【正文】 基于 PLC 的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第一章 前言 智能溫室系統(tǒng)是近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的一種資源節(jié)約型高效設(shè)施農(nóng) 業(yè)技術(shù)，它是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)自控技術(shù)、 智能傳感技術(shù)等高科技手段發(fā)展起來(lái)的。自上世紀(jì) 90 年代以來(lái)，我國(guó)農(nóng) 業(yè)上程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)土，對(duì)溫室 溫度、濕度、 COZ 濃度和光照等環(huán)境因子控制技術(shù)的研究，研制開(kāi)發(fā)了 我國(guó)自己的智能溫室控制系統(tǒng)。 研究的背景 山東省濰坊市于 1995 年在濰坊職業(yè)學(xué)院 (原昌濰農(nóng)校 )種植基 地一一濰禾示范農(nóng)場(chǎng)，創(chuàng)辦了我 國(guó)第一批現(xiàn)代化溫室，個(gè)部引進(jìn)以色列 智能溫室技術(shù)，用于種植“名、優(yōu)、特”花卉及高經(jīng)濟(jì)價(jià)值蔬菜，不僅 成為濰坊市集約化設(shè)施農(nóng)業(yè)樣板，而且成為高新技術(shù)的輻射源和全國(guó)農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、信息的集散地 (如壽光蔬菜、青州花卉 )，并受到包括吳 儀等在內(nèi)各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的參觀。 “工廠化農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范一現(xiàn)代大型溫室標(biāo)準(zhǔn)化栽培技 術(shù)體系研究與產(chǎn)業(yè)化示范”被列為國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)內(nèi)容并成功結(jié)題。 為了推廣溫室技術(shù)，國(guó)家農(nóng)委強(qiáng)調(diào)在每一個(gè)地區(qū)都要建立溫室示范工程。 因此，智能溫室環(huán)境控制技術(shù)有巨大的市場(chǎng)空間。 濰坊市重大科技攻 關(guān)項(xiàng)目“中國(guó)蘭花品種篩選與組培快繁工廠化 育苗技術(shù)研究” (編號(hào) :農(nóng)科攻字 (2020)第 5 一 1 號(hào) )。 濰坊職業(yè)學(xué)院園林工程系的“組培中心”被列為山東省高等職業(yè) 院校示范基地，受到省市財(cái)政的大力支持。 山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目“名特優(yōu)花卉工廠化育苗及產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)示 范”。 濰坊市于 2020 年在濰坊職業(yè)學(xué)院南校區(qū)投資 300 萬(wàn)人民幣新建 智能日光連棟溫室如圖 l 一 1 所示，溫室主體結(jié)構(gòu)框架經(jīng)招標(biāo)由山東省青 島藍(lán)天有限公司承建，并于 2020 年 7 月完成。溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安 裝、調(diào)試由本單位獨(dú)立完成，計(jì)劃 2020 年 11 月工程結(jié)束。 研究的意義 近兩年來(lái)，農(nóng)業(yè)作為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)正受到各級(jí)政府的高度重 視，增加 8 億農(nóng)民收入是我們國(guó)家當(dāng)前的基本國(guó)策，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是我們 追求的目標(biāo)，基于計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的智能溫室是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要方面。 圖 1 一 1 新建智能日光連棟溫室 以色列的園藝溫室發(fā)展早，其國(guó)上面積中的 2 鄺為丘陵和沙漠， 干旱少雨，人均占有淡水資源僅相當(dāng)于我國(guó)的 1/8。但農(nóng)產(chǎn)品出口額達(dá) 到全國(guó)的 5%，從業(yè)人員平均月收入 1243 美元【 2]。作為全國(guó)蔬菜花卉 的核心地區(qū)與濰坊地區(qū)相比還有很大的差距，因此，現(xiàn) 代化的、高效的 溫室工程生產(chǎn)技術(shù)需加大力度進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化、自行化研究和推廣使用。 國(guó)家“十五”重點(diǎn)科技攻關(guān)內(nèi)容“工廠化農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示 范”盡管以結(jié)題。為了推廣溫室技術(shù)，國(guó)家農(nóng)委強(qiáng)調(diào)的在每一個(gè)地區(qū)都 要建立溫室示范工程，但每一個(gè)地區(qū)的氣候條件都不一樣，其控制模型 和控制算法都不可能一樣，因此，智能溫室環(huán)境控制技術(shù)仍有很多問(wèn)題 需要解決。 1995 年濰坊市引進(jìn)的以色列智能溫室其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)依靠國(guó)外 進(jìn)口，核心技術(shù)掌握于國(guó)外，而且實(shí)踐證明，由于地域、水質(zhì)、氣候乃 至資源的差異，引進(jìn)的溫室控制系統(tǒng)，并不 完全適合本地區(qū)的情況，引 進(jìn)的設(shè)備沒(méi)有充分發(fā)揮作用，成本高，效益低，難以維護(hù)，難以推廣。 智能溫室控制系統(tǒng)的自行設(shè)計(jì)，其運(yùn)行工作模式符合濰坊職業(yè)學(xué) 院的教學(xué)和科研要求，擯棄了引進(jìn)技術(shù)的弊端，并大大減少了設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)， 也為我院教師提供了科研攻關(guān)的機(jī)會(huì)。 該智能溫室的先進(jìn)控制模式適合本地區(qū)情況的，綜合考慮植物生 長(zhǎng)和產(chǎn)量、節(jié)能、環(huán)境控制、經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素，繼續(xù)為本地區(qū)的 種植業(yè)的發(fā)展的起到了模范作用。 智能溫室控制系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的準(zhǔn)確管理。通過(guò)控制器實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、上壤溫 度、土壤濕度值，使對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與普通簡(jiǎn)單溫度、濕度計(jì)測(cè)量相比，更準(zhǔn)確、更可靠。人 們能夠通過(guò)這些監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地了解情況，完成相關(guān)設(shè)備調(diào)節(jié)，避 免了監(jiān)測(cè)誤差和監(jiān)測(cè)滯后帶來(lái)的損失。 智能溫室將自動(dòng)化技術(shù)引入了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)科研活動(dòng)提供了 有利的科學(xué)手段。通過(guò)參數(shù)設(shè)置及自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄，為農(nóng)藝工作者完成相 關(guān)農(nóng)藝科學(xué)研究，了解不同生產(chǎn)條件對(duì)作物的生長(zhǎng)、品質(zhì)影響及生產(chǎn)方 法的改進(jìn)，都提供了簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的手段。 因此，研究該課題具有深遠(yuǎn)的理論意義和重大的現(xiàn)實(shí)意義。 國(guó)內(nèi)外溫室環(huán)境控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 西方發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、荷蘭、以色列、英國(guó)、加拿大、日本等在現(xiàn) 代溫室測(cè)控技術(shù) [起步比較早，都大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi) 的溫度、濕度、光照度、 c(理濃度、水、‘兀、營(yíng)養(yǎng)液等實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)調(diào)控。 美國(guó)在 1949 年，借助于工程技術(shù)的發(fā)展，建成了第一個(gè)植物人 工氣候室，開(kāi)展了植物對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)性和抗御能力的基礎(chǔ)及應(yīng)用研 究。 20 世紀(jì) 60 年代，生產(chǎn)型的高級(jí)溫室開(kāi)始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)【 3]。 荷蘭園藝溫室發(fā)展較早，在 1974 年首次研制出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) CECS，成功開(kāi)發(fā)了一系列計(jì)算機(jī)軟 件、硬件，實(shí)現(xiàn)了溫室供水、施肥和 環(huán)境自動(dòng)化控制。他們的全自動(dòng)化溫室成套設(shè)備在世界市場(chǎng)上享有很高 的技術(shù)聲譽(yù)【 4】。 以色列開(kāi)發(fā)了一種植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)儀 :它可以監(jiān)測(cè)株高、植物 果實(shí)大小、葉片大小與厚薄、莖直徑、莖流量、葉溫、葉片附近濕度、 C02 濃度等， 24 小時(shí)連續(xù)工作，每隔一定周期就采集一次數(shù)據(jù)，得到的 數(shù)據(jù)定期發(fā)送到對(duì)環(huán)境氣候進(jìn)行控制的 PC 機(jī)上。 目前，英國(guó)的溫室大量采用計(jì)算機(jī)管理，主要控制溫度、濕度、 通風(fēng)、 COZ 施肥、營(yíng)養(yǎng)液供給及 pH 值、 EC 值等。倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的 計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀 測(cè) 50km 以外溫室內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境狀況， 并進(jìn)行遙控。為保證 COZ 氣體在溫室內(nèi)分布均勻，溫室中通常安裝通風(fēng) 機(jī)，攪動(dòng)空氣使溫室中的 C02 濃度一致。 在加拿大，已經(jīng)開(kāi)始使用一種計(jì)算機(jī)輔助溫室管理軟件 ((HGM)幫 助生產(chǎn)者判斷和解決病蟲(chóng)害問(wèn)題，同時(shí)提高溫室的整體管理水平。 llGM 可 以將生產(chǎn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的資料進(jìn)行對(duì)比和分析，從 而對(duì)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而將系統(tǒng)調(diào)整到最佳狀態(tài)。這不但降 低了生產(chǎn)成本，而且還可以減少農(nóng)藥的使用，達(dá)到利用非化學(xué)方法控制 病蟲(chóng)害的效果閉【 5]。 日本利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施栽培數(shù)量多、地點(diǎn) 現(xiàn)異地監(jiān)控與管理。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)不僅可以向種植者提供市 息、專家策略，還可以從遠(yuǎn)程啟動(dòng)設(shè)備，對(duì)環(huán)境調(diào)控【 總之，國(guó)外智能溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展早，經(jīng)濟(jì)效益高。隨 新月異的進(jìn)步和價(jià)格大幅度下降，以及對(duì)溫室控制要求 為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美得到了長(zhǎng)足的 網(wǎng)絡(luò)化，智能化階段。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì) 70 年代起，我國(guó)的農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人員 借鑒國(guó)際上設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，致力于溫室工程 作，逐漸地引進(jìn)了大量的溫室。引進(jìn)的溫室與我國(guó)傳統(tǒng) 間大，便于進(jìn)行機(jī)械作業(yè)，生 產(chǎn)率與資源利用率比較高， 發(fā)展提供了借鑒作用。但這些溫室也存在著許多不足之 1995 年建立的濰坊職業(yè)學(xué)院濰禾示范農(nóng)場(chǎng)，是中 建立的第一批商業(yè)示范農(nóng)場(chǎng)。該項(xiàng)目一期工程總投資 215 引進(jìn)以色列技術(shù)和設(shè)備，建成了以色列現(xiàn)代化玫瑰溫室、 卉和蔬菜種苗加工廠，引進(jìn)了一條果蔬、花卉脫水漂染 部為自動(dòng)化控制，技術(shù)指標(biāo)均高于以色列國(guó)內(nèi)農(nóng)場(chǎng)平均 農(nóng)場(chǎng)投產(chǎn)以來(lái)，已為社會(huì)提供種苗 5000 多萬(wàn)株 。加工果 并全部出口，部分產(chǎn)品已上網(wǎng)銷售，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)起 帶動(dòng)、吸納作用，不僅成為濰坊市集約化設(shè)施農(nóng)業(yè)樣板， 技術(shù)的輻射源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 技術(shù)、信息的集散地。 90 年代中后期起，我國(guó)高校開(kāi)始研制自己的控制 1996 年，北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功了“ WJG 一型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán) 理系統(tǒng)”，此系統(tǒng)屬于小型分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng) 。江 教授研制的“溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)”，主要用于無(wú)土栽培實(shí) 較高，且處于實(shí)驗(yàn)階段 。吉林工業(yè)大學(xué)研制成功的用于 控制器，能夠根據(jù)溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照度來(lái)自動(dòng)調(diào) 年以來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在溫室環(huán)境的自動(dòng)控制技術(shù)方面 成果 。還有許多高等院校、科研院所都在進(jìn)行溫室控制系 并且許多單位都己建立起或?qū)⒁ㄆ饻厥铱刂葡到y(tǒng)的總 近 2020 年來(lái)，出現(xiàn) 了設(shè)計(jì)生產(chǎn)日光溫室的公司， 有影響的溫室設(shè)計(jì)公司有 :北京奧托精密科技發(fā)展有限公 光溫室有限公司、上海都市綠色工程有限公司、上海華 有限公司等，這些公司的溫室產(chǎn)品型號(hào)較多，但一般采 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 單片機(jī)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，由于形成的是單片機(jī)系統(tǒng)，所以人 友好，非專業(yè)人員使用困難，難以操控，所以自動(dòng)控制模式 置狀態(tài)，造成資源的浪費(fèi)。 以上產(chǎn)品均沒(méi)有面向我國(guó)廣大農(nóng)村現(xiàn)有的 1000 力一畝傳統(tǒng) 工程。所以，傳統(tǒng)的方法，人們主要還是采用溫度計(jì)、濕度 度值和濕度值，通過(guò)人工操作加熱、加濕、通風(fēng)和降溫來(lái)控 因此，以土產(chǎn) 品的推廣一使用價(jià)值仍然不大。 總之，同國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)對(duì)于溫室控制系統(tǒng)的 綜合環(huán)境測(cè)控技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單 境調(diào)控技術(shù)的階段，而實(shí)際上，溫室內(nèi)的光照度、溫度、濕 度等環(huán)境因素，都是在相互影響、相互制約的狀態(tài)中對(duì)作物 影響的，環(huán)境要素的空間變化、時(shí)間變化都很復(fù)雜。因此， 據(jù)我國(guó)的囚情研制出適合我 l6J 農(nóng)業(yè)的發(fā)展的初能溫室控制系 業(yè)設(shè)施中廣泛推廣【 11]。 溫室環(huán)境測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 溫室智能控制系統(tǒng)作為一種資源節(jié)約型的高效農(nóng)業(yè)技術(shù)， 計(jì)算機(jī)綜合控制下，創(chuàng)造適宜于作物生長(zhǎng)的環(huán)境， 實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì) 耗的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。要提高測(cè)控系統(tǒng)的性能除了硬件系統(tǒng) 算法也不可缺少。只有采用合理的控制算法，才能使溫室環(huán) 子達(dá)到最優(yōu)的控制效果，才能使溫室控制系統(tǒng)達(dá)到智能化的 是我國(guó)現(xiàn)階段在溫室控制的理論研究和工程實(shí)踐中常涉及到 算法 [12]。 模糊控制算法 模糊控制不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，它是通 成人們用自然語(yǔ)言所描述的控制活動(dòng)。其控制算法是把各種 合起來(lái)分析考慮，然后進(jìn)行模糊控制。再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng) 糊控制規(guī)則，經(jīng)模糊推理得到模糊控制表，使綜合參數(shù)的相 到最佳狀態(tài)。模糊控制有許多良好的特性，它 不需要事先知 學(xué)模型，具有響應(yīng)速度快、超調(diào)小、過(guò)渡時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。比 節(jié)速度快、魯棒性好，但模糊控制穩(wěn)態(tài)精度欠佳【 13】。 專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)作為一種知識(shí)的載體，所表現(xiàn)出來(lái)的可靠性、 久性及其易于傳播和復(fù)制的特性，是人類專家所不及的，因 解決某些領(lǐng)域問(wèn)題時(shí)具有不可取代的重要作用。特別是對(duì)人類 高級(jí)專家數(shù)量很少，相應(yīng)的知識(shí)傳播和復(fù)制也較難，從這個(gè) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 開(kāi)發(fā)領(lǐng)域內(nèi)的專家系統(tǒng)不僅非常必要，而且應(yīng)用前景非 3