智能温室自动监控系统的研究110212.docx

1、智能温室自动监控系统的研究110212分类号： 单位代码：10019密 级： 学 号：学位论文智能温室自动监控系统的研究RESERCCH ON THE SUPERVISORY AND CONTROL SYSTEM FOR INTELLIGENT GREENHOUSE 研究生： 杨学坤 指导教师： 张 宾 教 授 合作指导教师： 诸 刚 副教授 申请学位类别： 工程硕士 专业领域名称： 机械工程 研究方向： 所在学院： 工学院 2010 年 10 月独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含

2、其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 时间： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名： 时间： 年 月 日导师签名： 时间： 年 月 摘要针对我国关键词

3、：35个，中间用“，”号分开ABSTRACTContent Key words: 目 录第一章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国内外温室自动控制技术的研究现状21.3 温室自动控制技术的发展趋势31.4 研究的主要内容与技术路线4第二章 系统总体设计及主要元器件选取102.1 智能温室自动监控系统的功能要求62.2 系统总体方案设计72.3 主要元器件的选取10第三章 系统硬件电路设计143.1 系统主板电路设计143.2 数据采集电路设计153.3 超线程报警电路设计163.4 输出控制电路设计173.5 串口通讯接口电路设计18第四章 系统硬件电路设计144.1 系统主程序设计1

4、44.2 数据采集子程序设计154.3 标度变换子程序设计16第五章 上位机监控软件设计145.1 上位机监控软件拟实现的功能145.2 上位机监控软件开发工具的选择155.3 上位机监控软件的开发16第六章 系统的调试与运行146.1 模块调试阶段146.2 整体联调阶段15第七章 结论与建议30致谢32参考文献33附录35个人简介38第一章 绪论1.1研究的目的和意义植物的生长发育与外界环境条件密切相关。环境因子的变化，直接影响着植物生长发育的进程和生长质量。光照度、温度、水分、和CO2浓度等影响植物生长发育的生存因子，是植物生长过程中不可缺少又不能替代的。这些因子中不论哪个发生变化，都会

5、对植物的生长发育产生影响。我国幅员辽阔，各地气候差异很大，同一地区在不同季节、不同天气条件下，光照度、温度、湿度等因子亦不相同，大多数植物的生长适宜温度在1233之间，以北京地区为例，2009年，平均气温在12以下的天数为152天，占到全年的41.6%（北京统计年鉴2010），有五个多月的时间由于气温较低不能从事生产；而且植物不同生育期对环境因子的要求有所不同，不同植物对环境因子的要求也不同，仅靠自然条件很难满足和调节。我国人口众多，关系农业生产的各种资源相对偏少。截至2009年，人均占有耕地面积为1.39亩，仅为世界平均水平（人均3.75亩）的37%；人均占有水资源量为2200立方米，不足世

6、界平均水平的1/4，是全球人均资源最贫乏的13个国家之一。在未来几十年内，我国人口还将持续增长，如何解决用较少的资源去养活较多的人口这一尖锐矛盾具有战略意义。（全球视野中的中国人口增长态势）。温室是利用温室效应原理，采用自动控制技术、信息技术、机械技术、电子技术、接口技术等现代工程技术手段和工业化生产方式, 为动植物生产提供可控制的适宜生长环境, 充分利用土壤、气候和生物潜能, 在有限的土地上获得较高产量、品质和效益的一种高效、集约化的农业设施。温室可以摆脱自然条件和气候条件的制约，延长生产时间，实现农作物的全天候生产。智能化温室拥有温室环境智能监控系统,可以准确地采集温室内大气温湿度、土壤温

7、湿度、光照强度、溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速以及作物生长状况等参数,将室内温、光、水、肥、气等诸多因素综合,根据不同作物、作物不同生长阶段对环境因子的不同要求,通过执行机构协调到最佳状态,节能最高可达50%,并有节水、节肥、节药的效果。目前我国正在建设资源节约型社会（智能化温室的发展现状及趋势，朱芳冰,史春雨）。截至2009年，我国温室面积为1500余万亩，拥有环境智能监控系统的温室只占到0.4%左右，多数温室仍为简易设施，对环境因子的控制多为人工控制为主，缺乏科学的技术指标，更缺乏控制的手段和设备，盲目地补水、施肥、施药，不仅造成了产品品质下降，还会造成环境污染，危害农业的可持续发展。

8、造成目前这种状况的原因有很多，资金和技术投入的相对不足是其中最主要的原因，研制一套符合我国国情、拥有独立知识产权、性价比高的温室环境智能监控系统，对于改变我国农业经济增长方式和实现农业的可持续发展具有十分重要的现实意义另一方面,由于不受季节的限制,对于农业科研也有着重要的意义。1.2国内外温室自动控制技术的研究现状1.2.1国外研究现状国外温室栽培的起源于罗马。罗马哲学家塞内卡( Seneca,公元前3年至公元69年)记载了应用云母片作覆盖物生产早熟黄瓜。公元1516 世纪，荷兰、法国等西欧国家开始建造简易温室用以栽培反季节的蔬菜或小水果，17世纪又出现了采用火炉和热蒸汽加热玻璃温室。19 世

9、纪在英格兰、荷兰、法国出现了双面玻璃温室。19世纪末期, 温室栽培技术从欧洲传入美洲，并逐渐遍布世界各地。国外的现代温室，是于20世纪60年代开始建立并迅速发展起来的。20 世纪70年代以来， 西方发达国家在温室产业上的投入和补贴较多，温室发展十分迅速。荷兰、以色列、美国、日本等温室技术比较发达的国家，其温室硬件技术、智能控制技术、种苗技术、栽培技术、农产品深加工技术及农业自动化技术等都具有较高的技术水平,形成了完整的设施农业栽培技术体系，居世界领先地位。温室环境控制系统的发展大体经历了“手动控制-机械控制-分散电动控制-集中电子控制-计算机集成控制”这样几个发展阶段。传统的控制方式，很难模拟

10、出植物生长所需要的环境，也难以对相互作用着的环境因子进行及时的调节。进入20世纪80年代，计算机技术迅速发展并且价格大幅下降，使得计算机控制系统成为温室环境控制系统的主流。美国是发明计算机最早的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一，温室综合环境控制技术水平非常高。系统对温室内环境状况（包括气温、水温、土壤温度、管道温度、保温幕状况、通窗状况、泵工作状况、CO2浓度等）、温室外环境状况（包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等）进行监控与调节，提高了决策水平，减轻了技术管理的难度和工作量，为种植带来了很大方便，同时也给种植者带来了可观的经济效益。荷兰是世界上温室环境

11、智能控制系统最为先进的国家，集成化的工业技术在设施农业中被广泛应用。目前，荷兰有超过85%的温室拥有环境智能控制系统。系统通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出历史数据曲线、实时测量的数据曲线，可以进行设定的时间段内的数据查询，并能直接在上位机软件进行操作，实现上位机与下位机之间的通信。上位机软件集信息显示、参数设置、控制等功能于一体，能够很好地完成温室内环境因子的控制和管理。以色列的温室设备材料、滴灌技术、种植技术及养殖品种的开发和培育均属世界一流， 尤其在设施灌溉技术方面处于世界领先地位，其高效、节水灌溉系统可把设施土壤的盐渍化程度控制在很低水平。日本是世界上温室面积最大的

12、国家,其温室智能控制系统可以将温度、湿度、二氧化碳浓度和肥料等环境因子控制在最适合植物生长发育的水平上，所开发的设施栽培计算机控制系统可以比较全面地对设施内栽培植物所需环境进行多因素监测与控制。日本还是世界上温室果树栽培面积最大、技术最先进的国家，也是世界上最先采用工业成套设备从事鱼类养殖的国家之一。近年来，国外信息技术、遥感技术、航空航天技术在农业领域的不断应用，推动温室自动控制技术朝着标准化、智能化、网络化、系统化的方向迅猛发展。农业设施工厂化已成为世界各国农业的重要标志，智能温室自动监控系统已经普遍应用。1.2.2国内研究现状我国温室种植的历史源远流长，是温室的发源地之一，早在秦汉时期就

13、有了采用保护措施种植作物的记载。公元前33年西汉时期，出现了类似温室的生产场所，唐朝就可以利用地热资源种植蔬菜，明朝的温室蔬菜生产已具相当的规模，清朝出现的一种戳立油纸糊纸简易温室，则被视现代温室的最初形态。我国近代温室开始于20世纪30年代的冬季不加温“日光温室”（后被命名为鞍山式温室），20世纪70年代末80年代初，通过技术的引进和消化吸收，我国的温室产业开始了工业化进程，至20世纪80年代末，已初步形成了温室工程技术体系。进入20世纪90年代，国家加大了对农业科技的投入，我国温室产业进入了一个高速发展期，温室逐步向规模化、集约化和科学化方向发展,技术水平有了大幅度提高。进入21世纪之后，

14、随着国家相关科研项目的启动,在学习借鉴、吸收消化国外先进技术成果的基础上,中国的温室技术，尤其是温室环境自动监控技术有了较快发展,种植面积和控制水平不断提高。截至2009年,全国温室面积为777 000 hm2，其中日光温室和连栋温室面积81 000 hm2，大棚面积465 000 hm2，中小棚面积231 000 hm2。与此同时,我国温室环境监控系统的研发也有了突破性进展,初步形成了具有中国特色的温室产业与技术体系, 温室工程的总体水平有了明显提高,取得了可观的经济、社会和生态效益。我国的温室自动控制技术研究开始于20世纪80年代， 90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究

15、所研制开发了基于Windows操作系统的温室控制与管理系统；90年代中后期，江苏理工大学毛罕平教授等研制开发了可以对营养液系统、温度、光照等环境因子进行控制的温室软硬件控制系统，是当时温室计算机控制系统国产化较为典型的研究成果。 90年代末，河北职业技术师范学院的闫忠文等研制的蔬菜大棚温湿度测量系统可以对温室内的温湿度进行实时检测与控制；中科院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境DET系列软件”和智能温室自动控制系统；中国农业大学研制成功“WJG-1”型分布式温室环境监控计算机管理系统，在国内处于领先水平；河南省农科院自动化控制中心研制出“GCS-I型智能化温室自动控制系统”。200

16、1年，“十五”攻关项目“温室环境智能控制关键技术与开发”启动，中国农业大学研发的“基于RS-485总线的温室控制系统”在北京市顺义农业技术示范区进行了为期两年的运行和测试，达到预期效果；江苏大学研制了多种型号温室自动控制系统，可以适应我国不同地区对环境控制的不同要求；深圳市数据通信局CDPD(蜂窝数字分组数据)环境监控示范系统在温室自动控制领域也有很好的应用效果；北京市农业机械研究所研发的节能日光温室可以适应不同领域、不同地域对温室的需求、并且研制出了现代化温室环境智能控制系统等设施设备。经过30年的发展，我国的温室环境自动控制技术已取得了长足的进步，目前已经已经完成了从引进吸收、简单应用阶段

17、到自主创新、综合应用阶段的过渡，但是同国外系统相比，无论技术水平还是应用水平，都存在较大差距。1.3温室自动控制技术的发展趋势随着计算机技术、网络技术、农业技术、机电一体化技术的进步，温室技术将向智能化程度高、操作简便直观、管理方式多样、系统可靠廉价等方向发展，具体表现在以下几个方面：（1）智能化程度高。 温室系统变量多、惯性大、非线性、干扰强，温室外各环境因子随着季节和天气变化的趋势都很难预知，各因子之间的相互关系尚不能完全明确，不同作物、同作物不同生长阶段对各因子的要求亦不相同，在多因子环境控制数学模型的建立、高性能控制器的研发等方面都做大量艰苦的工作；（2）操作简便直观。 目前，智能温室

18、控制系统大多依靠人工经验来管理，缺乏系统、科学地指导，农业科技人员数量不足，在现场时间无法保证，技术水平参差不齐，专家系统具有综合农业知识和高速处理水平，对于生产状况有强大的决策建议能力，并具有自诊断功能，是现阶段温室自动控制技术发展的主要趋势之一；（3）管理方式多样。 近年来，互联网技术和移动无线通讯技术得到了极大发展和普及，计算机和手机已经为大部分人拥有和使用，通过互联网和手机进行信息采集和决策实施是未来温室控制趋势所在，此外，视频监控技术能够对作物生长状况、设备运转状况等进行直观观察，视频监控技术与互联网技术和移动无线通讯技术(3G技术)的结合将是大势所趋；（4）系统可靠廉价。 温室内是

19、一个高温、高湿的环境， 而且还会遭受大风、冰雹、雨雪、雷击、电磁辐射等自然灾害的侵害，自动监控系统一旦出现误动作或拒动作，将对温室内作物和温室内的仪器造成极大影响，而且极难恢复，农业用户购买力低，对温室运行和维护的投入不足，因此，研发既可靠又廉价的温室环境自动监控系统极具现实意义。1.4研究的主要内容与技术路线1.4.1研究的主要内容根据我国北方气候特点和自然环境条件，以节能型日光温室为控制对象，设计和研发一套性能优良、稳定可靠、价格低廉的智能温室自动监控系统，该系统以AT89S52单片机为核心，结合组态技术，以空气温湿度、土壤湿度、光照度、CO2浓度为控制对象，具体包括以下几项主要内容：(1

20、)系统总体设计。在对系统控制目标、控制对象、实施场合综合分析的基础上，确定合理的设计方案，并对软件和硬件的各子系统、各模块的功能进行划分，形成系统总体模型；(2)硬件系统设计和元件选择。按照“可靠廉价”的原则，设计数据采集、数据显示、超线程报警、通讯接口等电路，并选择适合、可靠、廉价的元器件，构建符合要求的硬件系统；(3)软件系统设计。系统软件分为下位机软件和上位机软件。下位机软件采用汇编语言编写，可脱离上位机软件独立运行；上位机软件采用组态王软件设计，可以实现数据的采集与查询、执行元件的控制、现场的视频监控等功能；上位机与下位机之间采用串口通讯；(4)系统的调试与运行。在子系统调试成功的基础

21、上，对整个系统进联调，消除错误与干扰，实现系统可靠稳定地运行。1.4.2技术路线拟采用技术路线的流程图如下： 图1-1 技术路线流程图第二章 系统总体设计及主要元器件选取植物的生长除了自身遗传特性以外，与环境因子的变化密切相关，光照度、温度、水分、和CO2浓度等都是直接影响植物生长发育的生存因子，智能温室自动监控系统就是对这些因子的数值进行采集，与系统设定的数值进行比较，当采集数值不在设定数值的区间时，系统启动调节装置，直至采集数值落入设定数值的区间。2.1智能温室自动监控系统的功能要求智能温室自动监控系统是在温室控制面板和监控软件上实现对温室内设备的监测、控制功能，实现监视温室状态和运行参数

22、、接收故障报警信息、下达控制信号，并具有视频监控功能、分级报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。(1)状态与数据采集功能系统能够实现对运行参数（包括空气温度、空气湿度、光照度、CO2浓度、土壤湿度等）和温室状态（包括各传感器状态、遮阳系统状态、风机状态、湿帘状态、滴灌系统状态、补光灯状态、加热系统状态等）的动态采集。(2)状态与数据的分析处理功能能对采集数据进行存储；能对监控参数进行趋势分析；能对历史趋势进行查询和分析；能对监控参数的异常状态进行关联分析。(3)状态与数据的显示功能系统能够实现对主要设备运行状态的显示；主要参数实时曲线及趋势的显示；相关参数历史曲线及趋势的显示；历史

23、数据及特种记录的显示温室实时工况的视频显示。(3)报警和事件功能系统能够实现对监控的温室状态、运行参数的异常状态(包括偏差报警、超限程报警、变化率报警等)进行报警，并进行记录(包括报警类型、发生时间、报警变量名称、监测参数数据、处理措施等)，并能自动生成异常状态数据库以供查询。此外，系统还可以对发生事件（包括操作事件、登录事件、工作站事件、应用程序事件）进行报告。(4)存储功能系统能够实现对各种监控数据、各种报警和事件、各种控制方案数据的存储。(5)查询功能系统能够实现对各种监控参数的历史数据、各种监控参数的曲线及趋势、各种报警和事件、各种控制方案数据的查询。(6)报表及打印功能系统能够实现各

24、种报表（包括报警和事件报表、实时曲线报表、历史曲线报表、控制方案数据报表）的自动生成打印。2.2系统总体方案设计2.2.1智能温室自动监控系统的一般结构智能温室自动监控系统一般可以分为集中式和集散式两大类。（1）集中式温室自动监控系统集中式温室自动监控系统采用主机-终端模式，它是用以STD总线或者PC总线为基础的工业控制计算机来进行温室内的数据采集和监控报警。集中式温室自动监控系统在工业控制计算机内插入若干块I/O卡件,通过各传感器将测得的物理量转换成电压或者电流信号，送入数据采集卡，由计算机完成数据处理工作，需要控制时，由计算机通过DO卡件输出控制信号，通过驱动装置驱动被控对象。图2.1为以

25、工业控制计算机为基础的集中式温室自动监控系统的结构框图。图2-1 集中式温室自动监控系统从图中可以看出，数据采集、信息处理、执行元件驱动等工作集中在一台计算机中，能够实现全局管理，操作简单，价格低廉，但是系统传送的大多数是非电量的物理信号或者微弱的电信号，抗干扰能力差、误差大、电缆成本高、安装维护不方便。而且数据采集、控制、图形画面显示等所有工作都由一台计算机完成，一旦CPU主板出现错误，则会导致整个系统瘫痪。（2）集散式温室自动监控系统集散式温室自动监控系统，也被称作分布式温室自动监控系统，采用服务器-客户模式，它将整个系统的目标和任务按一定方式分配给若干个子系统，PC机作为上位机仅实现辅助

26、功能，脱离上位机，整个控制系统仍可独立工作，子系统之间也可进行信息交换。图2.2为以集散控制系统为基础的温室自动监控系统结构框图。图2-2 集散式温室自动监控系统从图中可以看出，数据采集、信息处理、执行元件驱动等工作主要由下位机来完成，与集中式监控系统相比，集散式系统抗干扰能力强、误差小、电缆成本低、安装维护方便而且各子系统功能独立，即使某一子系统失效，只会影响局部功能，故障范围不会扩大，而且上位机出现故障或退出运行时，各子系统仍然能够继续工作。2.2.2智能温室自动监控系统的设计智能温室环境复杂恶劣，监控变量多，惯性大，干扰强，宜采用集散式温室自动监控系统。集散式温室自动监控系统的上位机多采

27、用采用工业控制计算机，下位机（智能控制器）多采用可编程控制器或单片机构建。表2-1显示的是四种常用控制计算机的性能比较。表2-1 常用控制计算机的性能比较比较项目计算机类型PC机单片机PLC工业控机系统功能数据、图像、文字处理简单逻辑、模拟量控制逻辑控制为主，可配模拟量模块逻辑和模拟量控制硬件设计无需设计复杂简单简单程序语言多种语言汇编语言、C语言梯形图多种语言软件开发复杂复杂简单较复杂运行速度快较慢慢很快带负载能力差差强强抗干扰能力差差强强成本较高很低较高很高从表中可以看出，基于工业控制机的控制系统硬件开发量小，软件组态方便，易于实现温室的群控和网络化管理，但是价格昂贵，安装费用和后续维修维

28、护费用也较高，普通的农户难以承受， 如采用PC机作为上位机，虽然性能较工业控制机差一些，但仍可满足要求，且成本仅为工业控制机的1/4左右，目前PC机在家庭中已经得到普及，这笔投资可以省去，而且随着互联网技术的发展，更易实现远程管理。可编程控制器（PLC）控制力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期工作，非常适合温室的控制要求（何世钧，2000），但是，温室控制多是模拟量输入和输出，通用PLC的模拟量输入和输出口数量有限，需要定制专用的PLC或采用扩展模块，因此投资很大，一般都会超过万元。如采用单片机作为下位机核心，固然需要开发接口电路和底层程序，但是系统成本优势依然明显，解决可靠性和防干扰的问题

29、，系统控制精度高,响应速度快,完全可以满足温室控制系统的需求。综合技术和成本等因素，拟采用集散式控制系统PC机+单片机系统。下位机以单片机为核心CPU，通过接口电路和驱动电路与各数据采集模块和执行元件构成控制系统，可独立运行，也可与PC机通过串口进行通讯，受PC机控制，图2.3为本系统的结构框图。从图中可以看出，整个系统可以分为以下五个模块：（1）控制模块 由单片机、多通道信号输入电路、多通道信号输出电路、输入设备、控制平台、显示装置等组成，负责将数据采集模块采集的数据进行数据计算和逻辑判断，并根据分析结果，对驱动电路发出指令，实现对温室环境的监控。向上位机发送设备状态和数据信息，并根据上位机

30、的指令对驱动电路下达指令；（2）数据采集模块 由各传感器、放大器、A/D转换器等组成，负责采集温室环境因子的采集，并将模拟信号转换为控制模块可识别的数字信号；（3）通信模块 采用串口实现上位机和下位机之间的通讯，在上位机监控软件上动态显示和记录系统各设备的运行状态和温室环境因子的数值，并可通过监控软件进行设定参数的修改；（4）驱动模块 由各驱动电路组成，负责在控制信息的作用下提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能，实现对温室环境的控制；（5）视频监控模块 由视频采集卡、数码摄像机、云台控制器组成，负责对系统各设备的运行状态进行视频监控，避免意外的发生。图2.3 系统结构框图2.3主要元器件的选取2.