智能温室监控系统设计

《工业控制计算机》２００９年２２卷第４期
本文针对某花卉大棚的控制要求，采用ＡＤＡＭ－５０００数据采集模块配合上位机完成了整个监控系统的设计工作。

目前此套系统在现场运行稳定，功能良好。

１温室系统组成
温室系统主要包括自动测控系统、喷淋系统、通风系统、遮阳系统及供暖系统五部分。

自动测控系统是温室的控制中心，通过数据采集模块收集温室内的环境参数并将检测结果实时显示在计算机屏幕上，同时对各参数进行实时控制、调节，以满足作物生长需要；喷淋系
统的主要作用是确保室内作物生长所需的水分，当温室内温度偏高时，通过喷淋系统还可适当降低室内温度；通风系统可降低室内温度，又可起到排除湿气和补充二氧化碳的作用。

遮阳系统用来保证室内光照强度；供暖系统主要是保证作物生长在最适合的温度环境下。

大棚内温度主要通过电加热器和日照进行升温，如果温度过高，通过通风和喷淋系统进行降温处理。

２控制系统设计
２．１硬件设计
温室大棚的占地面积、位置、组成形式和控制方式有可能经常改变，安装于大棚内的各种传感器（温度、湿度等）及执行机构的数量、位置也会有相应的改变。

这要求控制系统必须要有很强的伸缩性，包括输入／输出通道的数量，模块的安装位置等。

文献［１］论述了采用无线方式进行检测控制，该文也提到了无线方式的较难解决的问题，如时钟同步、电机等电器设备的强干扰以及功耗等问题。

考虑到实际温室系统中，无论是喷淋装置、加热器还是卷帘机都需要布线供电，如果采用无线方式，还需要为这些设备设计无线接口模块，不仅增加了成本，也只是实现了部分无线监控，在中小温室系统中没有太大的必要。

基于以上原因，本系统采用了如下的配置方案：数据的采集和控制使用研华公司的ＡＤＡＭ－５０００系列智能模块；上位机采用研华工控机ＩＰＣ６１０，使用ＭＣＧＳ组态软件编制监控程序，具体的硬件配置结构如图１所示。

本系统中考虑的环境因子有４个：温度、湿度、光照和ＣＯ２浓度。

温度传感器使用的是ＰＴ１００热电阻，湿度传感器使用的是ＨＩＨ３６０５，ＣＯ２浓度传感器是ＧＭＷ２１变送器，光照传感器是ＲＬ－ＺＤ０１照度变送器，具体参数可查阅相关手册，选择的主要依据是精度、稳定性、输出信号、工作环境和供电电压。

２．２软件设计
系统的软件包括三部分，①现场数据的采集和控制程序；②模糊控制器设计；③上位机的监控画面。

２．２．１数据采集模块软件设计
ＡＤＡＭ５５１０Ｍ的软件开发语言环境采用ＴｕｒｂｏＣ＋＋３．０，随硬件提供的５５１０ｄｒｖ．ｈ头文件有很多对５０００系列模块进行操作的库函数供用户使用，方便了用户。

系统提供的ＡＤＡＭ５５１０ＳｅｒｉｅｓＵｔｉｌｉｔｙ软件可对ＡＤＡＭ－５０００系列模块设置参数以及程序的下载、上传等操作。

数据采集程序中，先进行各模块的初始化操作，接收上位机送来的参数，然后依次采集各传感器的数值，调用控制程序，最后输出控制信息，以下给出部分示例程序。

＃ｉｎｃｌｕｄｅ″．．＼ｌｉｂ＼５５１０ｄｒｖ．ｈ″
Ｖｏｉｄｍａｉｎ()
邀／／定义模块通道及相关变量
ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＩＯＭｏｄｕｌｅＮａｍｅ,Ｓｌｏｔ５０５０＝８,Ｓｌｏｔ５０１７＝８,Ｓｌｏｔ５０１３＝８;ｉｎｔｔｅｍｐ,ｈｕｍ,ｃｏｎ,ｉｎｔ,ｃｈ;
ｆｌｏａｔｆｔｅｍｐｆｈｕｍｆｃｏｎｆｉｎｔ;
ｉｎｔｓｌｏｔ,ＡＯＨ,ＡＯＬ＝０;．．．．．．
ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜４;ｉ＋＋)／／检测各智能模块邀ＩＯＭｏｄｕｌｅＮａｍｅ＝Ｇｅｔ＿ＢｏａｒｄＩＤ(ｉ);
ｉｆ(ＩＯＭｏｄｕｌｅＮａｍｅ＝＝ＡＤＡＭ５０１３＿ＩＤ)Ｓｌｏｔ５０１３＝ｉ;
智能温室监控系统设计
ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍｉｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅ陈爽王军周贤娟（江西理工大学机电工程学院，江西赣州３４１０００）
摘要
针对某花卉大棚的控制要求，介绍了基于ＡＤＡＭ－５０００模块的温室监控系统。

现场数据的采集和控制使用ＡＤＡＭ－
５０００系列智能模块，上位机采用研华工控机ＩＰＣ６１０，使用ＭＣＧＳ组态软件编制监控程序。

由于温室环境是一个非线性、
大滞后、耦合的动态模型，很难建立数学模型。

采用模糊控制技术以满足温室环境参数的控制要求；为适应不同作物的生长
需求，系统提供了作物参数的专家数据库。

关键词：温室，ＡＤＡＭ－５０００，模糊控制，ＭＣＧＳ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｏｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｆｌｏｗｅｒｓｈｅｄ,ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆ
ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｂａｓｅｄｏｎＡＤＡＭ－５０００ｍｏｄｕｌｅｓ．ＡＤＡＭ－５０００ｓｅｒｉｅｓｍｏｄｕｌｅｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｇａｔｈｅｒａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｆｉｅｌｄｄａｔａ．Ｔｈｅｕｐ-
ｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓＩＰＣ６１０,ｏｎｗｈｉｃｈＭＣＧＳｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｗｏｒｋｅｄｔｏｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｆｅａｔｕｒｅｓ
ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ,ｌｏｎｇｔｉｍｅｌａｇａｎｄｓｔｒｏｎｇｃｏｕｐｌｉｎｇ,ｓｏｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｂｕｉｌｄａｐｒｅｃｉｓｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓｆｕｚｚｙ
ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｄｅｍａｎｄｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｐｓ,ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｘｐｅｒｔ
ｄａｔａｂａｓｅｓｙｓｔｅｍｔｏａｄａｐｔｅａｃｈｎｅｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ,ＡＤＡＭ－５０００,ｆｕｚｚｙ
ｃｏｎｔｒｏｌ,ＭＣＧＳ
图１系统配置图
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智能温室监控系统设计
ｉｆ(ＩＯＭｏｄｕｌｅＮａｍｅ＝＝ＡＤＡＭ５０１７＿ＩＤ)Ｓｌｏｔ５０１７＝ｉ;ｉｆ(ＩＯＭｏｄｕｌｅＮａｍｅ＝＝ＡＤＡＭ５０５０＿ＩＤ)Ｓｌｏｔ５０５０＝ｉ;妖ｉｆ(Ｓｌｏｔ５０５０＝＝８)
邀ｐｒｉｎｔｆ(″ＮｏｎｅＡＤＡＭ５０５０ｉｓａｖａｉｌａｂｌｅｏｎｔｈｅＡＤＡＭ５５１１″);ｅｘｉｔ(１);妖ｅｌｓｅ邀ｐｒｉｎｔｆ(″Ｓｌｏｔ５０５０＝％ｄ＼ｎＳｌｏｔ５０１７＝％ｄ＼ｎＳｌｏｔ５０１３＝％ｄ＼ｎ″,Ｓｌｏｔ５０５０,Ｓｌｏｔ５０１７,Ｓｌｏｔ５０１３);妖
Ｉｎｉｔ５０１３(Ｓｌｏｔ５０１３);／／初始化模块Ｉｎｉｔ５０１７１８(Ｓｌｏｔ５０１７);ｗｈｉｌｅ(１)邀ｗｈｉｌｅ(ＡｉＵｐｄａｔｅ(Ｓｌｏｔ５０１３,＆ｃｈ)选＝０);
ｉｆ(ｃｈ＝＝０)／／检验模块是否正常邀Ｇｅｔ５０１３(ｓｌｏｔ５０１３，ｃｈ,＆ｔｅｍｐ);／／采集温度
ｆｔｅｍｐ＝(ｆｌｏａｔ)ｔｅｍｐ／１０;
ｐｒｉｎｔｆ(″ｃｈ＝％ｄ,５０１３％．１ｆ＼ｎ″,ｃｈ,ｆｔｅｍｐ);．．．．．．
２．２．２模糊控制器设计
图２
模糊控制器结构框图
在温室环境内，温度、湿度、ＣＯ２浓度及光照度不但受控制的影响，而且它们之间还相互关联，系统是一个非线性、大滞后、耦合的动态模型。

为了减少控制的复杂性，主要考虑大干扰，强耦合参数的影响，将控制器分解为５个多输入、单输出的模糊控制器，其结构框图如图２所示，整个模糊控制器的输入量为４个环境参数设定值，输出量为加热器、风扇等六个控制设备开启时间，下文以温湿度度模糊控制为例，说明模糊控制器的实现方法。

（１）确定输入变量、模糊子集及隶属函数
在温度控制中，以温度测量值与设定值的差Ｅｔ作为输入变量，其变化范围为[－５，５]，模糊论域为邀－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，
３，４，５妖，量化因子为１。

描述Ｅｔ的模糊子集为：邀负大，负中，负小，零，正小，正中，正大妖，一般用英文字母缩写为邀ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ,ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ妖，其隶属函数采用三角形隶属函数，如图３所示。

对于湿度误差Ｅｈ，变化范围为[－１，１]，模糊论域为邀－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５妖，量化因子为５，模糊子集为邀ＮＢ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＢ妖，同理可确定光照度、ＣＯ２浓度的模糊子集、隶属函数。

（２）控制规则
模糊控制规则是控制系统的核心，控制规则的好坏决定了系统的控制性能。

本文首先在现场通过实验来确定各执行机构对温室参数的影响效果，然后依据专家经验采用ＩＦＡＡＮＤＢ
ＴＨＥＮＣ这样的控制规则，同时，要综合考虑调节措施之间的关
系，对于某些情况，需要采取屏蔽的方式进行控制，例如，在充
ＣＯ２时，就要屏蔽风扇。

由于本系统应用在北方，对于温度的控
制主要以升温为主，如果夏天温度过高，系统降温主要是通过风扇和喷淋装置进行，同时要启动卷帘遮光。

对于温度的控制，有如下规则：
ＩＦＥｔ＝ＮＢＴＨＥＮ卷帘开，加热器长开
ＩＦＥｔ＝ＮＭＡＮＤ卷帘开ＴＨＥＮ加热器中开ＩＦＥｔ＝ＮＳＡＮＤ卷帘关ＴＨＥＮ卷帘开
ＩＦＥｔ＝ＮＳＡＮＤ卷帘开ＴＨＥＮ加热器短开ＩＦＥｔ＝ＺＯＴＨＥＮ不动作
ＩＦＥｔ＝ＰＳＡＮＤ卷帘开ＴＨＥＮ卷帘关ＩＦＥｔ＝ＰＳＡＮＤ卷帘关ＴＨＥＮ风扇１开ＩＦＥｔ＝ＰＭＴＨＥＮ卷帘关，风扇全开．．．．．．
模糊控制既可以在下位机中实现，也可以在上位机中编程完成。

本系统在上位机软件ＭＣＧＳ中，添加一个“循环策略”，利用软件提供的脚本语言编制控制程序，每隔５ｍｉｎ进行一次模糊运算，模糊控制程序首先计算用户设定参数与现场采集数据的偏差，然后对各参数进行模糊化处理，利用模糊规则进行模糊推理，最后输出控制信息。

２．２．３上位机软件设计
上位机软件采用ＭＣＧＳ设计监控画面。

安装ＡＤＡＭ－５０００模块的驱动程序后，ＭＣＧＳ通过“ＡＤＡＭ５０００－４８５设置工具”能搜索４８５总线上的所有５０００系列的模块并设置各种模块的参数以及母板的系统参数。

由于“ＡＤＡＭ５０００－４８５设置工具”设
备构件属于子设备构件，所以要挂接在串行父设备下才能有效工作。

设置好参数后，需要将ＭＣＧＳ的数据对象与５０００模块通
道建立连接，建立好连接便完成ＭＣＧＳ的实时数据库与外部模块的同步，用户可以通过读写内部数据对象访问外部模块数据。

图４监控画面
上位机软件完成作物参数的设置以及温室环境参数的实时显示。

操作人员可以查看温室参数的实时曲线、历史曲线，报警信息，打印数据报表等。

温室大棚的监控画面如图４，监控画面显示温室当前参数值，并以指示灯指示各参数处于高、低或适中的状态。

画面中还显示了各外部设备当前状态，用户可以手动对这些设备进行操作。

为适应不同作物对环境参数的需求，在上位机软件中使用
ＭＣＧＳ提供的“配方”工具构建了一个专家数据库，对不同的作
物，提供合适的专家推荐参数，用户只需选择各作物即可“配方”组态。

对于系统中没有提供的作物，用户可以通过参数设置画面自行添加新的作物到用户数据库中。

３结束语
本文利用ＡＤＡＭ－５０００模块与组态软件设计了一个温室
监控系统，实现对温度、湿度、光照和ＣＯ２浓度这四个参数的监
控，系统具有如下特点：（下转第６页
）
图３
温度误差隶属度曲线
4。