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摘 要：针对现代温室的特点，将模糊控制应用于温室控制系统的设计中。给出了智能温室控制系统的硬件组成、软件实现以及核心算法，并对该系统进行了实现。应用效果表明，系统不仅能够将温度恒定在一个制定范围，还能够最大限度的节约能源消耗。
关键词：模糊控制，智能温室，单片机
中图分类号：TP309文献标识码：A
Intelligent Greenhouse System Based on Fuzzy Control
ZHAO Xiao-juan
(Department of Computer; Hunan Urban Construction College，Hunan Xiangtan 411001）
Key words: intelligence；greenhouse system；fuzzy control
精准农业在美国等发达国家已经形成一种自动化和信息技术与农业生产相结合的产业，也是未来农业发展的重要途径，智能温室系统是精准农业的重要组成部分。
现代温室特殊的结构及材料形成了一个与外界大气候环境相对隔离的特殊的内部小气候环境，它受到温室外气象环境条件、温室结构及材料特性、温室环境调控设备、温室内作物生理活动以及人为干扰等因素的影响，是一个非常复杂的动力学系统。研究温室小气候的建模，是建立适合我国气候特征、能够自动调控温室小气候的可控环境农业的基础。
1 系统硬件结构
本控制系统是由1台IBM工业控制计算机为上位机，3台(可以更多台)MSC251单片机作为下位机组成的温室群集散控制系统。下位机1完成整个温室群营养液配制和供应，下位机2和3分别实现对温室1和温室2的环境参数的测控。下位机把传感器采集的有关参量如温度、湿度、CO2浓度、光照度、营养液浓度(EC)和酸碱度(pH)等转换为数字信号，并把这些数据暂存起来，然后与给定值进行比较，经一定的控制算法后，给出相应的控制信号进行调控，同时经过串行通信接口将数据送至上位机。上位机主要完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析，并对数据进行显示、编辑、存储、打印输出。
PC机的串行通信接口为RS232。但RS232采用非平衡方式传输数据，传输距离短、速度慢、抗干扰能力差，不适合于分散的多栋温室中的单片机与主机之间远距离通信。而RS422采用平衡传输方式，传输距离长、抗干扰能力强。因此本控制系统采用RS422接口。要实现单片机和PC机的通信，就必须进行RS232/RS422信号电平转换。我们将通信接口制成一块符合PC总线标淮的通信卡，将其插入计算机的总线即可。
2 系统软件结构
系统软件包括上位机软件和下位机软件，上位机软件采用Visual C#编写，下位机软件采用MCS251汇编语言编写，固化在其程序存储器中。
系统软件本着方便用户的原则，采用人机交互方式，采用下拉式菜单，弹出式窗口，热键操作，错误屏蔽等技术，最大限度方便用户操作。系统软件主要由7大模块组成，即实时监测模块、智能决策模块、系统参数设定模块、控制参数设定模块、数据处理模块、帮助文件模块和文件管理模块。
主模块主要完成多任务系统的管理功能，该窗口利用菜单进行任务选择，使操作人员对整个管理系统一目了然。实时监测模块可分别以表格和动态曲线的形式同时显示两栋温室的温度、湿度、CO2浓度、光照度、营养液浓度等参数，完成温室环境的实时监测。此模块定时从下位机接收各温室的数据，然后显示，并可存盘。
智能决策模块能根据实测数据，采用人工智能的方法自动设定下位机中的某些重要控制参数。例如，根据温室中的温度、湿度、作物生长期等来确定营养液浓度、供液时间和时间间隔。系统参数设定模块完成一些系统运行所必需的、与硬件系统密切相关的、以及一般操作人员不必涉及的参数的设定，如I/O卡的地址、通道的分配、定时器的定时参数及密码设定等。控制参数设定模块完成向下位机传送控制参数的功能。为使系统免受外来人员的干预，避免因参数设定不当造成的损失，软件采用了两级密码管理方式:系统管理员密码和操作员密码。当用户选择“系统”或“控制”菜单下的任一菜单项时，系统将首先进行密码检验，密码正确方能进入相应的参数设定对话框。
3 控制算法及实现
对于双输入单输出的模糊控制器，其控制规则可写成下列条件语句形式，即
If E = Ai and EC = j B then U = ij C ( i , j =1, 2,...,7)
其中，Ai，Bj Cij 是定义在误差、误差变化和控制量论域上的模糊集。
令实时采样所得到的实际误差量ec、误差变化ec分别与量化因子K1和K2相乘并取整，得到量化的等级，根据模糊变量E和EC的赋值表如，采用最大隶属度法，求得量化等级所对应的模糊子集，结合模糊控制规则表，求出控制量的模糊子集；根据模糊变量U的赋值表，再用最大隶属度法，得出此刻控制量模糊子集所对应的量化等级，这就是控制系统的一步模糊控制。
温室环境是一个多变量，多耦合，非线性，大滞后的复杂动态系统，很难建立精确的数学模型。因此，本系统采用模糊控制，并利用模糊控制器本身的解耦特点，在控制器结构上实现解耦，即将一个多输入多输出的模糊控制器分解成若干个多输入单输出的模糊控制器。对单个模糊控制器来说，根据实验结果和经验总结出模糊控制规则，再经模糊推理得到模糊控制表，将该控制表存入单片机中。在实际控制中，单片机根据模糊化后的输入变量值，直接查控制表以获得控制量的模糊值，再经反模糊化后作为输出去控制被控量。
4 结束语
本系统的研制为作物生长提供了良好的生态环境，也为研究环境因子对作物的影响和探索作物的高效生长规律提供了物质基础。上位机的管理功能被多台下位机共享，节省了成本，提高了设备的利用率。通过智能决策模块，将那些需要根据环境因子的变化而变化的参数的设置变得更加合理和及时，实用性和经济性好。
关键词：模糊控制，智能温室，单片机
中图分类号：TP309文献标识码：A
Intelligent Greenhouse System Based on Fuzzy Control
ZHAO Xiao-juan
(Department of Computer; Hunan Urban Construction College，Hunan Xiangtan 411001）
Key words: intelligence；greenhouse system；fuzzy control
精准农业在美国等发达国家已经形成一种自动化和信息技术与农业生产相结合的产业，也是未来农业发展的重要途径，智能温室系统是精准农业的重要组成部分。
现代温室特殊的结构及材料形成了一个与外界大气候环境相对隔离的特殊的内部小气候环境，它受到温室外气象环境条件、温室结构及材料特性、温室环境调控设备、温室内作物生理活动以及人为干扰等因素的影响，是一个非常复杂的动力学系统。研究温室小气候的建模，是建立适合我国气候特征、能够自动调控温室小气候的可控环境农业的基础。
1 系统硬件结构
本控制系统是由1台IBM工业控制计算机为上位机，3台(可以更多台)MSC251单片机作为下位机组成的温室群集散控制系统。下位机1完成整个温室群营养液配制和供应，下位机2和3分别实现对温室1和温室2的环境参数的测控。下位机把传感器采集的有关参量如温度、湿度、CO2浓度、光照度、营养液浓度(EC)和酸碱度(pH)等转换为数字信号，并把这些数据暂存起来，然后与给定值进行比较，经一定的控制算法后，给出相应的控制信号进行调控，同时经过串行通信接口将数据送至上位机。上位机主要完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析，并对数据进行显示、编辑、存储、打印输出。
PC机的串行通信接口为RS232。但RS232采用非平衡方式传输数据，传输距离短、速度慢、抗干扰能力差，不适合于分散的多栋温室中的单片机与主机之间远距离通信。而RS422采用平衡传输方式，传输距离长、抗干扰能力强。因此本控制系统采用RS422接口。要实现单片机和PC机的通信，就必须进行RS232/RS422信号电平转换。我们将通信接口制成一块符合PC总线标淮的通信卡，将其插入计算机的总线即可。
2 系统软件结构
系统软件包括上位机软件和下位机软件，上位机软件采用Visual C#编写，下位机软件采用MCS251汇编语言编写，固化在其程序存储器中。
系统软件本着方便用户的原则，采用人机交互方式，采用下拉式菜单，弹出式窗口，热键操作，错误屏蔽等技术，最大限度方便用户操作。系统软件主要由7大模块组成，即实时监测模块、智能决策模块、系统参数设定模块、控制参数设定模块、数据处理模块、帮助文件模块和文件管理模块。
主模块主要完成多任务系统的管理功能，该窗口利用菜单进行任务选择，使操作人员对整个管理系统一目了然。实时监测模块可分别以表格和动态曲线的形式同时显示两栋温室的温度、湿度、CO2浓度、光照度、营养液浓度等参数，完成温室环境的实时监测。此模块定时从下位机接收各温室的数据，然后显示，并可存盘。
智能决策模块能根据实测数据，采用人工智能的方法自动设定下位机中的某些重要控制参数。例如，根据温室中的温度、湿度、作物生长期等来确定营养液浓度、供液时间和时间间隔。系统参数设定模块完成一些系统运行所必需的、与硬件系统密切相关的、以及一般操作人员不必涉及的参数的设定，如I/O卡的地址、通道的分配、定时器的定时参数及密码设定等。控制参数设定模块完成向下位机传送控制参数的功能。为使系统免受外来人员的干预，避免因参数设定不当造成的损失，软件采用了两级密码管理方式:系统管理员密码和操作员密码。当用户选择“系统”或“控制”菜单下的任一菜单项时，系统将首先进行密码检验，密码正确方能进入相应的参数设定对话框。
3 控制算法及实现
对于双输入单输出的模糊控制器，其控制规则可写成下列条件语句形式，即
If E = Ai and EC = j B then U = ij C ( i , j =1, 2,...,7)
其中，Ai，Bj Cij 是定义在误差、误差变化和控制量论域上的模糊集。
令实时采样所得到的实际误差量ec、误差变化ec分别与量化因子K1和K2相乘并取整，得到量化的等级，根据模糊变量E和EC的赋值表如，采用最大隶属度法，求得量化等级所对应的模糊子集，结合模糊控制规则表，求出控制量的模糊子集；根据模糊变量U的赋值表，再用最大隶属度法，得出此刻控制量模糊子集所对应的量化等级，这就是控制系统的一步模糊控制。
温室环境是一个多变量，多耦合，非线性，大滞后的复杂动态系统，很难建立精确的数学模型。因此，本系统采用模糊控制，并利用模糊控制器本身的解耦特点，在控制器结构上实现解耦，即将一个多输入多输出的模糊控制器分解成若干个多输入单输出的模糊控制器。对单个模糊控制器来说，根据实验结果和经验总结出模糊控制规则，再经模糊推理得到模糊控制表，将该控制表存入单片机中。在实际控制中，单片机根据模糊化后的输入变量值，直接查控制表以获得控制量的模糊值，再经反模糊化后作为输出去控制被控量。
4 结束语
本系统的研制为作物生长提供了良好的生态环境，也为研究环境因子对作物的影响和探索作物的高效生长规律提供了物质基础。上位机的管理功能被多台下位机共享，节省了成本，提高了设备的利用率。通过智能决策模块，将那些需要根据环境因子的变化而变化的参数的设置变得更加合理和及时，实用性和经济性好。