1 引言隨著控制技術、Internet和移動通信技術的飛速發展，農業生產的自動化、資訊化水準不斷提高，“可控環境農業”的研究已經越來越為人們所重視。

如何方便有效地對溫室環境進行監測和控制，如何提高農業生產的資訊化水準是目前可控環境農業研究的重點。

本章簡要說明了課題的研究背景和現實意義，並綜述了溫室環境監控技術的研究現狀和發展趨勢，在此基礎上提出了本文的研究內容。

1.1 遠程溫室監測系統的應用現狀及發展前景自20世紀80年代以來，我國工程科技人員在吸收發達國家高科技溫室生產技術的基礎上，進行了溫室中溫度、濕度和二氧化碳等單項環境因數控制技術的研究，希望通過改變植物生長的自然環境、創造適合植物最佳的生長條件、避免外界惡劣的氣候，達到調節產期、促進生長發育、防治病蟲害等目的。

由此而引發的各種溫室測控技術的實際應用與研究也取得了長足發展。

發達國家已經向高層次的自動化、智能化方向發展，形成了現代化水準高，比較完善的技術體系[1]。

我國溫室測控技術應用研究雖然也取得了一定的進展，但是與發達國家相比依舊存在較大差距。

隨著世界設施農業栽培技術發展迅速，溫室面積和產量大幅增加，對各種溫室測控技術以及與之緊密相關的通信技術的研究，已經引起該領域內的專家學者的廣泛關注。

1.2 國內外溫室測控技術1.2.1 國外溫室測控技術研究狀況發達國家如荷蘭、美國、英國等都大力發展集約化的溫室產業，溫室內溫度、濕度、光照、CO2濃度、水、氣、營養液等實現電腦調控。

荷蘭在1974年首次研製出電腦控制系統CECS。

l978年日本東京大學的學者研製出微型電腦溫室綜合環境控制系統。

目前，日本、荷蘭、美國等發達國家可以根據溫室作物的特點和要求，對溫室內的諸多環境因數進行環境控制。

在日本，作為設施農業主要內容的設施園藝相當發達，塑膠溫室和其他人工栽培設施達到普遍應用，設施栽培面積位居世界前列。

蔬菜、花卉、水果等普遍實行設施栽培生產。

針對種苗生產設施的高溫、多濕等不良環境。

日本有關部門進行了如下幾種設施專案的研究。

主要有設施內播種裝置、苗灌水裝置、換氣扇的旋轉和遮光裝置的開閉裝置(溫度、濕度及光照控制)、缺苗不良苗的檢測及去除和補栽裝置、CO2施肥裝置等方面的自動化研究[2]。

而在韓國，從l992年以來，政府就把設施園藝作為重點事業來推進發展，到1992年底，設施栽培面積為5.3萬mm2，其中帶環境控制的現代化設施的設置面積占10%左右[3]。

由於溫室能完全控制作物生長的各種條件，近年來溫室農業在以色列得到了飛速發展。

以色列溫室結構非常先進：它裝有幕簾、天窗及遮陽網，可根據光線強度的不同自動調節和移動，並裝有空氣溫度和濕度調控等溫室電腦環境控制系統。

以色列科學家成功地開發了一系列電腦軟體、硬體，實現了溫室中供水、施肥和環境自動化控制。

最新的彌霧氣候控制技術，使溫室降溫所需的能量非常小[4]。

以色列的溫室從80年代到90年代更新了三代，利用電腦控制水、肥和溫室小氣候，自動調溫、調濕、調光，而且結構非常先進，促進了工廠化農業的大發展。

荷蘭園藝溫室發展較早，由於地處高緯度地區，日照短，全年平均氣溫較低，因此，集中較大力量發展經濟價值高的鮮花和蔬菜，大規模地發展玻璃溫室和配套的工程設施，全部採用電腦控制。

荷蘭的全自動化溫室成套設備在世界市場上享有很高的技術聲譽，但荷蘭的溫室業是一種高能耗的產業，全國每年溫室消耗天然氣達42億立方米[5]。

英國農業部對溫室的設計和建造也很重視，在英國西爾索農業工程研究院，科學家們進行了溫室環境(溫度、濕度、光照、通風及CO2及施肥等)與作物生理、溫室環境因數的電腦優化、溫室節能、溫室自動控制、溫室作物栽培與產後處理、無土栽培的研究。

目前，英國的溫室大量採用電腦管理，主要控制溫度、濕度、通風、CO2濃度、施肥、營養液供給及pH值等。

倫敦大學農學院研製的電腦遙控技術，可以觀測50km 以外溫室內的溫度、濕度等環境狀況，並進行遙控[6]。

另外，國外溫室業正致力於高科技發展遙測技術、網路技術、控制局域網已逐漸應用於溫室的管理與控制中，Alves-Serodio，C.M.J等在ISIE’98國際會議中提出一體化的溫室網路管理體系模型，可將氣候的調節、灌溉系統與營養液的供給系統作為一個整體，並可以實現遠程控制。

1.2.2 國內溫室測控技術研究狀況a)集散控制系統(DCS)智能溫室的自動控制系統一般是由控制電腦、感測器、執行機構及驅動部件組成的多輸入、多輸出的閉環控制系統。

在現代溫室測控系統中，運用最多，技術最成熟的是集散控制系統，匯流排結構一般採用RS485.溫室群集散控制系統一般以PC機或工控機為上位機，單片機作為下位機組成。

下位機的任務是完成現場與作物有關的環境參量及作物生理參量的資訊採集、分析處理和存儲顯示，並通過RS485匯流排同上位機相連；上位機則主要實現環境的調控策略、集中操作管理、通信控制等功能，協調各從機之間的數據傳送工作，從而實現對整個系統的有效管理。

隨著單片機及微機技術、網路技術的發展和應用，採用微機與多臺單片機構成小型集散控制系統在現代溫室測控領域的運用非常普遍。

它利用單片機價格低、功能強、抗干擾能力好、溫限寬和麵向控制等優點，結合微機的軟硬體支撐，是一般規模溫室測控系統的常用選擇方案。

但是這類溫室集散控制系統存在著固有的缺陷：控制系統的物理層採用上下位機主從集散控制結構，一旦上位機出現故障，將會導致整個控制系統癱瘓，危險過於集中，系統的可靠性和穩定性不佳；同時該測控系統採用RS485匯流排，有效傳輸範圍不超過1200m。

這將成為現代溫室集群化方向發展的瓶頸，系統的拓展性不好，佈線複雜，成本較高。

但是作為主流的溫室測控系統架構方案，集散控制系統採用基於RS485、RS422等匯流排結構的通信方式在國內外溫室測控領域仍然佔據主導地位。

b)國內溫室測控技術我國農業電腦的應用開始於20世紀70年代，20世紀80年代中期開始應用於溫室控制與管理領域。

從1979至1987年陸續從6個國家(荷蘭、日本、美國、義大利、羅馬尼亞、保加利亞)等引進24套溫室，總而積19萬平方米。

這些溫室系統的引進，總計投資960萬美元，人民幣2570萬元。

每平方米面積投資80-100美元，還不包括修建鍋爐房、水塔等輔助建築的投資和國內運費、關稅等開支[7]。

從國外引進的現代化溫室，雖然在國外經過多年的發展和完善，技術上也比較成熟和先進，但是在使用中卻出現了一些問題，如體積大、能耗大、濕簾降溫較差；從經濟效益上看，因為設備投資大，運行費用高，產值較低，普遍虧損等，所以並末得到普及。

實踐證明，如果既要符合我國自己的氣候特點，又可降低投資費用，根本出路在於吸收國外溫室設施的有益經驗和技術，建設我國自己的溫室產業，設計生產符合我國經濟水準和各種氣候特點的溫室系列[8]。

從80年代開始，我國的農業工程科技人員在吸收發達國家高科技溫室生產技術的基礎上，進行了溫室中溫度、濕度和CO2等單項環境因數控制技術的研究，並逐步推出適宜我國經濟發展水準又能滿足不同生態氣候條件需要的溫室產品。

20世紀90年代初期，中國農業科學院農業氣象研究所和蔬菜花卉研究所，研製開發了溫室控制與管理系統，並採用Visual Basic開發了基於windows操作系統的控制軟體。

90年代中後期，江蘇理工大學毛罕平等研製開發了溫室軟硬體控制系統，能對營養液系統、溫度、光照、CO2，施肥等進行綜合控制，是目前國產化溫室電腦控制系統較為典型的研究成果。

在此期間，中國科學院石家莊現代化研究所、中國農業大學，中國科學院上海植物生理研究所等單位也都側重不同領域，研究溫室設施電腦控制與管理技術，“九五”期間，國家科技攻關專案和國家自然科學基金委，均首次增設了工廠化農業(設施農業)研究專案，並且在專案中加大了計一算機應用研究的力度。

90年代末河北職業技術師範學院的目忠文研製了蔬菜大棚溫濕度測量系統，能對大棚內的溫濕度進行即時測量與控制。

吉林工業大學於海業、馬成林等人(1999)研製的溫室環境(溫度、濕度)自動檢測系統是以一臺IBM/PC及其相容機作為主控機，模/數轉換採用插入式數據採集板卡來實現的。

還有許多高等院校、科研所都在進行溫室控制系統的相關研究，並且許多單位都己建起或將要建起溫室控制系統的總體框架，並形成了一些控制理論，如王宇欣的《高寒地區充氣膜溫室局部環境調控分析》等[9]。

可以看出我國溫室設施電腦應用與研究，在總體上正從消化吸收、簡單應用階段向實用化、綜合性應用階段過渡和發展。

這些無疑對我國的溫室發展起了積極的作用，但是與國外先進水準相比仍有一定的差距。

2 系統組成2.1 系統總體結構目前國內外研究開發的溫室控制系統，大致可分為以下三種：1) 單獨式多單元溫室系統。

這種控制系統主要利用專門的溫室氣候控制電腦來檢測多個感測器的輸入信號及輸出控制信號，這種控制電腦的外形與PC機相似，所有的感測器和繼電器由電纜與它直接相連，通過顯示幕以畫面的形式生動地顯示溫室運行情衫之，並可以存儲、列印、統計分析、曲線說明等。

但這種控制系統的價格比較昂貴。

2) 單片機控制一個溫室單元系統。

這是隨單片機的發展而出現的，現已經廣泛應用於國內外許多溫室中。

它充分利用了單片機的數據傳輸方便快捷、介面通道配置靈活、性能穩定可靠、價格低廉等優點。

但這種控制結構由於單片機存儲容量小，不能保存大盤的數據，不利於分析，且人力消耗大。

3) 分佈式多單元系統。

該系統主要針對由多個溫室構成的溫室群地區而提出的，它將PC機與前面兩種系統的優點融為一體，每個溫室由前沿機(氣候控制電腦或單片機控制系統)進行分散控制。

主控室中的PC機對溫室群集中管理。

這種系統在提高工作效率、安全、舒適性方面有著不可比擬的優越性，是現代溫室監控系統的典型模式。

單片機結構簡單、物美價廉、設計與使用方便、抗干擾性及適應環境的能力強。

因而常被用作自動化系統的前端處理器(下位機)，深入到現場，採集各種數據及資訊，進行簡單的處理後送至上位機。

同時它也是一種控制器，接收上位機下達的命令，對現場實行有關的控制。

微機功能強大、人機介面友好，能處理很複雜的問題。

在自動化系統中，通常用作中央處理器(上位機)，接收來自下位機的資訊和數據，經處理後在微機介面上顯示，並向下位機下達命令，通過下位機對現場實施控制[10]。

本課題兼顧單片機和微機的特點，採用分佈式監控系統。

系統總體結構如圖2.1所示。

圖2.1 系統結構圖 本系統由許多分佈在各溫室中的控制器 (下位機)和主控電腦 (上位機)組成，每個控制器連接到主控電腦上，處理各種感測器所採集的數據並對控制驅動器進行即時控制：主控電腦存儲、顯示控制器傳送來的數據，並可以向每個控制器發送控制設定值和其他控制參數，對溫室進行監測與控制。