河南農(nóng)業(yè)科學(xué) Journal of Henan Agricultural Sciences ISSN 1004 3268 CN 41 1092 S 河南農(nóng)業(yè)科學(xué) 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文 題目 溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計 作者 單慧勇 張程皓 李晨陽 趙輝 衛(wèi)勇 郭旭存 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期 2021 08 24 引用格式 單慧勇 張程皓 李晨陽 趙輝 衛(wèi)勇 郭旭存 溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)設(shè) 計 河南農(nóng)業(yè)科學(xué) 網(wǎng)絡(luò)首發(fā) 在編輯部工作流程中 稿件從錄用到出版要經(jīng)歷錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿等階 段 錄用定稿指內(nèi)容已經(jīng)確定 且通過同行評議 主編終審?fù)饪玫母寮?排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)版式 排版后的稿件 可暫不確定出版年 卷 期和頁碼 整期匯編定稿指出 版年 卷 期 頁碼均已確定的印刷或數(shù)字出版的整期匯編稿件 錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)稿件內(nèi)容必須符合 出 版管理條例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關(guān)規(guī)定 學(xué)術(shù)研究成果具有創(chuàng)新性 科學(xué)性和先進性 符合編 輯部對刊文的錄用要求 不存在學(xué)術(shù)不端行為及其他侵權(quán)行為 稿件內(nèi)容應(yīng)基本符合國家有關(guān)書刊編輯 出版的技術(shù)標準 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字 符號 數(shù)字 外文字母 法定計量單位及地圖標注等 為確保錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)的嚴肅性 錄用定稿一經(jīng)發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機構(gòu)名稱和學(xué)術(shù)內(nèi)容 只可基于編輯規(guī)范進行少量文字的修改 出版確認 紙質(zhì)期刊編輯部通過與 中國學(xué)術(shù)期刊 光盤版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國 學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 出版?zhèn)鞑テ脚_上創(chuàng)辦與紙質(zhì)期刊內(nèi)容一致的網(wǎng)絡(luò)版 以單篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿 因為 中國學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 是國家新聞出 版廣電總局批準的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網(wǎng)絡(luò)版上網(wǎng)絡(luò)首 發(fā)論文視為正式出版 溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計 單慧勇 張程皓 李晨陽 趙 輝 衛(wèi) 勇 郭旭存 天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院 天津 300384 摘要 為實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié) 基于溫室內(nèi)光強和二氧化碳尋優(yōu)模型 設(shè)計了溫 室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng) 采用 PLC 實時采集溫室中溫度 光強及 CO2 等參數(shù) 通過 OPC 通 訊協(xié)議實現(xiàn)遠程通訊 結(jié)合實時讀取的數(shù)據(jù) 依據(jù)尋優(yōu)模型 分析預(yù)測不同溫度環(huán)境中作 物生長的最佳 CO2 濃度和光照強度 控制氣肥發(fā)生器及補光燈工作 同時為方便操作者監(jiān) 控溫室實時環(huán)境變化及調(diào)控效果 設(shè)計了基于 MATLAB 的人機交互 GUI 界面 初步測試 結(jié)果表明 該控制系統(tǒng)可完成作物生長自適應(yīng)補光補氣 調(diào)控時間段內(nèi)的光合速率增量為 1 176 918 mol m2 s 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定 實時反饋效果好 控制系統(tǒng)可自動調(diào)控溫室環(huán)境 有利于設(shè)施溫室智能化發(fā)展進程 關(guān)鍵詞 溫室 環(huán)境調(diào)控 遠程通訊 MATLAB GUI 中圖分類號 S24 文獻標識碼 A Design of Automatic Control System for Greenhouse Environment SHAN Huiyong ZHANG Chenghao LI Chenyang ZHAO Hui WEI Yong GUO Xucun College of Engineering and Technology Tianjin Agricultural University Tianjin 300384 China Abstract In order to realize the adaptive adjustment of greenhouse environmental parameters based on the greenhouse light intensity and carbon dioxide optimization model an automatic control system for greenhouse environment was designed Real time acquisition of temperature light intensity CO2 and other parameters in greenhouse was done by PLC remote communication was realized through OPC communication protocol combined with data read in real time according to the optimization model the optimal CO2 concentration and light intensity of crop growth in different temperature environment were analyzed and predicted gas fertilizer generator and fill light lampwere controlled At the same time for the convenience of operators monitoring greenhouse real time environmental change and control effect a human computer 基金項目 天津市企業(yè)優(yōu)秀科技特派員項目 19JCTPJC56700 天津市濱海新區(qū)社會發(fā)展領(lǐng)域科技項目 BHXQKJXM SF 2018 27 天津市科技重大專項與工程計劃項目 19YFZCSN00360 天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化與推 廣項目 201703080 作者簡介 單慧勇 1977 男 山西臨汾人 副教授 碩士 主要從事農(nóng)業(yè)自動化系統(tǒng)研究 E mail tjshyyr 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間 2021 08 24 16 53 42 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 interaction GUI interface based on MATLAB was designed The preliminary test results showed that the control system could be used for crop growth adaptive light and air replenishment The increment of photosynthetic rate during the regulation period was 1 176 918 mol m2 s Data transmission was steady and real time feedback was good The control system can automatically regulate the greenhouse environment beneficial to the intelligent development of facility greenhouse Key words Greenhouse Environmental regulation Telecommunication MATLAB GUI 根據(jù)光合作用的反應(yīng)機 制 對 設(shè)施農(nóng)作物生長影響較大的環(huán)境因素主要有光照 CO2 濃度及溫濕度等 由于溫室環(huán)境為密閉環(huán)境 內(nèi)部環(huán)境參數(shù)調(diào)控多通過人工調(diào)控 工作效 率低 針對以上問題 孫小平 1 對溫室中的供暖設(shè)備 風(fēng)機 LED 燈與其相對應(yīng)的調(diào)控參 數(shù)如溫度 光強等參數(shù)之間的關(guān)系進行研究 尋找其相關(guān)函數(shù)關(guān)系 實現(xiàn)溫室環(huán)境自動調(diào) 控 張漫等 2 設(shè)計了作物光合速率預(yù)測模型 通過實時檢測光照 溫度及 CO2 濃度 將其 輸入預(yù)測模型中 獲取相應(yīng)的 CO2 濃度最佳目標值 從而實現(xiàn)溫室 CO2 自動調(diào)控 李雅 善等 3 擬合設(shè)計出了多元非線性光合速率預(yù)測模型 可進行光 飽和點尋優(yōu) 確定了溫室作 物在不同光強條件下的環(huán)境參數(shù)最佳目標值 實現(xiàn)了溫室光強自動調(diào)控 以上研究多針對 溫室環(huán)境中單一環(huán)境變量進行調(diào)控 難以實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控 為有效提高溫室 環(huán)境自動化程度 促進溫室作物生長 本 研究設(shè)計溫室自動 調(diào)控系統(tǒng) 結(jié)合溫室環(huán)境監(jiān)測 作物光合速率預(yù)測模型和多目標協(xié)同控制尋優(yōu)方法設(shè)計基于 MATLAB 的溫室環(huán)境自動調(diào) 控系統(tǒng) 以溫室黃瓜為研究對象 對其光合速率進行預(yù)測并對環(huán)境調(diào)控效果進行驗證 為 方便操作者實時監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)的變化 設(shè)計基于 MATLAB 環(huán)境的人機交互 GUI 界面 為溫室環(huán)境 智能 調(diào)控 的研究 提供借鑒 1 材料和方法 調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計首先需搭建 溫室環(huán)境參數(shù)尋優(yōu)模型 模型的建立 主要包括三部分 首 先建立光合速率預(yù)測模型 然后在光合速率預(yù)測模型的基礎(chǔ)上 構(gòu)建有限二氧化碳資源下 溫室二氧化碳優(yōu)化調(diào)控模型數(shù)據(jù)庫 繼而提出了以光照增長相對價值為評價指標的經(jīng)濟性 相對最優(yōu)的補光策略 最終實現(xiàn)有限二氧化碳資源下的溫室光氣耦合優(yōu)化調(diào)控 采用 LS SVM 算法構(gòu)建光合速率預(yù)測模型 4 尋求溫度 x1 光強 x2 及 CO2 濃度 x2 和輸出光合速率 y 之間的關(guān)系 y f x1 x2 x3 首先 使用 MATLAB 中的 mapminmax 函數(shù) 對溫度 光強及 CO2 濃度進行歸一化處理 其 模擬歸一化區(qū)間為 0 2 0 9 5 選取徑 向基函數(shù)作為核函數(shù)進行建模 gam 是控制錯分樣本懲罰程度的可調(diào)參數(shù) sig2 是徑向基 核函數(shù)的參數(shù) 通過網(wǎng)格搜索獲取最優(yōu)的建模參數(shù) gam 和 sig2 6 最終確定的 gam 263 549 sig2 0 204 042 5 模型各參數(shù)確定后調(diào)用 LS SVM 工具箱的 trainlssvm 函數(shù)進行光合速率 預(yù)測模型的構(gòu)建 基于 上 述光合速率預(yù)測模型 擬 在 1 d 內(nèi) 的 有限資源下對溫室 CO2 濃度進行優(yōu)化 調(diào)控 即 給定可用補氣總量 尋找當天溫室 中 最 優(yōu) 的補氣時間 及 對應(yīng)的 單位時間 補氣量 將 補氣 后 的 光合速率增量 作為 評價指標 建立 CO2 優(yōu)化調(diào)控模型數(shù)據(jù)庫 在獲取補氣時間段與 補 氣量 后 將 依據(jù)光照增長相對價值曲線曲率最大值 對補光量 進行尋優(yōu) 結(jié)合上述調(diào)控模型 擬 設(shè)計溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng) 通過 PLC 實時采集溫室中溫度 光強及 CO2 濃度等參數(shù) 通過 OPC 通訊協(xié)議實現(xiàn)遠程通訊 在 MATLAB 中搭建調(diào)控系統(tǒng) 依據(jù)調(diào)控模型 分析預(yù)測出作物生長的最佳補氣時間及補氣總量 控制氣肥發(fā)生器及補光 燈工作 結(jié)合實時讀取的數(shù)據(jù) 進行 追蹤控制 2 控制系統(tǒng)設(shè)計 2 1 系統(tǒng)功能分析及整體框架設(shè)計 溫室環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)的功能主要包括實時環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測 數(shù)據(jù)分析目標值尋優(yōu)以 及自動輸出調(diào)控環(huán)境參數(shù) 通過檢測溫室中的實時環(huán)境數(shù)據(jù) 獲取對植物生長速率影響較 大的各種參數(shù) 如溫度 光強和 CO2 等 可實時監(jiān)測植物生長狀態(tài) 根據(jù)實時環(huán)境參數(shù) 系統(tǒng)可調(diào)用上述模型 對環(huán)境參數(shù)進行尋優(yōu) 獲得植物生長最佳調(diào)控目標值 結(jié)合模型尋 優(yōu)目標值和實時反饋的溫室環(huán)境數(shù)據(jù) 控制補光燈組及氣肥發(fā)生器等 設(shè)備進行 環(huán)境參數(shù) 的 調(diào)節(jié) 實現(xiàn)溫室環(huán)境自動調(diào)控 為實現(xiàn)以上功能 設(shè)計了溫室環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng) 調(diào)控 目標 值尋優(yōu)子系統(tǒng)和輸出控制子系統(tǒng)三部分 如圖 1 所示為溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)整體控制框圖 溫室環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)包括 CO2 傳感 器 溫度傳感器 以及 光照 強度檢測 傳感器 檢測溫室 中 實時環(huán)境 參數(shù) 實現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù) 實時檢測功能 并 將其輸入 調(diào)控目標值尋優(yōu)子系統(tǒng)中 調(diào)用相應(yīng) 的 模型 尋找光強與 CO2 協(xié)同調(diào)控目標值尋優(yōu) 輸出控制子系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng) 計算出的環(huán)境參數(shù)目標值 結(jié)合實時 環(huán)境參數(shù) 控制溫室中補光燈組及 氣肥發(fā)生器改變光強與 CO2 值 從而達到目標值要求 完成反饋控制 圖 2 為溫室環(huán)境檢測 子系統(tǒng)控制 框圖 由 CO2 檢測 傳感器 溫度 檢測 傳感器 光照 強 度 檢測 傳感器和 PLC 控制器 組成 由于溫室 生產(chǎn)環(huán)境 較為惡劣 作物生長環(huán)境存在著高 溫高濕的情況 對監(jiān)控與控制系統(tǒng)具有較高的可靠性要求 7 因此 采用 PLC 作為控制器 溫室中各傳感器 檢測 記錄 溫 度 CO2 濃度和 光照強度 等 為 調(diào)控目標值尋優(yōu)子系統(tǒng) 提供數(shù) 據(jù) 實現(xiàn)了溫室實時環(huán)境數(shù)據(jù)檢測功能 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng) E n v i r o n m e n t m o n i to r i n g s u b s y s te m CO 2 傳感器 C a r b o n D i o x i d e se n so r 光照傳感器 L i g h t s e n s o r 溫度傳感器 T e m p e r a t u r e se n so r 分析數(shù)據(jù) 調(diào)用模型 A n a l y si s d a t a C a l l m o d e l 調(diào)控目標值尋優(yōu) T a r g e t v a l u e o p t i m i z a t i o n 數(shù)據(jù)上傳 記錄保存 D a t a u p l o a d r e c o r d k e e p i n g 環(huán)境動態(tài)差值計算 C a l c u l a t i o n o f e n v i r o n m e n t a l d y n a m i c d i f f e r e n c e 補光燈 F i l l i n l i g h t 氣肥發(fā)生器 C a r b o n d i o x i d e g e n e r a t o r 數(shù)據(jù)分析決策子系統(tǒng) D a ta a n a l y s i s a n d d e c i s i o n s u b s y s te m P LC 溫度傳感器 T e m p e r at u r e s e n s or 二氧化碳傳感器 C arb on d i ox i d e s e n s or 電能監(jiān)測 E l e c t r i c e n e r gy m on i t or i n g 流量計 F l ow m e t e r 光照傳感器 L i gh t s e n s or 光線電臺 R ay rad i o 圖 1 溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 圖 2 溫室環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig 1 Overall structure of Fig 2 Structural block diagram of greenhouse environmental control system greenhouse environmental monitoring subsystem 圖 3 為 調(diào)控目標值尋優(yōu)子系統(tǒng)控制流程圖 環(huán)境監(jiān)測傳感器將實時采集到的信息發(fā)送 到至 控制器 PLC PLC 通過 OPC 通訊 與 計算機 建立 遠程通訊 將環(huán)境參數(shù) 實時 上傳至 計算機中 計算機分析判斷環(huán)境溫度所屬區(qū)間 繼而通過模型調(diào)用該溫度下子模型 通過 模型 分析 預(yù)測 出 的光照強度與 CO2 濃度調(diào)控目標值 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析目標值尋優(yōu)功能 計 算調(diào)控目標值與實時環(huán)境值的差值 將調(diào)控目標值發(fā)送至相應(yīng)的控制設(shè)備 圖 4 為 輸出控制子系統(tǒng)工作流程圖 本研究 選擇在 MATLAB 環(huán)境下設(shè)計 輸出控制子 系統(tǒng) 8 自動 模式下 傳感器 將檢測到 的 溫度 光照 及 CO2 濃度 數(shù)據(jù) 傳輸 至計算機 計算 機根據(jù)模型計算出協(xié)同決策 的光強及 CO2 濃度 目標值 計算機 通過 OPC 通訊與現(xiàn)場控制 器 PLC 建立通訊 寫入 光強及 CO2 濃度 目標值 PLC 輸出 控制 補光燈 9 及氣 肥 發(fā)生器 使 得 光照與 CO2 濃度 達到目標值 10 實現(xiàn)了自動輸出調(diào)控環(huán)境參數(shù)功能 在 手動模式 下 操作 者可 根據(jù) 傳感器上傳的溫室環(huán)境數(shù)據(jù) 手動 控制補光燈及 CO2 發(fā)生器調(diào)控 溫室環(huán)境參 數(shù) 開始 Be g i n 傳感器數(shù)據(jù)上傳至 P L C T h e s e n s o r d a t a i s u p l o a d e d t o P L C 結(jié)合光合速率模型和調(diào)控模型進行數(shù)據(jù) 分析融合決策 Co m b i n i n g p h o t o s y n t h e t i c ra t e m o d e l a n d re g u l a t i o n m o d e l t o m a k e d a t a a n a l y s i s a n d fu s i o n d e c i s i o n 獲得調(diào)控目標值 G e t t h e c o n t ro l t a rg e t v a l u e 結(jié)束 S t o p 調(diào)用光合速率預(yù)測模型 A m o d e l fo r p re d i c t i n g p h o t o s y n t h e t i c ra t e 通過 O P C 技術(shù)實現(xiàn) p l c 與計算機通訊 Co m m u n i c a t i o n b e t w e e n P L C a n d c o m p u t e r b y O P C T e c h n o l o g y 開始 B e g i n 模式選擇 M o d e s e l e c t i o n 手動模式 M a n u a l m o d e GUI 界面手動操作設(shè)置調(diào)控目標值 G U I I n t e r f a c e M a n u a l O p e r a t i o n S e t t i n g R e g u l a t i o n Ta r g e t s 自動模式 A u t o m a t i c m o d e 傳感器采集環(huán)境參數(shù) S e ns or s c ol l e c t e nvi r onm e nt a l pa r a m e t e r s 將環(huán)境數(shù)據(jù)信息通過 P LC 上傳至計算機 P a ss t h e e n v i r o n m e n t a l d a t a i n f o r m a t i o n t h r o u g h P L C u p l o a d t o c o m p u t e r 調(diào)用模型獲取調(diào)控目標值 C a l l m o d e l t o g e t r e g u l a t o r y t a r g e t v a l u e 通過 O P C 技術(shù)與 P LC 通訊 將控制指令發(fā)送至執(zhí)行裝置 S e n d c o n t r o l i n st r u c t i o n s t o e x e c u t i o n u n i t b y c o m m u n i c a t i n g w i t h P L C t h r o u g h O P C T e c h n o l o g y 控制補光燈組及氣肥發(fā)生器工作 C o n t r o l l i n g t h e o p e r a t i o n o f su p p l e m e n t a r y l i g h t g r o u p a n d g a s a n d f e r t i l i z e r g e n e r a t o r 光與 CO 2 達到要求 Li g h t a n d C O 2 m e e t r e q u i r e m e n t s 關(guān)閉補光燈組與氣肥發(fā)生器 T u r n o f f su p p l e m e n t a r y l i g h t g r o u p a n d g a s a n d f e r t i l i z e r g e n e r a t o r 是 ye s 否 NO 圖 3 數(shù)據(jù)分析決策子系統(tǒng)控制流程圖 圖 4 環(huán)境參數(shù)調(diào)控子系統(tǒng)控制流程圖 Fig 3 Data analysis and decision Fig 4 Environmental parameter subsystem control flow chart control subsystem control flow chart 2 2 通訊系統(tǒng)設(shè)計 為 方便 計算機 讀 取 溫室 實時 環(huán)境數(shù)據(jù) 進而 分析決策 獲取 調(diào)控目標值 同時 反饋控制 調(diào) 控設(shè)備工作 需實現(xiàn) 計算機與現(xiàn)場 PLC 之間的通信連接 通訊協(xié)議選擇 OPC 通訊 11 13 OPC OLE for Process Control 是由 OPC 基金會 OPC Foundation 所制定 的工業(yè)標 準 14 OPC 主要是 在 Microsoft 的 OLC ActiveX COM DCOM 的 基礎(chǔ)上 所 研發(fā)的一個 開放 的 標準接口 其主要 是應(yīng)用體系為 客戶端 服務(wù)器 15 在 客戶端和服務(wù)器之間建立一 種 通信和 數(shù)據(jù)交換的工業(yè)標準 16 以 OPC 為交換 數(shù)據(jù)的主要方法 7 0 版本 以 上 的 MATLAB 軟件 中 均 支持 OPC 服務(wù) 有相應(yīng)的工具箱 OPC toolbox 17 支持 讀 寫 OPC 數(shù)據(jù) MATLAB 中讀取 溫室實時環(huán)境數(shù)據(jù)方式有 如下 兩種 1 通過 GUI 界面讀取 實時環(huán)境參數(shù) A 啟動 opctool 界面 在 MATLAB 命令窗口輸入 opctool 單擊回車即可打開 opctool 界面 其 操控界面如 圖 5 所示 B 創(chuàng)建 客戶端對象 組 對象和項 右鍵 單擊 OPC Network 可 添加本地 host 名字 選用默認名字 localhost 右鍵 單擊 localhost 添加 Client 從 OPC Server ID 中 選擇 GrmOpcServer GRMOPC 即可 建立 連接 順序添加 Group Item 即可 顯示 溫室環(huán)境 參數(shù) 實時 數(shù)據(jù) 如圖 6 所示 選中 相應(yīng)數(shù)據(jù) 點擊 add 即可讀取實時環(huán)境參數(shù) 圖 5 opctool 界面 圖 6 實時數(shù)據(jù)顯示 Fig 5 Opctool interface Fig 6 Real time data display 2 輸入 程序 讀取 實時環(huán)境參數(shù) 實時 環(huán)境 數(shù)據(jù) 讀取程序如下所示 da opcda localhost GrmOpcServer GRMOPC 創(chuàng)建 客戶端 對象 connect da 連接 一個 客戶到服務(wù)器 grp addgroup da group2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)訪問組對象 itm additem grp GRM 二氧化碳 溫室 讀取實時 環(huán)境參數(shù) itm1 additem grp GRM 光照強度 溫室 itm2 additem grp GRM 空氣溫度 溫室 set grp UpdateRate 0 2 設(shè)置數(shù)據(jù)保存間隔 r read itm 讀取數(shù)據(jù) a r Value 讀取實時環(huán)境數(shù)值 b cell2mat a 將元胞數(shù)組類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值型方便處理 clear grp itm itm1 itm2 2 3 人機交互 GUI 界面 為 方便 操作 人員 實時 監(jiān)控溫室環(huán)境 GUI 界面 設(shè)計如圖所示 對接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)進 行存儲 并對數(shù)據(jù)進行分析 判斷與智能決策 根據(jù)決策結(jié)果發(fā)送相應(yīng)控制指令到相應(yīng) 的 輸出 裝置 根據(jù) 系統(tǒng)硬件要求 在 MATLAB 環(huán)境 下設(shè)計了 人機交互 的 GUI 界面 如下 1 控制系統(tǒng)主界面 如圖 7 所示 主要 包括 實時 監(jiān)控 歷史數(shù)據(jù) 參數(shù)設(shè)定 四部分 按下 按鈕可跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)界面 2 實時 顯示界面如圖 8 所示 分別包括實時 數(shù)據(jù) 顯示 欄 調(diào)控 目標欄 工作模式 選擇及 工作 狀態(tài)欄 四部分 A 實時 數(shù)據(jù) 顯示 欄 溫室 中 通過溫度傳感器 CO2 濃度傳感器 光照 傳感器檢測 到 環(huán)境數(shù)據(jù) 傳輸 至 PLC MATLAB 通過 OPC 通訊 協(xié)議 與 PLC 建立 遠程 通信 將 各項數(shù)據(jù)實 時顯示 在 界面上 便于 操作者 監(jiān)控溫室環(huán)境變化 B 調(diào)控 目標 欄 系統(tǒng) 根據(jù)實時采集的溫室環(huán)境數(shù)據(jù) 依據(jù) 當前溫度 調(diào)用適合 的模 型 預(yù)測最佳 環(huán) 境參數(shù) 并 發(fā)送至界面 方便 操作者對比實時環(huán)境參數(shù) 決策 控制方案 C 工作模式 選擇欄 根據(jù) 需求 可 選擇自動控制 或 手動控制 自動 控制模式 下 系統(tǒng) 根據(jù)實時溫度 調(diào)用 相應(yīng) 的模型 分析溫室 環(huán)境參數(shù) 計算出環(huán)境參數(shù)目標值 并顯示在 目標欄上 D 工作 狀態(tài)顯示欄 實時顯示控制裝置 工作狀態(tài) 便于操作者 決策控制 圖 7 控制系統(tǒng)主界面 圖 8 實時 顯示界面 Fig 7 Main interface of control system Fig 8 Real time display interface 3 手動 控制界面 如圖 9 所示 分別包括實時 數(shù)據(jù) 顯示 欄 調(diào)控 目標欄 和手動 控制 面板三部分 數(shù)據(jù) 顯示 欄和調(diào)控 目標欄 與 自動模式下相同 控制 面板上 操作者可根據(jù)控制要求 手動 輸入環(huán)境參數(shù) 按下 執(zhí)行按鈕可控制 裝置 輸出 控制 系統(tǒng) 向 氣肥發(fā)生器或補光燈發(fā)送 調(diào)控 指令 待實時 數(shù)據(jù)達到目標值后停止工作 完成 環(huán)境 參數(shù)調(diào)控 4 參 數(shù)配置界面如圖 10 所示 主界面 下按下參數(shù)配置按鈕可 調(diào)出 參數(shù)配置界面 包括 增刪通訊 組 和 刷新服務(wù)器三部分 可 根據(jù) 操作者實際 需求 進行增刪通訊 組 與 刷新服 務(wù)器 操作 5 歷史 數(shù)據(jù) 顯示 界面 如圖 11 所示 主界面 按下 歷史 數(shù)據(jù) 按鈕 可調(diào)出 歷史 數(shù)據(jù)顯示 界面 可 顯示 不同 時間的 溫度 光強 和 CO2 濃度 操作者 可參考數(shù)據(jù) 判斷不同時間溫室環(huán) 境 參數(shù) 的變化情況 記錄保存 圖 9 手動 控制界面 圖 10 參數(shù) 配置界面 圖 11 歷史 數(shù)據(jù)顯示欄 Fig 9 Manual control interface Fig 10 Parameter configuration interface Fig 11 Historical data display bar 2 4 系統(tǒng)測試 以天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)溫室作為研究基地 對系統(tǒng)進行測試 2020 年 03 月 04 日 溫 室中保溫被升起時間段為 9 00 16 00 選擇 9 30 15 30 作為調(diào)控時間段 首先設(shè)定好可用 補氣資源總量 通過調(diào)控模型 尋優(yōu)確定 當天內(nèi)最優(yōu)補氣時間及 單位時間 補氣量 控制氣肥 發(fā)生器 在對應(yīng)時間段工作 同時控制補光燈工作 控制系統(tǒng)通過 PLC 不斷讀取 溫室中光 照強度 及 CO2 濃度 基于 上述尋優(yōu)方法 得到了以溫度 二氧化碳為輸入 以光照強度調(diào) 控目標值為輸出的數(shù)據(jù)集 結(jié)合實時讀取的 光照 強度數(shù)據(jù) 對比調(diào)控目標值獲得光照強度 調(diào)控增量 控制系統(tǒng)實時 追蹤控制補光燈 光照強度 實現(xiàn)溫室光氣耦合調(diào)控 調(diào)控完成后 獲得調(diào)控時間段內(nèi)的光合速率增量為 1 176 918 mol m2 s 調(diào)控過程中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定 實時反饋效果好 實時監(jiān)測 畫面 及手動控制界面分別 如 圖 12 13 所示 圖 12 自動 模式控制 圖 13 手動 控制模式 Fig 12 Automatic mode control Fig 13 Manual control mode 3 結(jié)論與討論 為實現(xiàn) 溫室環(huán)境自動調(diào)控 在融合 光合 速率 預(yù)測模型 與溫室 環(huán)境 參數(shù)實時監(jiān)測 的基礎(chǔ) 上 建立 了溫室環(huán)境 調(diào)控的尋優(yōu)模型 基于上述調(diào)控模型 在 MATLAB 環(huán)境下設(shè)計了溫 室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng) 通過溫室中 的 CO2 傳感器 溫度傳感器 以及 光照 強度檢測 傳感器 分別 檢 測 溫室實時 環(huán)境參數(shù) 并上傳至控制器 PLC 中 PLC 通過 OPC 技術(shù) 與計算機 建立 遠程通 訊 計算機 讀取 PLC 上傳的溫室環(huán)境 數(shù)據(jù) 調(diào)用 相應(yīng)的 尋優(yōu) 模型 分析 計算出 CO2 濃度 及 光照 強度的 調(diào)控 目標值 將 其發(fā)送 給控制器 控制器根據(jù)調(diào)控目標值控制 氣肥發(fā)生器 和 補光燈組 工作 直至 溫室環(huán)境 數(shù)據(jù) 達到調(diào)控目標值后 停止 工作 完成反饋控制 通過對 構(gòu)建的 系統(tǒng)進行 測試實驗 結(jié)果表明 該控制系統(tǒng)可完成作物生長自適應(yīng)補光補氣 調(diào)控時 間段內(nèi)的光合速率增量為 1 176 918 mol m2 s 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定 實時反饋效果好 為方 便操作者 決策 控制 查看 溫室環(huán)境數(shù)據(jù) 設(shè)計了人機交互 GUI 界面 監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù) 及時 決策 控制 本研究側(cè)重點在于溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計 對所 涉及的環(huán)境參數(shù)尋優(yōu)模 型并未詳述 后續(xù)筆者將另文介紹上述尋優(yōu)模型建模過程 課題組將深入研究 結(jié)合 組態(tài) 軟件 設(shè)計完善控制系統(tǒng)及圖形用戶控制界面 進一步提高溫室環(huán)境自動調(diào)控 技術(shù) 參考文獻 1 孫小平 嵌入式溫室大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) D 沈陽 沈陽工業(yè)大學(xué) 2016 SUN X P Design and implementation of remote monitoring system for embedded greenhouse D Shenyang Shenyang University of Technology 2016 2 張漫 李婷 季宇寒 等 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的溫室番茄 CO2增施策略優(yōu)化 J 農(nóng)業(yè) 機械學(xué)報 2015 46 8 239 245 ZHANG M LI T JI Y H optimization of greenhouse tomato CO2 application strategy based on BP neural network algorithm J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery 2015 46 8 239 245 3 李雅善 崔長偉 南立軍 等 基于遺傳算法的設(shè)施葡萄光合優(yōu)化調(diào)控模型研究 J 中外葡萄與葡萄酒 2018 222 6 59 63 LI Y S CUI C W NAN L J et al Study on photosynthetic regulation model of facility grape based on genetic algorithm J Chinese and Foreign Grape Wine 2018 222 6 59 63 4 孫雙林 楊倩 基于最小二乘支持向量機的船舶集中空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測 J 艦船科學(xué)技 術(shù) 2020 42 2 184 186 SUN S L YANG Q Prediction of energy consumption of ship central air conditioning system based on least square support vector machine J Ship science and technology 2020 42 2 184 186 5 辛萍萍 效益優(yōu)先的溫室環(huán)境多因子協(xié)同調(diào)控模型與方法研究 D 楊凌 西北農(nóng)林科技 大學(xué) 2019 XIN P P Research on multi factor coordinated regulation model and method of greenhouse environment with priority of benefit D Yangling Northwest A F University 2019 6 陶開鑫 俞成丙 侯頎驁 等 基于最小二乘支持向量機的棉針織物活性染料濕蒸染色 預(yù)測模型 J 紡織學(xué)報 2019 40 7 169 173 TAO K X YU C B HOU Q A et al Prediction model of reactive dye wet steaming dyeing for cotton knitted fabric based on least squares support vector machine J Journal of Textile Research 2019 40 7 169 173 7 李杜 霍金蘭 陳永明 作物光照智能調(diào)控技術(shù)研究 J 農(nóng)機化研究 2017 39 9 36 39 LI D HUO J L CHEN Y M Research on intelligent regulation technology of crop illumination J Journal of Agricultural Mechanization Research 2017 39 9 36 39 8 薛飛 楊友良 孟凡偉 等 基于 Matlab GUI 串口通信的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 J 計算機應(yīng)用 2014 34 1 292 296 XUE F YANG Y L MENG F W et al Design of real time temperature monitoring system based on Matlab GUI serial communication J Journal of Computer Applications 2014 34 1 292 296 9 李明 劉娟 凌廣明 溫室大棚 LED 智能 補光自適應(yīng)控制系統(tǒng) J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 46 11 193 196 LI MING LIU J LING G M Intelligent supplementary light adaptive control system for greenhouse J Jiangsu Agricultural Sciences 2018 46 11 193 196 10 馮彩霞 日光溫室二氧化碳發(fā)生器的設(shè)計與試驗研究 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2018 39 4 39 40 89 FENG C X Design and experimental study of carbon dioxide generator in solar greenhouse J Journal of Chinese Agricultural Mechanization 2018 39 4 39 40 89 11 殷華文 劉忠超 基于 OPC 技術(shù)的 Simulink 在線實時過程控制系統(tǒng) J 南陽理工學(xué)院 學(xué)報 2010 2 6 6 8 YIN H W LIU Z C Online real time process control system of Simulink based on OPC technology J Journal of Nanyang Institute of Technology 2010 2 6 6 8 12 劉忠超 劉勇軍 常有周 基于 S7 300 PLC 和 Matlab 的蘋果自動分級系統(tǒng)設(shè)計 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 46 14 197 200 LIU Z C LIU Y J CHANG Y Z Design of apple grading automatic system based on S7 300 PLC and Matlab J Jiangsu Agricultural Sciences 2018 46 14 197 200 13 夏璐杰 孫首群 盧華陽 基于 OPC 與 PLC 的遠程監(jiān)視系統(tǒng)的研究 J 自動化儀表 2017 38 2 22 24 XIA L J SUN S Q LU H Y Research on remote monitoring system based on OPC and PLC J Process Automation Instrumentation 2017 38 2 22 24 14 何巍 組態(tài)軟件與 MATLAB 在監(jiān)控軟件中的研究和應(yīng)用 D 蘭州 蘭州理工大學(xué) 2012 HE W Research and application of configuration software and MATLAB in monitoring software D La