基于無線通信技術(shù)的智能溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究

齊 鐵，王志國

（綏化學(xué)院 信息工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061）

1 引言

目前，我國溫室分布地域廣，連棟溫室多，形成了溫室群.但是，在溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)中，大多采用系統(tǒng)內(nèi)置溫、濕度等各種傳感器，配置相應(yīng)的控制設(shè)備和攝像頭，工作人員在辦公室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)作物的生長狀況，同時(shí)，通過有線網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境測量和控制的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)專家對溫室環(huán)境參數(shù)的指導(dǎo).這種有線網(wǎng)絡(luò)，布線比較復(fù)雜，安裝成本較高，移動(dòng)困難，并且維護(hù)工作量大.特別是，由于溫室內(nèi)有一定的酸度、濕度和強(qiáng)光照射，極易造成線路的老化和腐蝕，降低了系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性.這樣，利用無線通信技術(shù)來對溫室進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控是智能溫室控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1].

該控制系統(tǒng)在管理方面，采用客戶機(jī)/服務(wù)器的模式分兩級進(jìn)行，可根據(jù)具體溫室群的數(shù)量現(xiàn)場調(diào)整系統(tǒng)的控制規(guī)模，擴(kuò)展方便.在遠(yuǎn)程控制方面，采用無線通信的方式，實(shí)現(xiàn)對溫室現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行命令的發(fā)送，解決了有線網(wǎng)絡(luò)在溫室內(nèi)布局困難等難題，避免了由于線路老化而引起的通信故障.因此，該系統(tǒng)通用性強(qiáng)，可靠性高，可以為溫室作物提供適宜的生長環(huán)境[2].

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖2－1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

智能溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)，利用嵌入式服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，各溫室現(xiàn)場分控制系統(tǒng)構(gòu)成總控制系統(tǒng)的客戶機(jī)，由客戶機(jī)實(shí)現(xiàn)對各溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行設(shè)備的智能自動(dòng)控制控制，同時(shí)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器[3].系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2－1所示.

(1)主控制模塊

本系統(tǒng)由若干主控模塊組成，主控模塊利用無線網(wǎng)絡(luò)將接收的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后向其對應(yīng)的執(zhí)行控制模塊發(fā)送執(zhí)行控制指令.主控制模塊可以有選擇的調(diào)整各溫室現(xiàn)場控制器和對應(yīng)功能模塊的控制數(shù)量和類型，滿足各地區(qū)不同用戶的需求，從而提升了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和實(shí)用性[4].

(2)數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行控制模塊

每個(gè)主控模塊由若干數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制兩模塊組成，各數(shù)據(jù)采集模塊將采集的溫室中的溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度經(jīng)過分析處理后，利用無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主控制模塊.執(zhí)行控制模塊利用主控制高、低電平變化，通過相應(yīng)的接觸器和繼電器組成的電機(jī)伺服電路，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行設(shè)備的啟動(dòng)、停止和換向工作.

(3)C/S模式結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用C/S模式，客戶機(jī)為各溫室分現(xiàn)場控制系統(tǒng)，服務(wù)器采用嵌入式web服務(wù)器.在嵌入式服務(wù)器上，能夠生成動(dòng)態(tài)頁面，用戶只需通過瀏覽器既可對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理.

(4)無線通信模塊

本系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸和執(zhí)行設(shè)備控制指令的發(fā)送.利用點(diǎn)對多點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制模塊與主控制模塊相連接，控制方便；主控制模塊可以與數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制模塊隔離檢測，便于故障診斷，而且某個(gè)模塊故障不會(huì)影響其它模塊工作[5].

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器模式的方式，工作人員在遠(yuǎn)端通過互聯(lián)網(wǎng)登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁，就可以完成對溫室環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)定控制參數(shù)極限值和遠(yuǎn)程控制執(zhí)行設(shè)備等工作；同時(shí)根據(jù)溫室環(huán)境情況對溫室執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制.

（6）多種控制方式相結(jié)合

本系統(tǒng)控制綜合運(yùn)用了智能控制、現(xiàn)場人工控制和遠(yuǎn)程控制三種控制方式.智能控制與人工控制相結(jié)合，從而保證了控制的可靠性.

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括：嵌入式服務(wù)器核心系統(tǒng)、擴(kuò)展I/O接口和10M和100M 網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì).服務(wù)器核心系統(tǒng)通過10M和100M網(wǎng)口接入網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)器核心系統(tǒng)通過I/O擴(kuò)展接口與無線通信模塊進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的無線接收及對控制指令的無線發(fā)送.服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2－2所示.

圖2－2 服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 無線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)無線通信模塊采用二級點(diǎn)對多點(diǎn)的星型結(jié)構(gòu)，將嵌入式服務(wù)器作為星型網(wǎng)絡(luò)的一級匯交節(jié)點(diǎn)，溫室內(nèi)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)的主控模塊作為星型網(wǎng)絡(luò)的二級匯交節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)采集模塊及執(zhí)行控制模塊作為星型網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成點(diǎn)對多點(diǎn)多任務(wù)的星型無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]，星型無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2－3所示.

圖2－3 星型無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.4 無線通信軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

該協(xié)議規(guī)定了匯交節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)間的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，主要實(shí)現(xiàn)控制子節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)的注冊管理、數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行設(shè)備等功能.子節(jié)點(diǎn)運(yùn)行后，以MAC地址向匯交的節(jié)點(diǎn)注冊后被分配到ID號，從而獲得實(shí)時(shí)的子網(wǎng)編號；匯交節(jié)點(diǎn)根據(jù)溫室內(nèi)的環(huán)境測試需求，分配給相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)；匯交節(jié)點(diǎn)利用數(shù)據(jù)包的形式去通知子節(jié)點(diǎn)；匯交節(jié)點(diǎn)再分析采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控決策，最后將控制指令發(fā)送給執(zhí)行控制節(jié)點(diǎn)[7].

無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含32b，各字段定義及意義如下：

0：傳輸方向，用來確定數(shù)據(jù)的收發(fā)方向；

1：子網(wǎng)代碼，用來區(qū)分相同硬件的不同區(qū)域的星型網(wǎng)絡(luò)；

2和3：子節(jié)點(diǎn)ID，表示正在運(yùn)行該條命令中對應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)的地址；

4：命令類型，表示數(shù)據(jù)包中所包含的命令類型；

5至31：命令參數(shù)，表示數(shù)據(jù)包中所包含的命令內(nèi)容.

2.4.2 無線網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為了避免各個(gè)子節(jié)點(diǎn)引起的干擾問題，采用分時(shí) TDMA（Times Division Multiple Access）技術(shù)，將系統(tǒng)的匯交節(jié)點(diǎn)與任意一個(gè)子節(jié)點(diǎn)之間的通信采用分時(shí)方式分開.匯交節(jié)點(diǎn)通過掃描的形式與各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，這樣點(diǎn)對多點(diǎn)的通信就變?yōu)槿舾蓚€(gè)點(diǎn)對點(diǎn)通信的組合，其主控程序流程如圖2－4所示.

圖2－4 無線網(wǎng)絡(luò)通信主控程序流程圖

3 結(jié)語

本文在無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了智能溫室無線遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了星型無線網(wǎng)絡(luò)通信程序.通過反復(fù)實(shí)踐，該系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制具有很好的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，執(zhí)行設(shè)備智能控制的可靠性比較高，適應(yīng)了現(xiàn)代化溫室的發(fā)展要求.

〔1〕梁竹君.環(huán)境監(jiān)控技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（16）：7672-7673.

〔2〕陳曉，吳洪海.基于Web Service的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2008，25（8）：8-10.

〔3〕于海業(yè)，馬成林，王振華,等，遠(yuǎn)程控制技術(shù)在溫室環(huán)境控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，3（6）：160-163.

〔4〕嚴(yán)海.VENLO型溫室建模與智能控制研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

〔5〕吳海洪，基于W eb的溫室遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2007.

〔6〕張榮標(biāo)，谷國棟，馮友兵等，基于IEEE802.15.4的溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）：119-124.

〔7〕管耀武，楊宗德.ARM嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：132-182.

〔8〕于海波.基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究[D].中國海洋大學(xué)，2006.