设施农业智能化控制系统设计—西红柿生产控制

设施农业智能化控制系统设计—西红柿生产控制
设施农业智能化控制系统设计— 西红柿生产控制
设施农业智能化控制系统—西红柿生产控制
摘要
设施农业是指通过自动化控制方式，调节温室内的温度、湿度、通风、光照等环境因子，营造出最适宜农作物生长的环境状态，以实现高产、高效为目的的现代农业生产。

由于温室是一个复杂多变的非线性、大滞后的动态环境系统，很难采用传统的PID控制算法去建立数学模型，因而，本文采用了模糊控制算法对温室环境进行综合控制。

本文研究的主要内容如下：
（1）分析了主要环境因子对农作物生长的影响，总结出西红柿生长在不同
浓度等环境状态。

时期所需最适宜的温度、湿度、光照度和CO
2
（2）温室系统的模糊控制策略采用查表算法，使用温度误差作为模糊控制器的输入量，天窗、遮阳网、风机和湿帘等作为系统的输出控制量，系统选用三角隶属函数，并按照模糊控制规则进行相关设计。

（3）温室结构采用了上下位机联级控制模式，上位机控制界面用VB程序编写，实现数据存储、实时数据显示、发送控制参数等功能。

下位机完成温室浓度和土壤水分等参数的检测和控制。

内温度、湿度、CO
2
（4）完成了温室中传感器的布局和选型，及传感器输出电流电压转换接口电路的设计。

研究了温室输出执行机构的操作规则与传感器输入量之间的对应关系。

通过实践表明，基于上下位机模式的温室控制系统，将单片机技术、串行通信技术和传感检测技术综合运用，温室系统得到了较好的控制效果。

关键词: 智能温室模糊控制设施农业西红柿
Agricultural facilities intelligent control system -
tomato production control
ABSTRACT
Agricultural facilities is which through automated control adjust the temperature inside the greenhouse, humidity, ventilation, light and other environmental factors, to create the most suitable environmental conditions for crop growth, in order to achieve productive and efficient for the purpose of modern agricultural production. Because the greenhouse is a complex and dynamic environment system, it is difficult to set up mathematical model to control using the traditional way of PID. For the fuzzy control algorithm, equation of state objects is not required, which is also suitable for controlling the nonlinear, time-varying delay system. Therefore, fuzzy control algorithm is adopted to control greenhouse, and for example in summer Greenhouse control, by fuzzy control algorithm to achieve effective and reasonable control of the ambient temperature.
(1) By analyzing the effects of major environmental factors on the growth of crops, the tomatoes grown in different periods required is summed up for the optimum temperature, humidity, light intensity and CO
2 concentration and other environmental status.
(2) Greenhouse makes use of look-up table algorithm in fuzzy control strategy, temperature error as the fuzzy controller input, and sunroof, shade net, fans and wet curtain, etc., as the system’s output. Greenhouse system selects triangle membership function, and in accordance with the relevant rules of fuzzy control design.
(3) Greenhouse structure is using the up and down PC control mode, PC control interface with VB programming, which has the function of data storage, real-time data display, transmission control parameters and other functions. The lower PC complete testing and control the greenhouse
temperature, humidity, CO
concentration and soil moisture and other
2
parameters.
(4) Sensor layout and selection is completed in greenhouse, and the sensor output current-voltage conversion circuit of the interface design also. The correspondence is studied between the operating rules and the sensor actuator in the greenhouse.
Through practice shows that greenhouse system has been better control effect, based on lower and upper PC in greenhouse control system, the MCU technology, serial communication technology and integrated use of sensing technology.
KEY WORDS: Intelligent Greenhouse; Fuzzy Control; Agricultural facilities; Tomato production
摘要 (1)
第一章绪论 (7)
1.1 选题背景和意义 (7)
1.2 国内外设施农业现状及发展趋势 (8)
1.2.1 国外现状及发展趋势 (8)
1.2.2 国内现状及发展趋势 (8)
1.3 课题的提出和研究内容 (10)
1.3.1 课题来源 (10)
1.3.2 课题研究内容 (10)
第二章温室环境因子研究及模糊控制 (11)
2.1 温室环境因子的研究 (11)
2.1.1 温度对作物生长的影响 (11)
2.1.2 水分对作物生长的影响 (12)
2.1.3 光照度对作物生长的影响 (13)
浓度对作物生长的影响 (14)
2.1.4 CO
2
2.2 模糊控制算法的设计与实现 (14)
2.2.1 模糊控制的基本原理 (15)
2.2.2 模糊控制器的设计步骤 (16)
2.2.3 模糊控制器结构的确定 (16)
2.2.4 模糊化 (17)
2.2.5 模糊控制规则的制定 (21)
2.2.6 模糊推理决策算法的设计 (22)
2.2.7控制量的解模糊化 (23)
2.3 本章小结 (24)
第三章控制系统方案的总体设计 (25)
3.1 控制系统方案研究 (25)
3.2 控制系统总体结构 (27)
3.3 数据采集系统设计 (28)
3.3.1 温湿度采集系统设计 (29)
3.3.2 光照度采集系统设计 (31)
浓度采集系统设计 (32)
3.3.3 CO
2
3.3.4 土壤水分采集系统设计 (33)
3.4 温室执行机构设计 (34)
3.4.1 温湿度控制机构 (34)
3.4.2 补光机构 (36)
3.4.3 CO
补给 (37)
2
3.5 本章小结 (38)
第四章下位机系统设计 (39)
4.1 下位机系统硬件电路设计 (39)
4.1.1 单片机系统 (39)
4.1.2 显示电路 (41)
4.1.3 串行通信电路 (42)
(45)
(47)
(48)
4.2 下位机系统软件设计 (50)
4.2.1 软件设计内容 (50)
4.2.2 下位机系统主程序设计 (50)
4.2.3 时钟子程序设计 (51)
4.2.4 数据采集子程序设计 (51)
4.2.5 通信子程序设计 (54)
4.3 本章小结 (55)
第五章上位机系统软件设计 (57)
5.1 上位机设计构想 (57)
5.2 上位机界面设计 (57)
5.2.1 主界面窗口 (58)
5.2.2 子界面窗口 (58)
5.3 本章小结 (61)
第六章系统现场测试 (62)
第七章结论与展望 (65)
参考文献 (66)
附录A 时钟子程序 (71)
致谢 (75)
攻读学位期间发表论文情况 (76)
第一章绪论
1.1 选题背景和意义
设施农业是指采用现代化工程技术手段，对作物生长环境进行必要的干预控制，以达到完全或部分摆脱对自然环境的依赖，实现农作物高效生产的一种农业控制方式。

在欧美发达国家中，设施农业也被称作“控制环境农业”。

上世纪70年代以来，在法国、瑞士、荷兰等欧美发达国家中，设施农业逐渐成为了当地农业的支柱产业，他们在选育品种、栽培技术、材料研发和管理生产等领域达到了世界领先水平。

我国人口众多，人均相对资源低于世界平均水平，而设施农业属于资源高效生产型产业，它可以开发使用于沙地、盐碱地等恶劣环境中，能充分高效利用水土资源，实现高质、高产的目的，起到缓解人口耕地压力的作用。

因此，持续健康的发展设施农业对我国农业现代化生产有多方面的意义：（1）发展设施农业适合我国的国情，资源的高效使用和和优化配置能够缓解人们不断增长的供需矛盾。

我国人均耕地面积有限，且东西部土地资源分布不平衡，又由于国家城市化发展进程的推进，使得实际可用耕地进一步缩减，因此，必须要在相对有限的单位耕地面积上生产出更多、更好的农副产品，才能满足我国13亿人口的需求。

由于设施农业能够一定程度上克服自然环境的束缚，更优于完全受制于天气的传统农业生产方式，且土地单位面积上的产量有很大幅度的提升，因此，大力发展设施农业符合国家农耕发展战略，能够起到缓解人口增长所带来的供需矛盾。

（2）发展设施农业有利于提高我国现代化农业生产水平和生产效率。

由于我国绝大部分的设施为简易结构，温室环境配套技术和管理水平相对低下，温室综合可调控能力不强，导致生产效率远远低于欧美发达国家，单位土地面积产量不足以色列、荷兰等发达国家的三分之一。

因此，需要摆脱落后的农业生产模式，走中国特色的设施农业生产模式，大幅度提升我国设施农业的世界竞争力。

另外，采用引进国外设施农业的方式也很难完全适应我国的国情，因为我国跨纬度范围大，东西部地区海拔落差高，因此，简单引进以色列或荷兰等国
的设施农业存在保温性能、维护费用、能耗等方面的问题。

综合上述方面问题，在借鉴国外先进设施农业技术水平的基础上，我国需要大力发展自主创新的温室配套设备，创造出适合我国国情的设施农业整体解决方案，这对提升我国现代化农业水平，促进“三农”经济健康持续发展有重大意义。

1.2 国内外设施农业现状及发展趋势
1.2.1 国外现状及发展趋势
上个世纪70年代后，设施农业技术在以色列、法国、荷兰等欧美发达国家得到了大力发展[4]。

如今，设施农业已经实现了由电脑系统对温室内的温度、光照度、空气湿度、土壤水分等环境因子的自动监控，能够创造出更适合作物生长需要的人造生态环境，实现了农作物的高效、高质、高产的现代化农业生产模式。

例如，在以色列温室环境西红柿的年产量为46～69kg/m2，在荷兰玫瑰的年产量为295～355枝/m2[5]。

另外，随着现代工程技术越来越多应用在设施农业中来，以及更先进的栽培技术得到推广应用，设施农业已经朝着更高效的生产和更完善的配套技术发展。

国外设施农业技术主要发展方向为：（1）温室将会实现更加智能化和数字网络化的管理[6]。

（2）低碳环保技术和新能源技术将会更广泛应用在温室中。

（3）植物工程技术和土地资源高效利用技术将会在温室中普及。

（4）温室管理机器人技术将进一步提升设施农业的自动化水平[7]。

1.2.2 国内现状及发展趋势
随着我国改革开放以来，设施农业的研究和应用经历了近三十年的发展，取得了一定的科研成果和培养了一批研发队伍[8]。

在上世纪八九十年代，农业部启动大棚骨架结构设计和环境人工调控技术等项目，对“塑料大棚高产技术”和“地热温室技术”进行了重点研究，并分别在北京、上海、广东等地开始试点实施，取得了一定的突破，实现了西红柿亩产近四万斤的水平[9]。

本世纪初期，我国开始推广温室内绿色环保和有机作物生产技术，成立了设施农业绿色控制技术研究机构，逐步实现了大面积温室环境数据自动采集与控制技术，以及设施农业配套高效生产技术装备的自主研发生产。

但是，由于我国经济基础薄弱，农业发展起步较晚，传统农耕技术相对落后，以及我国南方地区多以丘陵地带为主，设施农业的发展还面临许多问题。

（1）连续耕作阻碍土地高效使用。

由于传统农作水平不高，长期且过量的使用化肥和农药，缺乏科学指导的农村耕作模式，导致土壤结构出现破坏和土地微生物群突变，最终引起土壤可耕作能力退化，作物产量和质量受到严重影响。

（2）土地设施资源利用率低下影响设施农业健康发展。

荷兰的土地单位面积利用率为我国的六至七倍，我国农业的水资源、土地资源和其它能源的利用都处在低水平状态，不仅资源浪费严重，而且环境污染日益加重，一直以来，我国传统农业基本是在高资源投入和低收入产出的恶性循环之中，这些都是制约我国设施农业发展和转型的重要因素[11]；
（3）设施作物的研究不深影响设施农业的智能化和自动化水平。

由于传统农业采用的是手工耕种，更多是依赖老一辈对自然环境的总结经验，缺乏对环境因子影响作物生长发育的研究，因此，现代化设施农业需要进一步提升农业科学研究，加快自动化控制技术在设施农业应用领域的推广。

（4）无土栽培技术应用水平低下影响设施农业低能高效生产。

以色列等欧洲发达国家克服连续耕作障碍的办法就是采用无土栽培技术，因为我国无土栽培技术的研究发展较晚，配套设施不够完善，导致我国无土栽培技术长期无法推广应用，当前，全国仅有0.1%的温室使用了无土栽培技术，因此，无土栽培技术的低水平制约了我国设施农业技术水平的发展[12]。

（5）自动化控制技术水平不高制约了我国现代化设施农业发展进程。

在国内，缺乏针对农业生产管理的专业控制系统软件[13]，同时，温室内的数据采集器件多为进口，价格贵且品种少，这些因素也进一步制约了我国现代化设施农业的健康持续发展。

我国设施农业将来发展主要趋势为：首先重点研究温湿度、光照度、CO
浓
2
度等环境因子对作物的定量影响关系，并总结出其对作物生长发育的交互影响规律。

其次，采用虚拟软件技术组建温室作物生长模型，仿真作物动态发育过程，模拟温室环境对作物整个生长周期的影响，探索作物生长所需最佳环境状态。

最后，采用先进的无线通信技术，组建温室环境数据无线传输系统，环境
状态无线监测及控制系统，解决传统温室中布线困难的问题，为大面积推广我国现代化设施农业搭建技术平台，同时，温室智能控制系统和网络远程监控系统也将得到进一步的大力发展[14]。

1.3 课题的提出和研究内容
1.3.1 课题来源
本课题依据广西职业技术学院智能化农业技术国家级实训基地建设，对原有温室进行智能化改造和升级，建设成为具有广西特色的示范性现代化智能温室的项目。

1.3.2 课题研究内容
为了实现智能控制系统对温室环境自动监测和调节，用户可根据系统所显示的信息根据实际情况对温室进行相应的设置或修改，让农作物时时处在所需的最佳环境中生长，以实现作物的高产、高效。

具体研究内容如下：（1）西红柿生长环境的研究，分析温湿度、光照度、二氧化碳浓度等元素对西红柿生长的影响。

（2）介绍了模糊控制算法，通过夏季温室温度控制为例，说明了模糊控制算法的设计与实现方法。

（3）分析温室内空气温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等信号的检测和控制方法，设计符合需求的信号采集电路及执行机构驱动电路，主要包括天窗的开闭、遮阳网的开关、补光系统、土壤滴灌和加湿喷灌等机构。

（4）研究温室控制系统的结构，采用上下位机结合控制的模式，上位机控制界面用VB程序编写，实现数据存储、实时数据显示、发送控制参数等功能。

下位机完成温室内温度、湿度、CO
浓度和土壤水分等参数的检测和控制。

2
第二章温室环境因子研究及模糊控制
作物生长发育与温室环境内的温湿度、CO
浓度、土壤水分和光照度等因子
2
密切相关[15]，本章重点研究这些环境因子对作物的影响程度，以及通过夏季温室温度控制来说明模糊控制算法的设计与实现。

2.1 温室环境因子的研究
以西红柿为例，探讨西红柿生长过程中对环境参数的要求，并找出最适宜
浓度等对作物生长的综合环境状态。

针对主要环境因子温度、湿度、光照和CO
2
西红柿生长的影响强度进行了综合分析[16]，各因子的对作物的影响度如图2-1所示。

图2-1 环境因子对作物生长影响分布图Fig.2-1 Environmental factors affect crop
chart
2.1.1 温度对作物生长的影响
只有当作物处在在最适宜的温度条件下，作物才能够健康的生长发育，当温度超出最低或最高极限温度时，作物可能会生长缓慢，甚至会停止生长，最糟糕的情况是作物会被冻死或灼伤。

温度也是影响西红柿产量和品质的主要环境因子之一[16]，西红柿在9～29℃范围可以健康发育生长，但在30℃以上高温西红柿易产生病变，温度达到35℃西红柿将出现生长缓慢，超过40℃以上高温可能会引起西红柿枝叶枯萎甚至死亡。

西红柿生长在不同是发育生长周期所需的温度范围也有所差异，具体分四
个阶段研究温度对西红柿生长的影响，相关影响度如表2-1所示，（1）发芽期所需最适宜温度范围为19～26℃之间，当温度超过36℃时，西红柿的发芽比率下降，当温度低于10℃时，西红柿的发芽速度会整体偏低，甚至会出现烂种或坏死。

（2）幼苗期所需最适宜温度范围为22～29℃之间，温度低于8℃以下容易导致将来出现畸形果，温度超过34℃容易灼伤幼苗或使幼苗徒长。

与此同时，为了预防寒气突袭可能对西红柿幼苗造成冻害，可以在西红柿的幼苗期进行适度的抗寒能力训练，大概11℃左右的温度为其训练适应耐寒范围。

（3）开花着果期所需温度范围在24～29℃之间，当温度超过35℃或不足14℃时，很容易导致西红柿花果挂枝不稳，出现落花或落果的情况。

因此，尽量避免因季节的变化所带来的温度骤变对西红柿花果的影响。

（4）结果期所需温度范围相对更加广泛，大概在20～30℃之间果实都能健康自然生长，但是，如果夜间温度长期处在高温状态，容易导致西红柿生长成为空洞果，因为温度过高会过度影响其果实的养分分泌。

与此同时，生成西红柿茄红素的最适宜温度范围是20～25℃之间，温度超过33℃容易导致西红柿着色不均，温度低于13℃则易造成其着色周期变长。

表 2-1最适宜西红柿生长的温度
Tab.2-1 The most suitable temperature for
tomatoes grown
西红柿
最适宜温度
上限温度下限温度白天晚上
发芽期20～25℃12～16℃39℃10℃
幼苗期23～28℃14～19℃36℃8℃
开花着果期25～28℃16～21℃36℃15℃
结果期24～28℃15～20℃35℃15℃
2.1.2 水分对作物生长的影响
水分含量也是影响西红柿生长的重要环境因子之一，西红柿的植株生长发育的不同周期对水分的需求量也不一样，具体分四个生长周期研究水分对西红
柿生长的影响[17]，其生长所需最适宜湿度如表2-2所示。

（1）发芽期，由于西红柿的种子需要通过吸收大量水分才能使其膨胀发芽，所以，在进行西红柿播种之后，必须通过滴灌等方式让土壤有足量的水分，以保证种子发芽出苗所需。

（2）幼苗期，由于西红柿的幼苗根系不发达，吸收水分能力不强，因此，只需要保持土壤水分湿度不低于55%即可，相反，过高的土壤湿度可能会导致幼苗出现病害。

（3）果实膨大期，此时西红柿处于果实膨胀发育阶段，所需水分也相对增大，一般维持在80%以上的土壤湿度即可。

如果土壤中水分含量不足，容易造成西红柿落花落果，俗称“旱崩花”，相反，如果土壤水分含量过大，容易引发西红柿遭受病害，同时，过湿的土壤，也容易导致植株徒长，甚至出现大面积落花落果，俗称“湿崩花”。

因此，在西红柿果实膨大期间，维持土壤湿度在80%至90%之间为宜。

（4）盛果期，此时西红柿的果实发育旺盛，水分需求量也相对较大，同时，植株受高温影响导致水分蒸发过快，如果出现过度干旱，将会引起西红柿果实发育不良，甚至影响果实口感。

因此，盛果期也需要保持适宜的土壤水分含量，避免过湿或过干，湿润即可。

表2-2 最适宜西红柿生长的湿度
Tab.2-2 The most suitable humidity for
tomatoes grown
西红柿土壤湿度空气湿度
发芽期80-90% 60-70%
幼苗期60-70% 40-50%
果实膨大期85-90% 45-65%
盛果期60-80% 40-50%
2.1.3 光照度对作物生长的影响
光合作用可以将CO
2和H
2
O转变成碳水化合物，而太阳光为其化学反应提供
热能，光照强度对农作物的生长和发育有着很大影响。

实践表明，充足的阳光，
可以提高西红柿的产量和品质，相反，光照不足时，容易导致植株根茎发育不良，甚至出现落花落果现象。

因此，温室中充足的光照是作物生长必不可少的条件，同时，补光装置也是调节温室环境的重要机构。

光照强度是影响西红柿生产的重要因素之一，西红柿对光照需求范围比较宽松，每天正常的自然光照射可以满足西红柿生长发育所需，但是，在雨季或连续阴天的环境状态下，需要采取补光措施，一般控制在4万勒[18]左右即可。

2.1.4 CO
2
浓度对作物生长的影响
在日常情况下，空气中的CO
2能够满足作物所需，CO
2
对作物光合作用的影
响不是孤立存在的，而是与光照、温度和湿度等环境条件综合起来发挥作用。

实践经验表明，在温室内适当的补给CO
2
能够起到提高西红柿产量，因此，根据
作物的不同生长周期，在温度、湿度、水分和光照度适宜的情况下，调节CO
2
的浓度，可以使作物的产量达到最大化。

CO
2浓度对西红柿叶片净光合速率的影响很明显，在不同温度下，CO
2
浓度的
变化对西红柿叶片影响的强度明显不同[19]。

实验结果表明：苗期15°C以上，
增加CO
2
浓度西红柿叶片净光合速率增加明显，果期时温度达到18°C以上时，
增加CO
2
浓度西红柿叶片净光合速率才得到明显的提高[19]。

西红柿生长所需最佳
的CO
2
浓度、光照度及温度等环境因子如表2-3所示。

表2-3 最适宜西红柿生长所需综合环境因子Tab.2-3 The most suitable comprehensive environmental factors for tomatoes grown
西红柿
温度
光照度CO2浓度白天晚上
发芽期20～25℃12～16℃30000～50000LX 1200ppm
幼苗期23～28℃14～19℃30000～50000LX 2200ppm 开花着果期25～28℃16～21℃30000～50000LX 3400ppm
结果期24～28℃15～20℃30000～50000LX 5100ppm
2.2 模糊控制算法的设计与实现
由于温室内的温湿度、CO
2
浓度、光照度和土壤水分等环境因子是一个复杂
多变的大滞后系统，与此同时，作物在不同的生长周期对温度和湿度等的要求不同，另外，本温室系统的控制输出都为开关量，无D/A 转换电路部分，这样很难实现增量式或位置式的控制，即使控制环境因子也不需要很快速的动态响应，因此不适合采用传统PID 控制进行建立数学模型。

由于模糊控制算法无需建立控制状态方程和数学模型，非常适用于温室环境中多变量、非线性且大滞后的控制[20]，因此，本系统采用一阶模糊控制器，并以温室夏季温度控制为例来说明模糊控制算法的设计与实现。

2.2.1 模糊控制的基本原理
人们在现实生活中，碰到大多是不确定性的问题，经常会用“大概”、“大约”之类的词语描述问题，这些事物需要借助一种表示程度的语法来形容那些不确定的数字或模型，因此就产生了将事物的属性或性质用模糊形态或模糊群组来表现和处理的方法，即模糊理论。

例如，在生活环境中，当定义30℃以上为“高温”时，哪怕是29.9℃，也不能被归属于“高温”范畴，如图2-2所示，用数学表达式来表达这种隶属关系强度如下：
130()030x x x ≥⎧=⎨<⎩高温 μ
上述二值描述方法虽然简单，但是并不适用于自然界中大多数事物，因此，人们常常用逻辑“是”与“非”之间的模糊状态来描述许多事物。

例如，之前30℃以上称之为高温的例子，可以用坐标曲线的形式来表述“高温”的形成过程，如图2-2所示，从26℃起，不同程度的属于“高温”，。

1.0 1.0
0.5
0.1
图2-2集合“高温”的定义
Fig.2-2 Definition of aggregate
“hihgtemperaUtre”
2.2.2 模糊控制器的设计步骤
模糊控制器最简单的实现方法是查表法，在离线状态下，预先通过模糊控制规则将生成对应的控制表，然后在系统运行过程中采取调用的方式实现模糊控制。

设计模糊控制器分以下几个步骤[21]：
（1）确定控制器结构，本系统采用的是一维模糊控制器。

（2）模糊化，将AD结果所得的精确量置换成对应的模糊量。

（3）建立控制规则，指通过总结人们常规经验并进行归纳所形成的模糊控制规则。

（4）推理决策，通过推理模糊控制规则所得出的输出量。

（5）去模糊化，通过输出精确量去完成对被控对象的具体控制。

2.2.3 模糊控制器结构的确定
由于温室环境内变量众多，为了简化系统控制结构，选取温室中最重要的因子作为模糊控制对象，其它环境因子则采取上下限控制方式。

以温室夏季温度控制为例，进行模糊控制算法的设计与实现，温室温度模糊控制器的结构如图2-3所示。

因为夏季天气炎热，温室只需要考虑如何给温室降温措施。

系统模糊控制器的输入、输出变量的定义如下。

输入变量为：
E—温度误差
EC—温度误差变化率
输出变量为:
U1—天窗开度
U2—遮阳网开度
U3—风机运转时间
U4—湿帘启用时间。