多目标日光温室环境监控系统的开发

多目标日光温室环境监控系统的开发
摘要：为了解决温室环境监控问题，设计开发了一种基于单片机的多目标日
光温室环境监控系统。

该系统包括多目标传感器、主控单元、数据采集模块和监
控软件四个部分，其中，传感器测量环境参数并将数据传输到主控单元进行存储
和处理，主控单元根据传感器数据控制执行机构运行，实现多目标温室环境参数
的实时检测。

关键词：日光温室；环境因子；监控；多目标
引言
温室是一种利用人工或自然条件，在一定时间内通过人为控制，在适宜的温度、湿度、光照等条件下，进行农业生产的设施。

日光温室是以太阳光为主要能源，利用人工或自然条件对作物进行栽培的设施。

温室环境因子是影响日光温室
生产的主要因素，由于温室内环境因子相互影响，且在一定的范围内相互制约，
所以为了提高作物产量和质量，必须对其进行有效管理。

日光温室的环境监控系
统主要用于对温室环境进行监测和调控。

由于日光温室内光照强度大、湿度较小、空气温度变化范围大，而且不能手动调节，因此对温室环境进行监控成为提高日
光温室经济效益的关键。

20世纪90年代初我国引进国外温室控制系统并开始进行日光温室自动控制
技术的研究。

中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所以及江苏理工大
学先后研制开发了温室控制与管理系统。

但是由于我国引进和自行研制的温室自
动控制系统多是针对大型温室设计的单目标控制系统并且价格太高难以满足我国
北方地区日光温室果蔬生产要求。

为了推动我国日光温室生产的发展根据我国北
方地区日光温室果蔬生产实际研制开发了多目标日光温室环境监控系统。

多目标日光温室环境监控系统，是基于计算机和现代传感器技术、自动控制
技术而开发的，该系统可以对日光温室内的温度、湿度、光照强度及CO2浓度等
参数进行监测与控制，实现日光温室内作物生长所需要的温度等环境参数的实时
采集和远程监控，同时可利用计算机对温室内环境参数进行数据处理与分析，及
时调整温室内环境参数，实现日光温室的智能控制。

1系统硬件结构
该控制装置包括：工控计算机，传感器（变送器），模拟量输入模块（DAC-8017)，数字输出模块（DAC-8050),RS-232/485数据转换模块（RS-232/485)，输
出控制电路（输出控制电路）。

在该系统的硬件架构中，RTU （RemoteTerminalUnit）是一种可以进行检测与控制的远程终端装置，每个控制
单位为2栋大棚，一共8个环境参数。

全套装置可以容纳多至256台可编址模组，最大的线路长度为9.6公里。

系统的拓展能力很强大，对于添加了一个新的控制
装置，只要再加上一个新的数据采集与处理系统（传感器和模拟量输入模块、数
字量输出模块）就可以了，而不需要对其进行替换。

最多60座，尤其适用于中、大型农场的生产经营。

2数据采集与处理
数据采集主要由传感器、变送器、模拟量输入模块、数字量输出模块、计算
机及其外部设备构成，它是整个控制与管理系统的关键部件。

被检测物理量（温
室内光照、温度、湿度、二氧化碳浓度、土壤水分状况等）通过传感器（变送器）转换为标准电流信号或电压信号（4~20mA或0~5V)，再通过数模转换电路转换为
数字信号，之后将其输入电脑。

所述的计算机依据所述的探测结果和使用者所提
供的预先设定的参数以及所述的控制方法，产生一个控制决定，发布一个控制命令，并对所述的执行器进行操作。

系统利用计算机的强大功能，对数据进行处理，并对作物的生长过程进行智能调控，以达到高产、优质、高效的目的。

本系统的
数据采集与处理是通过传感器（变送器）将物理量（包括光照、温度、湿度、二
氧化碳浓度等）转换为标准电流或电压信号，并将其输入到数模转换电路中，再
经过模数转换为数字信号，在此基础上完成数据处理，输出控制信号或执行器动
作指令，进而达到对温室内作物生长过程的智能调控。

这样既保证了系统采集数
据的准确性，又使系统的功能更强大，功能更完善，更加适应现代农业的发展。

2．1传感器
二氧化碳检测：使用芬兰GMW21系列二氧化碳检测装置，检测范围0-2000微克.g.-1，准确度为±50微克.g.-1。

温敏器件：由沈阳仪仪技术研究院研制，以Pt为核心的WBJ集成式温敏器件，响应时间短，测试准确率高。

温度范围-10~50摄氏度，准确度为-1摄氏度。

利用北京昆仑滨海敏感技术研究基地MSZ-11（室温下的相对湿度偏差为±（2%~3%)，以及SBJ-13A（1%）的相对湿度偏差为MSZ-11（室温下的相对湿度偏差为0.2%~0.3%）。

该方法的测试结果为：1.在20相对湿度-100相对湿度之间，准确度为-3相对湿度。

土层湿度：以张力计为核心，以DSC为核心，构成了土层湿度传感器。

其基本理论是：使用张力计测土壤水的吸力值（负压），然后通过可扩散硅负压变送器将其转化为电流信号或电压信号，其测试范围0~60KPa，准确度为±5%。

亮度传感器：ZD01—AT，由北京昆仑滨海感应技术研究有限公司研制，适用于0.01—10klx的亮度传感器，准确率为±5%，适用于各种类型的亮度传感器。

2．2模拟量输入与转换
各感应器均由一根双绞导线与ADC-8017型模拟器（A/D变换器）相连，经过一次变换后的数位讯号再经过RS-232/485资料变换器，再由电脑串接口将RS-485讯号变换为RS232讯号，以达到与电脑之通信。

2．3控制信号的输出与控制
电脑会把收集到的资料与不同的农作物的技术指数相对比，若超过了农作物的技术指数，电脑会给出一个控制命令‚经DAC-8050的输出器转化成一个切换讯号，来控制一个中继的开启和关闭，并用一个AC触点来控制补光灯，排风扇，滴灌装置，二氧化碳产生器等的切换，来调节温室内的温度，湿度，光照，土壤湿度和二氧化碳的含量。

3控制系统软件设计与技术性能
智能温室大棚控制系统是根据植物生长的需要，对温室内的温度、湿度、光照等环境条件进行自动控制的系统。

当环境参数（如：温湿度、光照度）达到设定值时，会自动开启相应的设施设备，对温室内的环境条件进行自动调节，以保证作物生长所需的最佳环境条件。

根据传感器采集到的数据，来分析控制系统所
需要的各种参数，当参数达到设定值时，会自动打开或关闭相应设施设备。

本系统是由一套完整的组态程式完成的。

将其测控功能模块中的数据采集处理、控制算法、常用运算式控制输出等功能与模拟量输入模块一起构成控制系统。

使用组态软件的内部数据库功能，构建出了一个主要的园艺植物生长发育技术参数的数据库，并以此为基础，对各个生长发育阶段的控制参数进行设置，从而达到了对其进行的智能控制的目的。

这个资料库是公开的，可以由经过许可的程式设计师来更改。

可提供一个可持续发展的资料库，可追踪及纪录各因素的状况，并可自行产生相关的资料及图表，以作统计之用。

使用了各种屏幕的人机界面，操作和监控都很方便。

4系统控制实施
光线的控制：在短阳光的环境下，在室内光线强度小于10klx的时候，并且在08:00~19:00的时候，电脑会给出切换信号，来进行人工补光。

若两个参量不能同时达到以上要求，则关机。

利用镝光源对其进行补充，使其在频谱上的能谱和能谱上的能谱，可以使农作物的光合性能得到很好的提高。

二氧化碳的控制：利用人工辅助肥料，利用二氧化碳产生装置进行二氧化碳的处理。

本文介绍了我国自主开发的二氧化碳产生机，主要包括储酸罐，碳酸氢氨罐，过滤器，电磁阀，扩散管等。

通过电脑命令，可以实现对硫磺的放出和切断，实现对二氧化碳产生和终止的控制。

在植物的繁茂时期，早晨的时候，大棚里的二氧化碳含量应该在1500-2000ug.g-1之间。

温度的调控：采用了一种用来进行冷却的方式。

在阳光大棚的后墙上的通风窗口上，安装了一台排气扇（电源为120W）。

从三月底起，北方的天气就已经转暖了，当太阳暖房里的温度达到了40摄氏度时‚太阳直接照射在树叶上的时候，就会使树叶表面的温度变得更高。

利用电脑的自动化技术，使大棚的温度始终保持在所需的水平。

使用带有自燃装置的燃料炉，在特别气候情况下进行增温，根据农作物的不同，其温度的控制下限通常不会小于10摄氏度。

水分的调节：按照气温和水分的负向关系原理，减少水分的方式以加温为主，并辅以强迫通风。

在一面设置一台热气扇（其类型为冷气式，可达到自控技术的技术标准），而在另外一面设置一台抽气扇，用于进行抽气和除湿。

不过这个办法代价很大，还需要更多的实验。

土质含水量的调控：由电脑根据测量结果和不同时期的作物所需要的水量进
行判定，从而对滴灌进行调控。

全自动收口：以时间，光照强度为主要参数。

按
照规定的时刻和光线的强度，由电脑向规定的地点发送将草包扎（放下）到规定
的地点以使其停止（使用极限开始来进行冲程）的命令。

只有在一定的时间和光
照条件下，达到一定的条件，才能将草席卷起（展开）。

5系统运行分析
本项目所有的环境监控指标的测量和分析都是同步性好、精度高、技术指标
均满足了设计的需要。

经实践证明，此套装置在0~55度，5~80%的高湿度下，工
作性能良好，工作可靠，能完全达到了大棚内的环保监测技术标准。

与国外引进
的环保监测设备比较，本设备在性价比上有着显著的优越性，适用于中国北部的
日光大棚建设。

一台监测设备，以10个大棚为单位计算，需要花费19万元，而
每个大棚的成本只有19000元。

因为该体系是以工业计算机为中心，所以其扩充
性很强，所以每个额外的一个调控装置（两座日光大棚）仅需要多花三万元。

6结论
这个体系是根据中国日光大棚生产的特征来进行的。

可以对日光大棚蔬菜生
产造成的温度、湿度、光照、土壤水分等多个环境因子进行高效的监控。

因此，
可以提升日光大棚生产的技术水准，降低工人的劳动强度，提升工人的工作效率。

多目标的管理：可以按照种植的植物种类，来设置相应的控制参数。

可以一
次对多个种植各种植物的日光大棚进行管理。

该体系可扩充，可支援最多60个
大棚进行监控。

多因素控制：实时采集并处理日光温室中对植株长年生长有重要作用的环境
因素，实现加温、降温、补光、除湿、补充二氧化碳、灌溉和卷（放）草垛的自
动化。

智能化的经营：建立了农作物生长的技术指标，并依据库中的数据对其进行
了设置，从而实现了对农作物生长的控制。

这个资料库是公开的，可以由经过许
可的程序设计师来更改。

即时测量与控制：以动态资料及即时曲线追踪各因素之变动。

印出过去的资料，可以选择任何一段时期的资料进行统计分析，使用动态资料的优点是能快速地提供资料，且有较佳的精确度。

参考文献
[1]赖禄安,陈婷,常杰,王浩.基于数字孪生的温室大棚可视化监控系统研究[J].农业装备与车辆工程,2023,61(02):128-131.
[2]杨一凡.智慧农业大棚监控系统的设计与实现研究[J].南方农
机,2023,54(02):171-173.
[3]许德立,皇甫森森,李澍源.基于多数据融合+BP神经网络的农业温室大棚
环境监控系统的研究[J].湖北农业科学,2023,62(01):167-171+176.
[4]祝朝坤,王显然.基于树莓派与ESP8266的温室环境智能监控系统的设计
与实现[J].电子产品世界,2023,30(01):40-43+90.
[5]陈根,易治国.基于物联网的农业温室大棚环境监控系统设计[J].南方农机,2022,53(16):130-132.
[6]范闯,赵安琪,昝玉呈,张雨.基于物联网的温室大棚环境监控系统[J].科
技创新与应用,2022,12(20):29-32.
[7]皇甫姗姗.基于NB-IoT的设施温室监控系统的研究[D].南京信息工程大学,2022.
[8]张永成.基于NB-IoT的温室大棚环境监控系统研制[D].天津理工大
学,2022.
[9]孙启昌.基于嵌入式温室大棚环境监控系统设计与实现[J].热带农业科学,2022,42(05):94-98.
[10]李国利,周创,牟福元.基于ESP32的温室大棚环境远程监控系统设计[J].中国农机化学报,2022,43(03):47-52.。