第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
农产业在中国有着悠久的历史及相应的技术传统，在地缘中国国家意识诞生之初和各产业发展的进程中农业就占据了相当重要的位置。共和国建立初期，强调“工农为纲”的政治路线及共产主义设想下的“乌托邦”式富足生活的目标，我国农业相较于封建社会发生了从制度至技术的全方位的革新及发展。1978年（改革开放的政策提出时间）改革开放的 30 年间里我国农业的发展更是取得了令人瞩目的成绩：重量上满足国内需求并让优势作物出口成为可能；品类和技术上更是屡屡创新如袁隆平团队的杂交水稻等技术让中国人“吃饱饭”不再成为问题。我国人口体量庞大，随着我国经济的迅速发展人们的生活水平也在不断提高，而农业在生产速度上远比人口增长的速度要高，所以普通大众在食物的可获性上有了很大改善。
1.1 课题的研究背景及意义
农产业在中国有着悠久的历史及相应的技术传统，在地缘中国国家意识诞生之初和各产业发展的进程中农业就占据了相当重要的位置。共和国建立初期，强调“工农为纲”的政治路线及共产主义设想下的“乌托邦”式富足生活的目标，我国农业相较于封建社会发生了从制度至技术的全方位的革新及发展。1978年（改革开放的政策提出时间）改革开放的 30 年间里我国农业的发展更是取得了令人瞩目的成绩：重量上满足国内需求并让优势作物出口成为可能；品类和技术上更是屡屡创新如袁隆平团队的杂交水稻等技术让中国人“吃饱饭”不再成为问题。我国人口体量庞大，随着我国经济的迅速发展人们的生活水平也在不断提高，而农业在生产速度上远比人口增长的速度要高，所以普通大众在食物的可获性上有了很大改善。
我国在农业领域发展虽然取得了令人喜悦的成绩，即便我国农业的发展所依托的农业资源在总量上是位于世界前线的，然而我国人均可支配（享有）的农业资源却远落后于世界平均水平。在未来，随着我国人口的继续增长和市场经济的不断深化，相应农业资源的利用会逐步扩大，对中国农业资源约束也将加强[1]。如今，传统农业生产模式仍然是我国现阶段的主流模式，“自给自足”的自然农业思想至今影响着现代化农业发展。大量的劳动力投入成为前提，但并未改变低效的农业生产现状，更不利于我国的农业经济的长远发展，就农民个体视角观察，传统农业模式获利并不能快速提升农民群众的生活水平。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
自世纪 50 年代始，世界上便有许多国家的农业设施优先得到了快速的发展，例如国、荷兰、以色列等国家。这些国家已经基本上实现了技术、设备自动化、智能化、生产标准化和系统化的高科技新型技术设施的农业要求[8]。
美国将“因地制宜”理念融入农业开发的整体布局当中，由于这片土地受到多个气候带的不同环境条件影响，造就种植作物品种的纷繁众多。发达国家的经济基础良好，人们对于农作物的需求并非出于饱腹目的，对于新式水果、蔬菜、花卉的培养种植一定程度契合了现有整体经济的发展环境[9]。就美国而言有大约 1 万 9000 公顷的温室面积，其中大部分是玻璃温室，有些是双层充气的塑料薄膜构成的温室，近些年来也建筑了不少的聚碳酸（PC）温室。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
自世纪 50 年代始，世界上便有许多国家的农业设施优先得到了快速的发展，例如国、荷兰、以色列等国家。这些国家已经基本上实现了技术、设备自动化、智能化、生产标准化和系统化的高科技新型技术设施的农业要求[8]。
美国将“因地制宜”理念融入农业开发的整体布局当中，由于这片土地受到多个气候带的不同环境条件影响，造就种植作物品种的纷繁众多。发达国家的经济基础良好，人们对于农作物的需求并非出于饱腹目的，对于新式水果、蔬菜、花卉的培养种植一定程度契合了现有整体经济的发展环境[9]。就美国而言有大约 1 万 9000 公顷的温室面积，其中大部分是玻璃温室，有些是双层充气的塑料薄膜构成的温室，近些年来也建筑了不少的聚碳酸（PC）温室。
荷兰是一个土地资源十分贫瘠的国家，且人均耕地面积只有 0.12hm2，荷兰政府及民众通过填海、填湖等方式来扩大耕地面积。荷兰虽受耕地面积条件的影响，通过先进的农业技术科学种植培育农作物，最终成为世界农产品出口第三的国家。目前，荷兰在园艺设施技术方面是世界上最先进的国家，其现技术化温室面积达 1.1 万公顷，全部为玻璃温室[10]。在农业自动化水平方面，荷兰已成为世界领先的典范，其温室内的各类参数都交由计算机自动控制、处理及分析并更好点回馈于农业的发展。
以色列的滴灌技术以及设备发展速度在世界上也是处于先前部队的。其水资源管理实现了高度自动化，节水灌溉技术已在全国范围内推广，其中喷灌占 25%项，微灌占 75%项。所有的灌溉均是通过计算机来控制的，以达到了不同时刻、不同环境、不同地域情况下的自动控制要求。1989 年，以色列每单位水的农作物产量为 2.3 公斤，比使用该技术前的 1949 年平均增加了一倍。
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以色列的滴灌技术以及设备发展速度在世界上也是处于先前部队的。其水资源管理实现了高度自动化，节水灌溉技术已在全国范围内推广，其中喷灌占 25%项，微灌占 75%项。所有的灌溉均是通过计算机来控制的，以达到了不同时刻、不同环境、不同地域情况下的自动控制要求。1989 年，以色列每单位水的农作物产量为 2.3 公斤，比使用该技术前的 1949 年平均增加了一倍。
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第 2 章 温室环境特征及模型建立
2.1 温室环境的构成
温室的别名又叫暖房，其主要作用就是用来栽植作物，起到保温和透光的功能。在春冬季节里，一些不适合在此季节里生长的作物，通过暖房可以人为的为作物提供生长的环境，进而使得作物的产量得以增加。
温室的种类丰富多样，根据不同的屋面材料、照明用品、外观和加热条件等可分为多种不同的类型。从温室的结构来说，其应该是一个密闭的空间并且能够保持温度，同时还具有便于通风以及降低温度等功能。如今现代化的温室通过计算机控制系统实现了温室内环境因素的智能控制，为作物的生长提高了更好的生长环境。温室主要使用遮阳盖材料来建造部分或全部的外壳，可以在寒冷的季节或不适宜作物生长的气候，为其作物建造相应的温室[27]。
根据对温室作物的生长状况以及环境中温湿度和光照强度等一些因子之间的相互联系，综合考虑温室外的气候环境以及室内环境情况，结合调控效果和运行成本，对温室系统进行智能化的自动控制和调控。
2.1 温室环境的构成
温室的别名又叫暖房，其主要作用就是用来栽植作物，起到保温和透光的功能。在春冬季节里，一些不适合在此季节里生长的作物，通过暖房可以人为的为作物提供生长的环境，进而使得作物的产量得以增加。
温室的种类丰富多样，根据不同的屋面材料、照明用品、外观和加热条件等可分为多种不同的类型。从温室的结构来说，其应该是一个密闭的空间并且能够保持温度，同时还具有便于通风以及降低温度等功能。如今现代化的温室通过计算机控制系统实现了温室内环境因素的智能控制，为作物的生长提高了更好的生长环境。温室主要使用遮阳盖材料来建造部分或全部的外壳，可以在寒冷的季节或不适宜作物生长的气候，为其作物建造相应的温室[27]。
根据对温室作物的生长状况以及环境中温湿度和光照强度等一些因子之间的相互联系，综合考虑温室外的气候环境以及室内环境情况，结合调控效果和运行成本，对温室系统进行智能化的自动控制和调控。
用控制理论的专业术语来说，温室环境可从五个方面来进行叙述，其环境的主要构成部分如下[28]：
（1）主要控制因素，其温室内的升降温、光照强度的控制方式、通风的方式以及通风速率等等。
（2）环境干扰因素，包括温室外的气候变化情况，室内的作物以及昆虫所产生的能量等等都是干扰因素。
（3）环境中的控制变量，室内空气的温湿度、光照强度以及土壤酸碱度等因素都是控制变量。
（4）温室结构上的参数，其中包括占地面积、热量传输和通风的能力、升降温装置的结构等参数。
（5）温室的结构，以上的控制因素、环境干扰因素、控制变量以及结构参数都是通过温室结构进行控制的。
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2.2 温室环境控制的特点
2.2.1 温室环境因子的分析
作物生长发育受环境影响的主要因素有：温度、水分、光照、空气、生物因子等。这些因子并不是独自存在的，而是相互之间有着密切的关系，对于作物的生长往往是受环境综合的影响。其中温度和湿度等因子最为主要，通过控制它们保持在作物适宜生长的环境情况下，来保持温室生态环境的稳定。对作物影响最多的环境因子如下：
（1）温度条件：作物体内的某些酶的活性会受温度变化的影响，从而也就能影响到作物的生长发育。不同种类的作物都有各自温度的“三基点”，就是作物生长的最低温度和最适温度以及能够忍受的最高温度。在最高或最低温度下，它可能会导致作物停止发育，若作物生长的速度比较快时，即它处于最佳的温度。在一定的条件里，升高温度能够加快作物叶表面的水蒸气的扩散，从而促进作物的蒸腾作用的加快。如果温度过高，那么会导致作物叶表面水分的流失，使其气孔关闭蒸腾作用下降。当温度超过作物生长温度的最高或最低点时，那么作物会出现伤害甚至死亡的现象。恰当的控制温度，是促进作物生长以及生产的重要方式，以蔬菜为例，不同种类的蔬菜，对温度的要求也不同，如表 2-1 所示。
（1）主要控制因素，其温室内的升降温、光照强度的控制方式、通风的方式以及通风速率等等。
（2）环境干扰因素，包括温室外的气候变化情况，室内的作物以及昆虫所产生的能量等等都是干扰因素。
（3）环境中的控制变量，室内空气的温湿度、光照强度以及土壤酸碱度等因素都是控制变量。
（4）温室结构上的参数，其中包括占地面积、热量传输和通风的能力、升降温装置的结构等参数。
（5）温室的结构，以上的控制因素、环境干扰因素、控制变量以及结构参数都是通过温室结构进行控制的。
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2.2 温室环境控制的特点
2.2.1 温室环境因子的分析
作物生长发育受环境影响的主要因素有：温度、水分、光照、空气、生物因子等。这些因子并不是独自存在的，而是相互之间有着密切的关系，对于作物的生长往往是受环境综合的影响。其中温度和湿度等因子最为主要，通过控制它们保持在作物适宜生长的环境情况下，来保持温室生态环境的稳定。对作物影响最多的环境因子如下：
（1）温度条件：作物体内的某些酶的活性会受温度变化的影响，从而也就能影响到作物的生长发育。不同种类的作物都有各自温度的“三基点”，就是作物生长的最低温度和最适温度以及能够忍受的最高温度。在最高或最低温度下，它可能会导致作物停止发育，若作物生长的速度比较快时，即它处于最佳的温度。在一定的条件里，升高温度能够加快作物叶表面的水蒸气的扩散，从而促进作物的蒸腾作用的加快。如果温度过高，那么会导致作物叶表面水分的流失，使其气孔关闭蒸腾作用下降。当温度超过作物生长温度的最高或最低点时，那么作物会出现伤害甚至死亡的现象。恰当的控制温度，是促进作物生长以及生产的重要方式，以蔬菜为例，不同种类的蔬菜，对温度的要求也不同，如表 2-1 所示。
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第 3 章 温室大棚温度控制策略研究.........................................19
3.1 PID 控制原理.................................... 19
3.2 模糊控制基础理论..................................... 20
第 4 章 基于物联网技术温室大棚系统总体方案设计..................................33
4.1 系统总体方案设计................................ 33
4.2 物联网技术框架......................................... 34
第 5 章 温室系统的测试与分析....................................57
5.1 温室基本功能测试....................................... 57
5.2 传感器模块性能测试............................................. 57
第 5 章 温室系统的测试与分析
5.1 温室基本功能测试
在完成温室远程智能控制系统的软件设计后，对其进行相应的系统调试。将运行成功的上位机软件界面与相应的硬件设备进行连接，以便对温室内的各个控制功能模块进行测试，验证系统总体方案设计的可行性。
首先对各类无线通信模块进行供电，协调器通过 USB 接口与上位机 PC 进行连接，将各类传感器节点放置在实验室的不同位置，然后对室内的温度、湿度和照明强度以及 CO2 浓度等参数值进行采集。其中，在各模块之间设置了一个路由节点，其主要可以看作是一个“数据传输中转站”，当模块与协调器之间的距离较远，这可能会导致没有办法进行数据的传输，此时路由节点便起到一个中转的作用，通过该节点提供便捷的数据传输渠道，保证系统数据传输的整体性[63]。因此，该节点的设置不仅能够保证系统控制过程的稳定性，还能够增加数据的传输距离。
系统控制开关部分，以无线控制节点上的 LED 灯的亮灭情况来表现各执行机构的运行状态，若 LED 灯亮那么相关的执行装置处于运行状态；若 LED 灯灭那么相关的执行装置处于停止状态；通过上位机的下发的控制命令，无线控制节点会根据接收到的程序指令做出相应的动作，则相应节点的 LED 灯亮，代表控制开关打开。
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第 6 章 结论
农业在我国经济结构中扮演着重要的角色，传统农业生产效率低，不利于我国农业经济发展，且对于提高农民的个人收入并不理想。然而采用物联技术与温室大棚相结合的模式，能够很好的控制温室内的环境，与传统农业来说其控制效果较佳。本论文拟以物联网为技术手段，并与智能控制算法相结合应用到温室大棚的环境控制系统中，实现温室大棚智能化和网络化的控制，以提高温室大棚的生产效益。论文完成工作总结如下：
（1）以现今流行的物联网技术与温室大棚相结合的温室为研究对象，对本课题的研究背景及意义、国内外发展现状以及农业物联网应用的网络构架以等问题进行了综述，同时对论文的研究目标和内容作了简述。
（2）主要分析了温室大棚环境特征及其模型的构建，首先介绍了温室大棚内的环境状况并从五个维度对环境的构成部分进行了叙述，然后分析了温湿度、光照强度和 CO2 浓度等环境因子对温室内作物生存条件的影响以及各因子的控制方式，并进行了控制策略的设计。最后基于温室环境的特点建立了温室的数学模型并进行最终的模型优化，得到一个一阶大滞后的数学模型，以便于用来进行后章节的仿真实验。
（3）进行温室大棚系统温度控制策略的研究，首先对 PID 和模糊控制的基本理论进行了研究。然后针对非线性、大滞后、长时延、不精确性等特征的温室大棚环境结合 PID 和模糊控制的算法，设计了模糊自适应 PID 控制器，确定了相应的模糊控制规则。最后在 MATLAB 中建立数学模型，对所设计的控制器性能进行仿真验证。经过仿真实验验证，模糊自适应 PID 控制算法在系统控制的动态性能指标等方面均优于常规 PID 控制算法和纯模糊控制算法。
（4）主要介绍以物联网技术为基础的温室大棚控制系统设的总体计方案，首先对整个系统结构以及物联网技术的框架进行了详细说明。其次对无线通信模块、传感器节点以及协调器等进行了系统的软硬件设计。温室现场通过 ZigBee 通信技术进行各节点组网，控制系统设协调器和无线控制节点以及多个无线检测节点，协调器收集所有检测节点信息，并通过串口将数据传送至上位机进行显示和存储，上位机端通过LabVIEW 设计监控界面，实现对各节点参数的采集、设置和控制等。
参考文献（略）