分布式温室控制系统

温室番茄采摘机器人系统设计姬丽雯1，2，张 豪1，吴 丹1，2，高 帅1，2（1.江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏句容 212400； 2.江苏省现代农业装备工程中心，江苏句容 212400）摘要：设计了一种应用于温室番茄采摘的机器人，该机器人可以在温室中自动规划路径，并识别和采摘成熟番茄。

设计以分布式计算系为主控制网络，以激光雷达进行移动机器人的地图构建与定位，视觉系统智能识别番茄进行3D定位。

通过视觉系统软件开发结合双目相机硬件结构实现果实的精准识别和定位。

关键词：番茄采摘机器人；路径规划；视觉系统0 引言在果蔬作业生产链中，采摘作业是整个生产链中最耗时、费力的环节，且采摘作业存在季节性强、劳动强度大、投入费用高的特点，因此农业采摘机器人研究发展有极强的现实意义[1-2]。

国内农业机器人发展相对于国外比较晚，但经历多年的不断的研究和发展，也取得了一定的成就。

江苏大学研制了番茄采摘机器人，将RGB颜色空间转换成HIS颜色空间。

王沈辉等人基于神经网络，创建了双目立体视觉实验的平台。

魏博等设计了一种欠驱动式柑橘采摘末端执行器，通过三个双连杆并联式手指充分抓握和偏转融合控制，实现柑橘的稳定采摘。

使用的末端执行器具有适应性强、抓取稳定等优点，但只在手指内部贴有软硅橡胶的设计无法避免果实采摘时的破损，将影响果实的品质[3]。

于丰华等将机器人的机械臂扩展到6自由度，机械臂搭载了附有薄膜压力传感器的柔性手爪，基于R-FCN卷积神经网络视觉识别技术，设计了以番茄为采摘对象的移动机器人，但是机器人必须通过巡线相机识别温室内定位胶带来完成巡检和采摘，移动的灵活性受到限制[4]。

虽然采摘机器人的研究较多，但研究深度还有待进一步提高。

本文设计了一款温室番茄采摘机器人，采用同时定位和地图构建实现机器人的路径规划，双目深度相机实现对成熟番茄的识别和定位，搭载柔性仿生夹爪的6自由度机械臂实现目标番茄的抓取和放置。

1 采摘机器人系统功能设计番茄的培育模式主要有地面土培和基质高架培育，其中高架基质栽培可改善劳动姿势，减轻劳动强度，实现省省力化栽培而且能够克服连作障碍，实现清洁化生产[5]。

大连大学本科毕业论文（设计）开题报告论文题目：农业大棚温湿度监控系统的设计学院：信息工程学院专业班级：自动化122班学生姓名：***指导教师：***2015年02月15日填一．选题依据1.论文题目农业大棚温湿度监控系统的设计2.研究领域嵌入式系统3.论文工作的理论意义和应用价值目前，我国正处于从传统农业到优质高效高产的现代化农业转化的新阶段，而大棚作为现代化农业的产物，在广大的地区得到应用。

随着科学技术的发展，农业和科学越来越密不可分，而现代化农业更是离不开科学对环境的控制，而农业大棚温湿度监控系统是实现农业大棚生产管理自动化和科学化的基本保障。

根据各种农作物的生长规律，通过温湿度监控系统控制其生长环境，达到农作物能在不适合其生长的反季节中能够获得比其在外界环境下更高效高产和优质的栽培目的。

由于温室大棚能够满足消费人群的质量要求，能够减轻种植业的风险，能够生产反季节农作物和使得大棚技术得到普及等优点，所以温室大棚数量不断增多，对于农业温室大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。

当温湿度太高或者太低时，农作物就不适合生长，所以要将温湿度始终控制在适合农作物生长的范围内。

传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。

这样仅靠人工控制的方法既耗人力，又容易发生差错，更不易管理；而且随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。

为此，在现代化的农业大棚管理中温湿度监控系统的设计可以很好的控制农业大棚温湿度，适应生产需要。

4.目前研究的概况和发展趋势国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。

先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。

80年代末出现了分布式控制系统。

目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

智能农业温室大棚管理系统项目计划书一、项目背景近年来，农业温室基础设施发展迅速，但是在自动监控方面仍存在着诸多问题。

温室监控区域较大，需要大量的传感器节点构成大型监控网络，通过各种传感器采集诸如温度、空气湿度、光照度、土壤湿度、EC值、pH值等信息，实现自动化监控。

传统温室监测与控制系统多采用有线连接，布线复杂，往往造成温室内线缆纵横交错、使用不便、安装维护困难、可靠性差等问题。

无线传感器技术被认为是满足温室应用需求且代替有线连接的最好方式。

惠企物联科技结合最新的ZIGBEE无线技术，将传感器整合到无线传送网络中：通过在农业大棚内布置温度、湿度、光照、等传感器，对棚内环境进行检测，从而对棚内的温湿度，光照等进行自动化控制。

通过更加精细和动态监控的方式，来对农作物进行管理，更好的感知到农作物的环境，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平。

二、现存问题⌝首先是成本较高。

一般来讲，一套智能化的控制系统成本主要包括硬件成本、运行成本和维护成本。

硬件成本包括各仪器仪表、通信线缆等。

整个系统也不能自由组合或者裁剪应用于不同的对象，使得难以得到推广和普及。

同时，由于系统复杂、布线繁多、故障率高而且使得故障后的维修成本极大。

另外，系统庞大造成的运行成本也不是一笔小费用。

⌝其次是布线复杂。

温室中有大量分散的传感器和执行机构，这些设备可能随着作物的改变而进行调整，同时错综复杂的线缆也需要重新铺设，工作量较大。

为了科学、合理地实现大面积温室环境参数的自动检测与控制，电子检测装置和执行机构的设置不仅数量大而且分布广，连接着各个装置与机构的线缆，也因此纵横交错。

当温室内生产的果蔬作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置常常需要调整，连接着各个装置与机构的线缆有时也需要重新布置。

这不仅增大了温室的额外投资成本和安装与维护的难度，有时也影响了作物的良好生长。

⌝第三，故障解决难。

当数据无法正常接收时，检查人员不知道是线路问题还是节点故障。

蔬菜大棚温湿控制器设计（毕业设计完整版）河南理工大学毕业设计（论文）说明书大棚温度湿度控制器设计摘要：温室是蔬菜大棚生产中必不可少的设施之一，不同种类蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，本设计就是控制大棚的温湿度，为它们提供一个良好的生存环境，给我们带来巨大的经济效益。

关键词：传感器、温湿度、控制电路、温度报警电路Abstract: Greenhouse production of greenhouse vegetables are an essential facilities, different types of vegetables, such as temperature and humidity on the growth of the necessary requirements are not the same, the design is to control the greenhouse temperature and humidity, to provide them with a goodthe living environment, has brought us huge economic benefits.Key words: sensors, temperature and humidity, control circuit, temperature alarm circuit12河南理工大学毕业设计（论文）说明书1 引言随着改革开放，特别是90年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主植物栽培设施栽培在大江南北遍地开花，随着政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产业被看作是21世纪最具活力的新产业之一。

温室是蔬菜等植物在栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类的蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，从而可以通过提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。

系（院）专业班级学生姓名学号指导教师职称独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:二〇一二年六月毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名:二〇一二年六月基于PLC的温室大棚摘要讨论了在温室控制中引入PLC技术构成分布式控制系统的方法，详细介绍了系统的特点、组成、硬件设计、实时动态监控系统及通信问题。

分布式的控制结构，使各子系统相对独立，管理与控制功能分开，易于实现群控化管理，提高了系统的可靠性，且易于扩展。

系统成本低廉，性能稳定，通用良好，符合中国国情，具有广泛的应用前景。

关键词：PLC；传感器；控制器；程序设计；温室大棚The Green House Design for PLCAbstractAutomation is the inevitable trend of development for the future, not only the work and life. The programmable controller is referred to as PLC, PLC reliability, environmental adaptability, versatile, easy to use, simple maintenance, PLC application is rapidly expanding. The early PLC, where the relay can be used. PLC today can almost be said to those who need to control the system will need to PLC. The design is to write the PLC program by setting greenhouse control, reduce labor, increase production efficiency, automate!Key words: PLC; sensors; controllers; program design目录第一章绪论1.1 课题背景 (4)1.2 课题研究的意义 (4)1.3 温室环境的主要特点 (4)1.4 课题的主要研究工作 (5)1.5 PLC的现状 (5)第二章基于PLC设计的整体方案2.1硬件整体设计方案 (6)2.2软件整体设计方案 (6)第三章系统设计3.1 设计的总体目标 (6)3.2 设计的控制原则 (7)3.3 设计的控制方案 (7)3.4 控制系统硬件组成 (7)3.4、1 PLC的选择 (8)3.4、2 PLC机型和容量的选择步骤与原则 (8)3.5 传感器的选择 (11)3.6 信息采集系统 (12)3.7 执行机构 (14)第四章软件部分4.1 梯形图4.2 指令表结论参考文献谢词第一章绪论前言智能温室系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感器技术等高科技手段发展起来的。

技术平台基于PLC的智能温室控制系统设计温俊霞 （宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021）摘 要：针对温室中环境自动控制程度较差的现状，通过分析温室内环境因素对植物的影响，设计了基于PLC的智能温室控制系统。

本系统的硬件主要由PLC、上位机和传感变送器构成，用来检测和控制温室内部环境参数的变化量。

本系统上位机监控软件使用组态王6.55编写，并通过与PLC的通信，能够对温室内部环境的实时监控及数据的显示与报警。

下位机软件选用松下的FPWINGR 开发，在仿真中取得了良好的结果，实现了给作物提供良好生长环境的目标。

本系统操作简单，可靠性强，适应当前现代农业的 需求。

关键词：PLC；实时监控；自动控制；现代农业本文研究的智能温室控制系统，选用松下的PLC 为智能温室的核心控制器件，与旧式温室相比，本设计能够进一步提高农作物的生产水平，保证作物的正常生长发育，提高作物合格率，在保证经济效益的前提下，更人性化地减少了管理者的工作时间，节约投入资本，适合广泛应用。

1 系统总体设计方案1.1 控制系统分析通过对温室内环境要点分析，具有非线性、分布式参数、时变性等特点。

由于室内的面积比较大，所以室内各项物理因素不均且随环境分布不断变化。

比如二氧化碳浓度，一般离植物较远的地方的浓度会比较高，垂直方向上的位置不同，其参数也是不同的。

农作物在生长发育的不同阶段内，它自身合成有机物的能力，以及吸收土壤中的水分无机盐等物质的能力都是不同的，因此，该系统是一个需要随数据变化量进行合理调控的时变性系统。

1.2 控制系统设计该控制系统主要由四个部分组成：温度控制系统、湿度控制系统、光照强度控制系统和CO2浓度控制系统。

每个控制系统下的传感元件能够对应一项温室内部作物生长环境的基础参数，对这项参数进行一个实时的监控，并完成参数的采集。

利用微机与PLC组合成系统的方式，建立控制系统，针对温室内环境的参数变化量，调控整个温室内外的执行机构，让它们有目的性地改变温室内环境，达到栽培作物正常的生长减少窃电行为的出现。

智能农业大棚智能温室手册第一章智能农业大棚概述 (3)1.1 智能农业大棚的定义与发展 (3)1.2 智能农业大棚的优势与应用 (3)1.2.1 优势 (3)1.2.2 应用 (4)第二章智能温室系统组成 (4)2.1 环境监测系统 (4)2.1.1 温度监测 (4)2.1.2 湿度监测 (4)2.1.3 光照监测 (5)2.2 自动控制系统 (5)2.2.1 执行设备 (5)2.2.2 控制器 (5)2.2.3 通信设备 (5)2.3 数据分析与决策系统 (5)2.3.1 数据存储 (5)2.3.2 数据分析 (5)2.3.3 决策模型 (6)第三章环境监测技术 (6)3.1 温湿度监测技术 (6)3.2 光照监测技术 (6)3.3 土壤监测技术 (6)第四章自动控制技术 (7)4.1 自动灌溉系统 (7)4.1.1 系统概述 (7)4.1.2 系统组成 (7)4.1.3 系统特点 (7)4.2 自动通风系统 (7)4.2.1 系统概述 (7)4.2.2 系统组成 (7)4.2.3 系统特点 (8)4.3 自动施肥系统 (8)4.3.1 系统概述 (8)4.3.2 系统组成 (8)4.3.3 系统特点 (8)第五章数据采集与传输 (9)5.1 数据采集设备 (9)5.2 数据传输技术 (9)5.3 数据存储与管理 (9)第六章智能温室作物种植 (10)6.1 作物生长模型 (10)6.3 作物营养管理 (11)第七章智能温室环境调控 (11)7.1 环境参数设定 (11)7.1.1 温度设定 (11)7.1.2 湿度设定 (11)7.1.3 光照设定 (11)7.1.4 二氧化碳浓度设定 (11)7.2 环境调控策略 (12)7.2.1 自动控制系统 (12)7.2.2 能源管理 (12)7.2.3 数据分析与优化 (12)7.3 环境预警与应急处理 (12)7.3.1 预警系统 (12)7.3.2 应急处理 (12)第八章智能温室能源管理 (12)8.1 能源消耗分析 (12)8.2 能源优化配置 (13)8.3 能源节约措施 (13)第九章智能温室安全与防护 (14)9.1 安全防护措施 (14)9.2 火灾报警系统 (14)9.3 防盗与监控系统 (14)第十章智能温室项目管理 (15)10.1 项目规划与设计 (15)10.1.1 需求分析 (15)10.1.2 设计方案 (15)10.1.3 技术选型 (15)10.2 项目实施与监控 (15)10.2.1 项目进度管理 (16)10.2.2 质量管理 (16)10.2.3 成本控制 (16)10.2.4 风险管理 (16)10.3 项目验收与维护 (16)10.3.1 项目验收 (16)10.3.2 运营培训 (16)10.3.3 运营维护 (16)10.3.4 持续优化 (16)第十一章智能温室发展趋势 (17)11.1 技术创新与发展 (17)11.2 政策支持与市场前景 (17)11.3 智能农业大棚产业布局 (17)第十二章智能农业大棚案例分析 (18)12.1 典型案例分析 (18)12.3 发展潜力与挑战 (19)第一章智能农业大棚概述科技的不断发展，农业领域也迎来了新的变革。

安擞农业科学，２ＯＯ２，３０（１）：７—１０　Ｊｏｍｍ］０ｆ　Ａ　Ｓｃｉｅｎｏ￣　

棚室环境智能控制系统的研究　扬枢　）葛继忠　赵世付　（”台肥工业大学计算机与信息学院＿Ａ肥　司；’　髓县承科局）　捕薹提出了一种棚室环境控制系统新的实现方法。谊控制系统采用分布式蛄构、智能化技术，包括模糊拉．Ｉ算法、身母断　技术、特感器的“即插即甩”技术等；可实现温室环境各要素的自动监控。　美量词温室环境；分布式系统；智能化技术；模糊控制　

Ｔｈｅ　０ⅡⅫ棚ｌ哪Ｃ：ｅｎｔｒｏｌＳｙｍｍ　０ｆＧｒｅｅａｈｅｔ￣Ｅｎｖｌｅｍｍｅａｔ　Ｙｌ蝉Ｓｈｕｅｔ　ａｌ（Ｔｈｅ　Ｔｅｃ］ｍｏｋ￣ｇｙ　Ｕｎｉｖｅｍｉｔｙ　ｏｆＨ出，　２３０Ｏ２２）　Ａｂｒｅａｃｔ　Ｔｈｅ　Ｔ　『岫　ｏｆＩ　ｉ　ｔｈｅ　ｏ０ｎ帅Ｉ　ｓｙｍｅｍ　０ｆ　ｅｅ　椰昱ｅ帅　聊ｍ州ＷａＢ　ｐｅｔ￣ｗａｚｄｉｎｔｈｅ　ａｒ【ｊｃｌｅ．Ｔｈｅ珈ｎｈＤｌ　蛐印ｐ１ｉ葩　ｄ￣ｔｉｏｎ　ｓ１３：ｌｌｃｕｌｒｅ　ａｎｄ　ｅＩｌｉ酬　】ｕ　ｏｏｎｔｒｏｌ　ｍ，　ｉａＩｉｎ—ｓｙｓｔｅｍ，ｅｅｌｆ—ｄｉ　，　ａｎｄ舶Ｉ硌町ＰｎＰ把　ｌ　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｙ工ｅａｌｊ∞ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｃ￣ｔｍｌ　ｏｆ　ｎｍｐｅｃｆｉｖｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ缸　发田Ｉｎ　嘎Ⅳ．珂姗岫Ｉ　ｌ　ｗｅｌｄｓ　Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｅｎｖ￣ｏｎｍｅｍｔ，Ｄｉｍ　ｓｙａｌ￣ｎ，｜ｎｔ－ＩＩ＇ｔ￣ｔ　１　，Ｆｕｒｙ　ｌ砌　

２０世纪９０年代以来，我国的设施栽培技术发展很　快，据不完全统计，到目前为止，我国的棚室设施栽培面　积达３×ｌ　｝　。但棚室农产品的生产管理一直存在着　水平低、方法落后的问题，其主要原因为现有棚室结构简　陋，缺乏配套设备与先进的管理技术　尤其是环境控制　能力低、自动化水平不高，管理上仍以经验为主。　为了适应目前我国农业经济的发展水平和管理人员　的素质水平，研究开发成本低，可靠性、稳定性、通用性　好，便于管理维护，能够对棚室内的温度、湿度、光照度、　ｃ　浓度、营养液及滴灌系统进行智能化实时监控的棚室　环境自控系统，将对我省乃至我国设施栽培的发展，起到　积极的促进作用。　ｌ研究内容　１．１研究目标　（１）实现温室环境要素温、湿、光、气、水、肥（主要指　ｃｏｚ及营养液酸碱度、电导率）等的自动监测与控制。　（２）采用智能化等先进的控制算法，达到经济台理的　控制效果。设计出满足国内一般条件下，集约化种植需要　的、经济方便的棚室环境自动控制系统。其系统要具有较高　的通用性，可在农、林、水等行业的类似领域中应用。　１．２自控系统的设计方案　我们在充分调研、分析、借鉴国内外有关技术与资料的　基础上，棚室环境智能控制系统的研制采用了以下方案：　棚室环境智能控制系统将以商用Ｐｃ机为上位机，以　实用、价廉的ＭＣＳ一５１单片机作为下位机组成集散式棚　宣控制系统。上位机主要功能是设定下位机的控制参　数，实现系统实时监测；完成数据管理、历史资料统计分　析任务。同时还可实现对数据的显示、编辑、存储、打印　凳嘉　｝　苫主　攻　蔬　花卉枭　化栽培　作者衙舟：橱掘（１９７１一），男，安戢省蚌埠市人，工程师，主要＾Ｌ事计算　收瞢日期：　篙　厦人工智能直用斫竞。　输出。下位机主要功能是实现对温室环境要素的测控。　即通过传感器采集有关环境要素数据，如疆度、湿度、ｃｏｚ　浓度和光照度等，并将这些数据与设定值进行比较，结合　有关控制设备的工作状态，运用专门的控制算法，给出相　应的控制信号，驱动相关设备，实现对环境要素的调控；　同时将环境数据贮存在备有后备电源的Ｒ＾Ｍ中，在上位　机时将数据传输至上位机。为降低成本，系统要有较强　的扩充性。部分传感器和环境控制设备能实现自诊断；　所有传感器具有“即插即用　的功能．可以自行对传感器　的使用和失效进行判断与相应处理；系统功髓可满足现有　各类棚室使用需要，易于推广。考虑剜上位机与下位机间　的距离可能较远，两者之间需要有较高的传转速率，因此　棚室环境智能控制系统采用ＲＳ４８５串口实现散据通讯。　１．３棚宣环境智能控　系统硬件设计研究　系统硬件部分包括ｌ０个组成单元，每个组成单元就　是一个线路板组件，棚室自控系统硬件结构框图见图１　所示。　如何选择适台棚室自控系统在线监漕的传感器是决　定该系统成败的关键之一。根据对棚室需用的传感器的　要求，在分析国内外有关传感器性能的基础上，确定了本　智能控制系统中传感器选用原则为：对于国内生产非常　成熟、质量可靠的温、湿度、光照度、　值、Ｄｃ值、液位传　感器以及用于棚室外环境测量的风速、风向、雨量传感　器，选用国内大、中型企业或中外台资企业生产的产品；　对于土壤水分、ｃ　这２种国内目前在精度、准确度、稳定　性上，还尚未成熟的传感器，则分ｇ９采用了英啻和芬兰的　产品。棚室自控系统下位机主控板是硬件秉统的核心。　根据系统的总体设计要求，主控板的设计应具备以下功　能：输入３２路模拟量，１６路开关量，１路散字量（八位），两　路脉冲量；输出４ｏ路开关量。　：庄设计主控板时我们还考虑为适应糠蜜胄控系统的　要求，主控板还应具备下列能力：①为摄蠢鼍坑的宴时　

LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题目蔬菜大棚温湿度控制系统的PLC程序设计毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。

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。

论文（设计）作者签名：日期：年月日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。

本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。

本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为。

论文（设计）作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日摘要温室大棚对现在的人们来说，是非常熟悉的一个名词，因为现在我们生活中的很多花卉、蔬菜、水果都是从温室大棚中种植出来的。

如何利用自动检测与自动控制系统有效的控制好温室大棚内的各种环境因子，以提高温室大棚环境的控制精度和效果，对我国温室业的发展有着不可估量的重要意义。

本设计采用西门子S7-300系列可编程控制器来实现自动化控制的温室大棚。

温度、湿度等环境因子在植物过程中起重要作用，在检测这环境因子的时候考虑到精度，反应速度，方便设备连接等问题，将采用温度传感器，湿度传感器对环境各项指标进行检测，传感器将检测的结果送入PLC 中，由PLC将其与设定值进行比较，再发出相应的指令驱动电机﹑卷帘等设备运行或停止来调节室内的温度、湿度，从而达到智能化，自动化控制的目的。

使用step7及wincc flexible实现上下位连调，详细的介绍系统的特点，组成，硬件设计及软件设计等问题。

温室环境参数模糊控制器设计牛国玲;霍艳忠;郑永春;周海波【摘要】温室系统是一个多变量,大惯性的非线性综合系统,很难建立精准的数学模型,因此对温室系统采用模糊控制是很适合的.针对温室这一农业生产的特殊载体,采用模糊控制方法,所设计的温室模糊控制器为实现温室参数的现代化管理给出一种新的技术基础.【期刊名称】《哈尔滨师范大学自然科学学报》【年(卷),期】2013(029)002【总页数】5页(P31-34,48)【关键词】温室;综合系统;模糊控制;模糊控制器【作者】牛国玲;霍艳忠;郑永春;周海波【作者单位】佳木斯大学;佳木斯大学;佳木斯大学;佳木斯大学【正文语种】中文0 引言温室作为设施农业的一种重要形式，在国内外农业中越来越受到重视.如何利用控制理论的相关知识有效地提高温室环境控制水平和现代化管理程度，是温室技术研究的重要内容之一.随着通讯技术、自动检测技术及计算机技术等的发展，将工业上较为成熟的、先进的控制方法和管理手段引入到农业的生产设施中，实施有效的温室环境控制，是现阶段温室技术的主要研究方向之一.但是，温室环境控制是一项综合性工程，它需要综合应用农业生物学、环境工程、自动控制、计算机网络、管理科学等多种技术学科.温室因其生产周期长、过程复杂，决定了温室系统是一个多变量、强耦合、非线性、大惯性的复杂大系统，一般难以建立温室的精确数学模型，进而对其进行处理和控制.另一方面，温室内培育的是具有生命的植物，所以，在生产过程中作物的安全性是首要的.温室的管理涉及市场、设备、技术、员工等诸多因素，现阶段对温室的管理还不能完全脱离人的干预.一般来说，温室的控制应该包括温室气候的控制、水肥的控制、作物生长情况的监控、设施和设备的监控、生产资料和资金的分配、市场和信息的管理、任务和计划的安排等内容［1］.国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代.先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制.80年代末出现了分布式控制系统.目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统.现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展.我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的.我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代.我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制.之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展.20世纪80年代后期，我国先后从欧美和日本等发达国家引进连栋温室.由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产.90年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷.“九五”初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕.到90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统.例如:江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统.该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果.又如:中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统.该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成.综观国内外温室农业的发展，温室控制技术正沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展;温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展.釆用目前比较流行的集散控制结构，并结合模糊控制理论，对温室内的温度与湿度进行联合控制.整个控制系统由个人计算机构成的上位机、单片机构成的下位机及连接上、下位机之间的通信网络组成.控制对象为温室内常用的可操控设备，如天窗、风机、泵和电磁阀等.1 基本论域、模糊论域和量化因子通过跟踪温室温湿度曲线，使温室具有适宜的温度和湿度，为了实现跟踪曲线釆用温度偏差和湿度偏差作为模糊控制器的输入，偏差值为实测值与设定值的差.分别用Et和Eh代表温度偏差和湿度偏差，用Tset和Hset分别代表温度的设定值和湿度的设定值，用Ts和Hs分别代表温度的实测值和湿度的实测值，则温湿度偏差的计算公式分别为:在温室中温度偏差的基本论域［-xa，xa］为［-6，6］，温度偏差的模糊论域{-n，…，n}为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，可以计算出温度偏差的量化因子［1-3］:设定湿度偏差的基本论域为［-12，12］，湿度偏差的模糊论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，可以计算出温度偏差的量化因子:2 模糊语言变量语言值分档及隶属函数模糊语言变量的分档数m与模糊论域的级数n之间应满足如下关系［2-3］:取k=1.5，分别确定温度偏差和湿度偏差模糊语言变量语言值的分档数，如下所示.已知温度和湿度n=3，代入式(5)可得，分别用符号的形式表示如下所示:隶属函数是用来涵盖模糊论域的，对于模糊语言变量的每一个语言值都应该有一个隶属函数与之相对应，即对应NB，NS，Z，PS，PB分别应该有5个隶属函数.隶属函数的形状对控制的效果影响不大，关键是隶属函数在模糊论域上的跨度，选择三角形隶属函数作为温度偏差和湿度偏差各语言值的隶属函数.三角形隶属函数［4］的函数解析式如下所示:式中参数a、b、c的含义如图1所示.图1 三角形隶属函数图形为了表述得简洁、清楚，用Matlab中模糊控制工具箱［4］里的FIS编辑器来表示本课题中温度偏差和湿度偏差各个语言值的隶属函数.图2为温度偏差各语言值隶属函数分布图.图3为湿度偏差语言值隶属函数分布图.图2 温度偏差语言值隶属函数分布图图3 湿度偏差语言值隶属函数分布图输出变量的模糊论域设定为{-1，0，1}，其模糊语言变量的语言值分档为{NB，Z，PB}，Matlab中隶属函数的分布情况如图4所示.图4 输出变量语言值隶属函数分布图图4反映的是解耦后某一个输出变量的隶属函数分布情况.这里使用的是一个2输入7输出的模糊控制器，所以，同样的输出变量及其隶属函数分布图还有6个.每一个输出变量对应一种温室内的可操控设备3 模糊控制规则模糊控制规则是模糊控制器的核心，模糊控制器的所有行为都是在模糊控制规则的控制下完成的.该文设计的是一个具有2输入7输出的多输入多输出(MIMO)模糊控制器，输入变量为温度的偏差和湿度的偏差，输出变量为各个设备的控制信号.另外，将温室内的7种可操控设备都处理成开关设备，即认为如果模糊控制器的输出为PB，则应该打开设备;输出为NB则应该关闭设备.为了能够制定出合理的模糊控制规则，通过设计一个基本模糊控制器，用于取代原来的人工操作.先通过控温控湿的效果上对温室中的七种设备的情况按照操作人员在升温、降温、增湿、减湿时的操作顺序，制成表格，见表1.表1 七种设备对照表注a:表格中的数字表示操作序号，小号先操作.输出变量设备名称升温降温增湿减湿U1 遮阳系统1 6 2 U2 天窗系统 3 1 U3 侧窗系统 4 2U4 环流风机系统 2 2 3 U5 风机湿帘系统 5 1 U6 加热系统 1 4 U7 微雾加湿系统为了实现操作的目的，表1所示的设备中，有一些设备之间是存在相互制约的，对于这些制约要在控制规则中加以体现.模糊语言变量及语言值分档情况汇总后见表2.表2 模糊语言变量及语言值分档模糊语言变量模糊语言变量语言值分档说明输入量→—Ea {NB，NS，Z，PS，PB} 湿度偏差，输入量→—U1 {NB，Z，PB} 遮阳系统控制量，输出量→—U2 {NB，Z，PB} 天窗系统控制量，输出量→—U3 {NB，Z，PB} 侧窗系统控制量，输出量~Et {NB，NS，Z，PS，PB} 温度偏差，→—U4 {NB，Z，PB} 环流风机系统控制量，输出量→—U5 {NB，Z，PB} 风机湿帘系统控制量，输出量→—U6 {NB，Z，PB} 加热系统控制量，输出量→—U7 {NB，Z，PB} 微雾加湿系统控制量，输出量以上所设计的是Mamdani型模糊控制器［5］，其结构形式如图5所示.温湿度偏差的语言值都分为5个档，所以对应每一个输出量最多都会有5×5=25条控制规则.但是对于某个控制目的，有些输出是不需要的.所以总的控制规则数小于甚至远远小于25×7=175条.这里的模糊控制规则都具有如下的形式:图5 模糊控制器的结构根据和语言值的分档数，针对每一个输出量，Rk这样的规则最多有25条，所以k的可能取值范围为1， (25)在温度与湿度这两项指标中，湿度通常指相对湿度，所以在制定模糊控制规则时釆用温度优先的原则.根据操作者的经验，该课题的部分模糊控制规则如图6所示.对输出变量U1的二维投影曲线如图6所示.图6 U1与ET的关系曲线从图6可以看出，U1的输出曲线存在两处明显的转折，一处在ET=0附近，一处在ET=1.2附近，说明对输出变量U1的模糊控制规则还有待进一步改善［5］.下面要对模糊控制规则进行解耦，即从中分离出针对每一个设备的控制规则，进而制作成模糊控制规则表，以便对每一种设备实施具体的控制，针对每一个输出变量进行分离就可以了，即从总规则中分别针对U1进行分离，针对U2进行分离，依此类推.以U1为对象进行分离并整理成模糊控制规则表，见表4.表4 U1的模糊控制规则表湿度输出~Eh温度NB NS Z PS PB NB NB Z Z Z ZNS Z NB NB NB Z→—Et Z NB NB NB NB NB PS PB PB PB PB PB PB PB PBPB PB PB同样的被控对象，同样的可控设备，不同的操作者会给出不同的操作规则.在对温室参数进行控制时，上位机软件可以根据实际情况适当调整控制规则.4 结束语文中从整体上介绍了与温室环境参数模糊控制有关的模糊控制器设计过程中的重点理论问题与技术问题.首先，介绍了温室环境参数模糊控制器的基本论域、模糊论域和量化因子;其次，介绍了模糊语言变量语言值分档及隶属函数;最后，介绍了温室环境参数模糊控制器的核心知识模糊控制规则.通过实验验证，本模糊控制器运行可靠，可以实现温度、湿度、光照度等温室环境参数的模糊控制，满足温室控制的要求，本模糊控制器为温室现代化控制给出了可供参考的一种技术方法.参考文献［1］陈超，张敏，宋吉轩.我国设施农业现状与发展对策分析［J］.河北农业科学，2008(11).［2］王立新.模糊系统与模糊控制教程［M］.北京:清华大学出版社，2003. ［3］李士勇.工程模糊数学及应用［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2004. ［4］楼顺天，胡昌华，张伟.基于 MATLAB的系统分析与设计——模糊系统［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2003.［5］石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京:清华大学出版社，北京交通大学出版社.2008.。