分布式智能温室计算机系统的设计与应用外文翻译资料

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2015年第七届国际测量技术与机电一体化与自动化会议

分布式智能温室计算机系统的设计与应用

摘要:针对全自动控制的需要在农业控制系统中，对分布式智能温室计算机控制系统进行了研究。它由中央计算机和单片机作为控制核心组成。以人工智能和专家系统知识库为基础，借助实时监测和智能决策模块，对温室环境因子进行实时调整。此外，还将创造最佳的作物生长条件。整个系统 由环境因素监测模块、智能决策模块、数据处理模块、数据库管理模块、灌溉控制模块组成。该系统具有智能决策、操作方便等优点。此外，它易于扩展和更新。该系统已作为一个产品实现。

目前的智能温室计算机系统存在很多问题，包括系统不灵活，不能适应温室自动控制的要求。这些都是短板，严重制约了智能温室计算机系统的发展。

根据目前国内对温室自动控制水平的需求和对自动控制系统的需求情况，通过结合人工智能和专家系统领域的研究优势，进一步采用中央控制计算机和单片机智能控制系统、实时多任务操作系统和温室农业专家系统，开发了分布式智能温室控制系统。

II. 温室自动控制系统的特点及总体结构

1. 智能温室的特点

关键词：分布式智能温室； 自动控制； 人工智能； 专家系统； 单片微处理机

ABSTRACT

The distributed intelligent greenhouse computer control system is studied in the agricultural control system. It is composed of central computer and single chip microcomputer as the control core. Based on the knowledge base of artificial intelligence and expert system, the greenhouse environmental factors are adjusted in real time with the help of real-time monitoring and intelligent decision-making module. In addition, optimum conditions for crop growth will be created. The whole system is composed of environmental factor monitoring module, intelligent decision module, data processing module, database management module and irrigation control module. The system has the advantages of intelligent decision making and convenient operation. In addition, it is easy to extend and update. The system has been implemented as

a product.

Key words: Distributed intelligent greenhouse; Automatic control; Artificial intelligence; Expert system; Monolithic microprocessor

1. 导言

智能温室系统是我们近年来在普通温室的基础上，结合现代计算机控制技术、智能传感器技术、人工智能和专家系统等高新技术手段，在计算机集成控制提供的适合作物生长的环境中，开发的一种资源节约型、高效的农业发展技术，得以实现各种作物的工厂化生产。 优质、高效、低耗等情况。

大型温室在以色列、日本等先进国家得到了广泛的应用，计算机控制系统是在温室自动控制的基础上发展起来的。 目前，温室计算机控制技术的研究方向包括:1）基于Internet和温室图像系统的温室计算机控制系统；2)生态环境因素控制； 3）任务自动化；4）专家系统在温室管理、决策、咨询等方面的应用，都取得了长足的进步，国内现有的系统大多是从国外引进的，价格昂贵，不适合我国国情，经过多年的发展，国内温室已经占据了主导地位，但温室的计算机控制系统依赖进口，成为一项技术。 我国温室产业存在的问题与瓶颈 在温室自动控制和智能化方面，我国进行了许多有价值的研究，但系统结构不合理，软件功能薄弱，可靠性不高，系统配置不合理，系统的可靠性差。

智能温室控制主要是根据环境温度、湿度、光速和风速、风向、降雨量等气候因素，基于温室专家系统和用户参数设置，结合一定的控制措施来调节温室的温度、湿度、通风、光照等环境因素，创造适合作物生长的温室生态环境，即根据不同作物的需求，根据温室的气候特点等模式，选择合适的温室控制参数 NT生长阶段以检测标准为依据，通过对温室环境的实时检测，对温室控制设备的参数进行自动比较调整，以使各种环境因素符合既定要求。

1. 温室控制系统的总体结构 温室控制系统由四部分组成:

信号采集输入部分:包括温度、湿度、光照、风速、风向、降雨量等环境因素的检测。

1)信号转换与处理部分:将采集到的计算机可识别的信号和操作员的数量传送给计算机，并由计算机进行处理。

2)输出控制部分:控制湿帘风机、遮阳网、车窗开关系统。

3)灌溉控制:包括定时灌溉，由控制室设定时间进行调节，并可根据实际情况，在温室内进行人工控制灌溉

III. 硬件系统组成及控制功能

A.系统原理

控制系统由中央计算机组成（Intel Celeron433M PC）和单片机智能控制仪（51系列单片机），实现主从式通讯，可对多个温室进行监控、管理和控制。 单片机智能控制仪监测温度、湿度、光照、风速、风向、降雨量等气象环境因素，控制温室设备。

B.系统功能

1)PC:配置整个系统，设置控制器的控制参数，读取控制仪表的测量数据，并进行存储、显示、打印等操作。 如果PC机不开机，控制器可以自动采集数据并进行控制。

2)控制仪表:每个控制器控制一个温室，具有数据采集和控制功能，可独立工作。 每个控制器都有自己的LCD显示屏和键盘系统，可以独立控制和调节系统的运行状态。 液晶显示器提供了设备运行参数、设备状态、系统运行周期等完整的菜单，可以通过键盘对所有参数进行调整。

IV. 系统软件结构

系统软件包括上位机软件和下位机软件，上位机软件用Microsoft Visual c 6.0编写，下位机软件用C语言编写，固化在程序存储器中^[3]。

A.控制软件功能

1)读取各传感器的测量值，必要时传输到PC机，将测量数据存储在大容量断电保护存储器中，并可与另一台PC机交换数据。

2)根据内部控制算法对温室设备进行控制，并将控制动作和设备状态传递给上位机。

3)实现了控制器的独立控制界面，并通过液晶显示器和键盘进行控制，包括将系统数据显示到LCD，提供完整的数据菜单等。

B.计算机温室控制软件

系统控制的关键是温室气候控制，为了使操作员能够直观地查看气候数据，人机界面全部采用友好的图形界面，使操作更加简单直观高效。

系统软件主要由七大模块组成:实时监控模块、系统参数设置模块、智能决策模块、数据处理模块、数据库管理模块、手动控制模块、喷头模块、帮助文件模块等。

实时监控模块。 该模块负责将各种气象因子的模拟值通过实时室外传感器输入到操作者可以识别的数据中，为了防止某些过渡数据对观测的影响，对采集到的数据进行滤波，然后将其显示到气象因子显示屏的主界面上，这样就可以保证了数据的可靠性。

系统参数设置模块。 对于温度、湿度等参数，除了需要监控外，还需要根据作物生长的需要设置作物生长的各项参数的范围，并将这些设置写入数据库，然后通过发送的通信总线将这些参数从计算机传送到单片机数据寄存器，根据这些参数，我们可以看到OCM对内/外窗、湿帘、鼓风机、内/外窗进行调节 ER遮阳设备，例如当温度超过设定的温度限制时，需要打开风扇、窗户等设备进行降温。

智能决策模块。 通过根据实测数据，采用人工智能的方法，借助温室控制专家系统，自动设定下位机的一些重要控制参数。 该模块是温室控制专家系统，为温室参数设置提供了最科学、最有效的帮助^[4]。

数据处理模块。 为了适应农作物的生长，不仅需要及时了解和掌握温湿度值，并总结农作物生长规律和对各种参数的要求，因此在系统中，利用系统数据库可以给出实时数据和历史数据表显示，以及它们的实时趋势曲线和历史趋势曲线，保证用户可以查看各参数的当前值和实时趋势曲线。

该模块可以让用户设定各种气象因子的时间间隔，并对温室内需要存储的数据进行存储。

通过数据库管理模块。本模块负责各种气象要素的参数设置、记录、查询和维护。

通过手动控制模块。处于“手动”状态的模块可以直接点击“手动控制”中的模拟开关来控制设备。

通过喷灌模块，根据用户设定的日期和时间间隔，自动喷灌。

V.K型系统的EY技术

A.控制系统的实时性

控制系统可以对此进行处理。在异常情况,能够及时启动相应的设备，调整环境因素。

实时软件操作周期由定时器实现，定时器分为硬件定时器和软件定时器。

由于半导体振动产生的硬件定时时钟脉冲序列，如果精度要求不高，也可以通过谐振电路产生脉冲。 其余的时钟可以用硬件实现，也可以用软件实现，在此基础上根据精度和持续时间的要求进行选择。 选择硬件方法时，脉冲间隔一般在1mu;s～1ms之间。 可编程时钟可按间隔定时器模式或秒表模式运行，可改变计数频率，并具有定时功能。 n基本脉冲计数多次，但硬件计数器的字长限制了计数的持续时间。 硬件时钟编码模型由于其精度不高，主要用于实时应用中的日志报表和打印任务。

用软件实现定时需要一定的计算时间，但其精度和字长可以随程序的变化而变化。 因此，当脉冲间隔大于毫秒时，软件定时比硬件定时更灵活，更容易调整定时模型。

为了获得更高的定时精度，本系统主要采用了软件定时的方法，本系统的实时控制主要包括以下几个方面，例如：

实时采集:根据多路采集方式，每路采集时间为0.5s，采用循环采集方式，只要环境变化，系统就能快速采集变化的数据。

实时控制:需要对所有设备进行快速、及时的控制，整个系统的控制周期约为2s，根据实时采集的数据，可以对系统进行自动或手动控制。

实时报表:根据采集到的数据和系统设备的当前状态，生成数据图和数据曲线。

B.控制系统的多任务与并发控制

温室控制系统包括多个独立的操作过程，如定时任务（如数据存储和灌溉任务）、随机任务（如调节环境因素的受控设备）、通信任务和其他控制任务等。为了互不干扰，系统采用了多线程和多任务软件并发的方式。

采集、控制和通信一起运行。如何处理多个任务之间的协调关系是一个更为重要的问题。 单片机系统采用中断响应和查询中断的方法实现多任务操作系统。 中断响应在快速响应的同时也会垄断资源，不适合对实时系统提出更高的要求。 该系统采用中断查询的方式实现多任务。 使用WatchDO G防止系统进入死循环，保证系统的实时性。

中断查询机制保证了多任务的运行:解释查询机制是计算机执行多任务的关键。 中断信号由硬件发送，在操作系统识别出信号后，首先挂起正在执行的程序，存储整个恢复信息，初始化中断。 然后计算机开始执行前台任务，例如示例程序中的“时钟”模块。

并发控制:控制程序和定时程序之间的主要接口是时钟处理变量。 在控制程序的设计中，通常采用一个进程来保持时序，过程和控制程序完全独立，并行运行。 下面的控制程序使用软件定时，并确定所有任务的触发变量。

C.专家系统与控制系统的协调

专家系统是一种基于知识的启发式推理系统，它通过一个或多个专家提供的专门知识进行推理，模拟人类专家在决策过程中的思维方式，以解决复杂的工程问题和非工程问题。 专家系统方法为处理启发式直觉推理信息提供了方法和工具。 在控制领域，专家系统与控制理论相结合，特别是启发式推理 结合反馈控制理论，形成专家控制系统。

本专家系统是利用人工智能专家系统技术，在收集农作物和畜牧业领域专家知识、模型和经验的前提下，采用适

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