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摘要：植物生长室可以控制室内的光照、温度、湿度和CO2等参数，通过模拟植物生长环境，进而深入研究不同环境对植物生理特征的影响。本文介绍了基于CAN总线的人工气候室专家系统的基本组成，讨论了系统的工作原理、硬件结构和软件设计方案。植物生长室广泛应用于科学研究、教学等领域。
关键词：植物生长室 专家系统 CAN总线
1 概述
植物生长室是模拟自然环境气候变化的大型试验设备。植物生长所需的主要环境参数为：光照、温度、湿度以及CO2含量等，通过人工方式模拟植物生长的自然环境。传统方式在各气候室现场实验人员逐点抽样，通过采用仪器进行测量或者凭感官判断。测量结果存在片面性、滞后性等缺陷和不足，对植物的实际生长状态难以及时、准确地进行描述。为此，在基于CAN（Controller Area Network，即控制器局域网）总线的基础上，本文设计了植物生长室专家系统。系统对植物生长所需参数如：光照、温度、湿度和CO2含量等进行自动检测，研究分析植物的生长状态，控制植物生长所需的光照、温度、湿度和CO2含量等，该系统能够对人工气候实验室出现的异常情况进行报警处理，进而为植物生长所需的营养成分和控制决策提供依据。
2 系统的构成
2.1 系统结构
植物生长室主要由空气处理室、控制台、环境实验室三大部分组成。
2.1.1 空气处理室
在实验室环境下，当实验室内的自然能源缺失时，通过控制台向培养室发出指令，为植物生长提供人工能源，满足各试验单元和整体环境的需求。
2.1.2 控制台
控制台是利用自然能源和人工能源分配的控制中心。根据安装在培养室中的传感器检测光照、温度、湿度以及CO2含量的实际状态参数，针对不同植物不同时期的生长需要，按照实验室预先设置的控制参数发出调控指令，空气处理室和分配站根据指令进入自动调节方式，对实验室的光照、温度、湿度和CO2含量进行调节，使各种参数满足植物生长的需要，进而为植物生长构造最佳环境。
对于控制台的主机，进行系统设备管理，在人工环境下，自动生成植物生长所需的分析报表，记录、观测并处理信息，进而完成测试输出和报警，借助控制台，从主机屏幕或打印机上实验人员可以随时了解生长室中植物的状态参数。
2.1.3 环境实验室
环境实验室是一个人工气候室，主要用于模拟植物生长所需的自然环境，环境室内安装了各种状态参数的传感器，如光照、温度、湿度和CO2含量等，人工模拟自然环境的各种状态参数通过传感器检测传回控制台。
环境实验室为了保证适宜植物生长的环境，满足光照、温度、湿度和CO2含量的要求配备了空调器、室内通风设备、CO2含量控制系统、喷雾加湿系统和人工光源系统。
2.2 硬件系统组成
植物生长室专家系统以PC机为主机，80C592（具备CAN总线控制功能）单片机以及外围电路为分机，通过CAN总线通信接口适配卡经主机和分机进行连接，进而共同构成植物生长室自动测试专家系统，如图1所示。系统采用CAN总线通信方式，具有较高的可靠性、连线简单、组网费用低，速度比串口快，传输距离较长等。
单片机80C592的CAN控制器与通信接口适配卡的接口器件82C250共同构成通信，CAN承担网络通信的控制作业，并且负责与PC机进行状态、控制、命令等的信息交换；82C250作为CAN控制器与总线间的接口部件，为总线的差动发送能力和CAN控制器的差动接收能力奠定基础。
图1中来自传感器的信号经过模拟信号调理电路对交流、直流放大、整流滤波、线性处理以及温度补偿等进行相应的处理。经模拟信号调理电路处理光照、温度、湿度和CO2含量，传感器接收到交变测量信号，转变成0～5V直流电压信号，该信号由模拟开关到达单片机的A/D转换口，由单片机对直流电压信号进行相应地处理。
3 系统的工作原理与特点
对光照、温度、湿度和CO2含量的要求，不同种类的植物在不同的生长时期存在一定的差异。所以，能否准确测量和精确控制光照、温度、湿度和CO2含量，决定着人工气候室专家系统的成败。
将PC机（586/266以上机型）设置成人工气候室内的主机，人工气候室的分机由80C592单片机系统以及测量温度、湿度、光照度和CO2含量等参数的电路传感器组成。主机安装在系统控制室，分机安装在各个环境实验室内，通常情况下每个环境实验室安装一个分机，对于每台主机直接管理1～200台的分机，每台分机可以分别连接32个温度传感器、32个湿度传感器、16个光照度传感器和16个CO2含量传感器。
根据植物类型以及生长时期，PC主机为植物设定理想的生长状态参数。借助CAN串行总线，PC主机管理着安放在范围内（10km以内）培养室中的所有分机，每台分机通过采用传感器对状态参数进行采集，以及对采集信息进行传输。
主机根据各个分机提供的实际状态参数，通过对比设定的理想状态参数，进行模糊运算以及其它一些相应的处理，实现空气处理室向环境实验室提供人工能源的控制。
4 软件设计
按照模块化设计思想设计系统主机软件，采用结构化的程序设计方案设计应用软件，根据这种理念设计的软件模块性、可移植性和可修改性非常高。该软件涉及到的模块包括：检测、系统自检、显示、通信、历史记录、数据处理等模块。
人机交互界面应该设计成直观、易懂、易操作的图形界面。通过采用了Microsoft的VB（Visual Basic6.0）编程语言开发主机软件，操作方法简便，与Windows应用程序相一致。采用VB设计的软件，具备动态数据交换（DDE）、对象链接与嵌入（OLE）、支持动态链接库（DLI）、对数据库的操作管理以及API函数等功能，VB编程语言具备的这些功能，方便系统对后台数据管理和通信传输。
采用汇编程序语言设计系统分机的单片机。80C592单片机属于51系列产品，对于51指令系统，指令丰富，寻址方式多样、运行速度快、编程方便。
5 结束语
基于CAN总线植物生长室专家系统，具有高效实用的特点，能够对不同植物在不同生长时期的光照、温度、湿度和CO2含量进行实时、准确、自动检测。基于CAN总线植物生长室专家系统在湖南林业科学院等地投入使用，运行结果证明：该系统操作简单，测量准确，运行可靠，产生了较高的经济效益，因此具有非常广泛的应用空间。
参考文献：
[1]W.拉夏埃尔.植物生理生态学[M].李博等译.北京：科学出版社，1985：314.
[2]F.B索尔兹伯里，C.罗斯.植物生理学[M].北京大学生物系等译.北京：科学出版社，1979：620.
[3]N.J罗森堡.小气候——生物环境[M].何章起等译.北京：科学出版社，1982：321.
[4]江岳春，滕召胜等.配电变压器/低压用户远程监测管理系统[J].湖南大学学报：自然科学版，2004，31（1）：44-47.
作者简介：乐乐（1980-），女，江西东乡人，讲师，主要从事电力系统自动化和电子声像技术等方面的教学与科研工作。
关键词：植物生长室 专家系统 CAN总线
1 概述
植物生长室是模拟自然环境气候变化的大型试验设备。植物生长所需的主要环境参数为：光照、温度、湿度以及CO2含量等，通过人工方式模拟植物生长的自然环境。传统方式在各气候室现场实验人员逐点抽样，通过采用仪器进行测量或者凭感官判断。测量结果存在片面性、滞后性等缺陷和不足，对植物的实际生长状态难以及时、准确地进行描述。为此，在基于CAN（Controller Area Network，即控制器局域网）总线的基础上，本文设计了植物生长室专家系统。系统对植物生长所需参数如：光照、温度、湿度和CO2含量等进行自动检测，研究分析植物的生长状态，控制植物生长所需的光照、温度、湿度和CO2含量等，该系统能够对人工气候实验室出现的异常情况进行报警处理，进而为植物生长所需的营养成分和控制决策提供依据。
2 系统的构成
2.1 系统结构
植物生长室主要由空气处理室、控制台、环境实验室三大部分组成。
2.1.1 空气处理室
在实验室环境下，当实验室内的自然能源缺失时，通过控制台向培养室发出指令，为植物生长提供人工能源，满足各试验单元和整体环境的需求。
2.1.2 控制台
控制台是利用自然能源和人工能源分配的控制中心。根据安装在培养室中的传感器检测光照、温度、湿度以及CO2含量的实际状态参数，针对不同植物不同时期的生长需要，按照实验室预先设置的控制参数发出调控指令，空气处理室和分配站根据指令进入自动调节方式，对实验室的光照、温度、湿度和CO2含量进行调节，使各种参数满足植物生长的需要，进而为植物生长构造最佳环境。
对于控制台的主机，进行系统设备管理，在人工环境下，自动生成植物生长所需的分析报表，记录、观测并处理信息，进而完成测试输出和报警，借助控制台，从主机屏幕或打印机上实验人员可以随时了解生长室中植物的状态参数。
2.1.3 环境实验室
环境实验室是一个人工气候室，主要用于模拟植物生长所需的自然环境，环境室内安装了各种状态参数的传感器，如光照、温度、湿度和CO2含量等，人工模拟自然环境的各种状态参数通过传感器检测传回控制台。
环境实验室为了保证适宜植物生长的环境，满足光照、温度、湿度和CO2含量的要求配备了空调器、室内通风设备、CO2含量控制系统、喷雾加湿系统和人工光源系统。
2.2 硬件系统组成
植物生长室专家系统以PC机为主机，80C592（具备CAN总线控制功能）单片机以及外围电路为分机，通过CAN总线通信接口适配卡经主机和分机进行连接，进而共同构成植物生长室自动测试专家系统，如图1所示。系统采用CAN总线通信方式，具有较高的可靠性、连线简单、组网费用低，速度比串口快，传输距离较长等。
单片机80C592的CAN控制器与通信接口适配卡的接口器件82C250共同构成通信，CAN承担网络通信的控制作业，并且负责与PC机进行状态、控制、命令等的信息交换；82C250作为CAN控制器与总线间的接口部件，为总线的差动发送能力和CAN控制器的差动接收能力奠定基础。
图1中来自传感器的信号经过模拟信号调理电路对交流、直流放大、整流滤波、线性处理以及温度补偿等进行相应的处理。经模拟信号调理电路处理光照、温度、湿度和CO2含量，传感器接收到交变测量信号，转变成0～5V直流电压信号，该信号由模拟开关到达单片机的A/D转换口，由单片机对直流电压信号进行相应地处理。
3 系统的工作原理与特点
对光照、温度、湿度和CO2含量的要求，不同种类的植物在不同的生长时期存在一定的差异。所以，能否准确测量和精确控制光照、温度、湿度和CO2含量，决定着人工气候室专家系统的成败。
将PC机（586/266以上机型）设置成人工气候室内的主机，人工气候室的分机由80C592单片机系统以及测量温度、湿度、光照度和CO2含量等参数的电路传感器组成。主机安装在系统控制室，分机安装在各个环境实验室内，通常情况下每个环境实验室安装一个分机，对于每台主机直接管理1～200台的分机，每台分机可以分别连接32个温度传感器、32个湿度传感器、16个光照度传感器和16个CO2含量传感器。
根据植物类型以及生长时期，PC主机为植物设定理想的生长状态参数。借助CAN串行总线，PC主机管理着安放在范围内（10km以内）培养室中的所有分机，每台分机通过采用传感器对状态参数进行采集，以及对采集信息进行传输。
主机根据各个分机提供的实际状态参数，通过对比设定的理想状态参数，进行模糊运算以及其它一些相应的处理，实现空气处理室向环境实验室提供人工能源的控制。
4 软件设计
按照模块化设计思想设计系统主机软件，采用结构化的程序设计方案设计应用软件，根据这种理念设计的软件模块性、可移植性和可修改性非常高。该软件涉及到的模块包括：检测、系统自检、显示、通信、历史记录、数据处理等模块。
人机交互界面应该设计成直观、易懂、易操作的图形界面。通过采用了Microsoft的VB（Visual Basic6.0）编程语言开发主机软件，操作方法简便，与Windows应用程序相一致。采用VB设计的软件，具备动态数据交换（DDE）、对象链接与嵌入（OLE）、支持动态链接库（DLI）、对数据库的操作管理以及API函数等功能，VB编程语言具备的这些功能，方便系统对后台数据管理和通信传输。
采用汇编程序语言设计系统分机的单片机。80C592单片机属于51系列产品，对于51指令系统，指令丰富，寻址方式多样、运行速度快、编程方便。
5 结束语
基于CAN总线植物生长室专家系统，具有高效实用的特点，能够对不同植物在不同生长时期的光照、温度、湿度和CO2含量进行实时、准确、自动检测。基于CAN总线植物生长室专家系统在湖南林业科学院等地投入使用，运行结果证明：该系统操作简单，测量准确，运行可靠，产生了较高的经济效益，因此具有非常广泛的应用空间。
参考文献：
[1]W.拉夏埃尔.植物生理生态学[M].李博等译.北京：科学出版社，1985：314.
[2]F.B索尔兹伯里，C.罗斯.植物生理学[M].北京大学生物系等译.北京：科学出版社，1979：620.
[3]N.J罗森堡.小气候——生物环境[M].何章起等译.北京：科学出版社，1982：321.
[4]江岳春，滕召胜等.配电变压器/低压用户远程监测管理系统[J].湖南大学学报：自然科学版，2004，31（1）：44-47.
作者简介：乐乐（1980-），女，江西东乡人，讲师，主要从事电力系统自动化和电子声像技术等方面的教学与科研工作。