国内温室环境在线控制系统研究进展.docx

78国内温室环境在线控制系统研究进展吴小伟1，史志中1，钟志堂1，武文娟2，张璐1，丁莉1，崔军1 (1江苏省农业机械技术推广站，210017；2南京交通职业技术学院，211188)摘要：综述了温室在线控制系统的研究现状，按照温室在线控制系统的控制方法将系统分为基于单片机控 制、基于plc控制、基于网络技术控制、基于工控技术控制(ipc)、基于总线技术控制等几类。目前温室 在线控制主要还是采用分段式控制和人工设定相结合的方法。未来温室在线环境控制的研究重点是控制系 统的智能化和信号传输的无线化，通过综合考虑环境因子、作物生长及经济性等因素来获得适合作物最佳 生长条件的智能决策支持及控制系统将是未来温室在线控制系统的发展方向，从而达到增加作物产量、改 善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。 关键词：温室环境在线控制单片机总线技术plc工控机网络技术research progress of on1ine control system in domestic greenhouseenvironmentwu xiaoweil，shi zhizhon91，wu wenjuan2，zhang lul，ding lil，cui junl (1agricultural machinery technology extension jiangsu china,210017 2nanjing communications institute oftechnology,2 1 1 1 88)abstract：overview of the present situation of on-line control system in greenhouse，according to the control method of on-line control system，greenhouse is divided into based on singlechip microcomputer(scm)control， based on plc control，based on network control，based on industrial pc(ipc)and based on bus technology contr01currently,on-line control in greenhouse mainly uses the segmented control and manually set methodin the future，oil-line control in greenhouse is smart and wireless control systemthrough integrated considerenvironment factor,crop growth and the economic sexual factors to obtained best growth conditionj for crop，the smart decision-making support and the control system is the development direction of online control system ingreenhouse，thus reached the purposes of increased crop yield，improved quality,regulation growth cycle andimprove economic benefitskeywords：greenhouse environment,on-line control，scm,bus technology,plc，ipc，network technology0前言温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过对温室环境因子如温度、湿度、光照强度等的改 变来获得适合作物生长的最佳条件，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的 目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。近年来我国加大了 对设施农业生产的研究，在可控环境农业方面开展了许多研究工作并取得了一定的成果 。农业装备自动 化是未来农业发展的重要途径之一【2。3】，因此，温室环境的自动化监控作为多个温室大棚同时管理的有效措 施是实现农业生产自动化、高效化的关键环节之一，也是现代温室的发展方向。79本文按照温室在线系统的控制方法进行分类(主要按基于单片机控制、基于plc控制、基于网络控制 和总线技术)，对我国温室在线控制系统的研究现状作了详细的分析，为后续开展温室在线控制系统的研 究作铺垫。1温室在线控制系统研究概况我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代，该技术仅限于温度、湿度和c02浓度等单项 环境因子的控制45】。由于我国农业现代化水平较低，温室的一次性投资大，资金短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的发展【67】。从温室控制技术的发展状况来看，大致经历了手动控制、自动控制、智能化控制3个发展阶段【8】。 温室在线控制系统的设计不仅要符合国家相关标准及规定【9】，而且要充分了解不同传感器的工作原理及组合方式，从而选择合适的传感器及控制器【10】。温室环境控制系统需要优化布置温室内的传感器位置， 使获得的信息能准确地反映温室内的状况，白天使植物获得最大的光合速率，夜间在满足植物生长和积温 要求的前提下使温室在能耗最小的状态下运行，提高温室环境的控制效果和减少调控所需的能源消耗【1 112】。将多种控制算法交叉与融合的混合控制算法应用到现代温室环境智能控制中，探索新型温室内环 境和生物信息的获取方法，开展温室内小气候模拟和实验研究，建立基于模型的温室加温控制目标计算机 优化系统，为实现温室内作物生理指标的智能控制、智能控制系统硬件配置及结构优化提供了理论依据【13-18。11基于单片机的温室在线控制 目前，温室控制器的结构主要是以单片机为主控制系统，一般以mcs51系列为基础，采用8位cpu，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的，其拓扑结构为集中式控制方式19-31，典型结构如图1所示。模拟1一i蕊卜l传感器卜_ad|开关温山u室io中间继电器 执行机构图1单片机控制系统结构图fig1 flow chart of mcu control system以单片机为控制器的农业设施环境数字化监控系统可实现相应的软硬件配套方案，软件还具有利用市 话网进行数据传输、远程监控的功能、自动巡回检测温室的温度、湿度及光照等参数，可实现温室多点参 数监测且具有报警、控制及数据打印输出功能和自动控制功能32-37。汪小品等人38-4h i：a单片机为下位 机，以pc机为上位机，完成温室环境在线监测系统，下位机主要完成温室内温湿度的测量、数据处理、输 出控制以及与上位机进行通信等任务；上位机主要完成设定下位机的控制参数、监测温室内的状态以及保存下位机传送过来的实时数据等任务，实现上下位机之间的数据交换。李志伟等人42】建立了以温度为主 参量的日光温室综合环境调控模式，利用803 1单片微型计算机实现了对日光温室综合环境的动态优化平衡 调控。齐文新43】等人4344研制了分布式智能型温室计算机群测控系统，该系统体系结构为中心计算机和单片机智能控制仪的主从式结构，采用实时多任务操作系统和农业温室专家系统的人工智能技术对温室内外环境因子进行实时监测和智能化决策调节。王成等人4546研制了以单片机为核心的which1型温室 环境信息采集器，实现了对温度、湿度、光照强度、c02浓度、叶面湿度、营养液液位、ec值、ph值等 温室环境信息的实时数据采集和数据存储、处理，并以模糊控制理论为基础，计算机控制技术为平台，设80计了一个基于模糊控制技术的计算机温室控制系统。 12基于plc的温室在线控制温室控制系统中的plc主要用于动态、实时监测室内外环境因子的变化，根据作物生长的要求对参数 进行匹配，同时完成与上位机的通信。但是由于工业控制器价格较高，广泛用于温室控制系统还受到限制。 基于plc的温室控制系统是由上位机、plc、数据采集单元及执行机构组成47-49，其结构如图2所示。图2plc温室控制系统图fig2 greenhouse control system of plc structure谢向花等人5052通过分析温室执行机构的相应动作对环境因子的影响，将可编程控制技术、变频技 术、组态监控技术和传感器技术应用于温室控制系统的设计，并通过程序对采集到的各参数与设定的控制 目标进行比较判断，判断结果通过可编成控制器的输出继电器转化为对执行设备的控制，从而实现温室温 度的自动控制。唐立伟等人5357对温室测控系统的总体方案进行分析设计，提出采用单片机和plc串lzl 通讯技术相结合的方式实现数据采集功能，用组态软件mcgs编写上位监控界面，与普遍采用的上位pc 机和下位plc采集数据的方式相比，系统实现更加简单、经济。呼天星58研究了plc智能控制在棚栽温 室上的应用，通过先进的现场总线技术实现多台plc、多个温室的网络化分布式控制，实现大型连栋温室 集群控制。13基于网络技术的温室在线控制近年来，随着无线通信技术的高速发展，遥感与地理信息系统(gis)技术也成功地应用于作物长势、种植面积、产量、灾害、水土流失等方面的监测【5961】，尤其是从点对点传输的红外技术，到短距离的蓝 牙技术、小型化、模块化、无线手持式、单点对多点个人局域网，以及长距离的gprs、gsm、cdma等 6266】，通过远程信息采集与监控技术，可以把分散的农业设施连成统一的整体67】。如何快速、有效采 集和更新影响作物生长环境的空间变量信息，成为实现精准农业的重要基础6869。丁为民等人7071采用网络控制系统结构和模糊控制技术使系统具有扩展容易、鲁棒性强的特点，有 效地解决了温室环境参数变化规律随大气环境变化这一时变系统的控制问题。sms(short message service) 方式是基于gsm移动通讯网络72】，把采集到的地块信息就地存储为数据交换文件，然后通过相应数据接 口导入到监测更新服务中心。于海业等人73。74详细阐述了基于internet温室环境控制系统软、硬件组成 和工作原理，指出了如网络控制器的模块化、标准化、多种作物生长发育适宜环境参数的温室生产智能管 理的软硬件平台、专家系统的研究开发、通讯技术、远程精确控制技术的开发研究等需要解决的关键技术 问题。刘士光等人75】设计了具有层次发散链式结构和主从工作模式的控制系统，还分别介绍了在主从控 制结构中以功能强大的新型单片机c8151f005为核心的温室测控仪表的组成和设计方法以及作为主机的 工控机的接口电路和控制软件的设计方法。苏晓峰等人76】提出了一种基于java的无需安装配置控制端软 件的新的温室远程控制体系结构，该系统通过互联网动态构建，用户只需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。白占元等人77采用了无线传感器网络技术和以太网技术对温室中各环境因81素进行自动检测、信息处理与实时控制。习智华等人78801设计了一种以具有zigbee无线数据传输功能 的jn5121模块为核心，以arm9为核心扩展多种资源接口作为监控系统主机硬件，在linux操作系统平 台下使用minigui编制监控功能和人机交互界面，实现无线传感器网络自组网和监测数据的自动汇聚81， 实现了无线传输、自适应组网、自动发现新加节点和失效节点、传感器类型可扩展、实时密集监测等功能， 实现了单区域与跨区域2种工作模式8283。沈敏等8485通过对传感器节点和移动式汇聚节点短距离动 态组网形成自组织星型网络，以降低传感器节点能耗，延长网络寿命。黄晓鹏86】等针对北方沼气加热温 室的特点，设计了一种基于dsp与蓝牙无线传输技术的分布式温室监控系统，系统的可靠性和抗干扰能力 都得到了较大的提高。姜俊君等人87】研究了以现场总线、gsm、cdma和互联网通讯技术为载体，完成 设施栽培环境参数和室外气象参数的采集与监控，并通过人为调控设施装置，改善作物生长环境，同时也为设施硬件系统安全提供实时监测和越限预警保护。史国滨等人8890提出了一种基于gprs和web技 术的远程监测系统，并构建了基于asenet的bs的“瘦客户模式，通过浏览器实时浏览监测数据，并能 进行历史数据查询、实时数据查看、k线图显示、气象预警信息、温室气象预报、应用示范介绍、手机短信提示、实时图片显示等功能。常超等人91】构建了基于无线传感器网络的精准农业监测系统，提出了三 层监测网络结构，详述了无线传感器网络的构建及数据传输过程，结合gprs网络实现了信息的远程实时 交互。梁居宝等人9293根据温室环境的特点提出一种基于3g无线通信技术和vpn虚拟专网技术的温室远程监控系统，能满足各种环境因子的数据采集及多种温室辅助设备的远程控制。 14基于总线技术的温室在线控制141基于485总线温室在线控制 近年来，我国科技工作者在吸收国外发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室内部环境因子控制技术的综合研究。例如采用rs485总线作现场总线，可与远端的气象站通信，以获得室内外温度、 湿度及室外光照、降雨、风速、风向等参量9495】，还可与其他控制器及上位机进行通信，构成更大范围 的温室环境自动控制系统。rs-485总线属于bit bus总线，传输距离约为1200 m，传输速度达768kbps，多达30个节点并行连网9697。rs-485是主从节点工作方式981 00】，各个现场控制器之间的通讯靠单主 机完成，难以实现各节点之间的数据交换，在实时性要求较高的场合和多主机通信时有一定难度。但温室 控制系统是一个大滞后系统101103】，采样时间较长，对实时性要求不是非常严格，因此采用rs-485组成现场总线控制系统是可行的。 董乔雪等人104105基于对同一地区的多个温室进行群控管理的思想，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，采用rs485通信网络和逐级验证的通信算法进行数据传输，通过实时 读取和历史存储温室内环境参数值和报警信息来监测温室的运行情况，实现了上位主控pc机与下位智能仪 表的数据通讯。王风云等人106107研究了基于单片机at89c51的rs-485总线网络扩展方法，设计一种 全分布式控制系统，可以根据实际需要把rs485总线扩展至4支路、8支路和12支路，在结构和功能方 面可方便地进行扩展。142基于can总线的温室在线控制 目前can总线在工业控制中已得到广泛应用108109】，如工业自动化、环境控制设备、交通工具等领域。由于can总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性价比高等诸多特点，但是can总线在农 业环境中的应用还非常少。温室是一个复杂的控制系统，要完成复杂的集中控制模式有一定的难度1101， 而can总线的出现恰好解决了这个问题。can总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网82络的总线111】，基本的can总线控制系统方案如图3所示。上位机fcan,b线i一，j1蚴l厂娩1一国图3 can总线控制系统图fig3 can bus system structure董健康112j131等人提出基于can现场总线温室智能控制系统模式，采用单片机系统开发了can智能节 点，can智能节点主要由主控制器、can控制器和can收发器组成，智能节点的结构如图4所示。此节点 除了作为一般的输入输出外，节点还带有232和485接口，可以代替can通信适配卡与上位机通信，另外节 点还带有模数转换器adc0832，可以直接输入模拟量。can控制器广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一sjal000一。：i图4智能节点图fig4 structure of intelligent node汪永斌等人【1141采用新型的数字式温湿度一体化传感器(ltm 8901)和一线总线结构，研制了一种适用 于温室群的温湿度全数字自动监控系统，可在100天内以小时为单位设定温湿度值并记录实测值。李星恕il”j 等人提出了基于植物生理信息数据库的can控制器温室环境监控系统，并就其软硬件设计做了详细的分析，提出未来温室控制系统的发展趋势一高层管理与控制网络化、现场检测与控制单元的现场总线化、161温室调控系统的行业标准化。杜辉等人【117】在单栋温室中将蓝牙技术用于连接各种检测装置、执行机构以及控制器，各个温室之间采用can总线相连，构成一种分布式温室群的环境监控系统，实现对温室环境 参数的自动检测和控制管理。姜幼卿等人【11 8119】采用can总线与rs485,营,线相结合的通信方式实现温室的83在线控制，还可利用can总线与嵌入式技术实现对温室环境温度、湿度、光强度的智能解耦控制。薛美 盛等人【120】介绍了基于can总线的温室可控环境综合测控系统硬件结构，阐述了监控软件的设计方案、功能 及结构，并对软件的组成模块和人机交互界面进行了介绍。2温室在线控制技术的存在问题及发展趋势21温室在线控制技术的存在问题 随着控制系统硬件、软件的不断改进，对输入到控制系统的信息的准确性提出了越来越高的要求。输入到控制系统的信息的准确性主要由传感器的精度、传感器在温室内的布点位置、数据的处理方法有关。 传感器的精度主要由传感器本身决定，数据的处理方法可以借鉴已有的成熟的数学算法，关键的问题就在 传感器在温室内的布点位置和复杂的数据信息处理。22温室在线控制技术的发展趋势 在设施农业中，温室内的环境调控技术已经有了很好的基础，一些新型的控制系统的设计和控制算法能满足基本要求。将计算机和温室控制网组成有线网络和无线网络系统，使有关人员及时了解温室内环境 参数的情况，及时做出决策，可以组织国内外专家对小气候环境因子进行远程精确会诊，提出最适宜温室 植物生长的环境。统一总线和控制硬件系统标准，只有这样才能实现温室环境调控的智能化、网络化。研 究生物信息获取方法，充分利用计算机技术的优势，又充分发挥农业专家在农业生产中的指导作用，使系 统的调控非常方便、有效。如何将模糊控制算法、遗传算法、神经网络控制算法、专家系统控制算法等新 技术进行融合，提高控制系统的精度和效率，将是未来温室在线控制系统的发展方向。3结论本文回顾了近年来我国温室在线控制系统的研究现状，如何将模糊控制算法、遗传算法、神经网络控 制算法、作物生长模型、专家系统控制算法等这些新技术进行融合，选择合适的控制硬件模式，支持精准 农业关键技术与设备的专业精准农业监控系统，优化温室内的传感器布置，如何综合利用来自多传感器的 信息，是中国实施精准农业中迫切需要解决的问题。随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机控制系统也由简单的以数据采集 处理和监测为主，逐步向以知识处理和应用为主的专家系统转变，信号传输方式也逐步由有线方式向无线 传输方式转变。应从温室环境的整体控制上动态地研究环境参数的相互耦合问题，加强控制理论与温室农 业生产过程的紧密结合，设计出综合考虑作物生长、生产经济性在内的智能决策支持及控制系统将是未来 温室在线控制系统的发展方向。参考文献：【l】王松涛，冯广和，陈端生，等论我国设施园艺建设的宏观管理【j】农业工程学报，1999，15(1)：153158【2】荆珂，张孟杰，李芳，等温室控制系统的现状及其发展p】农机化研究，2008，(5)：213-215【3】李迎霞，杜尚丰中国温室环境智能控制算法研究进展【j】农业工程学报，2004，20(2)：267-272【4】于海业，马成林，孙瑞东温室环境自动检测系统川农业工程学报(增刊)，1997，13：262-264【5】李萍萍，毛罕平，王多辉，等智能温室综合环境因子控制的技术效果及合理的环境参数研究阴农业工程学报，1998，14(3)：1972016】6王多辉，毛罕平，谢明岗植物工厂自动控制系统软件设计【j】江苏理工大学学报，1997，18(4)：7一11 7】于秀丽，于朝刚现代温室计算机控制系统的研究川农机化研究，2005，(6)：9496 8】高建平，赵龙庆温室计算机控制与管理技术的发展概况及在我国的应用前景【j】计算机与农业，2003，(2)：1215 9】9 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