[科普中国]-在线控制系统

在线控制一次要采集多个数据， 需要多路开关进行路选通， 再将采集到的如温度、湿度、压力、流量、液位、成份、速度等模拟量转换为数字量， 将转换后的量输入单片机系统，进行实际的控制操作或输出。用于测量的在线控制系统原理图如图。1

单片机在线控制系统大约分为确定任务、总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试等几步。在这些过程中， 分别确定了系统的服务方向， 由合适的性能/ 价格比选定使用的机型、芯片、编写程序， 最后在实际的工作环境中进行程序的设计。

我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。由于我国农业现代化水平较低，温室的一次性投资大，资金短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的发展。从温室控制技术的发展状况来看，大致经历了手动控制、自动控制、智能化控制3个发展阶段。

温室在线控制系统的设计不仅要符合国家相关标准及规定，而且要充分了解不同传感器的工作原理及组合方式，从而选择合适的传感器及控制器。温室环境控制系统需要优化布置温室内的传感器位置，使获得的信息能准确地反映温室内的状况，白天使植物获得最大的光合速率，夜间在满足植物生长和积温要求的前提下使温室在能耗最小的状态下运行，提高温室环境的控制效果和减少调控所需的能源消耗。将多种控制算法交叉与融合的混合控制算法应用到现代温室环境智能控制中，探索新型温室内环境和生物信息的获取方法，开展温室内小气候模拟和实验研究，建立基于模型的温室加温控制目标计算机优化系统，为实现温室内作物生理指标的智能控制、智能控制系统硬件配置及结构优化提供了理论依据。2

目前，温室控制器的结构主要是以单片机为主控制系统，采用8位CPU，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的，其拓扑结构为集中式控制方式，典型结构如图所示。

以单片机为控制器的农业设施环境数字化监控系统可实现相应的软硬件配套方案，软件还具有利用市话网进行数据传输、远程监控的功能、自动巡回检测温室的温度、湿度及光照等参数，可实现温室多点参数监测且具有报警、控制及数据打印输出功能和自动控制功能。

温室控制系统中的PLC主要用于动态、实时监测室内外环境因子的变化，根据作物生长的要求对参数进行匹配，同时完成与上位机的通信。但是由于工业控制器价格较高，广泛用于温室控制系统还受到限制基于PLC的温室控制系统是由上位机、PLC、数据采集单元及执行机构组成，其结构如图所示。

基于PLC的温室在线控制通过分析温室执行机构的相应动作对环境因子的影响，将可编程控制技术、变频技术、组态监控技术和传感器技术应用于温室控制系统的设计，并通过程序对采集到的各参数与设定的控制目标进行比较判断，判断结果通过可编成控制器的输出继电器转化为对执行设备的控制，从而实现温室温度的自动控制，并通过先进的现场总线技术实现多台PLC、多个温室的网络化分布式控制，实现大型连栋温室集群控制。2

近年来，随着无线通信技术的高速发展，遥感与地理信息系统(GIS)技术也成功地应用于作物长势、种植面积、产量、灾害、水土流失等方面的监测，尤其是从点对点传输的红外技术，到短距离的蓝牙技术、小型化、模块化、无线手持式、单点对多点个人局域网，以及长距离的GPRS、GSM、CDMA等，通过远程信息采集与监控技术，可以把分散的农业设施连成统一的整体。如何快速、有效采集和更新影响作物生长环境的空间变量信息，成为实现精准农业的重要基础。

丁为民等人采用网络控制系统结构和模糊控制技术使系统具有扩展容易、鲁棒性强的特点，有效地解决了温室环境参数变化规律随大气环境变化这一时变系统的控制问题。SMS(Short Message Service)方式是基于GSM移动通讯网络，把采集到的地块信息就地存储为数据交换文件，然后通过相应数据接口导入到监测更新服务中心。于海业等人详细阐述了基于Internet温室环境控制系统软、硬件组成和工作原理，指出了如网络控制器的模块化、标准化、多种作物生长发育适宜环境参数的温室生产智能管理的软硬件平台、专家系统的研究开发、通讯技术、远程精确控制技术的开发研究等需要解决的关键技术问题。刘士光等人设计了具有层次发散链式结构和主从工作模式的控制系统，还分别介绍了在主从控制结构中以功能强大的新型单片机C8151F005为核心的温室测控仪表的组成和设计方法以及作为主机的工控机的接口电路和控制软件的设计方法。

目前CAN总线在工业控制中已得到广泛应用，如工业自动化、环境控制设备、交通工具等领域。由于CAN总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性价比高等诸多特点，但是CAN总线在农业环境中的应用还非常少。温室是一个复杂的控制系统，要完成复杂的集中控制模式有一定的难度，而CAN总线的出现恰好解决了这个问题。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络的总线，基本的CAN总线控制系统方案如图所示。

随着控制系统硬件、软件的不断改进，对输入到控制系统的信息的准确性提出了越来越高的要求。输入到控制系统的信息的准确性主要由传感器的精度、传感器在温室内的布点位置、数据的处理方法有关。传感器的精度主要由传感器本身决定，数据的处理方法可以借鉴已有的成熟的数学算法，关键的问题就在传感器在温室内的布点位置和复杂的数据信息处理。

在设施农业中，温室内的环境调控技术已经有了很好的基础，一些新型的控制系统的设计和控制算法能满足基本要求。将计算机和温室控制网组成有线网络和无线网络系统，使有关人员及时了解温室内环境参数的情况，及时做出决策，可以组织国内外专家对小气候环境因子进行远程精确会诊，提出最适宜温室植物生长的环境。统一总线和控制硬件系统标准，只有这样才能实现温室环境调控的智能化、网络化。研究生物信息获取方法，充分利用计算机技术的优势，又充分发挥农业专家在农业生产中的指导作用，使系统的调控非常方便、有效。如何将模糊控制算法、遗传算法、神经网络控制算法、专家系统控制算法等新技术进行融合，提高控制系统的精度和效率，将是未来温室在线控制系统的发展方向。2

传统的水声通信机设置都是依靠本地设置为主，通过数据线与电脑相连，进行与通信相关的设置。但是这样的方式从在很多问题，比如水声通信机在水池安装，如果要多次进行数据传输，则每次需到现场进行配置，造成了人力资源的浪费和配置效率的低下。远程控制系统主要完成对水声通信机的远程配置及通信过程中的数据监测和记录等功能。控制系统主要由水声通信机、串口服务器、无线路由设备、客户端控制系统四个部分组成。3

远程在线控制系统的硬件组成中，水声通信机和串口服务器是两个极为重要的组成部分。为满足控制系统的实验需求，选用的通信机具有先进的混合调制方案、信道均衡用于抵制多路径干扰、高效的误差纠错编码，并且能够自动速率适配，适应水平和垂直工作环境。串口服务器是一种连接串口通信设备的连接设备，能够提供简单方便的联网方式，不但可以保证现有的硬件资源，更确保未来网络的扩充可能性。串口服务器是水声通信控制系统的关键设备，它是连接客户端和通信机的媒介，完成通信机到客户端计算机的数据传输，并且支持RealCom、TCP Sever、TCP client、UDP等模式，满足客户端对于串口通信的模式要求。

如图所示，当远程控制系统开始工作时，客户端计算机通过串口服务器对通信机发送命令，串口服务器通过串口对通信机1及通信机2实现操作。通信机1接受来自客户端的命令，通信机1立即对客户端命令做出反应，采集相关数据信息并传递给通信机2，通信机2收到来自于通信机1的信息，并通过串口反馈给串口服务器，串口服务器将数据直接反馈给客户端，从而在客户端上实现对水声通信机的远程控制。由于客户端实现了远程无线控制，所以极大地拓宽了控制的区域，解决了有线配置带来的弊端，大大提高了对水声通信机的配置效率。3

水声通信远程在线控制系统主要完成对水声通信机的配置，传输过程中的数据监测和记录。以一台串口服务器和两台水声通信机为硬件平台，综合设计开发的控制系统软件进行调试。其主要由端口设置模块、数据监测模块、终端控制模块、状态信息模块4个部分组成。3