【正文】 、法國、加拿大等國是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)的國家，溫室以大型溫室為主。 歐美等國家在 30 年代就相繼建立了人工氣候室。初期是使用儀表對溫室設(shè)施中的光照、溫度等參數(shù)進(jìn)行測量，再使用手動或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如幕簾、通風(fēng)設(shè)備等）施行簡單控制，隨著傳感元件、儀表及執(zhí)行器技術(shù)的進(jìn)步，逐步發(fā)展成為對溫度、濕度、光照等幾乎所有室 內(nèi)環(huán)境參數(shù)分別進(jìn)行自動控制。 70 年代中期，荷蘭、日本、美國、意大利等國家已使用微型計算機(jī)控制植物生長環(huán)境。目前，在溫室控制技術(shù)方面，荷蘭、美國、以色列、日本等國較為先進(jìn)。除了對溫室進(jìn)行監(jiān)控外，計算機(jī)優(yōu)化環(huán)境參數(shù)、節(jié)能、節(jié)水及設(shè)施裝備的可靠性等很多方面都取得了很好的技術(shù)成果，并推出了許多新產(chǎn)品。日本、韓國開發(fā)了瓜類、茄果類蔬菜嫁接機(jī)器人。資源相對貧瘠的荷蘭溫室生產(chǎn)最值得研究。 1999 年一年四季全天候生產(chǎn)的大型溫室有 萬 hm2，其中 90%為玻璃溫室。荷蘭大量投資與溫室相關(guān)的基礎(chǔ)研究。重視作物生理、產(chǎn)量、品質(zhì)與環(huán)境因子之間的定量關(guān)系等方面研究，因而設(shè)施內(nèi)綜合環(huán)境控制系統(tǒng)智能化水平高，設(shè)施種植技術(shù)實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。首先是我國人口 眾多。第三是我國農(nóng)產(chǎn)品成本高，科技含量低，無法形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合控制作為農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)的手段，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展主要方向之一，成為 21 世紀(jì)最有活力的農(nóng)業(yè)新產(chǎn)業(yè)。由于國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)比國外落后，必然走一條引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新的路子。這次較大規(guī)模姜啟洲：基于 PLC的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計 3 的引進(jìn)溫室，各地都重視了溫室本身，但卻忽視了對我國氣候的實(shí)用性和配套的栽培技術(shù)，在運(yùn)動中存在著冬季能耗高、夏季降溫困難等問題，經(jīng)濟(jì)效益普遍不佳?！熬盼濉逼陂g，國家科技部將工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程列為國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程 ，這是唯一的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)示范工程項(xiàng)目。這次打規(guī)模的引進(jìn)溫室，特別是北京、上海幾個示范園區(qū)，在引進(jìn)溫室至溫室園藝成套設(shè)施硬件的同時，還引進(jìn)了配套品種、栽培技術(shù)、專家系統(tǒng)等軟件成套技術(shù)，以及國外相關(guān)專家現(xiàn)場指導(dǎo)。 80 年代中后期，隨著高效節(jié)能日光溫室生產(chǎn)技術(shù)在東北地區(qū)試驗(yàn)成功，就迅速在我國北方發(fā)展起來，各級政府把其作為帶領(lǐng)農(nóng)民江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 致富奔小康、培育農(nóng)村新 的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的重點(diǎn)措施，各級農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)也投入了大量的人力、物力進(jìn)行節(jié)能日光溫室建造及生產(chǎn)技術(shù)的專項(xiàng)研究，并取得了重大進(jìn)展。據(jù)統(tǒng)計，全國節(jié)能日光溫室面積到 2020 年底已到達(dá) 760 萬畝。 （ 2）能源消 耗大，以現(xiàn)代溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)效益低下，導(dǎo)致溫室產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了滑坡的現(xiàn)象。 （ 4）計算機(jī)控制水平低。 現(xiàn)代溫室中常見的能自動控制的調(diào)控機(jī)構(gòu)有 :頂部通風(fēng)窗、側(cè)面通風(fēng)窗、外遮陽簾幕、內(nèi)遮陽簾幕、軸流通風(fēng)機(jī)、降溫濕簾、人工補(bǔ)光燈、二氧化碳施肥器、加熱設(shè)備、噴霧系統(tǒng)及熏蒸設(shè)備。使用的控制器可以有很多選擇，如單片機(jī)、工控機(jī)、 PLC、通用 PC 機(jī)等。國內(nèi)外研究學(xué)者對控制系統(tǒng)和控制算法做了大量的研究。 1949 年，借助于工程技術(shù)的發(fā)展，美國建成了第一個植物人工氣候室，開展了植物對自然環(huán)境的適應(yīng)性和抗御能力的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和智能控制理論的發(fā)展，近百年來，溫室大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其自動控制和管理技術(shù)不斷得以提高，在世界各地都得到了長足的發(fā)展。 80 年代，隨著微型計算機(jī)日新月異的進(jìn)步和價格大幅度下降，以及對溫室控制要求的提高，以微機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美 得到了長足的發(fā)展，并邁入了網(wǎng)絡(luò)化，智能化階段。溫室內(nèi)的各環(huán)境因子大多由計算機(jī)集中控制，檢測傳感器也較為齊全，如溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液濃度等，由傳感器的檢測基本上可以實(shí)現(xiàn)對各個執(zhí)姜啟洲：基于 PLC的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計 5 行機(jī)構(gòu)的自動控制，如無級調(diào)節(jié)的天窗通風(fēng)系統(tǒng)，濕簾與風(fēng)扇配套的降溫系統(tǒng)，由熱水鍋爐或熱風(fēng)機(jī)組成的加溫系統(tǒng)，可定時噴灌或滴灌的灌溉系統(tǒng)，二氧化碳施肥系統(tǒng)，以及適用于溫室作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械等。 國內(nèi)溫室控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 我國溫室產(chǎn)業(yè)起步比較晚。雖然這些溫室技術(shù)領(lǐng)先、設(shè)備先進(jìn)，但在我國的使用過程中還存在較嚴(yán)重問題，主要有以下幾點(diǎn) :引進(jìn)價格高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差 。運(yùn)營模式?jīng)]有與中國的實(shí)際結(jié)合起來，不適合于我國的氣候特征。基于以上的種種原因，我國的農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了溫室中溫度、濕度、光照等單因子控制技術(shù)的研究，并逐步推出既適宜我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平又能滿足不同生態(tài)氣候條件要求的溫室控制系統(tǒng)。如由江蘇理工大學(xué)李萍萍、毛罕平等人自行研制 的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，它采用工業(yè)控制計算機(jī)作為溫室控制系統(tǒng)的核心，它是江蘇省“九五”農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目，他們在 1996 年 7 月初步建成了一套具有降溫、補(bǔ)光、控濕和增施二氧化碳等功能的智能溫室， 1997 年又相繼完成了應(yīng)用夜加溫和太陽能加溫的系統(tǒng)。該環(huán)境自動控制系統(tǒng)為多變量輸入輸出控制系統(tǒng)，通過傳感器監(jiān) 測溫室中各環(huán)境參數(shù)，得到模擬輸入量，經(jīng)相應(yīng)的變送器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在自編軟件支持下經(jīng)接口板采集數(shù)據(jù)，計算機(jī)進(jìn)行處理分析，將輸入量與設(shè)定值比較后，輸出開關(guān)量，通過驅(qū)動電路控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)包含工控計算機(jī)、傳感器變送器、模擬量輸入模塊 (DAC8017)、數(shù)字量輸出模塊 (DAC8050)， RS232/485 轉(zhuǎn)換模塊、輸出控制電路等。采集量有室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤水份及 C02 濃度。 。該系統(tǒng)下位機(jī)以 89C51 為核心，能自動控制溫室內(nèi) 100 天的溫濕度，用戶可以小時為單位設(shè)定溫濕度值。上位機(jī)為 PC 機(jī)，程序用 VB 開發(fā)，用戶根據(jù)作物生長要求，在 PC 機(jī)上輸入溫濕度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) (100江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 天內(nèi)每小時的溫度和濕度 )。控制器對比室內(nèi)溫度、濕度的測量值與設(shè)定值，根據(jù) 溫度、濕度偏高、偏低或者合適得出 9 種組合，每個組合對應(yīng)一組熱風(fēng)爐、天窗、噴霧、通風(fēng)機(jī)的組合狀態(tài)。胡建東，肖建軍等采用模糊控制原理設(shè)計了連棟溫室溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的控制器由單片計算機(jī) 80C31 及外擴(kuò)展一定數(shù)量的存貯器和接口芯片組成 :作者將溫度控制系統(tǒng)簡化成一個二維的模糊控制系統(tǒng)，分別從模糊系統(tǒng)包括的輸入輸出變執(zhí)行機(jī)理和反模糊化方面進(jìn)行了設(shè)計，模糊控制技術(shù)的應(yīng)用使連棟 溫室控制盡可能達(dá)到一個最佳的狀態(tài)。 PLC 的溫室自動控制系統(tǒng)。采集的室外信號有溫度、濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、下雨，室內(nèi)信號有溫度、濕度、 C02 濃度。 溫室環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 ：隨著 計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室計算機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的應(yīng)用將由簡單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測為主，逐步轉(zhuǎn)向以知識處理和應(yīng)用為主。因此近幾年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊推理等人工智能技術(shù)在溫室栽培中得到了不同程度的發(fā)展和應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了信息傳播。我國幅 員遼闊，氣候復(fù)雜，勞動者整體素質(zhì)低，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線和離線服務(wù)，可以對不同區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測、比較，不僅給管理帶來很大的方便，而且可以提高勞動生產(chǎn)率。上層主要用作系統(tǒng)管理，其它各種功能如測量與控制任務(wù)等，主要由下層完成。面向?qū)ο蟮姆植际较到y(tǒng)，每一個功能單元針對一個對象、每一根進(jìn)線、每一根出線、每個傳感器、接觸器等都可作為對象。 ：當(dāng)前，主要使用精確的計算機(jī)壞境控制程序根據(jù)設(shè)定值對溫室中的環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，但研究發(fā)現(xiàn)，這并不能使溫室內(nèi)的作物達(dá)到最佳產(chǎn)量。這導(dǎo)致控制系統(tǒng)向“自由設(shè)置”系統(tǒng)的方向發(fā)展，如綜合溫度控制系統(tǒng)的研制，在該系統(tǒng)中并不設(shè)置一個固定的溫度值，溫室 中的溫度在最高和最低溫度范圍內(nèi)可進(jìn)行變動，以求在一個較長的時間段內(nèi)達(dá)到理想的平均溫度?？勺儎拥沫h(huán)境控制系統(tǒng)目前主要側(cè)重于溫度、光照、相對濕度、 CO2 濃度等方面的研究，在溫室作物產(chǎn)量上已表現(xiàn)出比較滿意的效果。運(yùn)用這種技術(shù)把溫室環(huán)境自動檢測與控制系統(tǒng)中的各個電子檢測裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)無線地連接起來，以達(dá)到便捷地對溫室環(huán)境參 數(shù)進(jìn)行自動檢測，靈活地對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動控制的目的?？刂破魍瑯忧度肓怂{(lán)牙芯片，它一方面與便攜式環(huán)境參數(shù)采集器無線連接，另一方面通過 RS485 通信總線與溫室內(nèi)的計算機(jī)控制裝置相連接。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。溫度的空間分布均勻，時間變化平緩。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。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。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。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須考慮安裝成本，清除玻璃表面的水垢污染問題；蒸發(fā)冷卻法使空氣先經(jīng)過水的蒸發(fā)冷卻降溫后再送入室內(nèi)，達(dá)到降溫目的。 濕度的調(diào)節(jié)與控制 土壤濕度要與空氣相對濕度協(xié)調(diào)一致才能達(dá)到溫室濕度 的有效控制，濕度調(diào)控范圍一江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 般在 60%RH80%RH，精度為士 5%。常用的濕度調(diào)節(jié)方式是加濕和去濕。水噴霧法采用雙位或多位控制來實(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)。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。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，再來滿足濕度條件。在夏季降溫加濕的過程中，采用以濕度優(yōu)先的原則。而當(dāng)溫度過高需要啟動蒸發(fā)降溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，必須先檢測室內(nèi)的相對濕度，只有濕度低于某一設(shè)定范圍時，才能啟動蒸發(fā)裝置。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。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)及時的補(bǔ)充二氧化碳。 系統(tǒng)分析 根據(jù)作物生長所需要的環(huán)境模型制定環(huán)境設(shè)施輸出方案是溫室環(huán)境控制的關(guān)鍵技術(shù)。 系統(tǒng)主要由三部分組成 : 由上位機(jī)、 PLC、數(shù)據(jù)采集單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成 。 采用 PLC 為核心控制器， PC 機(jī)與組態(tài)軟件作為監(jiān)控模塊，兩者通過串口進(jìn)行通信來控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)了過程的智能化、人性化。而且， PLC 有各種組態(tài)模塊功能。其上位機(jī)的功能有：介入互聯(lián)網(wǎng)、 PLC 采集數(shù)據(jù)上傳的管理、設(shè)定 點(diǎn)的下載、控制算法的優(yōu)化與生成等