智能温室的设计

2003年3月武汉职业技术学院学报Mar. 2003第2卷第1期Journal of W uhan Technical CollegeVol.2,No.1●技术研究与实践.智能温室的设计王振华l黄淑琴2(1.江苏信息职业技术学院,江苏 无锡2140612.秦州职业技术学院,江苏泰州225300)[摘要]本文介绍用于营造人工环境、生产绿色无公害植物的智能温室。较系统地阐述了自动化温室的结构设计,控制系统的软、硬件设计及实现。[关键词]智能温室;模糊控制;农业设施中图分类号:GP273.5 文献标识码:A 文章编号:1671 - 931X(2003)01 - 0052 - 04 .一个完整的自控温室小气候控制系统由温度、为覆盖材料。其性能价格比优于玻璃、聚磷酸脂中湿度、二氧化碳浓度、光照、营养液等五个子系统组空板(PC)、聚氯乙烯板(PVC)、玻璃纤维聚脂板成,它们分别完成对上述作物生长条件的控制。温(FRP)。室系统是一个非线性分布参数、时变、大时延、多变(3)温室的通风应充分利用自然条件,确定温室量强调耦合的复杂系统，它所处的环境充满着大量开窗的朝向十分重要,如地区全年平均主导风向为不确定因素,其控制任务是要完成动态多目标的协东南,则天窗的位置应设在北侧。同时温室屋面设调控制。计成大弧度曲面,不仅美观，更重要的是室外气流在一、智能温室的结构设计靠近屋面形成贴附的空气流线,从而在天窗外侧凹1、温室建筑结构设计陷处形成涡流区,使该区的静压力低于温室内的气进行温室建筑布局、形式、尺寸等方面设计,应.压,并且随着室外风速越大,压差也就越大,通过天考虑结构、机械、覆盖与支撑材料、通风、保温、给排窗排除的空气也越多,起到通风降温的效果。水以及环境调控设备等多种等多种因素,并应考虑2、温室运行机构本地的地理气候条件，充分利用自然资源,力图降低(1)天窗起闭机构制造成本和运行费用。其结构框架设计的特点归结为了通风以及与外界进行热交换,在外界环境如下。适宜或室内空气不够新鲜时需要打开天窗，当外界(1)温室结构布局。南北栋建筑可使太阳直射环境恶劣时,必须关上天窗。天窗开启与闭合利用光平均日总量透过率最高。因此,采用一种主向阳电机作为动力源,由一个带有均匀小孔的金属圆弧面做成大弧度顶面的锯齿型屋面,其光照总量要比.齿条支撑。电机带动滚柱转动,则固定在滚柱上的采用对称向北屋面大大增加。小齿轮使金属条向上运动,撑起一端由铰链固定的(2)温室覆盖材料透光率对温室的光照总量有天窗中国煤化工反转,则关闭天窗。着重要影响,采有超长塑料薄膜(阳光穿透率85%)由于|YHCNMHGq阻力也大,故应选①收稿日期:2002.11.29作者简介:王振华(1953 - ).男,江苏常熟人,江苏信息职业技术学院机械工程系.高级讲师。52较大功率的电机。如功率为550瓦,额定转速棚的顶部。干净的水(脏水需要二级甚至多级过滤)1400r/min,工作电流1.6A的JW7124电机。经过过滤器(精滤)进人水箱,经高压泵输送到固定(2)外遮阳机构的喷头使之雾化,产生悬浮在空气中的小雾滴。为为了在太阳照射较强时,温室大棚内部的温度防止喷头堵塞,喷雾用水应保持十分纯净,过滤单位能保持在一定范围内,使室内的所种植物不致因温要达5pm。当温室内温度超过控制器事先设定的度过高而发育不良甚至枯死,温室顶部设有遮阳网。温度值时,控制系统自动开机喷雾降温;温度正常,遮阳网采用镀有金属的塑料细绳编织而成，因为有该系统自动关机。温室内的温度,通过温度传感器,金属光泽,太阳光的辐射热会被反射回去,达到遮阳在显示器上显示。控制器也可作定时器,在一定时目的。遮阳网的张开与收拢,由电机牵引一个闭环间间隔内循环喷雾。的钢丝绳实现。(2)热风机加热系统(3)外侧膜运动机构温室的保温能力有限,天气寒冷时,需要外加的外侧膜的主要目的是通风,使温室内的空气质升温装置,用热风机加热空气保持室内温度。热风.量达到预定的要求。外侧膜的升起与放下所用的机机的工作原理是,当环境温度低于工控机所设温度构比较简单,在它的底端因定--根钢管,由电机带动值时,热风机启动,燃烧器将柴油高度雾化后,产生转动。电机与钢管的连接采用蜗杆传动,运行平稳高温气体,通过高效率的换热器,把由风机引人的空无噪声。当电机转动时,钢管随之转动卷起外侧膜,气充分加热,产生的精洁高温热空气通过出风口送电机亦随之上升,该电机应选用质量轻、功率小的电人室内各处,同时换热后的低温烟气通过烟囱排出机如YS6314/180W。室外。(4)内膜的展开与收起(3)灌溉系统内膜的展开与收起亦通过一个闭环的钢丝牵引各种农作物对水的需求完全不同,并且毫无规而完成,内膜的一端固定在大棚的支架体上,电机转律可循。各种作物对水的需求量的数据采集技术要动使得钢丝卷起，同时带动内膜的活动端运动。如求比较高,目前的技术力量还很难达到自动控制灌向固定端运行,则内膜被折叠收缩,阳光可直接照溉时间与灌溉量,只好人工定时灌溉。射，如远离固定端(即电机反转),则关上内膜，与外(4)气象测试系统。界隔离。由于电机属一带二的工作,其负载较大,应影响植物生长的主要因素是温度、湿度、光照强选择功率较大的电机，如型号为Y801-4,功率为度这三点,其他的因素尽管有时会对植物生长产生550W的电机。影响,但都是通过改变这三个要素而间接地影响植3、温室内的特殊机构物的生长,因此,温室控制的重点是对这三个参数值(1)微雾系统降温机构的控制。微雾系统利用高压喷雾解决炎热季节温室内的该系统主要由小型气象站及其配套元件组成。降温问题。该系统通过高压喷头喷射出的冷雾降它包括风力传感器、风向转感器以及雨量桶,温湿度温,冷雾能快速蒸发,且不浸湿地面。在室温内试验传感器,光敏传感器等。表明,该系统的使用能有效地降低温室的温度,改善二、控制部分作物的生长环境。借助于先进的工业设施技术,控制作物生长所高压喷雾降温也称冷雾降温,是目前在温室中需的部分和全部环境条件,并使其达到最优,以摆脱应用的较先进的降温方法。它的基本原理是普通的自然条件的限制，则各控制系统以及系统之间应相水经过系统自身配备过滤系统后,进入高压泵,水在互配合来实现,如图一所示。很高的压力(4MPa以上)下,通过管路,流过孔径非1、电控柜内控制电路常小的喷嘴(直径为15pm) ,形成直径为20μm以下电控柜内的电路由主回路与控制回路两部分组的细雾滴,雾滴弥温整个温室与空气混合,利用水的成。主回路向电动机,微雾系统,热风机等负载供蒸发潜热特点,大量吸收空气中的热量,从而达到降电。中国煤化工路，分为自动控制回温的目的。路和;中手动控制回路是降温系统包含水源部分和喷雾部分。水源部分为了:CH.C NM HG现故障),能够人为由水箱、过滤器、高压泵、管路、控制器组成;喷雾部地调节温室内各机构与设备的状态,以免温室环境分由冷雾喷头和管路组成,喷头排成- - 线安装在大的失常而影响农作物的生长。53温室控制系统光照控制温度控制湿度控制作物浇灌数据采集控子系统控制子系统制子系统|屋室传顶|热气风溉|象|宾据|循|循系|喷|阳温.淋||外统统|监递|系系|统充图一控制 系统的组成自动控制回路由工控机控制,温室运行后主要三、智能控制部分利用自动回路来工作。由于应用了农业知识到模糊1.硬件方面控制理论算法,计算机可以智能地分析采集来的温、(1)控制系统的硬件设计湿度、风向、雨量等数据,以决定驱动哪些机构与装在控制系统的硬件设计中,对PLC控制方案、置。电路的原理比较简单,主要是利用接触器控制工控机控制方案和单片机控制方案进行了比较,本电路的通断。其中采用了互锁技术保护电机,使用系统采用工控机控制方案,这种方案有如下优点:了错像保护装置,防止因相位接错而损坏电器件。.经济效益高，价格低廉。.2、数据收集与数据处理部分●采用自动/手动切换方式, 系统操作灵活,便于手动控制系统的工作过程是随机的。它对数据摸索温度系统的最佳控制方案。的采集是靠人的各种观测来获取,其中包括人眼、手●控制软件人机交互界面友好。的获得和各种仪器的测量。而手动开关控制更是无●便于分别处理故障点,有利于以后的维护工规律可循,但是控制过程却是一个有规律的闭环系作。统,如图二所示。(2)工控机控制方案数据.|数据I信号II接触器A/D数据采集卡插在工控机扩展ISA插櫝内，采集l传输接收I|接收通过数据线与工业用继电器输出板卡、端子板卡连接在一起。A/D数据采集卡的数据来源由放置于温度A、B两仓内的温、湿度传感器和温室外的气象限位开机构|电机关动作动作J运转]站。其中气象站有温度、湿度、雨量、风速、风向及日照等六路模拟信号输出,各传感器与气象站的模拟图二手动控制过程输出信号为4-20毫安的电流信号,各传感器与气对于智能温室控制系统，无人控制是其特象站均串接1千欧的电阻，将电流信号转化为5伏点。因此,采用工控机、传感器等就形成了科学的以内的电压信号送人A/D板。闭环控制系统,如图三所示。(3)工控机等硬件的选型为完成温室的控制任务,工控机可配置传感器信山信号 I计算机指令信433MHZ的CPU,64M内存,10G硬盘,板卡可选用号采集1 发送处理信号号传输.台湾研华公司的PCL818L 型多功能DAS卡，PCL中国煤化工:LD8115型端子卡。电控柜I继电器接由于YHCNMH字量输出,这样就省动作受信号去了专用的数字量输出卡。2、软件系统的开发图三自动控制过程(1)控制系统的软件开发方方数据温室小气候环境由于其本身的复杂性和外界大AUTHORWARE5.0生成可执行文件，并由MOD-气候强影响,要使得自控系统将其控制到一定的指ULE- SYSTEM中的SUB- MAIN调用。FORM标上存在一定的难度。但由于温室内作物对于各种MAIN主要负责控制主界面的形象动作部分,自动参数变化不是很敏感,因此,将各个强耦合系统进行控制算法部分,气候数据采集与执行机构控制部分。一定的分解处理,设计成温室气候控制软件模块。温室运行数据库的维护部分分布于FORM-CAN-温室软件模块中,总控系统由两大部分组成:主体系SHU与FORM - MAIN之中，FORM - MODITY统和辅助系统。并采用组态进行软件的设计,其优与FORM - PASSWORD负责软件的安全部分。点有:FORM - TONGJI, FORM - GRAPH与FORM一各功能模块分别设计,简化了软件设计的复杂CHOICE完成相关数据图表显示与报表打印的功性,又保证其可靠性;便于控制系统软件参数调试、能。MODULE - USER与MODULE - SYSTEM中调整和功能模块的测试;有利于摸清其最佳的控制的内容是软件中的变量、函数、子程序的说明。板卡规律;通过添加和卸除功能模块来调试运行过程中的驱动程序说明置于MOULE-DRIVER中。出现的异常现象,便于设备维护。软件启动后,首先出现介绍温室的演示画面,之(2)控制软件的组成后出现系统登录密码输人框，密码输人正确后出现本控制方案选用VISUALBASIC6.0编写控制运行主界面。在主界面的菜单栏中可以选择调用参软件。VISUAL BASIC作为工业领域通用的编程数设置,修改密码,图表显示与数据查询等各功能窗工具,功能强大易学易用，编写WINDOWS环境下口,在主窗口中的代码段中设置系统记数器,定时对应用程序十分简单。各气象数据采样滤波,并更新气象数据库中的内容,本软件的逻辑组成可分为如下几个部分:由算法输出控制信号实现对各机构的动作控制。●进入系统前的动画演示部分。[参考文献]●控制主界面的形象动作部分。[1]李萍萍、毛罕罕.我国温室生产的现状及待.自动控制算法部分。研究的技术问题探讨[J],农业机械学报,27卷3.气候数据采集与执行机构控制部分。期,1996..温室运行数据库的维护部分。[2]荥乐.第二次绿色革命--21世纪的农业●相关数据图表显示与报表打印部分。[M].北京:科技文献出版社, 1995..软件安全部分。[3]王立新.自适应模糊系统与控制[M].北.软件的具体组成有:FORM - CANSHU, FORM京:国防工业出版社,1995.. CHOICE, FORM - GRAPH, FORM - MODITY,[4]陆伟民.人工智能技术及应用[M].上海:FORM - PASSWORD, FORM - TONGJI, FORM -同济大学出版社.MAIN等7个VISUAL BASIC FORM与MODULE[5] Brian Siler Jeff Spotts, VISUAL BASIC6.0- USER, MODULE - SYSTEM, MOULE - DRIV-开发使用手册[Z],机械工业出版社.ER等3个VISUAL BASIC板块。[责任编辑:刘骋]进入系统前的动画演示部分由动画制作软件The Deigning of Intelligent GreenhouseWANG Zhen - hua HUANG Shu - qin(Jiangsu Information Technical College, Nanjing 214061 ,china)Taizhou Technical Collge, Taizhou 225300 , china)Abstract: This article introduces the intelligent gre中国煤化工artificialenvironment and grow unpolluted plants. It also discusseo uIc suulluial ucoigui of.MHCNMHG,the au-tomatic greenhouse , the software designing and realization of the control system.Key words: intelligent greenbouse; blur control; agriculture facilities55