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SJ005-1

CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY

毕业设计说明书

题目：

温室环境计算机控制系统

二级学院：

电子信息与电气工程学院

专业：

电气工程及自动化

班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

张兵

职称：

副教授

评阅教师：

职称：

2013年6月

摘要

随着经济的发展与科学的进步，人们对温室农作物的生长环境也进一步提出了要求。

为了满足人们更高的要求，我们便对传统的温室加以改进，从而给农作物提供一个可控的高质量生长环境，提高产量与质量。

同时，还可以节约能源，节省劳动力等。

系统主要包含三个部分，显示部分、控制部分、执行部分。

显示部分使用的是无锡信捷公司的TH765工业触摸屏，系统中使用触摸屏可以更直观的看见各个环境数据以及执行情况，并方便的对参数进行修改，操作简单可靠性高。

控制部分采用的是三菱公司的FX2N-48MR可编程控制器，PLC可以更快更准确的对控制对象进行控制。

通过PLC的扩展模块，可以接传感器，对温室里的各个环境数据进行采集。

传统的控制方法，电气线路繁多，修改麻烦，可扩展性不高，而且各种设施多为手动，无法精确控制，灌溉效率低。

利用PLC可以减少线路，并且后期修改方便。

通过PLC与触摸屏相连接，不仅能更直接的监控温室情况，而且能更准确更直接的控制温室。

执行部分则是根据需求选取的各种执行终端，这些终端通过PLC来控制，从而实现了对整个温室的控制。

关键词：

温室；工业触摸屏；PLC；自动控制

Abstract

Alongwiththedevelopmentoftheeconomyandtheprogressofscience,thepeoplefurtherputforwardtherequesttothecontrolofthegrowthenvironmentofthegreenhousefarmcrop.Forsatisfyingthepeople'shigherrequest,wethentakestepsintheimprovementtothetraditionalgreenhouse,thusprovidingahighqualitygrowthenvironmentthatcanbecontrolledtothefarmcrop,anditcanraisetheyieldandquality.Inthemeantime,itcanalsoeconomizetheenergy,saveinlaborforceetc.

Systemmainlyconsistsofthreeparts,thedisplaypart,controlpartandexecutivepart.ThedisplaypartisusingtheTH765IndustrialtouchscreenmanufacturedbythecompanyofXinjieWuxi.Thesystemcanbemoreintuitivetoseethevariousenvironmentaldataandtheexecutionofthesystemthroughthetouchscreen,anditisconvenienttomodifytheparameters.Inthiscase,thesystemiseasytooperate,andofhighreliability.ThecontrolpartadoptstheFX2N-48MRPLCmanufacturedbyMitsubishiCo.PLCcanbefasterandmoreaccuratetocontrolthecontrolobject.ByextendingthePLCmodule,systemcanbeconnectedwithsensors,anditalsocancollectalldatainthegreenhouse.Usingtraditionalcontrolmethods,electricalwiringisvariousanditischangedhardly.Systemscalabilityislow.Facilitiesaremostlymanual.Itcan’tbepreciselycontrolledandirrigationefficiencyislow.UsingPLCcanreduceelectricalwiring,anditiseasytomodifylater.IfPLCconnectswithtouchscreen,systemnotonlycanmonitorgreenhousemoredirectly,butalsocanbemorecontrolofthegreenhousemoredirectlyandmoreaccurately.Executivepartconsistsofanumberofterminalswhicharebasedondemand.PLCcancontroltheseterminalsandthencontrolthegreenhouse.

Keywords:

Greenhouse;Industrialtouchscreen;PLC;Automaticcontrol

第1章绪论

1.1研究背景和选题意义

1.1.1研究背景

随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们对各个季节的农作物需求也变大，所以温室技术也越来越受到亲睐。

温室可以建立一个模拟的适合农作物生长的气候条件，创造出一个理想的生长环境，从而改变自然环境对作物生长的约束。

由于温室可以部分或者完全的摆脱了作物对自然条件的依赖，可以使得不同的农作物在不适合的季节长出，从而可以带来比较客观的经济收益，因此温室技术也越来越普及。

我国是利用温室栽培起源最早的国家，目前我国的设施农业面积已经是世界第一。

相比于传统农业，设施农业技术含量更高，经济效益更好。

但是与发达国家的设施农业水平相比，我国的设施应用水平较低。

传统的温室，控制技术含量低，人工工作量大，可控性不好，生产力有限。

只有少数大型温室，在对温室环境的调控上有着很好的表现，可以实现周年生产这些少数大型温室中，很大比例都是花费高成本、大投资，去引进外国的设备，而且对其工作人员的素质也有比较高的要求。

总得来说，温室环境控制还有许多问题亟待解决，需要不断完善。

温室环境计算机控制系统的研究会涉及诸多领域，计算机控制、传感器技术等。

现阶段，国内对技术含量高、控制效果理想的智能化的温室环境监控系统的研究还不多。

而国外在这方面的研究比较多，技术也相对成熟。

所以，研究温室环境计算机控制技术，提高温室可控性，推进我国农业智能化进程，任重而道远。

1.1.2选题意义

论文选题的意义主要表现在以下两个方面：

第一，提高我国农业发展的技术含量，推动农业的可持续发展。

作为农业大国，农业的发展关系的着人民民生。

在我国农业技术发展方面，相关的温室环境控制系统，科技含量较低，智能化与做自动化程度并不高，难以更好的满足实际生产需求。

因此，研发具有自主知识产权，科技含量高且实用性强的温室环境控制系统意义重大。

第二，作为一种科技含量较高的控制技术，以应用为目的，相关研究都是围绕其应用展开的。

温室环境计算机系统的各项技术研究是研究重点，同时适用于不同环境的特定应用系统则是的研究目的。

温室环境计算机控制系统技术的市场推广离不开典型的成功应用。

对温室环计算机控制技术的研究，不仅可以推动在控制系统在农业领域的应用，而且可以促进控制系统在现实生产生活中的运用。

1.2国内外研究现状及主要问题分析

1.2.1国内外研究现状

我国现代化的温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。

起初国内在引进智能温室的时候，只注意引进相关的温室设备，忽略了对温室监控系统技术的研究。

如今，我国对温室环境控制系统的研究力度加大，温室环境调控技术水平也不断提高。

各种现代化的设施也在不断的加入温室控制系统里面。

近几年来，出现了设计生产日光温室的公司，目前国内比较有影响的温室设计公司有：

北京奥拓精密发展有限公司，青岛蓝天日光温室设计有限公司，上海都市绿色工程设计有限公司，上海华飞智能温室工程有限公司等，这些公司的温室产品种类很多，但是其中绝大部分使用控制系统都是基于单片机嵌入式测控系统。

利用单片机做的系统人机界面会很不友好，而且对操作人员有比较高的技术要求。

这种情况下，系统原有的自动控制模式都会被抛弃使用，造成系统资源浪费。

尽管如此，我国在温室环境计算机控制系统上取得的成就与发达国家仍有不小的差距。

西方发达国家如美国，英国，以色列，荷兰，加拿大，日本等，在现代温室测控技术上起步比较早，都大力发展集约化的温室产业，温室内的空气温湿度，土壤温湿度，二氧化碳浓度，光照度等，都能实现计算机控制。

国外已经有了许多成功的典型案例，包括：

1.以色列开发了一种植物生理生态监测仪：

它可以监测株高，植物果实大小，叶片大小与厚薄，茎直径，茎流量，叶温，叶片周围湿度，二氧化碳浓度，该检测系统可以全天不间隙的连续工作，并且每隔一段固定时间，便会进行一次数据采集，同时会将采集到的数据发送到计算机上进行存储。

2.目前，英国的许多温室已经开始采用一种计算机温室管理系统，该系统可以控制温室内部的环境温度、湿度、通风情况、二氧化碳施肥、营养液供给以及PH值，EC值等。

同时该系统加入了伦敦大学农学院研制的计算机遥控技术，可以远距离地观测温室内的温度、湿度、通风情况、二氧化碳施肥、营养液供给等环境状况，并该遥感技术可以对温室进行遥控。

3.加拿大研发了一种计算机辅助温室管理软件（HGM），该软件除了一般的可以对温室进行控制外，还具有帮助生产者对病虫害问题进行判断和解决的特殊功能，该功能主要技术在于能够通过系统采集到的各种数据与自身数据库数据进行对比分析从而可以发现温室里面出现的问题，进而将温室环境调整到最优状态。

这个系统的最大优势不仅仅是降低了生产成本，更重要的是可以减少农药的使用。

1.2.2存在的主要问题分析

（1）缺乏专业技术人员进行操作及管理

近几十年来，科学技术发展迅速，运用领域也在不断扩大，人才培养的滞后造成了配套的技术人才的缺乏。

农作物生长环境智能监控系统涉及到计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技术、生物技术以及环境科学等多种技术，对技术人才的要求比较高，目前缺乏合适的人才培养环境，自动化农业发展并没有像科学技术发展一样得到众多人士的重视，虽然有相当一部分研究人员，但投身于使用的实际操作人员并不多，能达到要求的技术人员就更加缺乏了。

（2）设施水平低，科技含量有待提高

我国由于技术和经济的原因，采取了低投入、低能耗的技术体系，绝大多数温室设施仍为简易型，使得温室土地利用率低，采光性能差，作业空间小，抵御自然灾害能力差。

虽然有少数现代化的大型温室，特别是引进的温室，虽然设施水平不低，但是生产管理和运行水平远低于国外，整体性能有待提高，距离精准农业、高效生产的技术要求相差甚远。

（3）缺乏对多要素环境控制方式的研究

现行的温室环境控制主要是对温湿度、光照度、二氧化碳浓度等每一个环境要素进行单一地控制，由于各个环境要素都是相互关联的，比如空气温度的变化往往会造成空气湿度的变化，即某个环境要素的改变将影响到其他环境要素的状态，所以在对温室进行环境控制的时候需要综合考虑多个环境要素，才能使得温室环境处于作物生长的最优状态。

因此，用多因子控制方式代替单因子控制方式，是提高温室环境控制效果的关键技术，也是温室环境监控未来的发展方向。

虽然这种多因子控制方式控制效果很好，但是其中技术含量非常高，实现难度很大。

不过现在先进的控制方法如神经网络、专家控制、模糊控制等在温室环境控制中开始运用，将会促进多因子控制方式的实现。

1.3论文的主要研究内容

1.3.1研究的目的

本论文的主要任务是研究开发一种功能较全、集数据采集和环境监测、控制于一体的温室环境计算机控制系统。

1.3.2主要研究内容

根据论文要完成的任务和要解决的问题，本文主要研究内容如下：

1．介绍了研究和设计的背景和意义，综述了温室环境计算机控制系统；

2．了解分析相关传感器件，熟悉原理及使用方法；

3．根据系统功能设计系统硬件电路和实现软件设计，完成系统的全面设计。

1.4本章小结

本章主要对研究的背景以及这次选题的意义进行了简单介绍，同时分析了国内外对温室控制研究的现状，并对问题进行了简单分析。

本章还提出了本次论文的研究目的跟主要的研究内容。

第2章系统概述及总体设计

2.1系统概述

温室环境计算机控制系统设计的目的是为了调节温室内部气候，在温室里模拟出适于生物生长的气候条件，从而为作物提供一个优越的生产环境。

通常影响作物生长的主要环境因素有温度、湿度、光照度以及二氧化碳浓度等，通过调节这些环境因素，不仅可以使作物跨地区跨季节生长，还能有效缩短作物生长周期，提高作物产量，从而提高其经济效益。

不同的环境因素有着不同的特点，对植物的影响也不同。

同时，系统对不同的环境因素，采取的控制方法也不同。

温室环境计算机控制系统是一个可控系统，主要功能就是实现控制温室内的温度控制、湿度控制、光照度控制和二氧化碳控制。

2.1.1温度控制

1、温室环境温度特点及影响

温室环境温度很大程度上会受到外界环境的影响。

通常外部环境温度在地理位置上温度会随着地球纬度以及海拔的升高而降低，同时，由于地球的自转与公转，外部环境也会在时间上有着四季与昼夜循环的交替变换。

温室并没有完全隔离外界环境，温室会通过蒸腾、辐射、对流和传导等方式与其周围环境每分每秒进行着热量交换，所以外界温度的变化也会引起温室内部的温度变化，通常这种变化也比较明显。

温室环境温度变化特点还体现在温室硬件的影响上，例如：

温室的建造会影响太阳光照是否均匀，采暖与降温设备的布置会引起局部温度的差异。

除此之外，不同作物以及作物的不同生长阶段对温室环境温度的要求也不相同。

水稻最适温度在30~32度之间，小麦最适温度在20~22度之间，番茄最适温度在25~28度之间，马铃薯最适温度在20~21度之间等。

2、温度控制的主要方法

温室中温度的控制主要体现在温室采暖以及温室降温上面。

温室采暖的方法有很多，常见的有暖气采暖、热风采暖、辐射采暖。

暖气采暖这类的方法是我国常用的一种温室加温方式，所以这次温室控制计算机系统中温室采暖使用暖气采暖的方法。

暖气采暖，就是以暖气为媒介，其优点是温室内温度稳定、均匀，系统热惰性大。

温室降温的方法也很多，常见的有两种：

湿帘—风机降温、喷雾降温，这两种方法都是利用蒸发降温的原理。

本系统中采用了前者降温方法，因为前者使用时，不会对温室湿度造成过大的影响，而且湿帘-风机降温运行消耗较低。

2.1.2湿度控制

1、温室湿度的特点及影响

湿度也是作物生长环境控制中一个相当重要的参数。

农业设施内的湿度环境，包含空气湿度和土壤湿度两个方面。

一般情况下，空气湿度大，会抑制植物的蒸腾作用，作物不易缺水，同时能够加强光合作用，有利于植物的生长发育。

但是一旦空气湿度过大，便会造成植物茎叶部分生长过剩，过多的营养消耗在植物茎叶上，从而会影响到作物的正常开花结果，最终会降低产量及质量。

与此同时，过高的湿度会是作物更容易染上虫害。

当然，如果湿度过低，植物的蒸腾作用明显，植物生长会受到抑制。

土壤湿度的适宜与否也会很大程度的影响到植物的生长。

如果温室中灌溉过度，导致土壤湿度过高，便会使土壤中的氧气减少，影响植物的根部呼吸，严重的会是植物死亡。

土壤湿度过低时，植物不能吸收到水分，会影响植物的新陈代谢。

不同作物以及作物的不同生长阶段对温室环境湿度的要求也不相同，但是湿度不同于温度，范围相对统一，例如多数蔬菜适宜的空气相对湿度为60%～85%等。

2、湿度控制的主要方法

（1）空气湿度控制方法

空气湿度控制方法主要体现在空气湿度的增加和减弱上。

常见的降湿措施主要是通风换气和加温除湿。

加温除湿虽然会有效降低温室空气湿度，但是对温室的温度影响较大。

而通风换气相对于降温除湿，对温度影响较小，而且在操作控制上也相对简单，所以这次系统中采取此办法降低空气湿度。

提高空气湿度最常用也是最效率的办法是喷雾增湿，虽然喷雾增湿一定程度上也会影响温度，但是控制过程比较简单，所以此次设计中采取这种增湿方法。

（2）土壤湿度控制方法

由于温室是相对封闭的，尤其在土壤方面，土壤的水分主要来源于灌溉，通过控制灌溉量，便可以控制土壤我、湿度的高与低。

常见的灌溉方式主要有管道输水灌溉、滴灌、微喷灌、渗灌等，其中后三者更加节水、省工。

本次系统中使用滴灌方式进行灌溉，因为滴灌可以将水分直接作用于土壤下植物的根部分，使得植物根区周围的土壤能够保持在最佳含水状态，而且滴灌对空气湿度影响较小。

2.1.3光照控制

1、温室环境光照的特点及影响

温室光照一般只有两个来源，一是自然光照，二是补光灯照，所以温室外光照对温室植物影响很大。

室外光照受很多因素的影响，比如季节、天气等，同时温室的设计也会影响室外光照对温室内光照的影响。

光照是影响植物生长发育的关键条件之一。

一方面，有了光照可以维持温室内部的环境温度；另一方面，光是植物发生光合作用的主要能量来源。

植物的光合产物不仅会受到光照时间长短的影响，也会受到光照强度的影响。

光照强度以及光照时间适宜时，植物的光合作用会大于植物的呼吸作用，光合产物的数量及质量也会上升；反正，若得不到足够的光照，植物的光合作用速度降低，植物的一些生理活动会被抑制。

当然，如果光照强度过大的时候，会造成温度攀升，甚至会灼伤植物，反而会对植物生长不利，所以必要的时候也需要对温室进行遮光处理。

2、光照控制的主要方法

在光照强度跟光照时间不满足的时候，可以使用一些补光装置对温室进行补光。

常用的补光装置主要包括：

白炽灯、卤灯、荧光灯、高压水银灯、金属卤化物灯等人工光源。

当温室受外界影响，光照强度比较大的时候，可以启动温度顶部的遮阳网，来阻隔光照，降低光照。

光照控制相对比较简单，本次设计就采使用补光灯跟遮阳网来控制光照。

2.1.4二氧化碳的浓度控制

1、温室环境二氧化碳的特点及影响

温室内二氧化碳一般要低于室外，因为温室内植物密度较大，光合作用消耗的二氧化碳比较多，所以当二氧化碳浓度偏低的时候，需要进行二氧化碳的补充。

二氧化碳是植物光合作用生产葡萄糖的基本原材料，在温室进行二氧化碳施肥，补充二氧化碳，可以有效的提高产量。

同时，充足的二氧化碳也可以提高幼苗素质，抑制病虫害的出现。

不同植物对二氧化碳浓度的要求不同，通常番茄、菠菜要求二氧化碳浓度的体积分数为1%，而黄瓜为要求二氧化碳浓度的体积分数为1．59%。

2、二氧化碳浓度的控制

二氧化碳施肥方法较多，主要有有机肥发酵、燃烧、液态或固态二氧化碳挥发、化学反应等。

由于二氧化碳也是空气的组成部分，所以直接购买液态二氧化碳，成本不高，而且控制响度简单，所以本次设计使用液态二氧化碳，通过气阀来控制。

2.2系统总体设计方案

2.2.1系统总体设计

本次设计的温室环境计算机控制系统的总体模式如图2-1所示：

2.2.2系统功能设计

1.触摸屏部分

本系统的上位机为工业触摸屏，上位机的功能主要为：

（1）向下位机PLC发出采集数据的命令，并且从PLC上接受采集到的环境数据；

（2）可以实时看到温室的各种环境数据；

（3）可以查看各种设备终端工作状态，并且进行控制；

（4）可以对各种控制参数进行设置，同时可以设置报警上下限值。

2.传感器检测部分

在一般的模拟量控制过程中，都必须将温度、压力、流量等物理量转化成电量形式，才能送给控制器进行控制，这种把非电物理量转换成电量的检测元件称为传感器。

本系统的传感器检测电路模块包括空气温度检测、空气湿度传感器、土壤湿度检测、光照强度检测、CO2浓度检测等，涉及到的传感器包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、CO2浓度传感器。

传感器测得的数据，会传给ＰＬＣ，并在触摸屏上显示出来。

（1）温度传感器检测

温度传感器就是利用物理性质随温度变化的规律将温度转换成电量。

温度检测方法有接触式和非接触式两种。

目前，在一般的模拟量控制中，接触式的传感器用的比较多。

在接触式传感器中，用的比较多的一般是热电偶式和热电阻式。

（2）湿度传感器检测

湿度传感器就是将相对的湿度变化转换成电信号的器件。

利用湿敏元件制成的湿度传感器是常见的湿度传感器。

湿敏元件就是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，只要空气中的水蒸气吸附在这层膜上的时候，湿敏元件的电阻值、介电常数都会发生相应的变化。

湿敏元件主要有电阻式和电容式这两种。

（3）光照强度传感器检测

光照强度传感器是将被测非电量光转换成电量的传感器，它的理论基础是光电效应。

光电效应就是当物体被光照射的时候，物体会受到一连串具有能量的光子的轰击，此时物体材料中的电子吸收了光子的能量从而发生了相应的电效应，如电导率的变化、产生电势等。

光电效应一般可以分为外光电效应和内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）。

光敏电阻是用的比较多的一类光照强度传感器。

（4）二氧化碳浓度传感器检测

气敏传感器可以测量气体的类别、浓度和成分，但是由于气体种类繁多且性质也不相同，所以能实现气与电转换的传感器种类也很多。

根据材料性质与工作原理的不同，大致有半导体气敏传感器、非半导体气敏传感器、固体电解质气敏传感器、燃烧式气体传感器、电化学式气体传感器、红外吸收型气体传感器等。

常用的用来检测二氧化碳浓度的传感器主要有两种，一种是固体电解质气敏传感器，另一种是红外吸收型气体传感器。

3.控制系统部分

控制系统部分，主要是通过传感器检测到的数据，与触摸屏上设置的数据进行对比，然后根据对比结果，采取相应的措施，从而调节相应的环境因素。

控制系统主要体现在对温度、湿度、光照度以及二氧化碳浓度控制上。

（1）温度控制系统由温度传感器检测温室内温度，通过触摸屏可以设定理想的农作物生产环境温度值，系统会自动调节室内温度，使得室内温度稳定在设定值左右。

通过打开暖气阀可以进行升温；通过打开侧窗，启动湿帘水泵与侧窗风机，可以对温室进行降温。

（2）湿度控制系统由湿度传感器检测温室内湿度，湿度控制包括了空气湿度控制以及土壤湿度控制。

通过触摸屏可以对空气湿度以及土壤湿度设定上限值以及下限值，当空气湿度低时，水泵启动，喷雾阀打开；当土壤湿度较低的时候，水泵启动，灌溉阀打开。

（3）光照度控制系统由光照强度传感器检测温室内光照强度，通过触摸屏可以对光照强度进行设置。

当光照过高的时候，打开遮阳网，降低光照；当光照度较低的时候，启动室内补光灯，提高光照度。

（4）二氧化碳浓度控制系统由二氧化碳传感器检测温室中的二氧化碳浓度，同样通过触摸屏进行二氧化碳浓度上下限值设定。

此处可采用钢瓶装的液态二氧化碳气源，当温室内二氧化碳浓度较低的时候，打开供气阀，提高二氧化碳浓度，进行施肥。

当二氧化碳浓度过高时，打开侧窗通风换气。

4.报警系统部分

报警系统是在系统出现故障或者环境因素严重超过作物生长允许