穆喜林，罗成飞

(哈尔滨工业大学后勤集团 哈尔滨工业大学化工与化学学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 前言

目前，我国智能化蔬菜温室较多，在反季节蔬菜的生产过程中得到普遍应用，但这类温室主要针对蔬菜生产设计，在甜菜中应用并不理想。另外，此类设备价格昂贵，不适合国情。为此，我们从作物作物的生长特性出发，利用计算机控制技术结合不同作物生长特点开发了一套农业种植温室自动控制系统，该系统安装了“农艺专家管理系统”，能够及时为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，不但能为不懂农业技术的用户提供技术帮助和实时指导，而且能自动生成合理的控制方案，实现了人造气候的智能化管理。

1 系统的总体构成和功能

本系统以主机(PC机)为上位机，以若干个(100个以内)温室内的“气候自动控制器”为下位机，其间以RS -485通讯线路相连接。如图1所示，各温室内的“气候自动控制器”负责采集本温室温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度等气候参数，并通过通讯线路传送给主机，主机通过我们开发的软件，把传来的气候参数和“农艺专家管理系统”对各温室事先设定的最佳气候参数进行比较、分析和运算，向各温室的“气候自动控制器”发出“通风、加热、喷淋、调节光照、补充CO2”等相应控制指令，各温室内的“气候自动控制器”根据主机对本温室的控制指令立即接通或断开“通风机”、“加热器”、“淋水泵”、“光照调节装置”和“CO2施放机构”等设备的电源，从而控制本温室的气候参数始终保持在适合植物快速生长的最佳状态。

1.1 气候参数的采集

温室环境气候参数的采集是依靠传感器进行的，主要包括土壤湿度传感器、叶面湿度传感器、空气温湿度一体化传感器、光照度传感器、CO2传感器，它们是监控系统的信息来源，关系到整个系统的检测、数据分析和控制的可靠性与准确性。

1.2 伺服机构

伺服机构是“气候自动控制器”具体控制的执行者，包括通风机、加热器、喷淋水泵、光照调节装置(遮阳网滚筒机构和补充照明设备)、CO2施放机构等设备。

图1 控制系统工作示意图

1.3 气候自动控制器

“气候自动控制器”可在无主机的情况下单独控制本温室的气候，其核心是AT89C52单片机，如图2所示，外围部分是对它配置的接口电路和存储单元。本温室各种气候参数通过传感器进行实时检测，然后经单片机分析处理后输出控制指令，经执行机构完成最佳气候的自动化控制。为了实现人机对话，气候自动控制器设置了按键输入部分和液晶显示部分，可以设定控制参数和实时显示本温室控制状态及气候参数的变化情况。当然，通过扩展输出电流，增加气候传感器的数量，也可适用于较大规模的温室。另外，气候自动控制器也可在室外单独控制苗圃的湿度，此时应关闭“通风”、“加热”功能，省去除土壤湿度传感器和叶面湿度传感器外的其它传感器。

图2 气候自动控制工作原理

2 系统软件及农艺专家管理系统的设计

2.1 系统软件

系统软件由数据综合管理系统及农艺专家管理系统两部分组成:数据综合管理系统软件主要用于温室环境参数的设置、通讯、显示、存储、查询、统计和打印等。农艺专家管理系统软件，能够及时为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，并能自动生成最佳控制方案，为用户提供技术帮助和实时指导。

2.2 农艺专家管理系统的设计

农艺专家管理系统具有专家决策与咨询两项功能，因为数据能反映事物的数量化特征，在数量上能为各级管理者和决策者提供数据和辅助决策信息，所以该系统是以数据形式进行辅助管理的，其结构框架如图3所示。

图3 专家管理系统结构图

1)人机接口

人机接口是人机交流的界面，用户可以向系统提供信息、需求和系统向用户提供解答及索取为完成任务所需要的补充信息。

2)知识库的内容

由于温室生产过程中农艺专家知识范围广泛，相对知识类型也比较复杂，通过采用树形目录的方式进行分类表示的，内容包括植物类别、植物特性、栽培技术、最佳气候参数等。其中植物类别有甜菜、蔬菜等大类;植物特性包括植物属性、日照要求、原产地等;栽培技术包括栽培土质、适应品种、繁殖方法、种苗管理、浇水措施、施肥操作、病虫害防治等;最佳气候参数是我们用于温室控制最重要最直接的参数，包括白天、夜晚植物在不同生长期的最佳温度、湿度、光照度和CO2浓度等。

3)知识库管理系统的功能

知识库管理系统包括知识库编辑和专家咨询两个模块，通过知识库编辑模块可以输入、增加、删除、修改领域知识，实现知识的继承输入;通过知识库咨询模块，用户可以查看知识库的总体结构，并能迅速查出某温室栽培作物的有关知识。

4)专家决策系统

根据用户提出的任务要求通过专家决策系统来解决。专家决策系统功能主要包括：信息收集、问题识别、问题求解等。从本系统的决策环境来看，一方面要涉及专家丰富的知识因素，另一方面决策是建立在实时测量基础上的，在信息网络条件下，决策过程如下:用户通过人机接口，只需把指定编号温室的植物类型和生长期输入到专家管理系统，主机即可根据农艺专家推荐的最佳气候参数和系统传来的本温室实测气候数据，自动生成科学合理的控制方案，再通过系统把控制指令下达到该编号温室内的气候自动控制器，通过伺服机构实施智能化控制。

3 结语

本智能温室系统的研制，不仅可以在甜菜幼苗培育中使用，也可以在反季节蔬菜栽培中应用。因为随着人们生活水平的提高反季节蔬菜的消费量也逐年增加。目前我国农村正在大力发展温室栽培，绝大部分温室大棚已经安装有通风、加热、喷淋等设备，只需添加我们“只能制系统”中的气候自动控制器、环境参数采集传感器及输出控制柜，就可以将目前现有的中、低档温室改装成一套低成本高效率的智能温室。大大减少了人力成本，降低了蔬菜成本。