【正文】 70年代后荷蘭、日本、美國(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家的溫室園藝迅猛發(fā)展，溫室設(shè)施廣泛應(yīng)用于園藝作物生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。特別是二十世紀(jì)70年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，更使溫室大棚環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。目前，國(guó)外現(xiàn)代化溫室的內(nèi)部設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)對(duì)這些系統(tǒng)的控制己經(jīng)不是簡(jiǎn)單的、獨(dú)立的、靜態(tài)的直接數(shù)字控制，而是基于環(huán)境模型上的監(jiān)督控制，以及基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。自70年代末起，我國(guó)先后從日本、美國(guó)、荷蘭和保加利亞等國(guó)引進(jìn)了40套左右的現(xiàn)代化溫室成套設(shè)備。技術(shù)要求過(guò)高，要求經(jīng)營(yíng)者既要懂農(nóng)業(yè)技術(shù)，熟悉英文，還要掌握電腦操作和機(jī)械運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。所以，研究開發(fā)符合我國(guó)國(guó)情、產(chǎn)生明顯經(jīng)濟(jì)效益并適用于大范圍推廣應(yīng)用的自動(dòng)控制溫室系統(tǒng)己經(jīng)迫在眉睫。從控制器類型來(lái)劃分，主要有以下幾種溫室自動(dòng)控制系統(tǒng):。1996年8月起進(jìn)行了溫室環(huán)境控制的技術(shù)效果測(cè)試分析和生菜、空心菜、三葉芹的無(wú)土栽培試驗(yàn)，測(cè)試表明，溫度、濕度、光照、營(yíng)養(yǎng)液和二氧化碳等各個(gè)環(huán)境因子控制技術(shù)效果良好，基本達(dá)到預(yù)期目的，并明確了各環(huán)境參數(shù)的合理控制范圍。王東升等研究了日光溫室的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？刂茩C(jī)構(gòu)有補(bǔ)光燈、排風(fēng)扇、滴灌設(shè)備、二氧化碳發(fā)生器等。光照不足啟動(dòng)補(bǔ)光燈、溫度低啟動(dòng)加熱器、土壤水分不夠則開啟滴灌系統(tǒng)，采用簡(jiǎn)單開關(guān)控制方式。例如:汪永斌，呂昂等研制的溫室群全數(shù)字式溫度和濕度綜合控制系統(tǒng)。每個(gè)下位機(jī)與上位機(jī)之間用RS585通信。溫濕度傳感器用LTM8901直接輸出數(shù)字信號(hào)。董喬雪，王一鳴設(shè)計(jì)的溫室計(jì)算機(jī)分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)，其上位機(jī)軟件是在虛擬儀器平臺(tái) Lab windows/CVI下開發(fā)完成的，下位機(jī)使用單片機(jī)。楊明等設(shè)計(jì)的基于溫濕度模糊控制的智能溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為AT89C52，采用模糊控制器進(jìn)行溫濕度的智能控制。例如用歐姆龍系列的CZOOHS作為下位機(jī)，COMPAQ計(jì)算機(jī)為上位機(jī)構(gòu)成溫室控制系統(tǒng)。輸出信號(hào)控制的機(jī)構(gòu)有:開窗電機(jī)、遮陽(yáng)電機(jī)、通風(fēng)電機(jī)、加熱閥門、壓水泵和噴淋泵。因此軟件系統(tǒng)的研制開發(fā)將不斷深入完善，其中以專家系統(tǒng)為主的智能管理系統(tǒng)已取得了不少研究成果，而且應(yīng)用前景非常廣闊。：目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)己成為當(dāng)前世界最有活力、發(fā)展最快的高科技領(lǐng)域。因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度的提高成為可能。：分布式系統(tǒng)通?？煞譃樯?、下兩層。下層由許多各自獨(dú)立的功能單元組成，每個(gè)單元只完成一部分工作。：所謂綜合環(huán)境調(diào)節(jié)，就是以實(shí)現(xiàn)作物的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)為目標(biāo)，把影響作物生長(zhǎng)的多種環(huán)境參數(shù)，如光照、溫度、濕度、CO2濃度等，都保持在適宜作物生長(zhǎng)的狀態(tài)，并盡可能使用最少量的環(huán)境調(diào)節(jié)裝置，既省時(shí)又節(jié)能，還能使勞動(dòng)者愉快地從事生產(chǎn)勞動(dòng)。如作物的生長(zhǎng)和發(fā)育并不取決于某一時(shí)刻某個(gè)特定溫度，而主要取決于在一個(gè)時(shí)間段中的平均溫度水平。這樣計(jì)算機(jī)可以根據(jù)室外的氣候，在使用最低能耗、最佳利用溫室中的現(xiàn)有的設(shè)備的情況下自由進(jìn)行調(diào)節(jié)。(B1uetooth)：藍(lán)牙技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的新型低成本、短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。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。第二章 研究方案的設(shè)計(jì) 溫室大棚內(nèi)重要參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制 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。（1）保溫，為了提高大棚的保溫能力，常采用各種保溫覆蓋。（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?。?）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。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。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)控影響溫度，要求濕度與溫度的調(diào)控需按按一定的程序進(jìn)行。（1）加濕，一般常用的方法是水噴霧法和蒸汽加濕。（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。 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。如溫度過(guò)低、濕度過(guò)大的情況下，以加溫為主導(dǎo)，只有當(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。當(dāng)濕度過(guò)小時(shí)，開啟蒸發(fā)降溫加濕裝置。 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。 二氧化碳含量的調(diào)節(jié)與控制%，變幅較小。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。為避免控制方案過(guò)于復(fù)雜，本設(shè)計(jì)選擇最重要的環(huán)境因子如溫室內(nèi)空氣溫度、濕度、光照、CO2濃度作為基本的監(jiān)測(cè)和控制項(xiàng)目,針對(duì)日光溫室自身特點(diǎn)，制訂如圖21所示的控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。各傳感器對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后送入單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集。其突出特點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C(jī)價(jià)格低廉，PLC編程靈活，PC機(jī)存儲(chǔ)空間大，因此，具有相當(dāng)高的性價(jià)比。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。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)的主要功能是將傳感器采樣得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫室現(xiàn)場(chǎng)控制器所需要的信號(hào)?？紤]到傳輸距離的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)的輸出電流都控制在010mA，從而減小傳輸過(guò)程中的干擾，保證采樣值的準(zhǔn)確性與可靠性?，F(xiàn)存的傳感器類型很多，根據(jù)對(duì)傳感器的應(yīng)用分析，AD590是應(yīng)用較普遍的一類傳感器。它的輸出電流精確地正比于絕對(duì)溫度，可以作為精確測(cè)溫元件。AD590的校準(zhǔn)精度可達(dá)177。℃。因此，選用溫度AD590傳感器與可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文設(shè)計(jì)了具有獨(dú)立調(diào)節(jié)功能的測(cè)溫電路，具體如圖31所示。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。這種調(diào)整的方法，可以保證在0℃或25℃附近有較高精度。電容式濕度傳感器的動(dòng)態(tài)范圍大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，幾乎沒(méi)有零漂，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。2％RH；極好的線性輸出；1～99％RH濕度量程；40～100℃的溫度工作范圍，響應(yīng)時(shí)間5秒；濕度輸出受溫度影響極小，防腐蝕性氣體；常溫使用無(wú)需溫度補(bǔ)償，無(wú)需校準(zhǔn)；％RH；典型值180pf55%RH；長(zhǎng)期穩(wěn)定性及可靠性；％RH/年。將HS1101接入555定時(shí)器組成的振蕩器電路中，輸出一定頻率的方波信號(hào)。具體的測(cè)量電路如圖32所示：本文選用的是NE556芯片，它內(nèi)部含有兩個(gè)NE555定時(shí)器。該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源UCC通過(guò)R R 2向C2充電，經(jīng)t1充電時(shí)間后，UC2充至芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約2/3UCC，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R2放電，經(jīng)t2放電時(shí)間后，UC2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約1/3UCC，此時(shí)輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平。根據(jù)溫室內(nèi)作物對(duì)光照強(qiáng)度的要求，光照傳感器應(yīng)該反應(yīng)靈敏、精度高。光照傳感器是利用光電子產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量光照度的，通過(guò)放大電路的放大后輸出合適的電壓或電流信號(hào)。為了增加系統(tǒng)的通用性、靈活性，本系統(tǒng)硬、軟件都采用了模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同而選用不同的配置。 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集是整個(gè)控制與管理系統(tǒng)的重要組成部分，要達(dá)到對(duì)環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行控制，必須要對(duì)環(huán)境和設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)分析決策，然后實(shí)施控制行為。數(shù)據(jù)采集處理電路如圖33所示。ADC0809內(nèi)部具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)，外接8路模擬輸入端，可同時(shí)對(duì)8路0~5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)。圖33 數(shù)據(jù)采集處理電路 圖34 顯示/報(bào)警電路 顯示/報(bào)警電路為直觀顯示當(dāng)前狀態(tài)或最終結(jié)果，本系統(tǒng)選用TC1602型LCD液晶顯示器，液晶屏顯示模塊與數(shù)碼管相比，它顯得更為專業(yè)、漂亮。同時(shí)，為了在某些緊急狀態(tài)或反常狀態(tài)下，能使操作人員不致忽視，以便及時(shí)處理，本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單易行的聲光報(bào)警電路。 主控模塊設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)由可編程控制器與輸入輸出設(shè)備及驅(qū)動(dòng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。 PLC選型圖35 主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PLC具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合高效溫室的控制。FX2N是FX系列中功能最強(qiáng)、速度最快的微型可編程序控制器,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了很多大型可編程序控制器。本設(shè)計(jì)中包括的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)有:外遮