基于物聯(lián)網(wǎng)的植物生長控制系統(tǒng)研究

雷桂斌　王淑青　黃華達(dá)　江燎源　黃志威

摘要化學(xué)方法調(diào)節(jié)蔬菜水果的生長，對人體健康的影響，還有待人類更多的研究和認(rèn)識。我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度低，農(nóng)業(yè)科技的推廣嚴(yán)重受到成本的制約。在溫室內(nèi)建立索道，用繩索牽引吊掛在索道上帶傳感器生長控制器，實(shí)現(xiàn)溫室任意位置、準(zhǔn)確和有效數(shù)據(jù)采集，減少了生長控制系統(tǒng)的成本。植物生長控制系統(tǒng)將植物栽培技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)結(jié)合，預(yù)測剩余生長期的生長環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行裝置運(yùn)行控制命令，確保溫室的環(huán)境變量在需要的區(qū)間內(nèi)波動。同時，它降低工人的勞動強(qiáng)度，提高植物生長期控制精度，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的附加值最大化。

關(guān)鍵詞環(huán)境變量；生長控制；性價比；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07662-03

國際電信聯(lián)盟將物聯(lián)網(wǎng)定義為：通過二維標(biāo)識碼識讀設(shè)備、射頻識別（RFID） 裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)中所有的元素，所有的設(shè)備、資源及通信等，都是個性化和私有化的。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。支撐層、感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)5個層級，分別是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的2.7%、22.0%、33.1%、37.5%和4.7%，參與物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層競爭的廠商眾多，成為產(chǎn)業(yè)中競爭最為激烈的領(lǐng)域，技術(shù)進(jìn)步較快。

蔬菜、水果和花卉在現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪惺潜夭豢缮俚奈锲?，隨著城市建設(shè)和人們生活質(zhì)量的逐步提高，蔬菜、水果和花卉的需求數(shù)量和品種逐步增多，質(zhì)量要求也逐漸提高，而且市場需求反季節(jié)條件下蔬菜、水果和花卉進(jìn)行產(chǎn)出，傳統(tǒng)栽培方式在這樣的社會需求下已無法滿足要求，因此需要更精確地對作物生長進(jìn)行控制，因此良好的溫室智能控制與管理系統(tǒng)對于蔬菜、水果和花卉來說是不可缺少的。我國蔬菜、水果和花卉種植面積是世界上最多的國家之一，種類豐富，有些是我國特有的品種，可以出口創(chuàng)匯創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益；蔬菜、水果和花卉是附加值較高的作物，更多的回報(bào)可以來自于智能控制和管理上的投入和建設(shè)。但是，目前我國花舟溫室自動化程度還很低，現(xiàn)代化溫室比例僅有2%，所以溫室自動控制和管理系統(tǒng)在設(shè)施園藝方面的應(yīng)用前景非常廣闊[1-4]。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，溫室種植因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，已越來越受到世界各國的重視。在溫室條件下，通過檢測控制植物生長的溫度、濕度、光照、水肥量等植物生長條件，從而定量控制植物生長，能有效提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值，如定量控制花卉的生長期，能確保某一時間段的花期，避免因環(huán)境因素的改變而使花期提前或延后，使生產(chǎn)效益最大化。我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)分散，集中度低，農(nóng)業(yè)科技的推廣嚴(yán)重受到成本的制約[5-9]。為此，筆者開展基于物聯(lián)網(wǎng)的植物生長控制系統(tǒng)研究，旨在為精度控制植物生長狀況及實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品附加值最大化提供參考。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

溫室系統(tǒng)是耦合性的不均勻的非線性的慣性系統(tǒng)，智能溫室的核心技術(shù)就是通過控制系統(tǒng)對溫室的環(huán)境變量進(jìn)行檢測和調(diào)節(jié)達(dá)到適宜作物生長環(huán)境的目的。溫室系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，很難建立精確的模型來定性地研究。溫室內(nèi)部的小氣候是個復(fù)雜的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，環(huán)境變量種類多，不確定因素多，各變量之間進(jìn)行著能量傳遞和物質(zhì)交換。溫室系統(tǒng)是不均勻的系統(tǒng)，即便是小型的溫室也具有較大的面積，溫室內(nèi)部各個部分的環(huán)境變量分布不均勻，比如溫室內(nèi)不同的高度、同一位置不同時間點(diǎn)的溫度都是不同的，而且引起這些溫度變化的誘因是多方面的，有光照、氣流、濕度等多種因素。

溫室系統(tǒng)環(huán)境變量具有慣性。它并不是對外部調(diào)節(jié)立即響應(yīng)，而是經(jīng)過一段時間后才進(jìn)行響應(yīng)，溫室內(nèi)部環(huán)境變量響應(yīng)外部調(diào)節(jié)的過程有一定的時滯。比如夏天室外溫度過高導(dǎo)致溫室內(nèi)溫度過高，通常要打開水簾和風(fēng)機(jī)對室溫進(jìn)行降低，當(dāng)水簾和風(fēng)機(jī)打開后并不是馬上就能降低溫度，而是在水簾風(fēng)機(jī)工作一段時間后溫室內(nèi)部的溫度才會降低。

溫室系統(tǒng)環(huán)境變量具有耦合性。溫室系統(tǒng)包含了多個環(huán)境變量，其中一個變量改變，會影響其他變量發(fā)生相應(yīng)的變化，各變量之間是相關(guān)的，各個變量的控制過程是彼此耦合在一起的。

由上述特點(diǎn)可知，溫室系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，其具有多個輸入量和輸出量，對溫室系統(tǒng)提出的控制要求又因不同的作物而又有所區(qū)別，因此建立精確的控制模型是高成本的、不適用的。通常，在溫室控制當(dāng)中往往采用的是區(qū)間控制，比如某作物只要外部的溫度在一定的溫度區(qū)間內(nèi)就能很好地生長，在溫室控制當(dāng)中只要保證溫室內(nèi)部溫度調(diào)控在這一區(qū)間即可，而沒必要過分追求對溫度的精確控制。

如圖1、2所示，溫室系統(tǒng)是不均勻系統(tǒng)，為了數(shù)據(jù)足夠且準(zhǔn)確有效，需要采集溫室多個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，增加采集點(diǎn)就增加硬件，就會增加系統(tǒng)成本。環(huán)境數(shù)據(jù)變化較慢，間隔一定時間采集數(shù)據(jù)是可行的方案。為了減少成本，在溫室內(nèi)建立索道，用繩索牽引吊掛的帶傳感器控制器，控制器可以在溫室水平面內(nèi)任意位置停留下來采集數(shù)據(jù)，在采集數(shù)據(jù)期間，控制器靠充電電池提供電源。照度傳感器能調(diào)整方位角，采集不同方位角的光強(qiáng)。在停靠站，控制器連接充電器自動充電，減少維護(hù)工作量；控制器連接執(zhí)行裝置執(zhí)行控制命令，調(diào)節(jié)溫室的環(huán)境變量；控制器連接網(wǎng)絡(luò)向管理人員手機(jī)發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，向服務(wù)器查詢最佳控制參數(shù)。溫室控制器控制運(yùn)動控制子系統(tǒng)，運(yùn)動控制子系統(tǒng)安裝在停靠站。繩索的運(yùn)動由步進(jìn)電機(jī)牽引，運(yùn)動控制子系統(tǒng)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動速度、停留和采集數(shù)據(jù)的時間間隔。

圖1溫室立面圖2溫室平面2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括主控制器和輔控制器。主控制器包括ARM處理器、存儲器、液晶顯示屏、有線網(wǎng)卡、無線網(wǎng)卡、GPRS模塊、攝像頭、檢測裝置和改變環(huán)境變量的執(zhí)行裝置。檢測裝置包括空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、照度傳感器；執(zhí)行裝置包括升溫設(shè)備、降溫設(shè)備、灌溉設(shè)備、噴霧設(shè)備、移動溫室覆蓋物電機(jī)和溫室通風(fēng)設(shè)備電機(jī)（圖3）。輔控制器由AT89C52單片機(jī)、電源驅(qū)動模塊和步進(jìn)電機(jī)組成，接受主控制器的指令，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動速度、停留、采集數(shù)據(jù)的時間間隔和協(xié)同主控制器采集數(shù)據(jù)。主控制器采用三星的S3C2440A處理器、TSL2561光強(qiáng)度傳感器、SHT11溫濕度傳感器、TGS4160二氧化碳傳感器。