率，在自动控制和管理上为温室大型化的实现奠定基础。（2）设施的成套化近几年，国外温室及大棚的内部设备日趋完善，各项作业都实现了机械化操作，在采暖、通风、光照、施肥、灌溉、运输等方面，基本上实现了自动控制，并开始用微机控制各种调节系统。 温室人工气候控制设备专用的电脑，计算机也纷纷推向温室设备市场。（3）生产机械化在工业自动控制工程中， 以计算机为中心的单片机控制系统越来越

8、受到广泛的重视，其作用也越来越明显。 在国外，机器人研发应用己被广泛重视， 并取得初步成果，如日本、韩国研究开发了瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本研制了可行走的耕耘、施肥机器人；可完成多项作业的机器人；能在设施内完成各项作业、无人行走车；用于组织培养作业的机器人；柑橘、葡萄收获机器人等。（4）管理现代化随着公共计算机网络的普及和远程控制策略的完善，基于计算机的远程监控制系统大大降低了网络的建设与维护成本，提高了己有设备的利用效率和联合生产能力，因此广泛地延伸人类的工作空间。在远离温室现场的异地，通过网络进行温室设施的温、湿度等环境数据的采集读取， 也可以变更数据采集设备的一些工作参数，极大地提

9、高了工作效率、 方便了用户。 这样既解决了大棚现场数据信息的自动获取问题，又可以远程智能监控农场的执行系统，满足管理的要求，为上级管理者提供方便，节省了大量的人力物力，实现现代化的大棚温室管理。四、智能温室系统的组成（1）上位机系统上位机系统选用个人计算机，主要用于处理数据， 控制系统， 实时显示修改各种控制数据， 曲线，记录每天的各种采集数据以备查询。它为用户提供数据采集到数据处理，流程控制，动画显示，报表输出，曲线显示灯解决实际工程问题的各种方案和重庆理工大学毕业论文文献综述4 工具。（2）下位机系统可以选用单片机和DSP ，现代市场上主要使用单片机。它主要用于现场试验检测及控制， 完成数

10、据处理，根据农作物生长的控制曲线进行滴灌及营养液的配比和实施，同时将控制及测量结果传送到上位机，并接受上位机的指令。（3）数据采集与测量通过各种高性能的传感器对外界气候环境的测量及数据采集，对温室内的各种因素进行实时数据采集， 并将测量结果通过接口送至上位机中，上位机根据控制要求对整个温室进行综合控制。五、上位机模块的设计上位机系统选用个人计算机，主要用于数据处理、通讯、系统控制、实时显示及修改各种控制数据、曲线，记录每天的各种采集数据，以备查阅。由于影响作物生长的因素 (温度、湿度等 ) 大都是一种多输入、多输出、大滞后的非线性控制变量，还需要动态、实时、有效、可靠的人机接口(HMI)的可视

11、化界面。因此，可以选用工控组态软件，它为用户提供了从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等解决实际工程问题的各种方案与实施工具，用户可避开复杂的计算机软硬件问题。 只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计与组态配置， 即可生成相应的应用软件， 并且可以方便的组网， 以实现系统的扩充。 利用工程组态软件的上述特点，在HMI中可以完成以下功能。动态、实时的监测温室内、外的温度、湿度、二氧化碳含量、风速、风向、雨量等变化值，并且可以通过RS-232/485 转换器和下位机内部进行数据通讯，将画面上的模拟开关与下位机连接起来，当操作人员点击画面上的模拟开关时，就可控制

12、温室内电机及阀门的实际开合与通断。除对参数进行监测外，还可将作物生长所需环境因素的范围值输入到上位机中，传入下位机进行对比分析，通过对窗、帘、通风等进行开关调节，使温室内的环境达到需要的要求。 由于现场的下位机是装在控制柜内的，因此还必须设置下位机状态检测，使用户可以清楚的知道下位机的工作状态，加强系统的故障排错能力。如图1所示，上位机模块中所包含的几个主要的程序模块，然后共同实现系统的正常运行。重庆理工大学毕业论文文献综述5 图 1 上位机包含的程序模块（1）上位机软件设计实现温室内上位机与下位机的数据通讯，双方必须约定一通讯协议。通讯协议包括对有无握手信号、数据格式、同步方式、传送速度、传

13、送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。 在本系统串行通讯中我们采用起止式异步通讯协议。在智能温室控制系统中为了保证通信电路的畅通，提高数据传输可靠性，在进行数据传送前，增加握手协议机制。其握手协议如下：PC 机： 【发送 M 】 【等待】 【接受下位机器的回传字符A】【发送数据】单片机： 【接收上位机发送的 M 】 【回传字符 A】【接收数据】在上位机发送数据前， PC 机首先发送字符“ M ” ，之后等待下位机的回传字符。判别回传字符是否为 A，如果是，则证明通信电路畅通，握手成功；否则说明电路存在故障，发出报警信息。另外，在确定的时间内如果接受不到下位

14、机回传字符，也证明通信电路存在故障， 发出报警信息。 上所述过程为上位机发起的数据传输过程，如果首先由下位机发起数据传输，则由下位机首先开始握手过程。为了更清楚的表达与上位机系统的工作方式与流程，绘制得到主程序流程图如图2所示：主模块远程终端通信监控程序参数设置程序数据库程序重庆理工大学毕业论文文献综述6 图2 主程序流程图（2）数据库设计系统支持数据库。包括文件管理数据库、安全保密数据库等。温室参数库。包括温室的控制参数录入、修改等档案情息。其它辅助库。包括调整方案库、各种报警信息库等辅助数据库。系统运行库。包括温室参数的实时数据和历史数据的存储库。（3）用户界面设计根据系统分析确定的目标和

15、功能，采用模块化设计方法，进行了系统的界面结构设计。系统界面由多个模块组成，每一个模块完成一项独立功能，但模块与模块之间通过系统数据相互关联。系统界面框图如图3所示。开始初始化变量，打开串行口在主界面等待用户操作实时监控数据处理帮助信息控制指标退出主界面窗口数据实时显示趋势图显示历史数据查询标准参数修改重庆理工大学毕业论文文献综述7 图3 系统界面框图三、结论近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，因此通过计算机、单片机、传感器等技术相结合，VB6.0 软件的运用，来设计出低成本、高效益、高精度、性能稳定的现代化智能温室大棚，共同实现对温室大棚的环境自动化监控，让温室技术能广泛地应

16、用于农业生产和科研的各个领域，大力推进温室的产业化和智能化发展步伐，从而加速我国现代设施农业向规范化，低成本、产业化、智能化方向发展。参考文献：1 张真和 . 我国棚室覆盖材料的应用与发展OL.bttp:/. 2 陈 国 辉 . 温 室 发 展 现 状 及 我 国 温 室 需 要 解 决 的 主 要 问 题 J.林 业 机 械 与 木 工 设备,2004,32(2):11-12. 3 宋希强 . 我国温室发展概况J.西南园艺 ,2002,28(4):48-50. 4 刘晓秋 . 社会需求决定单片机控制系统的开发J.工业控制计算机,2008,21(3):85-87. 5 钟武清 . 微型计算机在温室管理中的应用初探N. 农业工程学报,1987,(3). 6 杨国威 . 日本温室的发展趋势J.农村实用工程技术,1999,22(11):7-8. 7 李芳 , 姜竹楠 , 张孟杰 . 通信在温室控制系统中的应用N. 沈阳农业大学学报,2004,(35). 8 潘新民微型计