智能温室环境参数的复合控制系统设计

摘要：本文在分析了温室环境的基础上，提出了根据被控环境参数的特性将不同的控制方法应用于智能温室的复合控制思想。首先分析环境参数的特点并制定相应的控制方案。然后给出了实现该控制方案的硬件和软件设计。最后利用vB编写可视化界面，使得本系统操作简单、易于掌握。
关键词：智能温室；复合控制；硬件；软件；可视化界面

0 前言
    随着经济的发展，设施农业作为农业可持续发展的一个重要途径已越来越受到世界各国的重视。温室生产通过科学管理，能最大限度地提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率，产生最佳经济效益和社会效益，是一种完全有别于传统农业的生产模式。因此，对温室的研究越来越被世界各国农业界所重视。温室系统环境复杂，改变环境参数状态时，一般需要一段时间才能实现，存在滞后性；一个环境参数的改变，往往会影响到其它环境参数的状态。如果对多个参数同时控制，又会因为系统太复杂，难以建立精确的数学模型，从而很难得到满意的控制结果。
    本文根据各个环境参数的特点，针对不同的参数采用了不同的控制方案，提出了分布式温室复合控制系统方案，取得很好的控制效果。本系统扩展性强，可同时监控多栋温室，是一套通用性强，具有一定智能化、模块化、符合我国国情的温室控制系统。本文对温室的科学管理、自动化智能控制有着重要的指导意义。

1 控制算法与控制器设计
    本系统采用复合控制方式，根据各个环境参数的特点，设计相应的控制方案。
    在温室控制中，温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度对农作物的生长起主导作用，因而本文中以它们作为被控的环境参数。对参数的设置采用顺时循环控制，其顺序如图1所示。

1．1 温度、湿度的控制
    通过调节加热蒸汽量、风机转速、水蒸气量和天窗开度对温度和湿度进行控制，这两个参量的耦合性很强，需要一同控制。此控制是一个多变量控制系统，存在大滞后性、强耦合性，很难获得精确的数学模型。本文采用广义自适应预测与模糊控制相结合的控制算法，自适应预测技术预测温湿度一定时间后的状态情况，并将一定时间后的状态引入到当前控制中，提前对其进行控制，消除滞后性；考虑到温湿度在温室系统中耦合性较强，很难单独控制，利用模糊控制器制定规则表，对二者相互影响的效果进行反向消除，起到解耦作用。控制器的整体结构如图2所示。

    图中ri(t+di)为温度和湿度的给定值，yi(t+di)为di时间后的温度和湿度预测值，ei(t+di)为di时间后的温度和湿度的偏差，ui(t)为得到的当前时刻的控制量(包括加热蒸汽量、风扇转速、水蒸气量和天窗开度)，yi(t)为当前时刻的温度和湿度测量值。
    本文所设计的温室控制系统是一个多输入-多输出(MIMO)的系统，控制量为热蒸汽量、风扇转速、水蒸气量和天窗开度，被控量主要为温度和湿度，因而模糊控制器也是一个MIMO的控制器，考虑到模糊控制器本身的解耦特点，可将一个MIMO分解为几个多输入一单输出(MISO)的模糊控制结构。模糊控制的输入选择为温度和湿度的偏差量，输出分别为热蒸汽量、风扇转速、水蒸气量和天窗开度。

1．2 二氧化碳浓度的控制
    二氧化碳浓度的控制方式如下：当CO2浓度高时，通过通风加以降低，当CO2浓度低时，通过喷洒CO2加以提高，这种控制方法时滞小，采用传统的PID控制即可。
    (1)浓度低时，喷洒CO2，喷洒时间的长短由浓度确定，本程序提供了三个延时喷洒时间，同时将浓度低时的情况分为三个等级，其等级计算方式如式(1)所示。
   
    由式(1)可知，当实际值处于某两个等级值之间时，采用高的等级值进行处理。
    (2)浓度高于标准浓度允许范围时，采用开侧窗通风来降低浓度，侧窗开启大小分为三个等级，浓度高于允许范围每次只增加一级侧窗开启，以减少外界环境的影响；当浓度高于极限值时，侧窗全部开启，达到快速降低浓度的目的。
1．3 光照度的控制
    对于光照强度的控制，采用调节灯光控制，这种控制方式基本上不存在滞后，实时性很强，因而采用比例控制方式。

    如图3所示，系统不断采集调整，使光照度达到允许范围，为了防止形成死循环，采集调整上限次数设置为7(人工光照和遮光帘开启次数的和)。光处理照度时，首先判断参量是否超限，超限则执行机构增加一级。执行机构是人工光照和遮光帘，当光照度低于上限值时，执行机构动作原则是先关遮光帘，再开人工光照；当光照度高于上限值时，执行机构动作原则为先关人工光照，再开遮光帘，从而节约能源。

2 系统硬件设计
    硬件系统采用分布式控制结构，由上下两级组成，一级是位于控制中心的上位机系统，二级是位于各个温室的现场控制器系统，如图4所示。

    上位机采用PC机，下位机选用美国ATML公司的8位AT89C52单片机。通过单片机输出的高低电平，控制电磁继电器开／关，进而实现对温室的加热器、加湿器、侧窗、风扇、CO2喷洒机构、遮光帘、光照系统等机构进行控制，如图5所示，完成温室加热、加湿、通风除湿、降温、增加CO2浓度、遮光等控制功能。

    温室控制系统中温度、湿度、光照、CO2是主要的控制参数，传感器把采集到的信息送给下位机，下位机以RS232方式与上位机进行串口通讯，将采集信息转送给上位机。数据通信的硬件采用三线制，将单片机和PC机串口的三个引脚(RXD、TXD、GND)分别连在一起，即将PC机和单片机的发送数据线TXD与接收数据线RXD交叉连接，两者的地线GND直接相连，而其它信号线如握手信号线均不用，采用软件握手的方式。这样既可以实现预定的任务又可以简化电路设计。
    现场采集到的信号为模拟量，且信号较弱，需将检测的信号放大，转换为电压0～5V或电流4～20mA，放大后的模拟信号还需经过ADC转换成数字量，这时采集到的信号才能够被单片机所接收。
    单片机系统接收到采集的信号，经过分析处理后，从I／O输出高／低电平控制信号，控制信号经过非门反向、光电隔离、三极管放大后，对电磁继电器开／关量进行控制，通过电磁继电器开／关的开／合，进而控制执行机构的通断，改变温室内的环境参数。

3 系统软件设计
    本系统控制温度、湿度、CO2、光照四个参数，单片机对这四个参数采用顺序循环读取方式，在整个程序运行过程中，读取不同的输入检测信号后，按所检测到的信号类型进入不同的分支程序，如图6所示。

4 可视化控制界面设计
    VB是一种可视化的编程语言，它在编程过程中提供了大量的功能控件，功能强大，编写简单，易于掌握。上位机系统中用VB编写的控制软件建立数据库，可以给采集到的数据提供充足的存储空间。控制界面可以设置随时间而变化的参数，并向下位机传送。主要功能特点如图7所示。

4．1 单个温室控制界面
    如图8所示，该界面上显示温度、湿度、光照度、CO2浓度四个参数的实时采样值，并将一定时间内的采样值制成曲线。图中中间位置横线为标准值，上下边界为上下极限，曲线为四个采样值12小时内的变化情况。

4．2 控制参数下传界面
    温湿度标准值等参数设置界面如图9所示，它主要包含两部分内容，分别是控制参数和延时时间。参数设置后点击设置按钮参数向下位机进行传递，并将设置好的参数传递给下位机，完成一次参数设置。

4．3 模糊控制表下传界面
    上位机监控软件运行后，需要修改模糊控制表，点击控制表菜单，弹出模糊控制表图框，这时点击修改按钮，便可对模糊控制表进行修改。修改完成后，点击下传按钮，即可向下位机进行传送，传送完成后点击完成按钮，如图10所示。

4．4 可视化界面数据库
    上位机软件数据库采用Access建立，数据库是可视化监控界面的重要组成部分。数据库界面如图11所示。

4．5 报警表存储报警数据
    下位机向上位机传送的参数值与实际值进行比较，当超限时将进行报警，同时将超限参数、超限时间存入报警表中，用于以后分析处理。
    模糊控制表、控制参数表、延时时间表等主要存储相应的控制参数，当界面上参数进行修改时，数据库存储的参数将同时修改。

5 结论
    本文综合利用了计算机控制技术、单片机应用技术、自适应预测技术、模糊控制技术和串行通讯技术，设计了一套具有一定智能性的分布式温室复合控制系统，所取得的主要成果如下：
    (1)复合控制方式。根据被控量的特性对CO2浓度实行比例控制，对光照度实行PID控制，对温湿度实行模糊控制和自适应预测控制，真正实现了温室的智能控制。
    (2)完成了软硬件系统的设计。
    (3)良好的人机界面。采用VB6．0进行控制界面设计，使程序简单、清晰，操作界面友好。
    此外，本系统还具有范围广、价格低廉、稳定性高、人机友好等特点，具有较好的应用前景。