农业温室大棚环境调控与管理系统设计

1 引言随着控制技术、Internet 和移动通信技术的飞速发展，农业生产的自动化、信息化水平不断提高，“可控环境农业”的研究已经越来越为人们所重视。

如何方便有效地对温室环境进行监测和控制，如何提高农业生产的信息化水平是目前可控环境农业研究的重点。

本章简要说明了课题的研究背景和现实意义，并综述了温室环境监控技术的研究现状和发展趋势，在此基础上提出了本文的研究内容。

1.1 远程温室监测系统的应用现状及发展前景自20世纪80年代以来，我国工程科技人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究，希望通过改变植物生长的自然环境、创造适合植物最佳的生长条件、避免外界恶劣的气候，达到调节产期、促进生长发育、防治病虫害等目的。

由此而引发的各种温室测控技术的实际应用与研究也取得了长足发展。

发达国家已经向高层次的自动化、智能化方向发展，形成了现代化水平高，比较完善的技术体系[1]。

我国温室测控技术应用研究虽然也取得了一定的进展，但是与发达国家相比依旧存在较大差距。

随着世界设施农业栽培技术发展迅速，温室面积和产量大幅增加，对各种温室测控技术以及与之紧密相关的通信技术的研究，已经引起该领域内的专家学者的广泛关注。

1.2 国内外温室测控技术1.2.1 国外温室测控技术研究状况发达国家如荷兰、美国、英国等都大力发展集约化的温室产业，温室内温度、湿度、光照、CO2浓度、水、气、营养液等实现计算机调控。

荷兰在1974年首次研制出计算机控制系统CECS。

l978 年日本东京大学的学者研制出微型计算机温室综合环境控制系统。

目前，日本、荷兰、美国等发达国家可以根据温室作物的特点和要求，对温室内的诸多环境因子进行环境控制。

在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料温室和其它人工栽培设施达到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列。

蔬菜、花卉、水果等普遍实行设施栽培生产。

针对种苗生产设施的高温、多湿等不良环境。

日本有关部门进行了如下几种设施项目的研究。

主要有设施内播种装置、苗灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装置（温度、湿度及光照控制）、缺苗不良苗的检测及去除和补栽装置、CO2 施肥装置等方面的自动化研究[2]。

而在韩国，从l992 年以来，政府就把设施园艺作为重点事业来推进发展，到1992年底，设施栽培面积为5.3万mm2,其中带环境控制的现代化设施的设置面积占1 0%左右[3]。

由于温室能完全控制作物生长的各种条件，近年来温室农业在以色列得到了飞速发展。

以色列温室结构非常先进：它装有幕帘、天窗及遮阳网，可根据光线强度的不同自动调节和移动，并装有空气温度和湿度调控等温室计算机环境控制系统。

以色列科学家成功地开发了一系列计算机软件、硬件，实现了温室中供水、施肥和环境自动化控制。

最新的弥雾气候控制技术，使温室降温所需的能量非常小[4]。

以色列的温室从80 年代到90 年代更新了三代，利用计算机控制水、肥和温室小气候，自动调温、调湿、调光，而且结构非常先进，促进了工厂化农业的大发展。

荷兰园艺温室发展较早，由于地处高纬度地区，日照短，全年平均气温较低，因此，集中较大力量发展经济价值高的鲜花和蔬菜，大规模地发展玻璃温室和配套的工程设施，全部采用计算机控制。

荷兰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，但荷兰的温室业是一种高能耗的产业，全国每年温室消耗天然气达42 亿立方米[5]。

英国农业部对温室的设计和建造也很重视，在英国西尔索农业工程研究院，科学家们进行了温室环境（温度、湿度、光照、通风及CO2及施肥等）与作物生理、温室环境因子的计算机优化、温室节能、温室自动控制、温室作物栽培与产后处理、无土栽培的研究。

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、CO2浓度、施肥、营养液供给及pH 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[6]。

另外，国外温室业正致力于高科技发展遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中，Alves-Serodio ，C.M.J等在ISIE ' 98国际会议中提出一体化的温室网络管理体系模型，可将气候的调节、灌溉系统与营养液的供给系统作为一个整体，并可以实现远程控制。

1.2.2 国内温室测控技术研究状况a）集散控制系统（DCS）智能温室的自动控制系统一般是由控制计算机、传感器、执行机构及驱动部件组成的多输入、多输出的闭环控制系统。

在现代温室测控系统中，运用最多，技术最成熟的是集散控制系统，总线结构一般采用RS485温室群集散控制系统一般以PC机或工控机为上位机，单片机作为下位机组成。

下位机的任务是完成现场与作物有关的环境参量及作物生理参量的信息采集、分析处理和存储显示，并通过RS485S线同上位机相连；上位机则主要实现环境的调控策略、集中操作管理、通信控制等功能，协调各从机之间的数据传送工作，从而实现对整个系统的有效管理。

随着单片机及微机技术、网络技术的发展和应用，采用微机与多台单片机构成小型集散控制系统在现代温室测控领域的运用非常普遍。

它利用单片机价格低、功能强、抗干扰能力好、温限宽和面向控制等优点，结合微机的软硬件支撑，是一般规模温室测控系统的常用选择方案。

但是这类温室集散控制系统存在着固有的缺陷：控制系统的物理层采用上下位机主从集散控制结构，一旦上位机出现故障，将会导致整个控制系统瘫痪，危险过于集中，系统的可靠性和稳定性不佳；同时该测控系统采用RS485 总线，有效传输范围不超过1200m这将成为现代温室集群化方向发展的瓶颈，系统的拓展性不好，布线复杂，成本较高。

但是作为主流的温室测控系统架构方案，集散控制系统采用基于RS485RS422等总线结构的通信方式在国内外温室测控领域仍然占据主导地位。

b）国内温室测控技术我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，20世纪80年代中期开始应用于温室控制与管理领域。

从1979至1 987年陆续从6个国家（荷兰、日本、美国、意大利、罗马尼亚、保加利亚）等引进24 套温室，总而积19 万平方米。

这些温室系统的引进，总计投资960万美元，人民币2570万元。

每平方米面积投资80-100美元，还不包括修建锅炉房、水塔等辅助建筑的投资和国内运费、关税等开支［7］。

从国外引进的现代化温室，虽然在国外经过多年的发展和完善，技术上也比较成熟和先进，但是在使用中却出现了一些问题，如体积大、能耗大、湿帘降温较差；从经济效益上看，因为设备投资大，运行费用高，产值较低，普遍亏损等，所以并末得到普及。

实践证明，如果既要符合我国自己的气候特点，又可降低投资费用，根本出路在于吸收国外温室设施的有益经验和技术，建设我国自己的温室产业，设计生产符合我国经济水平和各种气候特点的温室系列［8］。

从80 年代开始，我国的农业工程科技人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和CO2等单项环境因子控制技术的研究，并逐步推出适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件需要的温室产品。

20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并采用Visual Basic开发了基于windows操作系统的控制软件。

90 年代中后期，江苏理工大学毛罕平等研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、CO2,施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。

在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学，中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施计算机控制与管理技术，“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金委，均首次增设了工厂化农业（设施农业）研究项目，并且在项目中加大了计一算机应用研究的力度。

90年代末河北职业技术师范学院的目忠文研制了蔬菜大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。

吉林工业大学于海业、马成林等人（1999）研制的温室环境（温度、湿度）自动检测系统是以一台IBM/PC 及其兼容机作为主控机，模/数转换采用插入式数据采集板卡来实现的。

还有许多高等院校、科研所都在进行温室控制系统的相关研究，并且许多单位都己建起或将要建起温室控制系统的总体框架，并形成了一些控制理论，如王宇欣的《高寒地区充气膜温室局部环境调控分析》等[9]。

可以看出我国温室设施计算机应用与研究，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

这些无疑对我国的温室发展起了积极的作用，但是与国外先进水平相比仍有一定的差距。

2 系统组成2.1 系统总体结构目前国内外研究开发的温室控制系统，大致可分为以下三种：1）单独式多单元温室系统。

这种控制系统主要利用专门的温室气候控制计算机来检测多个传感器的输入信号及输出控制信号，这种控制计算机的外形与PC 机相似，所有的传感器和继电器由电缆与它直接相连，通过显示屏以画面的形式生动地显示温室运行情衫之，并可以存储、打印、统计分析、曲线说明等。

但这种控制系统的价格比较昂贵。

2）单片机控制一个温室单元系统。

这是随单片机的发展而出现的，现已经广泛应用于国内外许多温室中。

它充分利用了单片机的数据传输方便快捷、接口通道配置灵活、性能稳定可靠、价格低廉等优点。

但这种控制结构由于单片机存储容量小，不能保存大盘的数据，不利于分析，且人力消耗大。

3）分布式多单元系统。

该系统主要针对由多个温室构成的温室群地区而提出的，它将PC 机与前面两种系统的优点融为一体，每个温室由前沿机（气候控制计算机或单片机控制系统）进行分散控制。

主控室中的PC 机对温室群集中管理。

这种系统在提高工作效率、安全、舒适性方面有着不可比拟的优越性，是现代温室监控系统的典型模式。

单片机结构简单、物美价廉、设计与使用方便、抗干扰性及适应环境的能力强。

因而常被用作自动化系统的前端处理器（下位机），深入到现场，采集各种数据及信息，进行简单的处理后送至上位机。

同时它也是一种控制器，接收上位机下达的命令，对现场实行有关的控制。

微机功能强大、人机界面友好，能处理很复杂的问题。

在自动化系统中，通常用作中央处理器（上位机），接收来自下位机的信息和数据，经处理后在微机界面上显示，并向下位机下达命令，通过下位机对现场实施控制[10]。

本课题兼顾单片机和微机的特点，采用分布式监控系统。

系统总体结构如图 2.1 所示。

图2.1系统结构图本系统由许多分布在各温室中的控制器 （下位机）和主控计算机（上位机）组成，每个控制器连接到主控计算机上，处理各种传感器所采集的数据并对控制驱动器进行实时 控制：主控计算机存储、显示控制器传送来的数据，并可以向每个控制器发送控制设定 值和其它控制参数，对温室进行监测与控制。