1、 华东连栋温室环境智能管控平台之研究第一章 绪论1.1 课题来源本课题来源于 2009 年上海市科技兴农重点攻关项目，即现代农业装备与设施的研发。由上海市农业科学委员会主导开展工作，主要针对华东地区广泛使用的连栋塑料温室研发一套基于典型蔬菜全生长周期、智能决策、低成本智能化的全自动温室环境控制系统。1.2 论文的研究目的和意义从以往的单纯追求高热量、高脂肪、高蛋白，已转向营养更加丰富，结构更趋合理，效果更加健康的新型饮食概念。现代健康医学证实，经常食用绿叶蔬菜，将会大大减小高血糖，高脂肪，高胆固醇的发生概率，从而可有效地避免过度肥胖，高血压、心脏病等现代城市富贵病的发生，提高人们的生活质量，因
2、此现代社会对蔬菜的常年供应提出了越来越高的要求，不仅要保证足够的市场供应质量和花式品种丰富，而且对蔬菜的食用安全和生产过程环保也提出了更高的要求。很久以前，人类就已经知道蔬菜的生长与光照、温度、湿度、水份、通风、施肥等诸多因素有关，而且在它的不同生长期对上述这些因素有着不同的要求，以往的那种露田自然种植法，由于受到气候的直接影响，一年里的很多时间段都是不适合蔬菜的生长，因此在寒冷的冬天，北方蔬菜特别短缺，同时夏季南方由于频遭台风，也常会造成一时的蔬菜紧缺，为了改变这种蔬菜生产极度地受到自然条件制约的现状，现代科学主要从两方面开展工作 1 ：1）通过现代生物技术，引入抗寒、抗旱因素，改良传统的蔬
3、菜品种，使它们能逐渐适应在寒冷和干旱的环境下生长；2）应用现代科技手段，构造一定的人工设施，试图模拟适合蔬菜的人工环境，出现了一批诸如玻璃温室，连栋塑料大棚和单栋塑料大棚为代表的设施蔬菜生产的新模式。目前上海地区共有设施蔬菜生产基地 6000 多公顷，其中玻璃温室 60 公顷，连栋塑料大棚 600 公顷，单栋塑料大棚5400 公顷。从近年的生产实践看，设施基地生产的蔬菜能够较好地摆脱自然条件的限制，为常年稳定地向市场提供花式品种繁多的新鲜蔬菜创造了一种全新的模式。我国从八十年代就开始进行批量地设施人工环境模拟的蔬菜生产。早期的设施玻璃温室主要从荷兰、以色列等先进农业强国引进，同时还引进了这些玻
4、璃温室种植的蔬菜种子，从在上海孙桥现代农业园区示范种植的情况来看，采用设施温室种植蔬菜具有以下三个明显的优点23：1）设施温室摆脱了自然气候的影响，通过人工干预控制，可模拟出适应蔬菜生产的较为理想人工环境，因此它可实现全年稳定地向市场提供新鲜蔬菜，不受气候季节的影响。2）由于生产的环境可以进行人工干预和模拟，并且这种环境的模拟不受外界自然气候的影响，因此它即使在寒冷的冬天也可以生产以往在露地只有夏季才能种植的某些蔬菜，实现了蔬菜的反季节生产。3）在设施环境中，常常装有防虫，这样减少了农药的使用，使得生产的蔬菜食用更加安全，生产环境更加环保。但是国内温室生产蔬菜的缺点也是非常明显的 4 这些年发
5、达农业国家的成功经验已经证明：设施农业已成为现代农业中的一个里程碑，越来越走向普通百姓，目前：首先，最主要的还是用设施温室特别是智能玻璃温室生产的蔬菜成本高，市场价格贵，目前很难真正走进普通百姓的日常生活；其次，温室生产品质也很难和国外同级产品相媲美。造成上述现象的主要原因在于目前国内高档的智能温室主要依赖于进口，且其配套的智能化环境控制系统是针对进口蔬菜种子设计的，缺少真正适合我国温室生产并且具有自主知识产权的温室智能化生产控制体系。5荷兰在人工温室中每平方米的黄瓜产量达到 140kg，而上海孙桥农业园区仅40kg，因此我国的上升空间是巨大的。国内的许多有识之士已经看到了其中的潜力，开展了大
6、量推进设施温室的国产化、产业化的有益工作。仅在上海地区就有上海电气集团，上海农机研究所，上海长征乡，上海孙桥农业园区等企业生产国产化温室。经过他们这些年的努力，目前玻璃温室的成本已降至 800 元/m2，连栋塑料大棚降至 100 元/m2，为产业化的设施蔬菜生产提供了设备条件保障。但是，也应清楚地看到国内的这些企业仅仅是生产温室的外壳，最能体现温室气候人工控制的智能控制系统目前还主要依赖进口，甚至在大部分温室中根本没有这一系统。目前国内的市场上比较成熟的温室自动化系统大多是单因子控制的，如针对温度、湿度、CO2 浓度或者温湿度等进行单独控制的控制器。虽然也有一些国内外进行智能温室自动化专门研究
7、的机构或者企业推出了一些智能温室监控系统或控制器，但往往使用费用相当高，还未达到大规模推广的水平。温室环境智能监控系统的研究涉及到多种技术和数个学科，包括先进传感器技术、计算机应用、智能控制、数据通讯、生物科学、环境科学等。现阶段，温室环境监控系统的智能化研究还处于实验阶段，适用于薄膜温室高度智能化控制且功能相对完善的成套设备，实际应用的还不多。第二章 作物生长影响因子分析及温室环境控制策略探讨2.1 综述温室栽培的主要问题是如何创造一个最佳的环境，是作物按照人民预想的目的最优地完成其生长、发育和形态建成过程，最终为文明提供所需求的经济产量和品质。植物的重要生理过程是光合作用、呼吸作用、蒸腾作
8、用及其体内有机物质代谢、运输分配和形态建成过程温室内影响作物生长的环境因子主要有温度、湿度、光照和二氧化碳等，这些生物学过程无一不受温室微环境要素的影响。研究温室微环境小气候）控制，最核心的要素是温室作物，因而一切都应该围绕温室作物的生长需求进行探讨。温室作物多种多样，作物对环境的要求随着品种、生育阶段及昼夜生理活动中心的变化而不断变化，难以综合概述，因而本文的分析仅粗略地以华东地区塑料薄膜温室中种植的典型作物作为重点展开。但在自然温室中，由于作物生长所需的这些环境因子往往得不到完全满足，因此，就需要借助附加设备和通过一些技术手段对温室微环境进行调节，使得温室始终维持在适于作物生长发育的最佳水
9、平，从而以较低的能耗获得质优量高的农产品。温室环境控制是一项综合性的技术，温室环境的控制过程是一个多因子复杂权衡作用的过程，它比一般的工业环境控制要复杂许多21 22。要为温室作物营造一个适合作物生长的最佳的环境条件，首先要明确温室调控目标，即和作物生长发育关系最密切的环境因子的调控水平，然后制定温室控制系统的总体设计方案、控制策略并付诸实施。第三章 温室环境智能控制系统的构建.243.1 控制系统控制方案选择.243.2 控制系统设计要求及原则.273.2.1 控制系统设计要求.273.2.2 控制系统设计原则.283.3 控制系统架构设计.283.4 本章小结 .30第四章 基于 ARM1
10、1 的温室现场智能控制.314.1 系统硬件开发平台.314.1.1 ARM 简介.34.1.2 嵌入式微处理器 S3C6410 简介.314.2 控制系统硬件电路总体设计方案.324.3 系统各模块硬件设计.334.4 本章小结 .40第五章 温室现场环境智能控制系统.415.1 软件运行平台选择.415.2 嵌入式操作系统的移植和软件开发平台.455.3 温室环境智能控制系统软件设计.475.4 本章小结 .54结论本文基于实际项目撰写完成，实验的示范连栋塑料薄膜温室位于上海市浦东新区孙桥现代农业园区。该温室经过实际工程改建后额外地配置了湿帘风机、通风窗、内外遮阳、内保温仓、内幕帘、循环风
11、机等执行机构。针对控制需求，本文设计开发了一套温室微环境智能监控系统，系统能根据该地区特有的气候特征，通过组合式多级控制策略对温室微坏境进行调控，使作物摆脱自然环境的影响，实现反季节生长，提高了农业生产效率和农作物品质，具有重要的实际应用前景。从技术角度来说，项目顺应了当前互联技术与物联技术相互结合的趋势，设计中综合运用了检测技术、嵌入式系统技术以及互联即时通讯技术，实现了对远程温室集群的环境监控和管理；系统各部分功能划分明确，接口统一，各模块独立设计，大大节省了开发成本和开发周期，为系统的后续扩展和市场推广做了铺垫。本文主要做了以下方面的研究：1）、作物典型生长影响因子分析及温室微环境控制策
12、略的相关研究。通过前者的研究，为温室电气设备改造提供依据；改造完成后，依据执行设备与各温室微观环境因子，如温度、湿度、光照等的对应关系，从单因子出发进行分析，最终得出组合式多级控制方案。2）、根据 1）得出的控制目标，在充分总结现有温室控制技术和相关研究的基础上，提出了适合本项目的系统架构，即远程服务器基于 VS2008 设计）和温室现场智能测控系统相结合的分布式系统组方案。3）、温室现场核心控制系统的硬件和软件设计。硬件方面，选择 S3C6410 作为核心处理器，并根据需求，详细分析了相关模块硬件电路的设计；软件方面，遵循嵌入式软件的开发流程，首先选择Linux 作为嵌入式系统运行平台，然后
13、对嵌入式操作系统的移植过程及嵌入式应用软件的开发环境搭建做了简要说明；最后给出了控制系统软件的结构框图，并对各功能模块进行详细设计。参 考 文 献1 邓宗兵等 .中国农业科技的主要问题和发展对策J. 科技导报, 2009 (12): 45-472 李慧, 刘毅. 温室控制技术的发展方向J. 林业机械与木工设备, 2004 (5) :30-323 周长吉 . 现代温室工程. 北京：化学工业出版社, 2003: 1124 安志信, 鞠佩华等. 温室发展进程初释J.农业工程学报, 2010 (2): 21-255 GnusVandeBegr, 编译/汤卫国, 荷兰温室控制系统的发展J. 现代农业装备
14、,2003: 42-436 顾寄南 , 毛罕平. 国内外设施栽培综合环境控制技术及其发展J. 农业现代化研究, 1999, 20 (3): 184-1867 冯广和. 世界各国现代温室的发展 J. 室园艺加工, 2003 (5): 29-308 李式军. 郭世荣. 设施园艺学M. 南京：中国农业出版社, 2010.9 李伟, 段翠芳. 温室监控系统在国内外的发展及趋势J. 农业科技与装备,.2010, 8(8): 7-810 Advanees in greenhouse environment control, Computerrs and Eleetronies inAgrieutiure, 2000 (26): 217-219(
