智能溫室環(huán)境參數(shù)的復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文在分析了溫室環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)被控環(huán)境參數(shù)的特性將不同的控制方法應(yīng)用于智能溫室的復(fù)合控制思想。首先分析環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn)并制定相應(yīng)的控制方案。然后給出了實(shí)現(xiàn)該控制方案的硬件和軟件設(shè)計(jì)。最后利用vB編寫(xiě)可視化界面，使得本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、易于掌握。
關(guān)鍵詞：智能溫室；復(fù)合控制；硬件；軟件；可視化界面

0 前言
    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑已越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。溫室生產(chǎn)通過(guò)科學(xué)管理，能最大限度地提高土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，產(chǎn)生最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是一種完全有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式。因此，對(duì)溫室的研究越來(lái)越被世界各國(guó)農(nóng)業(yè)界所重視。溫室系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，改變環(huán)境參數(shù)狀態(tài)時(shí)，一般需要一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)，存在滯后性；一個(gè)環(huán)境參數(shù)的改變，往往會(huì)影響到其它環(huán)境參數(shù)的狀態(tài)。如果對(duì)多個(gè)參數(shù)同時(shí)控制，又會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)太復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，從而很難得到滿意的控制結(jié)果。
    本文根據(jù)各個(gè)環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn)，針對(duì)不同的參數(shù)采用了不同的控制方案，提出了分布式溫室復(fù)合控制系統(tǒng)方案，取得很好的控制效果。本系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，可同時(shí)監(jiān)控多棟溫室，是一套通用性強(qiáng)，具有一定智能化、模塊化、符合我國(guó)國(guó)情的溫室控制系統(tǒng)。本文對(duì)溫室的科學(xué)管理、自動(dòng)化智能控制有著重要的指導(dǎo)意義。

1 控制算法與控制器設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用復(fù)合控制方式，根據(jù)各個(gè)環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方案。
    在溫室控制中，溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起主導(dǎo)作用，因而本文中以它們作為被控的環(huán)境參數(shù)。對(duì)參數(shù)的設(shè)置采用順時(shí)循環(huán)控制，其順序如圖1所示。

1．1 溫度、濕度的控制
    通過(guò)調(diào)節(jié)加熱蒸汽量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水蒸氣量和天窗開(kāi)度對(duì)溫度和濕度進(jìn)行控制，這兩個(gè)參量的耦合性很強(qiáng)，需要一同控制。此控制是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，存在大滯后性、強(qiáng)耦合性，很難獲得精確的數(shù)學(xué)模型。本文采用廣義自適應(yīng)預(yù)測(cè)與模糊控制相結(jié)合的控制算法，自適應(yīng)預(yù)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)溫濕度一定時(shí)間后的狀態(tài)情況，并將一定時(shí)間后的狀態(tài)引入到當(dāng)前控制中，提前對(duì)其進(jìn)行控制，消除滯后性；考慮到溫濕度在溫室系統(tǒng)中耦合性較強(qiáng)，很難單獨(dú)控制，利用模糊控制器制定規(guī)則表，對(duì)二者相互影響的效果進(jìn)行反向消除，起到解耦作用?？刂破鞯恼w結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖中ri(t+di)為溫度和濕度的給定值，yi(t+di)為di時(shí)間后的溫度和濕度預(yù)測(cè)值，ei(t+di)為di時(shí)間后的溫度和濕度的偏差，ui(t)為得到的當(dāng)前時(shí)刻的控制量(包括加熱蒸汽量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水蒸氣量和天窗開(kāi)度)，yi(t)為當(dāng)前時(shí)刻的溫度和濕度測(cè)量值。
    本文所設(shè)計(jì)的溫室控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入-多輸出(MIMO)的系統(tǒng)，控制量為熱蒸汽量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水蒸氣量和天窗開(kāi)度，被控量主要為溫度和濕度，因而模糊控制器也是一個(gè)MIMO的控制器，考慮到模糊控制器本身的解耦特點(diǎn)，可將一個(gè)MIMO分解為幾個(gè)多輸入一單輸出(MISO)的模糊控制結(jié)構(gòu)。模糊控制的輸入選擇為溫度和濕度的偏差量，輸出分別為熱蒸汽量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水蒸氣量和天窗開(kāi)度。

1．2 二氧化碳濃度的控制
    二氧化碳濃度的控制方式如下：當(dāng)CO2濃度高時(shí)，通過(guò)通風(fēng)加以降低，當(dāng)CO2濃度低時(shí)，通過(guò)噴灑CO2加以提高，這種控制方法時(shí)滯小，采用傳統(tǒng)的PID控制即可。
    (1)濃度低時(shí)，噴灑CO2，噴灑時(shí)間的長(zhǎng)短由濃度確定，本程序提供了三個(gè)延時(shí)噴灑時(shí)間，同時(shí)將濃度低時(shí)的情況分為三個(gè)等級(jí)，其等級(jí)計(jì)算方式如式(1)所示。
   
    由式(1)可知，當(dāng)實(shí)際值處于某兩個(gè)等級(jí)值之間時(shí)，采用高的等級(jí)值進(jìn)行處理。
    (2)濃度高于標(biāo)準(zhǔn)濃度允許范圍時(shí)，采用開(kāi)側(cè)窗通風(fēng)來(lái)降低濃度，側(cè)窗開(kāi)啟大小分為三個(gè)等級(jí)，濃度高于允許范圍每次只增加一級(jí)側(cè)窗開(kāi)啟，以減少外界環(huán)境的影響；當(dāng)濃度高于極限值時(shí)，側(cè)窗全部開(kāi)啟，達(dá)到快速降低濃度的目的。
1．3 光照度的控制
    對(duì)于光照強(qiáng)度的控制，采用調(diào)節(jié)燈光控制，這種控制方式基本上不存在滯后，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，因而采用比例控制方式。

    如圖3所示，系統(tǒng)不斷采集調(diào)整，使光照度達(dá)到允許范圍，為了防止形成死循環(huán)，采集調(diào)整上限次數(shù)設(shè)置為7(人工光照和遮光簾開(kāi)啟次數(shù)的和)。光處理照度時(shí)，首先判斷參量是否超限，超限則執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加一級(jí)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是人工光照和遮光簾，當(dāng)光照度低于上限值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作原則是先關(guān)遮光簾，再開(kāi)人工光照；當(dāng)光照度高于上限值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作原則為先關(guān)人工光照，再開(kāi)遮光簾，從而節(jié)約能源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，由上下兩級(jí)組成，一級(jí)是位于控制中心的上位機(jī)系統(tǒng)，二級(jí)是位于各個(gè)溫室的現(xiàn)場(chǎng)控制器系統(tǒng)，如圖4所示。

    上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)選用美國(guó)ATML公司的8位AT89C52單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)輸出的高低電平，控制電磁繼電器開(kāi)／關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的加熱器、加濕器、側(cè)窗、風(fēng)扇、CO2噴灑機(jī)構(gòu)、遮光簾、光照系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，如圖5所示，完成溫室加熱、加濕、通風(fēng)除濕、降溫、增加CO2濃度、遮光等控制功能。

    溫室控制系統(tǒng)中溫度、濕度、光照、CO2是主要的控制參數(shù)，傳感器把采集到的信息送給下位機(jī)，下位機(jī)以RS232方式與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊，將采集信息轉(zhuǎn)送給上位機(jī)。數(shù)據(jù)通信的硬件采用三線制，將單片機(jī)和PC機(jī)串口的三個(gè)引腳(RXD、TXD、GND)分別連在一起，即將PC機(jī)和單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD與接收數(shù)據(jù)線RXD交叉連接，兩者的地線GND直接相連，而其它信號(hào)線如握手信號(hào)線均不用，采用軟件握手的方式。這樣既可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)又可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
    現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)為模擬量，且信號(hào)較弱，需將檢測(cè)的信號(hào)放大，轉(zhuǎn)換為電壓0～5V或電流4～20mA，放大后的模擬信號(hào)還需經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這時(shí)采集到的信號(hào)才能夠被單片機(jī)所接收。
    單片機(jī)系統(tǒng)接收到采集的信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析處理后，從I／O輸出高／低電平控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)非門(mén)反向、光電隔離、三極管放大后，對(duì)電磁繼電器開(kāi)／關(guān)量進(jìn)行控制，通過(guò)電磁繼電器開(kāi)／關(guān)的開(kāi)／合，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通斷，改變溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)控制溫度、濕度、CO2、光照四個(gè)參數(shù)，單片機(jī)對(duì)這四個(gè)參數(shù)采用順序循環(huán)讀取方式，在整個(gè)程序運(yùn)行過(guò)程中，讀取不同的輸入檢測(cè)信號(hào)后，按所檢測(cè)到的信號(hào)類(lèi)型進(jìn)入不同的分支程序，如圖6所示。

4 可視化控制界面設(shè)計(jì)
    VB是一種可視化的編程語(yǔ)言，它在編程過(guò)程中提供了大量的功能控件，功能強(qiáng)大，編寫(xiě)簡(jiǎn)單，易于掌握。上位機(jī)系統(tǒng)中用VB編寫(xiě)的控制軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù)，可以給采集到的數(shù)據(jù)提供充足的存儲(chǔ)空間?？刂平缑婵梢栽O(shè)置隨時(shí)間而變化的參數(shù)，并向下位機(jī)傳送。主要功能特點(diǎn)如圖7所示。

4．1 單個(gè)溫室控制界面
    如圖8所示，該界面上顯示溫度、濕度、光照度、CO2濃度四個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)采樣值，并將一定時(shí)間內(nèi)的采樣值制成曲線。圖中中間位置橫線為標(biāo)準(zhǔn)值，上下邊界為上下極限，曲線為四個(gè)采樣值12小時(shí)內(nèi)的變化情況。

4．2 控制參數(shù)下傳界面
    溫濕度標(biāo)準(zhǔn)值等參數(shù)設(shè)置界面如圖9所示，它主要包含兩部分內(nèi)容，分別是控制參數(shù)和延時(shí)時(shí)間。參數(shù)設(shè)置后點(diǎn)擊設(shè)置按鈕參數(shù)向下位機(jī)進(jìn)行傳遞，并將設(shè)置好的參數(shù)傳遞給下位機(jī)，完成一次參數(shù)設(shè)置。

4．3 模糊控制表下傳界面
    上位機(jī)監(jiān)控軟件運(yùn)行后，需要修改模糊控制表，點(diǎn)擊控制表菜單，彈出模糊控制表圖框，這時(shí)點(diǎn)擊修改按鈕，便可對(duì)模糊控制表進(jìn)行修改。修改完成后，點(diǎn)擊下傳按鈕，即可向下位機(jī)進(jìn)行傳送，傳送完成后點(diǎn)擊完成按鈕，如圖10所示。

4．4 可視化界面數(shù)據(jù)庫(kù)
    上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access建立，數(shù)據(jù)庫(kù)是可視化監(jiān)控界面的重要組成部分。數(shù)據(jù)庫(kù)界面如圖11所示。

4．5 報(bào)警表存儲(chǔ)報(bào)警數(shù)據(jù)
    下位機(jī)向上位機(jī)傳送的參數(shù)值與實(shí)際值進(jìn)行比較，當(dāng)超限時(shí)將進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)將超限參數(shù)、超限時(shí)間存入報(bào)警表中，用于以后分析處理。
    模糊控制表、控制參數(shù)表、延時(shí)時(shí)間表等主要存儲(chǔ)相應(yīng)的控制參數(shù)，當(dāng)界面上參數(shù)進(jìn)行修改時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的參數(shù)將同時(shí)修改。

5 結(jié)論
    本文綜合利用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、自適應(yīng)預(yù)測(cè)技術(shù)、模糊控制技術(shù)和串行通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套具有一定智能性的分布式溫室復(fù)合控制系統(tǒng)，所取得的主要成果如下：
    (1)復(fù)合控制方式。根據(jù)被控量的特性對(duì)CO2濃度實(shí)行比例控制，對(duì)光照度實(shí)行PID控制，對(duì)溫濕度實(shí)行模糊控制和自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制，真正實(shí)現(xiàn)了溫室的智能控制。
    (2)完成了軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
    (3)良好的人機(jī)界面。采用VB6．0進(jìn)行控制界面設(shè)計(jì)，使程序簡(jiǎn)單、清晰，操作界面友好。
    此外，本系統(tǒng)還具有范圍廣、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性高、人機(jī)友好等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。