人工气候室控制系统设计

何锡武

(武汉城市职业学院，湖北 武汉 430064)

0引言

人工气候室是通过控制技术实现局部环境控制实现特殊的环境要求，是现代生物和农业研究的重要设备。它对温度、湿度和光照强度的控制要求很高。首先，要像普通恒温、恒湿实验室一样，能将室内温湿度精确地控制在设定值附近，对温度控制精度要求达到正负1 ℃。其次，要求温度、湿度和光照强度能按设定的变化规律自动改变，最短变化时间为1 h，以1 d或若干天为周期，可以循环地变化。近年来，人工气候室在我国也得到了发展。但是随着各科研生产领域对人工环境要求的提高，现有的人工气候室在某些方面还不能适应使用需求，如我国杂交水稻之父袁隆平先生在湖南建立了第一个国产的自动化程度较高的人工气候室，但只有温度实现了自动控制，且控制精度达不到正负1 ℃，湿度和光照强度仍采用人工控制。

近年来，由于发光二极管等电子技术的高速发展以及成本的不断降低，LED光源已成功用于植物光源领域，并取得了重要进展。与此同时，营养液系统、智能控制系统(温湿度控制系统和CO2控制系统等)以及物联网智能监控网络都得到了一定的发展。杨其长等人进行了人工光型密闭式植物人工气候及其环境控制系统试验装置的研发，成功地研发出了能实现温度、湿度、CO2浓度、光照和营养液等因子综合调控的密闭式植物工厂试验系统，开发出国内第1批用于育苗的红蓝LED光环境调控装置，其发光强度、红蓝光比例和光周期可任意调整，并进行了人工光与自然光环境下的作物栽培与育苗试验，为植物人工气候室的进一步研究提供了重要的试验依据。但是，各项被控制环境参数还需要认为修改，自动化程度不高。在此背景下，研制高性能的新一代人工气候室成为必然。

1系统技术分析

本项目研究的目标是完成实际工程样机的改进。要完成样机的改进研究，所采用的技术路线是在现有样机的基础上，通过进一步调研明确用户需求，吸取国内外同类研究的先进成果，克服现有研究的技术缺陷，优化和完善软硬件设计，经过不断地试验测试和改进，使系统性能达到合理指标。针对不同的研究内容采取不同的研究方法。

1.1降低能耗

降低设备运行成本主要通过以下2个方向。一是探索使用材料，降低植物工厂成本。利用可回收利用材料进行植物工厂新型材料的研究与开发，不但可以降低植物工厂成本，还可以保护环境，促进可持续发展。利于太阳能或者其它自然能源，降低运行能耗及环境污染。通过安装水培系统投放最合适的液体肥料，还可以通过内部安装水处理设备进行水的循环利用，节约用水。以LED等节能光照设备进行人工补光促进作物的光合作用。二是通过软件设计实现节能控制策略。在合适季节和晚间闭光时段，根据植物特性，充分利用自然资源和循环风机作用来保障环境需求，减少设备能耗。以上措施既可以降低能源消耗，又可以准确调节植物生长。

1.2提高控制精度

对于温湿度控制精度提高则需要通过理论分析和系统仿真，对比不同控制算法的控制效果，然后在理论分析的指导下，优化改进硬件配置，然后通过软件设计实现最优算法，达到提高温湿度控制进度的目标。

1.3提高使用性能

对专家系统的引入首先要充分吸收生物专家的知识，建立合理的控制目标曲线专家数据库。通过控制系统的数据提取技术，根据专家数据曲线长时间变更系统设置，实现专家系统在控制系统中的实现。在此基础上拓展专家数据库的内容，涵盖更多生物品种需求。

对遥控技术则是利用现有成熟技术，采用既有的无线通信技术实现遥测遥控。未来，人们只需要进入到智能控制系统，就可以通过物联网远程监控技术观察和控制作物生产，使作物生产完全智能化。

1.4研究设计目标

本课题研究目标是研制新一代智能型人工气候室样机，在解决目前存在主要问题的基础上，使性能更加完善，使用更加方便，引入物联网和数据上云技术，使系统的控制数据能够广域无线发布，达到遥控管理的目的。通过控制技术实现对室内环境的自动调节，模拟自然环境环境，在温度、湿度、光照度，营养液浇灌等技术指标上满足生物工程、现代农业等相关领域的科研和实验要求。

2控制系统机构和功能

控制系统有PLC及上位机触摸屏构成。包含有光照系统，温度系统和新风系统等部分。系统通过传感器读取环境数据，根据设设置要求进行控制。通过日出日落的时间设定启停光照亮度和色温配比实现光照控制。通过启动加热或空调制冷实现温度控制。通过换向阀和换风风机实现新风CO2浓度控制。通过微量泵和电磁阀控制土壤湿度。通过系统网管模块实现数据上云和远程控制。

图1控制系统框图

系统软件设计上除实现上述控制功能外，还增加了系统异常报警、用户密码和权限管理及手动自动切换等功能，保障系统使用可靠安全。报警设提示报警和保护报警两级。被控参数到达提示报警，系统发出报警铃声，被控参数超过保护报警，无论在手动还是自动运行状态，系统都会切断电源，并发出报警铃声，并通过网关将报警信号发送到移动终端。用户权限分操作员、管理员和工程师3级。操作员只具有操作权限，管理员拥有参数设置权限。工程师可进行系统运行流程的修改。

图2用户操作界面

3系统控制关键技术

3.1长时间温度曲线设置

温度控制是人工气候室的最主要功能之一。现有人工气候室都具有温度设置功能。但植物最优生长温度不是恒定的，需要根据不同生长时期做出修改。如出牙期、瓜果期或成熟期都有些许波动，使用者需要按天设置不同的温度。传统的气候室大多只能设置一个温度，温度变化需要人工更改设置，造成使用麻烦，有时因遗忘更改而造成失误。因此本设计特别设计了长时间温度曲线设置功能。

长时间温度曲线设置是通过上位组态软件的配方功能实现的。用户先根据所研究植物特性将生长温度曲线做成二维表格。时间轴为日期，纵轴为每日温度。将列表数据在上位机组态软件中以配方策略编辑配方保存备用。

图3配方编辑及数据录入界面

在组态软件的运行策略中增加策略行3行，一行添加脚本程序构建，打开脚本程序编辑界面，编写脚本程序，提取内部变量%data字符串中的时间值，通过函数变换将字符串转换成数据量，当日期变量中的时间值达到更换温度设置时间时设置启动变换开关k=1，作为读取装载配方数据的条件。另两行策略行添加配方数据装载脚本，读取配方变量数据到温度设置变量中。当k=1时，按配方编号读取装载配方数据，并将编号加1处理，这样循环则系统温度设置就会按预先设定曲线变化。这样只要提前将温度曲线编入配方中，系统就会按给定曲线控制环境温度。另一行策略执行条件为k=2，其执行的条件是任意时候由手动按钮实现装载指定编号数据。

图4策略数据调用

图5程序框图

3.2光照控制及日光模拟

3.2.1 光源配置情况及要求

人工气候室光源主要作为植物光照的光源，其特点要符合太阳阳光色谱，满足基本照度。特殊情况下还需要能够调整光源色温。整个光源分2部分，一是调色光源，包括顶部15个灯，可以设定启停时间点。15个灯的起停时间，整体同步。其中6个400 W钠灯分为3组，每组可以手动起停。9个150 W LED灯分为3组，每组可以手动起停。二是背景光，主要起强度作用。包含6个培养架子共105根灯管，每个功率14～16 W。整体控制开关及。其光源配置与分组情况如表1。

表1 光源配置及分组

3.2.2 日出日落时间的模拟

植物的光合作用也是需要分昼夜的，所以人工气候室需要能人工模拟日出日落的自然规律。与自然环境不同的是要能够实现光照时间、光照强度、光照色谱的控制，以便于使用者对植物生长规律的研究。手动控制模式下，可以按组分别启停相应光源。在自动模式下，光照强度和色谱可以在事前由使用者调配好，进入启用组，然后由时间控制来确定启动光源。所以时间控制是模拟自然光照的关键。系统操作界面如图6。

图6光源控制界面

时间控制的实现方式是由界面设置输入日出日落时间，设置变量为数据格式。系统获取内部时间变量的字符串格式，经函数变换为数据格式后，与设置变量比较，数据在日出时间和日落时间之间，则开启光源。根据植物研究专家建议，光源开启时间在1 d内可以最多分成3个时间段。为了避免大功率光源启动带来的电网冲击，系统设置了分组逐级启动的模式。其程序实现逻辑框图如图7。

图7光源控制程序框图

3.3双源温度系统的双位控制

环境温度控制的进度不高，误差在一度以内就能接收。其最佳方案是双位控制。这控制算法简单，不需要模拟调节器件硬件开销最小，也能满足环境温度控制的要求。针对系统需要冷热双源来保证环境温度稳定，特别设计了加热功率按3位421编码，冷源按21编码的双源双位控制策略。通过算法计算，系统能在一个调节周期内自动找到与外环境最佳匹配的加热或制冷功率。系统控制参数能接近PID调节效果，使被控温度稳态波动更加稳定，电气双位启停对系统冲击最小。

3.4系统远程测控

本方案的最大亮点之一是实现数据的网络化和远程操控。分别采用有线和无线两种技术途径实现系统数据的网络化远程操控。其中有线数据网络化的实现是在控制盘触摸屏界面组态中添加ModBus TCP转发设备构建。在转发设备中添加所需要的数据通道，链接相应变量实现数据转发。在上位机上安装MCGS网络版软件。其硬件组态需安装标准接收从控制端转发来的数据，组态相应控制界面即可。这样在任何联网地点，只要访问上位机IP地址，即可得到与上位机相同的操作界面(首次访问会有插件安装)。无线数据上网是通过无线网关，将PLC数据上传到企业的数据云平台。用户在任何地方通过移动端访问该企业的数据平台实现远程操控。

图8端添加数据转发设备和移动端APP

4结语

人工气候室系统是现代生物和农业技术研究的重要装备。在相关领域已得到广泛应用。现有设备都会存在不同生物问题。比较典型困难的是长时间温度曲线的设置和远程操控。本文根据实际使用需求，利用组态软件的配方功能，有限实现了长时间温度曲线的设置问题。通过有代和无线两种技术途径，实现了设备的远距离监视操控，使设备的使用更加方便使用。按编码的双源温度控制设计，使系统控制简单，硬件制造成本大大降低。系统在华中农业大学人工气候室得到长时间应用验证，其温度控制进度在0.5 ℃。特别是关照时段的任意设置及光照色谱的调节，为生物光反应研究提供了有效的技术手段。对夏日室外温度特别高的特殊时间，将日出日落时间与自然时间颠倒设置，可以有效利用昼夜温差，起到很好的节能效果，得到试用者高度肯定。