摘 要：作物生長(zhǎng)需要一個(gè)適宜的環(huán)境，在可控環(huán)境下，可以不分季節(jié)、不分地區(qū)地種植所需的作物。控制系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了基礎(chǔ)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用主從模式，基于RS-485 總線協(xié)議，設(shè)計(jì)全數(shù)字化傳感器和測(cè)控輸入輸出模塊;采用COM組件技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)采集、控制算法和控制輸出組件。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試和運(yùn)行，證明滿足可控環(huán)境調(diào)控要求。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線，分布式系統(tǒng)，COM組件，可控環(huán)境，智能節(jié)點(diǎn) 1 引言 　　設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為我國農(nóng)業(yè)重要的一個(gè)領(lǐng)域，就是要跨越一個(gè)地域或跨越時(shí)區(qū)，創(chuàng)造一個(gè)可控環(huán)境，給作物提供良好的生存條件。在九五期間國家啟動(dòng)了工廠化農(nóng)業(yè)示范項(xiàng)目，經(jīng)過五年的示范，取得了一定的成就。設(shè)施農(nóng)業(yè)中的一個(gè)共性問題之一，就是環(huán)境的調(diào)控問題，在九五期間已經(jīng)引起了設(shè)施領(lǐng)域，控制領(lǐng)域的高度重視，期間領(lǐng)域?qū)＜蚁蚩茖W(xué)技術(shù)部提供了許多建設(shè)性的工廠化農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告，因此在十五期間國家啟動(dòng)了工廠化農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項(xiàng)目。就設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)共性問題-環(huán)境調(diào)控，啟動(dòng)了溫室環(huán)境智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究與示范課題。該課題的主要研究?jī)?nèi)容之一研究基于總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，給溫室環(huán)境調(diào)控提供了一個(gè)硬件基礎(chǔ)。本文介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與性能測(cè)試方法。 2 系統(tǒng)描述 　　系統(tǒng)由上位機(jī)（Host）、通訊總線RS-485、測(cè)量傳感器、控制輸入輸出模塊等組成。如圖1所示。 　　上位機(jī)軟件核心部分：數(shù)據(jù)采集與處理模塊;控制算法模塊;輸出控制模塊;通訊處理模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫組成，如圖2 所示。 [align=center] 圖2 控制軟件核心部分結(jié)構(gòu)[/align] 　　從圖2可以看出，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫[1]是整個(gè)上位機(jī)控制站軟件系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。它相當(dāng)于一個(gè)運(yùn)載工具，將各部分的信息（包括狀態(tài)、控制、數(shù)據(jù)）從一個(gè)執(zhí)行模塊傳到另一個(gè)執(zhí)行模塊。也可以將它理解成一個(gè)倉庫，從各通道采集來的數(shù)據(jù)，以及網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，而別的模塊（如輸出模塊，控制算法等）需要數(shù)據(jù)時(shí)，可以不直接到傳感器上去取，而是直接從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中去取就可以了，同時(shí)運(yùn)算的中間結(jié)果也存放在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的另一個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，如幾個(gè)控制算法都需要某一個(gè)傳感器信號(hào)，如果沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，則每次用到此數(shù)據(jù)都得去通道上輸入，同時(shí)，每個(gè)模塊必須重復(fù)地輸入、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)。而有了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，只需要一個(gè)輸入模塊周期性地輸入該點(diǎn)的信息，并完成轉(zhuǎn)換、極限轉(zhuǎn)換、將結(jié)果放在數(shù)據(jù)庫中，這樣不論有多少控制算法需要此點(diǎn)，只要去實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中拷來用即可。 　　軟件輔助的功能有：歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);過程畫面顯示和管理;報(bào)警信息的管理;記錄報(bào)表的管理和打印;參數(shù)列表顯示;人-機(jī)接口控制等。 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 　　硬件系統(tǒng)如圖1 所示，在選擇完上位機(jī)后，根據(jù)控制現(xiàn)場(chǎng)的情況，合理的配置RS-485總線，之后主要任務(wù)是開發(fā)硬件設(shè)備：智能傳感器、I/O輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊。由于模塊通訊協(xié)議采用RS-485, 通訊可靠性問題顯得特別重要。RS-485 是主從通訊模式，要保證可靠的采集數(shù)據(jù)，控制輸入輸出，就要設(shè)計(jì)中斷軟件模塊。當(dāng)模塊中斷被激活后，所有的數(shù)據(jù)采集、輸入輸出任務(wù)均應(yīng)在中斷程序中完成[2]。 　　3.1 智能傳感器模塊 　　智能傳感器模塊有溫濕度傳感器;光照度傳感器。設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 傳感器設(shè)計(jì)流程圖[/align] 　　軟件主要流程如圖4所示，在中斷內(nèi)完成所需的一切任務(wù)。 [align=center] 圖4 傳感器軟件中斷流程圖[/align] 　　3.2 輸入輸出模塊 　　該模塊的類型有四類：（1）數(shù)字量輸出模塊：輸出點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn);采用光電隔離技術(shù);具有軟硬看門狗;驅(qū)動(dòng)能力：最大輸出電流500MA;通訊協(xié)議RS-485;供電電源： 24VDC。（2）數(shù)字量輸入：輸入點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn);通訊協(xié)議RS-485;采用光電隔離技術(shù);具有軟硬看門狗;檢測(cè)輸入電壓5～48VDC;供電電源： 24VDC。（3）模擬量輸入模塊：輸入通道8;具有軟硬看門狗;輸入信號(hào)0～5VDC 或4～20MA; 通訊協(xié)議RS-485;分辨率8位或12位;供電電源： 24VDC。（4）模擬量輸出模塊：輸出通道2; 輸出信號(hào)4-20MA;分辨率8位或12位;通訊協(xié)議RS-485;供電電源： 24VDC。由于篇幅所限，硬件設(shè)計(jì)原理流程與軟件設(shè)計(jì)流程略。 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　應(yīng)用軟件的核心部分由幾個(gè)控件構(gòu)成，如圖1所示，數(shù)據(jù)采集組件;控制算法組件;控制輸出組件等，在此介紹控制算法組件的設(shè)計(jì)原理。 　　4.1 COM組件技術(shù) 　　使用Com組件技術(shù)給用戶帶來靈活性。一個(gè)Com 組件是一個(gè)執(zhí)行程序代碼的單元，例如，一個(gè)＊.EXE, ＊.DLL, ＊.OCX 文件，Com 組件遵從用于提供對(duì)象的Com 規(guī)范。Com 組件展示可以被其他應(yīng)用程序使用的對(duì)象[3]。利用Visual Basic 可以創(chuàng)建三種類型的Com 組件，Active X 控件，Active 文檔，Com 可執(zhí)行程序和 DLL. 下面介紹如何創(chuàng)建智能控制算法的Intell_algor.DLL。 　　4.2 Intell_algor.DLL 算法庫的生成方法　　 算法庫包括許多算法，例如，智能PID算法，基于遺傳技術(shù)的各種算法，模糊控制算法，神經(jīng)控制算法等。以模糊控制算法為例敘述。流程如圖5 所示。 [align=center] 圖5 帶有優(yōu)化器的模糊控制組件[/align] 　　由于使用二維模糊算法且該算法具有靈活性-適應(yīng)不同控制對(duì)象的要求或是時(shí)變對(duì)象，在輸入端的信息有量化因子k[sub]e[/sub]、k[sub]ec[/sub]，比例因子k[sub]u[/sub];輸入量化等級(jí)p、q，輸出量化等級(jí)r;允許的誤差及誤差的變化率Ena_E、;控制時(shí)間間隔Int_T;設(shè)定點(diǎn)參數(shù)Set_P、實(shí)時(shí)采集參數(shù)Samp_P、前一次采樣參數(shù)Samp_P0。Intell_algor.DLL 的輸出信息有兩個(gè)p、q。其中控制表是一個(gè)脫離組件的控制表，可由p 、q查閱控制表得到輸出的量化等級(jí)r，反模糊化后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。 　　控制表優(yōu)化器可在線運(yùn)行，也離線運(yùn)行，可根據(jù)實(shí)際情況來確定。有關(guān)二維模糊控制起的原理及優(yōu)化方法、編程規(guī)范參閱文獻(xiàn)[4][5]。 　　編制好的Intell_algor.DLL 在使用時(shí)要事先注冊(cè)，注冊(cè)方法參考文獻(xiàn)[3]。 5 系統(tǒng)測(cè)試 　　系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容有兩項(xiàng)：一是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性考核;二是本系統(tǒng)的控制算法考核。 　　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)14個(gè)，其中有四個(gè)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn);四個(gè)輸出節(jié)點(diǎn);兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn);兩個(gè)光照傳感器節(jié)點(diǎn);一個(gè)風(fēng)速傳感器節(jié)點(diǎn);一個(gè) 傳感器節(jié)點(diǎn)。測(cè)試時(shí)間2003/1/27 到 2003/2/8，采集所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間5秒，不加任何處理進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。有一次斷網(wǎng)情況，時(shí)間持續(xù)25秒。各個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)出現(xiàn)的誤碼每天大約3次。經(jīng)過軟件簡(jiǎn)單處理，上述情況沒有發(fā)生。對(duì)于控制算法的測(cè)試是調(diào)控溫室環(huán)境因子溫度，初測(cè)幾天的數(shù)據(jù)分析看有模糊控制的空擋現(xiàn)象，經(jīng)過組件改進(jìn)后，運(yùn)行近5天，一切正常。 6 結(jié)論 　　該系統(tǒng)的研制為可控環(huán)境的調(diào)控提供了基礎(chǔ)，組建控制系統(tǒng)的靈活。研制的智能傳感器和測(cè)控模塊是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的，開發(fā)的應(yīng)用軟件的核心部分采用了COM組件技術(shù)，用戶使用方便，可在短期內(nèi)開發(fā)出界面友好的應(yīng)用軟件。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過近半年的運(yùn)行，證明軟硬件設(shè)計(jì)合理，符合用戶需求。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 王常力，廖道文. 集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京，清華大學(xué)出版社，1993 　　[2] 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京，北京航空航天大學(xué)出版社，1990 　　[3] 李海. Visual Basic 編程普及：Active X 控件[M]. 北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2000 　　[4] 王磊，王為民. 模糊控制理論及應(yīng)用[M]. 北京，國防工業(yè)出版社，1997 　　[5] 周長(zhǎng)發(fā). 科學(xué)與工程數(shù)值算法[M]. 北京，清華大學(xué)出版社，2002