人工氣候室控制系統設計

何錫武

(武漢城市職業學院，湖北 武漢 430064)

0引言

人工氣候室是通過控制技術實現局部環境控制實現特殊的環境要求，是現代生物和農業研究的重要設備。它對溫度、濕度和光照強度的控制要求很高。首先，要像普通恒溫、恒濕實驗室一樣，能將室內溫濕度精確地控制在設定值附近，對溫度控制精度要求達到正負1 ℃。其次，要求溫度、濕度和光照強度能按設定的變化規律自動改變，最短變化時間為1 h，以1 d或若干天為周期，可以循環地變化。近年來，人工氣候室在我國也得到了發展。但是隨著各科研生產領域對人工環境要求的提高，現有的人工氣候室在某些方面還不能適應使用需求，如我國雜交水稻之父袁隆平先生在湖南建立了第一個國產的自動化程度較高的人工氣候室，但只有溫度實現了自動控制，且控制精度達不到正負1 ℃，濕度和光照強度仍采用人工控制。

近年來，由于發光二極管等電子技術的高速發展以及成本的不斷降低，LED光源已成功用于植物光源領域，并取得了重要進展。與此同時，營養液系統、智能控制系統(溫濕度控制系統和CO2控制系統等)以及物聯網智能監控網絡都得到了一定的發展。楊其長等人進行了人工光型密閉式植物人工氣候及其環境控制系統試驗裝置的研發，成功地研發出了能實現溫度、濕度、CO2濃度、光照和營養液等因子綜合調控的密閉式植物工廠試驗系統，開發出國內第1批用于育苗的紅藍LED光環境調控裝置，其發光強度、紅藍光比例和光周期可任意調整，并進行了人工光與自然光環境下的作物栽培與育苗試驗，為植物人工氣候室的進一步研究提供了重要的試驗依據。但是，各項被控制環境參數還需要認為修改，自動化程度不高。在此背景下，研制高性能的新一代人工氣候室成為必然。

1系統技術分析

本項目研究的目標是完成實際工程樣機的改進。要完成樣機的改進研究，所采用的技術路線是在現有樣機的基礎上，通過進一步調研明確用戶需求，吸取國內外同類研究的先進成果，克服現有研究的技術缺陷，優化和完善軟硬件設計，經過不斷地試驗測試和改進，使系統性能達到合理指標。針對不同的研究內容采取不同的研究方法。

1.1降低能耗

降低設備運行成本主要通過以下2個方向。一是探索使用材料，降低植物工廠成本。利用可回收利用材料進行植物工廠新型材料的研究與開發，不但可以降低植物工廠成本，還可以保護環境，促進可持續發展。利于太陽能或者其它自然能源，降低運行能耗及環境污染。通過安裝水培系統投放最合適的液體肥料，還可以通過內部安裝水處理設備進行水的循環利用，節約用水。以LED等節能光照設備進行人工補光促進作物的光合作用。二是通過軟件設計實現節能控制策略。在合適季節和晚間閉光時段，根據植物特性，充分利用自然資源和循環風機作用來保障環境需求，減少設備能耗。以上措施既可以降低能源消耗，又可以準確調節植物生長。

1.2提高控制精度

對于溫濕度控制精度提高則需要通過理論分析和系統仿真，對比不同控制算法的控制效果，然后在理論分析的指導下，優化改進硬件配置，然后通過軟件設計實現最優算法，達到提高溫濕度控制進度的目標。

1.3提高使用性能

對專家系統的引入首先要充分吸收生物專家的知識，建立合理的控制目標曲線專家數據庫。通過控制系統的數據提取技術，根據專家數據曲線長時間變更系統設置，實現專家系統在控制系統中的實現。在此基礎上拓展專家數據庫的內容，涵蓋更多生物品種需求。

對遙控技術則是利用現有成熟技術，采用既有的無線通信技術實現遙測遙控。未來，人們只需要進入到智能控制系統，就可以通過物聯網遠程監控技術觀察和控制作物生產，使作物生產完全智能化。

1.4研究設計目標

本課題研究目標是研制新一代智能型人工氣候室樣機，在解決目前存在主要問題的基礎上，使性能更加完善，使用更加方便，引入物聯網和數據上云技術，使系統的控制數據能夠廣域無線發布，達到遙控管理的目的。通過控制技術實現對室內環境的自動調節，模擬自然環境環境，在溫度、濕度、光照度，營養液澆灌等技術指標上滿足生物工程、現代農業等相關領域的科研和實驗要求。

2控制系統機構和功能

控制系統有PLC及上位機觸摸屏構成。包含有光照系統，溫度系統和新風系統等部分。系統通過傳感器讀取環境數據，根據設設置要求進行控制。通過日出日落的時間設定啟停光照亮度和色溫配比實現光照控制。通過啟動加熱或空調制冷實現溫度控制。通過換向閥和換風風機實現新風CO2濃度控制。通過微量泵和電磁閥控制土壤濕度。通過系統網管模塊實現數據上云和遠程控制。

圖1控制系統框圖

系統軟件設計上除實現上述控制功能外，還增加了系統異常報警、用戶密碼和權限管理及手動自動切換等功能，保障系統使用可靠安全。報警設提示報警和保護報警兩級。被控參數到達提示報警，系統發出報警鈴聲，被控參數超過保護報警，無論在手動還是自動運行狀態，系統都會切斷電源，并發出報警鈴聲，并通過網關將報警信號發送到移動終端。用戶權限分操作員、管理員和工程師3級。操作員只具有操作權限，管理員擁有參數設置權限。工程師可進行系統運行流程的修改。

圖2用戶操作界面

3系統控制關鍵技術

3.1長時間溫度曲線設置

溫度控制是人工氣候室的最主要功能之一。現有人工氣候室都具有溫度設置功能。但植物最優生長溫度不是恒定的，需要根據不同生長時期做出修改。如出牙期、瓜果期或成熟期都有些許波動，使用者需要按天設置不同的溫度。傳統的氣候室大多只能設置一個溫度，溫度變化需要人工更改設置，造成使用麻煩，有時因遺忘更改而造成失誤。因此本設計特別設計了長時間溫度曲線設置功能。

長時間溫度曲線設置是通過上位組態軟件的配方功能實現的。用戶先根據所研究植物特性將生長溫度曲線做成二維表格。時間軸為日期，縱軸為每日溫度。將列表數據在上位機組態軟件中以配方策略編輯配方保存備用。

圖3配方編輯及數據錄入界面

在組態軟件的運行策略中增加策略行3行，一行添加腳本程序構建，打開腳本程序編輯界面，編寫腳本程序，提取內部變量%data字符串中的時間值，通過函數變換將字符串轉換成數據量，當日期變量中的時間值達到更換溫度設置時間時設置啟動變換開關k=1，作為讀取裝載配方數據的條件。另兩行策略行添加配方數據裝載腳本，讀取配方變量數據到溫度設置變量中。當k=1時，按配方編號讀取裝載配方數據，并將編號加1處理，這樣循環則系統溫度設置就會按預先設定曲線變化。這樣只要提前將溫度曲線編入配方中，系統就會按給定曲線控制環境溫度。另一行策略執行條件為k=2，其執行的條件是任意時候由手動按鈕實現裝載指定編號數據。

圖4策略數據調用

圖5程序框圖

3.2光照控制及日光模擬

3.2.1 光源配置情況及要求

人工氣候室光源主要作為植物光照的光源，其特點要符合太陽陽光色譜，滿足基本照度。特殊情況下還需要能夠調整光源色溫。整個光源分2部分，一是調色光源，包括頂部15個燈，可以設定啟停時間點。15個燈的起停時間，整體同步。其中6個400 W鈉燈分為3組，每組可以手動起停。9個150 W LED燈分為3組，每組可以手動起停。二是背景光，主要起強度作用。包含6個培養架子共105根燈管，每個功率14～16 W。整體控制開關及。其光源配置與分組情況如表1。

表1 光源配置及分組

3.2.2 日出日落時間的模擬

植物的光合作用也是需要分晝夜的，所以人工氣候室需要能人工模擬日出日落的自然規律。與自然環境不同的是要能夠實現光照時間、光照強度、光照色譜的控制，以便于使用者對植物生長規律的研究。手動控制模式下，可以按組分別啟停相應光源。在自動模式下，光照強度和色譜可以在事前由使用者調配好，進入啟用組，然后由時間控制來確定啟動光源。所以時間控制是模擬自然光照的關鍵。系統操作界面如圖6。

圖6光源控制界面

時間控制的實現方式是由界面設置輸入日出日落時間，設置變量為數據格式。系統獲取內部時間變量的字符串格式，經函數變換為數據格式后，與設置變量比較，數據在日出時間和日落時間之間，則開啟光源。根據植物研究專家建議，光源開啟時間在1 d內可以最多分成3個時間段。為了避免大功率光源啟動帶來的電網沖擊，系統設置了分組逐級啟動的模式。其程序實現邏輯框圖如圖7。

圖7光源控制程序框圖

3.3雙源溫度系統的雙位控制

環境溫度控制的進度不高，誤差在一度以內就能接收。其最佳方案是雙位控制。這控制算法簡單，不需要模擬調節器件硬件開銷最小，也能滿足環境溫度控制的要求。針對系統需要冷熱雙源來保證環境溫度穩定，特別設計了加熱功率按3位421編碼，冷源按21編碼的雙源雙位控制策略。通過算法計算，系統能在一個調節周期內自動找到與外環境最佳匹配的加熱或制冷功率。系統控制參數能接近PID調節效果，使被控溫度穩態波動更加穩定，電氣雙位啟停對系統沖擊最小。

3.4系統遠程測控

本方案的最大亮點之一是實現數據的網絡化和遠程操控。分別采用有線和無線兩種技術途徑實現系統數據的網絡化遠程操控。其中有線數據網絡化的實現是在控制盤觸摸屏界面組態中添加ModBus TCP轉發設備構建。在轉發設備中添加所需要的數據通道，鏈接相應變量實現數據轉發。在上位機上安裝MCGS網絡版軟件。其硬件組態需安裝標準接收從控制端轉發來的數據，組態相應控制界面即可。這樣在任何聯網地點，只要訪問上位機IP地址，即可得到與上位機相同的操作界面(首次訪問會有插件安裝)。無線數據上網是通過無線網關，將PLC數據上傳到企業的數據云平臺。用戶在任何地方通過移動端訪問該企業的數據平臺實現遠程操控。

圖8端添加數據轉發設備和移動端APP

4結語

人工氣候室系統是現代生物和農業技術研究的重要裝備。在相關領域已得到廣泛應用。現有設備都會存在不同生物問題。比較典型困難的是長時間溫度曲線的設置和遠程操控。本文根據實際使用需求，利用組態軟件的配方功能，有限實現了長時間溫度曲線的設置問題。通過有代和無線兩種技術途徑，實現了設備的遠距離監視操控，使設備的使用更加方便使用。按編碼的雙源溫度控制設計，使系統控制簡單，硬件制造成本大大降低。系統在華中農業大學人工氣候室得到長時間應用驗證，其溫度控制進度在0.5 ℃。特別是關照時段的任意設置及光照色譜的調節，為生物光反應研究提供了有效的技術手段。對夏日室外溫度特別高的特殊時間，將日出日落時間與自然時間顛倒設置，可以有效利用晝夜溫差，起到很好的節能效果，得到試用者高度肯定。