我国现代温室环境硬件控制系统的应用现状及发展趋势研究

托普物联网开创智慧农业新时代！我国现代温室环境硬件控制系统的应用现状及发展趋势研究引言现代化温室设施应用先进的科学技术，采用连续生产方式和管理方式，高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等。它可以不受地点和气候的影响，设置在包括寒冷地区或不毛之地的各地区。它能够有效地改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高土地产出率、劳动生产率和社会、经济效益。因此，在世界范围内得到了广泛的应用。温室设施的关键技术是环境控制。温室环境控制是在不受外界气候的影响条件下，通过改变温室内部环境因子(温度、湿度、光照等)来获得作物最适宜的成长发育环境，其控制技术包括硬件结构和控制算法两部分。本文主要介绍我国现代温室正在应用的几种典型的环境控制硬件系统模式。1典型的温室环境控制硬件系统模式自20世纪70年代末，我国陆续从以色列、美国、荷兰、日本等国引进现代化温室，在吸收国外环境控制的高新技术的技术上，我国科研人员对温度、湿度、光照等环境因子的控制技术进行了综合研究。温室环境控制系统经历了从1987年引进的FELIXC一512系统到20世纪90年代初计算机开始用于温室的管理和控制领域的单片机或PLC时代，到现在已经发展到基于有线或无线网络的智能控制技术三个阶段。目前，我国温室环境自动控制硬件系统典型模式有以下儿种:1.1基于单片机的控制系统模式单片机控制系统模式按照信号流向和控制模块可划分为:前向输入通道、控制主板和后向输出控制部分。（图1）托普物联网开创智慧农业新时代！图l:单片机控制系统结构框图其工作过程是单片机中存储了按照作物成长规律设置好温室环境因子数值，把它与传感器实时检测的数值进行比较运算，输出的结果控制各个执行机构的作。单片机控制结构为集中式控制方式，所有性能都集中在单片机上，单片机一旦出现故障，整个系统都会失控。以8031单片机为核心设计了温室单片机控制系统，通过与设定值比较，控制机构运行来调节温室温度、湿度、光照。试验证明系统能够实现自动控制构建基于单片机的温室温湿度两级优化控制硬件系统，该系统能可靠运行，解决了蛋鸡监控因温湿度存在较强祸合关系而导致结果精度降低及其能耗大的缺陷，可实现温室中温湿度的优化控制。一个以PC机为上位计算机，MCS一51单片机为核心，智能仪表为下位机的智能温室分布式测控系统，该套系统实现了温室系统自动控制，运行可靠，操作简单，可以根据要求完成单个温室系统的控制，系统控制精度高，响应速度快，完全可以满足设施农业的需求冈。总结以上内容，单片机控制系统能够全局管理，操作简单，价格低廉，但可靠性差，故障率高，且自动化程度低。1.2基于PLC的控制系统模式基于PLc(可编程逻辑控制器)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(图2)。利用计算机的串行传输将控制值传入PLC控制模块，同时利用PLC的扩展模块将传感器的输出信号进行数模转换。PLC起着实时处理数据并发送指令调控温室内的温度、光照等参数的作用。该系统能实现温温室的自动化控制。托普物联网开创智慧农业新时代！图2:基于PLC的温室控制系统框图PLC将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，是整个系统的最关键技术，具有独立的逻辑控制功能和强运算能力，高可靠性和丰富的内置集成功能，较强的通讯能力和丰富的扩展功能。以计算机和为核心的PLC控制系统，它由气候监控系统、灌溉系PLC统、营养液控制系统等几部分组成。通过运行，达到了较好的效果。以PLc为核心加单片机扩展开发了温室控制器，该系统运行速度快稳定性好，成本又低。1.3基于现场总线的分布式智能控制系统模式现代温室环境智能控制多采用现场总线的分布式控制系统模式。系统结构包括:智能模块、智能控制器、上位机，通讯由总线实现如图3所示，智能传感器采集的温室环境参数通过总线上传给智能控制器，进一步上传给上位机。上位机采用工业控制计算机，作用是运行托普物联网开创智慧农业新时代！智能控制软件产生控制方案并将其卜传到智能控制器。智能控制器接受指令后实施控制遮阳网、天窗等设备的运行。图3:基于现场总线的分布式智能控制系统结构框图整个系统的关键是智能控制器，作用是处理采集的数据和进行实时控制，并且保持与计算机之间的数据传输。经过温室运行，看出基于现场总线的分布式智能控制系统具有可靠性高、局部故障不影响系统运行、模块间相对独立、相互间影响小的特点。在我国现代温室中常用的分布式智能控制模式是基于RS一485的温室自动控制系统和基于CAN总线的温室自动控制系统。1.3.1基于RS一485的温室智能控制系统RS一485总线可实现多个并行联网，通过与远端的气象站通讯，来获得室内外环境因子等参量，还可与其他控制器及上位机进行通讯，构成更大范围的温室环境自动控制系统。由于温室控制系统是一个大滞后系统，采样时间较长，对实时性要求不是非常严格。因此采用RS一485组成现场总线控制系统是可行的。2001年，国家在“十五”攻关项目中启动了“温室环境智能控制关键技术研究与开发”课题中，在中国农业大学东区与顺义示范区合作采用RS一485总线做现场总线的温室控制系统，经两年的运行和测试，达到了预期的效果，现己面向市场推广应用。托普物联网开创智慧农业新时代！1.3.2基于CAN总线的温室智能控制系统CAN总线模式是采用模块化思想，将模拟信号采集、数字信号采集以及开关信号通过CAN总线与工控机连接。CAN总线适配卡、智能节点河各类环境因素传感器组成了系统硬件部分，它将智能节点分布到整个网络拓扑上，其数据通信具有可靠性高，实时性强和灵活性好的特点。CAN总线的温室自动控制系统是目前被认为是最具有发展前途的分布式现场总线之一。1.4基于ZigBee技术的无线网络智能控制系统模式目前，基于现场总线的温室控制系统，其信号传输方式都为有线传输。ZigBee技术是一种新兴的无线技术，适合于自动控制领域的传感器和执行机构等设备的联网。在温室控制系统中应用基于ZigBee技术的无线传感网络，可以实现对温室环境参数的自动监测与控制，能有效地避免有线系统的布线复杂和由于温室环境温度高光照强、酸性因引起的可靠性、抗干扰性能有所降低、增加后期维护难度等这些问题。图4:基于zigBee技术的分布式温室控制系统结构框图基于zigBee技术的分布式温室控制系统结构如图4所示。整个系统有无线传托普物联网开创智慧农业新时代！感器、执行机构、温室控制器、监控计算机和RS485总线等5大部分组成。温室中，温度、湿度和光照等各类无线传感器以及执行机构作为zigBee网络中的终端设备(盯D)，通过ZigBee无线网络通道实现与作为ZigBee网络中协调(FFD)的控制器进行数据通信。监控计算机负责监控整个温室群的运行状况。各温室的控制器通过RS485总线，接收监控中心指令，并根据需要向中心发送数据。目前，将zigBee技术应用在温室监控中，能有效的提高可靠性、抗干扰能力与灵活性，但尚有诸多关键问题(信号是实时性和确定性、环境问题、安全问题、网络问题)有待解决。2我国温室硬件控制技术的发展趋势目前的环境控制正从单因子向多因子控制方向发展，即根据对各个环境要素相互协调的关系，当某一要素发生变化时，其他要素自动做出改变和调整，能更好地达到作物需要的最佳环境，这就是温室环境智能控制技术。它是温室环境控制技术的主要发展方向。随着计算机与网络技术的发展，温室智能控制系统可以组成有线和无线网络。在这里我们应考虑到农业工程行业的特殊性，所以选择一种合适的现场总线是很重要的，只有这样才能实现温室环境调控的自动化、智能化。未来的温室智能控制系统还要与国内外其他温室、市场营销、科研机构、气象站等相关农业团体联网，不仅实现有效控制病虫害的发生，还可实现产品的网上联销，还可以根据市场形式，智能决策产品的最佳产出时间等，真正实现高效、节能、经济的智能控制。总的来说，现代温室正向着自动化、智能化、多媒体化与网络化方向发展。