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1、基于PLC的温室智能灌溉控制系统研究摘要水资源的匮乏是当今世界面临的重大问题之一，已引起了世界各国的广泛关注。农业生产是我国第一用水大户，水资源的紧缺凸显出节水农业的重要意义。温室作为农业生产中重要的一部分，在农业节水中扮演着越来越重要的角色。我国温室大棚绝大多数采用传统的沟畦灌，水的利用率只有40%，温室灌溉设备和系统较发达国家落后，引进的设备价格昂贵品种较少，满足不了农业生产发展的需要。正是在这样的背景下，从我国温室灌溉系统和设备现状出发，展开了温室灌溉控制系统的研究。本文从影响作物生长的湿度环境入手，分析确定了温室灌溉决策因子，通过对比分析，选用滴灌方式进行温室灌溉，在此基础上，提出以P
2、LC作为现场控制器，设计了一套用于温室灌溉的控制系统。文章对整体方案进行了设计构思，提出以PLC作为下位机的分布式控制系统。之后对控制系统的硬件部分进行了设计，选用了三菱公司FX2N系列PLC，以及专用的A/D转换模块，并对传感器进行了选择。根据温室灌溉环境的特点，将模糊控制理论引入到灌溉控制系统中，温室土壤具有时滞性、非线性和纯滞后性等特点，而模糊控制的鲁棒性强可以满足系统的要求。根据长期操作者的灌溉经验和农业部门对灌溉实践的总结，参照一些成功的温室灌溉实例，编制了模糊控制规则，设计了模糊控制器。模糊控制器就以PLC为载体，通过PLC程序的编制，使模糊控制得以很好的实现。根据滴灌水运动规律，
3、本文制定了一套灌溉控制策略，依据策略进行PLC程序的编制，实现了温室灌溉控制系统的自动闭环控制。并用组态软件设计了上位机人机界面，实现了系统的监控、报警、数据采集、实时和历史信息的查询、手动和自动开关的转换的功能。通过模拟实验验证，说明了程序和上位机界面的可行性，并用MATLAB软件进行仿真验证，说明模糊控制器在灌溉控制中的优越性。系统达到总体设计要求，为温室灌溉控制的研究开发提供了一种思路方法。关键词：温室灌溉；土壤湿度；控制策略；PLC；模糊控制；第一章 绪论本章论述了选题背景、课题研究现状和选题意义，介绍了现代温室灌溉控制技术的发展动态及现状，温室灌溉控制系统的发展趋势。通过比较分析，得
4、出连栋玻璃温室的特点，在此基础上论证了论文研究的目的及意义，并阐明了本论文的主要研究工作及内容。1.1 研究背景随着农业现代化的发展及农村种植结构的调整，传统的农业设施和管理模式已经不能满足社会高速发展的需要，而不受外界环境限制的“温室农业”大有取而代之之势。节能、高产、高效，有诸多优点的现代温室受到越来越多的农业生产者的欢迎。温室设施的大小也出现大规模的趋势，近年来配有现代自动控制技术的现代化连栋温室迅速发展，温室自动灌溉控制正在逐步应用到现代温室的生产和管理中，温室灌溉自动控制的已成为现代温室设施一个重要的基本配置。温室形形色色、各式各样，现有的类型有许多种，以下是温室的几种划分方式：常见
5、的玻璃温室、盖有塑料薄膜的温室、硬质塑料温室、聚酯板温室，是按照覆盖材料的不同来划分的；根据使用目的不同，可以分为生产用温室、庭院温室、实验温室、观光展览温室、餐饮温室（生态餐厅）；根据建筑形式的不同可以分为塑料大棚、日光温室、单栋温室和连栋温室，等等。每一种温室都有它的特点，例如塑料薄膜温室，覆盖材料成本较低，承重结构和安装要求简单，但保温性和保湿性较差，容易燃烧；硬质塑料或聚酯板温室的常用材料有聚碳酸酯（PC板）、聚氯乙烯（PVC板）等，这些材料质量轻、强度高、透光率好、使用时间长，但投资费用较高；玻璃温室的透光性好、坚固结实，保温性也不错，但是质量较重，要求有高的承重结构，安装所需的配件
6、和密封材料价格较高，相比之下，总成本较前两种类型要高。在选用温室类型的时候，要综合各方面因素，比如成本、当地气候特点及用途等，结合温室类型特点，选择合适种类。温室的结构类型地方特点鲜明，本地区气候条件对温室的结构影响很大。在我国，塑料温室和日光温室在现阶段应用非常广泛，是我国生产性温室的主要类型。日光温室只有一个单坡面，可以说是在中国才有的独特形式，它是根据我国所处的地理位置和环境条件，有科技研发人员研制的有鲜明中国特色的产物，我国北方地区一个重要特点就是冬季有较多晴天，可以说是热源充足，日光温室利用北方环境的特点，设计的结构可以很好的吸收光线的能量，基本不需要额外的热源，就能达到保温加热的目
7、的。日光温室成本低，能耗低，透光好，取材方便，经济效益好，所以在我国北方地区得到了广泛的推广应用，近十几年来发展很快，至今仍势头不减。而我国南方地区也形成了以塑料薄膜温室为主体的园艺设施。与北方地区相比，我国南方地区的光热资源更为丰富，在寒冷的冬季这一特点更为明显，使得温室的运营成本更为低廉。在我们南方，主要有三种类型的温室：塑料大棚、PC板温室和玻璃温室，其中华南型连栋塑料温室、华南型单栋塑料温室属于华南地区温室的代表。圆拱形单屋面锯齿形尖拱形人字形Venlo图 1.1常见的几种温室结构示意图我国西南地区纬度较低，海陆位置更靠近夏季风源地，为亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和湿润，降水量
8、和光热均多于华北地区。以云南省为例，云南有山原、季风气候特点，在云南的水平方向的不同地方和垂直高度上有很大的气候差异。由于所处的地理位置特别，海拔较高，因而高度的上升会带来气候很大的改变。一般每升高一百米，温度就会下降六度左右。常说的“一山分四季，十里不同天”，对云南地区的气候形容非常贴切。再有一点就是云南每天的温差比较大，而年份之间温差却很小。夏季最高温度平均二十度左右，最冷时基本在八度左右。年份温度误差不大，一般在十度到十五度之间。相比较日温差差别很大，早中晚温度差别可达到十二到二十度。还有就是云南干湿季节分明，降雨总体来说比较多，分布很不均匀。目前，云南的温室主要有三类：一类是隧道式竹架
9、拱棚，是有农民自己设计制作的一种简单实用的温室大棚。它的优点是制作简单、耗材容易得到，维护比较容易、成本低廉。缺点是拱棚里面的支架比较多，造成遮光面积变大，占用了很多土地空间，棚高一般较低，空间小，热容也较小，容易引起骤冷骤热的气候变化，这对作物的生长是不利的。云南鲜切花生产很多质量问题与温度的骤变是有直接关系的。第二类是国内生产的大棚，这种大棚骨架是由普通钢架组成，结构也比较简单，空间宽敞了许多，服务寿命也比竹架大棚长了一些。这种温室整体来说较竹架大棚进步了很多，但是从园艺环境角度来看，它的采光性和自然通风性还是不够好，与之匹配的设备少，而且对环境因子的调节性能较差，管理上也比较粗放，所以对
10、一些品质要求比较高的花卉生产，还是难以完全满足要求。再一类是引进国外先进技术。通过引进消化吸收，借鉴国外先进技术特点，促进国内本地的生产状况。引进的温室类型多是大型连栋温室，有法国的连跨隧道式大棚，这种温室高44.2m，跨度l3.516.5m，在棚的顶部可实现通风，可以手动操作，也有简单的电动控制，还有一些简易室内外环境监测装置。比起本地的温室，在规模和自动化管理上都要优胜一筹，但是长期使用进口温室对于我们农业的发展不一定合适，一是进口的温室价格昂贵，对于国内一般农民是无法承受起的，再者毕竟国外温室是依据国外的环境情况设计建造的，在引入到国内后对环境条件不一定完全适用。由此我们可以得出靠使用外
11、国先进技术不是长久之计。近些年，伴随着国家科技示范园区建设而推广的大型连栋温室逐渐增多。这些现代化大型连栋温室大多是玻璃温室、PC板温室和薄膜温室。这些温室规模较大，便于进行小气候环境调控，而且由于连栋设计，提高了土地使用率，而且空间的加大也给自动化操作和机械化操作带来了便利。常见的连栋温室类型有文洛(Venlo)型温室、圆拱形连栋温室、三角形大屋面连栋温室、锯齿形温室和钢架温室、不等坡屋面温室、折线形屋面温室、哥特式尖顶屋面温室、平屋面温室等。从覆盖材料上说有玻璃温室、双层充气温室、双层结构的塑料膜温室、聚碳酸酯板 （PC板）温室等。在国内，三角形屋面和文洛型温室应用较多，且大多是在华北、华
12、东、东南、东北地区的一些示范工程。国内针对华北、华东、东北地区的温室环境控制研究较多，而在西南地区，温室环境控制的资料相对较少。温室是一个相对封闭的生产环境，各个环境因子之间相互影响，若对多个因子同时控制，难以建立精确的数学模型，必须在大量实验和数据分析的基础上，才能得出其规律；若对单一因子进行控制，常要考虑其他因素的影响，这样的研究结果才符合温室的控制要求，给温室作物创造更佳的生产条件。水分作为作物生长中不可缺少的一部分，其相应的配套设备在现代化温室控制系统中扮演的重要角色。对于温室灌溉系统，科技工作者也进行了大量研究，针对控制对象的非线性、迟滞性的特点，将专家系统、模糊控制理论及神经网络等
13、智能控制方法引入，使温室灌溉控制系统更具有自动化、智能化的特点。1.2 温室灌溉控制技术研究现状1.2.1温室灌溉控制技术发展概述在上世纪30年代，在一些比较发达的国家开始出现用一些轻型钢管或铝合金管来输送灌溉水，节省了劳动力，也避免了水资源的浪费，这可以认为是现代温室节约用水灌溉的最初模型。而在随后的20世纪40年代，材料科学不断发展强大，一些便宜耐用的塑料管开始出现，这给温室灌溉的发展带来非同寻常的机遇。这种管子容易打孔且容易和设备进行连接，质量也比金属管轻了很多，从经济性和实用性都有了很大提升，相配套的温室灌溉设备开始蓬勃发展，开始为农业种植者乐意接受，因为温室作物产量有了大幅度提升，产
14、品质量的增加也相当明显、经济效益非常可观，取得了令人满意的结果，应用这一技术的率先者当属英国，这可以算得上是温室灌溉技术的重大进步。而随后的时间，一些较为发达的国家，开始意识到温室的这种节水灌溉技术不仅是一种灌溉方式，更是一种现代化的技术措施，不仅节能，而且高效。人们开始温室的灌溉技术进行新的探索和研究，研制出了许多新的温室灌溉技术和设备，如以色列、意大利、澳大利亚、前苏联、美国等国家研制一些先进的温室灌溉装置，比如脉冲式滴灌、雾灌技术、滴管带、渗灌和涌流灌等设备。进入20世纪80年代以后，节水灌溉设备已在世界上许多先进国家的温室中被普遍采用，成为现代温室配套设施。目前，管道灌溉由成本最低，是
15、温室中应用最普遍的节水灌溉方法；滴灌技术被认为是现阶段最适合温室使用的一种灌溉技术，近年来在温室中发展很快，面积迅速增长；微喷灌技术则成功地应用在温室育苗、温室加湿及降温等方面。在现阶段，以色列被公认为是世界上温室微水灌溉技术最先进的国家，在全国范围内90%以上的灌溉面积都采用微灌技术。1.2.2 温室灌溉控制技术国外发展现状国外对于温室灌溉的研究起步比较早，投入的人力物力较大，而且把一些新兴技术应用其中，早期的电子计算机技术、信息网络技术、和近年来比较热的智能控制技术，在温室灌溉控制领域牢牢占据着领跑者的位置。美国学者Benami和Ofen在20世纪80年代初研制出一套灌溉控制器，控制器的主
16、要原理是由检测设备检测到的土壤湿度来确定是否开始灌溉，系统有自动控制的能力。而后的学者Phene和Howell(1984年)、Phene(1989年)都在采用以土壤水分为被控制对象，用实时采集到的土壤水分和原先设定好的土壤界限值进行比较，如果低于灌溉界限值系统就开始灌水，在把检测的土壤水分含量反馈到控制系统，这样形成一个随动的闭环控制系统，实现了系统的全自动运行，使作物有了较为恒定的水分环境。系统运行结果表明，系统控制效果的好坏与硬件的组成、传感器的选用、采用的控制算法、电磁阀和过滤器等设备有直接关系1。1990年美国学者Fangmeier等人做出一套灌溉控制器，与前人不同的是使用了比较精准的
17、红外线热电偶，采集土壤温度信息，并综合空气湿度、土壤水分含量因素，应该说灌溉的决策更加周全。Holder R和Clyma采用了完全不同于前人的方法，用模糊控制进行水分灌溉的决策，通过编制合适的控制控制，来判断作物需要多少灌溉量2。继模糊控制理论被采用到灌溉控制系统中后，1991年，Mcclendon等学者为了使系统的控制更加精确；1991年，Mcclendon等学者将神经网络引入到常规控制器中，通过收集作物生长的环境参数和作物本身的物理变量来对神经网络进行训练，得到一个有神经网络预测的灌溉量3。Phene等人1992年设计了滴灌系统，被控制量与前面几种有所不同，是通过作物蒸腾量的计算，来确定作
18、物需要的灌水量4。1993年Koch提出，神经网络的预测性可使系统在不同时间按照本身的需要对其进行水分灌溉。1996年，Williams和Zazueta尝试了用天气变化的信息来预测豌豆的灌溉量，并用神经网络进行了优化，运行结果证明综合和神经网络的天气变化信息可以用来确定灌溉量，实现步骤是由天气变化情况来确定温室蒸腾量，再由蒸腾量输入到另一个神经网络进行训练，最后得出灌溉的计划，在灌溉控制决策因子的探究上做了尝试。Ribeiro和Yoder两人在1997年建立了一个模型，是利用太阳的辐射和空气湿度综合作用来估算作物的蒸腾量，并用模糊控制理论建立模型，得出的模型和Penman-Monteith方法
19、比较，结果比较相近，说明模型建立有一定的可行性5。此后，Ribeiro延续这一思路，于1998年做出一套实时灌溉控制系统，决策控制因子就是土壤湿度和作物蒸腾量，通过它们的变化来控制实时输出6。2000年，Leiv M Mortensen和Xiang等人以土壤湿度和天气变化量作为系统决策的输入变量，通过输入变量的处理，得出输出量，并和设定值进行比较，在决定是不是进行灌溉。系统运行结果在花生灌溉中得到肯定7。2006年，R.B.Thompson和Alshooshan等人设计的灌溉控制系统，系统的最大创新是第一次用电子张力计测量土壤水分含量，并应用到闭环控制灌溉系统中。2007年，美国学者DKalf
20、ountzos和Benami都研制了通过测量土壤湿度来判断是否打开灌水电磁阀的灌溉控制器。2008年，KVanderlindcn和Phena也分别用土壤湿度传感器来检测土壤湿度大小，检测到的湿度传给灌溉控制系统，系统再根据反馈的湿度值来决定灌溉是否进行8。近年来，智能控制理论发展迅速，在工业控制领域开始被广泛采用。随着温室控制技术的不断发展，研究者开始探索智能控制理论在温室灌溉控制中的应用，通过以上内容叙述分析，可以发现智能控制技术是温室灌溉控制研究者热衷追随的热点，并且在探索尝试的实验研究中取得了一定成果。智能控制是指模糊逻辑控制、神经网络控制和专家控制系统。现阶段应用较多的是用模糊控制制度
21、控制规则，用神经网络来对模糊控制制定的规则进行优化或对结果进行预测，而专家系统是所有控制领域追求的目标。发达国家对温室灌溉控制工作开展的较早，投入的精力也较多。他们将一些先进的技术及时应用到温室灌溉控制当中，使得他们的灌溉控制技术越来越成熟，从最初的简单水力控制到现在的精确度较高的智能化控制系统，使灌溉系统越来越节水，稳定性越来也高。经过以上总结分析，国外研究的方式大多数还是以土壤湿度作为温室灌溉的主要被控制量，有时综合一些其它的环境因子或作物本身的状态变化量，如蒸腾量、土壤温度、空气湿度、光照度等等，来组成闭环控制系统或通过一些模型算法来计算灌溉量。1.2 国内研究动态及现状我国温室相对于发
22、达国家来说起步晚，虽然在1970年后国家加大力度扶持农业生产，但是温室灌溉控制的研究开发并没有形成成熟的机制，也没有有普遍影响力的的自主知识产权的温室灌溉控制器的产品产生，在研究开发上还处于以引进消化改进的模式为主，与国外成熟的产品系统相比，我国还处于研究、试制阶段，并没有成型的温室灌溉控制系统设备。但不影响学者专家们对温室灌溉控制系统的研究开发热情。毛慎建等人于1994年开发设计了一个灌溉控制系统，系统围绕单片机开发了闭环自动控制系统，采用多个点进行土壤湿度采样，还可以有不同路的输出，可以设置不同的周期进行灌溉，也能进行定时控制灌溉，系统设置的容错技术让系统运行更具人性化，还可以对系统进行模
23、块重组，以适应不同的应用场合。系统在大兴安岭林区温室进行了现场运行，并在北京航空航天大学体育馆得到了实践的验证，结果表明，系统可以按照设计要求正常运行，达到设计的初衷9。随着计算机、自动控制及通讯技术的发展，许建中在1995年应用分散功能和集中管理方式在灌溉系统的计算机监控系统得到了应用，它的各个分部系统都可以单独的工作，并且相互之间还可以进行信息联系，系统可通过多种形式实现控制，有时间、水量及两者的综合控制。该系统在大规模果树微喷灌工程中得到应用。1999年，刘叶飞、陈志刚采用单片机设计了一套用于灌溉的系统，系统有传统的开关控制，还综合了模糊控制，可以两种模式来进行灌溉的控制，系统在实际中经
24、过运行证明满足了控制的要求10。朱张青、曹成茂在2001年也用单片机系统设计了一套灌溉监控系统，系统有很好的适应性，能够与现存的多种灌溉方式相配合应用，弥补了现有灌溉方式的不足，提高了控制系统的整体使用效果。许吉力在同年用了集散控制的思想在温室灌溉系统中进行设计，使系统界面有很好的交互性，系统能够在短时间内对使用者的要求进行反应，并且可以对相关信息进行查询。2002年，冯同普用C语言和VB6.0语言编制了一套针对喷灌节水的系统软件，软件有测试控制部分和管理部分，功能强大齐全，能实现包括气象数据的采集，土壤湿度的反馈，灌水量信息的实时显示的功能；还能够对采集的信息数据进行分析，计算灌溉的用水量，
25、对灌溉系统的运行状态进行监视，并能发出指令进行控制。系统已具有专家系统的雏形，可以为专家系统的深入开发提供依据11。2003年，张兵、袁其寿以作物的蒸腾量和土壤水势作为输入变量，以作物的需水量作为输出变量，应用模糊控制理论制定模糊推理，可以准确较快得出作物需水量，为实际应用提供了切实可行的方法，具有较高的工程应用参考价值12。2004年，李志忠，滕光辉等研究设计了自动控制灌溉施肥系统，很好的将智能控制算法与自动控制理论相结合，并根据温室灌溉的特点和作物需水规律特性，随着环境的改变能对温室实施及时精量的灌溉。2005年，姜文峰、郑文刚等设计了一套自动灌溉系统。系统采用上下位机的组成形式，由处在底
26、层的各种传感器为系统采集提供数据，包括土壤湿度、温度，空气温湿度等，上位机根据根据采集的信息由专家知识库进行推理判断灌溉的需求和灌溉的量度。系统的关键在于运用了专家知识库来判断灌溉的输出，通过实践应用证明灌溉系统节水效果明显13；同年，冯磊，王一鸣，杨卫中，郭正琴，杨绍辉等用工控机最为控制器，采用分布式控制方式，有信息采集模块和上位机组态王组成远程控制系统，可以实现信息的采集与命令的传输，并在组态王中有直观的监视，系统已在示范项目中得以应用，两年的运行使用时间证明系统设计稳定可靠，符合设计要求，有在工程中应用的借鉴价值14。2006年，谢守勇等开发了灌溉控制系统，系统也利用了模糊技术来实现系统
27、的适时灌溉，并对其模糊控制模型进行仿真，系统用可编程控制器作为现场控制器，将这种具有模糊推理功能的系统在温室育苗中成功应用，通过实践检验，系统可以很好的满足育苗生长需要的水分要求，具有使用的经济性和可靠性 15。2009年，崔天时等采用虚拟仪器软件LabVIEW开发设计了温室灌溉控制系统，并根据温室灌溉大惯性、时滞性和强耦合性特点，将智能控制算法的模糊控制技术引入系统，并在实验中对由模糊推理决策输出量加以验证，结果证明系统可以适时适量灌溉，说明LabVIEW在灌溉控制设计中也是可行的16。我国在温室灌溉理论研究上有了较大的进展，在实际开发中也有一些成绩，比如有中国农业机械化研究院联合多家单位自
28、主研发的2000型温室自动灌溉施肥系统，是其中比较典型的例子，系统可以在手动自动模式下操作，性能比较稳定，在北京等一些示范区投入使用，效果反应良好。还有天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统及北京澳作生态仪器有限公司开发的智能节水灌溉控制系统，在控制模式的设置，信息采集配置，及上位机界面的设计上都有着较好的成效。在如今，温室灌溉设备相当多靠国外进口，也取得了不错的效果。但引进的价格比较昂贵，且设计时并未结合中国的地理位置情况，使用范围较窄，难以在国内普及化。由以上分析可以看出，国内在温室灌溉研究上多处于研究试制阶段，理论的研究比较多，成型的产品比较少。虽有少量的产品问世，在技术还
29、略显粗糙，使用寿命和质量要求上还没有达到行业标准的规定。国外的灌溉技术已经相当成熟，设备已经市场化，我国也从国外引进设备技术，但在使用过程中有比较多的问题出现：价格昂贵，一般农民很难承受的起，且并不能带来高收益，性价比较低；对使用者有较高的要求，因从国外引进，产品没有汉化，使用说明及人机交互多是英文，普通用户难以达到要求；开发没有与中国的实际情况相结合，在使用中还有一些不能适应中国国情，难以在国内大面积推广使用。所以，当务之急是研究开发符合我国国情的温室灌溉控制系统，来解决温室灌溉、节水问题。对温室灌溉系统的开发要基本符合以下要求：价格便宜，普通用户能够消费购买；操作简单，要求有中文详细说明及
30、良好的中文人机交互界面；能够产生较高的经济效益的，有较高的性价比；能适应不同的地理条件、气候类型；能够实现准确、适时、精量灌溉，在保证高收益前提下达到节水的目的。1.3 论文选题的目的及意义水是一切生命中不可缺少的部分，是整个社会发展的重要基础资源。水资源短缺的问题已经得到了世界各国的广泛关注，节约用水已成为世界范围内广泛的共识。各国已将节水列为一项重要课题，我国也制定相关策略在十五届五中全会中明确提出建立节水型社会，打出节水节能的口号，以国家政策的形式为节水做出实际行动。在我国，农业用水量占有全国用水总量的相当大的比重，2011年我国农业用水占全国总用水量的61%左右，水的有效利用率只有45
31、%左右，而农业用水中90%是灌溉用水，农业用水状况直接关系着国家水资源的安全。节约水资源，从农业灌溉入手，其中大有文章可做。随着农业设施规模的不断扩大，与之相配套的温室灌溉系统也在不断发展，结合先进的电子计算机技术、信息技术、自动控制技术等，更将节水效率发挥到最大化。许多国家都意识到温室灌溉在农业发展中的重要性，设置相关研究机构和投入大量资金作相关方面的研究。其中国外一些发达国家在温室灌溉方面发展较早，如荷兰、美国等，尤其中东的以色列，在温室灌溉的研究利用方面最为先进。由于这些国家对温室灌溉的研究起步较早，发展速度快，温室灌溉技术较为先进，相应的设备功能也较为完备。而我国在现代化温室的研究起步
32、比较晚，国家和地方政府不惜投入大量资金加大力度发展温室工程，在温室灌溉技术和应用上取得了较大的进展，但相对于发达国家无论是在规模还是技术上仍落后许多。国家曾采用引进吸收的方法，将国外先进的温室灌溉技术引入国内，作为示范点在国内进行推广，产生一定经济效益和社会效益，在一定程度上带动了国内灌溉技术的发展，但是国外先进灌溉系统在国内的应用并未得到普及，究其原因可以概述为以下几点：国外温室灌溉控制设备价格昂贵，我国的温室使用者绝大部分是农民，经济状况不允许，家庭并不具备购买的能力；加上气候特点、土壤状况的不尽相同，高价引进的灌溉系统并没用产生预期的高效益，相反，由于维护费用过高，使得使用者难以承受，国
33、外灌溉设备的使用最终难以大面积推广发展。在温室灌溉引起国家高度重视后，国内一些机构和单位也开始了温室灌溉系统自主研发，产出一批小型的灌溉控制器，但由于性能、质量问题难以大批量生产。随着云南省省政府建设”绿色经济强省”，“亚洲花卉生产贸易中心”步伐的深入，云南温室设施的科研步伐也在不断地深入，结合云南区域气候特点和经济条件的建设有云南特色的温室设施会得到不断的推广，这必将促进云南设施农业的蓬勃发展。由于地理位置和气候条件限制，云南省的温室类型大致有以下几种：其中包括有简易钢架塑料棚、规范性连栋钢架塑料大棚、节能日光温室、现代化连栋温室等。虽说大多以结构简单、投资小的温室类型为主，但也不乏有现代化
34、的大型连栋温室，而且随着人们对作物或花卉品质的要求和生产者生活水平的提高，现代化的大型连栋温室开始走进人们的生活，并有着强劲的发展势头。大型温室投入较高，但同样有高产出和高效益的回报，在管理上需要有比较高的自动控制技术作为支撑，才更能体现大型温室的优势。1.4研究内容本文主要针对温室灌溉，开展基于PLC的温室智能灌溉控制系统研究，该系统以PLC作为下位机控制器，普通计算机作为上位机，并设有人性化友好人机交互界面，该系统以影响灌溉的温室环境因子为切入点，并进行相关性分析，确定影响温室灌溉决策因子，并对系统的硬件部分进行相应的配置，对软件部分做详细的研究设计，主要工作内容如下：1.对影响系统灌溉量
35、的温室环境因子分析研究，针对温室的规模及作物需水信息选择合理的灌溉方式，制定控制策略；2.对温室灌溉控制系统的整体结构进行研究设计；对控制系统硬件部分进行相关配置；3.温室土壤水分环境是一个大惯性、非线性、强时滞性和强耦合性的系统，对于这种环境，难以建立精确的数学模型，所以将模糊控制理论引入系统；4. 结合模糊控制理论编制程序，设计人机交互界面，开发具有采集、监控、决策和自动控制功能的智能灌溉控制系统；5. 智能灌溉控制系统模拟实验验证，对控制程序及通信进行仿真验证，本文拟采用三菱PLC设计控制程序，用三菱专用工具包SW6D5C-LLT-ECD仿真软件进行仿真验证；用MATLAB中的模糊工具对
36、系统的模糊控制规则进行仿真验证等。第二章 温室灌溉环境及作物需水规律分析本章对温室的灌溉环境作了较为详细的描述，对现有的温室灌溉方式进行了总结概括，选择了本系统的灌溉方式；并通过对比分析，考虑系统的准确性、实用性和经济性等，确定了系统的控制对象；为了能够更好的说明问题，本文以常见的作物黄瓜为例，有针对性的研究分析了黄瓜的需水规律，以此作为温室灌溉控制系统的设计依据。温室是一个相对密闭的空间系统，天然雨水得不到充分利用，所以温室灌溉对于温室作物的生长显得尤为重要。温室的环境因素之间有很强的耦合性，若采用地面灌溉，则水分易蒸发，加大室内空气的湿度。因此在灌溉的时候要通风换气来保持合适的空气湿度，但
37、同时会降低温室的温度。而在严寒地区的冬季室内外温度差异较大，必须对温室加温来保证作物生长的适宜温度，这势必会加大能耗。2.1温室湿度环境温室的湿度环境包括两个方面，一个是空气湿度，一个是土壤湿度。水分对于作物的重要性不言而喻，作物的生长离不开水分环境，而且植物体内的主要成分就是水，有的植物含水量高达90%，合理的湿度环境对于植物的生长发育尤为重要。温室空气湿度的特点：温室是一个相对封闭空间，地表水分蒸发和植物蒸腾作用是温室的空气湿度的主要影响因素。温室植物因生长旺盛，叶面积指数较高，蒸腾作用强烈，从而使空气温室湿度较快进入饱和状态，且比室外种植高出很多。室内湿度环境的显著特点是湿度高，而且由于
38、晚上气温下降，相对湿度就会加大，从而进入饱和状态。相对于地表的湿度而言，空气湿度对植物生长的影响要小，但它对植物光合作用气孔的开闭和害虫的繁殖环境有重要影响。空气相对湿度低会使植物气孔关闭，内部CO2含量降低，光合作用强度下降。空气相对湿度高会使蒸腾作用减弱，影响营养物质的吸收和输送，从而减弱光合作用强度。所以在设计灌溉系统时要考虑对温室空气湿度的影响，将其控制在合适的范围内。温室土壤湿度特点：温室土壤耕作层无法利用天然雨水灌溉，因此土壤湿度大小主要受灌水量、土壤毛细管上升量、土壤蒸发量和植物蒸腾量的影响。温室土壤的淋溶较少，积盐相对严重。因为天然雨水不能利用，只有通过温室灌溉才能为温室植物生
39、长发育供应所必需的水分。作物因种类不同水分需求量不一样，即使同一种作物在不同的生长阶段对水分的需求也是不一样的。2.2温室灌溉量决策因子的确定对于温室灌溉量的决策因子，国内外研究学者众说纷谈，对此没有唯一确定的定论。经过资料文献的搜集，综合众多农民、专家以及研究者的经验和成果，把控制温室灌溉量的决定因子大致分为以下几类：1.土壤湿度的影响直接作用于植物的生长，被认为是影响作物正常生长发育最关键因素，也是确定灌溉量的最重要决定因子。长期以来，国内外学者通过对土壤中水分含量的调节与控制来决定灌溉做了较多的研究，并提出了重要作物在灌溉过程中的土壤水分指标，为科学灌溉提供指导，已在生产中起到较大的作用
40、2。2.综合因素的考虑，对指导温室灌溉更为准确。一些学者认为，以单一的土壤湿度来作为判断灌溉量的标准，不能精确反映作物正常生长所需要的水量，而温室的光照度、蒸腾量、土壤的类型和植物的种植方式等各种环境因子在温室灌溉量的确定中都要有所考虑，综合环境因素的影响对温室灌溉量的确定是比较准确的。3.一些研究发现，作物的水分需求状况除了与土壤湿度、光照度等外界环境息息相关外，作物本身也有直接的体现，比如植物杆茎粗细的变化能够在一定程度上反映作物的需水信息，并以此为依据开发了闭环温室灌溉控制系统；还有以叶片面积大小和叶片含水量多少的变化为依据，通过图像处理技术和光谱技术等采集这些信息，来判断作物的需水量。
41、还有一些通过径流速率来研究作物需水信息，这些利用现代计算机技术、传感器技术、电子技术等用于作物需水信息的研究，对温室灌溉的发展有着积极的推动作用。作物需水量与温室内外的环境气象因素都有关，不同地区它们的相关系数都不一样，如果要计算作物需水量，则要综合考虑多种环境因子，在电子设备发达的今天可以满足多种环境因子数据的测量和采集，但付出的总成本高了很多，并且算法复杂，控制程序也会相应变得冗长，对于温室灌溉的精确程度也未必适用。综上所述，为了满足灌溉系统的可靠性、精确性、经济性和实用性要求，本文选用已在灌溉控制系统相当成熟并被普遍认同的土壤湿度作为系统的采集和控制对象，通过土壤湿度的变化来实时控制作物
42、灌溉量，实现温室灌溉的自动化。2.3温室灌溉方式温室是个相对密闭的环境，无法依靠降雨直接补充水分，因此人工灌溉是唯一能够为作物提供水分的途径。温室内灌溉的方式选择，与多种因素有关，包括作物的品种、栽培方式、温室结构形式、水源及动力供应情况、投资能力、使用者的知识技术水平等诸多因素相关。沟畦灌是最原始、最简单、最传统的灌溉方式，从古到今被广泛应用。早期的温室作物灌溉中，广泛采用了沟灌或畦灌等灌溉方式。但随着人类社会进步和科学技术发展，温室灌溉技术有了很大提高，呈现多样化发展。现代温室中已经大量应用了各种节水高效、水肥共施的灌溉技术，如滴灌、微喷灌、渗灌、潮汐灌等。2.3.1温室灌溉方式特点从灌水
43、特点来看，目前大量应用的温室灌溉技术主要有三类：沟畦灌溉、微水灌溉和潮汐灌。沟畦灌是采用管道（或渠道）输水，并通过栽培沟或栽培畦进行灌溉的方式。温室内的灌溉输水如果采用渠道时一般应混凝土衬砌，起到防渗和保护边坡的作用。同时，为了减少室内湿度，通常应该在灌水沟或畦上覆盖地膜，即采用膜下灌的方式进行沟畦灌。沟畦灌虽然不是一种高效灌溉技术，但因具有投资低、管理简单、使用方便等特点，在现在温室仍然大量被采用。微灌是微水灌溉的简称，它是通过有压供水管道系统与安装在末级管道上的灌水器（滴头、微喷灌、地灌管、微喷带、渗灌管等），只以较小的流量将水分和养料湿润作物根区附近的部分土壤或作物的叶面，达到合理准确的
44、局部灌溉目的。微灌的特点主要有流量小，每次灌水的时间较长，灌溉均度较高，且只灌溉作物根邻近的土壤，节约大量灌溉水，为作物提供良好的生长环境。微灌在现代温室中应用十分广泛，是目前温室高效灌溉技术的主流。微灌有滴灌、微喷灌和渗灌等多种形式。以断续滴水形式供水的称为滴灌；以小范围喷洒形式供水的称为微喷灌；以微孔隙缓慢渗出供水的称为渗灌。潮汐灌又称涨落灌、床灌或槽灌，其主要原理是：灌溉水迅速充灌到能够保持一定水深的作物栽培床或栽培槽中，在达到需要的水深及时排水，以便利用土壤毛细管的作用灌溉作物。潮汐灌尽管成本较高，但由于具有灌水均匀度高、劳动强度低、作物栽培方式灵活、灌溉水能够全部循环使用等优点，正快
45、速成为发达国家现代温室灌溉的主要方式。表2.3 各种温室灌溉方式的特点灌溉方式沟畦灌微灌潮汐灌滴灌微喷灌渗灌灌溉作物部位作物根部作物根部作物根部、叶面作物根部作物根部湿润区域大部分土壤湿润局部土壤湿润局部土壤湿润局部土壤湿润局部土壤湿润对土壤结构的影响因渗透而使土壤更加结实影响较小因水滴撞击可能使地表板结影响较小影响较小蒸发蒸腾较大较少大少少植物冠部不湿润不湿润部分湿润不湿润不湿润灌水利用率50%65%85%95%65%85%85%95%85%95%灌水均匀度低高较低较高高灌溉后的湿度增加较多较少多少较少灌溉施肥精度低高较低较高高对水中杂质敏感度低高较低较高低水源压力要求低较高高较低较低对耕作
46、的影响小大较小较大大设备投资低较高较低较高高2.3.2温室灌溉方式选择前面提到，温室灌溉方式的选择与作物品种、栽培方式、投资者经济状况等都有很大关系。在同一种栽培方式下，可能由于种植作物的不同而选用不同的灌溉方式，但有时一种灌溉方式只能对应一种栽培模式。下面简单说明下温室灌溉与栽培方式的关系。1.点灌溉适用的栽培方式点灌溉是针对一个很小的区域进行灌溉，滴头滴灌是点灌溉最典型的灌溉方式，其特点是灌溉水直接送到作物的根部，在作物根区不能延伸到的地方不予施水，这样可最大限度达到节约用水的目的。与点灌溉相配套的栽培方式主要有岩棉培蔬菜栽培、基质袋培、盆花栽培等。前两种栽培方式一般都坐落在地面上，最后的
47、盆花栽培可在地面上，也可在栽培床上，还可吊挂在温室的骨架结构上。2.线灌溉适用的栽培方式线灌溉时针对一行作物进行灌溉，可用于以条播或垄载方式种植的蔬菜或花卉，如黄瓜、番茄、辣椒等果菜类蔬菜和郁金香、香石竹等切花类花卉。线灌溉的灌水器根据种植槽的宽度可单行布置，也可双行或多行布置。滴管带滴灌、喷灌带膜下微喷灌是典型的线灌溉方式。以槽培方式或在地面采用长畦栽培的种植方式一般适用线灌溉方式。3.面灌溉适用的栽培方式面灌溉时针对一个平面进行整体灌溉，最适合于种植密度高、作物栽培无规律的种植方式。大水漫灌是最典型的面灌溉方式，如日光温室或塑料大棚中种植油菜等直接播种叶菜作物进行土壤栽培的种植方式。大水漫
48、灌主要应用在土壤栽培温室中，尤其在农村的日光温室和塑料大棚中常有应用，但这种灌溉方式由于耗水大、水资源利用率低、对土壤的降温明显、容易造成室内空气湿度过高等原因，在现代温室中已基本不再采用，而用其他灌溉方式代替。喷灌、潮汐灌等式现代温室中使用的比较典型的面灌溉方式，尤其适用于盆花种植。4.空间灌溉适用的栽培方式空间灌溉是对整个作物根系进行全面施水灌溉的方式。无土栽培中的水培、雾培就是这种灌溉的典型代表。从某种程度上讲，喷灌也是一种空间灌溉，只是这种空间灌溉不是只湿润作物根系，而是湿润叶面和根系结合。2.3.3温室滴灌的特点作物的栽培方式在某种程度上限制了温室灌溉方式，但作物的灌溉模式不是唯一的。同一种作物可以有多种不同的灌溉方式组合。为了能够更好的说明问题，本文选用常见的温室黄瓜为例。黄瓜是喜湿性作物，怕涝，也不耐旱。考虑黄瓜的需水特性，从方便温室管理、易于实现自动化、节约水资源等方面出发，本文选用滴灌作为本系统的灌溉方式。滴灌的优点如下：1.节水、节肥、省工滴灌全部是由管道进行输水和局部小流量灌溉，很少有沿程的渗漏和蒸发损失。此外，滴灌可以适时适量的按作物根部的需要进行供水，水的
