智能温室环境参数的复合控制系统设计
本文根据各个环境参数的特点，针对不同的参数采用了不同的控制方案，提出了分布式温室复合控制系统方案，取得很好的控制效果。本系统扩展性强，可同时监控多栋温室，是一套通用性强，具有一定智能化、模块化、符合我国国情的温室控制系统。本文对温室的科学管理、自动化智能控制有着重要的指导意义。
1 控制算法与控制器设计
本系统采用复合控制方式，根据各个环境参数的特点，设计相应的控制方案。
在温室控制中，温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度对农作物的生长起主导作用，因而本文中以它们作为被控的环境参数。对参数的设置采用顺时循环控制，其顺序如图1所示。
1．1 温度、湿度的控制
通过调节加热蒸汽量、风机转速、水蒸气量和天窗开度对温度和湿度进行控制，这两个参量的耦合性很强，需要一同控制。此控制是一个多变量控制系统，存在大滞后性、强耦合性，很难获得精确的数学模型。本文采用广义自适应预测与模糊控制相结合的控制算法，自适应预测技术预测温湿度一定时间后的状态情况，并将一定时间后的状态引入到当前控制中，提前对其进行控制，消除滞后性；考虑到温湿度在温室系统中耦合性较强，很难单独控制，利用模糊控制器制定规则表，对二者相互影响的效果进行反向消除，起到解耦作用。控制器的整体结构如图2所示。
图中ri(t+di)为温度和湿度的给定值，yi(t+di)为di时间后的温度和湿度预测值，ei(t+di)为di时间后的温度和湿度的偏差，ui(t)为得到的当前时刻的控制量(包括加热蒸汽量、风扇转速、水蒸气量和天窗开度)，yi(t)为当前时刻的温度和湿度测量值。
本文所设计的温室控制系统是一个多输入-多输出(MIMO)的系统，控制量为热蒸汽量、风扇转速、水蒸气量和天窗开度，被控量主要为温度和湿度，因而模糊控制器也是一个MIMO的控制器，考虑到模糊控制器本身的解耦特点，可将一个MIMO分解为几个多输入一单输出(MISO)的模糊控制结构。模糊控制的输入选择为温度和湿度的偏差量，输出分别为热蒸汽量、风扇转速、水蒸气量和天窗开度。
1．2 二氧化碳浓度的控制
二氧化碳浓度的控制方式如下：当CO2浓度高时，通过通风加以降低，当CO2浓度低时，通过喷洒CO2加以提高，这种控制方法时滞小，采用传统的PID控制即可。
(1)浓度低时，喷洒CO2，喷洒时间的长短由浓度确定，本程序提供了三个延时喷洒时间，同时将浓度低时的情况分为三个等级，其等级计算方式如式(1)所示。
由式(1)可知，当实际值处于某两个等级值之间时，采用高的等级值进行处理。
(2)浓度高于标准浓度允许范围时，采用开侧窗通风来降低浓度，侧窗开启大小分为三个等级，浓度高于允许范围每次只增加一级侧窗开启，以减少外界环境的影响；当浓度高于极限值时，侧窗全部开启，达到快速降低浓度的目的。
1．3 光照度的控制
对于光照强度的控制，采用调节灯光控制，这种控制方式基本上不存在滞后，实时性很强，因而采用比例控制方式。
如图3所示，系统不断采集调整，使光照度达到允许范围，为了防止形成死循环，采集调整上限次数设置为7(人工光照和遮光帘开启次数的和)。光处理照度时，首先判断参量是否超限，超限则执行机构增加一级。执行机构是人工光照和遮光帘，当光照度低于上限值时，执行机构动作原则是先关遮光帘，再开人工光照；当光照度高于上限值时，执行机构动作原则为先关人工光照，再开遮光帘，从而节约能源。
2 系统硬件设计
硬件系统采用分布式控制结构，由上下两级组成，一级是位于控制中心的上位机系统，二级是位于各个温室的现场控制器系统，如图4所示。
上位机采用PC机，下位机选用美国ATML公司的8位AT89C52单片机。通过单片机输出的高低电平，控制电磁继电器开／关，进而实现对温室的加热器、加湿器、侧窗、风扇、CO2喷洒机构、遮光帘、光照系统等机构进行控制，如图5所示，完成温室加热、加湿、通风除湿、降温、增加CO2浓度、遮光等控制功能。
温室控制系统中温度、湿度、光照、CO2是主要的控制参数，传感器把采集到的信息送给下位机，下位机以RS232方式与上位机进行串口通讯，将采集信息转送给上位机。数据通信的硬件采用三线制，将单片机和PC机串口的三个引脚(RXD、TXD、GND)分别连在一起，即将PC机和单片机的发送数据线TXD与接收数据线RXD交叉连接，两者的地线GND直接相连，而其它信号线如握手信号线均不用，采用软件握手的方式。这样既可以实现预定的任务又可以简化电路设计。
现场采集到的信号为模拟量，且信号较弱，需将检测的信号放大，转换为电压0～5V或电流4～20mA，放大后的模拟信号还需经过ADC转换成数字量，这时采集到的信号才能够被单片机所接收。
单片机系统接收到采集的信号，经过分析处理后，从I／O输出高／低电平控制信号，控制信号经过非门反向、光电隔离、三极管放大后，对电磁继电器开／关量进行控制，通过电磁继电器开／关的开／合，进而控制执行机构的通断，改变温室内的环境参数。
3 系统软件设计
本系统控制温度、湿度、CO2、光照四个参数，单片机对这四个参数采用顺序循环读取方式，在整个程序运行过程中，读取不同的输入检测信号后，按所检测到的信号类型进入不同的分支程序，如图6所示。
4 可视化控制界面设计
VB是一种可视化的编程语言，它在编程过程中提供了大量的功能控件，功能强大，编写简单，易于掌握。上位机系统中用VB编写的控制软件建立数据库，可以给采集到的数据提供充足的存储空间。控制界面可以设置随时间而变化的参数，并向下位机传送。主要功能特点如图7所示。
4．1 单个温室控制界面
如图8所示，该界面上显示温度、湿度、光照度、CO2浓度四个参数的实时采样值，并将一定时间内的采样值制成曲线。图中中间位置横线为标准值，上下边界为上下极限，曲线为四个采样值12小时内的变化情况。
4．2 控制参数下传界面
温湿度标准值等参数设置界面如图9所示，它主要包含两部分内容，分别是控制参数和延时时间。参数设置后点击设置按钮参数向下位机进行传递，并将设置好的参数传递给下位机，完成一次参数设置。
4．3 模糊控制表下传界面
上位机监控软件运行后，需要修改模糊控制表，点击控制表菜单，弹出模糊控制表图框，这时点击修改按钮，便可对模糊控制表进行修改。修改完成后，点击下传按钮，即可向下位机进行传送，传送完成后点击完成按钮，如图10所示。
4．4 可视化界面数据库
上位机软件数据库采用Access建立，数据库是可视化监控界面的重要组成部分。数据库界面如图11所示。
4．5 报警表存储报警数据
下位机向上位机传送的参数值与实际值进行比较，当超限时将进行报警，同时将超限参数、超限时间存入报警表中，用于以后分析处理。
模糊控制表、控制参数表、延时时间表等主要存储相应的控制参数，当界面上参数进行修改时，数据库存储的参数将同时修改。
5 结论
本文综合利用了计算机控制技术、单片机应用技术、自适应预测技术、模糊控制技术和串行通讯技术，设计了一套具有一定智能性的分布式温室复合控制系统，所取得的主要成果如下：
(1)复合控制方式。根据被控量的特性对CO2浓度实行比例控制，对光照度实行PID控制，对温湿度实行模糊控制和自适应预测控制，真正实现了温室的智能控制。
(2)完成了软硬件系统的设计。
(3)良好的人机界面。采用VB6．0进行控制界面设计，使程序简单、清晰，操作界面友好。
此外，本系统还具有范围广、价格低廉、稳定性高、人机友好等特点，具有较好的应用前景。