2003年3月武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)Mar. 2003第2卷第1期Journal of W uhan Technical CollegeVol.2,No.1●技術(shù)研究與實(shí)踐.智能溫室的設(shè)計(jì)王振華l黃淑琴2(1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 無錫2140612.秦州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇泰州225300)[摘要]本文介紹用于營(yíng)造人工環(huán)境、生產(chǎn)綠色無公害植物的智能溫室。較系統(tǒng)地闡述了自動(dòng)化溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。[關(guān)鍵詞]智能溫室;模糊控制;農(nóng)業(yè)設(shè)施中圖分類號(hào):GP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671 - 931X(2003)01 - 0052 - 04 .一個(gè)完整的自控溫室小氣候控制系統(tǒng)由溫度、為覆蓋材料。其性能價(jià)格比優(yōu)于玻璃、聚磷酸脂中濕度、二氧化碳濃度、光照、營(yíng)養(yǎng)液等五個(gè)子系統(tǒng)組空板(PC)、聚氯乙烯板(PVC)、玻璃纖維聚脂板成,它們分別完成對(duì)上述作物生長(zhǎng)條件的控制。溫(FRP)。室系統(tǒng)是一個(gè)非線性分布參數(shù)、時(shí)變、大時(shí)延、多變(3)溫室的通風(fēng)應(yīng)充分利用自然條件,確定溫室量強(qiáng)調(diào)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，它所處的環(huán)境充滿著大量開窗的朝向十分重要,如地區(qū)全年平均主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)椴淮_定因素,其控制任務(wù)是要完成動(dòng)態(tài)多目標(biāo)的協(xié)東南,則天窗的位置應(yīng)設(shè)在北側(cè)。同時(shí)溫室屋面設(shè)調(diào)控制。計(jì)成大弧度曲面,不僅美觀，更重要的是室外氣流在一、智能溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靠近屋面形成貼附的空氣流線,從而在天窗外側(cè)凹1、溫室建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)陷處形成渦流區(qū),使該區(qū)的靜壓力低于溫室內(nèi)的氣進(jìn)行溫室建筑布局、形式、尺寸等方面設(shè)計(jì),應(yīng).壓,并且隨著室外風(fēng)速越大,壓差也就越大,通過天考慮結(jié)構(gòu)、機(jī)械、覆蓋與支撐材料、通風(fēng)、保溫、給排窗排除的空氣也越多,起到通風(fēng)降溫的效果。水以及環(huán)境調(diào)控設(shè)備等多種等多種因素,并應(yīng)考慮2、溫室運(yùn)行機(jī)構(gòu)本地的地理氣候條件，充分利用自然資源,力圖降低(1)天窗起閉機(jī)構(gòu)制造成本和運(yùn)行費(fèi)用。其結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)的特點(diǎn)歸結(jié)為了通風(fēng)以及與外界進(jìn)行熱交換,在外界環(huán)境如下。適宜或室內(nèi)空氣不夠新鮮時(shí)需要打開天窗，當(dāng)外界(1)溫室結(jié)構(gòu)布局。南北棟建筑可使太陽直射環(huán)境惡劣時(shí),必須關(guān)上天窗。天窗開啟與閉合利用光平均日總量透過率最高。因此,采用一種主向陽電機(jī)作為動(dòng)力源,由一個(gè)帶有均勻小孔的金屬圓弧面做成大弧度頂面的鋸齒型屋面,其光照總量要比.齒條支撐。電機(jī)帶動(dòng)滾柱轉(zhuǎn)動(dòng),則固定在滾柱上的采用對(duì)稱向北屋面大大增加。小齒輪使金屬條向上運(yùn)動(dòng),撐起一端由鉸鏈固定的(2)溫室覆蓋材料透光率對(duì)溫室的光照總量有天窗中國煤化工反轉(zhuǎn),則關(guān)閉天窗。著重要影響,采有超長(zhǎng)塑料薄膜(陽光穿透率85%)由于|YHCNMHGq阻力也大,故應(yīng)選①收稿日期:2002.11.29作者簡(jiǎn)介:王振華(1953 - ).男,江蘇常熟人,江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系.高級(jí)講師。52較大功率的電機(jī)。如功率為550瓦,額定轉(zhuǎn)速棚的頂部。干凈的水(臟水需要二級(jí)甚至多級(jí)過濾)1400r/min,工作電流1.6A的JW7124電機(jī)。經(jīng)過過濾器(精濾)進(jìn)人水箱,經(jīng)高壓泵輸送到固定(2)外遮陽機(jī)構(gòu)的噴頭使之霧化,產(chǎn)生懸浮在空氣中的小霧滴。為為了在太陽照射較強(qiáng)時(shí),溫室大棚內(nèi)部的溫度防止噴頭堵塞,噴霧用水應(yīng)保持十分純凈,過濾單位能保持在一定范圍內(nèi),使室內(nèi)的所種植物不致因溫要達(dá)5pm。當(dāng)溫室內(nèi)溫度超過控制器事先設(shè)定的度過高而發(fā)育不良甚至枯死,溫室頂部設(shè)有遮陽網(wǎng)。溫度值時(shí),控制系統(tǒng)自動(dòng)開機(jī)噴霧降溫;溫度正常,遮陽網(wǎng)采用鍍有金屬的塑料細(xì)繩編織而成，因?yàn)橛性撓到y(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)。溫室內(nèi)的溫度,通過溫度傳感器,金屬光澤,太陽光的輻射熱會(huì)被反射回去,達(dá)到遮陽在顯示器上顯示?？刂破饕部勺鞫〞r(shí)器,在一定時(shí)目的。遮陽網(wǎng)的張開與收攏,由電機(jī)牽引一個(gè)閉環(huán)間間隔內(nèi)循環(huán)噴霧。的鋼絲繩實(shí)現(xiàn)。(2)熱風(fēng)機(jī)加熱系統(tǒng)(3)外側(cè)膜運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)溫室的保溫能力有限,天氣寒冷時(shí),需要外加的外側(cè)膜的主要目的是通風(fēng),使溫室內(nèi)的空氣質(zhì)升溫裝置,用熱風(fēng)機(jī)加熱空氣保持室內(nèi)溫度。熱風(fēng).量達(dá)到預(yù)定的要求。外側(cè)膜的升起與放下所用的機(jī)機(jī)的工作原理是,當(dāng)環(huán)境溫度低于工控機(jī)所設(shè)溫度構(gòu)比較簡(jiǎn)單,在它的底端因定--根鋼管,由電機(jī)帶動(dòng)值時(shí),熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng),燃燒器將柴油高度霧化后,產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)與鋼管的連接采用蝸桿傳動(dòng),運(yùn)行平穩(wěn)高溫氣體,通過高效率的換熱器,把由風(fēng)機(jī)引人的空無噪聲。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),鋼管隨之轉(zhuǎn)動(dòng)卷起外側(cè)膜,氣充分加熱,產(chǎn)生的精潔高溫?zé)峥諝馔ㄟ^出風(fēng)口送電機(jī)亦隨之上升,該電機(jī)應(yīng)選用質(zhì)量輕、功率小的電人室內(nèi)各處,同時(shí)換熱后的低溫?zé)煔馔ㄟ^煙囪排出機(jī)如YS6314/180W。室外。(4)內(nèi)膜的展開與收起(3)灌溉系統(tǒng)內(nèi)膜的展開與收起亦通過一個(gè)閉環(huán)的鋼絲牽引各種農(nóng)作物對(duì)水的需求完全不同,并且毫無規(guī)而完成,內(nèi)膜的一端固定在大棚的支架體上,電機(jī)轉(zhuǎn)律可循。各種作物對(duì)水的需求量的數(shù)據(jù)采集技術(shù)要?jiǎng)邮沟娩摻z卷起，同時(shí)帶動(dòng)內(nèi)膜的活動(dòng)端運(yùn)動(dòng)。如求比較高,目前的技術(shù)力量還很難達(dá)到自動(dòng)控制灌向固定端運(yùn)行,則內(nèi)膜被折疊收縮,陽光可直接照溉時(shí)間與灌溉量,只好人工定時(shí)灌溉。射，如遠(yuǎn)離固定端(即電機(jī)反轉(zhuǎn)),則關(guān)上內(nèi)膜，與外(4)氣象測(cè)試系統(tǒng)。界隔離。由于電機(jī)屬一帶二的工作,其負(fù)載較大,應(yīng)影響植物生長(zhǎng)的主要因素是溫度、濕度、光照強(qiáng)選擇功率較大的電機(jī)，如型號(hào)為Y801-4,功率為度這三點(diǎn),其他的因素盡管有時(shí)會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生550W的電機(jī)。影響,但都是通過改變這三個(gè)要素而間接地影響植3、溫室內(nèi)的特殊機(jī)構(gòu)物的生長(zhǎng),因此,溫室控制的重點(diǎn)是對(duì)這三個(gè)參數(shù)值(1)微霧系統(tǒng)降溫機(jī)構(gòu)的控制。微霧系統(tǒng)利用高壓噴霧解決炎熱季節(jié)溫室內(nèi)的該系統(tǒng)主要由小型氣象站及其配套元件組成。降溫問題。該系統(tǒng)通過高壓噴頭噴射出的冷霧降它包括風(fēng)力傳感器、風(fēng)向轉(zhuǎn)感器以及雨量桶,溫濕度溫,冷霧能快速蒸發(fā),且不浸濕地面。在室溫內(nèi)試驗(yàn)傳感器,光敏傳感器等。表明,該系統(tǒng)的使用能有效地降低溫室的溫度,改善二、控制部分作物的生長(zhǎng)環(huán)境。借助于先進(jìn)的工業(yè)設(shè)施技術(shù),控制作物生長(zhǎng)所高壓噴霧降溫也稱冷霧降溫,是目前在溫室中需的部分和全部環(huán)境條件,并使其達(dá)到最優(yōu),以擺脫應(yīng)用的較先進(jìn)的降溫方法。它的基本原理是普通的自然條件的限制，則各控制系統(tǒng)以及系統(tǒng)之間應(yīng)相水經(jīng)過系統(tǒng)自身配備過濾系統(tǒng)后,進(jìn)入高壓泵,水在互配合來實(shí)現(xiàn),如圖一所示。很高的壓力(4MPa以上)下,通過管路,流過孔徑非1、電控柜內(nèi)控制電路常小的噴嘴(直徑為15pm) ,形成直徑為20μm以下電控柜內(nèi)的電路由主回路與控制回路兩部分組的細(xì)霧滴,霧滴彌溫整個(gè)溫室與空氣混合,利用水的成。主回路向電動(dòng)機(jī),微霧系統(tǒng),熱風(fēng)機(jī)等負(fù)載供蒸發(fā)潛熱特點(diǎn),大量吸收空氣中的熱量,從而達(dá)到降電。中國煤化工路，分為自動(dòng)控制回溫的目的。路和;中手動(dòng)控制回路是降溫系統(tǒng)包含水源部分和噴霧部分。水源部分為了:CH.C NM HG現(xiàn)故障),能夠人為由水箱、過濾器、高壓泵、管路、控制器組成;噴霧部地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)各機(jī)構(gòu)與設(shè)備的狀態(tài),以免溫室環(huán)境分由冷霧噴頭和管路組成,噴頭排成- - 線安裝在大的失常而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)。53溫室控制系統(tǒng)光照控制溫度控制濕度控制作物澆灌數(shù)據(jù)采集控子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)制子系統(tǒng)|屋室傳頂|熱氣風(fēng)溉|象|賓據(jù)|循|循系|噴|陽溫.淋||外統(tǒng)統(tǒng)|監(jiān)遞|系系|統(tǒng)充圖一控制 系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制回路由工控機(jī)控制,溫室運(yùn)行后主要三、智能控制部分利用自動(dòng)回路來工作。由于應(yīng)用了農(nóng)業(yè)知識(shí)到模糊1.硬件方面控制理論算法,計(jì)算機(jī)可以智能地分析采集來的溫、(1)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)濕度、風(fēng)向、雨量等數(shù)據(jù),以決定驅(qū)動(dòng)哪些機(jī)構(gòu)與裝在控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中,對(duì)PLC控制方案、置。電路的原理比較簡(jiǎn)單,主要是利用接觸器控制工控機(jī)控制方案和單片機(jī)控制方案進(jìn)行了比較,本電路的通斷。其中采用了互鎖技術(shù)保護(hù)電機(jī),使用系統(tǒng)采用工控機(jī)控制方案,這種方案有如下優(yōu)點(diǎn):了錯(cuò)像保護(hù)裝置,防止因相位接錯(cuò)而損壞電器件。.經(jīng)濟(jì)效益高，價(jià)格低廉。.2、數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)處理部分●采用自動(dòng)/手動(dòng)切換方式, 系統(tǒng)操作靈活,便于手動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程是隨機(jī)的。它對(duì)數(shù)據(jù)摸索溫度系統(tǒng)的最佳控制方案。的采集是靠人的各種觀測(cè)來獲取,其中包括人眼、手●控制軟件人機(jī)交互界面友好。的獲得和各種儀器的測(cè)量。而手動(dòng)開關(guān)控制更是無●便于分別處理故障點(diǎn),有利于以后的維護(hù)工規(guī)律可循,但是控制過程卻是一個(gè)有規(guī)律的閉環(huán)系作。統(tǒng),如圖二所示。(2)工控機(jī)控制方案數(shù)據(jù).|數(shù)據(jù)I信號(hào)II接觸器A/D數(shù)據(jù)采集卡插在工控機(jī)擴(kuò)展ISA插櫝內(nèi)，采集l傳輸接收I|接收通過數(shù)據(jù)線與工業(yè)用繼電器輸出板卡、端子板卡連接在一起。A/D數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)來源由放置于溫度A、B兩倉內(nèi)的溫、濕度傳感器和溫室外的氣象限位開機(jī)構(gòu)|電機(jī)關(guān)動(dòng)作動(dòng)作J運(yùn)轉(zhuǎn)]站。其中氣象站有溫度、濕度、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向及日照等六路模擬信號(hào)輸出,各傳感器與氣象站的模擬圖二手動(dòng)控制過程輸出信號(hào)為4-20毫安的電流信號(hào),各傳感器與氣對(duì)于智能溫室控制系統(tǒng)，無人控制是其特象站均串接1千歐的電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為5伏點(diǎn)。因此,采用工控機(jī)、傳感器等就形成了科學(xué)的以內(nèi)的電壓信號(hào)送人A/D板。閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖三所示。(3)工控機(jī)等硬件的選型為完成溫室的控制任務(wù),工控機(jī)可配置傳感器信山信號(hào) I計(jì)算機(jī)指令信433MHZ的CPU,64M內(nèi)存,10G硬盤,板卡可選用號(hào)采集1 發(fā)送處理信號(hào)號(hào)傳輸.臺(tái)灣研華公司的PCL818L 型多功能DAS卡，PCL中國煤化工:LD8115型端子卡。電控柜I繼電器接由于YHCNMH字量輸出,這樣就省動(dòng)作受信號(hào)去了專用的數(shù)字量輸出卡。2、軟件系統(tǒng)的開發(fā)圖三自動(dòng)控制過程(1)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)方方數(shù)據(jù)溫室小氣候環(huán)境由于其本身的復(fù)雜性和外界大AUTHORWARE5.0生成可執(zhí)行文件，并由MOD-氣候強(qiáng)影響,要使得自控系統(tǒng)將其控制到一定的指ULE- SYSTEM中的SUB- MAIN調(diào)用。FORM標(biāo)上存在一定的難度。但由于溫室內(nèi)作物對(duì)于各種MAIN主要負(fù)責(zé)控制主界面的形象動(dòng)作部分,自動(dòng)參數(shù)變化不是很敏感,因此,將各個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)進(jìn)行控制算法部分,氣候數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制部分。一定的分解處理,設(shè)計(jì)成溫室氣候控制軟件模塊。溫室運(yùn)行數(shù)據(jù)庫的維護(hù)部分分布于FORM-CAN-溫室軟件模塊中,總控系統(tǒng)由兩大部分組成:主體系SHU與FORM - MAIN之中，F(xiàn)ORM - MODITY統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。并采用組態(tài)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì),其優(yōu)與FORM - PASSWORD負(fù)責(zé)軟件的安全部分。點(diǎn)有:FORM - TONGJI, FORM - GRAPH與FORM一各功能模塊分別設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜CHOICE完成相關(guān)數(shù)據(jù)圖表顯示與報(bào)表打印的功性,又保證其可靠性;便于控制系統(tǒng)軟件參數(shù)調(diào)試、能。MODULE - USER與MODULE - SYSTEM中調(diào)整和功能模塊的測(cè)試;有利于摸清其最佳的控制的內(nèi)容是軟件中的變量、函數(shù)、子程序的說明。板卡規(guī)律;通過添加和卸除功能模塊來調(diào)試運(yùn)行過程中的驅(qū)動(dòng)程序說明置于MOULE-DRIVER中。出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象,便于設(shè)備維護(hù)。軟件啟動(dòng)后,首先出現(xiàn)介紹溫室的演示畫面,之(2)控制軟件的組成后出現(xiàn)系統(tǒng)登錄密碼輸人框，密碼輸人正確后出現(xiàn)本控制方案選用VISUALBASIC6.0編寫控制運(yùn)行主界面。在主界面的菜單欄中可以選擇調(diào)用參軟件。VISUAL BASIC作為工業(yè)領(lǐng)域通用的編程數(shù)設(shè)置,修改密碼,圖表顯示與數(shù)據(jù)查詢等各功能窗工具,功能強(qiáng)大易學(xué)易用，編寫WINDOWS環(huán)境下口,在主窗口中的代碼段中設(shè)置系統(tǒng)記數(shù)器,定時(shí)對(duì)應(yīng)用程序十分簡(jiǎn)單。各氣象數(shù)據(jù)采樣濾波,并更新氣象數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容,本軟件的邏輯組成可分為如下幾個(gè)部分:由算法輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制?！襁M(jìn)入系統(tǒng)前的動(dòng)畫演示部分。[參考文獻(xiàn)]●控制主界面的形象動(dòng)作部分。[1]李萍萍、毛罕罕.我國溫室生產(chǎn)的現(xiàn)狀及待.自動(dòng)控制算法部分。研究的技術(shù)問題探討[J],農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),27卷3.氣候數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制部分。期,1996..溫室運(yùn)行數(shù)據(jù)庫的維護(hù)部分。[2]滎樂.第二次綠色革命--21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)●相關(guān)數(shù)據(jù)圖表顯示與報(bào)表打印部分。[M].北京:科技文獻(xiàn)出版社, 1995..軟件安全部分。[3]王立新.自適應(yīng)模糊系統(tǒng)與控制[M].北.軟件的具體組成有:FORM - 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