温室控制系统及控制方法的研究

李建军+李延国+何禹+李敏+由莉莉+赵雅君+黄雷+刘柱+欧志鹏+张航

摘 要：温室控制系统根据温室作物生长的种类自适应控制温室。包括温室环境控制信息分控系统和温室控制装置。温室环境控制信息系统包括：温室内作物生长信息接收装置及安装在温室内的传感器信息和执行机构的信息；根据温室内作物生长的类型，有效地监控温室内部植物生长环境信息和控制整个温室的控制系统。

关键词：温室；控制系统；数据；信息接收；传感器

中图分类号：S625 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20161032021

引言

温室环境控制信息系统的分控装置包括：信息接收系统，通过温室中安装的信息传感器和信息采集器接收温室中作物生长状况的信息；筛选装置，从传感器接收注册表和采集器的接收注册表中，分别搜索到某一个对应的传感器和采集器的信息，确定选择某个传感器和控制器的接收；定位装置，它可以从众多传感器中选定一个，并从众多采集器选择一个和它匹配；分控装置，用于从数据库中提取作物生长环境信息，定位信息，并将信息分发到温室的控制设备中。使用本方法，可以根据温室里种植的作物不同种类，适当地控制作物生长，而使用的却是同一系统。

通常情况下，大部分日光温室栽培的作物受温度、相对湿度、阳光、供水、二氧化碳等因素影响，它们决定作物生长的速度、产量、质量以及作物的口感。因此，维持温度、相对湿度、光照等一直是农户或经营者最关注的问题。

现在，农户操作设备来保证温室正常生产，通常只能靠他们的经验，在这种情况下，为了增加农作物的产量，农户应该准确地控制、监视和管理温室，这些繁琐的工作就成了农户的一个繁重劳动。

1 主要研究内容

1.1 控制系统概述

一般情况下温室控制可以通过自动操作来解决这些问题。然而，温室有各种类型的，如玻璃温室、塑料温室、日光温室等，要完成自动控制就出现了许多种传感监测和对应于各种传感器使用的各种执行器。在条件不同的情况下，作物的生长却使用一套单一的温室系统，基于这种情况只能对温室作物的生长条件进行预先设定信息，包括温度、相对湿度、光照强度等，试图优化农作物的生长。但是，这样做却很难有效地控制作物的生长环境，反过来可能还会影响作物的产量。此外，预先设定的温室控制软件程序，如果根据温室作物的生长条件重新生成时，却会产生较大的成本。

为了解决上述有关问题，本研究的第一个研究对象就是根据温室里生长的作物种类，提供适合的控制系统。第二个研究对象是，根据作物的不同种类，提供不同种类的温室环境控制信息的方法。

根据本研究的目标，实现第一个研究对象，需要研究一套温室控制系统，它包括温室环境控制信息分控系统与温室控制装置。其中温室环境控制信息分控系统包括：信息接收系统，用于接收温室里生长的作物信息，传感器和信息控制器被安装在温室中；选择系统，用于选择传感器及控制器的信息接收，从传感器和控制器分别接收对应的传感器信息和控制器的信息；定位系统，定位某一个传感器，用于对控制器选定的传感器提供接收；作物生长环境信息的提取系统，作物信息来源于定位信息数据库和从分控装置中提取的温室环境信息。

实现本研究的第二个研究对象，需要研究一套方法，它能够分控温室环境信息。该方法包括：通过安装在温室里的信息传感器和信息控制器，接收生长在温室里的作物的信息；选择传感器接收，从传感器接收对应的传感器信息；选择执行器接收，从控制器接收对应的控制器信息；定位某个传感器，用于给某个控制器选定的某个传感器进行控制信息接收；生长环境信息是来源于作物定位信息数据库和分控系统提取的信息。

1.2 附图说明

1.3 设计方案及控制方法详细描述

图1所示为温室控制系统的结构示意图，其中温室环境控制装置9通过温室环境控制信息分控系统1接收信息。

根据图1所示，温室控制系统包括温室环境控制信息分控系统1和温室控制装置9。温室环境控制信息分控系统1包括信息接收系统2、选择系统3、定位系统6、分控系统7和数据库8。选择系统3包括第一选择系统4和第二个选择系统5。

根据本研究设计的方案，温室环境控制信息分控系统1和温室环境控制系统9通过有线或无线双向通信的通信网络进行相互沟通。无线通信的方案可以包括蓝牙，无线局域网（Zigbee），红外数据系统（IrDa）和无线电频率识别系统（RFID）等。

接收系统2从用户安装在温室里的传感器和采集器对应的传感器信息中接收到温室里的农作物的生长信息。

表2中：1、空气加热；2、根区供热；3、冷却器；4、风扇；5、天窗的窗口；6、侧墙窗；7、风扇；8、内部天花板；9、内侧壁；10、黑色窗口；11、屋顶；12、总管道；13、自动喷灌装置。

如表1所示，接收系统2接收到安装在温室中的采集器对应的传感器信息，包括：温度控制器、光控制器、相对湿度控制器等；还有安装在温室内的温度传感器、光传感器、相对湿度传感器、CO2传感器等传感器信息；还可以从用户端接收信息。

研究方案中的信息采集器包括：与天气有关的信息采集系统，如风向、风速、雪压、雨量测量传感器等；与土壤相关的传感器，如电导率EC控制器、pH值传感器、无机成分控制器等信息；还有与周围和空气有关的采集系统，如温度传感器，相对湿度传感器、光感传感器，CO2传感器等。

第一选择系统4，从传感器接收注册表中选择传感器对应信息接收装置2的传感器信息。传感器接收注册表包括温度测量传感器、相对湿度测量传感器、光测量传感器，CO2测量传感器、风向方位测量传感器、风速测量传感器、EC测量传感器、pH值测量传感器和无机成分测量传感器。第一选择系统4选择传感器的温度控制信息、相对湿度控制信息和CO2控制信息，对应收到信息接收装置2，即温度传感器、相对湿度传感器和CO2传感器，对比传感器接收注册表数据库中的设定信息，对分控系统7发出相应的控制指令，调整作物生长的温室环境。

第二个选择系统5选择从采集器接收注册表中采集的信息数据，对应信息接收装置2的接收数据。采集器注册表可能包括温度控制数据、相对湿度控制数据、灯光控制数据、CO2控制数据、EC控制数据、pH值控制数据和无机成分控制数据。第二个选择系统5选择从采集器接收注册表数据的采集信息，如：温度控制数据、相对湿度控制数据和CO2控制数据，对应信息接收系统2的数据。

定位系统6定位传感器，对应第一选择系统4，采集器选择第二选择系统5的采集器接收信息。定位系统6选择了温室环境控制系统9中的第一选择系统4，即CO2测量传感器，提供CO2预定测量浓度和CO2传感器测量浓度控制下的传感器信息数据。如果它确定CO2在温室中的实测浓度是低于预定浓度，定位系统6对应的第一选择系统4，将会选定对应传感器的CO2控制器，第二选择系统5提供采集器接收信息，通过分控系统7从数据库8中提取作物生长环境信息，定位传感器和采集器接收温室环境信息分控系统2的信息并提取，分发到温室环境控制系统9中，控制系统根据注册表提供的作物生长CO2浓度设定信息，对CO2控制器发出动作指令。根据表2，分控系统7从数据库8中提取作物生长环境信息，信息来源于信息接收系统2从定位传感器和采集器接收的信息，即温度传感器对应温度控制采集器的信息，相对湿度传感器对应的相对湿度控制采集器，光强度采集器对应光传感器和CO2传感器对应的CO2控制采集器和分控系统，最终供温室环境控制系统9提取这些信息。

温室环境控制系统9接收环境控制信息，通过温室环境信息分控系统1，确定和分控在温室中生长作物。此外，温室环境控制系统9，根据从温室环境分控制系统1收到的信息，分控温室环境。温室控制装置9确定温室环境控制信息分控系统1，是否合理地分控作物的生长环境信息，还要确定安装在温室里的测量传感器。如果该系统收到不认可的温室环境信息，温室环境控制系统9会驱动控制器根据注册表设定值进行相应的传感器定位和控制器调整。

图2是温室环境控制系统流程图，显示的是温室环境控制信息的方法。

参考图2，温室环境控制信息分控系统1接收温室里作物生长的信息、安装传感器信息以及安装在温室中的采集器和传感器对应的信息。根据本研究的实施案例中，传感器信息可能包括与天气有关的传感器，如风向传感器、风速传感器、雪传感器、雨量传感器等信息；与土壤相关的传感器，如电导率（EC）传感器、pH值传感器、无机成分传感器等；与空气有关的传感器，如温度传感器，相对湿度传感器、光传感器、CO2浓度传感器等。

采集器信息包括与天气有关的信息执行器，如风向控制器、风速控制器、积雪控制器、雨量控制器等，还有和周围的空气有关的执行器接收，如温度、相对湿度控制接收、灯光控制接收，CO2控制接收信息等与土壤相关的执行器，如EC控制器、pH值控制器、无机成分控制器等信息。

温室环境控制信息分控装置1定位到一个为采集器接收信息的传感器，比较了在温室控制装置9的控制下选择的传感器接收数据，也就是说，在温室中负责测量CO2浓度的传感器提供的CO2测量数据，与注册表中预定的CO2浓度数据相比较，如果确定所测量的温室中CO2浓度低于预定浓度，温室环境控制信息分控装置1如图对应于选定的控制器接收装置，从而驱动CO2控制器为温室作物补充CO2。

2 控制系统特点

温室控制系统包括温室环境控制信息的分控装置和温室控制装置2部分。所述的温室环境控制信息的分控装置包括：信息接收系统，通过温室中安装的信息传感器和信息采集器接收温室中作物生长状况的信息；筛选装置，从传感器接收注册表和采集器的接收注册表中，分别搜索到某一个对应的传感器和采集器的信息，确定选择某个传感器和控制器；定位装置，它可以从众多传感器中选定一个，并从众多采集器选择一个和它匹配；分控装置，用于从数据库中提取作物生长环境信息，定位信息，并将信息分发到温室的控制设备中。

温室控制设备可以通过分控装置收到温室的环境信息，还可以通过传感器测定，比较作物生长的环境信息，以确定作物生长环境信息与温室环境信息是否相符。

确定生长环境信息不符合温室环境信息，温室控制装置即会检测到不一致的环境信息所对应的传感器。

系统的温室控制装置驱动一个控制器来定位探测传感器。

系统的数据库可以存储生长在温室里的多种作物的生长环境信息。

3 结论

3.1 温室生长环境控制系统可以把收到的植物生长环境信息和温室环境信息进行比较

还可以衡量传感器传送的温室环境信息，以确定生长环境信息是否与温室环境信息相符，如果它确定生长环境信息并不符合温室环境信息，检测传感器就会回传给控制器，进一步修正环境信息，来满足要求。

3.2 当各种作物生长在温室中时

温室控制系统能够识别温室内各种作物的生长环境信息，在适当的环境因素中，能够给每一种作物在任何时间，提供必要的生长条件，从而提高农作物的产量，改善作物品质。

3.3 农户可以方便地操作控制系统来维持温室内植物健康生长的温度、相对湿度以及光照等环境条件

并能准确地控制、监视和管理温室。这套控制系统可以减轻农户繁琐的工作和繁重劳动，其结果是增加了农作物的产量和提高了农作物的品质。

作者简介：李建军（1974-），男，农业工程硕士，长春市农业机械研究院，工程师，从事农业机械领域科研、推广工作。