本課題來源于太原市科技支撐新農村建設項目“設施農業溫室大棚自適應控制系統與示范”(項目編號:120157),是針對當前我國溫室大棚環境調控水平落后、運行管理依賴經驗、網絡化程度低等問題提出的,這些問題嚴重制約了溫室大棚生產效率的提高。因此,本文基于物聯網技術,設計和開發了一種溫室大棚智能控制系統,實現溫室大棚主要環境參數的在線監測、執行機構的自動控制,以及溫室大棚的科學管理,達到溫室大棚自動化、智能化、網絡化和科學化生產的目標,對于提升我國溫室大棚生產力,提高溫室大棚現代化水平具有重要意義。

主要研究內容如下:通過深入分析溫室大棚環境參數特點和控制要求,在物聯網技術框架內制定了溫室大棚的總體控制方案,分為感知層、傳輸層和應用層,整個系統由單套集控系統、多套現場控制系統以及通訊網絡組成,集控系統對各現場控制系統進行集中管理和控制,現場控制系統可脫離網絡單獨運行,滿足不同規模水平溫室大棚的控制需求。現場控制系統作為環境感知節點和智能化控制終端,處于物聯網感知層,依據溫室大棚現場實際環境情況,設計了以PLC為核心的現場控制系統。通過傳感器檢測空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度和土壤濕度信息;綜合手動控制和自動控制方法控制執行機構動作;采用觸摸屏實現溫室大棚現場的人機交互;借助短信報警控制器實現遠程監控。系統通訊網絡處于物聯網傳輸層,依據傳輸層的設計要求,構建了溫室現場局域網和遠程廣域網相結合的數據傳輸體系。

現場局域網采用基于以太網的有線傳輸方式;遠程廣域網采用互聯網與GSM移動通信相結合的傳輸技術,實現感知層數據的可靠傳輸和廣泛互聯。集控系統處于物聯網應用層,主要實現感知層數據的各類處理過程,包括數據存儲、數據預處理、智能控制和人機交互。基于Lab VIEW軟件開發了溫室大棚集中監控管理平臺,通過OPC服務器與現場控制器進行數據交換;以SQL Server軟件為開發平臺建立了溫室大棚數據庫系統,實現運行數據的科學管理;提出了一種綜合軟件補償、分布圖法和取平均值法的數據預處理方法,消除數據誤差的影響;提出了一種溫濕度變結構模糊控制方法,改善控制系統穩態性能,通過LabVIEW環境下的PID和模糊控制工具包實現了模糊控制器的設計;開發了集中監控管理平臺數據采集、實時監測、控制輸出、參數設置和數據管理過程的人機交互界面,提高管理效率。設計并搭建了溫室試驗平臺,在試驗平臺上進行了控制系統的調試與試驗。調試與試驗結果表明:系統的硬件設計合理,通訊網絡穩定,集中監控管理平臺各項功能正常,提出的數據預處理方法和智能控制方法效果良好,將環境參數穩定在合理水平,滿足設施農業溫室大棚的現代化管理需求。