智能溫室控制系統的研究與開發

高尚　陳景波

摘要：我國計算機在農業中的發展應用較為落后，溫室控制系統存在很大的不足，在社會經濟和科學技術不斷發展的過程中，智能溫室控制控制系統成為未來的主要發展趨勢。文章主要闡述了智能溫室控制系統多因素變量的控制關系及理論，論述了智能溫室系統總體架構設計，最后總結了智能溫室系統軟件設計，以期開發出操作簡便、穩定可靠的智能溫室控制系統，為相關研究提供參考意見。

關鍵詞：智能溫室控制系統；西門子PLC；人機交互；軟件設計；總體架構 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP29 文章編號：1009-2374（2015）04-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0290

農業作為我國發展的支柱性產業，實現農業現代化生產是我國發展的重要目標之一，近年來，基于自動化技術及計算機基礎而形成的智能溫室控制系統越來越受到人們的重視，對傳統的溫室進行智能化改造具有非常重要的意義，可以實現農業的準確管理。本研究中智能溫室控制系統融合了傳感技術、通訊技術、組態技術等多種技術，在西門子PLC人機交互結構模式的基礎上，對室內環境中的各個因子進行調控，達到溫室控制系統的需求，提高農業生產的經濟效益。

1 智能溫室控制系統多因素變量分析

1.1 多變量因素控制關系

日照、水分、CO2及溫度等因素都會影響溫室環境，不同因素的影響程度各不相同，但這些因素之間也存在一定的聯系，在控制溫室環境的過程中，只要把握好關鍵要素就能有效地達到系統的控制要求。智能溫室控制系統涉及到多種設備及環境因子，是一個相對復雜的對應關系，在實際控制過程中一定要找準重點決定因素，將其作為切入點，綜合考慮成本投入及控制效益，為作物的生長提供一個良好的溫室環境。

1.2 多變量控制系統理論

由于作物生長對溫室環境的要求沒有明確的限定，因此在研究和開發智能溫室控制系統時，只需考慮系統的可行性及可控制性即可，傳統以PID控制技術為主的控制系統對參數設定的要求較為嚴格，逐漸被模糊控制所替代，在過程控制中發揮著重要作用。本文主要采用模糊推理方法對研究智能溫室控制系統進行設計，形成加熱和通風系統，對溫室環境中的濕度、溫度進行轉化，構建同溫室控制系統對應的數學模型，但由于溫室環境因子間的互相作用，在系統設計時，應提高對系統魯棒性的重視。

2 智能溫室系統總體架構設計

為了滿足溫室控制要求，溫室內設置了天窗、灌溉系統、補光系統、濕簾系統、風機及遮陽系統從多方面對環境進行調節。參考智能溫室控制系統功能需求，以西門子PLC下位機和上位機的人機交互結構模式為基礎，對系統方案進行設計，從而調節溫室內部的環境因子。自動控制、遠程手動控制及現場手動控制是構成智能溫室控制系統的主要部分。

基于西門子PLC結構基礎的控制系統，在操作過程中先對溫室參數數據進行初始化處理，在寄存器中儲存不同環境因子的限值，搜集實際溫室環境中的因子，并將這些數據作為PLC自動控制程序執行及上位機組態顯示的依據。在PLC自動控制狀態下，控制系統能夠對比分析實際環境因子與系統中已儲存的各項參數，在PLC輸出方式下利用對比結果完成相關的控制操作，改善溫室環境；在現場手控狀態下，可以結合實際環境狀況，運行執行機構；而在遠程控制狀態下，也可以對執行機構進行調控，但需要在控制室中進行。

2.1 上位機系統設計方案

智能溫室控制系統的上位機系統采用的控制方式為西門子和組態王在PC機上進行連接，其中遠程控制系統界面、報警系統主機操作界面、趨勢曲線顯示畫面、報表系統界面及遠程監控畫面共同構成了組態王監控

系統。

在對溫室內環境進行控制的過程中，借助遠程監控界面，用戶能夠在監控室內掌握多種設備的運行狀況，根據需要采取相應的停止或啟動措施，并在遠程控制系統主機圖像界面下實現對系統的自動或手動切換功能，發揮遠程控制的作用。在報警系統的實時監控下，可以提醒用戶對超過參數設置值的一些環境因子進行調節，保證各項環境因子保持在合理范圍。此外，利用歷史數據輸出表、日報表及實時報表，可以更加清楚地了解溫室環境在過去或當前時刻的各項數據信息，為分析和決策提供數據參考，有利于達到溫室環境控制方案的最

優化。

2.2 下位機系統設計方案

西門子PLC控制器、傳感器、執行機構是構成下位機系統的主要元件，智能溫室中的下位機系統能夠同上位機PC相脫離，也可以同上位機進行聯機工作。在聯機工作狀態下，利用西門子PLC總線能夠將下位機信號傳送至上位機，在讀取這些信號后將控制功能同監視功能綜合起來，進行遠程控制操作，可以使下位機發揮更大的作用；而在單獨工作狀態下，西門子PLC通過對不同功能模塊及輸入端的信號掃描，對比實際環境中各項環境因子同標準參數的差距，由執行機構進一步做出相應的調整。

3 智能溫室系統軟件設計

3.1 溫室系統上位機軟件設計

溫室系統上位機的控制和監視系統包括組態王、PC機，一方面保證了系統具備數據查詢/處理、環境參數儲存、參數控制、數據/曲線顯示、通訊及系統控制等功能；另一方面也符合上位機的控制條件。

登錄、遠程控制、歷史曲線、報警系統、實時曲線、日報表和退出等操作按鈕共同構成了智能溫室控制系統的主設計畫面，能夠便于用戶更加清楚、直觀地進行操作。運行智能控制系統的過程中，登錄系統進入控制界面后，可以根據實際需求按下相關操作按鈕，對溫室環境因子進行操作或查看，為了進一步方便管理，還能夠對按鈕功能權限進行劃分，由特定的工作人員進入相應的操作界面。

3.2 溫室系統下位機軟件設計

智能溫室系統下位機軟件可以針對日照、水分、CO2及溫度等因素進行實際值同參數值的對比分析，根據分析結果設計針對性的操作方案。在實現智能溫室控制條件的過程中，西門子PLC控制系統程序能夠切換自動或手動控制，處于自動控制下的系統程序將實際采集數據為根本，對比參數設定值來執行自動化操作，而手動控制下，外界環境因素不會對系統操作產生干擾，只結合需求進行手動化操作。以需求為標準，可以將智能溫室控制系統程序劃分為執行機構輸出控制程序、環境因素判斷程序、溫度參數采集程序及數據初始化程序等多項程序，這些程序共同構建了功能齊全、性能穩定、操作簡便的智能溫室控制系統。

4 結語

我國對溫室控制系統的研究相對落后，而智能溫室控制系統的研發對我國農業生產方式的集約化和高效化發展有著非常重要的意義。基于溫室環境多變量控制關系及系統理論，在西門子PLC下位機和上位機的人機交互模式下，能夠有效地彌補傳統溫室控制系統的不足，實現了環境因素采集、判斷分析、數據初始化及控制輸出的自動化，完善了數據記錄、遠程控制和環境因素控制等功能，達到溫室控制系統的需求。

參考文獻

[1] 李善軍，張衍林，艾平，翟紅.溫室環境自動控制技術研究應用現狀及發展趨勢[J].農業工程技術（溫室園藝），2008，（2）.

[2] 高建平，趙龍慶.溫室計算機控制與管理技術的發展概況及在我國的應用前景[J].計算機與農業（綜合版），2003，（2）.

[3] 宋永飛.基于PLC和組態思想的智能溫室控制系統

[J].工業控制計算機，2009，（1）.

[4] 楊文選，王琎.溫室環境智能控制系統的研究[J].農機化研究，2006，（8）.

[5] 汪永斌，呂昂，孫榮高，等.溫室群全數字式溫度和濕度綜合控制系統[J].農業機械學報，2002，（5）.

作者簡介：高尚（1993-），男，江蘇宿遷人，南京農業大學本科學生，研究方向：溫室數據監測與控制。

（責任編輯：周 瓊）