【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 溫室環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中的各個(gè)電子檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)線地連接起來(lái)，以達(dá)到便捷地對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，靈活地對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。便攜式環(huán)境參數(shù)采集器內(nèi)部裝有溫度、濕度、光照等各種傳感器，并嵌入了藍(lán)牙芯片，因此，這種參數(shù)采集器具有無(wú)線通信功能，可以便捷地放 置在溫室內(nèi)的不同位置。控制器同樣嵌入了藍(lán)牙芯片，它一方面與便攜式環(huán)境參數(shù)采集器無(wú)線連接，另一方面通過(guò) RS485 通信總線與溫室內(nèi)的計(jì)算機(jī)控制裝置相連接。 6 2 研究方案的設(shè)計(jì) 溫度的調(diào)節(jié)與控制 與其他環(huán)境因子比較，溫度是設(shè)施栽培中相對(duì)容易調(diào)節(jié)控制的環(huán)境因子。溫室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)和控制包括保溫、加溫和降溫 3種。溫度調(diào)控要求達(dá)到能維持適宜于作物生育的設(shè)定溫度。溫度的空間分布均勻，時(shí)間變化平緩。（ 1）保溫，為了提高大棚的保溫能力，常采用各種保溫覆蓋。具體方 法就是增加保溫覆蓋的層數(shù)，采用隔熱性能好的保溫覆蓋材料，以提高設(shè)施的氣密性。（ 2）加溫，我國(guó)傳統(tǒng)的單屋面溫室，大多采用爐灶煤火加溫，近年來(lái)也有采用鍋爐水暖加溫或地?zé)崴訙氐?。大型連棟溫室和花卉溫室，則多采用集中供暖方式的水暖加溫，也有部分采用熱水或蒸汽轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)的采暖方式。（ 3）降溫，保護(hù)設(shè)施內(nèi)降溫最簡(jiǎn)單的途徑是通風(fēng)，但在溫度過(guò)高，依靠自然通風(fēng)不能滿足作物生育要求時(shí)，必須進(jìn)行人工降溫。降溫包括遮光降溫法、屋面流水降溫法、蒸發(fā)冷卻法及強(qiáng)制通風(fēng)法。遮光降溫法是一種在室外與溫室屋頂部相距 40cm 處張掛遮光幕，對(duì) 溫室降溫很有效。另一種在室內(nèi)掛遮光幕，降溫效果比掛在室外差；屋面流水降溫法采用時(shí)須考慮安裝成本，清除玻璃表面的水垢污染問(wèn)題；蒸發(fā)冷卻法使空氣先經(jīng)過(guò)水的蒸發(fā)冷卻降溫后再送入室內(nèi)，達(dá)到降溫目的。蒸發(fā)冷卻法有濕簾 —— 風(fēng)機(jī)降溫法、細(xì)霧降溫法、屋頂噴霧法。 濕度的調(diào)節(jié)與控制 土壤濕度要與空氣相對(duì)濕度協(xié)調(diào)一致才能達(dá)到溫室濕度的有效控制，濕度調(diào)控范圍一般在 60%RH80%RH，精度為 177。 5%。濕度的調(diào)控影響溫度，要求濕度與溫度的調(diào)控需按一定的程序進(jìn)行。常用的濕度調(diào)節(jié)方式是加濕和去濕。（ 1）加濕，一般常用的方法是 水噴霧法和蒸汽加濕。水噴霧法采用雙位或多位控制來(lái)實(shí)現(xiàn)；蒸汽加濕則采用電極加濕器或澆蒸加濕器實(shí)現(xiàn)。（ 2）去濕，在溫室中去濕常用以下三種方式：加熱控制法、吸附法 化學(xué)除濕器、排濕換氣。在濕度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，溫室內(nèi)的加濕和去濕則由溫室內(nèi)的調(diào)節(jié)部件完成，這些部件有天窗、側(cè)窗、濕簾、風(fēng)機(jī)等。 溫度、濕度之間的耦 合 溫度與濕度之間有一定的耦合關(guān)系，對(duì)一個(gè)因子的控制常會(huì)帶來(lái)另一個(gè)因子的變化。在冬季溫室環(huán)境控制中，默認(rèn)為溫度控制優(yōu)先的原則，在溫度條件滿足后，再來(lái)滿足濕度條件。如溫度過(guò)低、濕度過(guò)大的情況下，以加溫為主 導(dǎo)，只有 7 當(dāng)溫度上升到一定值后，才能通風(fēng)降濕，另一方面，溫度提高本身可以使相對(duì)濕度降低。在夏季降溫加濕的過(guò)程中，采用以濕度優(yōu)先的原則。當(dāng)濕度過(guò)小時(shí)，開(kāi)啟蒸發(fā)降溫加濕裝置。而當(dāng)溫度過(guò)高需要啟動(dòng)蒸發(fā)降溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，必須先檢測(cè)室內(nèi)的相對(duì)濕度，只有濕度低于某一設(shè)定范圍時(shí)，才能啟動(dòng)蒸發(fā)裝置。 光照的調(diào)節(jié)與控制 在溫室內(nèi)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)中通常選用改變溫室大棚的硬件環(huán)境方法，人工調(diào)節(jié)大棚外部設(shè)施的方法來(lái)改變溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度。調(diào)節(jié)方法一般有以下四種：（ 1）改善設(shè)施的透光率；（ 2）應(yīng)用反光幕；（ 3）人工補(bǔ)光；（ 4）遮光。 二氧化碳含量的調(diào)節(jié)與控制 大氣中二氧化碳平均濃度一般為 %，變幅較小。在冬春設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，為了保溫，設(shè)施經(jīng)常處于密閉狀態(tài)，缺少內(nèi)外氣體交換，二氧化碳濃度變幅較大，中午設(shè)施內(nèi)由于光合作用，二氧化碳濃度下降，接近甚至低于補(bǔ)償點(diǎn)，二氧化碳處于虧缺狀態(tài)應(yīng)當(dāng)及時(shí)的補(bǔ)充二氧化碳。補(bǔ)充二氧化碳的方法很多，常用的主要有三種：（ 1）燃燒法；（ 2）化學(xué)反應(yīng)法（目前在我國(guó)的設(shè)施栽培中運(yùn)用較多）；（ 3）施用顆粒有機(jī)生物氣肥法。 因?yàn)闇厥抑杏卸喾N環(huán)境因素，溫室環(huán)境是多因子的、相互影響 性 的、非 線性的、有延時(shí)性的 和親合性的 復(fù)雜系統(tǒng)。如下所示： （ 1） 相互影響性：溫室中有多種環(huán)境因子，它們之間是有影響的，例如升高溫室中的溫度，其濕度必定相應(yīng)降低，對(duì)溫室進(jìn)行通風(fēng)降溫還會(huì)影響其二氧化碳的濃度。所以，溫室內(nèi)的環(huán)境都是相互影響的； （ 2） 非線性：溫室內(nèi)的各個(gè)環(huán)境因素沒(méi)有一個(gè)是穩(wěn)定不變的，溫室或多或少還是會(huì)受到外界影響。而且溫室中農(nóng)作物自身不停的進(jìn)行化學(xué)變化，也會(huì)影響環(huán)境因素，因此該環(huán)境因素都是非線性的； （ 3） 延時(shí)性：當(dāng)我們調(diào)控溫室環(huán)境時(shí)，各個(gè)環(huán)境不是瞬時(shí)就能改變的，這需要一個(gè)過(guò)程，而且傳感器采集到數(shù)據(jù)后，傳送到相應(yīng)的控制器 ，控制器處理數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)，做出控制調(diào)整還需要一個(gè)過(guò)程。通常改變溫室內(nèi)的某個(gè)環(huán)境因素是慢慢擴(kuò)散的一種現(xiàn)象，例如對(duì)溫室內(nèi)加溫，溫度變化就是擴(kuò)散的過(guò)程；對(duì)溫室內(nèi)補(bǔ)充二氧化碳，二氧化碳濃度的變化也是擴(kuò)散過(guò)程，這就是溫室環(huán)境的延時(shí)性； （ 4） 親合性：溫室系統(tǒng)包含了多種的環(huán)境因素，各因素之間不是相互獨(dú)立互不干擾的，各個(gè)因素的控制過(guò)程是彼此耦合在一起的，當(dāng)我們對(duì)其中一個(gè)變量 8 進(jìn)行調(diào)控，會(huì)影響其他變量發(fā)生相應(yīng)的改變。 綜上四個(gè)特點(diǎn)可知，溫室系統(tǒng)是復(fù)雜的，具有多種環(huán)境影響因子的，對(duì)溫室系統(tǒng)提出的控制要求并不是一成不變的，要根據(jù)不同作 物相應(yīng)調(diào)整，因此想要建立精準(zhǔn)控制模型幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通常溫室控制中我們往往采取區(qū)間化控制，例如某作物只要求環(huán)境溫度控制在一定的區(qū)間內(nèi)就能良好的生長(zhǎng)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)溫室控制系統(tǒng)時(shí)只要保證溫室內(nèi)部溫度調(diào)控在某一區(qū)間即可，完全沒(méi)必要對(duì)溫度或其他環(huán)境因素進(jìn)行精準(zhǔn)控制。 影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的因素主要有兩個(gè)，其一是由農(nóng)作物自身的遺傳特性決定的，即所謂的品種。如果想通過(guò)改變農(nóng)作物的遺傳特性達(dá)到促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的目的需要大量的人力財(cái)力投入，而且會(huì)形成轉(zhuǎn)基因食品；其二是農(nóng)作物所在的生長(zhǎng)環(huán)境，智能溫室內(nèi)部就是 一個(gè)小生態(tài)，在目前的科學(xué)技術(shù)幫助下，完全通過(guò)調(diào)控智能溫室內(nèi)的環(huán)境因子的方式有效的提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。 溫度 溫度是否適宜，是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中非常重要的因素之一，溫度可以影響農(nóng)作物體內(nèi)在的化學(xué)變化。每種農(nóng)作物對(duì)溫度都有其獨(dú)特的要求，擁有最適宜溫度以及最高最低溫度。當(dāng)農(nóng)作物在極限溫度下，雖然還能維持生存，但已經(jīng)極大的影響其生長(zhǎng)發(fā)育；只有生長(zhǎng)在最適溫度下，農(nóng)作物才能迅速健康生長(zhǎng)，達(dá)到最佳狀態(tài)。因此，對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行范圍內(nèi)的調(diào)控可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，較為常見(jiàn)的溫控設(shè)備包括加熱設(shè)備和通風(fēng)風(fēng)機(jī)，同時(shí)在溫室中通 過(guò)安裝溫度傳感器獲取溫室內(nèi)溫度，將采集的數(shù)值與農(nóng)作物最適宜溫度對(duì)比，執(zhí)行相應(yīng)升降溫操作，啟動(dòng)相應(yīng)控制設(shè)備。 濕度 農(nóng)作物對(duì)空氣濕度也有不同的要求，如果更加細(xì)致的分析，同一種農(nóng)作物在它整個(gè)生命周期中的不同階段以及一天中的不同時(shí)段對(duì)空氣濕度也有不同的需求。針對(duì) 溫室 中所種植不同類(lèi)別的作物的不同特性，溫室控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)控制溫室保持相應(yīng)的濕度環(huán)境，保證當(dāng)前農(nóng)作物快速健康生長(zhǎng)。同時(shí)濕度調(diào)控與溫度調(diào)控還存在一定的耦合關(guān)系，對(duì)其中一個(gè)因子調(diào)控常會(huì)帶來(lái)另外一個(gè)因子的變動(dòng)，而且影響較大。因此，在溫室環(huán)境控制中要綜合的考 慮這兩個(gè)因素之間的耦合性。 光照強(qiáng)度 陽(yáng)光是農(nóng)作物生長(zhǎng)必不可少的，沒(méi)有陽(yáng)光，農(nóng)作物或植物就無(wú)法進(jìn)行光合作 9 用，進(jìn)而農(nóng)作物無(wú)法生長(zhǎng)發(fā)育。陽(yáng)光是作物光合作用非常重要的條件，同時(shí)它又是控制農(nóng)作物光周期的因素。充足的光照可以促進(jìn)光合作用，使農(nóng)作物合成更多的有機(jī)物，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。如果光照不足或光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)，都會(huì)極大的影響農(nóng)作物正常的光合作用，還會(huì)減退葉片的同化作用，造成植株脆弱，引發(fā)病蟲(chóng)害，導(dǎo)致落花落果，產(chǎn)量低，質(zhì)量差等問(wèn)題。在溫室中，內(nèi)部的光照強(qiáng)度與外部的光照強(qiáng)度有著明顯的相關(guān)性，但是與室外相 比室內(nèi)的光照強(qiáng)度明顯較低。當(dāng)溫室內(nèi)光照強(qiáng)度不能滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求時(shí)，需要補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光。 二氧化碳 二氧化碳也是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用必不可少的，光合作用就是植物合成有機(jī)物的過(guò)程，而二氧化碳就是為這個(gè)過(guò)程提供了碳源，但是二氧化碳濃度過(guò)高和不足都影響作物的生長(zhǎng)，在一定程度上會(huì)降低產(chǎn)量。一定量的提高二氧化碳濃度可以讓農(nóng)作物的物候期提前，提高農(nóng)作物體內(nèi)有機(jī)物含量。大部分農(nóng)作物的產(chǎn)量隨二氧化碳濃度升高而升高，并且還可以影響某些農(nóng)作物的蛋白質(zhì)、氨基酸和淀粉的含量。同時(shí)二氧化碳的充足還能保證作物幼苗期的質(zhì)量，促進(jìn) 其快速生長(zhǎng)，抑制或減輕疾病的發(fā)生。 土壤含水量 土壤中總有一定間隙的，而占據(jù)了間隙的是水與空氣。當(dāng)水分含量太少時(shí)，植物根系吸收的水分不充足，而植物的蒸騰作用又使植物失去大量水分，從而導(dǎo)致植物失水萎蔫。同時(shí)土壤缺乏水分時(shí)，造成土壤板結(jié)、裂縫的產(chǎn)生會(huì)將植物根系拉斷，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致植物死亡。當(dāng)含水量過(guò)多時(shí)，土壤 縫隙 中空氣所占的比例就很小，導(dǎo)致植物根系有氧呼吸大大減弱，植物根系被迫轉(zhuǎn)向無(wú)氧呼吸。無(wú)氧呼吸會(huì)生成酒精傷害作物根部，導(dǎo)致根部潰爛。嚴(yán)重時(shí)同樣致使植物枯萎死亡。 10 3 PLC 概述 PLC 簡(jiǎn)介 PLC 的產(chǎn)生和定義 在 PLC 誕生之前，繼電器控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，起著不可替代的作用。隨著生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，繼電器控制系統(tǒng)已越來(lái)越難以適應(yīng)現(xiàn)代 化 工業(yè)生產(chǎn)的要求。繼電器控制系統(tǒng)通常是針對(duì)某一固定的動(dòng)作順序或生產(chǎn)工藝而設(shè)計(jì)，他的控制功能也局限于邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等一些簡(jiǎn)單的控制，一旦動(dòng)作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、布線、裝配和調(diào)試，造成時(shí)間和資金的嚴(yán)重浪費(fèi)。繼電器控制系統(tǒng)體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運(yùn)行速度慢、適應(yīng)性差。為了改變這一現(xiàn)狀， 1968 年美國(guó)最大的汽車(chē)制造商通用汽車(chē)公司（ GM），為了適應(yīng)汽車(chē)型號(hào)不斷更新的需求，并能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車(chē)工業(yè)中占有優(yōu)勢(shì)，提出要研制一種新型的工業(yè)控制裝置來(lái)取代繼電器控制裝置，為此，擬定了 10項(xiàng)公開(kāi)招標(biāo)的技術(shù)要求，即： 編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序 ； 維護(hù)方便，最好是插件式 ； 可靠性高于繼電器控制柜 ； 體積小于繼電器控制柜 ； 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī) ； 在成本上可與繼電器控制柜競(jìng)爭(zhēng) ； 輸入可以是交流 115V； 輸出可以是交流 115V、 2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥等 ； 在擴(kuò)展時(shí)，原有系統(tǒng)只要很小變更 ； 用戶(hù)程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展到 4KB； 根據(jù)招標(biāo)的技術(shù)要求，第二年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出了世界上第一臺(tái) PLC，并在通用汽車(chē)公司自動(dòng)裝配線上試用成功。這種新型的工控裝置，以其體積小、可變性好、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、簡(jiǎn)單易懂、操作維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快就在美國(guó)的許多行業(yè)里得到推廣應(yīng)用，也受到了世界上許多國(guó)家的高度重視。 1971 年，日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù) ，很快研制出了他們的第 1臺(tái) PLC。 1973 年，西歐國(guó)家也研制出他們的第 1 臺(tái) PLC。我國(guó)從 1974 年開(kāi)始研制，到 1977 年開(kāi)始應(yīng)用于工控領(lǐng)域。在這一時(shí)期， PLC 雖然采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但實(shí)際上 PLC 只能完成順序控制，僅有邏輯運(yùn)算等簡(jiǎn)單功能，所以人們 11 將它稱(chēng)為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱(chēng)為 PLC。 20 世紀(jì) 70 年代末至 80 年代初期，微處理器日趨成熟，使 PLC 的處理速度大大提高，增加了許多功能。在軟件方面，除了保持原有的邏緝運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外，還 增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持原有的開(kāi)關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊，并擴(kuò)大了存儲(chǔ)器的容量，而且還提供一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器。為此，美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)將可編程序邏輯控制器，正式命名為編程序控制器（ Programmable Controller），簡(jiǎn)稱(chēng) PC。但由于 PC 容易和個(gè)人計(jì)算機(jī) PC（ Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用 PLC 作為可編程序控制器的簡(jiǎn)稱(chēng)。 1985 年，國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)對(duì) PLC 作出如下定義： 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 由該定義可知： PLC 是一種由“事先存貯的程序”來(lái)確定控制功能的工控類(lèi)計(jì)算機(jī)。 PLC 它是按照成熟而有效的繼電器控制概念和設(shè)計(jì)思想，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件，逐步形成 了具有特色的各種系列產(chǎn)品，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的專(zhuān)用電子計(jì)算機(jī)。它是將邏輯運(yùn)算，順序控制，時(shí)序和計(jì)數(shù)以及算術(shù)運(yùn)算等控制程序，用一串指令的形式存放到存儲(chǔ)器中，然后根據(jù)存儲(chǔ)的控制內(nèi)容，經(jīng)過(guò)模擬，數(shù)字等輸入輸出部件，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的裝置。 PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展， PLC 已由最初一位機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的以 16 位和 32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PC，而且實(shí)現(xiàn)了多