基于温室农业专家系统的温室自动化控制系统研究

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1、托普物联网开创智慧农业新时代！基于温室农业专家系统的温室自动化控制系统研究摘要；随着农业的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室自动化控制系统的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。托普物联网根据多年农业物联网的方案建设经验指出；温室自动化控制系统是根据温室大棚内的温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器采集到的信息，接到上位计算机上进行显示，报警，查询。监控中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。关键词；国外温室，国内

2、温室，温室自动化控制系统正文；1，1温室产业的现状，1.1.1 发达国家温室产业的现状 温室产业及相关技术在国内外的发展速度很快。如在荷兰的阿姆斯特丹 RAI展览馆每年11月举办一次国际花卉展览会， 欧美等国家在 30 年代就相继建立了人工气候室，这些高水平大型温室的环境控制系统能够根据传感器采集室温、叶湿、地湿、室内湿度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风速、风向、以及植物作物生长状态等有关参数，结合作物生长所需最佳条件，有效调节有关设备装置，将室内温、湿、光、水、肥、气等诸因素综合协调调节到最佳状态。 如国土面积不大的荷兰已经成为世界农业发展的典范。1999 年一年四季全天候生产的大型

3、温室有 1.1 万 hm2，其中 90%为玻璃温室。国外现代温室单位面积的产量高经济效益高，荷兰温室番茄年产量达到 60kg/m2，5000 hm2用于种植花卉，花卉产业每天向世界鲜花市场上出口 1700 万支鲜花和 170 万盆盆花，鲜花出口占全世界鲜花市场的 60%以上，年收入高达 110 亿美元，占全国农业总产值的 35%，经济效益高，成为欧洲的“菜篮子”，“花篮子”。 荷兰大量投资与温室相关的基础研究。建立“蔬菜工厂”、“花卉工厂”、“苗木工厂”等用于研究和示范，成为温室业的坚实科研后盾。重视作物生理、产量、品质与环境因子之间的定量关系等方面研究，因而设施内综合环境控制系统智能化水平高

4、，设施种植技术实现了规范化和标准化。1.1.2 国内温室产业的现状及存在的问题 我国对于温室自动化控制系统技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室自动化控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。之后，我国的温室自动化控制技术得到了迅速发展。20世纪80年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了21.2hm2连栋温室。由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。 随着我国现代温室产业的快速发展，在温室产业的运营中暴露出了一些问题:1）现

5、代温室管理和种植的人才缺乏，温室种植技术落后，造成了现代温室的功能和优势不能充分发挥。2）能源消耗大，以现代温室为代表的设施农业生产企业效益低下，导致温室产业出现了滑坡的现象。3）不同地域的气候环境制约了进口大型温室适用性，温室不能周年运行。4）计算机控制水平低。目前国内温室计算机控制系统与国际选进技术存在很大差距，商用控制系统不能满足高效节能有效控制温室机构运行的要求。1.2 国内外温室自动化控制系统发展技术1.2.1国外温室自动化控制系统发展技术 80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室自动化控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发

6、展，并迈入了网络化，智能化阶段。目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的

7、基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。1.2.2国内温室自动化控制系统发展技术 1计算机的温室自动控制如由江苏理工大学李萍萍、毛罕平等人在1996年8月起进行了温室环境控制的技术效果测试分析和生菜、空心菜、三叶芹的无土栽培试验，测试表明，温度、湿度、光照、营养液和二氧化碳等各个环境因子控制技术效果良好，基本达到预期目的，并明确了各环境参数的合理控制范围。我国王东升等研究了日光温室的计算机控制系统。控制系统包含工控计算机、传感器变送器、模拟量输入模块(DAC-8017)、数字量输出模块(DAC-8050)，RS-232/485转换模块、输出控制电路等。控制机构有补光灯、排风扇、滴灌设备、二

8、氧化碳发生器等。采集量有室内温度、湿度、光照、土壤水份及C02浓度。光照不足启动补光灯、温度低启动加热器、土壤水分不够则开启滴灌系统，采用简单开关控制方式。2.基于PLC的温室自动控制系统。例如用欧姆龙系列的CZOOHS作为下位机，COMPAQ计算机为上位机构成温室自动化控制系统。采集的室外信号有温度、湿度、光照、风速、风向、下雨，室内信号有温度、湿度、C02浓度。输出信号控制的机构有:开窗电机、遮阳电机、通风电机、加热阀门、压水泵和喷淋泵。1.3 温室环境控制技术的发展趋势1.智能化：随着计算机技术、传感技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测

9、为主，逐步转向以知识处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。因此近几年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温室栽培中得到了不同程度的发展和应用。2.网络化：目前，网络技术己成为当前世界最有活力、发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。因此，设施农业产业化程度的提高成为可能。我国幅员辽阔，气候复杂，劳动者整体素质低，利用网络进行在线和离线服务，可以对不同区域进行监测、比较，不仅给管理带来很大的方便，而且可以提高劳动生产率。3.分布式：分布式系统通常可分为上、下两层。上层主要用作系统

10、管理，其它各种功能如测量与控制任务等，主要由下层完成。下层由许多各自独立的功能单元组成，每个单元只完成一部分工作。面向对象的分布式系统，每一个功能单元针对一个对象、每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为对象。4.综合环境调控：所谓综合环境调节，就是以实现作物的增产稳产为目标，把影响作物生长的多种环境参数，如光照、温度、湿度、CO2浓度等，都保持在适宜作物生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置，既省时又节能，还能使劳动者愉快地从事生产劳动。5.变动的坏境控制系统：当前，主要使用精确的计算机坏境控制程序根据设定值对温室中的环境进行调控，但研究发现，这并不能使温室内的作物达到最佳

11、产量。如作物的生长和发育并不取决于某一时刻某个特定温度，而主要取决于在一个时间段中的平均温度水平。这导致控制系统向“自由设置”系统的方向发展，如综合温度控制系统的研制，在该系统中并不设置一个固定的温度值，温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动，以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度。这样计算机可以根据室外的气候，在使用最低能耗、最佳利用温室中的现有的设备的情况下自由进行调节。可变动的环境控制系统目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、CO2浓度等方面的研究，在温室作物产量上已表现出比较满意的效果。6.蓝牙技术(B1uetooth)：蓝牙技术是近年发展起来的新型低成本、短距离的无线网络传输

12、技术。运用这种技术把温室环境自动检测与控制系统中的各个电子检测装置和执行机构无线地连接起来，以达到便捷地对温室环境参数进行自动检测，灵活地对温室环境参数进行自动控制的目的。便携式环境参数采集器内部装有温度、湿度、光照等各种传感器，并嵌入了蓝牙芯片，因此，这种参数采集器具有无线通信功能，可以便捷地放置在温室内的不同位置。控制器同样嵌入了蓝牙芯片，它一方面与便携式环境参数采集器无线连接，另一方面通过RS-485通信总线与温室内的计算机控制装置相连接。2 温室农业专家控制系统技术 2.1温室农业专家控制系统 托普物联网研制的温室农业专家控制系统是一种计算机管理控制系统。它将农业专家系统技术与当今的温

13、室自动化控制技术有机结合，将农业专家的知识自动地运用到温室的实时控制中去。即该温室系统可根据专家系统的储备知识，自动决策和选择控制参数，以适合作物的生长。温室农业专家系统控制技术主要应用计算机与自动控制技术，是一门横跨人工智能理论、数据库技术、信息技术、生物学、电子科学、机械设计和环境控制等几大学科，综合了多种高新技术的边缘学科。 3 温室农业专家系统控制技术的应用前景 智能化温室是在可持续发展战略指导下开辟的农业新方向。从作物产量角度来看，它具有很高的单位面积产出值;就环境保护角度而言，它不仅可以产出清洁的瓜果蔬菜，而且由于精确控制化肥及其它添加剂的用量，也避免了对土壤和地下水的污染。据不完

14、全统计，我国的大型温室面积己超过700hm2，1000m2以上的连栋温室全国32个省市自治区无一空白。温室生产己从蔬菜扩展到了花卉、瓜果以及畜禽、水产养殖、林木育苗、食用菌、中草药等领域。近年来，大型连栋温室以每年超过100hm2的速度增长。目前，国内从事温室制造的企业己从20世纪80年代的56家发展到300余家。我国的温室环境控制技术与国外技术相比还比较落后，最近几年才真正实现计算机自动控制。目前我国的现代化温室，除智能化控制系统外，硬件系统基本达到与国际同步的水平。可见，将农业专家系统应用于温室的实时监控与自动调控技术无疑是温室发展的新亮点，也是温室自动化控制技术发展的大势所趋。其发展潜力

15、及应用空间大，对农民的实际生产有很重要的指导意义。既满足了温室生产的需要，又缓解了领域专家缺乏的矛盾，从而大大提高了科学技术的转化率、到位率和普及率走进文本，品味文情 姥姥的剪纸教学实录 第一部分：感受姥姥剪纸的“神”。 师：同学们，今天我们一起来学习一篇课文，题目叫姥姥的剪纸。看老师写课题。作者的名字很好听，叫做笑源，微笑的源头。北方人管外婆叫姥姥，我们一起学着笑源，来叫一声，姥姥。 生：（齐）姥姥。 师：好听！挺亲切的。同学们，笑源的姥姥还有一样拿手绝活儿呢！那就是-剪纸。我们一起来欣赏一下姥姥的剪纸。（欣赏剪纸画面）文章中姥姥的剪纸出现在什么地方？从哪个自然段中知道的？生：1自然段。 师

16、：请一位同学来读课文的第一自然段，谁来读？ 生：“大平原托着的小屯里，左邻右舍的窗子上，都贴着姥姥心灵手巧的劳作。” 师：读得挺好的，有没有发现这个开头写得很有特色？特色在哪里？ 生：是由远到近地写的。 师：从大平原到小屯到左邻右舍最后到窗子，一步一步缩进，像电影镜头推进一样，最后定在窗户上。就像看电影一样，使我们的眼睛跟着文字进行了一番游历。这就是语言的魅力。一个“都”字，还让你感觉到什么？ 生：姥姥的剪纸作品很受家乡人们的欢迎，到处贴着她的作品。 生：我感觉到姥姥这个人真好，是有求必应。 师：你想想，当作者写下这篇文章的第一句话的时候，他的心情会是怎样的？ 生1：自豪的。生2：赞叹的。生3

17、：开心的。 师：请大家带着这样的心情读读。 生：（齐）“大平原托着的小屯里，左邻右舍的窗子上，都贴着姥姥心灵手巧的劳作。” 师：那关于姥姥的心灵手巧，作者在文中有过赞叹，你能找到这句话吗？ 生：“一把普普通通的剪刀，一张普普通通的彩纸，在姥姥手里翻来折去，便要什么有什么了，人物、动物、植物、器物，无所不能。” 师：这是作者对姥姥的赞叹，乡亲们又是怎样赞叹姥姥的手艺的呢？谁来读读？ 生：“你姥姥神了，剪猫像猫，剪虎像虎，剪只母鸡能下蛋，剪只公鸡能打鸣。” 师：这两种赞叹有所不同，前者是作者直接写姥姥心灵手巧，剪纸技艺高超，这在写作上交正面描写，后者是通过乡亲的话来夸赞姥姥的剪纸技艺，这叫侧面描写

18、，以后同学们在写作过程中也可以借鉴这种正面描写和侧面描写相结合的方法，可以让你笔下的人物形象更加生动、丰满。师：姥姥的剪纸技艺用一个字来概括是神，板书神”。请注意这番话中乡亲们仅仅是在赞叹姥姥剪什么剪得活灵活现？ 生:（齐）动物。 师：除了动物，姥姥还会剪什么？书上怎么说的？ 生：人物、植物、器物等等。 师：现在请你扮演乡亲们，学着书上这句话来夸夸姥姥剪的其它东西，前后同学先互相夸夸。（大屏幕出示：你姥姥神了，剪 像 ，剪 像 ，剪个 ，剪个 。）师：来，这位老乡，你来赞叹赞叹。 生：你姥姥神了，剪男孩像男孩，剪女孩像女孩，剪个小子会骑黄牛，剪个姑娘长辫子。 师：这是在夸姥姥剪的这些个人物。

19、生：你姥姥神了，剪花像花，剪果像果，剪个桃子红通通，剪个香蕉长溜溜。 师：是在赞叹姥姥剪的植物。 师：谁来夸夸姥姥剪的器物？生：你姥姥神了，剪凳子像凳子，剪桌子像桌子，剪个花篮喜洋洋，剪个房子好气派。 师：你看，连器物也活了，还有别的地方能看出“神”吗？ 生：岂知工夫不大，一只喜鹊登枝便完成了 师：（打断）不要忘了前文，姥姥是在什么情况下剪的，读书要前后勾连。教师出示交流内容： “一天我用双手死死地捂住姥姥的双眼，让她摸着剪窗花。岂知工夫不大，一只喜鹊登枝便完成了。嗬！梅枝与喜鹊形象生动，大小疏密无可挑剔。” 师：看，姥姥在被捂着眼睛的情况下，剪出的“喜鹊登枝” 梅枝与喜鹊形象生动，大小疏密无

20、可挑剔，（欣赏“喜鹊登枝”），看到这么漂亮的“喜鹊登枝”，你想用那些词语来夸夸姥姥呢？生：栩栩如生、惟妙惟肖、巧夺天工.（出示课文中词语：炉火纯青 出神入化）师：看到姥姥剪得这样好，作者虽然服了，可还耍赖，你耍赖过吗？你能把耍赖的感觉读到这话中去吗？如果我是文中的姥姥，你冲着我耍赖。 生：（用耍赖的口吻）“姥姥，你从我手指缝里偷着往外看了！” 师：（幽默地）“你差点把姥姥的眼珠子按冒了！” 师：（用指头点一下学生的鼻子）“熟能生巧，总剪，手都有准头了！” 师：姥姥熟能生巧的本领是怎么练就的呀？ 生：“数九隆冬剪，三伏盛夏剪，日光下剪，月光下剪，灯光下剪，甚至摸黑剪。 ” 师：生接读：来，让我们

21、也跟着姥姥来学一学剪纸，咱们来合作读一读，好吗？全体起立，请注意现在你们在干吗？ 生：（齐）剪纸。 师：不好剪啊，剪不好要剪到自己的手的，有信心吗？ 生：（齐）有！ 师：孩子，要想做到熟能生巧，你得：数九隆冬- 生：剪！ 师：三伏盛夏- 生：剪！ 师：日光下- 生：剪！ 师：月光下- 生：剪！ 师：灯光下- 生：剪！ 师：摸黑- 生：剪！ 师：就这样，长年累月的剪纸让姥姥练就了一身本领姥姥的手就是眼睛，好使的剪刀就像她两根延长的手指。那你们在日常生活中有什么孰能生巧的经验吗？来说一说。生：第二部分：感受浓浓祖孙情师：在我年幼的时候，姥姥的剪纸还有一个神奇的功能，你来找找是什么?教师出示学生找出

22、的交流内容：“密云多雨的盛夏，姥姥怕我溜到河里游泳出危险，便用剪纸把我栓到屋檐下。”师：这看似平淡的一句话，有一个字却用得很传神，你认为是哪一个字？生：拴。师：板书“拴”，姥姥的剪纸到底有什么神奇的功能，牢牢地拴住了上学前的我呢？读7到11自然段，到字里行间中去找答案。（生自由读课文）师：这段话中，拴住作者的是什么？生：姥姥剪的“牛驮小兔”。生：还有牛和小兔一起吃草这幅作品。师：在密云多雨的盛夏，拴住我的只是姥姥的剪纸吗？还有什么？我想让一个同学上来和老师一起表演着读读？（请一生上台。）你读文中的“我”，我读姥姥的话，其他同学就帮助我俩描述当时的场景，读旁白，好吗？生：（全体）密云多雨的盛夏，

23、姥姥怕我溜到河里游泳出危险，便用剪纸把我拴在屋檐下。她从旧作业本上撕下一页纸，刷刷几下，就剪出一幅图样。我抢过来看了，是一只顽皮的小兔子骑在一头温顺的老牛背上。我不解地问：生：（不解地）“牛干啥驮着兔子？”生：（全体）姥姥笑了：师：（打趣地）“谁让牛是兔子的姥姥呢？生：（全体）唔！姥姥生肖属牛，而我属兔。我嚷着还要。师：（指着该生）你嚷呀！你不嚷我就不剪呀！生：（大嚷道）我还要！我还要！我还要！生：（全体）姥姥又剪出一幅：一头老牛和一只兔子在草地上啃食青草。姥姥问：师：“看明白了吗？”生：（全体）我想了想说：生：（调皮地）“我知道了，是说我和姥姥在一个锅里吃饭呐！”生：（全体）姥姥把我搂在怀里

24、夸道：师：（教师将该生搂在怀里，疼爱地）“机灵鬼！师：我们表演得怎样？你们感觉到文中的“我”被牢牢地拴住了吗？拴住笑源的仅仅是一张剪纸吗？还有什么？生：拴住我的还有姥姥亲切和祥的面容。拴住我的还有姥姥和蔼可亲的笑容。拴住我的还有姥姥说话时的轻声慢语、和颜悦色。拴住我的是一段段属于作者的快乐、惬意的夏日午后的日子。师：文中自然段还有一个字能够表现出做者被姥姥拴住了。找一找：生：缠。师：是呀，姥姥的剪纸拴住了我的幼年时代，拴住了我上学前的一个个密云多雨的盛夏，后来我上学了，小学、中学、大学-越走越远了，还拴得住我吗？何以见得？生：还拴得住。因为“我还是不断收到姥姥寄来的剪纸”媒体出示课文最后一个自

25、然段，老师配乐读：“我上学了，小学、中学、大学越走越远了。但我还是不断收到姥姥寄来的剪纸，其中有一幅是这样的：一头老牛定定地站着，出神地望着一只欢蹦着远去的小兔子，联结它们的是一片开阔的草地。我知道，这是姥姥对我的期待。事实上，我不管走多远，走多久，梦中总不时映现家乡的窗花和村路两侧的四季田野。无论何时，无论何地，只要忆及那清清爽爽的剪纸声，我的心境与梦境就立刻变得有声有色。”） 我们来看一下姥姥寄来的剪纸（出示剪纸画面，教师随着画面的出现深情补白：奶奶越来越老了，与慢慢长大、外出求学、工作的笑源渐行渐远，但无论笑源走多远，走多久，他始终走不出姥姥的视线，永远能够感受到姥姥关爱的目光在注视着他

26、。）解释：老牛是，小兔是，这篇开阔的草地还象征着什么？（童年的快乐生活 姥姥与我的片片深情） 师：这是散文的一种写法，很“含蓄”，读来意蕴深长，情意绵绵。 板书：含蓄 师：同学们，让我们一起来含蓄深情地读这段文字（事实上，我不管走多远，走多久，梦中总不时映现家乡的窗花和村路两侧的四季田野。无论何时，无论何地，只要忆及那清清爽爽的剪纸声，我的心境与梦境就立刻变得有声有色。”在作者的梦境中，一听到唰唰的剪纸声，就会变得有声有色，回忆起那些个童年的欢乐时光，同学们，现在你闭上眼睛，试着感受笑源的心境，随着姥姥唰唰的剪纸声，此时你脑海中出现了什么画面？生：我和奶奶耍赖的情景。 乡亲们来找奶奶剪“喜鹊登

27、枝”。 左邻右舍的窗户上都是奶奶的剪纸。奶奶在院子里摘菜、洗衣。. 对，这些回忆的画面有声有色，让我的心境变得（生接）有声有色，让我的梦境（生接）变得有声有色，让我的思乡情也（生接）变得有声有色。 师：这篇散文的构思一般都非常精巧。课文写姥姥的剪纸，其实是寄托了作者与姥姥之间深深的情意，这种写法叫寄情于物。 板书：寄情于物 师：（出示）我们以前学过的许多散文都出现了这样的写法。 琦 君 桂花雨 孙友田 月光启蒙 萧 红 我和祖父的园子 作者把自己的感情深深地寄托在桂花雨，月光、我和祖父的园子里。 结束总结：笑源在文章中写出了姥姥剪纸的“神”，姥姥的剪纸牢牢地拴住了作者，其实，“拴”住作者的不仅仅只是一张张剪纸，更是剪纸背后那浓浓的祖孙情。笑源的姥姥已经去世了，她把自己对姥姥的思念化作了一行行饱含深情的文字，同学们这个时候可能也想起自己的姥姥了吧，那么别忘记有时间去看一看姥姥，对她说一句：姥姥我爱你。板书： 正面描写 姥 祖 侧面描写 姥 的 神 拴 孙 含蓄 剪 纸 情 （作者：山西省晋城市城区凤鸣小学 王丽花 13593357322）