智能温室大棚建设方案探讨

闫政

（山西林业职业技术学院，山西 太原030009）

1 引言

温室大棚是北方寒冷地区农业生产的重要组成部分，随着温室大棚的普及，其数量不断增多。笔者在考察了现有的一些温室大棚后，发现目前温室大棚存在一些问题：一是监测和管理还都处在人工阶段，这样的做法虽然施工简单，所用材料成本低廉，但过多的人工操作和管理同样也增加了管理成本，并且不能准确掌握作物的生长情况和采取有效的生产措施；二是一些采取了智能控制的温室大棚，智能化程序不高，只对部分生长因子进行了监控，如温度、湿度等，没能全面监控生长环境，也不能实现自动化控制；三是缺少软件支持，不能对所得到的生长数据和环境数据进行分析，无法及时做出相应控制。针对目前的应用，笔者认为，对温室大概设计出一种集成化方案，来满足温室大棚的智能化建设十分必要。

针对智能化温室大棚应用的要求和目前温室大棚的发展情况，本文在分析温室大棚需求后，对温室大棚的系统进行了集成方案的设计，实时采集温室内的土壤和空气温度、土壤和空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数，以直观的数据、图标或曲线方式显示给用户，并可以根据种植作物的需求提供各种声光报警信息。

2 系统总体设计方案

智能化建设是利用自动化技术对温室大棚实现实时采集温室内的土壤和空气温度、土壤和空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数，以直观的数据、图标或曲线方式显示给用户，并可以根据种植作物的需求提供各种声光报警信息。

2.1 系统组成

本系统从功能上分为信号采集系统、控制执行系统和信息处理系统，硬件主要由上位机和下位机组成。上位机是一台PC机，主要功能是保存和处理下位传回的数据并进行分析，对下位机做出设置和控制；实现系统监测，完成数据管理和历史数据统计。下位机是单片机或专用的温室大棚控制器，它通过RS485接口与上位机通信，把各种传感器采集的数据（如湿度、温度、光照强度、CO2浓度等）转换成数字信号传给上位机，并根据上位机下传的数据和预先设定的参数，对各种执行系统进行控制，确定各执行系统的运行状态，实现对温室的智能化调控。系统构成图见图1、图2。

图1 系统总体示意图

图2 信息采集系统和控制执行系统组成示意图

2.2 各组成部分功能

2.2.1 信息处理系统

信息处理是整个建设方案的核心部分。下位机通过网线将数据传到上位机，上位机系统选用个人计算机，主要对上位机递来的数据进行处理和系统控制，实时显示及修改各种控制数据、曲线，记录各种采集数据。由于采集回的数据大都是一种多输入、多输出、大滞后的非线性控制变量，所以还需要设计动态、实时、有效、可靠的人机接口的可视化界面。上位机根据温室环境参数的设置以及预先制定的控制策略发出控制数据，通过下位机向控制系统发出各种相应的控制信号，调节温室大棚内的环境因子。

信息处理系统主要由数据综合管理系统组成，其主要功能有两部分，一部分功能是用于与下位机的通讯、设置温室环境参数，并把采集的数据存于管理数据库中，实现数据的存储、查询、统计、打印，以备决策系统调用；另一部分为决策系统，功能是根据知识库和采集的数据及时为用户提供各种作物生长所需要的最佳气候参数，并能自动生成最佳控制方案。

数据库中保存各种传感器的数据、操作记录、控制记录等，知识库中存放栽培作物的植物属性、日照要求、温湿度要求、CO2和氧气浓度要求等最佳气候参数。

该综合管理系统还应具有不同作物的生长方案，只需提前选择好方案，整个系统就会根据预先设定的参数进行室内调节。在作物的整个生长过程中还应把各传感器传来的数据进行定时保存，并按要求打印，便于以后观察和分析，由此形成一个专家系统。

2.2.2 信号采集系统

该部分主要是各种传感器组成，包括空气温度湿度传感器、土壤温度湿度传感器、二氧化碳传感器、氧浓度传感器、光照强度传感器；由于温室大棚一般面积都比较大，这些传感器在安装时必须考虑到分布问题，在大棚的阳面和阴面都要适当设置传感器，并根据大棚的长度以10～20m距离为单位设置传感器。在选择传感器时要选择抗干扰能力好、传输距离远的传感器。

2.2.3 控制执行系统

该子系统包含内容较多，控制也最复杂，各执行部件把下位机传来的控制信号执行后，还须把执行后的状态反馈给下位机，下位机再把这些状态暂存于自己的缓存中，同时上传到上位机，以保证各执行部件能按事先制定的策略完成任务。

2.3 主要设备选型

本方案采用了集成化的大棚控制器，这种集成化的控制已经成为了现代温室大棚的主要控制设备。如北京瑞阳恒兴科技有限公司的大棚专用控制器作为下位机，它的控制器可以采集6路温度和4路模拟量输入，可连接O2和CO2的变送器以及光照传感器、湿度传感器，采用4路数字量输入和7路继电器输出，具备数据采集和远传功能。可采集的数据包括：棚内温度、通风口温度、棚内空气湿度、棚内光照度、棚内氧气含量和棚内CO2含量等。还具备控制功能，可以通过预先设置好的程序来完成逻辑控制；具备数字输入和数字输出。该控制器具备丰富的通讯端口，组网的方式是采用工业以太网，特点是数据传输的速度快，稳定可靠。

其他信号选用PT100温度传感器、Am2303湿度传感器、BH17光照传感器，对于CO2浓度和氧浓度的检测，设计中采用氧气变送器和二氧化碳传感器，便于与大棚控制器的对接。

3 智能化温室大棚设计分析

影响作物生长的因素很多，要根据温室大棚内环境的变化及时作出控制，来调整温室大棚内生长因子，达到作物最佳生长状态。

3.1 保证数据采集的可靠性

温室大棚内环境复杂，特别是温度高、湿度大，对采集设备抗干扰能力要求较高，而且在信号传输时也要保证信号不失真。这样必须要采用抗干扰能力强、传输距离远的设备，从信号处理、电路设计、器件选择及电磁兼容等诸多方面来考虑，将噪声干扰降至最低，提高整个系统性能。

3.2 适当的植物生长模型

温室大棚内的作物会根据市场的需求来确定种类，每种作物都有自己不同的生长习性，这要求本系统要有不同作物的生长模型。这些模型可以从已有的研究成果中得到，把这样的数据直接输入到信息处理系统中，也可以利用信息处理系统中的记录存储功能，把以往的数据建立起该种作物的生长模型，最终实现根据作物最优控制温室大棚。

3.3 建立专家系统和合适智能控制策略

本系统设计中，最复杂、最难的部分就是智能控制。由于数据采集的数据大都是非线性信号变量，而且这些多输入、多输出的控制信号还有大滞后的特点，但对各种执行系统的控制却要动态、实时、有效；而且整个系统不仅要有及时的信号数据采集系统和控制系统，更要有智能化的控制策略。实际应用中，常规的控制方法（如最优控制、PID）的控制效果都不是很理想，如果能把模糊控制、神经网络、专家系统等人工智能控制方法应用于该系统中，可以大大提高温室大棚环境控制的精度和水平。

4 结语

温室大棚环境自动监控系统是我国现代化设施农业的推广产品，本文通过对智能温室大棚控制系统有关关键技术的分析研究，设计了一种具有较高实用性和集成度高的温室智能控制系统，与传统智能温室相比具有集成度高、安装简单、操作方便、适配性强等特点，具有较好的应用前景，为未来智能化温室的高可靠性、高自动化奠定了基础。

［1］刘永华，王念春，陈恺亮.智能温室自动控制系统的研究与介绍［J］.计算机与信息技术，2008（8）：68～69.

［2］李 伟，段翠芳，滑伟娟.温室监控系统在国内外的发展现状与趋势［J］.中国果菜，2010（8）：171～172.

［3］田 祎，樊景博.智能温室测控系统的分析与设计［J］.商洛学院学报，2011，25（2）：216～219.

［4］杨 静，张 磊.农业温室控制系统的设计与实现［J］.广东农业科学，2011，38（4）：40～46.