分布式环境监测与控制系统 文献综述

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1、浙江科技学院本科毕业设计（论文）文献综述（2014 届）题目分布式温室环境监测与控制系统学院信息与电子工程学院专业电子信息工程班级102班学号学生姓名指导教师完成日期2014年2月20日一 本课题的研究意义农业是国家的支柱产业，我国作为世界第一农业大国，农业生产在我国的经济建设和社会发展 中占有举足轻重的地位。良好的气候与生态环境条件是农业生产的重要保障，而我国幅员辽阔，气 候与生态环境条件相对恶劣，制约农业的发展。我国作为世界第一农业大国，在农业上也是积累了相当多的经验和知识，但我国大部分地区都 存在山多土地少，图治不好，土壤资源匮乏，气候条件复杂多变等劣势，这些劣势对农作物的生长 极其不利

2、；况且随着社会的进步，从事农业生产的人也日趋减少，而社会的对农产品的需求却日益 增高，原有农作种植方式已经不能满足社会发展的需要，必须对传统的农业进行技术更新和改造。 近年来，中央的一号文件都是关于农业的，而且在党的十八大，党中央明确提出要推动农业的现代 化发展。因此，在我国发展现代农业和生态农业是今后农业发展的必然趋势，推广高新技术在农业 中的应用也势在必行。而现代温室农业技术就能够满足以上的要求。温室作为一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气 候对其影响的场所。建造温室的目的就是为了模拟适于作物生长的气候条件，创造人工气象环境以 消除外界对作物生长不利的

3、环境因素来促进作物生长，使其部分或者全部克服外界气候的制约，从 而缩短作物生长周期，提高作物产量，获得可观的经济效益。由于影响作物生长的因素主要是温度、 湿度、光照度，所以温室的主要目的就是能对温度、湿度、光照度等进行监控。也就是温室环境监 控，其平台就是温室环境监控系统。目前在温室中使用的无线通信方式存在一定的局限性，如蓝牙通信设备成本高、功耗大（在不 充电的情况下仅能工作几周），当作为主设备时只能连接7 个从设备；。其他的无线通信方式也或 多或少存在一定的缺陷。但就无线传感网络技术本身而言，我国在传感器组网方面的研究工作做的还是比较少的，大多 数停留在基础理论跟国际研究阶段，缺乏典型的实际

4、应用示范及产业竞争优势，有必要通过温室实 际应用来提升我国在这一领域的核心竞争力。实现现代温室等设施农业的无线传感网络测控系统将 解决目前温室等设施的一系列缺陷和弊端，有助于实现设施农业生产机械化、自动化，提高设施环 境调控智能化，自动调控温室内温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境因子，因此基于无线传感 网络的分布式温室环境监测与控制系统在国内外市场潜在用户巨大、市场前景良好、经济效益显著。 同时改善温室等设施内工作环境和工作条件，保障农民身体健康，提高农民生活质量，有助于解决 “三农”问题，为我国的现代化做出贡献。对于促进农业的增长、增收，推进我国农业智能化进程 具有极其重要的意义，具有巨大

5、的社会效益。二本课题国内外研究现状2.1 国外研究现状 1国外对温室环境控制技术的研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合仪 表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。 80 年代末出现了分布式控制系统。目前正在 开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技 术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像 园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室的控制系统全部由计算机操 作。日本研制的蔬菜大棚在光照、播种、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面 都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，

6、主要是将各种作物不同生长发育阶 段多需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动做出相 应修正或调整，一般以光照条件作为始变因素，温度、湿度和二氧化碳浓度作为随便因素， 使这四个主要的环境因素随时处于最佳配合状态。美国和荷兰还利用温差管理技术，实现 对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学 农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测 50km 以外温室内的光、湿、温、气和水等环 境状况，并进行遥控。韩国为扩大生产规模和降低生产费用，温室内设置了光照控制等环 境因子的自动化装置，但由于有些自动化装置需要靠人们根据经验进行控制，因此没能充

7、 分发挥它们的作用。另外，软件的开发也存在一定的问题。目前，以色列走在了发展现代 温室高产农业的前列，其先进一体化智能光照控制温室、配套监控系统软件平台及相关设 备均为世界领先水平，极大程度上弥补了其本国农业资源、气候环境和基本国情的先天不 足。2.2 国内研究现状 2作为世界第一农业大国，我国对于温室控制技术的研究较晚，始于 20 实际 80 年代。我 国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制 技术，该技术仅限于光照、温湿度和二氧化碳浓度等单项环境因子的控制。之后，我国的 温室控制技术得到了迅速发展。 20 世纪 80 年代，我国先后从欧美和日本等发达国

8、家引进了 连栋温室。由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进 的温室能耗过高，致使企业相机亏损或停产。 90 年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷。 “九五”期间，以引进以色列温室技术为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第 二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。到 90 年代中后期，在对国外温室设备配置、温 室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环 境控制系统。 1995 年，北京农业大学成功研制了“ WJG-1 型实验温室环境监控计算机管理 系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统，包含了对温室光照、温湿度、灌溉等

9、子系统。 1996 年，江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统。该系统能对温度、光照、二氧化碳浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温 室控制技术比较典型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系 统。该系统由大棚本体及通风降温系统、 太阳能贮存系统 3、燃油热风加热系统、 灌溉系统、 计算机环境参数测控系统等组成。 1997 年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术 方面也取得了一定的成果。 90 年代末，河北职业技术师范学院的闰忠文研制了一体化蔬菜 大棚监控系统，其能够对光照、温湿度进行实时测量与控制。但由于我国农业现代化水平 较低，农

10、业生产有机程度相对较低，成型实用的相关配套技术较少温室的一次性投资大， 以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在我国现代农业中的发展。 三本课题研究的关键问题及方法分布式温室环境监测与控制系统45的研究涉及到计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技 术、生物技术与环境科学等多种技术领域。在21 世纪前，由于匮乏核心技术的支撑，功能齐全的完 全智能化的温室环境监测与控制系统应用的还不是很多。但是，随着无线传感网络技术的不断发展 与成熟，其运用于环境监控方面的优势逐步突显，其相对廉价的成本与丰富便利的应用功能为温室 环境监控系统的建立提供了有力的技术支撑平台。因此，在我国研究基于

11、无线传感网络技术的温室 相关控制系统67，具有其独特的科研价值和使用性。鉴于温室环境检测与控制中遇到的问题和温室产业化发展的总体趋势，本课题研究的目的在于 解决温室环境监测与控制低成本问题和实现规模化，研制出一套较高性价比的分布式控制系统硬件 软件，以期能够为我国的农业智能化8发展作出一定的贡献。1 研究的基本内容：(1) 整个监测与控制系统的架构。这里包括了环境检测模块、中央控制模块、电机模块还有每 个模块实现相互通信的无线传输模块等。这里的每个模块都有相对应的技术问题，有待一一解决。(2) 环境检测模块中，主要的研究内容为在环境较为复杂的温室之中如何获取正确的、必要的 数据。我们要知道温室

12、中土壤的温度、湿度，空气的温度、湿度，应如何选取正确的传感器9以及 了解其所适应的工作环境，以免造成不必要的测量误差。(3) 中央控制模块。软件的设计，采用51 单片机进行数据的处理，随后由中央控制模块来发出 控制指令进而控制显示模块与存储模块。采用C语言10进行编程。(4) 电机模块接收来自中央在控制模块的指令，进而控制相应的灯泡亮灭(这里用 220V 灯泡来 代替温室中的风扇、喷淋灌溉阀门以及电动卷帘)。(5) 模块间的无线传输研究。51单片机控制的无线传输与接收系统的设计、数据显示与存储技 术研究。(6) 系统供电方案研究g。(7) GSM模块的短信应用研究章。单片机接入网络实现远程操控

13、目的，人机交互更加便捷。2需要解决的主要问题：(1) 数据监测与采集涉及到传感器的选择问题。在环境较为复杂的温室中，要想得到想要的数据 参数，必须选择正确的传感器和达到一定的精确度要求。(2) 编写正确的软件程序来处理所采集的数据问题。运用不同的算法对参数进行处理，得到正确 的指令代码形式。所写的代码应具备一定的灵活性，有助于之后的人机交互中的数据修改。编写过程 中还要注意设置固定参数问题，这符合温室监测与控制系统设计的要求。(3) 数据的存储与显示问题。采用的是显示屏是分辨率不小于VGA的LCD显示屏且能连续记录至 少1000000个数据采样点。断电24小时之内数据不能丢失。(4) 最后的技

14、术关键是远程操控温室环境监测与控制系统的实现问题。所采用的是GSM模块的短信应 用，单片机所记录下的数据通过网络可以直接呈现在用户的面前，而用户只需通过短信的方式就能 远程操控温室系统，从而达到人机交互更加便捷的目的。四、总结部分本次毕业设计的任务将分为两大部分完成：第一是对整个系统架构的认识，熟悉各个模块的组 成与工作原理。第二是分布式温室环境监测与控制系统的开发。具体步骤：将在模拟温室的环境中进行环境参数的实时采集，分析并处理数据。通过分析数据，对不同的参数要求进行算法设置，还有通讯设置。最后在相应的软件支撑基础上,研发出分布式环境监测与控制系统，见图1。用户LI监图 1 分布式温室环境监

15、测与控制系统框图五参考文献1 于海业，马成林，陈晓光.发达国家温室设施自动化研究现状J.农业工程学 报，1997,（zk）:253-2572 李萍萍，毛汉平.我国温室生产的现状与亟待研究的技术问题探讨J.农业机械学 报，1996,（03）:135-1393 史永基，高雅利.半导体/液体结太阳能转换和贮存研究进展J.传感器世界，2008.14（8）：6-10.4 V Goggos， R King. Qualitative-evolutionary design of greenhouse environment control agentsJ.Computers and Agriculture， 2000， （26）:271-282.5 杨卫中，王一鸣，李海健.分布式温室智能控制系统智能控制器设计与实现J.农机化研究，2006，（02）：137-1406 王艳艳.基于无线网络的温室大棚测量系统设计与研究D.青岛：山东科技大学，2012.7 刘建峰.温室环境监测系统无线传感器网络技术应用研究D.镇江：江苏大学，2010.8 彭培英，殷建秋，马冰玉.智能化技术在现代农业中的应用与研究进展J.河北农业大学学报，2008.31 （5）： 125-1299 何鹏，袁琪，丁春欣.传感器在温室大棚控制中的应用J.计算机与农业，2002.17 （7）： 5-1010 Schltz