我国温室环境控制系统的的硬件研究

　　温室技术可以使农业生产摆脱自然条件的制约,实现反季节生产。尤其是先进的温室工程技术手段和环境控制技术,可以在一定程度上克服传统农业难以解决的限制因素,促进生产资源的集约高效利用,从而大幅度提高农业生产力,使单位面积产出成倍甚至数十倍地增长。

　　近年来,计算机技术和自动控制技术的进步,使温室生产已远远超过温室效应的概念。目前,利用计算机不仅可以对温室内的各种环境因子进行模拟,还可以建立三维虚拟图像,进行温室内的虚拟生产。新型的全智能温室甚至能摆脱自然环境的约束,人为创造适宜作物生长的最佳环境,生产出高品质、高产量的产品。本文对温室中的计算机模拟和控制技术作一综述。

　　现代温室常见的调控设备有:顶部及侧面通风窗、内保温幕、内外遮阳网、湿帘-风机、补光灯、CO2施肥装置、加热设备、喷雾系统、肥水灌溉系统等。为使这些控制机构能够协同工作,需要相配套的硬件控制设备。最早应用在温室控制上的硬件设备是温度继电器和定时器,通过设定一个动作温度,温度继电器可以使单个设备在低于或高于这个温度点时被启动,因此常用于通风窗或加热器的控制。

　　由于其价格便宜,安装、操作简单,目前仍广泛用于简易温室或大棚的控制中。

　　目前商业温室的控制系统主要采用多处理器的分布式控制系统。这种控制系统由多个控制单元组成,每个控制单元有其单独的处理器和传感器,系统中不存在一个控制中心,主要由分布的各个子处理器完成数据采集、控制、监视、报警、记录、系统管理等功能。PC机作为主处理器,仅实现辅助功能,脱离主处理器,整个控制系统仍可工作。分布式控制方式具有价格低、控制灵活、可靠性高等优点,因此它将在今后很长一个时期广泛应用于温室环境控制系统中。

　　我国很早就开展了温室控制系统硬件的设计和研究,这也说明温室的硬件控制系统对于实现温室可靠、有效控制是非常重要的。目前我国科研机构研制的常用温室控制器仍然以结构通用、价格便宜的8位单片机为主,一般以MCS-51系列为基础,从数据采样到算法控制都是由单片机完成。

　　如王庆祝等开发了一种基于双主从结构的温室群测控系统,该系统是一个集管理与测控为一体的集散测控系统,软硬件均采用模块化设计,以W77E58单片机作为主从工作模式的核心,可实现温室温度、湿度、CO2浓度和土壤含水率4个主要参数的测控以及CO2浓度的报警。由于工业控制技术较为成熟、可靠性较高,将工业控制器应用于温室控制系统也是近年来研究的一个方向。如江苏大学等单位研制的基于工业控制机的温室控制系统是由工控机、各种传感器及执行机构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。PLC(可编程逻辑控制器)具有易于编程、可扩展性强、可靠性高等优点,因此也被应用于温室控制的硬件设计中。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。

　　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,也进行了温室内部温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因子控制技术的综合研究。这项研究的一个突出表现,就是将研究重点从温室的计算机控制核心硬件向温室控制系统的信号传递方式转变。越来越多的研究机构都尝试将新型的信号传输技术用于控制系统硬件设计。例如将传输距离达12 m,传输速度达7618 kbps的RS485总线用于温室环境分布式控制系统。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,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。21年,国家在十五科技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,由中国农业大学与北京顺义示范区合作采用RS485总线作现场总线的温室控制系统,经运行和测试,达到了预期的效果,并已面向市场推广。

　　由于CAN总线具有双向传输和智能节点的特性,因此在温室硬件控制系统中也被采用。例如采用单片机系统开发的CAN智能节点,由主控制器、CAN控制器和CAN收发器组成。该节点开发成本低,抗干扰性强,另外节点还带有模数转换器,可以直接输入模拟量,进一步方便系统扩展。还有将PC机通过CAN接口适配卡与CAN总线相连的控制系统,或用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,以及采用CAN总线与RS485总线相结合的通信方式等。

　　近年来,随着无线通信技术的高速发展,尤其是从点对点传输的红外技术,到短距离、点对多点个人局域网(如蓝牙和ZigBee),以及长距离的GSM、GPRS和CDMA等,不同种类的技术随着需求的不同而不断发展完善,形成了巨大的市场潜力。如杜辉等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。孙忠富等提出一种基于GPRS和WEB技术的远程数据采集和信息发布系统方案,通过RS485总线与数字传感器连接,并与PC监控计算机构成温室现场监控系统。刁智华等以具有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,通过对前端无线节点的统一协调指挥,完成对环境信息的采集分析和对设备的综合控制。沈敏、张荣标等通过对传感器(控制)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(控制)节点能耗,延长网络寿命。

　　黄晓鹏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。这些无线监测与控制系统针对设施农业生产环境监控过程中信息监测点和设备控制点分散的情况,设计通用性较强,这类系统的应用为温室现场布线以及后期维护提供了很大的方便。近年来,随着便携式设备的价格下降,基于PDA和Zigbee的小型、模块化、无线手持式温室环境测控系统也正在开发,如张潜等研制的温室测控系统,由基于S3C241微处理器的掌上型专用控制器、基于PIC系列的MCU和Zigbee无线传输模块的集成化无线变送器以及经济效益最优控制策略构成,系统的成本降低,适用性得到进一步提高。

　　文章整理来源：温室自动控制 (托普物联网)