連棟塑料溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究

李莉莉，孫麗娟，陳大躍，黃震宇

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240，2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081)

0 引言

21世紀(jì)是設(shè)施農(nóng)業(yè)高速發(fā)展的時(shí)期。各國紛紛采取措施，加大投資，大力發(fā)展智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)[1－3]，而溫室生產(chǎn)綜合運(yùn)用了先進(jìn)設(shè)施和先進(jìn)技術(shù)，是目前實(shí)踐智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要方式，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向低碳、高效、優(yōu)質(zhì)、智能的方向發(fā)展，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

雖然實(shí)施溫室種植蔬菜具有以上優(yōu)點(diǎn)，但用設(shè)施溫室特別是智能玻璃溫室生產(chǎn)的蔬菜成本高，目前很難真正走進(jìn)普通百姓的日常生活;其次，目前溫室生產(chǎn)的一些蔬菜品質(zhì)還達(dá)不到露地生產(chǎn)品質(zhì)。因而，研究在成本較低的連棟塑料溫室內(nèi)實(shí)現(xiàn)符合農(nóng)作物生產(chǎn)規(guī)律的低成本、高可靠性的環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。

本項(xiàng)目在總結(jié)以往國內(nèi)進(jìn)行的溫室智能控制研究工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)國內(nèi)尤其是上海地區(qū)使用最為廣泛的連棟塑料溫室，研發(fā)一種依據(jù)上海自有蔬菜品種和露地蔬菜生產(chǎn)農(nóng)藝，基于人機(jī)交換界面輸入蔬菜全生長周期的環(huán)境、施肥要求的在線檢測、智能決策、自動(dòng)控制的低成本溫室智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

目前，在國內(nèi)外應(yīng)用研究的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)模式主要包括以下幾種[4]:(1)基于單片機(jī)的溫室環(huán)境因子控制;(2)分布式智能型溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[5];(3)基于單總線技術(shù)的溫室控制系統(tǒng);(4)多目標(biāo)日光溫室計(jì)算機(jī)生產(chǎn)管理系統(tǒng);(5)以局域網(wǎng)為工作環(huán)境的溫室控制系統(tǒng);(6)基于PLC的溫室控制系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出將服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控與現(xiàn)場測控相結(jié)合的組網(wǎng)方案，系統(tǒng)框圖見圖1?？刂葡到y(tǒng)由遠(yuǎn)程服務(wù)器、現(xiàn)場測控系統(tǒng)組成，一臺(tái)服務(wù)器通過局域網(wǎng)和多個(gè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主從式通訊，同時(shí)對(duì)多個(gè)溫室進(jìn)行監(jiān)控和管理。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 系統(tǒng)各部分組成及功能

1.2.1 遠(yuǎn)程服務(wù)器

遠(yuǎn)程服務(wù)器部署在PC機(jī)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的用戶參數(shù)進(jìn)行配置，對(duì)現(xiàn)場測控站的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并通過分布在溫室現(xiàn)場的測控系統(tǒng)獲取當(dāng)前溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、顯示和產(chǎn)生告警信息等，另外可根據(jù)客戶需求完成歷史數(shù)據(jù)展示及報(bào)表打印等功能。

1.2.2 現(xiàn)場測控系統(tǒng)

現(xiàn)場測控系統(tǒng)由三部分組成，包括現(xiàn)場測控站(ARM11核心處理器)，執(zhí)行控制部分和數(shù)據(jù)采集部分組成，部署在溫室現(xiàn)場。每個(gè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制一個(gè)溫室，并可以獨(dú)立于遠(yuǎn)程服務(wù)器單獨(dú)工作。每個(gè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)都有液晶顯示和鍵盤輸入設(shè)備，可以獨(dú)立于服務(wù)器控制和調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。液晶屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫室環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和執(zhí)行器狀態(tài)等信息;通過操作鍵盤可以調(diào)整所有配置參數(shù)，并可以手動(dòng)同步溫室各被控設(shè)備的狀態(tài)。

現(xiàn)場測控站作為各個(gè)溫室的主控中心，對(duì)溫室環(huán)境因子(如:室內(nèi)外溫度、空氣濕度、土壤濕度、輻照度、風(fēng)向、降雨量等)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)專家決策系統(tǒng)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)。溫室中，測控站不直接對(duì)單個(gè)執(zhí)行設(shè)備或傳感器進(jìn)行控制，而是將各執(zhí)行設(shè)備通過執(zhí)行器控制板，掛載到RS－485總線上。測控站通過向總線發(fā)送尋址執(zhí)行指令來控制各設(shè)備動(dòng)作;傳感器之間通過RS－485總線連接，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性?，F(xiàn)場測控站和現(xiàn)場執(zhí)行器以及傳感器之間的組織關(guān)系如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場測控系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括服務(wù)器監(jiān)控軟件和溫室現(xiàn)場測控系統(tǒng)軟件，其中服務(wù)器軟件采用Visual Studio 2008編寫，現(xiàn)場測控系統(tǒng)軟件采用Qt編寫，作為嵌入式操作系統(tǒng)的一個(gè)服務(wù)進(jìn)程，開機(jī)即自動(dòng)運(yùn)行。

2.1 服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件主要實(shí)現(xiàn)溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，為使操作人員能夠直觀地了解各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，人機(jī)接口全部采用友好圖形界面，操作簡單。按功能可分為數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)庫模塊，其中數(shù)據(jù)處理模塊主要完成局域網(wǎng)多機(jī)通訊、溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示、報(bào)表打印及輸出等功能;而數(shù)據(jù)庫模塊主要實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，多種約束條件的查詢、刪除和統(tǒng)計(jì)等功能，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以按不同方式進(jìn)行顯示，如表格、動(dòng)態(tài)曲線、直方圖等。

2.2 現(xiàn)場測控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入式控制器采用基于Linux的嵌入式系統(tǒng)。軟件平臺(tái)采用Linux系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)[5]在于1)支持多任務(wù):在溫室系統(tǒng)中，有時(shí)需要同時(shí)處理鍵盤輸入，數(shù)據(jù)采集以及執(zhí)行器控制等多個(gè)任務(wù)，因而支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)平臺(tái)為編程提供了極大便利;2)豐富的網(wǎng)絡(luò)支持:由于溫室節(jié)點(diǎn)分散給調(diào)試和管理帶來不便，Linux內(nèi)涵支持TCP/IP、IPX/PX等多種協(xié)議，便于實(shí)施高層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;3)Linux系統(tǒng)類似于圖形化窗口，操作非常簡便;4)Linux所有源碼對(duì)外開源，使得整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降低。

現(xiàn)場測控系統(tǒng)圖形用戶界面窗口用Qt/Embedded為平臺(tái)進(jìn)行開 發(fā)，通過調(diào)用Qt/Embedded提供的類庫可以根據(jù)需要方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)界面[6]。由于采用了Qt/Embedded作為GUI，可擴(kuò)展性和可移植性都非常好。為了使多個(gè)任務(wù)之間互不干涉，并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)采用多線程模塊化設(shè)計(jì)，主要包括GUI主線程、數(shù)據(jù)采集處理模塊、執(zhí)行器控制輸出模塊、鍵盤掃描模塊、Socket通訊模塊、定時(shí)器模塊，其主程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。采用模塊化編程便于程序功能的編寫和調(diào)試，當(dāng)測控系統(tǒng)需要增加新功能時(shí)，只需添加或擴(kuò)充相應(yīng)的模塊即可。

圖3 主程序結(jié)構(gòu)框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 嵌入式數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是通過事務(wù)來實(shí)行調(diào)度和并發(fā)控制，可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，查詢等操作，且數(shù)據(jù)庫具有安全性和完整性檢查的措施，可確保系統(tǒng)具有較好的整體性能[7]。目前，市場上典型的嵌入式數(shù)據(jù)庫有 SQlite、Berkeley、DB和 MySQL。其中，SQLite屬于輕量級(jí)的數(shù)據(jù)庫，使用的時(shí)候非常方便，不需要進(jìn)行復(fù)雜的配置和安裝，其處理速度相對(duì)其他幾款數(shù)據(jù)庫管理軟件來說要快很多。因此，本系統(tǒng)采用SQLite作為溫室現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫引擎。

現(xiàn)場測控系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為核心運(yùn)作，數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)其它功能模塊提供數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)涉及到的數(shù)據(jù)主要包括專家數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)、歷史環(huán)境數(shù)據(jù)、溫室事件。為了提高系統(tǒng)存取效率，減少系統(tǒng)開銷，最新的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)通過各監(jiān)測點(diǎn)采集采集到以后直接存放在系統(tǒng)內(nèi)存中，以供應(yīng)用程序直接使用。針對(duì)系統(tǒng)需求，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為專家數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計(jì)及事件信息數(shù)據(jù)庫三個(gè)子庫。(1)專家數(shù)據(jù)庫:主要存放作物各生長階段環(huán)境因子需求參數(shù)、溫室基本生產(chǎn)信息(如種植日期、種植面積等)。系統(tǒng)根據(jù)作物不同的生長階段定期更新內(nèi)存中的規(guī)則參數(shù)表，從而為作物生長提供最適宜的生長環(huán)境。同時(shí)，這些參數(shù)也可以通過本地鍵盤或者上位機(jī)方便地進(jìn)行修改和調(diào)整。(2)歷史數(shù)據(jù)庫:主要保存溫室各測點(diǎn)過去一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)信息;當(dāng)測控站和遠(yuǎn)程服務(wù)器斷開連接時(shí)，測控系統(tǒng)將自動(dòng)保存所有未上傳給服務(wù)器的數(shù)據(jù)，等到通訊恢復(fù)再一次性上傳，環(huán)境歷史數(shù)據(jù)最長保存期限為一個(gè)月。(3)溫室事件數(shù)據(jù)庫:主要用于記錄系統(tǒng)所有操作信息和溫室異常事件。操作人員可以通過本地顯示器或者上位機(jī)訪問該數(shù)據(jù)庫，以便了解溫室在無人值守情況下的運(yùn)行狀況。

3.2 應(yīng)用層通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的RS－485總線采用9 600 bps速率進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)格式為“1bit起始位 +8bit數(shù)據(jù)位 +1bit停止位”，無奇偶校驗(yàn)?，F(xiàn)場測控站每20秒鐘按標(biāo)識(shí)碼從小到大的順序發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令或者設(shè)備執(zhí)行命令，目標(biāo)板收到符合自己地址規(guī)則的標(biāo)識(shí)碼后，即執(zhí)行當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)果返回給測控站或者進(jìn)行繼電器吸合關(guān)閉操作。數(shù)據(jù)命令幀格式為“地址+指令+[數(shù)據(jù)]+校驗(yàn)”，從左到右依次發(fā)送。其中，地址取值范圍為0x00－0xFF;指令包括數(shù)據(jù)采集指令，狀態(tài)查詢指令，繼電器單獨(dú)控制指令，繼電器批量控制指令，通訊測試指令等;數(shù)據(jù)是協(xié)議幀所攜帶的數(shù)據(jù)體;校驗(yàn)是從地址到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的CRC校驗(yàn)結(jié)果，兩字節(jié)低位先發(fā)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，測控站與分布在溫室現(xiàn)場的采集板之間建立了超時(shí)和錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制，其最大重發(fā)次數(shù)定義為5次，圖4為實(shí)時(shí)運(yùn)行畫面。

圖4 為實(shí)時(shí)運(yùn)行畫面

4 結(jié)束語

本文在總結(jié)以往國內(nèi)進(jìn)行的溫室智能控制研究工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國蔬菜溫室生產(chǎn)中使用量較大、未來愈將占生產(chǎn)主導(dǎo)地位的連棟塑料溫室，提出了基于遠(yuǎn)程服務(wù)器和分布式智能測控系統(tǒng)相結(jié)合的架構(gòu)方案，在PC和ARM平臺(tái)上，構(gòu)建一種低成本、智能化的全自動(dòng)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。將存儲(chǔ)大量現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的溫室專家數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于系統(tǒng)控制，保證了系統(tǒng)的實(shí)用性和針對(duì)性;采用輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫對(duì)溫室多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，保證系統(tǒng)可靠高效地運(yùn)行。目前，該系統(tǒng)在上海某示范溫室中穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，為我國設(shè)施溫室真正實(shí)現(xiàn)智能化和產(chǎn)業(yè)化探索了一條新途徑。

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