花卉栽培控制系統(tǒng)
托普物聯(lián)網(wǎng)提出的花卉栽培控制系統(tǒng)簡單的說就是利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過對溫室內(nèi)的主要環(huán)境參數(shù)--溫度、濕度、土壤濕度、CO2濃度的綜合調(diào)控，為各花卉生長發(fā)育提供最佳的生態(tài)環(huán)境條件。
一、花卉栽培控制系統(tǒng)的提出
隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，溫室正朝著智能化控制的方向發(fā)展。我國農(nóng)業(yè)也逐漸地從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。因而花卉大棚,自然也離不開現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)。
通過國內(nèi)外大量的科學(xué)實驗和生產(chǎn)的實踐證明，環(huán)境的控制對花卉生長起到非常重要的作用。只有在適宜的環(huán)境下花卉才能生長良好。對于花卉大棚內(nèi)環(huán)境的控制主要對環(huán)境溫度、濕度等進(jìn)行測量和控制。用單片機(jī)監(jiān)控溫室的溫度/濕度,根據(jù)溫室的溫度/濕度的變化,自動地實施噴灌調(diào)溫。確保溫室經(jīng)濟(jì)作物生長適宜的溫度、濕度。
二、花卉栽培控制系統(tǒng)的簡介
本系統(tǒng)采用層次化、模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤設(shè)置系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)組成。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，以溫度、濕度傳感器作為測量元件，通過單片機(jī)與智能傳感器相連，采集存儲智能傳感器的測量數(shù)據(jù)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，還要實現(xiàn)程序的擴(kuò)展存儲、數(shù)據(jù)的實時顯示、超限語音報警和數(shù)據(jù)輔助存儲功能。
本設(shè)計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，包括其功能設(shè)計；設(shè)計原則；組成與工作原理；二是進(jìn)行智能傳感器的硬件電路設(shè)計；包括硬件電路構(gòu)成及測量原理；溫度和濕度傳感器的選擇；單片機(jī)的選擇；輸入輸出通道設(shè)計。
三、花卉栽培控制系統(tǒng)的組成
1、傳感器子系統(tǒng)：傳感器主要包括溫度傳感器和濕度傳感器。
2、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要完成對傳感器子系統(tǒng)傳送來的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和采樣。
3、信息處理子系統(tǒng)：信息處理子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，包括環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)值、信號處理和控制3個部分。信號處理實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與本階段環(huán)境參數(shù)值進(jìn)行比較分析，為控制提供決策依據(jù)，控制部分則由此發(fā)出各種相應(yīng)的控制信號。
4、數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過LED顯示器實時顯示傳感器采集到的溫度和濕度信息。
5、伺服子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)包括溫度和濕度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過對噴水設(shè)備、加熱設(shè)備（如熱風(fēng)機(jī)）的工作方式及時間控制以實現(xiàn)對溫度、濕度的調(diào)節(jié)功能。
四、花卉栽培控制系統(tǒng)的發(fā)展
花卉栽培控制系統(tǒng)是現(xiàn)代溫室控制系統(tǒng)的一部分，溫室自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是綜合環(huán)境調(diào)控、變動的壞境控制系統(tǒng)、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、藍(lán)牙技術(shù)。
?。?span style="margin:0px auto;padding:0px;border:none;outline:none;">1）國外發(fā)展動態(tài)及其趨勢
西方發(fā)達(dá)國家在現(xiàn)代溫室測控技術(shù)上起步比較早。1949年，借助于工程技術(shù)的發(fā)展，美國建成了第一個植物人工氣候室，開展了植物對自然環(huán)境的適應(yīng)性和抗御能力的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)型的高級溫室開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，奧地利首先建成了番茄生產(chǎn)工廠，70年代后荷蘭、日本、美國、英國、以色列等國家的溫室園藝迅猛發(fā)展，溫室設(shè)施廣泛應(yīng)用于園藝作物生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和智能控制理論的發(fā)展，近百年來，溫室大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其自動控制和管理技術(shù)不斷得以提高，在世界各地都得到了長足的發(fā)展。特別是二十世紀(jì)70年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計算機(jī)的出現(xiàn)，更使溫室大棚環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。80年代，隨著微型計算機(jī)日新月異的進(jìn)步和價格大幅度下降，以及對溫室控制要求的提高，以微機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美得到了長足的發(fā)展，并邁入了網(wǎng)絡(luò)化，智能化階段。
目前，國外現(xiàn)代化溫室的內(nèi)部設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)。溫室內(nèi)的各環(huán)境因子大多由計算機(jī)集中控制，檢測傳感器也較為齊全，如溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液濃度等，由傳感器的檢測基本上可以實現(xiàn)對各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動控制，如無級調(diào)節(jié)的天窗通風(fēng)系統(tǒng)，濕簾與風(fēng)扇配套的降溫系統(tǒng)，由熱水鍋爐或熱風(fēng)機(jī)組成的加溫系統(tǒng)，可定時噴灌或滴灌的灌溉系統(tǒng)，二氧化碳施肥系統(tǒng)，以及適用于溫室作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械等。計算機(jī)對這些系統(tǒng)的控制己經(jīng)不是簡單的、獨(dú)立的、靜態(tài)的直接數(shù)字控制，而是基于環(huán)境模型上的監(jiān)督控制，以及基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。
?。?span style="margin:0px auto;padding:0px;border:none;outline:none;">2）國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及其趨勢
改革開放以來，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得了可喜的成績，但同時，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問題也越來越凸現(xiàn)出來，如果這些問題得不到解決，將成為嚴(yán)重制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。首先是我國人口眾多。其次是資源短缺。第三是我國農(nóng)產(chǎn)品成本高，科技含量低，無法形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。要解決這些問題，根本在于實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化。農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合控制作為農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)的手段，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展主要方向之一，成為21世紀(jì)最有活力的農(nóng)業(yè)新產(chǎn)業(yè)。
20世紀(jì)50年代末，我國在華北地區(qū)曾建造過屋脊式大型玻璃溫室，到60年代初，在東北地區(qū)建成1hm2的大型玻璃溫室。由于國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)比國外落后，必然走一條引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新的路子。1979-1987年，從保加利亞、荷蘭、羅馬尼亞、美國、日本、意大利等六國，引進(jìn)現(xiàn)代溫室24座，共19.2hm2,分別建造在北京、黑龍江、廣東、江蘇、上海、新疆等六省市區(qū)，其中60%用于蔬菜生產(chǎn)，40%用于花卉生產(chǎn)。這次較大規(guī)模的引進(jìn)溫室，各地都重視了溫室本身，但卻忽視了對我國氣候的實用性和配套的栽培技術(shù)，在實際中存在著冬季能耗高、夏季降溫困難等問題，經(jīng)濟(jì)效益普遍不佳。90年代中期開始，我國現(xiàn)代溫室快速發(fā)展?！熬盼濉逼陂g，國家科技部將工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程列為國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程，這是唯一的一項農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)示范工程項目。由此，又一個大規(guī)模引進(jìn)國外大型現(xiàn)代溫室，至1998年，共引進(jìn)溫室175.4hm2,引進(jìn)的國家有荷蘭、法國、以色列、西班牙、美國、日本、韓國以及我國的臺灣地區(qū)，基本涵蓋了現(xiàn)代溫室發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)；引進(jìn)和建設(shè)的地點，北起黑龍江，南至海南島，東起上海，西至新疆，包括了全國所有的省、市、自治區(qū)；引進(jìn)溫室的主要類型包括單屋脊和雙屋脊的大型連棟玻璃溫室，拱圓形、鋸齒形、雙層充氣和雙層結(jié)構(gòu)的塑料膜溫室，以及聚碳酸酯板溫室等，代表了現(xiàn)代溫室的所有類型；引進(jìn)溫室的配套設(shè)備包括遮陽、通風(fēng)、降溫、加溫、保濕、自動控制和計算機(jī)管理，以及栽培床、活動苗床、噴滴灌和自走噴灌、自走式采摘車、自動化穴盤育苗、水培設(shè)備等等，也基本包括了所有先進(jìn)的配套設(shè)備。這次大規(guī)模的引進(jìn)溫室，特別是北京、上海幾個示范園區(qū)，在引進(jìn)溫室至溫室園藝成套設(shè)施硬件的同時，還引進(jìn)了配套品種、栽培技術(shù)、專家系統(tǒng)等軟件成套技術(shù)，以及國外相關(guān)專家現(xiàn)場指導(dǎo)。
目前，我國是設(shè)施園藝栽培面積最大的國家。80年代中后期，隨著高效節(jié)能日光溫室生產(chǎn)技術(shù)在東北地區(qū)試驗成功，就迅速在我國北方發(fā)展起來，各級政府把其作為帶領(lǐng)農(nóng)民致富奔小康、培育農(nóng)村新的經(jīng)濟(jì)增長點的重點措施，各級農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)也投入了大量的人力、物力進(jìn)行節(jié)能日光溫室建造及生產(chǎn)技術(shù)的專項研究，并取得了重大進(jìn)展。日光溫室發(fā)展到今天，已由生產(chǎn)各種反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)設(shè)施，發(fā)展為日光溫室園藝設(shè)施，進(jìn)而發(fā)展為設(shè)施農(nóng)業(yè)，已成為種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，全國節(jié)能日光溫室面積到2002年底已到達(dá)760萬畝。
五、花卉栽培控制系統(tǒng)的問題
隨著我國現(xiàn)代溫室產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在溫室產(chǎn)業(yè)的運(yùn)營中暴露出了一些問題:
1）現(xiàn)代溫室管理和種植的人才缺乏，溫室種植技術(shù)落后，造成了現(xiàn)代溫室的功能和優(yōu)勢不能充分發(fā)揮。
2）能源消耗大，以現(xiàn)代溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)效益低下，導(dǎo)致溫室產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了滑坡的現(xiàn)象。
3）不同地域的氣候環(huán)境制約了進(jìn)口大型溫室適用性，溫室不能周年運(yùn)行。
4）計算機(jī)控制水平低。目前國內(nèi)溫室計算機(jī)控制系統(tǒng)與國際選進(jìn)技術(shù)存在很大差距，商用控制系統(tǒng)不能滿足高效節(jié)能有效控制溫室機(jī)構(gòu)運(yùn)行的要求。
六、總結(jié)
本設(shè)計可以利用溫度控制功能實現(xiàn)適合花卉生長的溫度條件，利用溫度傳感器來檢測溫度的高低，通過程序控制的原理來實現(xiàn)升溫或者降溫的功能。濕度自動控制原理主要是利用濕度傳感器來檢測花卉培土的濕度，通過自動噴灌技術(shù)實現(xiàn)補(bǔ)充水分需求的功能。
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