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　　我國溫室環境控制系統的的硬件研究

　　溫室技術可以使農業生產擺脫自然條件的制約,實現反季節生產。尤其是先進的溫室工程技術手段和環境控制技術,可以在一定程度上克服傳統農業難以解決的限制因素,促進生產資源的集約高效利用,從而大幅度提高農業生產力,使單位面積產出成倍甚至數十倍地增長。

　　近年來,計算機技術和自動控制技術的進步,使溫室生產已遠遠超過溫室效應的概念。目前,利用計算機不僅可以對溫室內的各種環境因子進行模擬,還可以建立三維虛擬圖像,進行溫室內的虛擬生產。新型的全智能溫室甚至能擺脫自然環境的約束,人為創造適宜作物生長的最佳環境,生產出高品質、高產量的產品。本文對溫室中的計算機模擬和控制技術作一綜述。

　　現代溫室常見的調控設備有:頂部及側面通風窗、內保溫幕、內外遮陽網、濕簾-風機、補光燈、CO2施肥裝置、加熱設備、噴霧系統、肥水灌溉系統等。為使這些控制機構能夠協同工作,需要相配套的硬件控制設備。最早應用在溫室控制上的硬件設備是溫度繼電器和定時器,通過設定一個動作溫度,溫度繼電器可以使單個設備在低于或高于這個溫度點時被啟動,因此常用于通風窗或加熱器的控制。

　　由于其價格便宜,安裝、操作簡單,目前仍廣泛用于簡易溫室或大棚的控制中。

　　目前商業溫室的控制系統主要采用多處理器的分布式控制系統。這種控制系統由多個控制單元組成,每個控制單元有其單獨的處理器和傳感器,系統中不存在一個控制中心,主要由分布的各個子處理器完成數據采集、控制、監視、報警、記錄、系統管理等功能。PC機作為主處理器,僅實現輔助功能,脫離主處理器,整個控制系統仍可工作。分布式控制方式具有價格低、控制靈活、可靠性高等優點,因此它將在今后很長一個時期廣泛應用于溫室環境控制系統中。

　　我國很早就開展了溫室控制系統硬件的設計和研究,這也說明溫室的硬件控制系統對于實現溫室可靠、有效控制是非常重要的。目前我國科研機構研制的常用溫室控制器仍然以結構通用、價格便宜的8位單片機為主,一般以MCS-51系列為基礎,從數據采樣到算法控制都是由單片機完成。

　　如王慶祝等開發了一種基于雙主從結構的溫室群測控系統,該系統是一個集管理與測控為一體的集散測控系統,軟硬件均采用模塊化設計,以W77E58單片機作為主從工作模式的核心,可實現溫室溫度、濕度、CO2濃度和土壤含水率4個主要參數的測控以及CO2濃度的報警。由于工業控制技術較為成熟、可靠性較高,將工業控制器應用于溫室控制系統也是近年來研究的一個方向。如江蘇大學等單位研制的基于工業控制機的溫室控制系統是由工控機、各種傳感器及執行機構組成的多輸入、多輸出的閉環控制系統。PLC(可編程邏輯控制器)具有易于編程、可擴展性強、可靠性高等優點,因此也被應用于溫室控制的硬件設計中。溫室控制系統中的PLC主要用于動態、實時監測室內外環境因子的變化,根據作物生長的要求對參數進行匹配,同時完成與上位機的通信。但是由于工業控制器價格較高,廣泛用于溫室控制系統還受到限制。

　　近年來我國科技工作者在吸收國外發達國家高科技溫室生產技術的基礎上,也進行了溫室內部溫度、濕度、光照、CO2濃度等環境因子控制技術的綜合研究。這項研究的一個突出表現,就是將研究重點從溫室的計算機控制核心硬件向溫室控制系統的信號傳遞方式轉變。越來越多的研究機構都嘗試將新型的信號傳輸技術用于控制系統硬件設計。例如將傳輸距離達12 m,傳輸速度達7618 kbps的RS485總線用于溫室環境分布式控制系統。采用RS485總線作現場總線,可與遠端的氣象站通信,以獲得室內外溫度、濕度及室外光照、降雨、風速、風向等參量,還可與其他控制器及上位機進行通信,構成更大范圍的溫室環境自動控制系統。21年,國家在十五科技攻關項目中啟動了溫室環境智能控制關鍵技術研究與開發課題,由中國農業大學與北京順義示范區合作采用RS485總線作現場總線的溫室控制系統,經運行和測試,達到了預期的效果,并已面向市場推廣。

　　由于CAN總線具有雙向傳輸和智能節點的特性,因此在溫室硬件控制系統中也被采用。例如采用單片機系統開發的CAN智能節點,由主控制器、CAN控制器和CAN收發器組成。該節點開發成本低,抗干擾性強,另外節點還帶有模數轉換器,可以直接輸入模擬量,進一步方便系統擴展。還有將PC機通過CAN接口適配卡與CAN總線相連的控制系統,或用CAN總線與嵌入式技術實現對溫室環境溫度、濕度、光強度的智能解耦控制,以及采用CAN總線與RS485總線相結合的通信方式等。

　　近年來,隨著無線通信技術的高速發展,尤其是從點對點傳輸的紅外技術,到短距離、點對多點個人局域網(如藍牙和ZigBee),以及長距離的GSM、GPRS和CDMA等,不同種類的技術隨著需求的不同而不斷發展完善,形成了巨大的市場潛力。如杜輝等在單棟溫室中將藍牙技術用于連接各種檢測裝置、執行機構以及控制器,各個溫室之間采用CAN總線相連,構成一種分布式溫室群的環境監控系統,實現對溫室環境參數的自動檢測和控制管理。孫忠富等提出一種基于GPRS和WEB技術的遠程數據采集和信息發布系統方案,通過RS485總線與數字傳感器連接,并與PC監控計算機構成溫室現場監控系統。刁智華等以具有ZigBee無線數據傳輸功能的JN5121模塊為核心,以ARM9為核心擴展多種資源接口作為監控系統主機硬件,通過對前端無線節點的統一協調指揮,完成對環境信息的采集分析和對設備的綜合控制。沈敏、張榮標等通過對傳感器(控制)節點和移動式匯聚節點短距離動態組網形成自組織星型網絡,以降低傳感器(控制)節點能耗,延長網絡壽命。

　　黃曉鵬等針對北方沼氣加熱溫室的特點,設計了一種基于DSP與藍牙無線傳輸技術的分布式溫室監控系統,系統的可靠性和抗干擾能力都得到了較大的提高。這些無線監測與控制系統針對設施農業生產環境監控過程中信息監測點和設備控制點分散的情況,設計通用性較強,這類系統的應用為溫室現場布線以及后期維護提供了很大的方便。近年來,隨著便攜式設備的價格下降,基于PDA和Zigbee的小型、模塊化、無線手持式溫室環境測控系統也正在開發,如張潛等研制的溫室測控系統,由基于S3C241微處理器的掌上型專用控制器、基于PIC系列的MCU和Zigbee無線傳輸模塊的集成化無線變送器以及經濟效益最優控制策略構成,系統的成本降低,適用性得到進一步提高。

　　文章整理來源：溫室自動控制 (托普物聯網)