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　　我國溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的的硬件研究

　　溫室技術(shù)可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫自然條件的制約,實現(xiàn)反季節(jié)生產(chǎn)。尤其是先進(jìn)的溫室工程技術(shù)手段和環(huán)境控制技術(shù),可以在一定程度上克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以解決的限制因素,促進(jìn)生產(chǎn)資源的集約高效利用,從而大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,使單位面積產(chǎn)出成倍甚至數(shù)十倍地增長。

　　近年來,計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的進(jìn)步,使溫室生產(chǎn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過溫室效應(yīng)的概念。目前,利用計算機(jī)不僅可以對溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子進(jìn)行模擬,還可以建立三維虛擬圖像,進(jìn)行溫室內(nèi)的虛擬生產(chǎn)。新型的全智能溫室甚至能擺脫自然環(huán)境的約束,人為創(chuàng)造適宜作物生長的最佳環(huán)境,生產(chǎn)出高品質(zhì)、高產(chǎn)量的產(chǎn)品。本文對溫室中的計算機(jī)模擬和控制技術(shù)作一綜述。

　　現(xiàn)代溫室常見的調(diào)控設(shè)備有:頂部及側(cè)面通風(fēng)窗、內(nèi)保溫幕、內(nèi)外遮陽網(wǎng)、濕簾-風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、CO2施肥裝置、加熱設(shè)備、噴霧系統(tǒng)、肥水灌溉系統(tǒng)等。為使這些控制機(jī)構(gòu)能夠協(xié)同工作,需要相配套的硬件控制設(shè)備。最早應(yīng)用在溫室控制上的硬件設(shè)備是溫度繼電器和定時器,通過設(shè)定一個動作溫度,溫度繼電器可以使單個設(shè)備在低于或高于這個溫度點時被啟動,因此常用于通風(fēng)窗或加熱器的控制。

　　由于其價格便宜,安裝、操作簡單,目前仍廣泛用于簡易溫室或大棚的控制中。

　　目前商業(yè)溫室的控制系統(tǒng)主要采用多處理器的分布式控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)由多個控制單元組成,每個控制單元有其單獨的處理器和傳感器,系統(tǒng)中不存在一個控制中心,主要由分布的各個子處理器完成數(shù)據(jù)采集、控制、監(jiān)視、報警、記錄、系統(tǒng)管理等功能。PC機(jī)作為主處理器,僅實現(xiàn)輔助功能,脫離主處理器,整個控制系統(tǒng)仍可工作。分布式控制方式具有價格低、控制靈活、可靠性高等優(yōu)點,因此它將在今后很長一個時期廣泛應(yīng)用于溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中。

　　我國很早就開展了溫室控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計和研究,這也說明溫室的硬件控制系統(tǒng)對于實現(xiàn)溫室可靠、有效控制是非常重要的。目前我國科研機(jī)構(gòu)研制的常用溫室控制器仍然以結(jié)構(gòu)通用、價格便宜的8位單片機(jī)為主,一般以MCS-51系列為基礎(chǔ),從數(shù)據(jù)采樣到算法控制都是由單片機(jī)完成。

　　如王慶祝等開發(fā)了一種基于雙主從結(jié)構(gòu)的溫室群測控系統(tǒng),該系統(tǒng)是一個集管理與測控為一體的集散測控系統(tǒng),軟硬件均采用模塊化設(shè)計,以W77E58單片機(jī)作為主從工作模式的核心,可實現(xiàn)溫室溫度、濕度、CO2濃度和土壤含水率4個主要參數(shù)的測控以及CO2濃度的報警。由于工業(yè)控制技術(shù)較為成熟、可靠性較高,將工業(yè)控制器應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)也是近年來研究的一個方向。如江蘇大學(xué)等單位研制的基于工業(yè)控制機(jī)的溫室控制系統(tǒng)是由工控機(jī)、各種傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的多輸入、多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC(可編程邏輯控制器)具有易于編程、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點,因此也被應(yīng)用于溫室控制的硬件設(shè)計中。溫室控制系統(tǒng)中的PLC主要用于動態(tài)、實時監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境因子的變化,根據(jù)作物生長的要求對參數(shù)進(jìn)行匹配,同時完成與上位機(jī)的通信。但是由于工業(yè)控制器價格較高,廣泛用于溫室控制系統(tǒng)還受到限制。

　　近年來我國科技工作者在吸收國外發(fā)達(dá)國家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,也進(jìn)行了溫室內(nèi)部溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子控制技術(shù)的綜合研究。這項研究的一個突出表現(xiàn),就是將研究重點從溫室的計算機(jī)控制核心硬件向溫室控制系統(tǒng)的信號傳遞方式轉(zhuǎn)變。越來越多的研究機(jī)構(gòu)都嘗試將新型的信號傳輸技術(shù)用于控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。例如將傳輸距離達(dá)12 m,傳輸速度達(dá)7618 kbps的RS485總線用于溫室環(huán)境分布式控制系統(tǒng)。采用RS485總線作現(xiàn)場總線,可與遠(yuǎn)端的氣象站通信,以獲得室內(nèi)外溫度、濕度及室外光照、降雨、風(fēng)速、風(fēng)向等參量,還可與其他控制器及上位機(jī)進(jìn)行通信,構(gòu)成更大范圍的溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)。21年,國家在十五科技攻關(guān)項目中啟動了溫室環(huán)境智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)課題,由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)與北京順義示范區(qū)合作采用RS485總線作現(xiàn)場總線的溫室控制系統(tǒng),經(jīng)運行和測試,達(dá)到了預(yù)期的效果,并已面向市場推廣。

　　由于CAN總線具有雙向傳輸和智能節(jié)點的特性,因此在溫室硬件控制系統(tǒng)中也被采用。例如采用單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的CAN智能節(jié)點,由主控制器、CAN控制器和CAN收發(fā)器組成。該節(jié)點開發(fā)成本低,抗干擾性強(qiáng),另外節(jié)點還帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可以直接輸入模擬量,進(jìn)一步方便系統(tǒng)擴(kuò)展。還有將PC機(jī)通過CAN接口適配卡與CAN總線相連的控制系統(tǒng),或用CAN總線與嵌入式技術(shù)實現(xiàn)對溫室環(huán)境溫度、濕度、光強(qiáng)度的智能解耦控制,以及采用CAN總線與RS485總線相結(jié)合的通信方式等。

　　近年來,隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展,尤其是從點對點傳輸?shù)募t外技術(shù),到短距離、點對多點個人局域網(wǎng)(如藍(lán)牙和ZigBee),以及長距離的GSM、GPRS和CDMA等,不同種類的技術(shù)隨著需求的不同而不斷發(fā)展完善,形成了巨大的市場潛力。如杜輝等在單棟溫室中將藍(lán)牙技術(shù)用于連接各種檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器,各個溫室之間采用CAN總線相連,構(gòu)成一種分布式溫室群的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的自動檢測和控制管理。孫忠富等提出一種基于GPRS和WEB技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)布系統(tǒng)方案,通過RS485總線與數(shù)字傳感器連接,并與PC監(jiān)控計算機(jī)構(gòu)成溫室現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)。刁智華等以具有ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸功能的JN5121模塊為核心,以ARM9為核心擴(kuò)展多種資源接口作為監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)硬件,通過對前端無線節(jié)點的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮,完成對環(huán)境信息的采集分析和對設(shè)備的綜合控制。沈敏、張榮標(biāo)等通過對傳感器(控制)節(jié)點和移動式匯聚節(jié)點短距離動態(tài)組網(wǎng)形成自組織星型網(wǎng)絡(luò),以降低傳感器(控制)節(jié)點能耗,延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

　　黃曉鵬等針對北方沼氣加熱溫室的特點,設(shè)計了一種基于DSP與藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)的分布式溫室監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力都得到了較大的提高。這些無線監(jiān)測與控制系統(tǒng)針對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控過程中信息監(jiān)測點和設(shè)備控制點分散的情況,設(shè)計通用性較強(qiáng),這類系統(tǒng)的應(yīng)用為溫室現(xiàn)場布線以及后期維護(hù)提供了很大的方便。近年來,隨著便攜式設(shè)備的價格下降,基于PDA和Zigbee的小型、模塊化、無線手持式溫室環(huán)境測控系統(tǒng)也正在開發(fā),如張潛等研制的溫室測控系統(tǒng),由基于S3C241微處理器的掌上型專用控制器、基于PIC系列的MCU和Zigbee無線傳輸模塊的集成化無線變送器以及經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)控制策略構(gòu)成,系統(tǒng)的成本降低,適用性得到進(jìn)一步提高。

　　文章整理來源：溫室自動控制 (托普物聯(lián)網(wǎng))