智能溫室的設計

2003年3月武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報Mar. 2003第2卷第1期Journal of W uhan Technical CollegeVol.2,No.1●技術(shù)研究與實(shí)踐.智能溫室的設計王振華l黃淑琴2(1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫2140612.秦州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇泰州225300)[摘要]本文介紹用于營(yíng)造人工環(huán)境、生產(chǎn)綠色無(wú)公害植物的智能溫室。較系統地闡述了自動(dòng)化溫室的結構設計,控制系統的軟、硬件設計及實(shí)現。[關(guān)鍵詞]智能溫室;模糊控制;農業(yè)設施中圖分類(lèi)號:GP273.5 文獻標識碼:A 文章編號:1671 - 931X(2003)01 - 0052 - 04 .一個(gè)完整的自控溫室小氣候控制系統由溫度、為覆蓋材料。其性能價(jià)格比優(yōu)于玻璃、聚磷酸脂中濕度、二氧化碳濃度、光照、營(yíng)養液等五個(gè)子系統組空板(PC)、聚氯乙烯板(PVC)、玻璃纖維聚脂板成,它們分別完成對上述作物生長(cháng)條件的控制。溫(FRP)。室系統是一個(gè)非線(xiàn)性分布參數、時(shí)變、大時(shí)延、多變(3)溫室的通風(fēng)應充分利用自然條件,確定溫室量強調耦合的復雜系統，它所處的環(huán)境充滿(mǎn)著(zhù)大量開(kāi)窗的朝向十分重要,如地區全年平均主導風(fēng)向為不確定因素,其控制任務(wù)是要完成動(dòng)態(tài)多目標的協(xié)東南,則天窗的位置應設在北側。同時(shí)溫室屋面設調控制。計成大弧度曲面,不僅美觀(guān)，更重要的是室外氣流在一、智能溫室的結構設計靠近屋面形成貼附的空氣流線(xiàn),從而在天窗外側凹1、溫室建筑結構設計陷處形成渦流區,使該區的靜壓力低于溫室內的氣進(jìn)行溫室建筑布局、形式、尺寸等方面設計,應.壓,并且隨著(zhù)室外風(fēng)速越大,壓差也就越大,通過(guò)天考慮結構、機械、覆蓋與支撐材料、通風(fēng)、保溫、給排窗排除的空氣也越多,起到通風(fēng)降溫的效果。水以及環(huán)境調控設備等多種等多種因素,并應考慮2、溫室運行機構本地的地理氣候條件，充分利用自然資源,力圖降低(1)天窗起閉機構制造成本和運行費用。其結構框架設計的特點(diǎn)歸結為了通風(fēng)以及與外界進(jìn)行熱交換,在外界環(huán)境如下。適宜或室內空氣不夠新鮮時(shí)需要打開(kāi)天窗，當外界(1)溫室結構布局。南北棟建筑可使太陽(yáng)直射環(huán)境惡劣時(shí),必須關(guān)上天窗。天窗開(kāi)啟與閉合利用光平均日總量透過(guò)率最高。因此,采用一種主向陽(yáng)電機作為動(dòng)力源,由一個(gè)帶有均勻小孔的金屬圓弧面做成大弧度頂面的鋸齒型屋面,其光照總量要比.齒條支撐。電機帶動(dòng)滾柱轉動(dòng),則固定在滾柱上的采用對稱(chēng)向北屋面大大增加。小齒輪使金屬條向上運動(dòng),撐起一端由鉸鏈固定的(2)溫室覆蓋材料透光率對溫室的光照總量有天窗中國煤化工反轉,則關(guān)閉天窗。著(zhù)重要影響,采有超長(cháng)塑料薄膜(陽(yáng)光穿透率85%)由于|YHCNMHGq阻力也大,故應選①收稿日期:2002.11.29作者簡(jiǎn)介:王振華(1953 - ).男,江蘇常熟人,江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系.高級講師。52較大功率的電機。如功率為550瓦,額定轉速棚的頂部。干凈的水(臟水需要二級甚至多級過(guò)濾)1400r/min,工作電流1.6A的JW7124電機。經(jīng)過(guò)過(guò)濾器(精濾)進(jìn)人水箱,經(jīng)高壓泵輸送到固定(2)外遮陽(yáng)機構的噴頭使之霧化,產(chǎn)生懸浮在空氣中的小霧滴。為為了在太陽(yáng)照射較強時(shí),溫室大棚內部的溫度防止噴頭堵塞,噴霧用水應保持十分純凈,過(guò)濾單位能保持在一定范圍內,使室內的所種植物不致因溫要達5pm。當溫室內溫度超過(guò)控制器事先設定的度過(guò)高而發(fā)育不良甚至枯死,溫室頂部設有遮陽(yáng)網(wǎng)。溫度值時(shí),控制系統自動(dòng)開(kāi)機噴霧降溫;溫度正常,遮陽(yáng)網(wǎng)采用鍍有金屬的塑料細繩編織而成，因為有該系統自動(dòng)關(guān)機。溫室內的溫度,通過(guò)溫度傳感器,金屬光澤,太陽(yáng)光的輻射熱會(huì )被反射回去,達到遮陽(yáng)在顯示器上顯示?？刂破饕部勺鞫〞r(shí)器,在一定時(shí)目的。遮陽(yáng)網(wǎng)的張開(kāi)與收攏,由電機牽引一個(gè)閉環(huán)間間隔內循環(huán)噴霧。的鋼絲繩實(shí)現。(2)熱風(fēng)機加熱系統(3)外側膜運動(dòng)機構溫室的保溫能力有限,天氣寒冷時(shí),需要外加的外側膜的主要目的是通風(fēng),使溫室內的空氣質(zhì)升溫裝置,用熱風(fēng)機加熱空氣保持室內溫度。熱風(fēng).量達到預定的要求。外側膜的升起與放下所用的機機的工作原理是,當環(huán)境溫度低于工控機所設溫度構比較簡(jiǎn)單,在它的底端因定--根鋼管,由電機帶動(dòng)值時(shí),熱風(fēng)機啟動(dòng),燃燒器將柴油高度霧化后,產(chǎn)生轉動(dòng)。電機與鋼管的連接采用蝸桿傳動(dòng),運行平穩高溫氣體,通過(guò)高效率的換熱器,把由風(fēng)機引人的空無(wú)噪聲。當電機轉動(dòng)時(shí),鋼管隨之轉動(dòng)卷起外側膜,氣充分加熱,產(chǎn)生的精潔高溫熱空氣通過(guò)出風(fēng)口送電機亦隨之上升,該電機應選用質(zhì)量輕、功率小的電人室內各處,同時(shí)換熱后的低溫煙氣通過(guò)煙囪排出機如YS6314/180W。室外。(4)內膜的展開(kāi)與收起(3)灌溉系統內膜的展開(kāi)與收起亦通過(guò)一個(gè)閉環(huán)的鋼絲牽引各種農作物對水的需求完全不同,并且毫無(wú)規而完成,內膜的一端固定在大棚的支架體上,電機轉律可循。各種作物對水的需求量的數據采集技術(shù)要動(dòng)使得鋼絲卷起，同時(shí)帶動(dòng)內膜的活動(dòng)端運動(dòng)。如求比較高,目前的技術(shù)力量還很難達到自動(dòng)控制灌向固定端運行,則內膜被折疊收縮,陽(yáng)光可直接照溉時(shí)間與灌溉量,只好人工定時(shí)灌溉。射，如遠離固定端(即電機反轉),則關(guān)上內膜，與外(4)氣象測試系統。界隔離。由于電機屬一帶二的工作,其負載較大,應影響植物生長(cháng)的主要因素是溫度、濕度、光照強選擇功率較大的電機，如型號為Y801-4,功率為度這三點(diǎn),其他的因素盡管有時(shí)會(huì )對植物生長(cháng)產(chǎn)生550W的電機。影響,但都是通過(guò)改變這三個(gè)要素而間接地影響植3、溫室內的特殊機構物的生長(cháng),因此,溫室控制的重點(diǎn)是對這三個(gè)參數值(1)微霧系統降溫機構的控制。微霧系統利用高壓噴霧解決炎熱季節溫室內的該系統主要由小型氣象站及其配套元件組成。降溫問(wèn)題。該系統通過(guò)高壓噴頭噴射出的冷霧降它包括風(fēng)力傳感器、風(fēng)向轉感器以及雨量桶,溫濕度溫,冷霧能快速蒸發(fā),且不浸濕地面。在室溫內試驗傳感器,光敏傳感器等。表明,該系統的使用能有效地降低溫室的溫度,改善二、控制部分作物的生長(cháng)環(huán)境。借助于先進(jìn)的工業(yè)設施技術(shù),控制作物生長(cháng)所高壓噴霧降溫也稱(chēng)冷霧降溫,是目前在溫室中需的部分和全部環(huán)境條件,并使其達到最優(yōu),以擺脫應用的較先進(jìn)的降溫方法。它的基本原理是普通的自然條件的限制，則各控制系統以及系統之間應相水經(jīng)過(guò)系統自身配備過(guò)濾系統后,進(jìn)入高壓泵,水在互配合來(lái)實(shí)現,如圖一所示。很高的壓力(4MPa以上)下,通過(guò)管路,流過(guò)孔徑非1、電控柜內控制電路常小的噴嘴(直徑為15pm) ,形成直徑為20μm以下電控柜內的電路由主回路與控制回路兩部分組的細霧滴,霧滴彌溫整個(gè)溫室與空氣混合,利用水的成。主回路向電動(dòng)機,微霧系統,熱風(fēng)機等負載供蒸發(fā)潛熱特點(diǎn),大量吸收空氣中的熱量,從而達到降電。中國煤化工路，分為自動(dòng)控制回溫的目的。路和;中手動(dòng)控制回路是降溫系統包含水源部分和噴霧部分。水源部分為了:CH.C NM HG現故障),能夠人為由水箱、過(guò)濾器、高壓泵、管路、控制器組成;噴霧部地調節溫室內各機構與設備的狀態(tài),以免溫室環(huán)境分由冷霧噴頭和管路組成,噴頭排成- - 線(xiàn)安裝在大的失常而影響農作物的生長(cháng)。53溫室控制系統光照控制溫度控制濕度控制作物澆灌數據采集控子系統控制子系統制子系統|屋室傳頂|熱氣風(fēng)溉|象|賓據|循|循系|噴|陽(yáng)溫.淋||外統統|監遞|系系|統充圖一控制 系統的組成自動(dòng)控制回路由工控機控制,溫室運行后主要三、智能控制部分利用自動(dòng)回路來(lái)工作。由于應用了農業(yè)知識到模糊1.硬件方面控制理論算法,計算機可以智能地分析采集來(lái)的溫、(1)控制系統的硬件設計濕度、風(fēng)向、雨量等數據,以決定驅動(dòng)哪些機構與裝在控制系統的硬件設計中,對PLC控制方案、置。電路的原理比較簡(jiǎn)單,主要是利用接觸器控制工控機控制方案和單片機控制方案進(jìn)行了比較,本電路的通斷。其中采用了互鎖技術(shù)保護電機,使用系統采用工控機控制方案,這種方案有如下優(yōu)點(diǎn):了錯像保護裝置,防止因相位接錯而損壞電器件。.經(jīng)濟效益高，價(jià)格低廉。.2、數據收集與數據處理部分●采用自動(dòng)/手動(dòng)切換方式, 系統操作靈活,便于手動(dòng)控制系統的工作過(guò)程是隨機的。它對數據摸索溫度系統的最佳控制方案。的采集是靠人的各種觀(guān)測來(lái)獲取,其中包括人眼、手●控制軟件人機交互界面友好。的獲得和各種儀器的測量。而手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制更是無(wú)●便于分別處理故障點(diǎn),有利于以后的維護工規律可循,但是控制過(guò)程卻是一個(gè)有規律的閉環(huán)系作。統,如圖二所示。(2)工控機控制方案數據.|數據I信號II接觸器A/D數據采集卡插在工控機擴展ISA插櫝內，采集l傳輸接收I|接收通過(guò)數據線(xiàn)與工業(yè)用繼電器輸出板卡、端子板卡連接在一起。A/D數據采集卡的數據來(lái)源由放置于溫度A、B兩倉內的溫、濕度傳感器和溫室外的氣象限位開(kāi)機構|電機關(guān)動(dòng)作動(dòng)作J運轉]站。其中氣象站有溫度、濕度、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向及日照等六路模擬信號輸出,各傳感器與氣象站的模擬圖二手動(dòng)控制過(guò)程輸出信號為4-20毫安的電流信號,各傳感器與氣對于智能溫室控制系統，無(wú)人控制是其特象站均串接1千歐的電阻，將電流信號轉化為5伏點(diǎn)。因此,采用工控機、傳感器等就形成了科學(xué)的以?xún)鹊碾妷盒盘査腿薃/D板。閉環(huán)控制系統,如圖三所示。(3)工控機等硬件的選型為完成溫室的控制任務(wù),工控機可配置傳感器信山信號 I計算機指令信433MHZ的CPU,64M內存,10G硬盤(pán),板卡可選用號采集1 發(fā)送處理信號號傳輸.臺灣研華公司的PCL818L 型多功能DAS卡，PCL中國煤化工:LD8115型端子卡。電控柜I繼電器接由于YHCNMH字量輸出,這樣就省動(dòng)作受信號去了專(zhuān)用的數字量輸出卡。2、軟件系統的開(kāi)發(fā)圖三自動(dòng)控制過(guò)程(1)控制系統的軟件開(kāi)發(fā)方方數據溫室小氣候環(huán)境由于其本身的復雜性和外界大AUTHORWARE5.0生成可執行文件，并由MOD-氣候強影響,要使得自控系統將其控制到一定的指ULE- SYSTEM中的SUB- MAIN調用。FORM標上存在一定的難度。但由于溫室內作物對于各種MAIN主要負責控制主界面的形象動(dòng)作部分,自動(dòng)參數變化不是很敏感,因此,將各個(gè)強耦合系統進(jìn)行控制算法部分,氣候數據采集與執行機構控制部分。一定的分解處理,設計成溫室氣候控制軟件模塊。溫室運行數據庫的維護部分分布于FORM-CAN-溫室軟件模塊中,總控系統由兩大部分組成:主體系SHU與FORM - MAIN之中，FORM - MODITY統和輔助系統。并采用組態(tài)進(jìn)行軟件的設計,其優(yōu)與FORM - PASSWORD負責軟件的安全部分。點(diǎn)有:FORM - TONGJI, FORM - GRAPH與FORM一各功能模塊分別設計,簡(jiǎn)化了軟件設計的復雜CHOICE完成相關(guān)數據圖表顯示與報表打印的功性,又保證其可靠性;便于控制系統軟件參數調試、能。MODULE - USER與MODULE - SYSTEM中調整和功能模塊的測試;有利于摸清其最佳的控制的內容是軟件中的變量、函數、子程序的說(shuō)明。板卡規律;通過(guò)添加和卸除功能模塊來(lái)調試運行過(guò)程中的驅動(dòng)程序說(shuō)明置于MOULE-DRIVER中。出現的異?，F象,便于設備維護。軟件啟動(dòng)后,首先出現介紹溫室的演示畫(huà)面,之(2)控制軟件的組成后出現系統登錄密碼輸人框，密碼輸人正確后出現本控制方案選用VISUALBASIC6.0編寫(xiě)控制運行主界面。在主界面的菜單欄中可以選擇調用參軟件。VISUAL BASIC作為工業(yè)領(lǐng)域通用的編程數設置,修改密碼,圖表顯示與數據查詢(xún)等各功能窗工具,功能強大易學(xué)易用，編寫(xiě)WINDOWS環(huán)境下口,在主窗口中的代碼段中設置系統記數器,定時(shí)對應用程序十分簡(jiǎn)單。各氣象數據采樣濾波,并更新氣象數據庫中的內容,本軟件的邏輯組成可分為如下幾個(gè)部分:由算法輸出控制信號實(shí)現對各機構的動(dòng)作控制?！襁M(jìn)入系統前的動(dòng)畫(huà)演示部分。[參考文獻]●控制主界面的形象動(dòng)作部分。[1]李萍萍、毛罕罕.我國溫室生產(chǎn)的現狀及待.自動(dòng)控制算法部分。研究的技術(shù)問(wèn)題探討[J],農業(yè)機械學(xué)報,27卷3.氣候數據采集與執行機構控制部分。期,1996..溫室運行數據庫的維護部分。[2]滎樂(lè ).第二次綠色革命--21世紀的農業(yè)●相關(guān)數據圖表顯示與報表打印部分。[M].北京:科技文獻出版社, 1995..軟件安全部分。[3]王立新.自適應模糊系統與控制[M].北.軟件的具體組成有:FORM - 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