温室环境在线控制方式应用分析

2015-12-07吴小伟武文娟

江苏农机化 2015年2期

吴小伟武文娟

我国对于温室环境参数系统控制技术的研究始于20世纪80年代，该技术主要用于温度、湿度等单因子环境控制。由于温室一次性投资大，同时对操作人员的技术素质要求较高，加上部分企业资金短缺，导致温室环境参数控制技术的发展受到了限制[1]。温室环境参数控制技术按控制方式可分为手动控制技术、自动化控制技术、智能化控制技术三个主要发展阶段。目前温室在线控制主要是采用分段式控制和人工设定相结合的方法。温室环境参数控制系统是在充分利用自然资源的基础上，通过改变作物生长的光照、湿度、温度等环境条件，达到提高经济效益、调节作物生长周期、增加作物产量、改善产品品质的目的。

1 单片机控制方式

目前，一般采用8位CPU 51单片机作为温室环境参数控制器主控制系统基础系列，从数据采集到逻辑算法控制都是由单片机完成，控制系统结构如图 1所示。汪小旵等人以PC机为上位机，以单片机为下位机，完成了温室在线监测系统，较好地实现了上下位机之间的数据交换和通讯传输。李志伟等人[2]利用8031单片机实现了对温室环境的动态平衡调控，建立了以温度为主要参量的温室环境调控模式。齐文新等人[3]采用人工智能技术的农业温室环境专家系统和多任务操作系统对温室环境进行实时监测和智能化决策，研制了分布式、智能化温室环境群测控系统，解决了温室环境控制单一性缺点。王成等人[4]以单片机为核心，研发设计了温室环境综合信息采集器，设计了基于模糊控制技术的温室环境控制系统，实现了对温度、湿度、pH值、光照强度、EC值、CO2浓度等主要温室环境信息的实时数据处理。

图1 单片机温室环境控制系统结构

2 网络技术控制方式

随着无线通讯技术的快速发展，遥感与地理信息技术系统（GIS）也被广泛地应用于温室作物长势、产量、病虫灾害等方面的监测，尤其是从单点对多点的个人局域网到长距离的网络通信技术的快速发展，管理者可以通过远程温室环境参数信息采集与监控技术，将分散的温室设施集中连片成统一的有机整体，实现信息及时互通，达到集中统一控制的目的。苏晓峰等人开发出了一套远程温室环境参数控制体系，构建了互联网动态温室环境监控系统，用户只要通过浏览器就能够访问和控制分布在互联网上的远程温室。习智华等人设计了一种带有多种数据接口且具有无线传输功能的主监控系统。该系统实现了无线网络数据的自动汇聚，解决了温室单区域与跨区域两种工作模式切换问题。未来如何实现快速、有效地采集和更新环境变量信息，将成为实现精准温室农业的重要基础。

3 PLC控制方式

基于PLC的温室环境控制系统一般由上位机、PLC控制器、数据采集器和执行单元组成，控制系统结构如图 2所示。PLC控制系统主要用于实时监测温室环境参数的变化情况，并根据作物生长要求对环境参数进行动态匹配调整，完成与上位机的数据通信。一般情况下，大量使用PLC作为控制器会导致温室的建设成本提高，因此PLC控制器广泛用于温室环境控制还受到一定的限制。谢向花等人[5]通过将PLC控制技术、组态监控技术、变频技术和传感器技术组合运用，研发设计了一套可应用于温室环境参数控制的检测监控系统。该监控系统可实现对采集到的参数与设定的控制参数进行比较，从而实现温室环境参数的自动控制。唐立伟等人[6]提出采用PLC控制与单片机通讯相结合的方法实现数据采集功能。与普遍采用的上位PC机与下位PLC采集数据的方式相比，该系统在投入成本和控制形式上有了显著改善，控制方式显得更加简单。呼天星[7]通过智能现场总线控制技术实现了多个温室环境参数的网络化控制和多个连栋温室的集群控制，提升了控制系统的控制效率和经济效益。

图2 PLC控制系统结构

4 总线控制方式

近年来，我国科技人员在吸收国外先进温室环境参数生产控制技术的基础上，对温室内部环境参数控制技术进行了综合研究。例如，采用RS485现场总线与远端的气象站连接通信，以获得温室现场内外温度、湿度及室内外光照强度、降雨量、风力速度、风向等环境参数；同时，总线控制方式还可以与其它控制器或上位机进行快速的数据通讯，形成大型综合式温室环境参数自控系统。如董乔雪等人[8]采用485通信网络技术和逐级验证的通信算法进行数据传输，研发设计了由一台PC主机与多个微电脑控制装置组成的主从式分布结构温室环境参数控制器，通过实时检测温室环境参数的变化，对比历史温室参数值和报警值来调整控制温室环境参数，实现了对同一地区多个温室环境参数的集群控制。由于CAN总线控制技术在性价比、可靠性、通信速率等方面具有诸多优点，CAN总线技术已在工业控制中得到了广泛应用，但到目前为止，CAN总线技术在温室环境参数控制中的应用还比较少见。由于温室是一个复杂的环境系统，要完成复杂的温室环境参数集中控制具有一定的难度，而CAN总线的出现恰好解决了这个问题。董健康等人[9]研发设计了基于CAN总线的温室智能控制系统，该系统采用单片机技术开发了CAN总线智能节点，带有232和485接口，另外节点还带有模数转换器ADC0832，可以直接输入模拟量。杜辉等人[10]在单栋温室环境参数控制中将蓝牙技术成功应用于连接各种检测装置、执行机构和逻辑控制器件，各个温室棚之间通过CAN总线相连，构成了一种分布式温室环境参数监控系统，实现了对温室环境参数的自动检测和监控管理，提升了系统的监控效率。汪永斌等人[11]采用温室环境参数集群控制算法研制开发了一套全数字温湿度自动控制系统。该控制系统可在100天时间内，以小时为单位，设定温湿度值并记录参数，当技术人员发现温室病虫害等问题时，可以查询历史数据，对某些病虫害起到了防范作用。

5 结束语

随着计算机传感技术、自动化控制技术等新技术的不断快速发展，温室环境参数控制系统也由前期的以数据采集处理和监测为主的简单控制，逐步向以知识处理和智能应用为主的温室环境参数专家控制系统转变；同时，信号传输方式也逐步由有线向无线传输方式转变，传输速度也由慢速向快速转变，为实现温室环境实时动态监控提供了技术可能。因此，温室环境参数的自动化监控是实现现代温室的发展方向，也是实现多个温室大棚环境同时管理的有效措施。因其在省工节本、操作使用等方面具有显著的优点，未来市场应用前景广阔。