工程：农业大棚智能控管系统介绍(资料篇).doc

农业大棚智能控制管理系统报告书 2002/12/13一、系统技术指标要求1、自动监测温度、湿度、地表温度、土壤水势、光照度、二氧化碳浓度等环境参数。同一受控区内检测点：温度4个点；湿度4个点；地表温度4个点；土壤水势4个点；光照度1个点；二氧化碳浓度1个点。2、依植物生长生理需要，合理对环境参数进行自动调节与控制。调节手段设有：侧窗；水泵；气泵；卷帘；排风扇；暖气电磁阀等。3、跟踪记录每个生长周期内环境综合参数。二、系统功能及使用报告 本系统采用集散控制结构，以实现多大棚的异域控制和集中管理。上位机为管理机，针对地区性差异、季节性差异、种植类差异，负责控制模型的调度和设置，使整个系统更具灵活性和适应性。同时，上位机还具有远程现场监测、远程数据抄录以及远程现场控制的功能，在上位机就有身临现场的感觉。另外，上位机还有数据库、知识库，用于对植物生长周期内综合生长环境的跟踪记录、查询、分析和打印报表，以及供种植人员的技术咨询。下位机为控制机，负责现场参数的直接检测和对现场调节机构的直接控制。下位机也有人机对话界面以便于单机独立使用。下位机功能及特点 定时参数巡回检测功能：对现场分布、多点参数，如温度、湿度、地表温度、土壤含水量、光照强度、二氧化碳浓度等进行顺序检测。 数据处理功能：历史数据的存储与刷新、即时数据的动态显示（包括数字显示和波形显示）。 现场机构的手动/自动控制：在手动状态下，在下位机的人机对话窗可直接对现场调节机构，如东/西侧窗、排风扇、遮荫帘、气泵、水泵等进行控制。在自动状态下，下位机可根据现场反馈参数与植物生长环境参数模型的跟随状况，在某种预选控制模式下作出相应的控制输出。 独立的功能软件设计：为使下位机可脱离上位机独立工作，在下位机上进行了独立的功能设计，包括手动/自动设置、手动操作、控制模式设置/选择、植物生长环境参数模型设置等。 开放式软件结构：开放中断，能随时收听上位机的呼叫及命令。以中断处理的方式应对上位机的各种操作。上位机功能及使用 基于集散控制系统结构，上位机可对多个大棚进行异域管理。概述上位机功能如下： 系统维护功能：包括数据库维护和控制模式选择及植物生长环境参数设置与修改、以及远程数据抄录。使用方法：在主窗体点击“系统维护”菜单并选择“模式选择及环境参数修改与传送”子菜单，进入控制模式选择窗体。 在此窗口，设计了四个温室、三个控制模式、三个生长周期、四个时间带。按照先选大棚编号，再选控制模式，再选生长周期，则某大棚某季节某类蔬菜在某一生长阶段一天四个时间带的环境参数参考模型就会显示出来。该模型以黄瓜种植技术及华北地区气候条件为参考。考虑到地区性气候变化的差异和蔬菜类别对生长环境条件需求的不同，本系统没有采用万种包络的办法，而是采用了在同一数据结构模型上允许用户修改数据的办法。 当确认模型数据无误后，按命令框的“向下位机传输参数”命令，下位机将接收新的参数模型并按此模型进行现场控制。 在主窗口，若点击“系统维护”菜单下的“数据库预览”子菜单，可显示出所有检测数据。远程数据抄录功能：一般情况下下位机往往脱机工作，下位机将检测来的数据做成一个数据文件存储起来。当上位机准备抄录数据时，可按下述方法完成：点击主窗口“系统维护“菜单下的“远程抄录”子菜单，然后在随后命令窗中点击抄录命令，这时下位机接到抄录命令后，即可将要传送的文件打包送出。上位机接收到信息后打开一个信息窗，要求操作员选择存储地址和文件名称，随后即可完成抄录工作。 远程参数动态监测功能和远程控制功能：可对选定温室进行定时检测，检测结果将在相应显示框显示。同时，可将现场选定的某一参数以曲线的形式动态地反映其变化过程。通过对窗体中控制框内各命令按钮的操作，可间接地对现场的执行机构进行控制。使使用方法：点击主窗口的“现场参数远程检测及远程控制”菜单，进入现场参数动态检测窗体。 在查询命令框，点击某号温室现场参数查询命令，即可远程检测该号温室的环境参数，并在相应显示框显示检测结果，如果想把某一参数的变化曲线也显示出来，请选择窗体最底部的某一选择框，如“地表温度曲线框”， 则参数变化曲线会在曲线显示框中显示出来。若按查询命令框的“定时自动循环现场参数查询”命令，则可同时对四个大棚的现场参数进行检测，并将检测结果在相应的显示框内显示出来。但此时无法进行某一参数的曲线显示。若点击查询命令框中的清除命令，则将清除数字显示框中正在显示的数字信息和曲线显示框中正在显示的曲线。与此同时，也中止了远程检测命令。 在控制框可对现场的执行机构进行远程控制。如若打开气泵，点击“气泵开关”按钮，指示灯变亮，则气泵打开。再按“气泵开关”按钮，指示灯边黑，则气泵停止工作。如若打开东侧窗，可先按其“开/停”按钮，再按“东侧窗开”按钮，指示灯变红，则东侧窗正在打开。若想使东侧窗开度变小，按“东侧窗关”按钮，指示灯变绿，则东侧窗正在关闭，如若使东侧窗保持在某一开度，按其“开/停”按钮，使指示灯变黑即可。 远程检测和远程控制可同时进行。 要想退出远程检测和远程控制操作，按查询命令框中的“结束”命令，即可返回到主窗体。 历史资料查询功能：多个大棚的数据资料均通过ACCESS库统一管理，在此功能里，可按大棚编号和时间升序的条件进行查询。 使用方法：点击主窗体“查询”菜单下的“1#大棚”子菜单，将展示 1#大棚历史资料的查询结果。 如果想把历史数据以波形的形式显示出来，可按绘图命令，这时温度参数、地表温度参数、水势参数、湿度参数将在波形显示框内一屏一屏地显示出来。若结束查询，按返回命令即可。 技术咨询功能：搜集、归纳、整理出蔬菜种植专家的知识和经验，并不断地补充和完善，以书签的形式提供给本系统使用者。使用方法：点击主窗体中“栽培技术与环境科学管理咨询”菜单，即可查找用户感兴趣的知识。 打印报表的功能：对大棚环境参数可打印报表，供科研人员分析研究。使用方法：点击主窗体中“打印报表”菜单，可展示打印报表资料。 对打印报表资料可送打印机打印输出，也可以数据文件存储。三、系统技术报告1、 环境因子与控制模式根据不同季节的气候特点，环境因子调节的手段不同，因此本系统制定了三个控制模式，在不同控制模式下环境因子的调节与控制手段参考下表： 环境因子 控制手段 春夏控制模式定植缓苗期生长发育期盛果期环境温度调节气泵、暖气阀、侧窗、侧窗、排风扇、气泵侧窗、排风扇、水帘、遮荫帘环境湿度调节侧窗侧窗、排风扇侧窗、排风扇、水帘土壤含水量的调节水阀水阀水阀光照强度的调节遮荫帘遮荫帘遮荫帘二氧化碳浓度的调节侧窗侧窗侧窗环境因子 控制手段 秋冬控制模式定植缓苗期生长发育期盛果期环境温度调节侧窗、排风扇、遮荫帘侧窗、排风扇、气泵、暖气阀门暖气阀门、气泵环境湿度调节侧窗、排风扇侧窗侧窗土壤含水量的调节水阀水阀水阀光照强度的调节遮荫帘二氧化碳浓度的调节侧窗侧窗环境因子 控制手段 冬春控制模式定植缓苗期生长发育期盛果期环境温度调节暖气阀门、气泵暖气阀门、侧窗、气泵暖气阀门、气泵、侧窗环境湿度调节侧窗侧窗侧窗土壤含水量的调节水阀水阀水阀光照强度的调节二氧化碳浓度的调节侧窗侧窗侧窗2、环境因子参考模型的建立温室环境因子参考模型的建立以温度控制为核心，要根据蔬菜在不同生长发育阶段对温度的要求不同分期调节。同时，要随蔬菜一天中生理活动中心的转移进行温度调节。调节温度以使蔬菜在白天通过光合作用能制造更多的碳水化合物，在夜间减少呼吸对营养物质的消耗为目的。调节的原则是以白天适温上限作为上午和中午增进光合作用时间带的适宜温度；下限作为下午的控制温度；傍晚45个小时内比夜间适宜温度的上限提高12，以促进运转。其后以下限为通夜控制温度，最低界限温度作为后半夜抑制呼吸消耗时间带的目标温度。调节方法一天分成四个时间带，不同时间带控制不同温度，这也叫变温控制。比如黄瓜温度因子参考模型：在定植缓苗期，为促进新根生长以利于缓苗，应尽量提高室内温度，白天气温控制在2528，夜间控制在1315。在缓苗后到根瓜采摘前的生长发育期，以促根控秧为中心，尽量控制植株徒长，促进根系发育，在温度管理上加大温差，实行四段变温管理。午前为2628，午后为2022，前半夜为1517，后半夜为1012，在结瓜期温度管理仍采取“四段变温”管理，但其温度指标可适当提高。午前为2830，午后为2224，前半夜为1719，后半夜为1214。可见，建立温度因子参考模型时，可以三个生长发育周期、四个时间带为模型结构。分析蔬菜对其它环境因子在不同生长发育周期和不同时间带内的需求时发现，对于湿度、土壤含水量、地表温度等环境因子，在不同生长发育周期内蔬菜的需求有明显的差异，比如黄瓜对土壤含水量的要求是：定植至缓苗期为90100%；缓苗至结果初期为70%；结果盛期为8690%。而在一天的不同时间带内蔬菜的需求量并无明显差异。对于光照度、二氧化碳浓度等环境因子，在不同的生长发育周期内蔬菜的需求无明显的差异，而在一天的四个时间带内蔬菜的需求量却有明显的差别，比如黄瓜对光照度的要求：午前、午后应确保光照度在4万勒可斯以上，而在前半夜和后半夜对光照度没有需求。再比如黄瓜对二氧化碳的需求：午前、午后应确保二氧化碳浓度在300毫升/米3以上，而在前半夜和后半夜对二氧化碳浓度无要求。通过以上分析得知，可以将所有环境因子的参考模型归结为三类模型结构：三个生长发育周期、四个时间带结构模型；三个生长发育周期结构模型；四个时间带结构模型。3、农业大棚环境因子的仿人控制系统3.1、对象与系统描述W 建立在IPC机上的温室环境因子监控系统如图所示： 农业大棚环境参数监控系统Y=F（U，W），其中Y为大棚室内环境因子，包括温度、湿度、地表温度、土壤水势、CO2浓度、光照度等环境变量；U为调控变量，包括东西侧窗开度、排风扇、水泵电磁阀、气泵、水帘、遮荫帘、暖气电磁阀、天窗等；W为室外气象，包括气温、湿度、风向、风级、晴/阴。温室环境因子监测与控制示意图如下图所示：现场环境因子Y要求跟随环境因子模型。即受控温室内环境因子必须满足作物在不同生长阶段的生长需求。 温室环境因子监测与控制示意图32、环境因子模型 植物的生长发育需要适宜的温度、湿度、阳光、二氧化碳等环境条件。环境因子模型的设定是控制的依据，它决定了环境因子调节的效果。因此环境因子模型的设计是一项关键性的工作。环境因子模型设计需要考虑以下几点：（1）随植物一天中生理活动中心的转移，对环境因子的需求是个变值。 比如，温度和二氧化碳是植物光合作用的重要条件，白天阳光充足时，提高温度和二氧化碳浓度，有利于植物制造更多的光合产物，补充呼吸对营养物质的消耗。晚上光照很弱，为减少呼吸对营养物质的消耗，必须调低温度。因此环境因子模型应一天内分时段设定。（2）同一种蔬菜在不同生长发育时期，对环境因子的需求是不同的。（3）不同种类蔬菜对环境因子的需求不同。 环境因子模型设计要考虑不同种植地区的气候环境特点，特别是昼夜温差特点，日照时间长短特点。（4）各环境因子模型数值结构一致性处理和泛化设计。 通过对植物生长发育需求分析，可把环境因子归结为三类：三生长期四时间带类，如温度因子；三生长期类，如土壤水势；四时间带类，如光照度和二氧化碳。三生长期四时间带类是指植物在移植缓苗期、生长发育期和盛果期以及在一天中的四个时间段，对温度的要求不同；三生长期类是指植物在移植缓苗期、生长发育期和盛果期对土壤水分需求不同，而在一天的不同时间段对土壤水分的需求并无太大差异；四时间带类是指植物在一天的四个时间带对光照度和二氧化碳浓度的需求有差异，而在不同生长期并无太大的差异。 数据结构的一致性处理，就是将三类环境因子都归一为温度因子的数据结构，即使光照度因子、二氧化碳因子在三个生长期具有相同的模型，土壤水分在四个时间带有相同的模型。泛化设计就是使环境因子模型能适用于不同类植物，又适用于不同种植地区。泛化的办法是：按三个生长期、四个时间带数值结构建立植物环境因子数据库。数据库具有增加、修改、删除、查调等功能。按植物类名可查找出要使用的环境因子模型。农业技术人员可根据经验对环境因子参数作调整，可对数据库中没有的蔬菜类环境因子参数进行补充。 3 3、环境因子调节手段与控制策略不同的温室设施配备不同，因而环境因子调节的手段不同。所以在制定控制策略时，首先应弄清楚控制执行机构是什么。结合现代农业研究所国农节水工程某一农业大棚为例，归结为下表 环境因子 调节机构 温度东、西侧窗、排风扇、水帘、遮荫帘、气泵、水暖电磁阀、天窗 湿度排风扇、东、西侧窗、水帘、天窗土壤水势营养液电磁阀光照度、CO2浓度 无地表温度 无 控制器的任务就是使环境因子能跟随环境因子模型参数，使棚内植物在最适宜的环境条件下生长，而跟随效果受外界气候变化的影响，所以控制函数U=F（Yg，Y，W）。其中Yg为模型参数，Y为温室内环境参数，W为室外气象参数。为简化问题，可将W作为参考状态，采用分层结构。如图4所示： 分层结构示意图 然而，控制函数很难建立。为此控制器采用模糊逻辑控制，即在一定程度上模仿人的管理，这样就不需要有准确的控制对象模型了。对于环境因子的调节手段，在不同季节、不同气候条件下有所不同，比如对温度的调节，在春季只使用侧窗开闭调节和气泵向隔离层充放气调节；在夏季，可使用的调节手段有侧窗、排风扇、水帘、遮荫帘等；在冬季，可使用暖气电磁阀、气泵、天窗等调节手段。可见，针对不同季节和不同气候条件，就需要归纳出多套控制规则。这给模糊控制器的设计带来了很大麻烦。为了简化设计工作量，可选择调节手段最齐备的情况来归纳控制规则，其他季节和气候条件下使用同一规则，只是依需要封锁某些控制输出。在控制器的设计上采用的也是泛化设计思路。为此需安排一个人机界面，即控制器输出连接界面。如图所示： 控制器输出连接界面3.3.1 温度仿人控制温度采用四段变温管理。根据某一时段参数模型给定值与检测值之间的对比关系，将E=Tg-Tc划分成NB、NM、NS、O、PS、PM、PB档，将EC=Ei-Ei-1划分成N、PO两档，归纳出温度模糊控制规则表如表所示：E=tg-tcNBNMNSOPSPMPBEc=EiEi-1N(升温)开东、西侧窗令，雾化降温令*开东、西侧窗令，开排风扇令开东、西侧窗令无控制令无控制令无控制令关东、西侧窗令，开水暖电磁阀令PO(降温)开东、西侧窗令，雾化降温令*无控制令无控制令无控制令关东、西侧窗令关东、西侧窗令，启动气泵令关东、西侧窗令，开水暖电磁阀令，启动气泵令*雾化降温同时启动排风扇和水帘3.3.2 通风换气和湿度控制不适宜的湿度将使蔬菜植株结露，易产生霜霉病、灰霉病、菌核病等病害。通风换气是进行日光温室湿度、温度和气体调节的重要手段，它具有降低温度、排除湿气、排除有毒气体、补充空气中CO2、抑制徒长和进行炼苗等多方面作用。对湿度的控制采用定时放风排湿管理。温度调节和湿度调节均使用了侧窗和排风扇调节手段，当温度调节和湿度调节相矛盾时，以湿度调节优先。湿度调节仿人控制决策表，如表所示：湿度NBNMNSPO春夏季开侧窗令，开天窗令开侧窗令，开天窗令开天窗令开天窗令秋季开侧窗令，开全部排风扇令，开天窗令开侧窗令，开部分排风扇令，开天窗令开天窗令，开侧窗令开天窗令冬季开侧窗令，开天窗令开天窗令开天窗令开天窗令冬季放风要加强人的干预，以增强系统的安全性和可靠性。切记应顺风放风，防止寒气直入。3.3.3 土壤浇水控制 浇水控制采用定时浇水仿人控制，把E=STg-STc划分为N、NO、NO+、P四档。浇水前对土壤水分进行检测并分析E=STg-STc，若E为N则不浇水，若N为NO、NO+、P，则启动浇水电磁阀。4、 环境因子检测数据的数据库管理 环境因子监测数据是农业技术人员最重要的数据资料。通过创建环境因子监测数据库，并建立检测与数据库的动态连接，通过编程可实现对监测数据的一系列数据库管理，如数据写库、数据查询、数据报表、历史数据曲线显示等。 5、结束语 环境因子模型数据结构的一致性处理、环境因子模型的泛化设计及控制器的泛化设计使本系统的设计工作大为简化，同时，环境因子仿人控制系统充分吸收了农业技术人员的管理经验，并提供了操作方便的人机界面，保证了系统运行中的安全性和可靠性。本系统自2002年3月29日提交使用并逐步完善规则后，至今运行效果良好。 Agri