【摘要】本文研究日光溫室智能控制系統(tǒng)，采用分布式控制結構，依據(jù)分散采集數(shù)據(jù)，集中操作管理，相對獨立的設計思想，綜合運用計算機網(wǎng)絡通信和模糊控制技術，實現(xiàn)了單個溫室的智能控制以及多個溫室的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。控制系統(tǒng)可根據(jù)溫室內溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等參數(shù)的變化，按照預先設定的條件對風機、水泵、卷簾機、開窗機、加熱、灌溉、二氧化碳發(fā)生器等設備進行全自動控制，也可以根據(jù)需要實現(xiàn)手動控制。系統(tǒng)具有功能強大、性能優(yōu)越、配置靈活、安全可靠等優(yōu)點。

關鍵詞：溫室控制  智能化   監(jiān)控  PLC  DCS

1 概述

      目前，雖然有不少單位或個人引進了一些國外的計算機智能控制系統(tǒng)，如溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，施肥灌溉控制系統(tǒng)，工廠化育苗智能控制系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)真正實現(xiàn)了溫室控制的智能化和自動化，但往往存在投資過大，系統(tǒng)維護不方便等各種發(fā)展制約瓶頸，再者就是要求溫室的管理操作人員本身有較高的文化素質和較豐富的工程技術經(jīng)驗，目前我國廣大農民還不具備，這也限制了國外同類產品在國內的推廣應用。開發(fā)低價位、實用型的農業(yè)智能計算機控制系統(tǒng)對于推進我國農業(yè)自動化、智能化進程具有重要的意義，同時也具有很大的市場潛力。據(jù)調查，目前市場上迫切需要的是一種低成本、操作使用簡便的實用溫室控制系。，針對這一要求及我國日光溫室量大、面廣但檔次較低的特點，研究一種既符合我國農業(yè)水平實際又適合農民經(jīng)濟承受能力、技術上不低于國外同類產品的日光溫室智能集成控制系統(tǒng)是非常必要的。

      本文設計的系統(tǒng)可以模擬基本的生態(tài)環(huán)境因子－溫度、濕度、光照、空氣成份等，以適應不同生物生長繁育的需要，它由相關的智能控制單元組成，按照事先設定的程序，精確測量溫室的氣候和土壤參數(shù)，并自動啟動或關閉不同的電動外圍設備（遮陽幕、加熱器、濕簾水泵及風機、通風系統(tǒng)等），程序所需的數(shù)據(jù)通過傳感器實時采集。

      該系統(tǒng)的使用，可以為植物提供一個理想的生長環(huán)境，并能起到減輕人的勞動強度、提高設備利用率、改善溫室氣候、減少病蟲害、增加作物產量等作用。

      本控制系統(tǒng)具有的特點：

      （1）預測性：通過對氣候參數(shù)的分析，可以預測控制設備的運行情況，提高設備的利用率，降低能耗。

      （2）強大的擴展功能：通過選用不同的外圍設備，可以控制溫室環(huán)境及灌溉、施肥等。

      （3）完善的資料處理功能：通過中央控制軟件，可以不間斷地記錄各種傳感器的信息以及各種控制設備的動作記錄等。

      （4）遠程監(jiān)控功能：即使工作人員不在現(xiàn)場，也可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對溫室內的設備參數(shù)進行監(jiān)視和控制。

      （5）數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)功能：通過組態(tài)軟件，可將各種數(shù)據(jù)聯(lián)入局域網(wǎng)或INTERNET，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2 控制系統(tǒng)方案論證

      2.1  控制系統(tǒng)方案比較

      2.1.1  PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點

      目前，在連續(xù)型流程生產自動控制（PA）或習慣稱之謂工業(yè)過程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)和FCS控制系統(tǒng)。它們各自的基本特點如下：

        ◆傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)

     （1）從開關量控制發(fā)展到順序控制、運送處理，是從下往上的。

     （2）可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。

     （3）也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PLC網(wǎng)絡。這比用PC機作主站的方便之處在于：有用戶編程時，不必知道通信協(xié)議，只要按說明格式設計就行。

     （4）PLC網(wǎng)格既可作為獨立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統(tǒng)。

      ◆DCS控制系統(tǒng)

     （1）集散控制系統(tǒng)DCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技術于一身的監(jiān)控技術。

     （2）從上到下的樹狀拓撲大系統(tǒng)，其中通信（Communication）是關鍵。

     （3）PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計算機與現(xiàn)場儀器儀表與控制裝置。

     （4）是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結構，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。

     （5）模擬信號，A/D—D/A、帶微處理器的混合。

      ◆FCS控制系統(tǒng)

     （1）基本任務是：本質（本征）安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(huán)境。

     （2）全數(shù)字化、智能、多功能儀表取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

     （3）用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺儀器兩根線。

     （4）在總線上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。

     （5）多變量、多節(jié)點、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點、并行、模擬系統(tǒng)。

    （6）互聯(lián)、雙向的控制系統(tǒng)取代單向的、封閉的控制系統(tǒng)。

     （7）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

      2.1.2三大控制系統(tǒng)之間的差異

      ● FCS是由DCS與PLC發(fā)展而來，F(xiàn)CS不僅具備DCS與PLC的特點，而且跨出了革命性的一步，而目前新型的DCS與新型的PLC，都有向對方靠攏的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。差異要點有：

      ●DCS系統(tǒng)的關鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是：一對雙絞線、同軸電纜或光纖電纜。為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。為了保證系統(tǒng)的安全性，使用了復雜的通信規(guī)約和檢錯技術。目前在DCS系統(tǒng)中一般使用兩類通信手段，即同步和異步通訊，同步通信依靠一個時鐘信號來調節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步通訊則采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)。

      ●FCS的關鍵要點有三點

      （1）FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標準

      前面的章節(jié)已經(jīng)敘述，一種類型的總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定。就其總線協(xié)議的基本原理而言，各類總線都是一樣的，都以解決雙向串行數(shù)字化通訊傳輸為基本依據(jù)。但由于各種原因，各類總線的總線協(xié)議存在很大的差異。

      為了使現(xiàn)場總線滿足可互操作性要求，使其成為真正的開放系統(tǒng)，在IEC國際標準中的現(xiàn)場總線通訊協(xié)議模型的用戶層中，就明確規(guī)定用戶層應具有裝置描述功能。為了實現(xiàn)互操作，每個現(xiàn)場總線設備都用裝置描述DD來表示。DD能夠認為是裝置的一個驅動器，它包括所有必要的參數(shù)描述和主站所需的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無關，所以可以使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性。

       (2)FCS系統(tǒng)的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置

      數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎，道理很簡單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。如果現(xiàn)場裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關的通訊規(guī)約，不具備數(shù)字通信功能，那么所謂雙向數(shù)字通信只是一句空話，也不能稱之為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。再一點，現(xiàn)場總線的一大特點就是要增加現(xiàn)場一級控制功能。如果現(xiàn)場裝置不是多功能智能化的產品，那么現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點也就不存在了，所謂簡化系統(tǒng)、方便設計、利于維護等優(yōu)越性也是虛的。

      (3) FCS系統(tǒng)的本質是信息處理現(xiàn)場化

      對于一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返。可以說現(xiàn)場總線的本質就是信息處理的現(xiàn)場化。

      現(xiàn)在一些帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產品同種功能塊在性能上會稍有差別，但一個網(wǎng)絡支路上有許多功能雷同功能塊的情況是客觀存在的。選用哪一個現(xiàn)場儀表上的功能塊，是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題。

      考慮這個問題的原則是：盡量減少總線上的信息往返。一般可以選擇與該功能有關的信息輸出最多的那臺儀表上的功能塊。

      2.2  控制系統(tǒng)設計要求

      日光溫室智能控制系統(tǒng)是一個涉及到溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度以及蔬菜品種等多種因素的復雜系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)的設計應具備以下功能：

      1、較寬的工作電壓范圍：160V——260V AC；

      2、能長時間連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的工作；

      3、能對溫室內的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等參數(shù)進行準確的測量；

      4、能根據(jù)蔬菜品種的不同，可以人工/自動設定溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等參數(shù)的報警范圍；

      5、可以設定系統(tǒng)的控制狀態(tài)：手動控制狀態(tài)和自動控制狀態(tài)。在手動控制狀態(tài)下，系統(tǒng)只具有參數(shù)檢測和警告功能，對電機、水泵等控制設備不作控制。在自動控制狀態(tài)下，系統(tǒng)只具有參數(shù)檢測和警告功能，又能對電機、水泵等控制設備進行自動調控。

      6、溫室內部前端設備既能單獨工作，又具有數(shù)據(jù)遠傳、聯(lián)網(wǎng)功能；

      7、檢測中心的計算機通過網(wǎng)絡總線可與多個前端設備相連，并能檢測、控制這些設備的被控對象。

      2.3  控制系統(tǒng)方案設計原則

      1、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠。

      2、操作簡單，維護方便。

      3、整個系統(tǒng)易于擴展。

      4、運行經(jīng)濟節(jié)能，維護費用低。

      5、性能價格比高。

     2.4 控制系統(tǒng)可靠性設計

      為了提高系統(tǒng)的可靠性,在設計中采取如下措施：

      1、現(xiàn)場控制PLC采用單獨供電且接地線單獨接地。

      2、上位機和弱電部分供電通過在線式500W UPS,既凈化了弱電供電電源,又可保證上位機不會因為突然掉電而丟失數(shù)據(jù)。

      3、整個系統(tǒng)接地電阻小于1Ω。

      4、系統(tǒng)的控制輸出及報警輸入全部采用光電隔離技術,有效防止外部干擾信號進入。

      5、交流接觸器全部安裝阻容吸收裝置。

      6、中間繼電器線包全部安裝二極管吸收回路。

      7、各種弱電傳輸電纜全部采用屏蔽線,并且屏蔽層單端接地。

      通過以上對傳統(tǒng)PLC控制、DCS控制和FCS控制的比較，根據(jù)日光溫室控制的設計要求，考慮系統(tǒng)的功能完整性和成本預算，經(jīng)過反復比較和論證，整個系統(tǒng)設計我們決定采用傳統(tǒng)PLC控制和DCS控制相結合的方式進行。

3 系統(tǒng)設計

      3.1  控制系統(tǒng)的組成及功能

      要構成一個控制系統(tǒng)，首先要根據(jù)控制要求配備各種硬件，然后把各個部件之間用網(wǎng)絡連接起來，這樣便形成了控制系統(tǒng)的框架。再通過軟件編程、組網(wǎng)，從而形成一個能實現(xiàn)一定功能要求的系統(tǒng)。目前采用PC機與多臺PLC控制單元為核心組成分布式測控系統(tǒng)在當今的許多生產自動化領域已得到廣泛應用，這種系統(tǒng)利用了可編程控制器（PLC）的性價比高、功能強、抗干擾能力好的特點組建適用于分布式現(xiàn)場控制的前端控制單元，同時也利用了PC計算機軟硬件資源豐富和管理、控制功能強大，用戶界友好的特點。

      本課題所研究開發(fā)的系統(tǒng)根據(jù)溫室中作物生長環(huán)境的要求，由上位控制計算機、現(xiàn)場控制單元PLC及各種執(zhí)行機構和傳感器組成，系統(tǒng)的信息傳輸采用先進的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術。本系統(tǒng)還綜合運用了計算機控制技術，網(wǎng)絡通信和模糊控制技術，實現(xiàn)了分散采集數(shù)據(jù)，集中操作管理，系統(tǒng)具有功能強大、性能優(yōu)越、配置靈活、安全可靠等優(yōu)點。系統(tǒng)的整體控制結構如圖1所示：

圖1系統(tǒng)結構圖

      3.1.1  前端控制單元的組成及功能

      本系統(tǒng)前端控制單元由S7－200小型PLC 及相關執(zhí)行設備和傳感器組成。

      1、現(xiàn)場控制單元核心設備西門子S7－200 PLC 簡介

      西門子S7－200系列PLC是SIEMENS可編程控制器家族中的一類，它具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，使得S7－200系列PLC可以近乎完美的完成小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應性。

      S7－200系列PLC模塊包括中央處理單元（CPU）、電源及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。

      2、前端控制單元功能：

      前端控制單元的主要功能為讀入各種傳感器的測量值與相應的上下限控制報警值進行比較，再根據(jù)內部控制算法對各控制設備進行開啟和關閉的操作。它具有功能強大、安全可靠、價格適宜等特點。如圖2所示。

圖2 前端控制單元結構

      3.1.2  上位機組成及其實現(xiàn)功能

      上位機采用通用PC（Pentium 4計算機）機，技術成熟、軟硬件豐富、操作方便、用戶界面友好、工作可靠。由PC機實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行功能設置、數(shù)據(jù)存儲、顯示打印等操作，也可聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。上位機的管理程序的主要功能為可將室內外采集的參數(shù)值顯示至計算機屏幕，同時具有實時曲線、歷史曲線、參數(shù)設定、參數(shù)瀏覽、報警瀏覽、報表打印、數(shù)據(jù)存儲等功能?？稍谏衔粰C上實現(xiàn)手動/自動切換，也可在手動條件下點擊屏幕按鈕實現(xiàn)開窗、遮陽、水泵、側窗等電機操作，真正實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

      3.2  前端控制單元設計

      前端控制單元由SIEMENS S7-200系列PLC中的CPU214及相關擴展模塊構成，其中也包括各種測量傳感器和實現(xiàn)控制功能的各類執(zhí)行機構。

      3.2.1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設計

      數(shù)據(jù)采集是整個控制與管理系統(tǒng)的重要組成部分，要對環(huán)境和設備進行控制，必須要對環(huán)境和設備的狀態(tài)進行監(jiān)測，經(jīng)過分析決策，然后實施控制行為?？蓮囊韵聨追矫孢M一步看出數(shù)據(jù)采集的重要性：（1）環(huán)境要素的變化（如溫濕度等）并非能準確直觀感覺到；（2）環(huán)境要素處于時刻變化之中，必須要進行連續(xù)和快速的監(jiān)測；（3）在實際應用中要素的平均值更有意義，但平均值來自于大量的瞬時值；（4）在控制與管理過程中，要進行要素的分析計算和優(yōu)化配置；（5）需要對植物產量與成本消費的平衡進行分析計算；（6）需要對歷史資料進行顯示和查詢；（7）數(shù)據(jù)圖表和圖像顯示更直觀可用等等。

      設施環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集的重點包括光、溫、濕、CO2氣體等要素。70年代后期至80年代初提出了所謂的SPA（Speaking Plant Approach）的概念：即植物的生理狀態(tài)不僅隨時間而變化，而且直接受環(huán)境影響。通過對植物本身生理狀態(tài)的監(jiān)測，便能反應（告知）環(huán)境質量的優(yōu)劣程度，達到環(huán)境優(yōu)化控制的目標。從以上可看出，溫室監(jiān)測與控制系統(tǒng)需要處理不同類型和性質的對象，因此傳感器的設計與選型是至關重要的，傳感器本身的性能指標是制約數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵性因素。在80年代后期，提出了所謂的智能型傳感器的概念，與傳統(tǒng)的傳感器相比有以下重要特性；1）同類產品的互換性，即批量生產的傳感器具有一致性的質量；2）輸出信號的兼容性，即很容易與用戶系統(tǒng)連接；3）可重復性，即在連續(xù)與重復操作過程中表現(xiàn)出的穩(wěn)定性；4）易標定或換算性，傳感器所輸出的信號容易標定和換算；5）輸出信號補償性，在劇烈變化的環(huán)境下，仍能穩(wěn)定輸出信號，或能自我補償；6）自我診斷性，當傳感器自身或系統(tǒng)的某一部分出現(xiàn)故障時能自動檢測和報警；7）抗逆性，在惡劣條件下能穩(wěn)定工作；等等。

      本系統(tǒng)采用的參數(shù)檢測系統(tǒng)包括對溫室內部溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度、地溫和溫室外部氣溫、濕度、光照等模擬量的檢測，以及對電機、風機狀態(tài)等開關量的檢測。對模擬量的檢測首先采用放大器將弱信號放大成5V的標準信號，然后經(jīng)A/D變換成數(shù)字量。為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，對開關量的檢測，本系統(tǒng)全部采用光電隔離器將外部電源與計算機電源隔離，減少了外部電源對計算機系統(tǒng)的影響，增強了系統(tǒng)的可靠性。

      1、溫度/濕度檢測

      在日常生活和生產中，我們經(jīng)常要測量環(huán)境的溫、濕度，傳統(tǒng)的測量方式采用水銀溫度計和干濕球濕度計查算法，存在著誤差大，操作使用不便等問題，采用工業(yè)級測量儀表價格昂貴。

      溫度傳感器是使用熱敏電阻測量溫度的。當溫度發(fā)生變化時，熱敏電阻的阻值隨之改變，把測得的阻值換算成攝氏溫度值。

      濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產品的互換性差。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。

      本檢測系統(tǒng)采用SHT71新型溫濕度傳感器。

      SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術結合起來，發(fā)揮出強大的優(yōu)勢互補作用。

      CMOSens技術的優(yōu)勢首先在于，利用具有不同保護下的"微型結構"檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層組成了傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外還可抵御來自外界的影響而對傳感器進行保護，即使將傳感器浸入到液體中也不會對傳感器造成損害，同時還將溫度傳感器與濕度傳感器結合在一起構成了一個單一的個體，這就可使測量精度提高并且可以精確得出露點值，而不會產生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。

      測量數(shù)據(jù)處理

      為了將SHT71輸出的數(shù)字量轉換成實際物理量需進行相應的數(shù)據(jù)處理。

      ⑴濕度變換

      SHT71的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數(shù)據(jù)，可按如下公式修正濕度值：

      RHlinear=c1＋c2·SORH＋c3·SORH2 

      式中SORH為傳感器相對濕度測量值，系數(shù)取值如下：

      12位SORH ：c1=-4 c2=0.0405 c3=-2.8*10-6

      8位SORH： c1=-4 c2=0.648 c3=-7.2*10-4

       ⑵溫度補償

      上述濕度計算公式是按環(huán)境溫度為25℃進行計算的，而實際的測量溫度則在一定范圍內變化，所以應考慮濕度傳感器的溫度系數(shù)，按如下公式對環(huán)境溫度進行補償。

      RH true=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋Rhlinear

      當SORH為12位時t1=0.01；t2=0.00008，當SORH為8位時，t2=0.00128

      ⑶溫度變換

      由設計決定的SHT71溫度傳感器的線性非常好，故可用下列公式將溫度數(shù)字輸出轉換成實際溫度值：

      溫度=d1＋d2*SOT 

      當電源電壓為5V、溫度傳感器的分辨率為14位時，d1=-40,d2=0.01，當溫度傳感器的分辨率為12位時，d1=-40,d2=0.04。

      ⑷露點值計算

      空氣的露點值可根據(jù)相對濕度和溫度值由下面的公式計算:

      LogEW=（0.66077＋7.5*T/（237.3＋T）＋（log10（RH）－2） 

Dp=（（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW－8.16077） 

      下面介紹一下具體的命令順序及命令時序。

      ⑴傳輸開始

      初始化傳輸時，應發(fā)出"傳輸開始"命令，命令包括SCK為高時，DATA由高電平變?yōu)榈碗娖剑⒃谙乱粋€SCK為高時將DATA升高。

      后一個命令順序包含三個地址位（目前只支持"000"）和5個命令位，通過DATA腳的ack位處于低電位表示SHT71正確收到命令。

      ⑵連接復位順序

      如果與SHT71傳感器的通訊中斷，下列信號順序會使串口復位：

      當使DATA線處于高電平時，觸發(fā)SCK 9次以上（含9次），并隨后發(fā)一個前述的"傳輸開始"命令。

      2、二氧化碳濃度檢測

      采用LTM-8803-CO2 1-wire Bus CO2傳感器，是長英科技繼數(shù)字化、網(wǎng)絡化溫濕度一體化傳感器之后，推出的又一款多功能數(shù)字化、網(wǎng)絡化傳感器，其高精度、功能集成、方便的現(xiàn)場校準/安裝，是又一款經(jīng)濟性、方便性和先進性完美統(tǒng)一的典范。

      3、光照強度檢測

      檢測系統(tǒng)采用TSL2550型光傳感器，該傳感器內含兩枚光電探測器——一枚感應可見光和紅外光，另一枚只感應紅外光。兩枚光電探測器可以產生兩路信號，傳感器模擬人眼的原理，根據(jù)兩路信號的強弱判斷周圍光線的強度。這種產品采用SMBus總線接口，可以直接將光強度轉換成數(shù)字量，在同類產品中尚屬首創(chuàng)。該器件主要性能參數(shù)如下：每通道轉換時間400ms，電源電壓直流2.7V至5.5V,工作電流0.35mA，靜態(tài)電流10μA，工作溫度范圍-25～85℃。這種器件采用SOIC-8封裝，符合SMBus規(guī)范V1.1和V2.0的要求。

      3.2.2 控制子系統(tǒng)的設計

      控制系統(tǒng)可以按照預先設定的條件對風機、水泵、卷簾機、開窗機、加熱、灌溉、二氧化碳發(fā)生器等設備實現(xiàn)全自動控制，也可以根據(jù)需要實現(xiàn)手動控制。由于這些被控對象的功率有的比較大，為了減少外部電源對計算機系統(tǒng)的影響，對這些被控對象的控制，本系統(tǒng)全部采用光電隔離器將被控對象的電源與計算機電源隔離。這樣，就必然增強了系統(tǒng)的可靠性。

      1、加溫系統(tǒng)

      溫室的升溫方式一般分為水暖加溫、燃油熱風機、煤油熱風機和電加溫，該系統(tǒng)是溫室中的必配設備，因電加溫耗資較大，本系統(tǒng)并未采用。在寒冷的北方，因其加溫時間長一般都配置水暖加溫，而在加溫時間較短的南方一般配置燃油熱風機。本系統(tǒng)主要為控制水暖加溫的供熱閥門的開度來達到控制溫室內溫度的目的。

      2、降溫系統(tǒng)

      其主要由濕簾紙墊、軸流通風機及供水系統(tǒng)組成?？紤]到濕簾對光照的影響，通常濕簾安裝在溫室的北端面，風機安裝在溫室的南端面。采用濕簾加風扇的組合降溫系統(tǒng)，能滿足作物對濕度及溫度的生長要求。它是根據(jù)自然界水蒸發(fā)降溫的原理，通過特制的疏水濕簾，使?jié)窈煴砻嫱耆珴裢?，再通過另一端風機使溫室內形成負壓區(qū)，這樣外界空氣將通過濕簾吸入溫室，空氣在通過濕潤的濕簾表面而導致水份蒸發(fā)，從而達到理想的降溫效果。特別是干燥地區(qū)，濕簾降溫的效果更加明顯。多年實踐應用顯示，即使在最熱的天氣下，合理設計安裝的濕簾--風機降溫系統(tǒng)仍可以控制溫室內的溫度在30℃左右,從而將高濕對溫室作物產生的不利影響減少到最低。本系統(tǒng)采用控制水流和風機的開關達到控制目的。

      3、灌溉施肥系統(tǒng)

      滴灌：滴灌系統(tǒng)由溫室內水路管道及滴箭或滴頭/滴帶組成，主要用于溫室內盆花或無土栽培的種植方式。

      微噴系統(tǒng)：懸掛式微型噴灌系統(tǒng)由溫室內水路管道及噴頭組成，由于產品部件的標準化，組合不同的部件可分別適用于不同的場合。

本兩部分主要通過控制水流閥門的開度來達到控制目的。

     自動灌溉施肥器：系統(tǒng)通過外部，內部的環(huán)境參數(shù)傳感器及EC、PH傳感器，綜合考慮各方面的因素，通過控制肥料溶液的EC、PH值來達到自動施肥的目的，并且針對不同的作物可以實現(xiàn)不同的肥料配方，以滿足不同灌溉區(qū)內不同作物的需要。最終使每種作物在不同條件下保持最適宜的水肥條件。

      4、通風系統(tǒng)

      自動卷膜（開窗）通風系統(tǒng)和軸流風機通風系統(tǒng)，通過控制卷膜（開窗）電機和軸流風機的啟停來達到溫室內通風的目的。

      5、二氧化碳濃度控制

      研究表明，二氧化碳是植物進行光合作用制造有機物質不可少的原料，通常植物生長最適合二氧化碳濃度為大氣中CO2平均濃度的3-5倍。

      本系統(tǒng)通過控制碳酸鉀的安全燃燒，產生二氧化碳供給植物，促進光和作用。

CO2碳酸鉀發(fā)生機使用效果表

      6、內外遮陽系統(tǒng)

      系統(tǒng)根據(jù)安裝的位置不同又分為外遮陽和內遮陽兩種。

      外遮陽系統(tǒng)：該系統(tǒng)可以從多方面來改善作物的生長環(huán)境，保障陽光的合理化運用，它的浸鋁合成纖維條能有效地折射掉部分陽光，起到遮陽降溫的作用。加裝遮陽幕后，室內氣溫比室外氣溫低4℃-7℃，比未裝遮陽幕的溫室低5℃-10℃。遮陽幕不但保證了作物免遭強光烤灼而發(fā)黃枯萎、獲得更為適宜的生長環(huán)境，延長收獲期，增加產量，而且能大提高作物 的品質。

      內遮陽系統(tǒng)：除具有外遮陽系統(tǒng)的功效外，還具有以下功能：該系統(tǒng)在夜間還起到隔熱保溫的作用，能有效阻止熱量的散失，降低冬季溫室的運行成本。用于不加溫溫室，可提高室內該系統(tǒng)在某種程度上可減少溫室內作物及土壤水分的蒸發(fā)，減少灌溉用水量，達到節(jié)水的效果。 

      遮陽系統(tǒng)由傳動部分和遮陽幕共同組成。傳動部分有鋼絲繩傳動和齒輪齒條傳動兩種。鋼絲繩傳動具有傳動速度快、造價低等優(yōu)點；而具有傳動平衡，可靠性高等優(yōu)點，但造價略高。為滿足溫室的遮陽控制要求，傳動部分我們采用了雖然造價較高但性能較好的齒輪齒條傳動方式。本系統(tǒng)通過控制傳動電機的啟停來達到調節(jié)溫室內陽光強度的目的。安裝限位開關后，該部分可實現(xiàn)完全自動控制。

      7、補光系統(tǒng)

      當自然采光不能滿足作物光合作用時，人工補光系統(tǒng)根據(jù)作物的基本要求和環(huán)境條件，自動補光，確保了作物生長所需的光能。本系統(tǒng)采用農業(yè)專用補光燈具，具有防潮設計、光效率高，充分滿足植物所需要的光譜，補光量精確均勻。通過控制補光燈的供電電壓來達到調節(jié)燈光強度的目的。

      3.2.3 前端控制單元軟件設計

     位于現(xiàn)場的以PLC為核心的前端控制單元，軟件主要采用SIEMENS的STL語言和LAD語言編制，主要側重于現(xiàn)場過程或對象的控制。STL和LAD編程語言簡介

      1）STL編程語言

      語句表（STL）是文本編程語言，可用來建立邏輯塊編碼段，它的語句語法類似于匯編語言，指令有操作符和地址組成。STL編程語言有建立完成的用戶程序必備的全部文件，它含有容易理解的各領域的指令。總共有130條各種基本指令，可用的地址范圍也很廣。功能和功能塊可供你清楚的構造你的STL程序。

      STL程序包是MicroSTEP標準軟件的集成部分，這就意味著你可以使用STL的各種功能，如安裝MicroSTEP 軟件、所有編程功能、編譯功能、測試/診斷功能等。

      2）LAD(梯形圖)編程語言

      .梯形圖是二次世界大戰(zhàn)期間所發(fā)展出來的自動控制圖形語言，是歷史最久、使用最廣之自動控制語言之一。它最初只有A（常開）接點、B（常閉）接點、輸出線圈、定時器、計數(shù)器等基本機構裝置，直到可編程控制器PLC 出現(xiàn)后，梯形圖中可表示的裝置除上述外，另增加了諸如微分接點、保持線圈等裝置以及傳統(tǒng)配電盤無法表達的指令，如加、減、乘及除等數(shù)值運算功能。無論傳統(tǒng)梯形圖或PLC 梯形圖其工作原理均相同，只是在符號表示上傳統(tǒng)梯形圖以較接近實體的符號表示，而PLC 則采用較簡明且易于計算機或報表上表示的符號表示。在梯形圖邏輯方面可分為組合邏輯和順序邏輯兩種類型。 

    . 梯形圖的優(yōu)點是編程時采用的類似于傳統(tǒng)電氣控制電路的符號語言，通過梯形圖編輯器畫好梯形圖后，PLC 的程序設計也就完成，以圖形表示控制的流程較為直觀，易為熟悉電氣控制電路的技術人員所接受。在梯形圖中很多基本符號及動作都是從在傳統(tǒng)自動控制配電盤中常見的電氣裝置如按鈕、開關、繼電器（Relay）、定時器（Timer）及計數(shù)器（Counter）等得到的。

     3.3  數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的設計

      3.3.1  數(shù)據(jù)通訊概述

      數(shù)據(jù)通訊可根據(jù)要求使用不同的通訊網(wǎng)絡，其級別一般可分為如下幾級：

     （1）管理級

      在管理級，處理影響整個操作的任務，它包括歸檔、處理、求值和過程與消息的匯報。也可以從多個站點收集和處理操作數(shù)據(jù)――從管理級也可以訪問其它站點。對于管理級，以太網(wǎng)是主要的網(wǎng)絡類型，為了連接更遠的距離，在絕大多數(shù)情況下使用TCP/IP協(xié)議。

     （2）單元級

      在單元級，處理自動化任務。在該級別，操作和監(jiān)控設備以及PC彼此連接。根據(jù)性能要求，主要的網(wǎng)絡類型是工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS現(xiàn)場總線技術。

      （3）現(xiàn)場級

      現(xiàn)場級是主機和設備之間的連接鏈路，在現(xiàn)場級使用的設備提供過程值和消息等，并且也向設備轉發(fā)命令。在大多數(shù)情況下，在現(xiàn)場級傳送的數(shù)據(jù)量較小。對于現(xiàn)場級，PROFIBUS是主要的網(wǎng)絡類型，為了與現(xiàn)場設備通訊，通常使用DP協(xié)議，對于現(xiàn)場級和單元級的小型網(wǎng)絡，可以使用MPI（多點接口）。

      （4）  執(zhí)行級－傳感器

      在執(zhí)行級－傳感器級，主站與連接到其子網(wǎng)的執(zhí)行器和傳感器進行通訊。該級別的特征是數(shù)據(jù)傳送量極小，可是響應卻很快。

      本系統(tǒng)中的通訊流程圖如圖3所示。 

       3.3.2  PROFIBUS結構方案

      ◆. PROFIBUS的定義及分類

      PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準，目前世界上許多自動化生產廠家都為他們生產的設備提供了PROFIBUS接口。它廣泛應用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等以及其它的自動化領域。PROFIBUS根據(jù)應用特點分為：PROFIBUS－DP，PROFIBUS－FMS，PROFIBUS－PA三個兼容版本。

     （1）PROFIBUS－DP：主要用于現(xiàn)場級的高速數(shù)據(jù)傳輸、解決自動控制系統(tǒng)（如PLC、PC等）通過高速串行總線與分散的現(xiàn)場設備（I/O、直流調速器和閥門等）之間的通訊任務。使用PROFIBUS－DP可取代現(xiàn)場昂貴的24V或0～20mA的并行信號線。自動控制系統(tǒng)與分散的現(xiàn)場設備間的數(shù)據(jù)交換多數(shù)是周期性的，而對智能化現(xiàn)場設備還需要有非周期性的數(shù)據(jù)交換（如組態(tài)、診斷、報警處理等）。周期性的通信由DP基本功能完成，非周期性的通信由DP擴展功能完成。

     （2）PROFIBUS－FMS：一般用于工業(yè)通訊分層中現(xiàn)場層和單元層的通訊任務，旨在解決車間監(jiān)控級通訊。由于這一級處在工廠自動化系統(tǒng)的中間層，起承上啟下的作用，因此在這一級高性能的功能要求遠比系統(tǒng)的快速反應更為重要。FMS除解決智能現(xiàn)場設備（如PLC、PC等）之間的通信任務以外，還提供了大量的、強有力的管理和服務功能，以適應各種應用需要。它也能應用于大范圍和復雜的通信系統(tǒng)。

       ◆. PROFIBUS協(xié)議結構

       PROFIBUS協(xié)議結構是根據(jù)ISO7498國際標準、以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡（Open System Interconnection OSI）作為參考模型的?，F(xiàn)場總線采用簡化的網(wǎng)絡體系結構，具有類似于OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的3層協(xié)議或進一步包括網(wǎng)絡層或傳輸層在內的4層協(xié)議。流量控制和差錯控制放在數(shù)據(jù)鏈路層執(zhí)行，而報文的可靠傳輸可以放在數(shù)據(jù)鏈路層或者應用層執(zhí)行。這種協(xié)議具有結構簡單、協(xié)議程序的設計靈活、執(zhí)行直觀、性能良好等優(yōu)點。這種流體型結構確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行В脩艚涌谝?guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可以調用的應用功能。

      3.4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計

      上位監(jiān)控機使用通用PC機，配置為P4 1.6G，256MRAM，40G硬盤，從而保證了大量的數(shù)據(jù)記錄和實時歸檔使用。上位機系統(tǒng)管理軟件，是必備的用于生產操作和監(jiān)視的控制軟件包，是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分。其主要功能為：

     （1） 對各控制站的狀態(tài)信號進行監(jiān)控。

     （2） 利用直觀的動態(tài)畫面來模擬控制對象的工作狀態(tài)。

     （3） 可通過計算機控制被控對象的啟、停等工作狀態(tài)，并可進行參數(shù)設置。

     （4） 可以進行各工作參數(shù)（溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等）的趨勢曲線圖顯示或累計值顯示及報表打印功能。

     （5） 可進行操作歸檔，以保證操作的安全性。

     （6） 可進行故障報警與顯示。

     （7）參數(shù)的修改。實現(xiàn)操作人員對生產過程的人工干預，如修改給定值、控制參數(shù)和報警限等。

其使用的SIMATIC WinCC軟件具有方便的數(shù)據(jù)通訊及強大的組態(tài)功能。

      3.4.1 組態(tài)軟件 WinCC簡介

      SIMATIC WinCC（視窗控制中心），是西門子在自動化領域中的先進技術和Microsoft的強大功能相結合的產物。它有各種有效功能用于自動化過程，是用于個人計算機上的，按價格和性能分級的人機界面和SCADA系統(tǒng)?？梢匀菀椎慕Y合標準和用戶程序生成人機界面，準確地滿足實際要求。與其它監(jiān)控系統(tǒng)相比較。

      3.4.2 上位監(jiān)控軟件設計

      ◆. 上位監(jiān)控軟件的開發(fā)

      在設計上位監(jiān)控軟件監(jiān)控畫面時，考慮設計幾個部分：進入畫面、口令保護、控制畫面的操作及切換等。

     1、進入畫面：進入WinCC后，進入該軟件的第一幅畫面。畫面上有兩個按鈕：進入控制系統(tǒng)按鈕和退出控制系統(tǒng)按鈕。

      2、口令保護：選擇了進入控制系統(tǒng)按鈕后，出現(xiàn)口令保護窗口。為防止非專業(yè)人員進入控制畫面，造成不必要的麻煩和誤操作，在進入控制畫面按鈕上作了口令保護設置。單擊此按鈕會彈出需輸入口令的信息窗口。正確的口令輸入方式為：開機進入第一幅畫面后，首先確定NumLock鍵是開著的，然后按一下“＋”按鈕，便會彈出口令輸入對話框，口令共有兩部分，上面輸入?yún)^(qū)內輸入身份名，下面輸入?yún)^(qū)內輸入密碼。身份密碼輸入無誤后，點擊“OK”按鈕或直接敲回車鍵，對話框消失，此時再點擊第一個按鈕就能進入控制畫面了。還有一點要特別注意，進入控制畫面后，先按一下“－”按鈕，取消輸入口令，這樣退到第一幅畫面后再想進入控制畫面，必須再輸入一遍正確密碼。

      3、控制畫面的操作及切換：

      監(jiān)視畫面包含有各個溫室設備的運行情況，一屏顯示一個畫面，各個畫面之間可以非常方便地切換，而且系統(tǒng)采集的各數(shù)據(jù)信息能在相應的動態(tài)畫面上實時顯示。

     （1） 控制畫面的切換：可以通過最上方按鈕欄選擇控制畫面，單擊即可進入。

     （2） 功能畫面切換：通過右下腳的按鈕欄選擇。

     （3） 各個溫室控制信息：包括各種參數(shù)的設定和各個電機的操作。棒圖的顯示只需單擊相應的數(shù)字顯示區(qū)域，便會彈出。參數(shù)的設定在畫面的左側，拖動相應參數(shù)的滑塊（中間的指針跟著轉動到相應的百分數(shù)處），主要是對溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等參數(shù)的設置。電機操作按鈕在畫面的右側，包括電機的啟動、停止、復位按鈕。點擊相應電機的啟動按鈕，溫室中對應的電機開始運行，點擊停止按鈕。則電機停轉。出現(xiàn)故障時，要先點擊復位按鈕。

    （4） 控制畫面右上角的總停按鈕：在緊急情況下單擊該按鈕就能及時關掉溫室中所有運行的設備。為防止誤操作，設置有確定對話框。

    （5） 報警操作：一旦出現(xiàn)故障，控制畫面左上角的報警燈開始閃爍，出現(xiàn)事故的溫室和溫室中的設備將會顯示在特定的區(qū)域，點擊可進入相應的報警控制畫面，了解報警信息。

    （6） 數(shù)據(jù)歸檔操作：單擊數(shù)據(jù)歸檔按鈕進入數(shù)據(jù)歸檔畫面，這里有各種參數(shù)的歸檔記錄。每個信息有兩部分：時間和該時間的數(shù)據(jù)。每個參數(shù)的信息以不同的顏色加以區(qū)別。

      ◆. WinCC/網(wǎng)頁瀏覽器技術在本系統(tǒng)中的應用

      最近幾年，Internet技術的飛速發(fā)展促使其越來越多地應用到工農業(yè)生產中。擁有圖形用戶接口的瀏覽器應用程序使人們可以方便地使用國際互聯(lián)網(wǎng)絡，僅點擊幾下鼠標，就可以方便地飛躍地域邊界的限制到達任意地方。WinCC/網(wǎng)頁瀏覽器使用戶可以通過國際互聯(lián)網(wǎng)Internet、企業(yè)內部網(wǎng)Intranet或局域網(wǎng)，對工廠的生產過程進行監(jiān)視和操作。

     WinCC/網(wǎng)頁瀏覽器使用的通訊機制是給予事件驅動的大吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸，這使得它在互聯(lián)網(wǎng)上性能異常出色。由于有快速的通訊連接，用戶在網(wǎng)上的數(shù)據(jù)更新時間和在本地WinCC工作站上是一樣的。

      在進入網(wǎng)頁服務器時，每個用戶必須表明用戶的身份，根據(jù)用戶進入權利，控制其對工廠監(jiān)視或控制。除此之外，網(wǎng)頁瀏覽器可選項支持所有的用于Internet的安全機制，如路由器、防火墻和代理服務器。

     一個客戶機/服務器系統(tǒng)由一臺或多臺客戶機和一臺服務器組成?？蛻魴C和服務器通過網(wǎng)絡互相連接?？蛻魴C發(fā)送指定的請求給服務器，由服務器執(zhí)行?？蛻魴C和服務器有基于命令的關系?？蛻魴C和服務器必須連接在運行TCP/IP協(xié)議的LAN（局域網(wǎng)）上。此外，為了能夠打開項目文件，客戶機必須被授權以訪問服務器。

      WinCC/網(wǎng)頁瀏覽器技術的發(fā)展提供了這樣一種可能，我們可以把一個地區(qū)的溫室控制系統(tǒng)做成一個局域網(wǎng)，從而為整個地區(qū)溫室的集中監(jiān)控提供可能。

4 結束語

      本文設計的系統(tǒng)研制堅持以國產化為主體的原則，全部采用國內最新研究成果和硬件技術，這樣不僅降低了成本，節(jié)省了大量資金，而且其性能價格比也相對較高，改變了有些農業(yè)園區(qū)由于引進國外高檔連棟溫室造成的投資過大、運營成本過高的負債經(jīng)營狀況，又克服了有些園區(qū)由于基礎設施較差，采光保溫效果不好，作物產量低、經(jīng)濟效益差的局限性。