摘 要：溫室設(shè)施已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛地應(yīng)用。針對農(nóng)業(yè)溫室的全自動化控制的要求，作者研制了帶有組態(tài)思想的溫室自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以工控機(jī)或PC機(jī)為上位機(jī)，以嵌入式工控系統(tǒng)為下位機(jī)，可以全面控制溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度以及灌溉中的PH值和EC值等。這個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中考慮了組態(tài)的思想，可以應(yīng)用于大多數(shù)的常規(guī)溫室。 關(guān)鍵詞：溫室，組態(tài)，自動控制系統(tǒng) 1. 概述 　　1.1 溫室控制簡介 　　溫室控制系統(tǒng)是一種以節(jié)約能源，提高產(chǎn)量為目的的高效農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù)。溫室控制系統(tǒng)主要是通過計(jì)算機(jī)控制和外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體操作，創(chuàng)造與季節(jié)無關(guān)的適宜農(nóng)作物生長的人為環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)量，低能耗的大規(guī)模生產(chǎn)。 　　國外溫室的研制起步較早，荷蘭位于歐洲西部，現(xiàn)在共有玻璃溫室1萬多平方公里，全部由計(jì)算機(jī)操作，其中蔬菜和花卉生產(chǎn)幾乎各占一半，每年出口近20億美元[1]。國外的一些領(lǐng)先的溫室控制公司已經(jīng)開發(fā)出了功能較強(qiáng)的溫室組態(tài)控制系統(tǒng)。國內(nèi)的溫室控制，尤其是大中型溫室的控制，離先進(jìn)水平還有一定的差距。這種差距主要體現(xiàn)在溫室控制的組態(tài)，控制的精度和能源的使用效率這三方面。 　　1.2 系統(tǒng)的特點(diǎn) 　　作者在設(shè)計(jì)這個溫室控制系統(tǒng)時加入了組態(tài)的思想，用戶只需在人機(jī)界面上設(shè)置一些系統(tǒng)配置和參數(shù)，就可以應(yīng)用于各種常規(guī)溫室。組態(tài)技術(shù)是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的關(guān)鍵，應(yīng)用組態(tài)技術(shù)可以開發(fā)出工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控軟件，從而保證控制系統(tǒng)的可靠性和控制質(zhì)量[2]。一般的溫室控制系統(tǒng)，由于各地的條件不一，外部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不完全相同以及系統(tǒng)控制的參數(shù)也會有一定的變化，在具體應(yīng)用時，要根據(jù)具體情況進(jìn)行修改。比如：有的溫室增加二氧化碳的監(jiān)測和施放裝置，那控制系統(tǒng)中也要相應(yīng)地增加對二氧化碳的控制。這樣的話，就要對溫室控制系統(tǒng)作一定的修改，尤其要對系統(tǒng)軟件中的控制部分進(jìn)行修改。本溫室控制系統(tǒng)應(yīng)用組態(tài)的思想，考慮了溫室中的各項(xiàng)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以通過系統(tǒng)設(shè)置后應(yīng)用于各類具體溫室。 　　本溫室控制系統(tǒng)對溫室的溫度控制比較精確。由于作物生長因素（如溫度、濕度、二氧化碳濃度等）大都是多輸入、多輸出的非線性控制變量，我們采用動態(tài)的，帶反饋的實(shí)時監(jiān)測對溫室進(jìn)行控制。其中，溫度是影響作物生長的最重要因素之一，所以我們對溫度的具體控制算法和控制策略進(jìn)行具體的研究。經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)得出，本系統(tǒng)的溫度控制誤差在1度以內(nèi)。 　　1.3 系統(tǒng)的功能 　　本文的溫室控制系統(tǒng)主要有以下功能： 　�。�1）以數(shù)據(jù)和曲線兩種形式顯示溫室內(nèi)各小區(qū)和室外環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，用戶可以查詢室外氣象參數(shù)以及溫室的室內(nèi)參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況的當(dāng)天數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線。系統(tǒng)24小時采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)向、風(fēng)力強(qiáng)度、雨感、二氧化碳濃度、PH值、EC值等模擬量，還同時采集天窗、側(cè)窗、內(nèi)簾、外簾、循環(huán)風(fēng)扇、補(bǔ)光燈等狀態(tài)開關(guān)量，并且存入上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫。 　�。�2）上位機(jī)人機(jī)界面集中顯示當(dāng)前溫室內(nèi)及室外的各項(xiàng)參數(shù)當(dāng)前值。 　�。�3）用戶可以選擇自動控制或手動控制。一般使用自動控制，此時，系統(tǒng)根據(jù)用戶事先設(shè)好的各項(xiàng)參數(shù)，對溫室環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)有較完善的灌溉控制子系統(tǒng)，可以通過多種控制方式進(jìn)行灌溉自動控制，比如：按日時鐘控制，按周時鐘控制，按光照強(qiáng)度控制等。在手動控制情況下，用戶可以通過上位機(jī)的手動操作界面控制溫室內(nèi)的設(shè)備。 　�。�4）系統(tǒng)的人機(jī)界面里包含了工程師調(diào)試與組態(tài)界面。系統(tǒng)工程師通過這個界面可以方便地進(jìn)行整個溫室控制系統(tǒng)的組態(tài)和調(diào)試。 2. 系統(tǒng)硬件 　　整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　上位機(jī)主要提供整個系統(tǒng)的人機(jī)界面和歷史數(shù)據(jù)的保存。用戶通過上位機(jī)，可以設(shè)置控制參數(shù)，觀察溫室環(huán)境狀況，進(jìn)行系統(tǒng)配置，打印報(bào)表和其他一些輔助功能。 　　下位機(jī)則是這個控制系統(tǒng)的主體部分。下位機(jī)的主板采用一塊PC104嵌入式單板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自帶了MMX 300MHz的CPU，板上主要包含了Flash接口，內(nèi)存接口，RS232/422/485串口，RJ45以太網(wǎng)網(wǎng)口，VGA顯示器接口，PS/2鼠標(biāo)鍵盤接口和PC104總線等。下位機(jī)通過RS232串口與室外的氣象站進(jìn)行通訊，氣象站采用總線結(jié)構(gòu)[3]把室外的溫濕度、輻照度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等數(shù)據(jù)實(shí)時地傳給下位機(jī)。通過以太網(wǎng)網(wǎng)口，上下位機(jī)進(jìn)行通訊，主要是控制參數(shù)和顯示參數(shù)的傳遞。數(shù)字量輸入輸出模塊和模擬量輸入模塊都架設(shè)在主板的PC104總線上。下位機(jī)系統(tǒng)和外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間采用了光電隔離，可以防止一些外部干擾，還能防止外部電路短路對下位機(jī)造成破壞。 3. 系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu) 　　本控制系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件，采用Delphi和Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編程。系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示： [align=center] 圖2 系統(tǒng)控制流程圖[/align] 　　從圖中，可以看出，自動控制部分的執(zhí)行是由軟件定時器中斷控制的，一到所規(guī)定的時間周期，軟件就會執(zhí)行自動控制的程序。執(zhí)行完后，便等待下一次執(zhí)行。系統(tǒng)就能夠不斷地一定周期地執(zhí)行自動控制。由于溫室里的氣候?qū)儆诩儨蟠髴T性、強(qiáng)擾動的氣候類型，而且溫室控制必須滿足植物的植保要求，溫室內(nèi)的溫度，濕度等被控量不允許急劇變化。因此用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，在系統(tǒng)設(shè)置中修改自動控制地執(zhí)行周期，但這個周期的值一般在15秒到120秒之間。這個區(qū)間既保證了溫室控制的一定的實(shí)時性，也能夠避免由于執(zhí)行周期過短，出現(xiàn)系統(tǒng)來不及執(zhí)行的情況的出現(xiàn)。 　　軟件系統(tǒng)的主要功能劃分為自動控制部分，手動控制部分，系統(tǒng)配置和輔助功能部分。 　　自動控制部分負(fù)責(zé)根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)或要求對溫室的環(huán)境進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動控制。自動控制部分主要包含溫度控制子系統(tǒng)、濕度控制子系統(tǒng)、灌溉控制子系統(tǒng)及其他一些較小的控制子系統(tǒng)（二氧化碳控制、補(bǔ)光燈控制等）。灌溉子系統(tǒng)的主要作用就是將水與營養(yǎng)物質(zhì)充分混合而配置成作物生長所需的營養(yǎng)液，然后根據(jù)用戶設(shè)定的灌溉施肥程序通過灌溉設(shè)施適時適量地供給作物，保證作物生長的需要[4]。 　　手動控制部分能對溫室中各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動實(shí)時控制。輔助功能部分管理用戶的帳號和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置權(quán)限等。系統(tǒng)配置部分，將在下面的系統(tǒng)組態(tài)中作具體介紹。 4. 系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì) 　　4.1 組態(tài)的核心——標(biāo)記名機(jī)制 　　此次開發(fā)的溫室控制系統(tǒng)的組態(tài)是以標(biāo)記名機(jī)制為核心，建立與實(shí)際系統(tǒng)存在對應(yīng)關(guān)系標(biāo)記名鏈。標(biāo)記名是實(shí)際系統(tǒng)中各控制量的邏輯抽象，是與硬件直接相關(guān)的名稱。在系統(tǒng)中各種控制量，包括模擬量和數(shù)字量都必須存在這種一一映射關(guān)系。系統(tǒng)的控制就是通過對這些標(biāo)記名值的改變來實(shí)現(xiàn)的。每個控制量都由標(biāo)記名來區(qū)分，我們稱之為系統(tǒng)標(biāo)記名。與此對應(yīng)的，在控制回路中的每個中間環(huán)節(jié)都由中間標(biāo)記名來區(qū)別。系統(tǒng)標(biāo)記名是控制系統(tǒng)輸出量的體現(xiàn)，包含了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，模擬量和數(shù)字量的輸入、輸出的大小。而中間標(biāo)記名則是計(jì)算處理的媒介，通過它可方便地處理控制過程中各個環(huán)節(jié)。標(biāo)記名機(jī)制既便于數(shù)據(jù)庫的維護(hù)，又便于控制系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)。有了這種機(jī)制，我們就可以在實(shí)際的組態(tài)軟件開發(fā)中，分工協(xié)作地開發(fā)相對獨(dú)立的基本功能模塊，最后形成實(shí)用的組態(tài)軟件。 　　我們選取一種DBMS（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）來實(shí)現(xiàn)對標(biāo)記名的管理，本系統(tǒng)采用Access，用于設(shè)計(jì)標(biāo)記名庫的結(jié)構(gòu)，及完成對標(biāo)記名實(shí)時值和報(bào)警信息的錄入、插入、刪除、修改等操作。畫面組態(tài)模塊及控制組態(tài)模塊均通過ODBC接口讀取標(biāo)記名信息。由于像Access之類的數(shù)據(jù)庫軟件擁有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)庫管理能力，此種方案極適用于監(jiān)測點(diǎn)很多的情況，其最大優(yōu)點(diǎn)是能充分利用數(shù)據(jù)庫功能，易于查詢及對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理。 　　在溫室現(xiàn)場，工控計(jì)算機(jī)采集的監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)和控制機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)分為四類，即：模擬量輸入，模擬量輸出，數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出。比如：室外的溫濕度都屬于模擬量輸入類。所以我們將標(biāo)記名相對應(yīng)地分為模擬量輸入標(biāo)記名，模擬量輸出標(biāo)記名，數(shù)字量輸入標(biāo)記名和數(shù)字量輸出標(biāo)記名四類。 　　每一類標(biāo)記名都有其各自特點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如：在模擬量輸入類標(biāo)記名的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，主要包含了標(biāo)識名字段、狀態(tài)字、當(dāng)前工作量值、量程上限、量程下限、濾波方式、轉(zhuǎn)換類型、轉(zhuǎn)換系數(shù)、上限報(bào)警值、下限報(bào)警值、采樣周期、通道號、刷新周期等數(shù)據(jù)字段。 　　4.2 組態(tài)的結(jié)構(gòu) 　　本系統(tǒng)的溫室控制軟件的組態(tài)由三部分構(gòu)成：控制策略組態(tài)，監(jiān)控畫面組態(tài)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)。 　　控制策略組態(tài)的創(chuàng)建在策略編輯器中實(shí)現(xiàn)，策略編輯器是一種功能模塊的設(shè)計(jì)環(huán)境[5]�？刂撇呗越M態(tài)負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的控制子系統(tǒng)內(nèi)部的具體控制策略，以及一些控制參數(shù)的設(shè)定等。比如：系統(tǒng)的溫度控制模塊是一個帶有組態(tài)思想的控制子系統(tǒng)。其中已經(jīng)包含了溫室中與溫度有關(guān)的常見的所有設(shè)備或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。軟件系統(tǒng)會根據(jù)用戶在系統(tǒng)組態(tài)配置中的小區(qū)設(shè)備設(shè)置來自動判斷溫室各小區(qū)的設(shè)備情況，自動地選用合適的控制流程�？刂撇呗越M態(tài)中還包含控制模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)置參數(shù)和可調(diào)參數(shù)的調(diào)整。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括功能參數(shù)和連接參數(shù)。以PID功能模塊為例，該模塊可通過溫室功能參數(shù)的確定，改變PID控制的實(shí)際形式。連接參數(shù)用于表示控制模塊與外部的連接關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)標(biāo)記名機(jī)制必不可缺的一部分。通過確立這種連接關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測、控制等各種手段。 　　監(jiān)控畫面組態(tài)是調(diào)用組態(tài)后的結(jié)果，對控制現(xiàn)場進(jìn)行顯示，實(shí)時處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并且實(shí)時報(bào)警�？紤]到畫面的刷新和顯示的效果等有關(guān)因數(shù)，每個窗口都是一個可自由組態(tài)的獨(dú)立空間。監(jiān)控畫面組態(tài)的基本子模塊包括： 　�。�1） 圖形界面生成模塊：該模塊提供多種溫室設(shè)備圖素，可編輯各種動態(tài)顯示點(diǎn)和 流程圖，方便地連接動態(tài)點(diǎn)、實(shí)時點(diǎn)和歷史點(diǎn)。 　�。�2） 報(bào)警模塊：用戶可在報(bào)警模塊設(shè)置下限報(bào)警和上限報(bào)警等報(bào)警點(diǎn)，方便地實(shí)現(xiàn)了界面動態(tài)報(bào)警和聲音報(bào)警，并提供了報(bào)警記錄。 　�。�3） 報(bào)表生成模塊：該模塊使用戶可對報(bào)表進(jìn)行編輯，生成數(shù)據(jù)庫中各記錄點(diǎn)的值。 　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)則是實(shí)現(xiàn)組態(tài)的核心部分，控制策略部分和監(jiān)控畫面部分都要經(jīng)過它來控制硬件。一方面此模塊要采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理。在寫入數(shù)據(jù)庫的同時，還要根據(jù)組態(tài)要求將有關(guān)數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控畫面組態(tài)進(jìn)行處理并顯示。另一方面要傳回控制策略組態(tài)部分的控制命令，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。它是整個系統(tǒng)中軟件與硬件設(shè)備的橋梁。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)的基本子模塊包括： 　�。�1） I/O模塊：根據(jù)通訊協(xié)議，控制系統(tǒng)下位機(jī)的模擬量輸入和數(shù)字量的輸入輸出。 　�。�2） 數(shù)據(jù)庫生成模塊：該模塊包括實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，可編輯數(shù)據(jù)庫的記錄，對數(shù)據(jù)庫記錄進(jìn)行轉(zhuǎn)換、連接和存檔。 　�。�3） 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊：管理上下位機(jī)之間的通訊協(xié)議的配置，使系統(tǒng)可以基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)行。 　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)主要體現(xiàn)在軟件的系統(tǒng)配置部分。用戶通過系統(tǒng)配置，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置溫室的小區(qū)數(shù)和各小區(qū)內(nèi)的不同設(shè)備的狀態(tài)。不同用戶會使用不同的傳感器，而不同的傳感器由于它們的性能指標(biāo)以及參數(shù)轉(zhuǎn)換上的差異，會影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的正確性。所以在系統(tǒng)配置里面，用戶還可以選擇不同類型的傳感器，或者自己定義所用傳感器的各項(xiàng)參數(shù)，例如：是電壓傳感器還是電流傳感器，傳感器的量程范圍等。這個部分也是系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)組態(tài)思想控制的關(guān)鍵。通過用戶的設(shè)置，系統(tǒng)就知道具體的小區(qū)數(shù)和小區(qū)中的具體設(shè)備及其數(shù)量。這樣，系統(tǒng)就可以對各小區(qū)進(jìn)行有針對性的控制。 　　4.3 組態(tài)的步驟 　　這個溫室控制系統(tǒng)組態(tài)的具體步驟為： 　　第一步，對被控系統(tǒng)分析，制定合理的硬件方案，選擇好有關(guān)器件。系統(tǒng)工程師進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括設(shè)備，結(jié)構(gòu)以及控制模式等方面的設(shè)計(jì)。 　　第二步，確定標(biāo)記名，即進(jìn)行數(shù)據(jù)組態(tài)。從系統(tǒng)角度來看，它應(yīng)該說是組成控制組態(tài)的一部分。我們將整個控制對象用標(biāo)記名機(jī)制來抽象，使用戶無需關(guān)心硬件結(jié)構(gòu)，只要了解它們的控制邏輯關(guān)系即可。 　　第三步，是決定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。建立標(biāo)記名鏈接，在這里意味著每一個模塊的輸入、輸出都能和另一個模塊進(jìn)行鏈接。這樣就能將系統(tǒng)軟件已經(jīng)提供的標(biāo)準(zhǔn)控制模塊組合成相當(dāng)復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，就可以完成各種系統(tǒng)的控制要求。 　　第四步，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控的要求靈活地對系統(tǒng)的各種控制畫面進(jìn)行劃分和實(shí)現(xiàn)。遵從方便、實(shí)用的原則，能直觀地反映溫室現(xiàn)場的情況和控制的效果。 5.結(jié)論 　　這個系統(tǒng)已經(jīng)投入溫室實(shí)際運(yùn)行，組態(tài)化設(shè)計(jì)大大減輕了溫室系統(tǒng)工程師的工作，控制效果理想。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 于海業(yè)，馬成林，陳曉光;發(fā)達(dá)國家溫室設(shè)施自動化研究的現(xiàn)狀[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1997.9，Vol.13，Sl 　　[2] 鹿玲杰，田燕燕，陳東方等;組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法[J];大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2001.3，Vol.25，No.1 　　[3] 李樹忠，王春芳，張振;自動氣象數(shù)據(jù)采集站組態(tài)軟件設(shè)計(jì)[J];青島大學(xué)學(xué)報(bào)，1998.6，Vol.2，No.2 　　[4] 以色列Eldar-Shany農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)自控技術(shù)公司;灌溉和溫室氣候自動控制系統(tǒng)[M];1999.7：第九章 　　[5] 楊晨，鐘晶亮，常濤;分布式控制系統(tǒng)可視化組態(tài)仿真軟件開發(fā)[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1999.8，Vol.11，No.4