（农业电气化与自动化专业论文）辽沈Ⅱ型温室群环境管理信息系统的设计.pdf

沈阳程业人学硕士学位硷文 摘要 我国是一个农业大国，设施园艺的面积居世界第位，但目光温室仍以 简易类型为主，设施环境可控程度低，抵御自然灾害能力差，严重影响了园 艺产业的发展。 温室环境控制技术是现代农业技术研究的重要内容，通过对温室内环境 的监测数据的分析，结合作物生长发育的规律，控制有关设备，实现对温室 环境要素的调控，达到作物优质、高产、高效的栽培目的。本课题在总结前 人工作的基础上，针对“辽沈l i 型”温室群，应用计算机技术、模糊控制技 术和通讯技术，设计了辽沈i i 型温室群环境管理信息系统。主要研究内容如 。f ： ( 1 ) 本课题借鉴国内外温室控制系统的现有模式，提出了一个由一台 p c 机( 主机) 和四台单片机( 从机) 构减的温室群分布式监控系统模型， 目的在于提高温室管理效率和管理水平。 ( 2 ) 在温室的分布式监控系统中，单片机与微机之间的通信是整个系 统的关键。本课题对远距离的通信机制进行了软件的设计，提高了p c 机与 单片机通信的准确性、可靠性。 ( 3 ) 根据东北地区的气候特点，针对“辽沈1 1 型”，利用可视化编程语 言v i s u a lb a s i c 开发了一个温室群环境管理信息系统。本系统不仅能查洵检 索得到与温室作物种植和病虫害防治的相关信息，还能根据专家知识中的专 家经验值实时处理分析温室监控系统的监测数据。该系统包括实时监测模 块、智能决策模块、专家知识模块、数据管理模块、系统管理模块、帮助模 块等功能。 ( 4 ) 在模糊控制算法的设计过程中，在多方面了解专家或温室操作者经 验的基础上，总结出行之有效的隶属度函数和模糊控制规则，最终得出模糊 控制表。 摘垂 绎过存沈阳农业大学园艺基地的年运行，实践表明，本系统稳定，达 到了预期的效果。 关键词：日光温室；模糊控制；检测与控制；v i s u a lb a s i c6 0 ：串行通信 数据库 沈阳农业人学坝j 学位论文 前言 一、本课题研究的目的和意义 我国是一个农业大国，设施同艺的面积居世界第一位，但f j 光温室仍 以简易类型为主，设施环境可控程度低，抵御自然灾害能力差，严重影响了 园艺产业的发展。 改革开放以来我国的设旌农业得到了迅猛的发展，截止至1 2 0 0 4 年，我国 大型温室面积已达到5 8 8 o h m 2 ，其中进口大型温室面积达到t 8 5 4 h m 2 ，国产 人型温室为4 0 3 h m 2 ( 宋文龙，2 0 0 4 ) 。 由于多种原因，目前我国北方日光温室产业还停留在比较低的水平，温 室环境调控指标含糊、控制精度低，更不能做到多种环境因子综合控制。由 于环境因素造成的作物生理障碍和侵染型病害的发生逐年加剧，严重影响了 园艺作物的产量和品质，挫伤了农民的生产积极性，阻碍了设施园艺产业的 可持续发展。近年来农业科研部门也研究出多种蔬菜高产栽培技术规范，但 由于大部分日光温室的环境控制条件简陋，农民科技素质较低，使得这些好 的技术措施不能准确实施，无法发挥出应有的效果。 信息技术被称作2 1 世纪的两大科技支柱之，是用来改造传统农业的 重要支撑和手段。如何利用高新技术改造传统农业，大幅度提高农产品质量 和经济效益是我们关注的焦点，也是解决问题的关键。近年来我国农业科研 部门也研究出适合我国国情的温室监控系统，并已取得了一定的效果。但是， 我国目前的温室监控系统普遍存在着“偏硬轻软”的问题，现有的温室监控 系统智能化程度低，他们能够自动采集温室内的小气候数据，但是用户往往 不知道如何使用这些数据进行温室管理，才能使特定的作物更好的生长发 育，并尽可能不发生或少发生病虫害。这些系统可以利用温室数据进行温室 内小气候的调控，但是调控的机制一般是比较死板的程式化设置参数，缺少 基于专家知识的、针对其体作物生理特点和病虫害发生规律的灵活调控机 前当 制。 冈此，本课题针对辽沈i i 型温室的结构特点和牛，“：条件，研制开发出一 种集多功能于一体的温室群环境管理信息系统。本系统通过对温室环境内机 构的控制，使温室内的环境因子达到适合作物牛长的要求，以期为温室环境 控制系统的进一步研究和实践作基础。本课题的研究与实施不仅将提高环境 控制的精确度、提高温室的管理水平，而且还能提高能源利用效率、提高温 宅的产量与质量乃至最终提高温室的社会效益与经济效益起到举足轻重的 作用。 二、国内外温室管理系统发展状况 ( 一) 国外发展状况 世界发达国家如荷兰、美国、英国等大力发展集约化的温室产业，温室 内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控。从品种选择、栽培管理到采 收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。一+ 些国家在实现自动化的基础 上，正朝着完全自动化、无人化的方向发展。几个设施栽培综合环境技术最先 进的国家，由于其地理位置、自然环境和经济基础不同，其发展的侧重点也 不同。 美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最 早、最多的国家之一。美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平 非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境( 气象环境和栽培环境) 进行监 测和控制。以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温 度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵工作 状况、c 0 2 浓度、e c 调节池和回流管数值、p h 调节池和回流管数值；室外监 控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室专家系 统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管 理工作量，同时也为种植带来很大方便( 周丽娟，2 0 0 4 ) 。 沈m 农业大学坝十学位论文 以尉艺、i t 著称的荷兰从2 0 世纪8 0 年代以来就开始全面开发温室计算机 自动控制系统，并不断开发模拟控制软件， = = i 前荷兰自动化智能玻璃温室制 造水平处十世界先逊水，拥有玻璃温室1 8 o 多亩，占世界1 4 以上，有8 5 的 温寄种植者使用环境控制计算机。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人 机交互乔面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正 值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便 于必要的数据查询，并能直接对计算机串行 _ _ 进行操作，完成上位机与下位 机之间的通信。软件结构可划分为参数设置、信息显示、控制三大模块。参 数设置模块包括系统参数、控制参数和报警参数设置。信息显示模块包括当 天一【作信息、历史信息、系统信息、报警信息和c t e o 输出模块。控制模块是 针对温室各气候因子和灌溉因子，包括采集和控制输出。这些模块的集成能 够很好地完成温室灌溉和气候的控制和管理( 程昱宁，2 0 0 1 ) 。 英国农业部对温室的设计和建造是很重视的，在一些农业工程研究所里 进行温室骨架与荷载、温室光照与材料、温室环境( 温室小气候、温、光、 湿、通风、c 0 2 施肥等) 与生理、温室环境因子的计算机优化、温室节能、 温室自动化控制、温室作物栽培与产后处理、无土栽培等课题的研究。英国 的温室管理全部采用计算机管理，主要控制温度、湿度、光照、通风、c o ， 施肥、营养液供给及温度、p h 值、e c 值等。伦敦大学农学院研制的温室计 算机遥控技术，可以观察、遥控5 0 公里外温室的温、光、湿、气、水等的 环境状况，并进行调控。 温室计算机控制和管理技术在亚洲同样得到了极大的发展。 日本在2 0 世纪8 0 年代中期应用于温室的计算机就达到了1 0 0 0 多台，目前 农业生产部门中计算机的普及率高达9 2 。日本利用计算机对温室温度、湿 度、c 0 2 浓度和施肥等进行控制，实现了灌水机械化、作业自动化、设施内 多功能管理以及机器人搬运。对温室内环境实施自动控制调节，所用设施包 括：补光灯、遮荫帘、加温降温系统、灌溉系统、c 0 2 施肥系统、双层保温幕、 刖晶 天窗控制系统等。计算机自动豁拧管理可以根据审内温、湿度和室外风速来 自动控制灭窗玎关、加温降温，定时调节温室内双层保濡幕、灌溉，还可以 根据室内c 0 2 港度润控c 0 2 施肥系统。同时可以自动记录并储存温室各环境 因子的数据、设施的工作状况，并能以曲线图的形式打印。 有“沙漠上的绿洲”美誉的以色列自然条件非常恶劣，。e 候干旱。但政府 非常重视和人力发展设施栽培。设旌内的灌溉目前已采用电脑控制和电脑水 质监测，位于办公室里的中心计算机对冈间的控制器进行通讯，可以方便地 进行遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到8 0 9 0 ，原本资源匮乏的以 色列成为沙漠上的蔬菜出口国。 此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。遥测技术( w i r e l e s s t e c h n o l o g y ) 、网络技术( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l - - i n t e m e tp r o t o e o f t c p - - i p ) 、控制局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 已逐渐应用于温室的管理与控制 中。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该 网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形 化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人身临其境 之感。 ( 二) 国内发展状况 改革丌放以来，随着城镇人口的不断增加及人民生活水平的不断提高， 人们对蔬菜的需求无论在数量、质量以及品种上均发生了巨大的变化，因而 使我国温室生产得到了迅猛的发展，目前已成为世界上设旌栽培面积最大的 国家。 我国对于温室控制系统的研究比较晚，农业计算机的应用开始于2 0 世 纪7 0 年代，2 0 世纪8 0 年代开始应用于温室控制与管理领域。 9 0 年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制 丌发了温室控制与管理系统，并采用v i s u a lb a s i c 开发了基于w i n d o w s 操作 系统的控制软件。 沈阳农业人学硕上学位论文 9 0 年代中后期，江苏理工大学毛罕平等研制，f 发了温室软硬件控制系 统，能对营养液系统、温度、光照、c 0 2 施肥等进行综合控制，是目前围产 化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。在此期间，中国科学院石家庄 现代化研究所、中国农业大学，中国科学院上海植物生理研究所等单位也都 侧重不同领域，研究温室设施的计算机控制与管理技术。“九五”期间，国 家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业( 设施农j 研究项日，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度，其中“九五”国家 重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了“智能型连 栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实旌”专题。 9 0 年代末河北职业技术师范学院的闫忠文研制了蔬菜大棚温湿度测量 系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。中科院合肥智能机械研究 所研制了“农业专家系统开发环境d e t 系列软件”和智能温室自动控制 系统，能有效提高作物产量、缩短生跃期、减小人工操作的盲目性。北京农 业大学研制成功“w j g 一1 ”型实验温室环境监控计算机管理系统，采用了分 布式控制系统。河南省农科院自动化控制中心研制了“g c s i 型智能化温室 自动控制系统”，采用上位机加p l c 的集散式控制方法，软件采用智能化模 糊算法。中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗温室计算机分布式 控制系统”，实现了计算机分布式控制，在国内处于领先水平( 何超，2 0 0 4 ) 。 我国温室自动控制系统正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性 应用阶段过渡和发展。但是由于我国的设施大多比较简单，大量的作业和调 整都要人工操作，环境因子调控程度较低，因此温室生产潜力和效率与国外 的“工厂化温室”生产相比尚有较大差距。 三、研究内容 1 本课题借鉴国内外温室控制系统的现有模式，设计一个由一台p c 机 ( 主机) 和四台单片机( 从机) 构成的温室群监控系统模型，目的在于提高 删舌 温室管理效率和管理水平。 2 在温室的分布式监控系统中，单片机弓微机之间的通信是整个系统的 天键。本课题对远距离的通信机制进行软、硬件的设计，制订切实可行的通 信协议，就如何提高p c 机与单片机之间通信的准确性、可靠性方面进行研 究。 3 根据温室和作物的特点，使用s o ls e v e r2 0 0 0 建立数据库包括参数 设置库、采集数据库、专家知识库和用户管理库。 4 本系统将提供自动控制和手动控制两种方式。在自动控制中，由于温 室环境是个大滞后、多输入多输出、非线性的控制对象，难以建立数学模 型，因此，使用模糊控制的控制方式。存手动控制中通过软件直接控制温室 内的控制设备。 5 完成以计算机为核心的辽沈i i 型温室群环境管理信息系统的设计与开 发，通过p c 机可显示每个温室的环境状况和设备状况：设置每个温室的控制 参数；实现对温室的远距离监测及对环境因子的采集，并能根据参数和相应 的算法对温室进行自动控制，最后以报表和曲线图的形式显示或由打印机打 印输出。 沈m 农业入学颀t 学位论文 系统设计方案 一、温室内影响作物生长的主要环境因子 温室内部的环境因子是植物生长的关键条件，不仅影响到植物的生长和 健壮程度，还会影响到植株的生长状况和花芽分化的好坏，从而影响到瓜果 菜类植物的早熟性、丰产性。所以，温室环境因子的测控对植物生长有着重 要的意义( 马明建，汗遵元，2 0 0 0 ) 。 设施园艺环境主要包括光照、湿度、温度、气体、土壤等因素，以光照、 湿度、温度、c 0 2 的变化比较明显，对作物的影响也比较大。 温度足影响园艺作物生长发育的最重要的环境因子，它影响着植物体内 一切的生理变化，是植物生命活动最基本的要素。植物在最适温度条件下， 不仅生命活动证常，而且生长发育迅速。如果温度超过最高界限或最低界限， 作物的生命就会不能维持以至于死亡。因此，对温室的温度调节应尽量按作 物生育所要求的适宜温度范围来进行。 蜊 延 图1 变温管理模式图 f i g 1p i c t u r eo fc h a n g et e m p e r a t u r em a n a g e m e n tm o d e 植物的生长发育要求一定的置夜温差即所谓温差周期。如果植物在昼夜 不变的温度条件下，其生长率情况都比较低。本系统的温度管理如图1 所示， 系统设计方案 将昼夜分为白天增进光合作用的时阳j 带、傍晚至前半夜促进光合产物转运时 问带、以及后半夜抑制呼吸消耗时问带，早晨至傍晚适当升高温度，以促 进同化产物f l 勺制造、运转手u 合理分配，同时降低呼吸损耗。实践证明变温管 理比恒温管理相比刁i 仅可以增加产量，而且可以提高产品品质，同时可以节 约能源。 空气湿度反映窄气中水蒸气含量的多少，用绝对湿度与相对湿度表示。 绝对湿度表示学位空气体积中所含水。气质量的多少；相对湿度是空气中实际 水气压与同温度下饱和水气压的百分比。生产中多用相对湿度表示。高湿是 园艺设麓湿度环境的突出特点。空气湿度的调控主要是防止作物沾湿和降低 空气湿度两个直接目的，如果作物沾湿能减少2 - 3 小时以上，即可抑制大部 分病害。 在设施环境调控中，土壤湿度的调控是最重要、最严格的环节。与宅气 湿度相比，土壤湿度比较稳定，变化幅度较小。土壤湿度受设施内温度、作 物生长情况、空气湿度及浇水等的影响较大。一般低温期土壤湿度容易偏高 且变化较小，高温期的变化较大。设施内各部位的土壤湿度因地温分布上的 不同而异。 光照对目光温室环境及栽培作物起主导作用。光照不足，作物制造养分 少，生命力减退，植株长势弱，容易发生病害，更主要的是温室增温有困难， 不但满足不了作物生长发育的要求，还容易发生冷害或冻害。 c 0 2 是园艺作物生命活动不可缺少的，是光合作用不可缺少的原料，具 有其他任何物质都不可替代的作用，是植物的嘻良食”。温室内的c 0 2 主要来 自大气( 大气中c 0 2 含量约为o0 3 ) 、作物呼吸作用、土壤微生物活动以 及有机物分解发酵、煤炭柴草燃烧等。所以，夜间温室内c o z 的浓度l t 夕l - 界 高，但是从清晨天亮之后，作物立即开始旺盛地进行光合作用，吸收了大量 的c 0 2 ，造成了白天温室内c 0 2 浓度t b 夕l - 界还低，不能满足作物高产栽培的 需要。据测定，蔬菜生长发育所需要的二氧化碳虽低浓度为8 0 1 0 0m l m 3 ， 沈阳农业大学硕士学位沧文 最高浓度为1 6 0 0 2 0 0 0 m l m 3 ，适宜浓度为8 0 0 1 2 0 0 m l m 3 。在适宜的浓度 范围内，浓度越高、高浓度持续的目t 阳j 越长，越有利于蔬菜的生长和发育( 张 彦萍，2 0 0 2 ) 。在温室生产中增施c 0 2 ，有利于提高产量。 作物在不同的生氏期对c o z 的需求量是不同的。一般情况下，作物具有 了一定的时面积才能开始增旋c 0 2 。一般苗期2 3 片真叶展丌时可增施c 0 2 ， 由于此时生长量小，对c 0 2 的需求量也相对较小，但此期增加c 0 2 能明显地 促进幼菌的发育。据试验，黄瓜苗定植前施用c o ：，能增产1 0 3 0 ：番 茄茵期旌崩c 0 2 ，能增加结果数2 0 以上。果菜类蔬菜定植到开花前一般不 施c 0 2 ，以免植物营养生长过旺，不利于开花结果，结果期是c 0 2 的最佳施 肥期( 亢立，2 0 0 0 ) ，是作物对碳水化合物需求量最大的时期，也是c 0 2 气 体施肥的关键期，此期即使外界的温度已高，通风量加大了，也要进行c 0 2 气体施肥。根据蔬菜的生理特点，光照达到一定强度( 1 0 0 0 3 0 0 0 勒克斯) 后，才开始大量吸收c 0 2 进行光合作用，因此一天中，日出后1 小时左右是 c 0 2 的最佳施用时间，遇到特殊情况可适当进行调整( 亢立，2 0 0 0 ) 。栽培 后期，生产量减少，栽培效益也比较低，一般不再进行施肥，以降低生产成 本。 二、温室环境的控制方式 温室并不能完全与外界隔离，受外界气象条件的影响，同时，还受温室 设簏的制约。因此必须根据作物需要的综合动态环境模型与外界气象条件， 采取必要的综合环境调节措施，将多种环境因素如温度、湿度、光照、c 0 2 等都维持在适于作物生长的水平，以期获得“优质、高产和低耗”的目的。 温室环境控制主要采取两种方式：单因子控制和多因子综合控制。 1 单因子控制。单因子控制是相对简单的控制技术，在控制过程中只对 某一要素进行控制，不考虑其他要素的变化和影响。例如，在控制温度时， 控制过程只调节温度本身，不理会其他要素的变化和影响，要改变其它因素， 系统设计方案 则要实施另外的控制过程，才能达到一定温度条件下与其它相关环境因素的 配合。因此，在保证作物获得最佳环境条件方面有一定的局限性。 2 多冈_ 了综合控制，电称复台控制。实际上温室各因子之问对气候的影 响不足孤立的，影响作物生长的众多环境要素之闻是相互制约、相互配合的， 当菜要素发生变化时，相关的其他因素也要相应变化。如随着温室内温度 的升高，湿度将随之降低；随着光照的加强，温室温度也会随之升高：系统 通风会降低湿度，同时也降低了温度等等。因此在调节温室环境的时候，要 对各凶子综合考虑。这种控制方法复杂一些，但能使几个主要环境因素随时 处于最佳配合状态。 本课题采用多因子综合控制方法。对温度、湿度等因子综合考虑，将各 因子控制在最佳范围内。同时考虑到温室较大，对温室采取多点采集( 室温 3 点，地温1 点、空气湿度2 点、土壤湿度l 点、光照l 点) ，将温室分为东、 中、西三部分，进一步保证了控制的精确性。在管理信息系统设计时，为了 以后发展，考虑了c 0 2 浓度的设计。 三、系统的总体结构 温室控制系统是一个复杂的控制系统，它要求对室内外的各种参数进行 自动监测、信息处理、实时控制等。由于本系统是主要是针对由四个辽沈i l 型温室构成的温室群而提出的，每个温室由下位机( 单片机控制系统) 进行 分敞性控制，放在管理室中的p c 机对温室群集中管理，p c 机不仪可以对下 位机的数据采集和控制，而且还能够根据用户的要求分析数据。因此，本文 提出的温室监控系统采用了基于r s 一4 8 5 的温室现场总线控制模式结构。 如图2 所示，基于r s 一4 8 5 的温室控制系统是由上位机( p c 机) 、下位 机( 单片机) 及执行机构组成。下位机主要用于对数据采集，实时监测温室 内的环境因子，完成与上位机的通信。上位机用于对温室的管理，可以采集 f 位机数据，对下位机进行实时控制。r s 4 8 5 是主从节点工作方式，各个现 沈阳农业：t 学硕士学位论文 场控制器是由p c 机统一管理。r s 一4 8 5 总线属于b i t b u s 总线，传输距离可 达到1 2 0 0 m ，传输速度达7 6 8 k b p s ，多达3 0 个节点并行连网。r s 一4 8 5 总线 是半双工的，可以满足温室控制这样一个火滞后的系统。 图2 通讯网络结构图 f i g 2n e t w o r ks t r u c t u r eo fc o m m u n i c a t i o n 四、p c 机系统功能的总体设计 如图3 所示，按照系统需要完成的功能来设计p c 机管理信息系统的各 个模块。 图3p c 机系统功能 f i g 3p cs y s t e mf u n c t i o n 系统设方案 1 实时监测模块 查看、打印实时数据。 查看设备状态。 2 智能决策模块 通过模糊控制来调节温窀内的温度、湿度等环境因子，创造出适合作物 牛长的合适温室生态环境。 3 专家知识模块 此模块的目的是为了帮助用户咨询作物的栽培技术、了解作物生长知 识。 4 数据管理模块 在此模快可以查询和修改数据，并可以根据用户的要求打印数据。 同时可以对每一天的数据以图形和图表两种方式显示。 对数据库进行及时的备份和恢复，以便当系统发生故障时，能够将 系统恢复到发生故障之前的状态。 5 通信管理模块 在本系统中，通信管理模块完成本系统的所有通信功能。包括下位机校 时、控制参数的传递、历史数据和实时数据的采集等功能。 6 参数设置模块 在本系统中，作物的生长参数、温室环境因子的控制参数以及系统的其 它参数等需要系统和用户来设置的参数在此模块中进行设置。 7 帮助模块 系统提供的帮助文档，详细讲解本系统的使用方法、操作过程等，帮助 用户学习和掌握本系统的操作方法。 五、开发工具的选择 1 数据库开发工具 沈酊农业大学填 。学位论冀 数据库开发聚用s q ls e v e r2 0 0 0 系统。s q ls e v e r 不是一个数据库，而 是一个关系型数据库管理系统( r e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，简 称r d b m s ) 。s q ls e r v e r2 0 0 0 具有 f 常强大的关系数据库创建、开发、发 计及管理功能，在运行时，能动态的配置运行环境，优化和简化了许多服务 器配置选项。随着s q ls e v e r 2 0 0 0 用户的增多，能够动态的请求追加的资源： 随着工作量的减少s q ls e v e r2 0 0 0 会将多余的资源释放给系统；管理s q l s e v e r2 0 0 0 的操作可以高度自动化，可以解放数据库管理员；s q l s e v e r2 0 0 0 还具有可收缩性和高可靠性。另外，s q ls e v e r2 0 0 0 使用方便、与相关软件 集成程度高，特别是与m i c r o s o f t 公司的其它产品及第三方产品具有良好的 兼容性，具有对开发工具的良好支持，可用于火型联机事务处理、数据仓库 以及电子商务等。 s q l s e r v e r2 0 0 0 是基于客户机服务器架构的，方便系统曰后向i n t e m e t 和i n t r a n e t 扩展，因此选用了s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管理系统。 2 上位机界面开发语言 本系统的开发语言选用v i s u a lb a s i c ( 简称v b ) 。v b 是面向对象的 w i n d o w s 应用程序的开发工具，它以对象为基础，弗运用事件驱动机制实现 对w i n d o w s 操作系统的事件响应，具有高效、简单、易学和功能强大等特 点。v i s u a l b a s i c 提供了大量控件，可用于设计界面和实现各种功能，程序员 可以通过拖放操纵完成用户界面设计。与其它w i n d o w s 应用程序丌发工具 相比，在设计用户界面时十分方便，大大减轻了工作量，简化了界面设计过 程，有效地提高了应用程序的运行效率与可靠性。 v b 支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式，事件 可由用户操作触发，也可由来自操作系统和其它应用程序的消息触发，甚至 由应用程序本身的消息触发，这有利于在控制程序中对动画和实时信息的处 理( 汪仁煌，汪锐，2 0 0 1 ) ，并可以使用无限扩增的空间；通过动态数据交 换技术，v b 应用程序能与其它w i n d o w s 应用程序建立动态数据交换，实现 系统设计办寨 f ：同程序之f j 的数据通信：d l l 可以象调用v b 蕊数一样凋用其它语言编写 的过程函数、w i n d o w s 应用程序接v i ( a p l ) 函数：v b 对对象链接与嵌入 ( o l e ) 的支持，使得其它应用软件可作为一个对象嵌入v b 应用程序r h 就象v b 本身的空间一样；v b 提供了三种数据库编程对象( d a o 、r d o 、 a d o ) 和丌放数据库访问功能( o d b c ) ，可通过直接访问或建立连接的方 式使用并操作外部数据库。利用v b 的这些功能可以高效快速地开发出 w i n d o w s 环境下功能强大，良好人机界面的应月j 软件。 沈阳农业人学坝l 学位论卫 串行通信的设计 一、串行通信的类型及特征 ( 一) 串行通信的概念 简单地说，通信就是两个人之例的沟通，也可以说是两个设备之间的数 据交换。人类之f u j 的通信使用的是通信一【具，而设备之间的通信则是使用电 信号。所谓串行通信是指使用条线路传送信息，一次传送一位，如8 位的 数据信息分8 次传送完毕。 ( 二) 串行通信的传输方式 通信传输方式分为信号传输方式和线路传输方式两部分。信号传输方式 是指按信号原样传输的基波传输，或是利用原信号调制成高频载波的载波传 输。线路传输方式是指通信双方设备的线路可选择单工、半双工和全双工。 在串行通信中，数据通常是在两个站( 如微机、终端等) 之间进行传送， 按照数据流的方向及对线路的使用方法分为以下几种基本传输方式。 1 单工方式 在传输线路上，数据只能按一个固定的方向传输，并且是交互式的，其 示意图如图4 所示，这种单向连接的用途较窄，仅适用于些简单的单向通 信或数据传送的场合。 图4 单一i ：方式 f i g 4s i m p l e xo p e r a t i o nm o d e 2 半双工传输方式 当使用同一根传输线既作输入又作输出时，虽然数据可以在两个方向上 传送，但通信双方不能同时收发数据，这种传输方式就是半双工传输方式， 半打通 言的设计 如图5 所示。通信系统的每一端的发送器和接收器，通过收发丌关接到通信 线上，利用收发切换开关进行通信方向的切换。虽然半取l 方式凼线路反复 切换会产生延迟积累而导致其效率卜降，但由卡它经济实用，在传输效率要 求不商的系统中得到了广泛的应用。 设备1设备2 图5 双工方式 f i g 5h a l f - d u p l e xm o d e 3 全双工传输方式 当数据的发送和接收分别由两根不同的传输线传输时，通信双方都能在 同时刻进行发送和接收操作，这样的传输方式就是全双工传输方式，如图 6 所示。 设备1设备2 蚓6 全双工方式图 f i g6d u p l e xm o d e 在温室控制系统中，由于对实时的要求不是很严格，考虑到经济实用， 在本课题中采用了半双工的通信方式。 二、串行通信的接口比较 在进行串行通信的线路连接时，通常要解决一个重要问题，就是计算机 与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接口标准，包括电缆 的机械特性、电气特性、信号功能及传送过程的定义，它属于i s o 七层参考 模型中的物理层，它规定了传送数据位的物理硬件规则。 表1 对串行通信的3 种接口标准的工作方式、盲接传输的最大距离、最大 的数据速率等特性参数进行了比较。由表1 可见，r s 4 8 5 通信方式与r s 一2 3 2 沈阳采业人学碗卜学论文 相比有很多优点。首先，它的通信距离比r s 一2 3 2 要远得多，通常可以做到数 百米甚至数千水以上，而且还可以实现多点通信方式，从而可以建、) ：起一个 小范围的局域网，因而其更有实用价值。r s 4 8 5 采用差信号模式，与地电平 关系不大，因此它的抗下扰能力i ：l r s 一2 3 2 强得多，即便在信号电压比较小的 情况f 也能获得稳定的传输。 表1r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口电路特性比较 t a b l e1c o m p a r eo f r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5i n t e r f a c ec i r c u i tp e c u l i a r i t y 鉴于r s 4 8 5 本身的诸多优点，在本课题中采用了r s 一4 8 5 的通讯方式。 r s 一4 8 5 是美国电子工业协会( e i a ) 制定的利用平衡双绞线作传输线的多点 通讯标准。r s 一4 8 5 的信号将被传送出去时会先分成正负两条线路，当到达接 收端后，再将信号相减还原成原来的信号；如果将原始的信号用( d t ) 表示，而 被分成的两个信号分别表示为( d 十) 及( d ) ，则原始的信号与离散的信号在由 传输端传送出去时的运算关系如下： ( d t ) = ( d + ) 一( d 一) 同样，接收端在接收到信号后，也依上式的关系将信号还原成原来的样子。 这时在两条传输线上的信号分别成为( d + ) + n o i s e 及( d ) + n o i s e ，如果接收 端接收此信号，它必须按照一定的方式将其合成，因此合成的方程式如f ： ( d t ) 2 【( d + ) + n 0 1 s e 】一 ( d 一) + n o i s e = ( d + ) 一( d - ) 此式和前式结果一样。所以使用r s 一4 8 5 可以有效的防止噪声的干扰。 r s 一4 8 5 最大通信距离可以达到1 2 k m ：最大可连接3 2 个驱动器和收发器； 接收器最小灵敏度可达m 2 0 0 m v ；最大传输速率可达2 5 m b s 。目前己在许多 方面得到应用，尤其是在多点通信系统中，如工业集散分布系统和考勤机的 联网中应用很多，是一个很有发展前途的串行通信接口标准。 p c 机本身并不具备专用的r s 一4 8 5 通信口，由于r s 一4 8 5 与r s 一2 3 2 的工作 电平彳i 同，工作方式与控制机理也有差别，故在电路中需要使用电平转换器， 将r s 一2 3 2 信号转变为r s 一4 8 5 信号，因此在p c 机端使用了t r a n s i oa 5 3 ，其特点 如下： 内置数据流向自动控隹i j a d d c ( a u t o m a t i cd a t ad i r e c t i o nc o n t r 0 1 ) ，使 r s 4 8 5 不需手动切换串口传输速率。 具备l e d 显示电源和信号状态。 当2 个信号在r s 一4 2 2 4 8 5 端短接在一起时，具有电流过载保护功能。 在r s 一4 8 5 多点操作系统下可连接3 2 个点。 浪涌保护、光电隔离，且内建终端电阻。 只需外接一个3 0 v 电源，传输速率最低为5 0 b p s ，最高可达9 2 1 6 k b p s 。 三、串行通信协议 所谓通信协议是指通信双方的一种约定。在约定中包括了数据格式、同 步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及对控制字符定义等做出了统 一规定，通信双方必须共同遵守。因此也叫通信控制规程，或称传输控制规 程。目前采用的串行通信协议有两类：异步通信和同步通信。 由于r s 一4 8 5 总线只制定了物理层电气标准，对上层通信协议没有规约， 这给我们提供了很大的灵活性。- - 一套完整的通信协议应从多个方面加以考 洗刖农、i p 丈学砸j 。学位诊史 虑，既要结构简单、功能完备，义耍具有可扩充性与兼容性，并且尽量标准 化。 存本课题中使用异步通讯协议。异步传输格式亦称起止式异步协议，通 信双方以一个字符( 包括特定附加位) 作为数据传输单位，且发送方传送字符 的间隔时间是币定的。在传送一个字符时总是以起始位丌始，以停止位结束。 通信协议足通信双方共同遵守的，要想使通信双方能够正确地交换信息和数 据，在协议中对什么时候开始通信、什么时候结束通信、何时交换信息等问 题都必须做出明确的规定。在本课题中实现的足多机通信，根据多机通信原 理，设定了如下的通信协议。 1 基本桢格式 基本桢格式定义了通信传输中的数据包格式，其结构如表2 所示 表2 基本桢格式 t a b l e4t h eb a s i c a lf r a m e ( 1 ) 结束字符用于表示通信结束，本系统约定值为0 f h 。 ( 2 ) 下位机号：表示要与哪一台下位机进行通信，每一台下位机对应一个 号码。 ( 3 ) 命令字段：用于指定具体的命令操作内容。 ( 4 ) 数据序列：通信中需要传输的数据内容。为了提高通信的可靠性和效 率，数据序列不宣太多。当上位机对下位机执行读操作时，桢格式中没有数 据序列及其校验和，而是从下位机读取数据。 ( 5 ) 校验和：校验和是对数据序列的累加校验和，产生一个双字节校验字 符附加到数据块结尾，在本系统中使用c r c 校验方法。 2 c r c 校验 当卜位机发出的命令是要求从机同送一批数据时，为保证传输信息的准 确性，进新保证系统做出正确控制判断，对这部分传输数据采取c r c 校验。 c r c 是用在通信中的一种检错码，它虽然不同于可以纠正错误的纠i f 码，但 是【i j 以通过重传机制达到纠锗的目的。检错码原理简单，实现容易，检错能 力强，编码与译码速度快，占用系统资源少，软硬件均能实现，目前在各种 数据校验中得到了广泛应用。 从机在上传数据时，要传输的数据量较大，数据以块的形式传送，这种 用块方式发送有很多好处：首先，块中每个位置的数据有其特定含义，可以 使通信双方方便理解这些数据的意义；其次，便于对数据进行校验，校验码 加在数据块后一同发送，接收方收到数据后以相同方式进行校验，校验结果 余数为零，表示接收正确，否则放弃该接收数据，请求重发，因此可以提高 数据传输的可靠性。上传数据块的格式如图7 所示。 i 星”) n + 2 ( 数据 数据数据数据 c r c l c r c 0 字节数】字节1字节2字节n 、 参与校验的数据字节 图7 从机上传数据块格式 f i g 7d a t ab l o c kf o r m a ts e n tb ys u b s y s t e m ( 1 ) c r c 校验原理 c r c 码检错方法是将要发送的数据位序列当作一个多项式p ( x ) 的系数， 例如1 1 0 0 1 0 0 1 表示为 l o x 7 + 1 x 6 + o o x 5 + o * x 4 + l x 3 + o x 2 + o x + l ，即x 7 + x 6 + x 3 + 1 发送双方预先约定生成多项式g ( x ) ( 其首位和末位的系数必须为1 ) 。 若生成多项式为r 阶，在数据块尾添加r 个0 ，得到多项式x p ( x ) 。发送方用 g ( x ) 去除x r p ( x ) 求得一个余数多项式r ( x ) ，将r ( x ) j 1 3 在p ( x ) 后就生成编码后的 带c r c 的信息多项式t ( x ) 。用公式表示为： t ( x ) = x 。p ( x ) + r ( x ) 沈m 农业 学碗：i 。学位论文 接收方用同样的生成多项式g ( x ) 去除接收到的t ( x ) ，得至啦彬掰激多项式 r ( x 1 。如果计算余数多项式为零，川表示传输无差错：如不为零，则表示传 输有差错，由发送方重发数掘，直夸一确为止。表5 给出了几种标准生成多 项式，在本课题中采用c r c i t u 帧校验方案。 ，髭3 标准生成器多项式 t a b l e3s t a n d a r dg e n e r a t o rp o l y n o m i a l + 前称c r c c c i t t 。 ( 2 ) c r c 校验过程 各下位机向上位机传输采集数据时，分别要对发送的数据进行c r c i t u 校验。下位机对要发送的数据进行c r c i t u 校验，校验后得到的两个校验 字节放在要发送的数据后面，一同组成发送的数据块。 上位机接到数据后，按照同样的校验方式对收到的数据及两个校验字节 都进行校验，如果校验结果为0 x 0 0 0 0 h ，说明接收正确，否则认为数据错误， 便会要求从机重新发数。 计算c r c 校验码的程序如下： f u n c t i o nc a l c r c ( b d fa sl o n g ) a sl o n g i f b d f = 0 t h e n c a 】c r c = 0 ! 垒望苎塑篓生 e x i tf u n c t i o n e n d “ a 】= 7 c l = b d f + 2 “1 6 c 2 = 6 9 6 6 5 + 2 n7 d o p r e c l = c 1 c i = c 1x o r c 2 d o a i = a l l l f c l p r e c lt h e u c 12 p r e c lx o r ( 6 9 6 6 5 + 2 “a 1 1 e i s e e x i t d o e n d i f l o o p c 2 = 6 9 6 6 5 2a a l l o o pu n t i lc 1 乏亘 ( 耍 i ! 壁多 亟) ( 垂j ) ( 夏丐7 7 f 正一 图8 串行通信的格式 f i g 8t h ef o r mo f s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 每桢数据由1 1 位组成，即1 位起始位，8 位数据化，1 位奇偶校验位，1 位 停止位。 4 波特率的选择 上下位机的通信速率要求一致，如果发送端和接受端的波特率不一致， 则在数据的连续传输过程中，接收端对数据位的采集点将愈来愈偏离周期的 中点，产生累积误差，最终导致通信紊乱。本系统中，上位机和下位机约定 采用的波特率为9 6 0 0 b p s 。 5 上位机和下位机的关系 在本系统中数据采集和控制工作采用主从式管理，p c 机是主机，卜位 机是从机。主、从机之间采用定时轮询方式通信，从机之间不能互相通信。 1 ) 下位机始终处于从态，上位机为主态。任何一次通信总是由上位机发 起。 2 ) 从机在确认本次通信是针对自己后，将分机号发往主机，以通知主机 自己已经准备接收命令或数据。如果主机长时间接不至u 这种应答信号，会再 发两次该从机的地址帧，如仍收不到应答信号，将认定出现错误，显示系统 出错信息，并转去进行与其它从机的通信。 3 ) 当上位机发出的命令是要求从机回送一批数据时，该从机将要组织好 要发的一批数据，并启动发送程序。为了提高数据发送的准确性，要求数据 打包处理，以减少每次所要发送的数据量，提高通信的可靠性。 4 ) 当主机和从机进行通信时，如果传送的数据不正确，则主机将再发送 串行通信的设i 十 两次，如果仍然不【卜确，则提示是否退出，如果不退出则向下一个从机发送 数据。 5 ) 下位机接收或发送数据完全处于t ，断t 作方式，根据上位机发送的命 令来判断是接收还是发送数据。在中断程序中，用结束字符来判断数据接收 或发送是否完毕。接收或发送完所有数据后，中断返回，准备进行下一次数 据的传送。 本系统通信的流程图如图9 所示，在第。次串行口初始化时，将m a r k 位 置3 ，此时发送的是地址。第二次初始化串行几将m a r k 位置0 ，此时发送的是 数据。 图9 上位机通信流程图 f i g 9c o m m u n i c a t i o nf l o w c h a r to f t h eu p p e r - o r d i n a t ec o m p u t e r 沈睇j 农业人学颂i 学位论义 6 1 上位机和f 位机之间规定了如表4 的命令字。 表4 系统命令字 t a b l e4c o n m l a n dc o d eo ft h es y s t e m 操作命令命令字操作命令 具体操作命令字 复位命令 7 f h刊温 1 1 h 发地址帧1 2 5 5降温 1 2 h 下 系统校时 0 1 h 传 空气湿度( 升) 1 3h 控 下传上、下限 0 2 h制 空气湿度( 降) 1 4 h 机 上传采集数据 0 3 h 构 十壤湿度( 升)1 5h 命 上传各设备状态 0 4 h 令 一 十壤湿度( 停)1 6h 昌 上传历史数据附注 z 光照( 升)1 7 h 一 不正常标志f f h 光照( 降) 1 8h 正常标志 2 1 h c o ：发生器( 升) 1 9 h 琏：命令为0 6 h ，压否正确发送要采集的天数f 位机将每天采集的数据打成个数据包上传。 四、w i n d o w sa p i 函数 上位机的通信程序采用了v c + + 编写，将v c + + 中编写的程序构件d l l 文 件，在v b 6 0 中调用。在v c + + 中使用了w i n d o w s a p l 函数进行编写通信函数。 w i n 3 2 a p i 作为m i c r o s o