温室环境自动调控系统设计

单慧勇，张程皓，李晨阳，赵辉，卫勇，郭旭存

（天津农学院 工程技术学院，天津 300384）

根据光合作用的反应机制，对设施农作物生长影响较大的环境因素主要有光照、CO2浓度及温湿度等，由于温室环境为密闭环境，内部环境参数多通过人工进行调控，工作效率低。针对以上问题，孙小平[1]对温室中的供暖设备、风机、LED 灯与其相对应的调控参数（如温度、光强等）之间的关系进行研究，寻找其相关函数关系，实现温室环境自动调控。张漫等[2]设计了作物光合速率预测模型，将实时监测光照、温度及CO2浓度输入预测模型中，获取相应的CO2浓度最佳目标值，从而实现温室CO2自动调控。李雅善等[3]拟合设计出了多元非线性光合速率预测模型，可进行光饱和点寻优，确定了温室作物在不同光强条件下的环境参数最佳目标值，实现了温室光强自动调控。以上研究多针对温室环境中单一环境变量进行调控，难以实现温室环境参数自适应调控。为有效提高温室环境自动化程度，促进温室作物生长，设计温室自动调控系统，结合温室环境监测、作物光合速率预测模型和多目标协同控制寻优方法设计基于MATLAB 的温室环境自动调控系统，以温室黄瓜为研究对象，对其光合速率进行预测并对环境调控效果进行验证。为方便操作者实时监控温室环境参数的变化，设计基于MATLAB 环境的人机交互GUI 界面，为温室环境智能调控的研究提供借鉴。

1 系统设计的理论基础

调控系统的设计首先需搭建温室环境参数寻优模型，模型的建立主要包括三部分：首先建立光合速率预测模型，然后在光合速率预测模型的基础上，构建有限二氧化碳资源下温室二氧化碳优化调控模型数据库，继而提出了以光照增长相对价值为评价指标的相对最经济的补光策略，最终实现有限二氧化碳资源下的温室光气耦合优化调控。

采用LS-SVM算法构建光合速率预测模型[4]，寻求温度（x1）、光强（x2）及CO2浓度（x3）和输出光合速率（y）之间的关 系：y=f(x1，x2，x3)。首先，使用MATLAB 中的mapminmax 函数对温度、光强及CO2浓度进行归一化处理，其模拟归一化区间为[0.2，0.9][5]。选取径向基函数作为核函数进行建模，gam是控制错分样本惩罚程度的可调参数，sig2是径向基核函数的参数，通过网格搜索获取最优的建模参数gam和sig2[6]，最终确定 的gam=263.549，sig2=0.204 042 5。模型各参数确定后调用LS-SVM 工具箱的trainlssvm函数进行光合速率预测模型的构建。

基于上述光合速率预测模型，拟在1 d 内的有限资源下对温室CO2浓度进行优化调控，即给定可用补气总量，寻找当天温室中最优的补气时间及对应的单位时间补气量，将补气后的光合速率增量作为评价指标，建立CO2优化调控模型数据库。在获取补气时间段与补气量后，将依据光照增长相对价值曲线曲率最大值对补光量进行寻优。

结合上述调控模型，拟设计温室环境自动调控系统，通过PLC 实时采集温室中温度、光强及CO2浓度等参数，通过OPC 通信协议实现远程通信。在MATLAB 中搭建调控系统，依据调控模型，分析预测作物生长的最佳补气时间及补气总量，控制气肥发生器及补光灯工作，结合实时读取的数据进行追踪控制。

2 控制系统设计

2.1 系统功能分析及整体框架设计

温室环境自动调控系统的功能主要包括实时环境数据的监测、数据分析目标值寻优以及自动输出调控环境参数。通过监测温室中的实时环境数据，获取对植物生长速率影响较大的各种参数，如温度、光强和CO2等，可实时监测植物生长状态。根据实时环境参数，系统可调用上述模型，对环境参数进行寻优，获得植物生长最佳调控目标值。结合模型寻优目标值和实时反馈的温室环境数据，控制补光灯组及气肥发生器等设备进行环境参数的调节，实现温室环境自动调控。为实现以上功能，设计了温室环境监测子系统、数据分析决策和输出控制子系统三部分（图1）。

温室环境监测子系统包括：CO2传感器、温度传感器以及光照传感器，监测温室中实时环境参数，实现温室环境数据实时监测功能，并将其输入调控目标值寻优子系统中，调用相应的模型，将光强与CO2协同调控目标值寻优。输出控制子系统根据控制系统计算出的环境参数目标值，结合实时环境参数，控制温室中补光灯组及气肥发生器改变光强与CO2值，从而达到目标值要求，完成反馈控制。

图2 为温室环境监测子系统结构框图，由CO2传感器、温度传感器、光照传感器和PLC 控制器组成。由于温室生产环境较为恶劣，作物生长环境存在高温高湿情况，对监控与控制系统具有较高的可靠性要求[7]，因此，采用PLC 作为控制器。温室中各传感器监测记录温度、CO2浓度和光照强度等，为调控目标值寻优子系统提供数据，实现了温室实时环境数据监测功能。

图3 为数据分析决策子系统控制流程图，环境监测传感器将实时采集到的信息发送到控制器PLC，PLC 通过OPC 通信，与计算机建立远程通信，将环境参数实时上传至计算机中，计算机分析判断环境温度所属区间，继而通过模型调用该温度下子模型，通过模型分析预测出光照强度与CO2浓度调控目标值。实现了数据分析目标值寻优功能，计算调控目标值与实时环境值的差值，将调控目标值发送至相应的控制设备。

本研究选择在MATLAB 环境下设计输出控制子系统[8]。自动模式下，传感器将监测到的温度、光照及CO2浓度数据传输至计算机，计算机根据模型计算出协同决策的光强及CO2浓度目标值，计算机通过OPC 通信与现场控制器PLC 建立通信，写入光强及CO2浓度目标值，PLC 输出控制补光灯[9]及气肥发生器使得光照与CO2浓度达到目标值[10]，实现了自动输出调控环境参数功能（图4）。在手动模式下，操作者可根据传感器上传的温室环境数据，手动控制补光灯及气肥发生器调控温室环境参数。

2.2 通信系统设计

为方便计算机读取温室实时环境数据进而分析决策，获取调控目标值，同时反馈控制调控设备工作，需实现计算机与现场PLC 之间的通信连接，通信协议选择OPC通信[11-13]。

OPC（OLE for process control）是由OPC 基金会（OPC Foundation）所制定的工业标准[14]。OPC 主要是在Microsoft 的OLC(ActiveX)、COM、DCOM 的基础上所研发的一个开放的标准接口。其主要应用体系为客户端/服务器[15]，在客户端和服务器之间建立一种通信和数据交换的工业标准[16]，以OPC 为交换数据的主要方法。

7.0版本以上的MATLAB 软件中均支持OPC服务，有相应的工具箱OPC toolbox[17]，支持读写OPC数据。MATLAB 中读取温室实时环境数据方式有如下2种。

（1）通过GUI界面读取实时环境参数

A.启动Opctool界面

在MATLAB 命令窗口输入Opctool，单击回车即可打开Opctool界面，其操控界面如图5所示。

B.创建客户端对象、组对象和项

右键单击OPC Network 可添加本地Host，名字选用默认名字Localhost。右键单击Localhost 添加Client，从OPC Server ID 中选择GrmOpcServer.GRMOPC，即可建立连接，顺序添加Group、Item，即可显示温室环境参数实时数据，如图6 所示。选中相应数据，点击Add即可读取实时环境参数。

（2）输入程序读取实时环境参数

实时环境数据读取程序如下所示：

da=opcda（‘localhost’,‘GrmOpcServer.GRMOPC’）；%创建客户端对象

connect（da）；%连接一个客户到服务器；

grp=addgroup（da，‘group2’）；%创建数据访问组对象；

itm=additem（grp，‘GRM.二氧化碳（温室）’）；%读取实时环境参数；

itm1=additem（grp，‘GRM.光照强度（温室）’）；

itm2=additem（grp，‘GRM.空气温度（温室）’质；

set（grp,′UpdateRate′，0.2）；%设置数据保存间隔

r=read（itm）；%读取数据；

a={r.Value}；%读取实时环境数值；

b=cell2mat（a）；%将元胞数组类型数据转换为数值型方便处理；

clear grp itm itm1 itm2。

2.3 人机交互GUI界面设计

为方便操作人员实时监控温室环境，GUI 界面设计如图7—8 所示，对接收到的环境数据进行存储，并对数据进行分析、判断与智能决策，根据决策结果发送相应控制指令到相应的输出装置。根据系统硬件要求，在MATLAB 环境下设计了人机交互的GUI界面。

（1）控制系统主界面如图7所示，主要包括实时监控、历史数据、参数设定、报警信息四部分，按下按钮可跳转至相应界面。

（2）实时显示界面如图8所示，包括温室环境数据实时显示栏、温室环境数据调控目标值、工作模式选择、工作状态四部分。

A.温室环境数据实时显示栏：温室中通过温度传感器、CO2浓度传感器、光照传感器监测到的环境数据传输至PLC，MATLAB 通过OPC 通信协议与PLC建立远程通信，将各项数据实时显示在界面上，便于操作者监控温室环境变化。

B.温室环境数据调控目标值：系统根据实时采集的温室环境数据，依据当前温度，调用适合的模型，预测最佳环境参数，并发送至界面，方便操作者对比实时环境参数决策控制方案。

C.工作模式选择：根据需求可选择自动控制或手动控制。自动控制模式下，系统根据实时温度，调用相应的模型，分析温室环境参数，计算出环境参数目标值，并显示在目标栏上。

D.工作状态：实时显示控制装置工作状态，便于操作者决策控制。

（3）手动控制界面如图9所示，包括温室环境数据实时显示栏、温室环境数据调控目标和手动控制面板三部分。

温室环境数据实时显示栏和温室环境数据调控目标值与自动模式下相同，控制面板上操作者可根据控制要求手动输入环境参数，按下执行按钮可控制装置输出，控制系统向气肥发生器或补光灯发送调控指令，待实时数据达到目标值后停止工作，完成环境参数调控。

（4）参数配置界面如图10 所示，在主界面按下参数配置按钮可调出参数配置界面，包括增加通讯组、删除通信组和刷新服务器三部分，可根据操作者实际需求，进行增删通信组与刷新服务器操作。

（5）历史数据显示栏如图11 所示，在主界面按下历史数据按钮可调出历史数据显示界面，可显示不同时间温度、光强和CO2浓度，操作者可根据数据判断不同时间温室环境参数变化情况，记录保存。

2.4 系统测试

以天津农学院西校区温室作为研究基地，对系统进行测试。2020 年3 月4 日，温室中保温时间段为9:00—16:00，选择9:30—15:30 作为调控时间段。首先，设定好可用补气资源总量，通过调控模型寻优确定当天内最优补气时间及单位时间补气量，控制气肥发生器在对应时间段工作，同时控制补光灯工作，控制系统通过PLC 不断读取温室中光照强度及CO2浓度。基于上述寻优方法，得到了以温度、CO2浓度为输入数据，以光照强度调控目标值为输出数据的数据集，结合实时读取的光照强度数据，对比调控目标值获得光照强度调控增量，控制系统实时追踪控制补光灯光照强度，实现温室光气耦合调控。调控完成后，获得了调控时间段内的光合速率增量，为1 176.918 μmol/(m2·s)。调控过程中数据传输稳定，实时反馈效果好，自动模式控制界面、手动模式控制界面分别如图12—13所示。

3 结论与讨论

为实现温室环境自动调控，在融合光合速率预测模型与温室环境参数实时监测的基础上，建立了温室环境调控的寻优模型，基于上述调控模型，在MATLAB 环境下设计了温室环境调控系统。通过温室中的CO2传感器、温度传感器以及光照传感器分别监测温室实时环境参数，并上传至控制器PLC中。PLC 通过OPC 技术与计算机建立远程通信，计算机读取PLC 上传的温室环境数据，调用相应的寻优模型，分析计算出CO2浓度及光照强度的调控目标值，将其发送给控制器。控制器根据调控目标值控制气肥发生器和补光灯组工作，直至温室环境数据达到调控目标值后，停止工作，完成反馈控制。对构建的系统测试结果表明，该控制系统可完成作物生长自适应补光补气，调控时间段内的光合速率增量为1 176.918 μmol/(m2·s)，数据传输稳定，实时反馈效果好。为方便操作者决策控制，查看温室环境数据，设计了人机交互GUI 界面，监控温室环境参数，及时进行决策控制。本研究侧重点在于温室环境调控系统的设计，对所涉及的环境参数寻优模型并未详述，后续将另文介绍上述寻优模型建模过程，结合组态软件，设计完善控制系统及图形用户控制界面，进一步提高温室环境自动调控技术。