基于GPRS技術(shù)日光溫室綜合環(huán)境集散控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王斌，吳鍇，李志偉

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801）

日光溫室由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，比較效益好，在我國得以迅猛發(fā)展。但日光溫室是一個相對封閉的小空間，室內(nèi)的生態(tài)環(huán)境自調(diào)節(jié)能力有限，經(jīng)常出現(xiàn)某一個環(huán)境因素或多個因素的管理指標(biāo)超限。然而，溫室生態(tài)環(huán)境控制大多采用人工經(jīng)驗(yàn)管理或單一溫室簡單自動控制，嚴(yán)重影響了日光溫室生產(chǎn)栽培的成功和生產(chǎn)效益。隨著我國農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以及日光溫室面積的不斷擴(kuò)大和各種新的自動化裝備越來越廣泛地在溫室生產(chǎn)中的應(yīng)用，以降低運(yùn)行成本、提高效率、實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境精確控制為目標(biāo)的溫室群集散控制與管理正成為當(dāng)前研究的關(guān)鍵問題［1，2］。

目前，溫室群自動控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的有線互連方式（如各種工業(yè)總線方式）通信。其不但成本較高，在高溫高濕的環(huán)境中也面臨眾多問題：線路過長造成施工布線困難、總線驅(qū)動能力不足、通信速率受限、信號衰減和反射明顯，線路老化短路現(xiàn)象十分嚴(yán)重，對維護(hù)依賴程度高，不適用地點(diǎn)較為分散和對價格較為敏感的日光溫室群的控制［3］。由于有線通信方式在日光溫室群自動控制系統(tǒng)組網(wǎng)應(yīng)用中的不足，各種無線方式開始嶄露頭角。

本研究以STC89LE58RD＋單片微型計(jì)算機(jī)為控制核心，以溫度為主參量的多因素綜合優(yōu)化調(diào)控為體系，利用中國移動提供的GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、永遠(yuǎn)在線、實(shí)時通訊、按流量計(jì)費(fèi)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了數(shù)據(jù)無線傳輸、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展等問題，實(shí)現(xiàn)了對節(jié)能型日光溫室群的溫、光、濕、氣、水及氣流速度等環(huán)境因素為調(diào)控對象的綜合環(huán)境動態(tài)優(yōu)化平衡控制，解決了日光溫室的綜合環(huán)境因素檢測難題，在不改變?nèi)展鉁厥摇肮?jié)能原則”的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了日光溫室群綜合環(huán)境的優(yōu)化調(diào)控。

1 綜合環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)

在研究日光溫室微生態(tài)環(huán)境變化過程中，發(fā)現(xiàn)在光照度、氣溫、濕度、CO2濃度、水分等溫室環(huán)境因子中，溫度對作物生育的影響最顯著［4～6］。如果以作物在一天內(nèi)生育的不同適溫水平或其上、下界溫度作為狀態(tài)變量，可把作物生育一天所需要的溫度變化劃分為若干個階段。這若干個不同的階段有序地連結(jié)成一體，成為能對綜合因素平衡制控的優(yōu)化參考模式［7］（圖1）。

2 綜合環(huán)境集散控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2．1 集散控制系統(tǒng)概述

圖1 溫度主元控制模式曲線Fig．1 Control model curve with temperature as principal paramete

系統(tǒng)主要由3部分組成：溫室綜合環(huán)境監(jiān)控模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、基于Web的溫室群監(jiān)控中心模塊，如圖2所示。系統(tǒng)通過溫濕度傳感器和光電三極管對溫室綜合環(huán)境因子：溫度、濕度和光照進(jìn)行監(jiān)測，環(huán)境因子通過GPRS數(shù)傳模塊傳輸?shù)綔厥胰罕O(jiān)控中心，并存儲到數(shù)據(jù)庫中；監(jiān)控中心采用以溫度為主參量的日光溫室綜合環(huán)境調(diào)控模型生成決策控制方案，通過GPRS數(shù)傳模塊回傳到溫室綜合環(huán)境監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對溫室的灌溉系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)和二氧化碳發(fā)生系統(tǒng)的控制；在溫室綜合監(jiān)控模塊中集成應(yīng)急控制模型，來處理意外突發(fā)事件，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；同時，基于Web的溫室群監(jiān)控中心模塊還提供授權(quán)用戶遠(yuǎn)程訪問溫室環(huán)境數(shù)據(jù)庫和溫室應(yīng)急控制等功能。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．2 System structure

2．2 集散控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2．2．1 溫室綜合環(huán)境監(jiān)控模塊

如圖3所示，模塊以片內(nèi)集成64 K Flash Memory的STC89LE516RD＋單片機(jī)為核心，且外圍擴(kuò)展了一片32 K Static RA M（CY62256）晶體振蕩頻率f osc＝11．0592 MHz。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用具有采樣／保持、電壓基準(zhǔn)、8通道、12位串行的MAX1271，完成棚內(nèi)濕度、光照強(qiáng)度和溫度傳感器信號的A／D轉(zhuǎn)換。模塊采用DS1302時鐘／日歷芯片為控制提供時間依據(jù)，并采用帶高速緩沖串行接口的MAX7219芯片驅(qū)動8位LED顯示。強(qiáng)電控制部分選用目前較先進(jìn)的過零型光耦合固態(tài)繼電器作為輸出功率控制電路，直接驅(qū)動電磁閥控制電動機(jī)、加熱、灌溉等裝置的通斷電，實(shí)現(xiàn)對日光溫室環(huán)境的調(diào)控。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．3 Str ucture Block Diagram of Control System

2．2．2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊

如圖3所示，GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊選用WAVECOM Q2403 A ，該器件支持900 M／1800 M的雙頻GSM／GPRS，利用AT指令進(jìn)行控制，擁有實(shí)時時鐘和完整的支持通信與傳真的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并且支持異步串行通訊協(xié)議。Q2403 A與STC89LE516RD＋單片機(jī)異步串行通訊口相連，通訊波特率為9600bps，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與GPRS模塊Q2403 A的通信和控制。

2．2．3 基于web的溫室群監(jiān)控中心模塊

如圖2所示，該模塊由一臺擁有公網(wǎng)IP，并安裝基于Web的溫室群監(jiān)控軟件的服務(wù)器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)溫室群的遠(yuǎn)程監(jiān)控和授權(quán)用戶通過Inter net訪問許可的歷史或?qū)崟r溫室環(huán)境參數(shù)以及進(jìn)行日光溫室綜合環(huán)境手動應(yīng)急控制等。

2．3 集散控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2．3．1 日光溫室綜合環(huán)境監(jiān)控與GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)

模塊采用單片微型計(jì)算機(jī)專用語言Keil C51編寫而成，主要完成日光溫室綜合環(huán)境信息采集、打包封裝、控制信息解封裝和環(huán)境因子控制等功能。軟件的結(jié)構(gòu)如圖4所示。該軟件采用模塊式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)分明、緊湊，程序運(yùn)行可靠。

GPRS數(shù)據(jù)通信采用的是 TCP／IP over PPP方式，在系統(tǒng)中GPRS模塊 WAVECOM Q2403 A沒有內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議，需要按照TCP／IP協(xié)議編寫協(xié)議棧程序?qū)Σ杉降沫h(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送和對接收到的控制信號進(jìn)行解封裝，由于單片機(jī)系統(tǒng)資源有限，移植完整的TCP／IP協(xié)議對系統(tǒng)資源占用太大，故對完整的TCP／IP協(xié)議族進(jìn)行了合理的裁剪，采用精簡的TCP／IP協(xié)議族及應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層，如圖5所示。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先應(yīng)用層將采集到的日光溫室環(huán)境數(shù)據(jù)和GPRS數(shù)傳終端ID提交給TCP／IP協(xié)議棧；然后TCP／IP協(xié)議棧根據(jù)目的地址和端口將環(huán)境數(shù)據(jù)封裝成完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)，再提交至PPP層；最后該IP數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)PPP層封裝之后，通過串口逐字節(jié)地提交至Q2403 A并發(fā)送。在接收控制參數(shù)時，Q2403A首先將接收的數(shù)據(jù)逐字節(jié)地提交至PPP層；經(jīng)PPP層將分散的各字節(jié)重組成一幀完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)之后，再提交至TCP／IP層進(jìn)行詳細(xì)的處理，WAVECOM Q2403 A數(shù)據(jù)收發(fā)格式見表1。

圖4 綜合環(huán)境監(jiān)控與GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊程序框圖Fig．4 Flow Chart of Program on Synthetical Environ ment Monitored and Contr olled and GPRS Data Transfer

圖5 協(xié)議棧分層結(jié)構(gòu)Fig．5 Protocol Stack＇s Layered Architecture

表1 WAVECOM Q2403 A數(shù)據(jù)收發(fā)格式Table 1 WAVECOM Q2403 A Receiving And Trans mitting Data For mat

2．3．2 基于web的溫室群監(jiān)控中心模塊軟件設(shè)計(jì)

該模塊設(shè)計(jì)中選擇Sun公司設(shè)計(jì)開發(fā)的適用于企業(yè)級計(jì)算的支持多層、分布式應(yīng)用的J2EE平臺，采用B／S三層分布體系結(jié)構(gòu)模式，即：瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，使用JSP（Java Server Pages）等構(gòu)建基于web的溫室群監(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為 Windows 2000 Ser ver；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為SQL Ser ver 2000；Web服務(wù)器為A－pache Tomcat 5．0．16；數(shù)據(jù)庫驅(qū)動接口為JDBC驅(qū)動。

監(jiān)控中心主要功能為：

①溫室群綜合環(huán)境信息接收和分析處理，決策控制命令的發(fā)送。

溫室群綜合環(huán)境信息通過GPRS模塊傳送到Internet上，監(jiān)控中心通過中心軟件幀聽網(wǎng)絡(luò)，接收GPRS無線數(shù)傳模塊傳來的UDP協(xié)議的IP包，解析出GPRS終端ID和環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、光照強(qiáng)度），依據(jù)溫室環(huán)境調(diào)控模型進(jìn)行分析，生成控制方案，并向上位機(jī)發(fā)送控制信息，解析出的信息信息保存到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫中。

在UDP服務(wù)監(jiān)聽線程設(shè)計(jì)中，使用位于JDK中Java．net包下的Datagra mSocket和Datagra m－Packet類，來控制綜合環(huán)境信息的數(shù)據(jù)報(bào)文。Datagra mSocket類用于創(chuàng)建接收和發(fā)送UDP的Socket實(shí)例，DatagramPacket類用于處理報(bào)文，它將GPRS終端ID和環(huán)境參數(shù)數(shù)組、目標(biāo)地址、目標(biāo)端口等數(shù)據(jù)包裝成報(bào)文或者將報(bào)文拆卸成GPRS終端ID和環(huán)境參數(shù)數(shù)組。

②溫室群綜合環(huán)境信息和控制參數(shù)存儲、遠(yuǎn)程訪問和用戶信息維護(hù)。

UDP服務(wù)監(jiān)聽線程接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解析，將控制參數(shù)和GPRS終端ID以及環(huán)境參數(shù)提交到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器SQL Server 2000，存儲到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫中。［9］

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中采用Tomcat5．0．16和JSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于Web的動態(tài)網(wǎng)頁交互技術(shù)，利用JavaBeans組件技術(shù)、多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問和控制，使用JDBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于Web的溫室群監(jiān)控中心遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫訪問和對登錄監(jiān)控中心用戶的信息和權(quán)限的管理。當(dāng)客戶端登錄到監(jiān)控中心后，客戶端瀏覽器以超文本形式向Tomcat5．0．16提出請求；To mcat5．0．16接受請求后，將需要訪問數(shù)據(jù)庫的請求轉(zhuǎn)化為SQL語言，并交給SQL Server 2000；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器得到請求后，驗(yàn)證其合法性和訪問權(quán)限，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將處 理 后 的 結(jié) 果 返 回 給 To mcat5．0．16；To mcat5．0．16再一次將得到的所有的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以超文本文檔形式轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端瀏覽器。

3 結(jié)束語

基于GPRS技術(shù)日光溫室綜合環(huán)境集散控制系統(tǒng)采用以溫度為主參量的日光溫室綜合環(huán)境調(diào)控模式，運(yùn)用單片機(jī)控制技術(shù)和GPRS無線數(shù)傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對日光溫室群綜合環(huán)境的集散控制，并利用JAVA技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于TCP／IP協(xié)議的日光溫室群和監(jiān)控中心間數(shù)據(jù)傳輸，并采用B／S結(jié)構(gòu)模式，構(gòu)建了基于Web的溫室群監(jiān)控中心，提供授權(quán)用戶進(jìn)行溫室綜合環(huán)境數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程訪問和對溫室的應(yīng)急控制等功能，經(jīng)濟(jì)有效地解決了日光溫室環(huán)境多因素的檢測和遠(yuǎn)程集散監(jiān)控難題，在臨汾市的初步應(yīng)用取得了良好的社會效益和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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［2］陳建恩，王立人，苗香雯．溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信接口設(shè)計(jì)研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（4）：259－263．

［3］孫忠富，曹洪太，李洪亮，等．基于 GPRS和 WEB的溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］．2006，22（6）：131－134．

［4］王雙喜，王海昌，李志偉，等．日光節(jié)能溫室變溫管理探討［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998（增刊）：119－122．

［5］李志偉，王雙喜，高昌珍．以溫度為主控參數(shù)的日光溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002（3）：68－71．

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［8］徐愛鈞，彭秀華．單片機(jī)高級語言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2000：20－160．

［9］里斯（Reese．G．），著；石永鑫，譯．JDBC與Java數(shù)據(jù)庫編程［M］．北京：中國電力出版社，2002：45－72．