分布式温室控制系统
分布式温室控制系统
摘要
针对农业环境自动化控制的需要，研制了“分布式智能型温室计算机控制系统”。该系统体系结构为中心计算机和单片机智能控制仪的主从式结构，系统采用实时多任务操作系统和农业温室专家系统的人工智能技术，对温室内外环境因子进行实时监测和智能化决策调节，为农作物创造最优化的生长条件。实时多任务系统使系统的通信，环境参数采集，控制可以同时进行：由于现场情况的复杂性和多变性，依靠精确数学模型的传统控制已经无法很好地解决问题，因此，本系统采用存储大量现场经验和知识的专家系统来达到控制的目的。采用专家系统从理论上去验证和分析系统，保证了系统运行的稳定性和可扩展性，降低了开发难度。系统硬件主要由环境因子实时监测模块、智能决策模块组成。软件部分采用组态方式实现，包括数据库管理模块、人工控制模块等几部分构成，具有操作简便，可靠性高，便于升级扩充等特点，已实现产品化。本系统软件采用组态方式实现，文中介绍了如何利用来实现用于工业控制系统的组态软件。传统的面向对象的设计思想已经难以适应现在的分布式软件模型的要求，组件化的程序设计思想是为了提高软件的可重用洼，可扩展性而出现的。组态软件则是为了满足控制系统现场情况的多变性而出现的。为了提高软件的可重用性．减少控制软件设计中的重复劳动，所以控制软件设计成为组态方式成为一种趋势。利用的思想，采取模块包装的方式来实
现组态软件使得这样的软件能够直用于不同的控制系统。
关键词：温室专家系统人工智能组态软件单片机
１绪论
二十一世纪是生命科学的世纪。加强以现代农业生物技术为主体的农业高科技的研究与开发，是下个世纪我国农业领域能否掌握科技进步主动权的关键。发展农业高科技产业是促进我国农业高科技研究开发及其与经济建设紧密结合的重要途径。温室设旌的自动检测和控制技术能为作物创造良好的生长环境，同时温室内的高温、高湿作业环境，又需要作业的自动化技术。随着温室面积的扩大以及自动化装备的应用，如何进行温室的群管理，以降低运行成本、提高效率、实现环境的精确控制成为目前研究的关键问题。针对温室环境的自动控制技术、智能管理技术、温室群管理技术正在逐步得到应用，并正向无人化方向发展。．从计算机局域网到互联网，已形成了世界X围的计算机网络。由于信启．资源量大、更新传递速度快、遍及世界各地等特点，近年来它的应用取得了飞速的进展，同时在农业领域的应用也越来越广泛。近几年来，随着低价格、高性能计算机的普及应用以及计算机网络的低价格和高速度，人们在寻求将温室的计算机检测控制信息形成网络化，利用网络的优势来实现温室群的高效率栽培管理，环境控制的精确化、节能化以及设备成本的降低。本文主要介绍并分析远程分布式控制系统设计技术在温室环境控制上的应用。
国外研究现状
温室设施使用基于internet的远程控制技术可实现设施环境检测
和控制，即在远离温室现场的场所，通过网络进行温室设施的温度、湿度等设施环境的确认．也可以变更加温器等环境控制没各的设定值。在发生异常情况时．可以自动通报到牛产者的或者传呼机上，远程进行紧急处置。使用该技术主要有以下的优点：１）可以利用网络的高效率管理，实现分敞控制功能，使坏境均匀化、节能．实现精确控制。２）降低设备成本，节省人力。３）实现温室的群管理。日本的四国电力集团丌发了“OPENPLANET（简称OP）”这一适合于双方向的远程监视控制系统。陔系统主要由检测控制用ＬＡＮ、信息采集单元、数据记录单元、分散控制器、ＯＰ服务器计算机等组成。由软件编程做成的模拟实物机器的“虚拟机ＶＭ”，可以在网络间任意传送。用ＰＣ机或ＰＤＡ及移动可以把这个“虚拟机”呼出来进行操作。OPENPLANET技术让“无论何地，分昼夜，只要机网相联，便能遥控自如”的构想变为方便易行的现实。该系统可以实现温室的群管理。结合人工智能及其专家系统领域的研究优势．采用中央控制计算机与单片机智能控制器的主从式体系结构，实时多任务操作系统和农业温室专家系统，研制了了这套分布式智能型温室控制系统。系统对温度，湿度．光照等环境因子实行实时控制．多任务的控制方式提高了温室系统的灵活性，高精度传感器保证了控制精度；分布式体系结构使得控制部分与温室部分可以分离丌宋，两者通过一根总线进行多讥通信，降低了通信成本，使得系统能够很方便的实现远程自动控制或昔手动控制。
１．系统软件采用组态化设计。
由于控制方式的多样性以及温室数目，温室设备种类的变化，对温室控制软件有着更好的要求，即要求它能根据不同的场合进行软Ｐ旧ｌ态。组件化程序设计方法强调真正的软件重用和高度的互操作性．它侧重于组件的产生和装配，这样使得系统能够满足不同的现场状况，可以根据不同的项目束预制软件，大大提高了软件开发的重用性。
２．温室控制系统的特点及结构
２．１智能温室控制系统的特点智能温室控制主要是根据外界环境的温度、湿度、光照以及胍速、风向、雨量等气候因子，基于温室专家系统和用户参数设定，通过一些控制措施米调节温室内的温度、湿度、通风、光照等环境因子，创造出适合作物生长的合适温室生态环境（该环境是按不同作物生长的要求进行统筹优化后制定的），即根据作物不同生长阶段的需求制定出检测标准，通过对温室环境的实时检测，将测得参数进行比较后自动调整温室各个控制设各状态，以使各项环境因子符合既定要求。目前对温室环境控制主要采用两种方式：单因子控制和多因子综合控制。（１）单因子控制是相对简单的控制技术，在控制过程中只对某一要素进行控制，不考虑其它要素的影响和变化（２）多因子综合控制也称复合控制，可不同程度弥补单因子控制的缺陷。该种控制方法根据作物对备种环境要素的配合关系，当某一种要素发生变化刑，其它要素自动做出相应改变和调整，能更好地优化环境组合条件．是温室控制技术的主要发展方向。由于控制方式的多样性以及温室数目，温室设备种类的变化．对温室控制软件有着更好
的要求，即要求它能根据不同的场合进行软件组态。能够把大部分的开发工作集中在用户提出项目需求之前进行，这样可以保证用户提出需求或者调整需求后迅速生成或者改动系统。通过组态系统的实现．可以降低项目承接后的软件开发工作量，可以利用更多的时间对系统的稳定性进行测试以及软件的易用性进行改进。
２．２温室控制系统的总体架构及各部分功能按照系统要达到的控制目的，温室控制系统是由四个部分组成：１）信号采集输入部分：包括温度、湿度、光照、风速、风向、雨量等环境因子的捡测：2）信号转换与处理部分：将采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的量，并由汁算机进行相关处理；3）输出及控制部分：控截风机湿帘、遮阳网、窗的丌关等系统。４）灌溉控制：包括定时灌溉，时间由控制室调整制定．并可根据实际情况．
在温室内进行手动控制灌溉系统的各个部分功能和关系如下：
１）计算机为管理机，完成参数设置、数据存储、处理及管理功能。２）每个温室具有灌溉控制和气侯控制２个从机。３）从机为控制机，采用单片机系统，直接实现各个模块的控制功能，并能在主机关机的条件下实现所有的控制功能。４）串行通信采用ＲＳ一４８５接口实现一对多通信，主要是主机向从机发送控制参数，从机将现场采集数据传给主机。５）数据采集实现对传感器及运行设备的检测。６）控制器及其设备根据系统输出的信号对现场设备进行控制。输入输出部分包括输入模块和输出模块，输入模块将采集的信号转换后输入到从机．输出模块将系统的控制信号输出到控制器及其设备部分。
系统组成及硬件实现过去温室计算机控制系统基本上采用了主机一终端模式（Ｈｏｓｔ—ＴｅｒｍｉｎａｌＭｏｄｅ），该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其它各子系统进行控制管理，该种模式不灵活，且投入较大。我们的温室控制系统由中心计算机和单片机控制仪组成，一台计算机与多台单片机进行实时通汛，用户通过上位机对温室进行监控以及控制。计算机与控制仪之间采用ＲＳ４８５总线连接方式，这种连接方式使得数据传输准确，快速。目前分布式系统是计算机控制系统的主要发展方向，该控制系统采用了所ｉ胃服务器一客户模式。所谓分布式系统是指在整个系统中不存在一个所谓的中心处理系统，而是由许多分布在各温室中的可编程控制器组成，每一个控制器连接到中心监控计算机上。由每个子处理器处理所采集的资料并进行实时控制，而由主处理器存储和显示子处理器传送来的资料，主处理器可以向每个子处理器发送控制设定值和其它控制参数。
本系统采用了分布式的体系结构，采用一台计算机控制多台控制仪，系统之间通过串口总线进行通信。计算机通过与控制仪通信获取温室环境数据，通过计算机软件里面预制的专家系统对温室进行实时多任务控制。专家系统包含了温室模糊控制算法，ＰＩＤ调节算法，经验系数等数据。每一个控制仪控制一个温室，控制仪主要负责数据采集和现场调节等功能。控制仪包含了采集，控制等电路，采用微控制器实现，而且外扩的键盘和ＬＣＤ使得可以在现场直接观测系统运行状况，并且做出适当的调节。控制仪外扩存储器，可以储存运行参
数及保存历史数据，使得控制仪可以独立于计算机工作以及针对历史数据进’亍相应的系统调整，数据查错等处理。
总结
本文采用了实时多任务操作系统和温室专家系统人工智能技术。实时多任务操作系统使得系统的多个决策可以并行的运行，提高了系统的运行效率和反应速度；存储大量现场经验和知识的温室专家系统的采用保证了系统运行的实用性，可靠性；软件组态的方式可以让软件适用于各种不同的温室系统中，减少了重复编码工作，提高了软件开发的效率。温室控制系统使用了一台微机作监控服务器，多台由单片机为核心的温室智能控制器分别控制多个温室。使用语言开发了控制器Ｃ５Ｉ软件和通信程序，监控服务器监控软件是在Ｗｉｎｄｏｗｓｘｐ环境下、ＶｉｓｕａｌＣ．＋６．０平台上开发的，通信程序使用Ｍｓｃｏｍｍ控件编写，最终灵活地实现了周期性数据采集和非周期性人工干预两种通信方式的完美结合，通信效果相当理想，整个控制系统的控制效果也达到了预期效果。
建议
１）分布式系统是一个开放式的系统，必须随着技术的发展不断前进，即系统模型需要演进；
２）智能传感器的改进：目前系统使用的传感器已经能够满足设计温室控制的需要，为了能够对温室进行更加精确的控制，进一步提高传感器的精度和稳定性是很有必要的了；
３）丰富上位机的管理功能：由于实际应用的要求，目前的管理软件
的功能主要是数据的采集，同济以及温度管理等与温湿度环境参数控制，随着控制设备的增多，还需鉴根据用户的要求进一步完善；４）不断完善控制策略，不断将专家的管理经验加入到控制策略中来。以便于在条件成熟的情况下，引入专家系统等智能控制模式，为益发展的工厂化农业提供高精度的控制策略：
５）按照专、１２要求完善通讯协议，使得它可以完成信息的传递。根据本专业的要求，我们需要的通讯约定是确定的。有了标准的通讯协议，上下位机的开发就能更加独立。