溫室控制系統(tǒng)及控制方法的研究

李建軍+李延國(guó)+何禹+李敏+由莉莉+趙雅君+黃雷+劉柱+歐志鵬+張航

摘 要：溫室控制系統(tǒng)根據(jù)溫室作物生長(zhǎng)的種類自適應(yīng)控制溫室。包括溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)和溫室控制裝置。溫室環(huán)境控制信息系統(tǒng)包括：溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)信息接收裝置及安裝在溫室內(nèi)的傳感器信息和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信息；根據(jù)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)的類型，有效地監(jiān)控溫室內(nèi)部植物生長(zhǎng)環(huán)境信息和控制整個(gè)溫室的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：溫室；控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)；信息接收；傳感器

中圖分類號(hào)：S625 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20161032021

引言

溫室環(huán)境控制信息系統(tǒng)的分控裝置包括：信息接收系統(tǒng)，通過(guò)溫室中安裝的信息傳感器和信息采集器接收溫室中作物生長(zhǎng)狀況的信息；篩選裝置，從傳感器接收注冊(cè)表和采集器的接收注冊(cè)表中，分別搜索到某一個(gè)對(duì)應(yīng)的傳感器和采集器的信息，確定選擇某個(gè)傳感器和控制器的接收；定位裝置，它可以從眾多傳感器中選定一個(gè)，并從眾多采集器選擇一個(gè)和它匹配；分控裝置，用于從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，定位信息，并將信息分發(fā)到溫室的控制設(shè)備中。使用本方法，可以根據(jù)溫室里種植的作物不同種類，適當(dāng)?shù)乜刂谱魑锷L(zhǎng)，而使用的卻是同一系統(tǒng)。

通常情況下，大部分日光溫室栽培的作物受溫度、相對(duì)濕度、陽(yáng)光、供水、二氧化碳等因素影響，它們決定作物生長(zhǎng)的速度、產(chǎn)量、質(zhì)量以及作物的口感。因此，維持溫度、相對(duì)濕度、光照等一直是農(nóng)戶或經(jīng)營(yíng)者最關(guān)注的問(wèn)題。

現(xiàn)在，農(nóng)戶操作設(shè)備來(lái)保證溫室正常生產(chǎn)，通常只能靠他們的經(jīng)驗(yàn)，在這種情況下，為了增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，農(nóng)戶應(yīng)該準(zhǔn)確地控制、監(jiān)視和管理溫室，這些繁瑣的工作就成了農(nóng)戶的一個(gè)繁重勞動(dòng)。

1 主要研究?jī)?nèi)容

1.1 控制系統(tǒng)概述

一般情況下溫室控制可以通過(guò)自動(dòng)操作來(lái)解決這些問(wèn)題。然而，溫室有各種類型的，如玻璃溫室、塑料溫室、日光溫室等，要完成自動(dòng)控制就出現(xiàn)了許多種傳感監(jiān)測(cè)和對(duì)應(yīng)于各種傳感器使用的各種執(zhí)行器。在條件不同的情況下，作物的生長(zhǎng)卻使用一套單一的溫室系統(tǒng)，基于這種情況只能對(duì)溫室作物的生長(zhǎng)條件進(jìn)行預(yù)先設(shè)定信息，包括溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度等，試圖優(yōu)化農(nóng)作物的生長(zhǎng)。但是，這樣做卻很難有效地控制作物的生長(zhǎng)環(huán)境，反過(guò)來(lái)可能還會(huì)影響作物的產(chǎn)量。此外，預(yù)先設(shè)定的溫室控制軟件程序，如果根據(jù)溫室作物的生長(zhǎng)條件重新生成時(shí)，卻會(huì)產(chǎn)生較大的成本。

為了解決上述有關(guān)問(wèn)題，本研究的第一個(gè)研究對(duì)象就是根據(jù)溫室里生長(zhǎng)的作物種類，提供適合的控制系統(tǒng)。第二個(gè)研究對(duì)象是，根據(jù)作物的不同種類，提供不同種類的溫室環(huán)境控制信息的方法。

根據(jù)本研究的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)第一個(gè)研究對(duì)象，需要研究一套溫室控制系統(tǒng)，它包括溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)與溫室控制裝置。其中溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)包括：信息接收系統(tǒng)，用于接收溫室里生長(zhǎng)的作物信息，傳感器和信息控制器被安裝在溫室中；選擇系統(tǒng)，用于選擇傳感器及控制器的信息接收，從傳感器和控制器分別接收對(duì)應(yīng)的傳感器信息和控制器的信息；定位系統(tǒng)，定位某一個(gè)傳感器，用于對(duì)控制器選定的傳感器提供接收；作物生長(zhǎng)環(huán)境信息的提取系統(tǒng)，作物信息來(lái)源于定位信息數(shù)據(jù)庫(kù)和從分控裝置中提取的溫室環(huán)境信息。

實(shí)現(xiàn)本研究的第二個(gè)研究對(duì)象，需要研究一套方法，它能夠分控溫室環(huán)境信息。該方法包括：通過(guò)安裝在溫室里的信息傳感器和信息控制器，接收生長(zhǎng)在溫室里的作物的信息；選擇傳感器接收，從傳感器接收對(duì)應(yīng)的傳感器信息；選擇執(zhí)行器接收，從控制器接收對(duì)應(yīng)的控制器信息；定位某個(gè)傳感器，用于給某個(gè)控制器選定的某個(gè)傳感器進(jìn)行控制信息接收；生長(zhǎng)環(huán)境信息是來(lái)源于作物定位信息數(shù)據(jù)庫(kù)和分控系統(tǒng)提取的信息。

1.2 附圖說(shuō)明

1.3 設(shè)計(jì)方案及控制方法詳細(xì)描述

圖1所示為溫室控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中溫室環(huán)境控制裝置9通過(guò)溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1接收信息。

根據(jù)圖1所示，溫室控制系統(tǒng)包括溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1和溫室控制裝置9。溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1包括信息接收系統(tǒng)2、選擇系統(tǒng)3、定位系統(tǒng)6、分控系統(tǒng)7和數(shù)據(jù)庫(kù)8。選擇系統(tǒng)3包括第一選擇系統(tǒng)4和第二個(gè)選擇系統(tǒng)5。

根據(jù)本研究設(shè)計(jì)的方案，溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1和溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9通過(guò)有線或無(wú)線雙向通信的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互溝通。無(wú)線通信的方案可以包括藍(lán)牙，無(wú)線局域網(wǎng)（Zigbee），紅外數(shù)據(jù)系統(tǒng)（IrDa）和無(wú)線電頻率識(shí)別系統(tǒng)（RFID）等。

接收系統(tǒng)2從用戶安裝在溫室里的傳感器和采集器對(duì)應(yīng)的傳感器信息中接收到溫室里的農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息。

表2中：1、空氣加熱；2、根區(qū)供熱；3、冷卻器；4、風(fēng)扇；5、天窗的窗口；6、側(cè)墻窗；7、風(fēng)扇；8、內(nèi)部天花板；9、內(nèi)側(cè)壁；10、黑色窗口；11、屋頂；12、總管道；13、自動(dòng)噴灌裝置。

如表1所示，接收系統(tǒng)2接收到安裝在溫室中的采集器對(duì)應(yīng)的傳感器信息，包括：溫度控制器、光控制器、相對(duì)濕度控制器等；還有安裝在溫室內(nèi)的溫度傳感器、光傳感器、相對(duì)濕度傳感器、CO2傳感器等傳感器信息；還可以從用戶端接收信息。

研究方案中的信息采集器包括：與天氣有關(guān)的信息采集系統(tǒng)，如風(fēng)向、風(fēng)速、雪壓、雨量測(cè)量傳感器等；與土壤相關(guān)的傳感器，如電導(dǎo)率EC控制器、pH值傳感器、無(wú)機(jī)成分控制器等信息；還有與周圍和空氣有關(guān)的采集系統(tǒng)，如溫度傳感器，相對(duì)濕度傳感器、光感傳感器，CO2傳感器等。

第一選擇系統(tǒng)4，從傳感器接收注冊(cè)表中選擇傳感器對(duì)應(yīng)信息接收裝置2的傳感器信息。傳感器接收注冊(cè)表包括溫度測(cè)量傳感器、相對(duì)濕度測(cè)量傳感器、光測(cè)量傳感器，CO2測(cè)量傳感器、風(fēng)向方位測(cè)量傳感器、風(fēng)速測(cè)量傳感器、EC測(cè)量傳感器、pH值測(cè)量傳感器和無(wú)機(jī)成分測(cè)量傳感器。第一選擇系統(tǒng)4選擇傳感器的溫度控制信息、相對(duì)濕度控制信息和CO2控制信息，對(duì)應(yīng)收到信息接收裝置2，即溫度傳感器、相對(duì)濕度傳感器和CO2傳感器，對(duì)比傳感器接收注冊(cè)表數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)定信息，對(duì)分控系統(tǒng)7發(fā)出相應(yīng)的控制指令，調(diào)整作物生長(zhǎng)的溫室環(huán)境。

第二個(gè)選擇系統(tǒng)5選擇從采集器接收注冊(cè)表中采集的信息數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)信息接收裝置2的接收數(shù)據(jù)。采集器注冊(cè)表可能包括溫度控制數(shù)據(jù)、相對(duì)濕度控制數(shù)據(jù)、燈光控制數(shù)據(jù)、CO2控制數(shù)據(jù)、EC控制數(shù)據(jù)、pH值控制數(shù)據(jù)和無(wú)機(jī)成分控制數(shù)據(jù)。第二個(gè)選擇系統(tǒng)5選擇從采集器接收注冊(cè)表數(shù)據(jù)的采集信息，如：溫度控制數(shù)據(jù)、相對(duì)濕度控制數(shù)據(jù)和CO2控制數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)信息接收系統(tǒng)2的數(shù)據(jù)。

定位系統(tǒng)6定位傳感器，對(duì)應(yīng)第一選擇系統(tǒng)4，采集器選擇第二選擇系統(tǒng)5的采集器接收信息。定位系統(tǒng)6選擇了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9中的第一選擇系統(tǒng)4，即CO2測(cè)量傳感器，提供CO2預(yù)定測(cè)量濃度和CO2傳感器測(cè)量濃度控制下的傳感器信息數(shù)據(jù)。如果它確定CO2在溫室中的實(shí)測(cè)濃度是低于預(yù)定濃度，定位系統(tǒng)6對(duì)應(yīng)的第一選擇系統(tǒng)4，將會(huì)選定對(duì)應(yīng)傳感器的CO2控制器，第二選擇系統(tǒng)5提供采集器接收信息，通過(guò)分控系統(tǒng)7從數(shù)據(jù)庫(kù)8中提取作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，定位傳感器和采集器接收溫室環(huán)境信息分控系統(tǒng)2的信息并提取，分發(fā)到溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9中，控制系統(tǒng)根據(jù)注冊(cè)表提供的作物生長(zhǎng)CO2濃度設(shè)定信息，對(duì)CO2控制器發(fā)出動(dòng)作指令。根據(jù)表2，分控系統(tǒng)7從數(shù)據(jù)庫(kù)8中提取作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，信息來(lái)源于信息接收系統(tǒng)2從定位傳感器和采集器接收的信息，即溫度傳感器對(duì)應(yīng)溫度控制采集器的信息，相對(duì)濕度傳感器對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度控制采集器，光強(qiáng)度采集器對(duì)應(yīng)光傳感器和CO2傳感器對(duì)應(yīng)的CO2控制采集器和分控系統(tǒng)，最終供溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9提取這些信息。

溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9接收環(huán)境控制信息，通過(guò)溫室環(huán)境信息分控系統(tǒng)1，確定和分控在溫室中生長(zhǎng)作物。此外，溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9，根據(jù)從溫室環(huán)境分控制系統(tǒng)1收到的信息，分控溫室環(huán)境。溫室控制裝置9確定溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1，是否合理地分控作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息，還要確定安裝在溫室里的測(cè)量傳感器。如果該系統(tǒng)收到不認(rèn)可的溫室環(huán)境信息，溫室環(huán)境控制系統(tǒng)9會(huì)驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)注冊(cè)表設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的傳感器定位和控制器調(diào)整。

圖2是溫室環(huán)境控制系統(tǒng)流程圖，顯示的是溫室環(huán)境控制信息的方法。

參考圖2，溫室環(huán)境控制信息分控系統(tǒng)1接收溫室里作物生長(zhǎng)的信息、安裝傳感器信息以及安裝在溫室中的采集器和傳感器對(duì)應(yīng)的信息。根據(jù)本研究的實(shí)施案例中，傳感器信息可能包括與天氣有關(guān)的傳感器，如風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、雪傳感器、雨量傳感器等信息；與土壤相關(guān)的傳感器，如電導(dǎo)率（EC）傳感器、pH值傳感器、無(wú)機(jī)成分傳感器等；與空氣有關(guān)的傳感器，如溫度傳感器，相對(duì)濕度傳感器、光傳感器、CO2濃度傳感器等。

采集器信息包括與天氣有關(guān)的信息執(zhí)行器，如風(fēng)向控制器、風(fēng)速控制器、積雪控制器、雨量控制器等，還有和周圍的空氣有關(guān)的執(zhí)行器接收，如溫度、相對(duì)濕度控制接收、燈光控制接收，CO2控制接收信息等與土壤相關(guān)的執(zhí)行器，如EC控制器、pH值控制器、無(wú)機(jī)成分控制器等信息。

溫室環(huán)境控制信息分控裝置1定位到一個(gè)為采集器接收信息的傳感器，比較了在溫室控制裝置9的控制下選擇的傳感器接收數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，在溫室中負(fù)責(zé)測(cè)量CO2濃度的傳感器提供的CO2測(cè)量數(shù)據(jù)，與注冊(cè)表中預(yù)定的CO2濃度數(shù)據(jù)相比較，如果確定所測(cè)量的溫室中CO2濃度低于預(yù)定濃度，溫室環(huán)境控制信息分控裝置1如圖對(duì)應(yīng)于選定的控制器接收裝置，從而驅(qū)動(dòng)CO2控制器為溫室作物補(bǔ)充CO2。

2 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

溫室控制系統(tǒng)包括溫室環(huán)境控制信息的分控裝置和溫室控制裝置2部分。所述的溫室環(huán)境控制信息的分控裝置包括：信息接收系統(tǒng)，通過(guò)溫室中安裝的信息傳感器和信息采集器接收溫室中作物生長(zhǎng)狀況的信息；篩選裝置，從傳感器接收注冊(cè)表和采集器的接收注冊(cè)表中，分別搜索到某一個(gè)對(duì)應(yīng)的傳感器和采集器的信息，確定選擇某個(gè)傳感器和控制器；定位裝置，它可以從眾多傳感器中選定一個(gè)，并從眾多采集器選擇一個(gè)和它匹配；分控裝置，用于從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，定位信息，并將信息分發(fā)到溫室的控制設(shè)備中。

溫室控制設(shè)備可以通過(guò)分控裝置收到溫室的環(huán)境信息，還可以通過(guò)傳感器測(cè)定，比較作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息，以確定作物生長(zhǎng)環(huán)境信息與溫室環(huán)境信息是否相符。

確定生長(zhǎng)環(huán)境信息不符合溫室環(huán)境信息，溫室控制裝置即會(huì)檢測(cè)到不一致的環(huán)境信息所對(duì)應(yīng)的傳感器。

系統(tǒng)的溫室控制裝置驅(qū)動(dòng)一個(gè)控制器來(lái)定位探測(cè)傳感器。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)可以存儲(chǔ)生長(zhǎng)在溫室里的多種作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息。

3 結(jié)論

3.1 溫室生長(zhǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)可以把收到的植物生長(zhǎng)環(huán)境信息和溫室環(huán)境信息進(jìn)行比較

還可以衡量傳感器傳送的溫室環(huán)境信息，以確定生長(zhǎng)環(huán)境信息是否與溫室環(huán)境信息相符，如果它確定生長(zhǎng)環(huán)境信息并不符合溫室環(huán)境信息，檢測(cè)傳感器就會(huì)回傳給控制器，進(jìn)一步修正環(huán)境信息，來(lái)滿足要求。

3.2 當(dāng)各種作物生長(zhǎng)在溫室中時(shí)

溫室控制系統(tǒng)能夠識(shí)別溫室內(nèi)各種作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境因素中，能夠給每一種作物在任何時(shí)間，提供必要的生長(zhǎng)條件，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)。

3.3 農(nóng)戶可以方便地操作控制系統(tǒng)來(lái)維持溫室內(nèi)植物健康生長(zhǎng)的溫度、相對(duì)濕度以及光照等環(huán)境條件

并能準(zhǔn)確地控制、監(jiān)視和管理溫室。這套控制系統(tǒng)可以減輕農(nóng)戶繁瑣的工作和繁重勞動(dòng)，其結(jié)果是增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量和提高了農(nóng)作物的品質(zhì)。

作者簡(jiǎn)介：李建軍（1974-），男，農(nóng)業(yè)工程碩士，長(zhǎng)春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域科研、推廣工作。