智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計

陳書欣,馬洪濤,劉 璽

(1.河北科技大學學報編輯部,河北石家莊 050018;2.河北科技大學息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計

陳書欣1,馬洪濤2,劉 璽2

(1.河北科技大學學報編輯部,河北石家莊 050018;2.河北科技大學息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

鑒于目前中國溫室大棚系統(tǒng)科技水平低下的現(xiàn)狀,專門設(shè)計了一個采用PC上位機、3G傳輸裝置和嵌入式下位機相結(jié)合的智能溫室大棚控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以智能地調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長所需的各項環(huán)境因數(shù),進而使農(nóng)作物生長更好,產(chǎn)量更高。此外,由于該系統(tǒng)在上位機和下位機間采用了分散控制,相比于集中控制的溫室大棚系統(tǒng),該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用的靈活性都得到了顯著提高。

智能溫室大棚;分散控制;嵌入式;3G

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展,人們對物質(zhì)生活的需求越來越高。中國人口眾多,人均耕地面積很少,如何提高農(nóng)作物產(chǎn)量,實行耕地面積利用率的最大化十分重要。為了提高單位面積上農(nóng)作物的產(chǎn)量,國內(nèi)外紛紛提出了自己的智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計方案。所謂的智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計就是通過現(xiàn)代科學技術(shù)手段,調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長所需的各種環(huán)境條件,主要有光照、溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度這4個環(huán)境參數(shù),從而使農(nóng)作物處于最佳的生長環(huán)境中,進而最大幅度地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[1-3]。

目前,國內(nèi)外智能溫室大棚系統(tǒng)大多采用 PC上位機和單片機下位機相結(jié)合的方法。在上位機和下位機之間采用集中控制、有線互聯(lián)的方式。其原理是首先由下位機采集數(shù)據(jù),然后通過串口傳送到上位機中進行信息處理,接著把處理完的結(jié)果傳給下位機,最后再由下位機根據(jù)處理完的結(jié)果發(fā)出控制命令。采用這種處理方法速度較慢,實時性較差。為了滿足實時性和復雜性的數(shù)據(jù)運算,筆者采用了嵌入式RAM作為下位機進行控制,一臺單獨的嵌入式RAM下位機就能夠獨立完成其所在區(qū)域的數(shù)據(jù)采集、處理和控制工作。然而,集中控制方法過多地依賴于PC上位機,一旦上位機出問題,整個系統(tǒng)就要癱瘓。針對這個問題,本系統(tǒng)采用了分散控制方法。再者,傳統(tǒng)的有線互聯(lián)的方式只能適用于面積較小且單一的溫室,對于面積較大且多個處于不同地方的溫室進行控制往往不能實現(xiàn),因此本系統(tǒng)采用了無線傳輸?shù)姆椒ā?/p>

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由PC上位機、3G傳輸裝置和嵌入式下位機3部分組成,上位機和下位機之間采用了分散控制的方法。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計總框圖Fig.1 System design structure of smart greenhouse

PC上位機用來采集下位機的環(huán)境狀態(tài)參數(shù)并對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示、分析處理,并把優(yōu)化后的控制方案提供給管理人員供其參考,管理人員除了可以通過PC機的顯示器來實時監(jiān)控下位機的工作狀況外,還可以依據(jù)PC機優(yōu)化后的控制方案向下位機傳輸不同的控制命令來更新下位機中的各項標準參數(shù)。

嵌入式下位機依據(jù)PC上位機更新好的標準參數(shù)對所管轄范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行采集、分析處理,最后控制執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的動作。

數(shù)據(jù)的傳輸主要由3G傳輸裝置來完成。相比傳統(tǒng)的有線連接方式,該方法具有連接方便、控制范圍廣、使用方便等優(yōu)點,管理人員即使足不出戶也可以對農(nóng)作物的生長情況進行監(jiān)控和測量,對農(nóng)作物的生長環(huán)境進行調(diào)控。

2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件部分主要由PC上位機、3G傳輸裝置和嵌入式下位機3部分構(gòu)成。

PC上位機部分主要由 PC機、顯示器、蜂鳴器組成。PC機主要完成各種功能控制:如對下位機進行數(shù)據(jù)采集;對采集來的數(shù)據(jù)進行分析處理后送到顯示器進行顯示;向下位機傳輸控制參數(shù),從而完成下位機中標準參數(shù)的修改;根據(jù)農(nóng)作物不同的生長季節(jié)和時期來對下位機中的農(nóng)作物生長控制模型進行更新,從而使農(nóng)作物在不同的季節(jié)采用不同的生長控制模型;也可以設(shè)置成自動檢測報警方式,這樣PC機會每隔一定的時間對下位機中的數(shù)據(jù)進行采集,從而判斷下位機所處地點的農(nóng)作物生長環(huán)境是否正常,如果不正常則通過報警器進行報警來通知管理人員。

下位機主要由嵌入式系統(tǒng)、顯示裝置、采集裝置和執(zhí)行機構(gòu)組成。嵌入式系統(tǒng)采用的是Samsung公司的S3C2410處理器,它主要用來完成對各個傳感器進行數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示,并控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的動作。此外,它還要對處理后的數(shù)據(jù)進行壓縮,然后發(fā)給無線發(fā)送模塊進行發(fā)送。采集裝置由溫、濕度傳感器DHT81、光強傳感器TSL2561、二氧化碳傳感器MG811組成,用于對各種環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控和測量。下位機的處理器首先會依據(jù)標準參數(shù)對采集來的數(shù)據(jù)進行處理、優(yōu)化,最后輸出能使農(nóng)作物生長達到最佳狀態(tài)的控制信號,從而控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)光照、溫度、土壤濕度和二氧化碳濃度,進而使農(nóng)作物處于最佳的生長環(huán)境中。

無線傳輸裝置由無線發(fā)送模塊、3G網(wǎng)絡(luò)和PC機上的“智能溫室控制中心”軟件中的數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊組成。無線發(fā)送模塊先把數(shù)據(jù)發(fā)送到3G網(wǎng)絡(luò),3G網(wǎng)絡(luò)基站會依據(jù)用戶設(shè)定的IP地址把數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上,這樣管理員就可以調(diào)用“智能溫室控制中心”軟件中的數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊把數(shù)據(jù)下載到本地的PC機上進行顯示。無線發(fā)送模塊采用的是聯(lián)芯科技生產(chǎn)的LC6311芯片,它是一款 TD-HSDPA與 GGE雙模3G模塊。TD-HSDPA是TD-SCDMA進一步深化的技術(shù),可以適用于WCDMA和 TD-SCDMA兩種制式。鑒于目前中國移動推出的 TD-SCDMA早已進入了實用階段,信號覆蓋好,數(shù)據(jù)傳輸效果比較好,所以選擇TD-SCDMA作為無線通信的3G網(wǎng)絡(luò)。其整個硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware design structure of smart greenhouse

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分主要由上位機軟件和下位機軟件兩大部分組成。

上位機部分的各種功能都是由“智能溫室控制中心”這個軟件來實現(xiàn),該軟件由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理顯示模塊、圖形界面模塊、控制參數(shù)更新、SQL數(shù)據(jù)庫等組成。主要用來完成以下幾個功能:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制參數(shù)更新和自動檢測報警。該軟件采用了圖形界面,在其左邊有5個功能按鈕分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、生長控制模型更新和自動檢測報警。當按下“數(shù)據(jù)采集”時,PC機首先會向無線傳輸模塊發(fā)出接受命令請求,無線傳輸模塊會把從下位機中采集到的當前各個傳感器中的數(shù)據(jù)值發(fā)送給PC機,最后會在PC機上進行顯示。當按下“數(shù)據(jù)處理”時,PC機會調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊和SQL數(shù)據(jù)庫對采集到的數(shù)據(jù)進行處理,最后會把處理好的結(jié)果進行顯示。當按下“控制參數(shù)更新”時系統(tǒng)會調(diào)用控制參數(shù)更新模塊對下位機中的標準參數(shù)進行更新。在進行“控制參數(shù)更新”時系統(tǒng)需要調(diào)用“數(shù)據(jù)發(fā)送”模塊。“數(shù)據(jù)發(fā)送”模塊主要用來調(diào)用無線傳輸裝置將命令和數(shù)據(jù)傳達給下位機,從而使下位機發(fā)生一定的動作。

下位機軟件部分由應(yīng)用程序、驅(qū)動程序和Linux操作系統(tǒng)3部分組成。當整個下位機初始化后,運行在Linux操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序首先會調(diào)入標準參數(shù),接著會采集當前的光強信號、二氧化碳濃度、濕度信號和溫度信號,然后它會把當前值和標準參數(shù)一起加載到各自對應(yīng)的控制模塊中,最后處理器會對不同的采集模塊采取不同的控制方法。如對于二氧化碳采用傳統(tǒng)的PID控制和排風控制,二氧化碳控制模塊首先會加載當前二氧化碳濃度值和二氧化碳標準參數(shù)到 PID控制算法中,處理器會根據(jù)二氧化碳控制模塊最后的處理結(jié)果來判讀當前溫室大棚內(nèi)的二氧化碳濃度到底是偏高還是偏低,如果二氧化碳濃度偏低,則處理器會控制噴頭噴出適量的二氧化碳;如果二氧化碳濃度偏高處理器則會控制排風扇排放二氧化碳。由于向外排風時室內(nèi)溫度會降低或升高,冬季的時候外邊溫度低,排風后室溫會降低,夏季的時候外邊溫度高,排風后溫度反而會升高。因此排風前需要先把當前的溫度值保存起來,排完風以后再通過加熱器加熱或通過制冷機降溫。對于光照,處理過程與二氧化碳類似,只需要采用調(diào)節(jié)光亮度的方式和控制遮光窗簾的升降程度的方法即可。對于溫度可通過調(diào)節(jié)加熱器和制冷機來實現(xiàn)。而對于濕度的控制則采用加濕器和排風控制相結(jié)合的方法,這是由于溫度和濕度控制存在大滯后、非線性的特點,所以采用傳統(tǒng)的控制方法無法實現(xiàn),這里采用了預測控制的方法。所謂預測控制就是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入來預測其未來輸出。預測控制常用的控制算法有動態(tài)矩陣控制(DMC)、模型算法控制(MAC)和模型預測啟發(fā)控制(MPHC),這里選擇動態(tài)矩陣控制算法。不論算法如何不同,都應(yīng)建立在預測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正3項基本原理基礎(chǔ)上。系統(tǒng)首先會依據(jù)剛剛采集到的一系列數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型,依據(jù)數(shù)學模型和輸出差值通過反饋對輸入進行反復滾動修正,直到滿足精度要求即可,簡言之就是系統(tǒng)根據(jù)輸入的溫度和濕度量通過最優(yōu)控制執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的動作,從而使農(nóng)作物所處環(huán)境的溫度和濕度達到農(nóng)作物生長所需的參數(shù)指標。由于通風控制會改變溫室的溫度,所以在采用通風控制之前需要先對當前溫度進行保存,通風控制完畢還需控制加熱器加熱或制冷機制冷到通風控制前的溫度?？偟膩碚f,系統(tǒng)會針對不同的環(huán)境參數(shù)采取不同的控制方法,從而使環(huán)境參數(shù)達到農(nóng)作物生長所需的最好的參數(shù)指標。

驅(qū)動程序由傳感器采集驅(qū)動和輸出執(zhí)行驅(qū)動2部分組成。傳感器采集驅(qū)動又包括了光強采集模塊、二氧化碳采集模塊、濕度采集模塊和溫度采集模塊,它們主要負責完成對外部各個傳感器的數(shù)據(jù)采集,然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送給操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序進行處理。輸出執(zhí)行驅(qū)動會根據(jù)操作系統(tǒng)發(fā)來的控制命令控制相應(yīng)的外部執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的動作。

Linux操作系統(tǒng)位于應(yīng)用程序和驅(qū)動程序之間,用來調(diào)度、協(xié)調(diào)應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的相互配合。如通過操作系統(tǒng)的API函數(shù)來調(diào)出傳感器采集驅(qū)動采集到的數(shù)據(jù),然后再通過API函數(shù)把這些數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序,應(yīng)用程序首先會對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理,然后會根據(jù)優(yōu)化處理結(jié)果給輸出執(zhí)行驅(qū)動發(fā)送相應(yīng)的命令,輸出執(zhí)行驅(qū)動會根據(jù)發(fā)來的控制命令控制相應(yīng)的外部執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的動作。由于采集到的各種環(huán)境參數(shù)可能需要發(fā)給PC機進行顯示,所以采集完數(shù)據(jù)以后系統(tǒng)會首先判斷是否有無線請求,如果有無線請求,這些數(shù)據(jù)會首先發(fā)給無線傳輸模塊,然后發(fā)給PC機進行顯示。默認情況下這些數(shù)據(jù)會間隔一定的時間向 PC機發(fā)送一次,PC機會根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行處理、優(yōu)化,最后給出標準參數(shù)。此外下位機還會把當前的環(huán)境參數(shù)和標準參數(shù)傳到小的液晶屏上進行顯示,這樣即使正在大棚內(nèi)工作也可以了解當前溫室的環(huán)境情況。由于嵌入式下位機采用了操作系統(tǒng)控制方法,它不同于普通單片機單任務(wù)的工作方式,它使用的是多任務(wù)并行處理的機制,不同的環(huán)境參數(shù)的采集和控制可以同時進行,這大大提高了調(diào)節(jié)的效率和準確度。整個智能溫室大棚下位機軟件結(jié)構(gòu)流程圖如圖3所示。

圖3 智能溫室大棚下位機軟件結(jié)構(gòu)流程圖Fig.3 Software structure of lower computer of smart greenhouse

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)針對目前中國溫室大棚系統(tǒng)智能化水平低下的現(xiàn)狀,提出了一種基于嵌入式下位機、PC上位機、無線傳輸模式以及分散控制方法的智能溫室大棚系統(tǒng)。由于采用了分散控制的控制方法,單個下位機依照PC機傳來的標準參數(shù)就能夠獨立完成環(huán)境參數(shù)的采集和調(diào)控,只要在必要的時候更新一下標準參數(shù)即可,這樣大大提高了調(diào)節(jié)的實時性和準確度。PC上位機除了可以隨時監(jiān)測嵌入式下位機的工作狀態(tài)外,還可以直接更新下位機工作所依據(jù)的標準參數(shù)來間接地控制下位機的工作。此外系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的有線方式,采用了3G無線傳輸?shù)姆绞?方便了對下位機的監(jiān)控,提高了系統(tǒng)適用的范圍和靈活性。

[1]曹德光,鄧中亮.基于53C2410的智能移動業(yè)務(wù)終端設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,11(4):18-20.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學出版社,2007.

[3]彭木根,王文博.TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

Design of smart greenhouse system

CHEN Shu-xin1,MA Hong-tao2,LIU Xi2
(1.Department of Journal Editorial,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

In light of the low scientific and technological level of greenhouse in the country,a smart control system is designed,which combines the upper PC,the 3G transport equipment and the lower embedded machine.Smart greenhouse system can regulate smartly the environment parameters,which is beneficial to the growth of crops.Besides,a decentralized control measure better than the centralized control measure is adopted between the upper and the lower machines.

smart greenhouse system;decentralized control;embedded machine;3G

TP273+.5;S625

A

1008-1534(2011)04-0240-04

2011-03-16

責任編輯:李 穆

陳書欣(1968-),女,河北吳橋人,編輯,主要從事自動化、計算機方面的信息傳播與研究。