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梁永春，劉建業(yè)
我國正逐步提高農業(yè)的自動(dòng)控制水平，特別是蔬菜的溫室種植已經(jīng)在各地被廣泛采用和重視。但現有的溫室大多采用人工控制，無(wú)法很好的跟隨蔬菜的生長(cháng)過(guò)程，實(shí)時(shí)地進(jìn)行調節。為了提高我國的溫室技術(shù)水平，上海和北京等地從荷蘭引進(jìn)了一些現代化的溫室設備和控制系統。但這些設備和系統價(jià)格昂貴、運行成本高，在國內普及困難。另外，為了農業(yè)專(zhuān)家研究農作物的生長(cháng)和發(fā)育過(guò)程，也需要一套能夠用于研究的自動(dòng)控制系統。本文將介紹以工控機為核心的溫室模糊控制系統。
1 功能簡(jiǎn)介
溫室模糊控制系統具有以下功能：
① 根據農作物的生長(cháng)要求，實(shí)現對溫室空氣溫度、空氣濕度、地表溫度、土壤濕度、光照度、土壤營(yíng)養液濃度和CO2濃度等參數的實(shí)時(shí)控制；
② 以數據和圖表的形式顯示溫室內外環(huán)境參數，并可查詢(xún)歷史記錄；
③ 顯示執行機構的開(kāi)、閉狀態(tài)；
④ 操作人員可以手動(dòng)控制執行機構；
⑤ 具有開(kāi)放式平臺，實(shí)時(shí)查詢(xún)、修改溫室控制參數，以便找出最佳控制策略；
2 硬件構成
系統由傳感器及變送器、執行機構、A/D數據采集卡、I/O卡、繼電器輸出卡和工控機等組成，如圖1所示。
圖1 溫室控制系統組成框圖
傳感器及變送器包括空氣溫濕度傳感器、地表溫度傳感濃度傳感器和配套變送器。用于將非電量信號轉換為電量信號。同時(shí)轉換為電流環(huán)信號，以便遠距離傳輸。
執行機構包括風(fēng)機、氣泵、水簾、遮陰簾、電磁閥和側窗等設備，用于調節溫室參數。
A/D采集卡采用YLY7202接口板，內含32個(gè)通道、12為A/D轉換器。將電流環(huán)信號轉換為電壓信號，再轉換為數字量。
I/O卡采用YLY701接口板，內含32路光隔輸入和32路光隔輸出。用于驅動(dòng)執行機構和反饋執行機構的狀態(tài)。
繼電器卡采用固態(tài)繼電器，輸入端接I/O卡輸出的直流信號，輸出端接中間繼電器線(xiàn)圈的交流220V信號，通過(guò)中間繼電器接通接觸器，驅動(dòng)各執行機構。
工控機采用研華工控機主機，主要完成對A/D采集卡的控制、根據輸入參數確定輸出、對I/O卡的控制、監測執行機構的動(dòng)作狀態(tài)、實(shí)時(shí)顯示圖表等功能。
3 控制模式
溫室控制包含溫度、濕度、光照度和濃度等多種參數，又有風(fēng)機、側窗、氣泵、水簾和燈光等多種調節機構。同時(shí)，溫室各參數又沒(méi)有準確的傳遞函數。因此，溫室控制是一種多輸入、多輸出的復雜控制。這里采用經(jīng)過(guò)預處理的模糊控制實(shí)現對各種參數的實(shí)時(shí)調節。下面從三個(gè)方面說(shuō)明預處理過(guò)程。
(1) 季節不同，調節措施不同。在春季和秋季，溫度、濕度等參數可以通過(guò)側窗、風(fēng)機、水簾、遮陰簾進(jìn)行調節。在冬季，溫度、濕度參數可以通過(guò)暖氣、水簾進(jìn)行調節，而不能用風(fēng)機和側窗。因此，將控制分為冬季和其他季節兩種模式。冬季調節措施有：暖氣電磁閥、氣泵、水泵、水簾和補光燈；其他季節調節措施有：側窗、風(fēng)機、遮陰簾、水簾、氣泵、水泵和補光燈。
(2) 不同生長(cháng)時(shí)期，參數要求不同，控制模式不同。以番茄為例，整個(gè)生長(cháng)過(guò)程分為：發(fā)芽期、幼苗期、開(kāi)花期和結果期。番茄不同時(shí)期的參數要求見(jiàn)表1。因此，將控制再分為四個(gè)生長(cháng)時(shí)期和每天的白天、前半夜、后半夜三個(gè)時(shí)段。在不同時(shí)期采用不同的隸屬函數和調節措施。
(3) 不同參數，調節措施之間的關(guān)系。在補充CO2和溫濕度變化不大時(shí)，側窗、風(fēng)機等不能打開(kāi)。在光照不足時(shí)，遮陰簾不能拉上。因此，控制模式采用屏蔽方式。在充CO2時(shí)，屏蔽側窗和風(fēng)機；在光照不足時(shí)，屏蔽遮陰簾；在室外溫度較高時(shí)，屏蔽側窗。
經(jīng)過(guò)以上處理，模糊控制共有冬季發(fā)芽期和其他季發(fā)芽等16種控制模式，風(fēng)機屏蔽、側窗屏蔽和遮陰簾屏蔽等三種屏蔽方式。
表1 番茄生長(cháng)過(guò)程不同時(shí)期參數要求對照表
4 控制算法
溫室控制器采用模糊控制，現以其他季發(fā)芽期為例介紹控制算法：以溫度為例，番茄發(fā)芽期適宜溫度為25～30℃，最低溫度為11℃，最高溫度為35℃，溫度和溫差采用梯形和三角形隸屬函數，隸屬函數如圖2和圖3所示。
根據隸屬函數，溫度和溫差模糊集分為負、較負、零、較正和正5種。根據專(zhuān)家和試驗，得出：
如果 T為負，且△T為負，則風(fēng)機關(guān)，側窗關(guān)；
如果 T為正，且△T為正，則風(fēng)機開(kāi)，側窗開(kāi)；
如果 T為零，且△T為正，則風(fēng)機關(guān)，側窗開(kāi)；
……
等25條控制規則。實(shí)際調節過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集溫度和溫差信號，計算出溫度和溫差針對不同模糊集的隸屬度，再根據25條控制規則，分別求出風(fēng)機關(guān)、風(fēng)機開(kāi)、側窗關(guān)、側窗開(kāi)的隸屬度，取隸屬度高者執行。
其他參數調節算法為：濕度調節同溫度，執行機構加上水簾；光照度調節采取遮陰簾屏蔽措施；如果室外溫度或濕度大于室內，則屏蔽側窗；其他參數調節方式類(lèi)似。
5 結論
基于模糊控制的溫室智能控制系統能夠對多個(gè)參數分別進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。經(jīng)過(guò)近一年的試運行，控制精度能夠滿(mǎn)足農作物生長(cháng)的要求。同時(shí)，良好的人機界面也促進(jìn)了農業(yè)專(zhuān)家對農作物生長(cháng)過(guò)程的研究。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號