温室环境智能监测与控制系统设计论文

太原理工大学 硕士学位论文 温室环境智能监测与控制系统设计 姓名：彭宏丽 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：夏路易 20070401 太原理工大学硕士研究生学位论文 温室环境智能监测与控制系统设计 摘要 我国农业形势发生了根本性变化，农业生产进入了主要依靠科技提 高农产品质量、加速结构调整、迅速增加农民收入、提高农业整体效益、 改善生态环境以及大力提高农业国际竞争力的新时期。温室技术是实现 这一转变的重要途径，开发研制温室智能环境监测系统是十分必要的。 针对这一问题，本文提出并设计了一种低价位、实用型的温室环境智能 监测与控制系统。 本文在查阅大量国内外参考文献的基础上，研究了几种目前市场上 流行的温室环境控制系统，并且根据温室内影响作物生长的环境因子， 即温度、湿度、光照和C 0 2 环境的条件、控制特点和控制方法，提出了 适合本系统的环境因子控制方案。 本文以P H I L I P S 公司3 2 位A R M 微控制器L P C 2 1 3 2 为核心，设计了 温度、湿度、光照强度和C 0 2 浓度传感器，传感器检测出来的信号传输 给L P C 2 1 3 2 进行数据处理，从而实现对环境因子的测量与控制。本文重 点介绍了温室环境监控系统的硬件、软件设计。 硬件方面，介绍了各部分的设计思想、原理电路以及抗干扰方法， 并且给出了系统总硬件原理图；另外，在满足系统设计要求的前提下， 尽可能选用价格低、功耗低的元器件，达到降低系统成本的目的。 软件方面，将嵌入式实时操作系统, u C O S I I 移植到L P C 2 1 3 2 ，采用 基于嵌入式实时操作系统的软件开发模式，设计了控制器的各个任务。 “C O S I I 的应用使系统具有更好的实时性和可靠性，同时便于程序的扩 展。 由于温室内温湿度环境很难建立系统精确的数学模型，利用常规的 太原理工大学硕士研究生学位论文 控制算法得不到非常满意的控制效果，因此本文采用了模糊控制算法实 现了对温室内温湿度的智能控制。 本文根据所设计系统的功能，设计、安装并调试了实验装置，并根 据4 8 5 通迅组成了监控系统。通过大量实验，验证了本系统的原理设计 的正确性和可行性。 最后，对论文进行了总结，介绍了本文完成的主要工作，说明了本 文的特点和意义，同时，指出了系统设计的不足和改进思路，为今后课 题的进一步研究打下了基础。 关键词：监控系统，L P C 2 1 3 2 ，嵌入式操作系统，模糊控制 H 太原理工大学硕士研究生学位论文 D E S I G NO FI N T E L U G E N TM O N I T O R A N DC O N T R O LS Y S T E MF O R T H EG R E E N H O U S EE N V I R O N M E N T A B S T R A C T A tp r e s e n t ，o u rc o u n t r ya g r i c u l t u r es i t u a t i o nh a dt h ef u n d a m e n t a l c h a n g e ， t h e a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n e n t e r e dt h em a i n d e p e n d e n c e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t o i m p r o v e t h e a g r i c u l t u r a lp r o d u c tq u a l i t y ，t h e a e c e l e r a t i o n s t r u c t u r ea d j u s t m e n t ，r a p i d l yi n c r e a s e st h ef a r m e rt o r e c e i v e ，t oe n h a n c et h e a g r i c u l t u r a lo v e r a l lb e n e f i t ，t h ei m p r o v e m e n t e c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta sw e l l a sv i g o r o u s l ye n h a n c e st h ea g r i c u l t u r a l i n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o ns t r e n g t ht h e n e wt i m e T h e g r e e n h o u s et e c h n o l o g y i sr e a l i z e st h i st r a n s f o r m a t i o n i m p o r t a n t w a y ，t h ed e v e l o p m e n td e v e l o p s t h e g r e e n h o u s ei n t e l l i g e n c e e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi s e x t r e m e l ye s s e n t i a l I nv i e wo f t h i s q u e s t i o n ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e da n dh a sd e s i g n e do n ek i n do fl o w e n d ，t h e p r a c t i c a lg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n ti n t e l l i g e n c em o n i t o ra n dt h e e o n t r o ls y s t e m T h i sa r t i c l eh a sc o n s u l t e dt h em a s s i v ed o m e s t i c a n d f o r e i g n r e f e r e n c e ， s t u d e di ns e v e r a lk i n do f p r e s e n t m a r k e t st h e p o p u l a rg r e e n h o u s e e n v i r o m e n t a lc o n t r o ls y s t e m , a n d a c c o r d i n g t oi nt h e g r e e n h o u s et oa f f e c tt h e e n v i r o n m e n tf a c t o rw h i c ht h e c r o p sg r o w s ，n a m e l y t h et e m p e r a t u r e ，t h e h u m i d i t y ，i l l u m i n a t i o na n dt h eC 0 2e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ，t h ec o n t r o l c h a r a c t e r i s t i ca n dt h e c o n t r o l m e t h o d ，p r o p o s e ds u i t s t h i s s y s t e m t h e e n v i r o n m e n tf a c t o rc o n t r o lp l a n T h i sa r t i c l et a k em i c r oc o n t r o l l e rL P C 2 1 3 2o fP H I L I P SC o r p o r a t i o n 雒a c o r e ，d e s i g n e dT h et e m p e r a t u r e ，t h eh u m i d i t y , t h es t r e n g t ho fi l l u m i n a t i o na n d t h eC 0 2 d e n s i t ys e n s o r , t h es e n s o re x a m i n e st h es i g n a l l i n gc a r r i e so n t h ed a t a p r o c e s s i n gt oL P C 2 1 3 2 ，r e a l i z e dt ot h ee n v i r o n m e n t f a c t o rs u r v e yc o n t r o l 。 I I I 太原理工大学硕士研究生学位论文 T h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n ts u p e r v i s o r ys y s t e m h a r d w a r e ，t h es o f t w a r ed e s i g nw i t he m p h a s i s I nt h ea s p e c th a r d w a r e ，t h ed e s i g ni n t r o d u c e de a c hp a r to fd e s i g n s t h o u g h t ，t h e p r i n c i p l ee l e c t r i cc i r c u i ta sw e l la st h ea n t i i n t e r f e r e n c em e t h o d s ， A n dh a sp r o d u c e dt h es y s t e mt o t a lh a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a m ；M o r e o v e r , f o rr e a l i z i n gl o wc o s to fs y s t e m ，c h e a pc o m p o n e n tW a sc h o s e np o s s i b l yu n d e r s a t i s f y i n gt h ed e s i g nr e q u e s t I nt h ea s p e c ts o f t w a r e ，T h i sa r t i c l eh a si n s e r t e de m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m M C O S - I I t o t r a n s p l a n tL P C 2 1 3 2 ，d e s i g n e d c o n t r o l l e re a c h d u t y 4 t C O S I Ia p p l i c a t i o ne n a b l et h es y s t e mt oh a v eab e t t e rt i m e l i n e s sa n d t h er e l i a b i l i t y , s i m u l t a n e o u s l yi sa d v a n t a g e o u sf o rt h ep r o c e d u r e e x p a n s i o n ， c a u s i n ge a s yw h i c ht h ep r o g r a me x t e n s i o n I nt h eg r e e n h o u s e ，t h ew a r mh u m i d i t ye n v i r o n m e n ti sv e r yd i f f i c u l t y e s t a b l i s ht h es y s t e mp r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o u l dn o to b t a i nt h e e x t r e m e l ys a t i s f a c t o r y c o n t r o le f f e c t u s i n g t h e c o n v e n t i o n a lc o n t r o l a l g o r i t h m , s ot h i sa r t i c l eU S e St h ef u z z yc o n t r o l a l g o r i t h m t or e a l i z et ot h e g r e e n h o u s ei nt h ew a r mh u m i d i t y i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 T h i sa r t i c l e a c c o r d i n g t o d e s i g n e d t h e s y s t e m t h e f u n c t i o n ，t h e d e s i g n ，i n s t a l l sa n dh a sd e b u g g e dt h et e s ti n s t a l l a t i o n ，a n dh a sc o m p o s e dt h e s u p e r v i s o r ys y s t e ma c c o r d i n g t o4 8 5c o r r e s p o n d e n c e s t h e m a s s i v e e x p e r i m e n t s ，h a sc o n f i r m e dt h i ss y s t e mp r i n c i p l ed e s i g n a c c u r a c y a n dt h e f e a s i b i l i t y F i n a l l y , t h i sd o c u m e n ts u m m a r i e da n di n t r o d u c e d t h em a i nw o r k , e x p l a i n e dt h i sa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h es i g n i f i c a n c e ，s i m u l t a n e o u s l y , t h i s a r t i c l eh a dp o i n t e do u tt h es y s t e md e s i g ni n s u f f i c i e n c ya n dt h ei m p r o v e m e n t m e n t a l i t y , h a v eb u i l tt h ef o u n d a t i o nf o rl h en e x tt o p i cf u r t h e rr e s e a r c h K E YW O R D S ：t h e s u p e r v i s o r ys y s t e m ，L P C 2 1 3 2 ，e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m ，f u z z yc o n t r o l I V 太原理工大学硕士研究生学位论文 图索引： 圈2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 湿度电容响应曲线 L P C 2 1 3 2 管脚图一一 图表索引 系统组成框图 智能监控点原理框图 硬件总体框图 电源电路 时钟电路 2 7 。3 3 。3 6 。3 7 3 8 3 8 3 9 复位电路图 单总线多节点系统的示意图 D S l 8 8 2 0 管脚图 温度测量电路 H S l l 0 1 和5 5 5 组成的多谐振荡电路 髑也5 6 1 芯片管脚图 1 2 C 总线应用典型结构图 1 2 C 总线的传输时序图 光强测量电路 A D 模块的寄存器功能框图。 C 0 2 测量电路图 4 2 4 3 4 4 4 5 R T C 结构图。 R T C 电路图： M A X 3 4 8 5 芯片管脚图 M A X 3 4 8 5 和L P C 2 1 3 2 芯片串行通信电路 液晶屏管脚图 液晶显示器与L P C 2 1 3 2 的接口电路 键盘电路 继电器输出驱动电路 I X 4 8 4 9 。5 2 。5 3 5 4 5 4 5 6 。5 6 一5 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 2 3 图3 2 4 图4 1 图舢2 图4 3 图5 1 图5 2 图5 - 3 图5 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 继电器输出驱动电路 报警电路。 模糊控制系统结构 模糊控制器原理图 模糊交量隶属函数 5 9 6 0 6 5 t C O S - I I 硬件和软件体系结构图 主程序流程图。 初始化时序图。 写时序图 读时序图 D S l 8 8 2 0 流程图 捕获法测脉冲周期流程图 T s L 2 5 6 1 流程图。 6 7 7 5 8 3 。8 6 8 7 8 8 9 0 9 2 9 4 I zc 读写操作程序流程图 C 0 2 测量任务流程图 寻址方式图。 指令发送时序图 复位时序图 多字节发送时序图。 单字节数据发送时序图 L C D 显示流程图。 键盘扫描任务流程图 模糊控制流程图 U A R 册通信流程图 J T A G 下载电缆电路 调试窗口 主板输入部分电路。 。9 5 9 9 1 0 0 1 0 0 1 0 0 。1 0 1 。1 0 3 。1 0 4 。1 0 4 主板输出部分电路 主板P C B 图 主板电源与通信部分电路 X 1 0 8 1 1 2 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图6 - 7 图6 8 子板P C B 图 P C 机界面 表索引： 表2 - 1 蔬菜的温度指标 表2 2 几种温度传感器的比较 表2 - 3 几种湿度传感器的比较 表2 4H S l l 0 1 技术指标 表2 5 几种光电传感器的比较 表2 6 几种气体传感器的比较 表3 - 1 频率和湿度对应表 表3 2 混合寄存器组 表3 - 3 时间计数器组 表3 - 4 报警寄存器组 表3 5 基准时钟分频器组 表3 - 6 按键功能表 表4 - 1 偏差e 的赋值表 表4 2 偏差变化率Ac 的赋值表 表4 - 3 输出变量u 的赋值表 表4 4 模糊控制状态表 表4 - 5 模糊控制表 表5 - 1I IC O S I I 需要移植的代码。 表5 2 任务属性表 表5 - 3D S l 8 8 2 0 的温度存储方式 表5 4T S L 2 5 6 1 寄存器 表5 5 1 2C 寄存器 表5 - 61 2 C O N S E T 寄存器 表5 7 通信协议的帧格式 表5 8 帧格式的类型码 表5 - 9 异步通信模式字符格式 1 1 8 1 2 0 2 0 2 5 4 2 6 2 7 2 7 2 8 4 3 5 1 5 1 5 1 5 7 。6 7 。6 7 。6 7 6 8 。6 9 7 6 8 4 8 7 9 1 9 3 9 3 1 0 5 1 0 6 1 0 6 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：五垒塞函 日期：论文作者签名：五筮豳日期： 合神7 S 油 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：塑塞豳 日期： 导师签名：至礁垒 跏7 S 9 - - 0 日期：型：! ：竺 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景 目前，我国农业形势发生了根本性交化，农业生产进入了主要依靠科技提高农产品 质量、一加速结构调整j 一迅速增加农民收入r 提高农业整体效益、改善生态环境以及夫力一 提高农业国际竞争力的新时期。通过知识和技术创新，走技术替代资源道路，实现我国 农业从传统的粗放、低效、资源高消耗型增长方式，向集约、高效、资源节约、可持续 型生产方式的根本转变。发展工厂化农业是实现这一转变的重要途径。工厂化农业具有 技术和知识密集、资源高效利用、效益显著等特点，近年来在我国受到高度重视。我国 在温室，温室和环境控制等工程配套设施、温室专用品种选育、高产栽培和优质安全生 产技术等方面均取得了显著成果，全国温室及环境调控技术与配套设施方面得到了很大 发展1 1 l 。 近几年来，我国温室产业发展迅速，截止到2 0 0 1 年底的数据表明，我国大陆地区 现有现代化大型温室面积约5 8 0 hm 2 ，其中引进温室面积已达1 8 0 余hm I ，9 0 年代中期以 来，根据我国国情和气候特点，自行设计、建造了一批经济、适用的大型温室，面积达 4 0 0 余hI n 。目前正立项的连栋温室项目与建设速度还在进一步加快，将大大加快我国 工厂化农业的发展。我国温室面积居世界各国首位，其中塑料大棚和日光温室等简易设 施占绝大多别2 l 。 但由于缺乏配套技术与设备，环境控制能力低，抵御自然灾害的能力差，技术含量 低，生产潜力有限。有较强环境调控能力、可实现周年生产的大型现代化温室的面积所 占比例还很小。要依靠进口温室设备一次性投资大、生产成本高以及对操作人员的素质 要求也高。总得来说，温室环境控制还处在不断完善之中，还有许多工作有待改进1 3 1 1 4 1 1 5 】。 温室环境智能监控系统的研究涉及到计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技 术、生物技术以及环境科学等多种技术和学科，现阶段，功能齐全的完全智能化的温室 环境监控系统实际应用的还不多。目前市场上出现的，多是单因子控制器，比如温度控 制器、湿度控制器、温湿度控制器或C 0 2 控制器等，也有一些国内外的大公司生产智能 温室监控系统或控制器，但一般价格昂贵，对于大部份农民来说还是可望而不可及的 1 6 1 _ 7 j 1 8 1 。 因此，开发低价位、低成本、实用型的农业温室智能监控系统己迫在眉睫，对于促 太原理工大学硕士研究生学位论文 进农业的增产、增收，推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义。 1 2 国内外研究现状 国外先进现代大型温室中，所有的环境因子的监测、传感、调控均实现了自动控制， 由计算机进行综合管理。并且所控制的环境因子范围比较广，从温室内的环境状况到室 外的气候特征，从生物体生长的活体信息到果实的性状，都能通过计算机技术将这些数 据采集到，并通过分析，实现对温室环境综合控制。7 0 年代中期，荷兰、臼本、美国等 国家已将微机用于农业环境监控系统中。1 9 8 6 年日本已有几百台、荷兰有近千台微机用 于温室控制管理。日本实行了用计算机对温室、湿度、C 0 2 度等进行控制调节，该系统 能够根据室内温度、湿度和室外环境状况等来自动控制天窗开关、加温降温设备开关， 并自动记录并储存温室环境因子的数据、设施的工作状况，并能以图形的形式打印。该 系统工作性能好、灵敏度高、工作稳定、对环境调控能力强。韩国为扩大生产规模及降 低生产费用，温室内设置了一些控制环境因子的自动化装置，由于有些自动化装置需靠 人们根据经验进行控制，因此没能充分发挥它们的作用，另外，软件的开发也存在一定 问题1 9 1l l O l 。 自7 0 年代后期以来，温室技术在我国取得了突飞猛进的发展，尤其是舳年代后引 进了一批温室成套设备，对国外先进经验进行消化和吸收，我国的温室环境控制研究也 得到了较快发展。在温室的温度、湿度和二氧化碳浓度变化规律及控制技术和效果等方 面取得了不少进展，但是温室综合控制及软件系统开发还处于刚起步的阶段。1 9 7 9 年我 国开始从荷兰、日本、美国等国家引进了四十多套大中型现代化温室。引进的温室与我 国传统温室比较，其空问大，便于进行机械作业，劳动生产率与土地利用率得到提高， 对于消化、吸收国外先进的温室生产经验起到了积极作用。但引进温室一般是按照外国 气候条件设计的相关系统，其规模与体积、能耗比、适应性等使用性能并不理想，而且 温室价格和运行成本部很高，另一方而国内发展农业的“低投入”模式和农产品的低价位 与国外差距较大，其经济效益一直不容乐观。 因此，发展温室不能只依靠引进。8 0 年代以来，我国科技人员在吸收发达国家高科 技温室环境控制技术的基础上，对温室系统中温度、湿度和营养液浓度等单项环境因子 控制技术进行研究。郑学坚首先用微型单板机进行控制人工光源气候箱环境生态因子寻 优试验，提出了登山法优化生物环境指标的思路，后来用Z 8 4 微型机控制温室的软硬 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 件实施方案的模拟实验，取得满意的结果；1 9 8 6 年徐师华等使用T P 一8 0 1 微型单板机对人 工环境进行控制，其特点是成本低、结构简单、稳定性较高、使用方便，但未能实现多 机分级控制：1 9 9 1 年孙学斌等以I B M 微机为上位机，S D K - 8 6 单板机或M C S - 5 1 单片机 为下位机而温室环境控制涉及诸多的领域，远比一般的工业环境控制复杂。对室内气温、 相对湿度、地湿和光照等环境参数进行分级监控研究，该系统性能优良，操作方便，使 用灵活；于海业等提出温室环境自动检测系统，采用专家系统指导下的实时处理方法，及 时提供技术指导和技术咨询服务，建立了友好的人机界面；李萍萍等于1 9 9 6 年开始到 1 9 9 8 年建成了一套具有控温、补光、控湿等功能的智能温室，该系统对各个环境因子的 控制效果良好，生产运行费用较低；还有国内高等院校和科研院所开展了温室环境自动控 制方面的研究与开发，均取得很大进，对我国现代农业的发展起到了很大的推动作用。 1 3 温室智能系统的市场现状 通过网上查询、电话咨询和实地考察，了解到了目前我国市场上出现的智能温室环 境监控系统产品，根据其系统组成、使用技术、功能、特点、技术指标和价格等不同的 方面，从中选出具有代表性的主要有以下几种【n 1 2 l ： 1 I 删S K _ 2 0 0 0 温室智能环境全自动控制系统 该控制系统综合运用了计算机网络技术，使用上位机通讯技术加测控站，实现了分 散采集控制，集中操作管理，相对独立的设计思想，系统具有功能强大、性能优越、配 置灵活、安全可靠等优点。上位机采用通用P C 机、技术成熟、软硬件丰富、操作方便、 用户界面友好，加上先进的U P S 技术，使之工作更为可靠。 A 型测控站采用单片机控制的专用控制器，采用M C S - 5 1 系列单片机进行控制。控 制板采用最新集成电路精心设计而成，性能稳定可靠，易于适用；电路板表面经过特殊 工艺处理，可以抗温室鸡舍高湿度与各种腐蚀性气体的腐蚀。4 8 路模拟量输入，8 1 6 路开关量输入( 或根据需要增加) 。最多1 2 1 6 路继电器控制输出( 或根据需要增加) 可选则采用L E D 或L C D 显示，字型大直观，清晰易读。通过R S 4 8 5 和R S 2 3 2 接口可 与上位机联网通讯。分别显示并记录温室的数据，也可独立控制操作，显示、设置控制 温室内的风机、水帘、遮阳、水泵等动作情况。功能强大、安全可靠、价格适宜深受用 户欢迎。 B 型测控站采用进口P L C 技术，性能稳定可靠，易于操作使用。可直接采集8 路模 太原理工大学硕士研究生学位论文 拟量输入( 或根据需要增加) 。2 4 路开关量输入。最多8 1 6 路继电器控制输出( 或根 据需要增加) 。采用L C D 液晶汉字显示，清晰易读。通过R S 4 8 5 和R S 2 3 2 接口可与上 位机联网通讯。接口丰富、功能可靠、配置方便、适用较高要求的用户。 该系统可连接1 1 6 个测控站，每个站可检测控制1 4 个气候区，可直接将气象 检测站作为一个测控站接入系统。 该系统可根据室内外温度、湿度、光照度、二氧化碳、气象参数的变化，按照预先 设定的条件，实现对风机、水泵、拉幕机、卷膜器、开窗机、加热、灌溉等设备的全自 动控制，并具有对数据的存贮打印、功能、实现科学化的管理。 该系统价格跟所连测控站的类型和个数有关，A 型测控站采用5 1 单片机做控制器， 每台测控站在3 0 0 0 元左右；B 型测控站采用P L C 技术，相对贵些。每台测控站在5 0 0 0 8 0 0 0 元之问。 2 G C S 1 型智能化自动温室控制系统 该系统在计算机综合控制下，可控制温室的温度、湿度、光照、通风等，营造出适 宜各种植物生长的环境。系统可用于各种类型的温室，对其内部人工小气候及配肥、灌 溉等进行智能化控制。 系统采用上位机P L C 的集散式控制方法，可在上位机监控下实时运行，也可脱离 计算机单独控制运行，主要用于实地检测及控制，完成数据采集、处理，根据农作物生 长的扩展曲线控制滴灌和营养液的配比及实施。系统配置灵活，预留多种接口，方便扩 充，适用于一个温棚分隔成几个小环境控制运行。 与进口设备相比，该系统造价低，仅为同类进口设备的1 3 。 3 D X D 集群环境数据采集系统 该控制系统综合运用了计算机网络技术，使用上位机通讯技术加测控站，实现了分 散采集控制，集中操作管理，相对独立的设计思想，系统具有功能强大、性能优越、配 置灵活、安全可靠等优点。上位机采用通用P C 机、技术成熟、软硬件丰富、揉作方便、 用户界面友好，加上先进的U P S 技术，使之工作更为可靠。 A 型测控站采用单片机控制的专用控制器，可直接连接各种传感器具有多达3 6 路 输出接口，直接与电控柜连接。它的功能强大、安全可靠、价格适宜深受用户欢迎。 B 型测控站采用进口P L C 技术，它的功能接口丰富、功能可靠、配置方便、适用较 高要求的用户。该系统可连接1 1 6 个测控站，每个站可检测控制1 4 个气候区，可 直接将气象检测站作为一个测控站接入系统。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 C 型测控系统采用了国际最先进的T c p l p 协议，将下位机的通讯与上位机的计算机 连接起来，使用户能在同一个局域网中的任何位置就能控制，在任何能上网的地方就能 查询温室的环境变化情况。 该系统可根据室内外温度、湿度、光照度、二氧化碳、气象参数的变化，按照预先 设定的条件实现对风机、水泵、拉幕机、卷膜器、开窗机、加热、灌溉等设备的全自动 控制，并具有对数据的存贮打印：功能、实现科学化的管理。 价格：8 0 0 0 元以上。 除了以上介绍的智能温室环境控制系统外，市场上还出现了一些温室控制器。主要 有： 1 B Q 4 - L T W S K - F L C 温室控制器 B Q 4 - L T W S K - P L C 温室控制器适用于温室、蓄禽舍的降温、通风、加湿、加温、定 时喷灌、定时开关等的自动控制。它能监测室内温度、湿度、光照等环境参数，根据用 户设定的上下限温度自动开启、关闭各天窗、风机组和湿帘的运行，可与室外气象站连 接可实现室外气象参数检测，同时根据检测参数可控制各种运行机构。控制器采用德国 西门子可编程控制器为主机芯片。另加单片机为输入及输出扩展板开发而成，性能稳定 可靠，易于操作使用。 主要技术参数： 输入：可直接采集8 路模拟量输入( 或根据需要增加) 。2 4 路开关量 输入信号：0 2 0 M A 4 - 2 0 M A ( 如温湿度、光照、二氧化碳、地温、土壤湿度、P H 值、E C 值) 输出：最多8 - 1 6 路继电器控制输出( 或根据需要增加) ，可直接控制温室内开窗机、 遮阳、风机、湿帘水泵、卷膜电机、充气泵、加温电磁阀、灌溉电磁阀等设备。 显示：采用L C D 液晶汉字显示，清晰易读。可显示采集值、设定值等。 设定键盘：键盘组合设定，功能强大，操作简便。可设定上下限值，如温、湿度、 光照等。实现自动运行控制。 通讯：可接收多点传感器的检测数据。通过R S 4 8 5 和R S 2 3 2 接口可与上位机联网 能讯。将采集传感器值发送至上位机，并可接收上位机指令及设置参数。 软件；用户可采用西门子s t e p 7 对控制器编程，上位机可采用V B 、V C 或组态软件 能讯编程。 太原理工大学硕士研究生学位论文 价格：单台L T A V S K - - P L C 价格在5 0 0 0 元左右。 2 U y w S l o - 5 1 A 温室控制器 L T W S K - - 5 1 A 控制器采用M C S 5 1 系列单片机开发而成，内部采用模块式结构， 分为：C P U 主板、模拟量输入单元、开关量输入单元、开关量输出单元、显示单元等； 可用于温室控制、环境控制、现场控制及各种模拟量输入、开关量输入、开关量输出等 较多场合。 其技术参数如下： 输入：可直接采集年8 路模拟量输入或根据需要增加；输入信号 0 - 2 0 M A 4 - 2 0 M A 0 - S V 0 - 1 0 V 。8 - 1 6 路开关量输入。 输出：最多1 2 1 6 路继电器控制输出或根据需要增加；可直接控制输出设备。 显示；采用L E D 及L C D 显示可选。 设定键盘：键盘组合设定，操作简便。 通讯：可接收多点的温湿度、光照等传感器的检测数据；通过R S 4 8 5 和R S 2 3 2 接 口可与上位机联网通讯。 软件：用户可采用C 语言对控制器编程，上位机可采用V B 、V C 或组态软件通讯 编程。 价格：单台u ，w s l ( - - 5 1 A 价格在3 0 0 0 元左右。 3 F P S 1 智能温室控制器 F P S I 智能温室控制器以工业单片机为核心，配备美国D A V I S 光照传感器和 D A L L A S 数字温度传感器，实现对温室的控制：既可以单台控制单区，也可以通过联网 实现对多个分区的控制。 监测能力： 室内温度、室内C 0 2 、土壤温度、土壤湿度、室外温度、室外风速、室外风向、室 外光照强度、室外雨雪信号、温室各种设备的运行状态等。 控制能力： 1 组外遮阳幕、1 组内遮阳幕、1 组保温被、3 级排风扇、1 组补光灯、1 组湿帘泵和外 翻窗、1 组C 0 2 补气、1 组通风窗、1 组加热控制、1 组微雾降温控制等。 配置参数： 标准配置：F P S I 智能温室控制器、2 只室内温度传感器、1 至室外温度传感器。 扩展配置：美国D A V I S 光照传感器、湿度传感器等等。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 供电电源：2 2 0 V A C 、5 0 H z 输出方式：双向可控硅无触点、无源输出。 控制器功耗：1 7 W H 通讯接1 3 ：R s 4 8 5 通讯距离：1 2 0 0 K i n 运行环境：温度；2 0 7 0 ，相对湿度：小于9 5 ，不结霜。 价格：单台3 0 0 0 元以上 这些智能温室环境监控系统或控制器产品的出现，虽然在一定程度上满足了温室环 境控制的要求，但它们普遍功耗高、成本高、价格贵、对温室环境的调节能力有限、系 统的整体性能和抗干扰性能较差，特别是在高热和高湿的温室环境中容易发生死机和复 位的现象。 1 4 论文主要任务 本论文的主要任务是研究开发一种低成本，低价格、功能较全、集数据采集和环境 监测、控制于一体的温室环境智能监控系统。 研究的关键问题是：智能监控点的硬件与软件设计、R S - 4 8 5 通信和, u C O S - B 实现 软件设计。 本论文设计的低成本温室环境智能监控系统与国内外同类产品相比有相当的价格 优势，可为普通农户所接受，有很好的应用前景。 1 5 论文所做工作 根据论文要完成的任务和要解决的问题，本文完成了如下工作： ( 1 ) 介绍了研究和设计的背景和意义，调查并综述了当前智能温室环境监控系统 市场现状； ( 2 ) 提出了符合一般农户需要的智能温室环境监控系统方案； ( 3 ) 设计了系统硬件电路。包括主控核心部分、温湿度采集部分和实时时钟部分 的设计。 。 ( 4 ) 设计了智能温湿度传感器的硬件、软件与算法； ( 5 ) 设计了温室监控系统上位P C 机最少功能软件，满足了系统联调实验的需要； 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 6 ) 给出了实现温度、湿度的控制的模糊控制算法 ( 7 ) 采用了# C O S 任务式实现软件设计。 1 6 小结 温湿环境智能监控系统能够很好的解决我国人多地少的矛盾，开发低价位、低成本、 实用型的农业温室环境智能监控系统具有很大的必要性和重要的实际意义；本文了解了 国内外市场现状，分析了市场上主流温室控制系统的优缺点；在此基础上，给出了本文所作 的设计工作。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章温室环境智能监测系统的总体设计 温室是为了模拟适于生物生长的气候条件，创造人工气象环境，以消除对作物生长 不利的环境因素来促进作物生长，使其部分或全部克服外界气候的制约，从而缩短农作 物的生长周期，提高作物的产量，获得可观的经济效益。温室内影响作物生长的环境因 子主要有温度、湿度、光照度和C 0 2 浓度等，在作物整个生育期中，温室内的这些环境 因子往往不能完全满足作物的需要，因此，就需要采取必要的调节措施，把这些环境因 子都维持在适于作物生育的水平，以期获得优质、高产和低耗的目的【”1 4 1 。 而温室环境控制涉及诸多的领域，远比一般的工业环境控制复杂。温室环境控制是 一项综合性的技术，它所涉及的学科、技术包括：计算机技术、通讯技术、控制技术、 生物学、设施园艺学、环境科学等。要为温室作物营造一个适合作物生长的最佳的环境 条件，首先要熟悉温室环境的特点和要求，然后制定温室控制系统的总体设计方案、控 制策略并付诸实施f 聊1 q I 切。 2 1 温室环境及其控制概述 温室在结构上是一个半封闭的系统，温室内部受温室结构的制约和影响形成了不同 于外界环境的所谓的“温室小气候”，主要包括室内的温度、湿度、光照、二氧化碳等要 素。温室结构的半封闭性又决定了温室与外界的物质与能量交换，又会引起温室小气候 环境的变化，这种变化在一定程度上又会影响作物的生长。因而本论文设计的温室环境 监控系统主要功能是实现温室内温度、湿度、光照度和C 0 2 浓度等因子的监测和控制 1 1 8 1 1 9 1 1 2 0 1 。 2 1 1 温度控制【3 】【2 1 l 1 温室温度环境条件 温度是影响作物生长发育最重要的环境因子之一，它影响作物体内的一切生理变 化。植物的生理代谢、生长发育存在所谓生长、光合、呼吸“三基点温度一最高温度、 适宜温度和最低温度。一般情况下，环境温度在最适宜时，植物生长发育最快；而在低 于最低温度或高于最高温度时，植物的生理代谢活动都不正常。例如，对温带植物来讲， 适宜的生长温度是2 5 3 0 “ C ，呼吸作用的最高温度是5 0 “ C ，最低温度是- - 1 0 ，适宜 温度是3 6 4 6 “ C ，植物进行光合作用的最高温度是3 5 4 0 “ C ，最低温度是0 5 “ C ，适 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 宜的光合作用温度是2 0 2 5 。表2 1 给出了常见蔬菜的温度指标。 表2 - 1 蔬菜的温度指标 对温度的要求 蔬菜种类生长周期 适宜温度 最高温度( ) 最低温度 ( ) 白天夜间 ( ) 苗期 2 2 * - 32 82 21 5 黄瓜苗期到开始结果 2 4 - + 43 32 2 1 5 结瓜期 2 6 _ + 43 82 4 1 5 苗期2 0 - * 42 82 01 5 茄子苗期到开始结果 2 2 - - 4