CN1561676A - 温室环境智能控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明在单片微型处理器内存储器中有温室智能控制规则，其采用离线和在线两种工作方式，设定值控制、即时干预控制、模糊控制三种控制模式，温室环境参数传感器的输出信号经过模拟量/数字量转换电路转换后进入处理器。处理器对输入的信号进行数字滤波处理，根据控制规则进行运算，输出相应的控制信号，通过数字量/模拟量转换电路或数字量输出电路经相应隔离后输出给执行机构，再改变相应的环境参数。模拟量/数字量转换芯片、数字量/模拟量转换芯片、数字量输出芯片、看门狗/非易挥发数据存储器芯片、时钟芯片、高速隔离芯片和键盘/显示接口芯片均直接与单片微型处理器电相连。控制器可单机运行，也可以通过RS485收发器联网使用。

Description

温室环境智能控制器及控制方法

所属技术领域

本发明涉及一种温室环境参数控制方法，特别是一种对温室环境参数进行智能控制的方法，以及采用这种方法对温室环境进行智能控制的装置。

技术背景

目前对温室环境的控制主要有人工手动操作和计算机自动控制两种方式。人工手动操作方式主要由操作者根据当时的环境状况和自身经验来控制温室。显然，其控制效果主要依赖于操作者的经验，对操作者的知识水平和实践经验要求非常高，普通农民难以胜任。计算机自动控制方式的硬件主要由工控机、数据采集卡、信号输出卡、各环境参数传感器等组成。该方式系统庞大、结构复杂、投资较大，普通老百姓难以承受其高昂的造价。目前，已有用单片机代替工控机来进行自动控制的控制装置，但这些控制装置存在温室环境参数控制不全面、系统不便于规模扩展等缺点。对环境参数的控制，许多温室环境控制器采用的是上下限控制方式，即：当所测量到的参数高于或低于某设定值时控制执行机构动作。众所周知：温室环境是一个大惯性的动态系统，简单的上下限控制必然引起执行机构的频繁动作和环境参数的大范围波动，对温室内作物生长不利。

发明内容

为了克服温室环境控制中人工手动控制方式对操作者的高度依赖性、工控机控制方式的高昂造价、单片机控制方式的系统扩展性不强，以及控制方法不完善引起执行机构的频繁动作和环境参数的大范围波动等不足，本发明提供一种温室环境控制方法及智能控制器，该温室环境智能控制器采用两种工作方式和三种控制模式，配合相应的执行机构能自动、智能地控制温室内各环境因子；智能控制器既可单机运行，也可联网使用。

本发明的目的是这样实现的：

传感器输入接线座、电流型/电压型选择器、模拟量/数字量转换芯片顺序电连接，模拟量/数字量参考电压调整器与模拟量/数字量转换芯片电连接，数字量/模拟量参考电压调整器和数字量/模拟量输出接线座均与数字量/模拟量转换芯片电连接，数字量输出接线座、数字量输出隔离器、数字量输出接口芯片顺序电连接，数码管、发光二极管、键盘均与键盘/显示接口芯片直接电连接，RJ45接线座、RS485收发器、高速隔离器顺序电连接，模拟量/数字量转换芯片、数字量/模拟量转换芯片、数字量输出芯片、看门狗/非易挥发数据存储器芯片、时钟芯片、高速隔离芯片和键盘/显示接口芯片均与单片微型处理器直接电相连。单片微型处理器内存储器中有温室智能控制规则。温室环境参数传感器的输出信号经过模拟量/数字量转换电路转换后进入单片微型处理器。单片微型处理器对输入的信号进行数字滤波处理，根据控制规则进行运算，输出相应的控制信号，通过数字量/模拟量转换电路或数字量输出电路经相应隔离后输出给执行机构，执行机构的动作直接或间接地改变相应的环境参数。同时，采用看门狗电路来提高系统的可靠性；采用非易挥发时钟和数据存储器来提供停电时系统数据的保护和恢复；采用RS485收发器来提供控制器联网功能。

在上述技术方案中，温室智能控制规则是这样实现的：

温室控制方法包括离线和在线两种工作方式和设定值控制、即时干预控制、模糊控制三种控制模式，通过各个工作方式和控制模式之间的相互协调和平滑切换，弥补单一模式的不足。①在离线工作方式下，人们需要在现场对智能控制器进行人为设定或因故障的原因，而脱离服务器控制系统总线时，自动完成传感器输入信号的数据采集与处理，并通过键盘、数码管、发光二极管等人机交换设备实现控制模式和环境参数的设定与显示、即时人工干预控制输出；

②在在线工作方式下，智能控制器作为分布式控制系统的一个智能终端，通过RS485收发器，实现智能控制终端与监控服务器之间实时的数据传输，控制器接受监控服务器的远程调控和管理，在服务器上对控制器的环境因子上下限进行设定或即时干预执行机构的动作；

③在设定值控制模式下，控制器通过键盘输入环境参数温度、湿度、光照度的上下限值的设定值，或采用程序默认的设定值，单片微型处理器在比较传感器输入值与设定值之间的差别后，自动输出执行机构的动作信号，保证温室的环境因子控制在设定值范围内；

④在即时干预控制模式下，操作人员根据温室生产现场情况和经验，通过键盘直接控制执行机构的动作，在突发情况下实现对执行机构的动作，或是检查现场执行机构的故障；

⑤在模糊控制模式下，智能控制器将从环境因子传感器采集得到的信号，进行模糊化，根据环境因子偏差值(当前值与适宜值之差)和变化率(当前值与上一次测量值之差)的大小分别在论域{负最大，负大，负小，适中，正小，正大，正最大}中取值。温度在适宜值范围内为适中，大于适宜范围一个级差为正小，大于两个级差为正大，大于三个级差为正最大，一个级差值温度为1～4℃、湿度为1～8％，反之，分别小于适宜范围一个、两个、三个级差的为负小、负大、负最大。执行机构动作的模糊论域{负最大，负大，负小，适中，正小，正大，正最大}取值对应的适中为不动作，负最大、负大、负小分别为加温或加湿力度最大、大、小，正小、正大、正最大分别为降温或降湿力度小、大、最大。得到环境因子偏差值和变化率的模糊值后，在执行机构动作的模糊论域中找到对应的动作模糊值，经反模糊化输出执行机构动作信息。

以节约运行成本为目标的生产，可以采用设定值控制模式。温室主要蔬菜作物的上下限可设定为：生菜的温度上下限值11～30℃、光照上下限值1.5～25kLux，番茄的温度上下限值8～34℃、光照上下限值1～70kLux，黄瓜的温度上下限值10～34℃、光照上下限值1～50kLux，甜椒的温度上下限值14～34℃、光照上下限值1.5～30kLux，主要作物湿度的上下限值50～90％；

以高产、高效为目标的生产，可以采用模糊控制模式。温室主要蔬菜作物的适宜值范围分别为：生菜的温度15～20℃、湿度70～85％，黄瓜的温度22～28℃、湿度70～85％，番茄的温度22～28℃、湿度50～70％，甜椒的温度18～26℃、湿度60～75％。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

附图说明

图1为本发明一个实施例构造简图。

具体实施方式

图中传感器输入接线座与电流型/电压型传感器选择器相连。用户可选用电流输出型传感器或电压输出型传感器，通过电流型/电压型传感器选择器进行相应设置。电流型/电压型传感器选择器与模拟量/数字量转换芯片相连。模拟量/数字量转换参考电压调整器与模拟量/数字量转换芯片相连，调整其参考电压。数字量/模拟量转换输出接线座和数字量/模拟量转换参考电压调整器与数字量/模拟量转换芯片相连。数字量输出接线座与数字量输出隔离器相连。数字量输出隔离器与数字量输出接口芯片相连。数码管、发光二极管和键盘与键盘/显示接口相连。RJ45插座与RS485收发器相连，RS485收发器与高速隔离器相连。模拟量/数字量转换芯片、数字量/模拟量转换芯片、数字量输出接口芯片、看门狗/电可擦除只读存储器、时钟、高速隔离器和键盘/显示接口均与单片微型处理器相连。单片微型处理器内的程序存储器中有温室智能控制规则程序。

以黄瓜温室生产的温度控制为例，黄瓜的温度上下限值10～34℃，适宜值范围为22～28℃。

①在设定值控制模式下，控制器通过键盘输入上述温度的上下限值，程序默认的适宜值范围分别为温度22～28℃。单片微型处理器比较传感器输入值与设定值之间的差别，当温室内的温度在适宜温度范围内，所有执行机构不动作；当温度在适宜值与上限值之间，单片微型处理器只给数字量输出接口输出通风执行机构打开的动作信号；当温度大于上限值，则输出遮阳或风机或蒸发降温等动作的信号，直至温室内温度回到上限值之下才停止动作；当温度在适宜值与下限值之间，单片微型处理器只给数字量输出接口输出通风执行机构关闭的动作信号；当温度小于下限值，则给数值量/模拟量转化芯片输出加热炉的加热动作信号，直至温室内温度达到下限值之上才停止动作。

②在模糊控制模式下，智能控制器将从环境因子传感器采集得到的信号，进行模糊化，根据环境温度偏差值(当前值与适宜值之差)和变化率(当前值与上一次测量值之差)的大小分别在论域{负最大，负大，负小，适中，正小，正大，正最大}中取值。温度在适宜值范围内为适中，大于适宜范围一个级差为正小，大于两个级差为正大，大于三个级差为正最大，一个级差值为1～4℃，反之，分别小于适宜范围一个、两个、三个级差的为负小、负大、负最大。执行机构动作的模糊论域{负最大，负大，负小，适中，正小，正大，正最大}取值对应的适中为不动作，对于冬天温度控制，原始状态是通风机构关闭的状态，负最大、负大、负小分别为加热炉的加热量最大、大、小，正小、正大、正最大分别为通风面积小、大、最大。对于夏天温度控制，原始状态是通风机构全开的状态，负最大、负大、负小分别为关闭的通风面积最大、大、小，正小、正大、正最大分别为遮阳、风机、蒸发降温。得到环境因子偏差值和变化率的模糊值后，在执行机构动作的模糊论域中找到对应的动作模糊值，经反模糊化输出执行机构动作信息。例如取一个级差值为2℃，当温室内的温度在适宜温度范围内，所有执行机构不动作；对于冬天温度控制，当温度为20℃时，控制器输出加热炉的加热量小的信号，当温度为30℃时，控制器输出开启通风面积小的信号；对于夏天温度控制，当温度为20℃时，控制器输出关闭通风面积小的信号，当温度为30℃时，控制器输出遮阳的信号，当温度为34℃时，控制器输出蒸发降温的信号。

③在正常情况下管理者可以通过在线工作方式在服务器上对控制器的环境因子上下限进行设定或即时干预执行机构的动作。例如可以在服务器上将温度上下限值修改为12～32℃，通过RS485收发器，将修改后的上下限值传输给单片微型处理器；当在服务器上对智能控制器传输来数据进行分析后需要启动蒸发降温，而现场蒸发降温机构没有动作，可以采用人工即时干预控制，服务器将蒸发降温机构动作的信息通过RS485收发器传输给单片微型处理器，实现即时干预控制；由于故障的原因，控制器脱离服务器控制系统总线时，可以在离线工作方式下工作，通过键盘、数码管、发光二极管等人机交换设备实现控制模式和环境参数的设定与显示，也可以在现场对智能控制器进行设定值的修改，例如，原来控制器是按模糊控制模式工作的，可以通过键盘重新设定为设定值控制模式进行工作。

Claims (3)

1.温室环境智能控制方法，其特征是：包括离线、在线两种工作方式和设定值控制、即时干预控制、模糊控制三种控制模式，通过各个工作方式和控制模式之间的相互协调和平滑切换：

①在离线工作方式下，人们需要在现场对智能控制器进行人为设定或因故障的原因，而脱离服务器控制系统总线时，自动完成传感器输入信号的数据采集与处理，并通过键盘、数码管、发光二极管等人机交换设备实现控制模式和环境参数的设定与显示、即时人工干预控制输出；

②在在线工作方式下，智能控制器作为分布式控制系统的一个智能终端，通过RS485收发器，实现智能控制终端与监控服务器之间实时的数据传输，控制器接受监控服务器的远程调控和管理，在服务器上对控制器的环境因子上下限进行设定或即时干预执行机构的动作；

③在设定值控制模式下，控制器通过键盘输入环境参数温度、湿度、光照度的上下限值的设定值，或采用程序默认的设定值，单片微型处理器在比较传感器输入值与设定值之间的差别后，自动输出执行机构的动作信号，保证温室的环境因子控制在设定值范围内；

④在即时干预控制模式下，操作人员根据温室生产现场情况和经验，通过键盘直接控制执行机构的动作，在突发情况下实现对执行机构的动作，或是检查现场执行机构的故障：

⑤在模糊控制模式下，智能控制器将从环境因子传感器采集得到的信号，进行模糊化，根据环境因子偏差值(当前值与适宜值之差)和变化率(当前值与上一次测量值之差)的大小分别在论域{负最大，负大，负小，适中，正小，正大，正最大}中取值。温度在适宜值范围内为适中，大于适宜范围一个级差为正小，大于两个级差为正大，大于三个级差为正最大，一个级差值温度为1～4℃、湿度为1～8％，反之，分别小于适宜范围一个、两个、三个级差的为负小、负大、负最大。执行机构动作的模糊论域{负最大，负大，负小，适中，正小，正大，正最大}取值对应的适中为不动作，负最大、负大、负小分别为加温或加湿力度最大、大、小，正小、正大、正最大分别为降温或降湿力度小、大、最大。得到环境因子偏差值和变化率的模糊值后，在执行机构动作的模糊论域中找到对应的动作模糊值，经反模糊化输出执行机构动作信息。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是：

①以节约运行成本为目标的生产，可以采用设定值控制模式。

②以高产、高效为目标的生产，可以采用模糊控制模式。

3.实施权利要求1所述的温室环境智能控制方法的装置，其特征在于模拟量/数字量转换芯片、数字量/模拟量转换芯片、数字量输出芯片、看门狗/非易挥发数据存储器芯片、时钟芯片、高速隔离芯片和键盘/显示接口芯片均与单片微型处理器连接，温室环境参数传感器信号通过模拟量/数字量转换芯片进入单片微型处理器，控制信号通过数字量/模拟量转换芯片、数字量输出接口芯片输出，人机交互通过数码管、发光二极管和键盘进行，联机通过RS485收发器实现智能控制器与服务器交换。