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

關鍵詞：溫室控制  智能化   監控  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，如溫室環境控制系統，施肥灌溉控制系統，工廠化育苗智能控制系統等，這些系統真正實現了溫室控制的智能化和自動化，但往往存在投資過大，系統維護不方便等各種發展制約瓶頸，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。開發低價位、實用型的農業智能計算機控制系統對于推進我國農業自動化、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水平實際又適合農民經濟承受能力、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是非常必要的。

      本文設計的系統可以模擬基本的生態環境因子－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，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、通風系統等），程序所需的數據通過傳感器實時采集。

      該系統的使用，可以為植物提供一個理想的生長環境，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。

      本控制系統具有的特點：

      （1）預測性：通過對氣候參數的分析，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）遠程監控功能：即使工作人員不在現場，也可以通過遠程監控系統對溫室內的設備參數進行監視和控制。

      （5）數據聯網功能：通過組態軟件，可將各種數據聯入局域網或INTERNET，真正實現數據共享。

2 控制系統方案論證

      2.1  控制系統方案比較

      2.1.1  PLC、DCS、FCS三大控制系統的基本特點

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

        ◆傳統PLC控制系統

     （1）從開關量控制發展到順序控制、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，不必知道通信協議，只要按說明格式設計就行。

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

      ◆DCS控制系統

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

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

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

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

     （5）模擬信號，A/D—D/A、帶微處理器的混合。

      ◆FCS控制系統

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

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

     （3）用兩根線聯接分散的現場儀表、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、多節點、串行、數字通信系統取代單變量、單點、并行、模擬系統。

    （6）互聯、雙向的控制系統取代單向的、封閉的控制系統。

     （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之間的差異

      ● FCS是由DCS與PLC發展而來，FCS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，在處理閉環控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網絡，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。差異要點有：

      ●DCS系統的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統DCS的脊柱。由于它的任務是為系統所有部件之間提供通信網絡，因此，數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是：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據公路。為了保證系統的安全性，使用了復雜的通信規約和檢錯技術。目前在DCS系統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數據的傳輸和接收，異步通訊則采用沒有時鐘的報告系統。

      ●FCS的關鍵要點有三點

      （1）FCS系統的核心是總線協議，即總線標準

      前面的章節已經敘述，一種類型的總線，只要其總線協議一經確定，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字化通訊傳輸為基本依據。但由于各種原因，各類總線的總線協議存在很大的差異。

      為了使現場總線滿足可互操作性要求，使其成為真正的開放系統，在IEC國際標準中的現場總線通訊協議模型的用戶層中，就明確規定用戶層應具有裝置描述功能。為了實現互操作，每個現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，所以可以使現場裝置實現真正的互操作性。

       (2)FCS系統的基礎是數字智能現場裝置

      數字智能現場裝置是FCS系統的硬件支撐，是基礎，道理很簡單，FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信號制。如果現場裝置不遵循統一的總線協議，即相關的通訊規約，不具備數字通信功能，那么所謂雙向數字通信只是一句空話，也不能稱之為現場總線控制系統。再一點，現場總線的一大特點就是要增加現場一級控制功能。如果現場裝置不是多功能智能化的產品，那么現場總線控制系統的特點也就不存在了，所謂簡化系統、方便設計、利于維護等優越性也是虛的。

      (3) FCS系統的本質是信息處理現場化

      對于一個控制系統，無論是采用DCS還是采用現場總線，系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現場總線后，可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒有減少，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場就地完成處理，減少現場與控制機房之間的信息往返。可以說現場總線的本質就是信息處理的現場化。

      現在一些帶現場總線的現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。選用哪一個現場儀表上的功能塊，是系統組態要解決的問題。

      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  控制系統設計要求

      日光溫室智能控制系統是一個涉及到溫度、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。因此，該系統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、穩定、可靠的工作；

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

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

      5、可以設定系統的控制狀態：手動控制狀態和自動控制狀態。在手動控制狀態下，系統只具有參數檢測和警告功能，對電機、水泵等控制設備不作控制。在自動控制狀態下，系統只具有參數檢測和警告功能，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，又具有數據遠傳、聯網功能；

      7、檢測中心的計算機通過網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  控制系統方案設計原則

      1、系統性能穩定，運行可靠。

      2、操作簡單，維護方便。

      3、整個系統易于擴展。

      4、運行經濟節能，維護費用低。

      5、性能價格比高。

     2.4 控制系統可靠性設計

      為了提高系統的可靠性,在設計中采取如下措施：

      1、現場控制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據。

      3、整個系統接地電阻小于1Ω。

      4、系統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PLC控制、DCS控制和FCS控制的比較，根據日光溫室控制的設計要求，考慮系統的功能完整性和成本預算，經過反復比較和論證，整個系統設計我們決定采用傳統PLC控制和DCS控制相結合的方式進行。

3 系統設計

      3.1  控制系統的組成及功能

      要構成一個控制系統，首先要根據控制要求配備各種硬件，然后把各個部件之間用網絡連接起來，這樣便形成了控制系統的框架。再通過軟件編程、組網，從而形成一個能實現一定功能要求的系統。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在當今的許多生產自動化領域已得到廣泛應用，這種系統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。

      本課題所研究開發的系統根據溫室中作物生長環境的要求，由上位控制計算機、現場控制單元PLC及各種執行機構和傳感器組成，系統的信息傳輸采用先進的PROFIBUS現場總線技術。本系統還綜合運用了計算機控制技術，網絡通信和模糊控制技術，實現了分散采集數據，集中操作管理，系統具有功能強大、性能優越、配置靈活、安全可靠等優點。系統的整體控制結構如圖1所示：

圖1系統結構圖

      3.1.1  前端控制單元的組成及功能

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

      1、現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機實現對整個系統進行功能設置、數據存儲、顯示打印等操作，也可聯入互聯網進行遠距離數據傳輸。上位機的管理程序的主要功能為可將室內外采集的參數值顯示至計算機屏幕，同時具有實時曲線、歷史曲線、參數設定、參數瀏覽、報警瀏覽、報表打印、數據存儲等功能。可在上位機上實現手動/自動切換，也可在手動條件下點擊屏幕按鈕實現開窗、遮陽、水泵、側窗等電機操作，真正實現遠程監控功能。

      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控制功能的各類執行機構。

      3.2.1 數據采集子系統設計

      數據采集是整個控制與管理系統的重要組成部分，要對環境和設備進行控制，必須要對環境和設備的狀態進行監測，經過分析決策，然后實施控制行為。可從以下幾方面進一步看出數據采集的重要性：（1）環境要素的變化（如溫濕度等）并非能準確直觀感覺到；（2）環境要素處于時刻變化之中，必須要進行連續和快速的監測；（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）數據圖表和圖像顯示更直觀可用等等。

      設施環境監測與數據采集的重點包括光、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：即植物的生理狀態不僅隨時間而變化，而且直接受環境影響。通過對植物本身生理狀態的監測，便能反應（告知）環境質量的優劣程度，達到環境優化控制的目標。從以上可看出，溫室監測與控制系統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據采集系統的關鍵性因素。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連接；3）可重復性，即在連續與重復操作過程中表現出的穩定性；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，在劇烈變化的環境下，仍能穩定輸出信號，或能自我補償；6）自我診斷性，當傳感器自身或系統的某一部分出現故障時能自動檢測和報警；7）抗逆性，在惡劣條件下能穩定工作；等等。

      本系統采用的參數檢測系統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A/D變換成數字量。為了增強系統的抗干擾能力，對開關量的檢測，本系統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的影響，增強了系統的可靠性。

      1、溫度/濕度檢測

      在日常生活和生產中，我們經常要測量環境的溫、濕度，傳統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。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，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，發揮出強大的優勢互補作用。

      CMOSens技術的優勢首先在于，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。

      測量數據處理

      為了將SHT71輸出的數字量轉換成實際物理量需進行相應的數據處理。

      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據，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，按如下公式對環境溫度進行補償。

      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，應發出"傳輸開始"命令，命令包括SCK為高時，DATA由高電平變為低電平，并在下一個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SCK 9次以上（含9次），并隨后發一個前述的"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，是長英科技繼數字化、網絡化溫濕度一體化傳感器之后，推出的又一款多功能數字化、網絡化傳感器，其高精度、功能集成、方便的現場校準/安裝，是又一款經濟性、方便性和先進性完美統一的典范。

      3、光照強度檢測

      檢測系統采用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字量，在同類產品中尚屬首創。該器件主要性能參數如下：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規范V1.1和V2.0的要求。

      3.2.2 控制子系統的設計

      控制系統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、二氧化碳發生器等設備實現全自動控制，也可以根據需要實現手動控制。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的影響，對這些被控對象的控制，本系統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，就必然增強了系統的可靠性。

      1、加溫系統

      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，該系統是溫室中的必配設備，因電加溫耗資較大，本系統并未采用。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

      其主要由濕簾紙墊、軸流通風機及供水系統組成。考慮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，能滿足作物對濕度及溫度的生長要求。它是根據自然界水蒸發降溫的原理，通過特制的疏水濕簾，使濕簾表面完全濕透，再通過另一端風機使溫室內形成負壓區，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，從而達到理想的降溫效果。特別是干燥地區，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

      滴灌：滴灌系統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：懸掛式微型噴灌系統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：系統通過外部，內部的環境參數傳感器及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不同的肥料配方，以滿足不同灌溉區內不同作物的需要。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

      自動卷膜（開窗）通風系統和軸流風機通風系統，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碳酸鉀發生機使用效果表

      6、內外遮陽系統

      系統根據安裝的位置不同又分為外遮陽和內遮陽兩種。

      外遮陽系統：該系統可以從多方面來改善作物的生長環境，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黃枯萎、獲得更為適宜的生長環境，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：除具有外遮陽系統的功效外，還具有以下功能：該系統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，可提高室內該系統在某種程度上可減少溫室內作物及土壤水分的蒸發，減少灌溉用水量，達到節水的效果。 

      遮陽系統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、造價低等優點；而具有傳動平衡，可靠性高等優點，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。本系統通過控制傳動電機的啟停來達到調節溫室內陽光強度的目的。安裝限位開關后，該部分可實現完全自動控制。

      7、補光系統

      當自然采光不能滿足作物光合作用時，人工補光系統根據作物的基本要求和環境條件，自動補光，確保了作物生長所需的光能。本系統采用農業專用補光燈具，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燈光強度的目的。

      3.2.3 前端控制單元軟件設計

     位于現場的以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期間所發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、計數器等基本機構裝置，直到可編程控制器PLC 出現后，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配電盤無法表達的指令，如加、減、乘及除等數值運算功能。無論傳統梯形圖或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。 

    . 梯形圖的優點是編程時采用的類似于傳統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）及計數器（Counter）等得到的。

     3.3  數據通訊系統的設計

      3.3.1  數據通訊概述

      數據通訊可根據要求使用不同的通訊網絡，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據――從管理級也可以訪問其它站點。對于管理級，以太網是主要的網絡類型，為了連接更遠的距離，在絕大多數情況下使用TCP/IP協議。

     （2）單元級

      在單元級，處理自動化任務。在該級別，操作和監控設備以及PC彼此連接。根據性能要求，主要的網絡類型是工業以太網和PROFIBUS現場總線技術。

      （3）現場級

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

      （4）  執行級－傳感器

      在執行級－傳感器級，主站與連接到其子網的執行器和傳感器進行通訊。該級別的特征是數據傳送量極小，可是響應卻很快。

      本系統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自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等以及其它的自動化領域。PROFIBUS根據應用特點分為：PROFIBUS－DP，PROFIBUS－FMS，PROFIBUS－PA三個兼容版本。

     （1）PROFIBUS－DP：主要用于現場級的高速數據傳輸、解決自動控制系統（如PLC、PC等）通過高速串行總線與分散的現場設備（I/O、直流調速器和閥門等）之間的通訊任務。使用PROFIBUS－DP可取代現場昂貴的24V或0～20mA的并行信號線。自動控制系統與分散的現場設備間的數據交換多數是周期性的，而對智能化現場設備還需要有非周期性的數據交換（如組態、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：一般用于工業通訊分層中現場層和單元層的通訊任務，旨在解決車間監控級通訊。由于這一級處在工廠自動化系統的中間層，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的快速反應更為重要。FMS除解決智能現場設備（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。

       ◆. PROFIBUS協議結構

       PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準、以開放式系統互聯網絡（Open System Interconnection OSI）作為參考模型的。現場總線采用簡化的網絡體系結構，具有類似于OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層的3層協議或進一步包括網絡層或傳輸層在內的4層協議。流量控制和差錯控制放在數據鏈路層執行，而報文的可靠傳輸可以放在數據鏈路層或者應用層執行。這種協議具有結構簡單、協議程序的設計靈活、執行直觀、性能良好等優點。這種流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效，用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可以調用的應用功能。

      3.4 上位機監控系統設計

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

     （1） 對各控制站的狀態信號進行監控。

     （2） 利用直觀的動態畫面來模擬控制對象的工作狀態。

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

     （4） 可以進行各工作參數（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）參數的修改。實現操作人員對生產過程的人工干預，如修改給定值、控制參數和報警限等。

其使用的SIMATIC WinCC軟件具有方便的數據通訊及強大的組態功能。

      3.4.1 組態軟件 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。可以容易的結合標準和用戶程序生成人機界面，準確地滿足實際要求。與其它監控系統相比較。

      3.4.2 上位監控軟件設計

      ◆. 上位監控軟件的開發

      在設計上位監控軟件監控畫面時，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：進入控制系統按鈕和退出控制系統按鈕。

      2、口令保護：選擇了進入控制系統按鈕后，出現口令保護窗口。為防止非專業人員進入控制畫面，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，上面輸入區內輸入身份名，下面輸入區內輸入密碼。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，而且系統采集的各數據信息能在相應的動態畫面上實時顯示。

     （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：包括各種參數的設定和各個電機的操作。棒圖的顯示只需單擊相應的數字顯示區域，便會彈出。參數的設定在畫面的左側，拖動相應參數的滑塊（中間的指針跟著轉動到相應的百分數處），主要是對溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等參數的設置。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：一旦出現故障，控制畫面左上角的報警燈開始閃爍，出現事故的溫室和溫室中的設備將會顯示在特定的區域，點擊可進入相應的報警控制畫面，了解報警信息。

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

      ◆. WinCC/網頁瀏覽器技術在本系統中的應用

      最近幾年，Internet技術的飛速發展促使其越來越多地應用到工農業生產中。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網絡，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/網頁瀏覽器使用戶可以通過國際互聯網Internet、企業內部網Intranet或局域網，對工廠的生產過程進行監視和操作。

     WinCC/網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據傳輸，這使得它在互聯網上性能異常出色。由于有快速的通訊連接，用戶在網上的數據更新時間和在本地WinCC工作站上是一樣的。

      在進入網頁服務器時，每個用戶必須表明用戶的身份，根據用戶進入權利，控制其對工廠監視或控制。除此之外，網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/服務器系統由一臺或多臺客戶機和一臺服務器組成。客戶機和服務器通過網絡互相連接。客戶機發送指定的請求給服務器，由服務器執行。客戶機和服務器有基于命令的關系。客戶機和服務器必須連接在運行TCP/IP協議的LAN（局域網）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/網頁瀏覽器技術的發展提供了這樣一種可能，我們可以把一個地區的溫室控制系統做成一個局域網，從而為整個地區溫室的集中監控提供可能。

4 結束語

      本文設計的系統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，改變了有些農業園區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營狀況，又克服了有些園區由于基礎設施較差，采光保溫效果不好，作物產量低、經濟效益差的局限性。