智能温室大棚控制系统的研究与实现.doc

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1、硕 士 学 位 论 文题目智能温室控制系统的研究与实现作者姓名培养单位自动化与电子信息工程学院导师学科专业模式识别与智能系统研究方向智能控制完成日期 2011 年 4 月 5 日授予学位日期 2011 年 6 月 27 日国内图书分类号： 密级： 国际图书分类号：.四川理工学院研究生学位论文智能温室控制系统的研究与实现 年级：2008级 姓名： 申请学位级别：硕 士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：二一一年五月中国自贡Classified Index: U.D.C: Sichuan University of Science & EngineeringMaster Degree Thesi

2、s The Research and Realization on Control System for Intelligent Greenhouse Grade: 2008 Candidate: Academic Degree Applied for: Master Major: Pattern Recognition and Intelligent System Supervisor: May.2011Zigong.China独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已

3、经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川理工学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和单位，已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本学位论文成果是本人在四川理工学院读书期间在导师指导下取得的，论文成果归四川理工学院所有，特此声明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日 期： 关于论文使用和授权的说明本人完全了解四川理工学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)学位论文作者签名：导

4、师签名：日 期： 学 位 论 文 出 版 授 权 书本人完全同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程（以下简称“章程” ），愿意将本人的学位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在中国优秀博硕士学位论文全文数据库中全文发表。中国优秀博硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入CNKI中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。作者签名： 导师签名： 年 月 日 年 月 日 论文题目： 论文级别：博士 硕士 所属院所： 毕业院校： 毕业年份： 作者联系电话： 作者通信地址： 研究生学号： 备注：

5、注：中国优秀博硕士学位论文全文数据库编辑委员会联系方式： 中国学术期刊（光盘版）电子杂志社 合作中心 联系电话：010-62791951 62794745 62791814 传真：010-62791814 通信地址：北京清华大学邮局84-48信箱 合作中心 邮编：10008智能温室控制系统的研究与实现专业：模式识别与智能系统研究生： 指导教师： 摘要智能温室作为新的种植技术，已突破了传统农作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。而智能温室的控制系统是实现其生产自动化、高效化的最关键、最重要的环节。针对目前温室控制系统智能化程度低、控制方法低效落后的状况，本课题设计

6、并实现了集智能检测、通信技术、神经网络、自动控制于一体的新型智能温室控制系统。利用嵌入式技术进行环境参数的自动检测和可靠传递；运用神经网络PID算法对数据进行智能优化，实现了对温室系统高效精确的自动控制。 硬件方面包括单片机系统、液晶显示、键盘检测、光电隔离、实时时钟、无线通信、U盘和SD卡存储、串口通信、CAN总线通信、数字和模拟传感器接口等硬件电路的设计。软件方面包括上位机和下位机软件两部分的设计，上位机采用基于对象的编程软件Borland C+ Builder完成，下位机软件包括CAN通信协议、CC1100无线通信协议、数字和模拟传感器的操作、液晶和键盘的综合操作界面等软件的编写。论文的

7、主要创新点：（1） 采用多传感器融合技术进行环境参数的智能检测，引入了工业现场总线进行信息的传输和通信；（2）该控制系统采用多级模块联合协调、分级控制的逻辑体系，克服了以往控制系统控制结构简单、控制逻辑混乱的弊端。（3） 提出了基于神经网络的PID控制策略，解决了温室固有的强耦合、强滞后和难以建立数学模型的难题，适合多因素、多参量的温室环境控制，真正实现了温室控制的智能化。关键词： 智能温室；自动控制；智能检测；通信技术；神经网络PID The Research and Realization on Control System for Intelligent GreenhouseMajor：

8、Pattern Recognition and Intelligent Systempostgraduate： Supervisor： AbstractIntelligent greenhouse as a new crop technology has broken the traditional crop planting restricted in region,natural environment, weather and so many other factors, plays an important role in the agriculture. The intelligen

9、t control system is the most pivotal and important part in achieving producing atuomation and high efficiency.With the default of intelligent lower and the control methods older in the control of greenhouse, a novel smart greenhouse control system incorporated with intelligent detection, communicati

10、on technology automatic control and neural networks, is designed and implemented in this paper.Environmental parameters using embedded technology for automatic detection and reliable delivery. To achieve accurate and efficient greenhouse automatic control, using neural network PID algorithm to proce

11、ss date in intelligent manner. The hardware part including the MCU core system, LCD display, keyboard detection, optical isolation, real-time clock, wireless communication, U disk and SD card storage, serial communications, CAN-BUS communication, digital and analog signal interface.The software part

12、 includeing upper computer software and lower computer software.Borland C+ Builder based on object-oriented programming is used to write the upper computer software.Lower computer software includes the CAN Communication protocols, CC1100 wireless communication protocol, digital and analog sensor ope

13、ration, interface of LCD and keyboard software and so on . Innovative contributions of this article are as follows：(1) Multi-sensor fusion technology is used to detect environmental parameters; industrial field bus is to transmit and communicate among the information.(2) To overcome disadvantages of

14、 control algorithms simple and control logic confused,the multi-joint coordination module and grade logical control system is used in this control system.(3) A PID control strategy based on neural network is proposed to solve the problem of strong coupling inherent, strong hysteresis and difficult t

15、o establish accurate mathematical model with the greenhouse. By this way, it is really to realize the smart in the greenhouse control with multi-factor and multi- parameter.Keywords：Intelligent greenhouse；Automatic control；Intelligent detectio；Communication technology；Neural network PID目录摘要IAbstract

16、II1 绪论11.1 研究目的与意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状21.3 本论文研究的主要内容及组织结构41.3.1 论文研究的主要内容41.3.2 论文的组织42 智能温室控制系统的总体设计62.1 智能温室控制系统的特点62.2 智能温室控制和管理的关键技术62.2.1 传感器技术72.2.2 温室控制器以及控制算法72.2.3 环境控制执行设施82.3 智能温室控制系统的总体结构82.3.1 总体系统设计原则82.3.2 系统总体结构102.4 本章小结113 智能温室控制系统硬件设计123.1 温室控制器的硬件设计123.1.1 微控制器

17、电路设计133.1.2 外围电路设计153.2 数据采集模块193.2.1 传感器的选型203.2.2 数据采集模块的电路设计213.3 开关量控制模块223.4 PCB设计的原则和抗干扰技术233.5 硬件调试心得233.6 本章小结244 智能温室控制系统的软件设计254.1 CAN通讯协议的设计和实现254.1.1 CAN总线性能特点254.1.2 CAN总线报文传输264.1.3 CAN总线通信的实现274.2 系统传输的通讯协议294.2.1 CAN总线应用层通信协议294.2.2 无线通讯的应用层协议334.3 下位机程序设计354.3.1 温室控制器的程序设计354.3.2 数据

18、采集和开关量控制模块的程序设计374.4 上位机程序设计404.5 本章小结435 神经网络PID控制445.1 传统控制系统的特性445.2 神经网络控制系统的特性455.3 神经网络PID控制系统465.3.1 PID算法465.3.2 PID控制器的传统参数整定475.3.3 基于神经网络的PID算法485.4 基于虚拟仪器LABVIEW的系统仿真515.4.1 虚拟仪器LABVIEW简介515.4.2 神经网络PID在LABVIEW中的模块化结构535.4.3 系统仿真及结果分析545.5 本章小结56总结与展望57参考文献58攻读学位期间发表的学术论文及研究成果62致谢63附录64附

19、录 系统原理图64附录 系统实物图661 绪论1.1 研究目的与意义智能温室是现代农业的重要组成部分，温室产业在我国农业中的比重不断增加，加快了我国现代化农业发展的速度。目前，我国温室面积遥遥领先世界各国，但是这些温室普遍智能化程度不高，缺少配套的技术和设备，应对自然灾害的能力很差，技术含量不高，对于温室环境的调控能力弱。造成温室产量不高，调节能力弱的根本原因在于缺少高效智能的现代控制系统1，如果进口国外的控制系统和配套的设备，那么生产成本极高，对于操作人员的要求也很高，同时在技术上受到知识产权和技术使用费的不平等剥削。因此，开发具有自主产权的，适应我国农业国情的智能温室控制系统就显得很有必要

20、。智能温室采用先进的科学技术进行设计，能够为种植的作物提供生长必需的良好环境，能够控制和调节温室的小气候，使得作物生长不再受限于温度、湿度、光照等外部因素。智能温室能有效的改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，实现了农业的科学发展2。智能温室控制集计算机科学、信息处理、控制工程、农业生物学、环境科学等于一体的多元综合性技术。温室控制系统要为农作物创造合适的生长环境，光照、温度、湿度、肥料等条件都要调控在适当的范围，要定制灵活多样的控制决策和管理策略，要适应作物种类的多样化需求，适应市场环境的多变，真正做到低投入、高产出、高质量的目标，体现出高科技温室的智能性和优越性。温室环

21、境中受控对象的不确定性和需求的多样性，使得温室控制比一般的工业控制更加复杂。如果采用常规的控制方法来处理这种多输入、多输出、非线性的控制过程就很难获得理想的结果。因此我们要从系统的控制算法和控制结构上进行彻底的改进，农业专家系统在温室中的运用满足了这些要求，这种专家系统是基于神经网络、PID控制基础上提出的50，在集合了众多控制算法的优点并结合温室特点建立的。将神经网络的智能控制方法运用到温室环境的控制中，提高了控制的自动化和智能化，真正意义上实现了温室控制的高效、自动化和节约能源，指明了温室产业的发展方向。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国外的温室栽培历史可追溯到公元前三年，从

22、上世纪七十年代开始，西方的发达国家投入了大量的研究力量和资金补贴发展现代农业，其中荷兰、美国、以色列、日本、加拿大等国家的现代农业技术十分发达，居世界领先地位。国外农业发达国家在温室环境的智能控制方面进行了大量的研究，取得了很多重要的研究成果。这些国家的温室种植规模大、自动化程度高、生产效率高，实现了温室内水分、温度、光照、二氧化碳、肥料等智能化控制。例如，以色列的智能温室根据作物对环境需求的不同，利用计算机对温室环境进行自动监测和调控，实现了作物全天候、周年性的高效生产；美国和日本等国家也采用了全智能化的控制生产体系，利用人工补充光照、视频监控、远程控制、智能机器手等先进的技术，大大提高了劳

23、动生产率和产品产出率3。如今，国外的智能温室产业有以下发展趋势：温室的面积呈扩大化趋势，在农业技术发达的国家，每栋智能温室的面积都在0.5hm2以上，这样便于机械化作业和立体栽培；建筑材料向多样化和多功能方向发展，气温较低的北欧国家采用玻璃覆盖，法国等南欧国家采用塑料；无土栽培技术迅速发展；融入机械化、工程化、自动化，多因子动态控制取代了单一因素控制；温室管理向智能化和网络化发展，温室生产向节能化、环保等方向发展；智能温室大多采用了微喷滴灌等技术进行作物灌溉，研究作物需水的专家知识库，以此为依据建立智能灌溉监控系统。1.2.2 国内研究现状我国的智能温室产业起步较晚，但发展很快，特别是日光温室

24、蔬菜生产是外我国农业种植中效益最大的产业。目前我国温室种植面积超过了60多万hm2,居世界首位。我国的日过温室在建筑结构、环境调控和无土栽培等方面的不断改进，形成了节能型日光温室。我国的日光温室大多以塑料为覆盖材料，逐渐向大型化和多样化方向发展。各地纷纷建立了现代化高效农业示范园，我国的温室面积虽然很大，但是智能化程度普遍不高，具有智能控制的温室仅占总面积的0.01%左右。我国在“十五”和“十一五”期间，在科技部的领导和组织下，实施了“工厂化高效农业研究与示范”项目，引进了现代化的温室设备和技术，通过借鉴和技术创新，进行了品种选育、无土栽培、温度湿度等环境因素的综合控制技术的研究和攻关，取得了

25、一系列的科技成果，有效地推动了我国智能温室的发展。有关的科研单位在温室的控制系统研究方面进行了很多的探索和研究，取得了可惜的成果4。同时结合我国的具体气候和农业发展水平，形成了具有自主特色的现代温室控制技术系统。节能型日光温室控制系统就是其中的典型技术创新，它能够在不同的地区、不同的气候下实现温室的智能化和现代化控制。在温室环境监测和控制决策的研究方面，我国的相关部门也取得了开拓性的进展。在温室环境控制和温室作物栽培技术方面，中国农业大学进行了卓有成效的研究。这些研究不仅推动了我国农业现代化的发展，构建了温室控制的理论基础，同时填补了我国温室智能控制方面的空白。但是这些控制系统都对多输入多输出

26、的多因子控制缺乏有效的控制，所以很难大面积推广。我国温室产业的发展存在以下问题：科学技术含量较低。中国的温室种植无论在设备本身还是栽培管理和控制方面，大多数的设施简陋，栽培管理以传统经验为主，控制手段采用人工方式，效率低，效果差。国内的温室环境控制系统与国外的相比较存在相当大的差距。而且国内现有的一些的研究成果很难真正懂得推广应用。环境调控技术和设备落后，缺乏理论基础与量化指标。由于大多数的温室设备简单、类型落后，因此环境的可调节程度和控制技术都比较有限。塑料温室往往受到自然灾害的影响无法生产。即使在正常的条件下，大多数的日光温室能进行的环境调控手段也仅有通风和避风等，对于温度过高、日光太强或

27、太弱都无法进行调节5。缺少优秀的温室控制软件。我国智能化程度较高的温室大都引进国外的控制系统，这些系统的使用费用很高，自行研制的控制系统稳定性和有效性有待提高6，多数采用单因子开关量进行调节，温室中温度、湿度、光照、CO2浓度等因素彼此存在着关联，环境因素的时间变化和空间变化很复杂，当改变某一环境因子时常会影响到其他的环境因子，使温室的调控呈现出动态的波动，很难达到合适的程度。因此，结合温室结构模型、作物生长的模型和温室生产的经济模型，开发出适应我国温室发展现状的优化控制软件很有必要7。1.3 本论文研究的主要内容及组织结构1.3.1 论文研究的主要内容本文针对我国温室发展的具体现状，在温室的

28、自动化控制和智能信息处理方面进行了有意义的研究和探索，改善了以往温室控制系统体系结构不合理，缺少优化软件和鲁棒性低等缺点，特别提出了基于神经网络的PID控制算法，综合了神经网络的智能信息处理和PID控制的可靠优点，从根本上适用了温室控制的智能化和自动化的要求8。作者早充分调研国内外温室控制技术的基础上，结合国内温室自动控制的要求，利用人工智能以及专家系统的优势，采用了主从结合、多级控制的体系结构，研制了本套智能温室控制系统。本文的主要研究内容有：1、温室控制的特性；2、控制电路的硬件设计；3、嵌入式系统的编程；4、现场总线通讯协议的研究和实现；5、基于图像界面的上位机软件编程；6、神经网络PI

29、D控制算法的研究和仿真。1.3.2 论文的组织论文的具体安排如下：第一章：引言。介绍了本文的研究背景以及本文的工作；第二章：智能温室控制系统的总体设计。介绍了智能温室控制系统的特点、关键技术和本系统的总体结构；第三章：智能温室控制系统的硬件设计。依次介绍了各模块硬件的设计方法和原理，归纳了硬件设计的原则和调试的心得；第四章：智能温室控制系统的软件设计。首先介绍了CAN总线的协议标准，设计了适合本系统的通讯协议格式，详细的阐述了温室控制器、数据采集模块、开关量控制模块各部分主要软件的设计思想，并给出了关键代码。描述了上位机的开发流程和功能组成；第五章：神经网络PID控制。将基于神经网络的PID算

30、法应用到控制系统中，给出了神经网络PID控制器的设计算法，对其中的关键技术进行了分析，给出了软件的仿真结果；第六章：总结和展望。对全文工作进行了总结，并结合本系统的实际情况提出了需要改进的工作要求。2 智能温室控制系统的总体设计2.1 智能温室控制系统的特点智能温室主要根据检测到的温度、湿度、光照、肥料等因素，通过控制对应的风机、微喷滴灌、湿帘、遮阳网等执行设备，依靠温室智能专家系统和用户设定的参数调节环境参数达到作物生长最适宜的程度9，同时，根据作物不同生长阶段对环境的需求不同而进行自动调节各个控制设备的状态，直到参数达到专家系统的要求。温室控制从环境因素控制可分为：单因子控制和多因子综合控

31、制。单因子控制就是在控制过程中只对某一因素进行控制调节，不考虑对其他因素的影响，这种控制技术比较简单，可操作性比较好，但是存在控制过程动态波动较大、控制逻辑冲突等问题，智能控制的效果不好10。多因子综合控制是相对于单因子控制而言的，这种控制技术在控制某一环境要素变化时还要考虑其他要素的变化情况，自动的做出相应的改变和调整，能最大限度的优化环境组合条件，是智能温室控制的发展方向。控制系统不仅要在功能上可靠有效，也要具有良好的用户界面，特别是上位机的控制软件。由于用户对于控制系统需求的多样性11，温室设备种类的不确定性，温室控制软件需要根据用户的实际情况进行组态组合，可以将通用的功能集成做好，根据

32、不同的现场需要在进行个性化的定制修改。2.2 智能温室控制和管理的关键技术温室作为相对封闭的环境，使得各种环境因素的控制相互制约和影响。温室控制不仅要对温度、湿度等主要因素进行调节12，还要兼顾光照、CO2、pH值、EC值、肥料度等因素的控制。温室种植的作物根据品种、地域、生长周期的不同对环境的要求也不一样，同时受到设备、种植人水平、资金等生产资料的限制，因此智能温室控制必须要在科学合理的方式下进行，使得控制系统高效的运行，总体而言，智能温室控制的关键技术主要有一下几点。2.2.1 传感器技术智能温室控制的基础首先要通过传感器进行环境参数的检测，传感器的选择对于获取数据的准确性和鲁棒性非常关键

33、。温室控制对于传感器精度的要求不高，但是温室特殊的高温、高湿度和培养液的高腐蚀性对于传感器的鲁棒性要求很高，即需要能长期耐高温、耐高湿、耐腐蚀的传感器。传感器的选择上除了测量范围、测量精度和适用场合等因素需要注意外，还要考虑传感器的输出信号，是模拟的信号还是数字的信号，甚至要了解清楚传感器的接口形式。这些对于后期数据采集模块的电路设计至关重要，了解清楚传感器与单片机的接口和温室中各种传感器的需求情况，就可以有针对性的在数据采集模块上设计好数字接口和模拟接口的数量。对于模拟接口还要考虑模拟量的输出形式13，明确电流输出还是电压输出，信号输出的范围和信号的采样频率，这些因素直接关系到电路的设计和数

34、据采集的效果。最后，传感器的成本也因要进行综合考虑比较，不一定购买昂贵的设备，但要满足一般的智能温室控制需要2.2.2 温室控制器以及控制算法智能温室控制系统设计的关键部分就是温室控制器的合理设计以及选取合适的控制算法。温室控制器要满足各种数据和命令的传输和处理，具有多种通信接口，能够为现场操作提供必要的人机接口，同时要有很高的鲁棒性和效率14。本项目的温室控制器具有结构简练、带有CAN总线、无线接口、串口等丰富的通讯方式；具有液晶和矩阵按键组成的人机交互系统；带有U盘和SD卡存储和时钟功能；满足了温室控制系统的数据传输、存储、转发和人机界面的需求。控制算法是智能温室控制系统的核心，只有采用合

35、适的控制算法，温室的各种控制才能达到准确有效的目的。在以往的温室控制中，常采用古典的PID控制和自适应控制，这对于简单控制和便于建立数学模型的控制对象能取得较好的效果，但对于温室这种大滞后、动态的难于建立模型的系统效果就会很差15。近年来，人工神经网络迅速发展，它具有学习能力、记忆能力、计算能力和智能处理能力，主要优点： 对于非线性关系可最大限度的近似计算，可以描述可控对象的特性，进行控制器的模型构建； 对于不确定的动态系统，可以通过自学习和自适应能力来进行动态模型的分析； 在神经网络的各层神经元中，存储了大量的有效确定性信息，具有了很强的看干扰性和稳定性； 采用了多层并发信息处理机制，提高了

36、数据的运算速度，节省了自学习的时间。人工神经网络的智能自学习特性有效的解决了温室系统非线性、多变量、大滞后、强耦合的问题，将人工神经网络、传统的PID控制算法结合成基于神经网络的PID控制，真正实现了子智能温室控制的自适应性和鲁棒性16。2.2.3 环境控制执行设施智能温室控制系统要调节各种环境参数最终通过执行设施完成，温室中的控制设施主要有通风设备、加热设备、遮阳和补光设备、CO2施肥设备、降温设备、微喷滴灌设备等17。微喷滴灌设备是温室的重要部分，主要作用就是给作物提供生长必需的水分，同时在温度偏高时18，能起到降温的效果。微喷滴灌根据具体情况选择是采用微喷还是滴灌。通风设备用于温室与外界

37、的通风换气，一方面可以降低温室内的温度，另一方面可以排出湿气和补充CO2。本设计在温室的侧面和顶部分别留有合适的通风窗户，对于温度和湿度的微少调节可以采用开启这些通风窗，另外在温室的侧面配备大功率的风机，可以快速的降温和排出湿气。在温室内部还设计了环流风机，可以使温室内的气压、温度、湿度分布均匀19。遮阳和补光设备也是温室比较关键的执行设施，温室是小气候环境，光照对于温度和湿度影响很大，当光照强度太强时，可以遮阳网遮蔽阳光，当温室外的光照太弱时，可以开启补光灯，进行人工补光。加热设备是高科技温室的必备部分，特别是对于北方的冬天，利用加热设备可以迅速提高温室的温度，保证作物的快速生长。CO2施肥

38、设备可补充植物光合作用必需的二氧化碳20。2.3 智能温室控制系统的总体结构2.3.1 总体系统设计原则针对温室控制的需求，考虑到温室内监测环境复杂、人员流动性大、信号干扰强、监测周期长等特点，综合考虑温室动态信息的采集、处理与传输以及通信可靠性，实现环境参数无死角、无盲区采集和传送21，实现对控制对象精确无误的调节控制，为了更好实现这些功能，系统研制应遵循以下几个原则:(1) 安全性安全性是温室控制系统设计一项最重要技术指标，它是指系统在正常工作或发生故障的情况下，不会对系统本身以及人员设备带来危险或灾难性后果。在温室环境中，系统工作在高温、高湿、高粉尘、高腐蚀等恶劣环境下，因此，系统应采用

39、本质安全的电路设计22。本质安全型电路是指在规定条件(正常工作和规定的故障条件下)产生的任何电火花和热效应都不能导致可燃气体的燃烧或爆炸的电路，其主要是通过限制电路的电气参数和采取相关的防爆保护措施，用以消弱电流产生的热效应和电火花。因此，系统电路设计要规范，避免短路，尽量降低正常工作时的电流、电压和功率，各电气参数不得高于额定值的三分之二，从而保证了监测系统设计的安全性23。(2) 鲁棒性鲁棒性也是温室系统设计的一项重要技术指标，它是指系统在正常工作的情况下能够实现预先设计的功能24，其主要包括硬件可靠性和软件可靠性，硬件可靠性主要是节点电路板的设计、布线、焊接，能否具有较强的防震防尘防爆，

40、保证系统的稳定性；软件可靠性就是系统能否长时间稳定的工作，能否实现无差错通讯、现场环境参数的采集、数据的无线传输以及显示报警等预先设计的功能，当系统网络中的某些模块出现故障，系统能够正常运行，不会造成整个控制系统的瘫痪。总而言之系统可靠性是衡量系统是否成功，产品能否在温室中推广应用的重要指标。(3) 可操作性和可维护性温室控制系统最终的目的是在农业生产中推广应用，所以要具有很好的可操作性，人机交互界面要简单实用，便于工作人员学习和使用。同时安装设备要步骤简单，系统必须具备安装方便、使用简单和管理容易的特点。温室系统一般都处在高温、高湿、高粉尘的环境下，给系统维修带来诸多不便。因此，系统设计一方

41、面要提高稳定性和可靠性，少出故障25，另一方面，要采用模块化结构和故障自诊断功能提高系统的可维修性，缩短维修时间。(4) 灵活性和扩展性灵活性是指系统可根据实际需要灵活配置其它设备或与其它系统相互兼容的能力，扩展性是指系统的网络规模26、功能及处理能力等方面能否随着农业生产需要不断进行优化升级。采用网络化、模块化、智能化设计既能提高系统的灵活性和扩展性，又能提高系统的可靠性和可维护性。(5) 精确性和实时性精确性是指传感器终端节点采集的环境数据要精确，传输过程中不能出现错码误码等问题，精确性太差温室控制系统将无法提供正常高效的控制调节；实时性是指系统各项功能的处理与被监测对象变化速度的适应能力

42、。一般来说实时性与微控制器功能有直接联系，另外与电路的复杂度、外界环境以及各模块的监测处理能力也有一定的关系。(6) 先进性先进性是对系统以上各项指标的综合评价，本系统根据国内外温室控制系统研究的最新理论成果，提出具有一定创新性的系统设计，采用先进的设计技术和优良的软硬件环境27。2.3.2 系统总体结构本控制系统采用分布式的体系结构，比以往的主机终端模式具有分布灵活，成本较低的优点。本系统采用计算机作为监控中心，主要负责温室控制器上传数据的存储、显示，可与多个温室控制器组网通信，实现了一机控制多温室的集中管理模式。温室控制器、数据采集模块、开关量控制模块都是基于单片机的嵌入式系统，计算机通过

43、无线传输与温室控制器通信，解决了现场布线不方便的问题，温室控制器通过现场CAN总线与数据采集模块和开关量控制模块通信。在本系统中每个温室都有一个温室控制器，可完成数据采集和控制的功能，有独立的液晶显示和键盘系统，可以独立的完成智能控制，同时把本温室的各种环境参数和系统的运行状态传输给上位机的计算机系统。系统的总体结构如图2-1所示：图2-1 总体结构图(Figure2-1 Overall structure)本系统的控制逻辑清晰，控制的鲁棒性和适应性比以往的控制系统具有明显的优势。数据采集模块负责所有传感器的数据采集，通过现场CAN总线传输给温室控制器，温室控制器将数据处理优化后通过现场CAN

44、总线把控制命令传输到开关量控制模块，实现了自动检测、智能处理、自动控制的自能控制系统。同时计算机充当的监控中心可对每个温室的温室控制器进行集中数据存储和监控，方便了温室种植的规模化管理。2.4 本章小结本章详细介绍了温室控制应该注意的问题和控制的关键技术，着重分析了温室环境参数的检测技术、控制算法、执行设备，提出了多层分布式的系统结构设计，并对系统的各部分进行了合理的功能规划，构建了一体化的智能温室控制系统。3 智能温室控制系统硬件设计智能温室控制系统的硬件电路设计主要包括：温室控制器、数据采集模块、开关量控制模块以及上位机的无线接收电路。由于本系统采用分布式的结构，多级控制的逻辑，所以各模块

45、之间的通信要求具有很强的鲁棒性28，硬件上要采用传输速率高、传输距离远的传输方式，最好带有总线仲裁机制。本项目选择CAN总线作为下位机各模块的通信方式，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于温室现场布线不方便，同时上位机与下位机传输的数据量不是很巨大，所以采用了无线传输的方式，考虑到无线传输的不稳定性，在软件上加入了响应机制和CRC校验。3.1 温室控制器的硬件设计温室控制器负责处理数据采集模块采集的环境参数，通过神经网络PID算法进行数据的优化，最后把优化好的命令参数发送到开关量控制模块。用户可通过液晶和键盘等人机交互界面完成现场的参数设置，也可在上位机进行参数的设定和修改。温室控制器自带的报警装置可对超出设定值的参数报警提示，数据也可存储在SD卡或U盘中。温室控制器的功能结构如图3-1所示。