一種智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計

武麗鴻，王海明*，趙晨旭 (河北科技師范學(xué)院，河北秦皇島066000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其在很多領(lǐng)域的應(yīng)用研究獲得了迅速發(fā)展?！笆濉币?guī)劃中更是重點指出要大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)［1］，目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被應(yīng)用在如智能農(nóng)業(yè)、智能家居、智能交通等多個領(lǐng)域。而智能溫室即是智能農(nóng)業(yè)發(fā)展下的必然產(chǎn)物［2］，它不僅會成為一種趨勢，更將在未來農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展中扮演著不可替代的重要角色。智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)是集傳感器技術(shù)、自動化控制技術(shù)、通訊、計算等技術(shù)于一體，通過用戶自定義作物生長所需的適宜環(huán)境參數(shù)，搭建溫室智能化軟硬件平臺，實現(xiàn)對溫室中溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤濕度等環(huán)境因子的自動監(jiān)測和控制。該系統(tǒng)是基于連棟溫室下設(shè)計的，可為植物提供一個理想的生長環(huán)境，并起到較少勞動力、提高設(shè)備利用率、改善溫室氣候、減少病蟲害、增加作物產(chǎn)量等作用。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該研究所設(shè)計的系統(tǒng)采用上、下位機控制方案，下位機部分核心部分為遠程測控終端，其實施對溫室環(huán)境參數(shù)采集、傳輸、存儲以及執(zhí)行機構(gòu)的控制;上位機為系統(tǒng)遠程監(jiān)控計算機，采用可視化編程語言設(shè)計界面，實現(xiàn)對溫室的遠程監(jiān)控與管理操作。該系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)參數(shù)精確測量溫室的環(huán)境參數(shù)，通過各類傳感器實時采集數(shù)據(jù)，并可利用手動、自動兩種方式啟動或關(guān)閉不同的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

2 系統(tǒng)分部結(jié)構(gòu)及流程

2.1 下位機部分 下位機位于溫室控制現(xiàn)場，主要由傳感器部分、遠程測控終端和執(zhí)行機構(gòu)3大部分組成。下位機主要實現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集、處理與顯示，以及對溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)，通過總線網(wǎng)絡(luò)和無線通信模塊，將監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)缴衔籔C機，并接受上位機的控制而產(chǎn)生控制決策，控制執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié);下位機控制流程如圖2所示，通過數(shù)據(jù)處理，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，從而改變溫室執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)來保證最佳的環(huán)境。

2.1.1 遠程測控終端。遠程測控終端是下位機系統(tǒng)的核心，采集傳感器的輸出信號，并輸出控制信號對執(zhí)行系統(tǒng)進行智能控制，該部分的穩(wěn)定程度決定了整個系統(tǒng)的好壞，因此，必須選擇一款好的遠程測控終端。在該系統(tǒng)選用具有低功耗、節(jié)能并方便維護Y－RTU6640－M，其具體功能特點如下［3］:

(1)數(shù)據(jù)遠程傳輸支持GPRS、以太網(wǎng)等。

(2)帶 RS232、RS485接口。

(3)6路模擬量輸入，可采集4～20 mA工業(yè)電流信號;6路繼電器輸出控制、4路光耦輸入輸出控制。

(4)內(nèi)置大容量SPI－flash，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長時間本機保存。

(5)可按需定制內(nèi)置RTC，掉電可自動計時，定時定點喚醒。

(6)寬電壓供電范圍:7～30 V。

(7)傳輸支持多種協(xié)議，包括Modbus協(xié)議(ASCII、RTU、Modbus TCP)。

2.1.2 傳感器部分。該系統(tǒng)主要針對溫室作物中不可缺少的幾項環(huán)境因素進行監(jiān)控，如溫濕度、土壤濕度、光照，故該研究僅對溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器進行說明。

溫濕度傳感器:對于溫室中農(nóng)作物生長來說，溫室空氣溫度是植物生長發(fā)育的重要因素之一，同時它也是溫室中控制對象的重要參數(shù)指標。然而溫度與濕度之間存在強耦合關(guān)系，即溫度升高會一定幅度的降低濕度，反之濕度升高則會降低溫度?；诖?，該研究選擇溫濕度集成傳感器或溫濕度變送器。該系統(tǒng)選用的是將溫濕度傳感器和變送器進行集成一體化設(shè)計的JWSL－2AT型溫濕度變送器［4］，內(nèi)部采用專用溫度補償電路和線性化處理電路，精度高，低漂移，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強，性能穩(wěn)定，使用壽命長，可遠距離傳輸，安裝方便。

土壤水分傳感器:該系統(tǒng)選用SMS－II－485土壤水分傳感器，抽真空灌封和優(yōu)質(zhì)不銹鋼制作鋼針制作，密封性極好，可長期浸泡水中，并可經(jīng)受長期電解，更耐土壤中酸堿鹽的腐蝕，適用于各種土質(zhì)。低功耗，平均電流小于10 mA。具有電源線、地線、信號線多向防誤接保護?？蓪崿F(xiàn)以中央探針為中心，直徑為7 cm、高為10 cm的圓柱體區(qū)域內(nèi)的水分測量。

光照傳感器:用于檢測作物生長環(huán)境的光照輻射強度，從而決定是否需要采取遮陽或補光操作，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的光照強度，以滿足作物生長對光照的需求。本系統(tǒng)采用數(shù)字光照傳感器BH1750FVI模塊，內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器，接近于視覺靈敏度的分光特性，高精度測量光照強度。

2.1.3 執(zhí)行機構(gòu)部分。該系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)主要包括開窗系統(tǒng)、拉幕系統(tǒng)、風(fēng)機－濕簾降溫系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)。

開窗系統(tǒng):用于溫室的自然通風(fēng)。它可以有效調(diào)控室內(nèi)氣溫、濕度和CO2濃度，來滿足室內(nèi)栽培植物正常生長需求的需要。

拉幕系統(tǒng):溫室拉幕系統(tǒng)主要用于的外遮陽和內(nèi)保溫系統(tǒng)中，利用具有一定遮光率的材料將遮擋多余的光照，或利用保溫材料使溫室內(nèi)形成局部封閉的空間，起到調(diào)節(jié)光照、降溫或保溫作用。

風(fēng)機－濕簾降溫系統(tǒng):風(fēng)機向室外抽風(fēng)，使室內(nèi)空氣形成負壓，將室外干熱空氣加濕降溫后送入溫室中。

加溫系統(tǒng):該系統(tǒng)采用熱水采暖系統(tǒng)。

灌溉系統(tǒng):本系統(tǒng)主要采用滴灌系統(tǒng)和微噴灌系統(tǒng)2種方式結(jié)合使用，低溫季節(jié)采用滴灌系統(tǒng)進行灌溉，高溫干燥季節(jié)結(jié)合微噴灌進行降溫加濕、調(diào)節(jié)溫室氣候，從而獲得更好的收成。

利用上位機軟件對遠程測控終端下達指令，通過繼電器控制風(fēng)機和濕簾、水泵、灌溉系統(tǒng)的電源開關(guān)，從而分別實現(xiàn)降溫系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)的自動化，智能化。通過繼電器控制開窗系統(tǒng)和拉幕系統(tǒng)減速電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)開窗系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)和內(nèi)保溫系統(tǒng)的自動化和智能化。

然而需注意的是，在冬季溫室環(huán)境控制中，默認溫度控制優(yōu)先的原則［5］。如溫度過低、濕度過大，以保溫和加溫為主導(dǎo)，只有當溫度上升到一定值后，才能通風(fēng)降濕。另一方面，提高溫度本身就可以降低相對濕度。在夏季降溫加濕的過程中，采用以濕度優(yōu)先的原則。當濕度過小時，開啟風(fēng)機－濕簾降溫系統(tǒng)，而當溫度過高需要啟動降溫執(zhí)行機構(gòu)時，必須先檢測室內(nèi)的相對濕度，只有濕度低于某一設(shè)定范圍時，才能啟動降溫系統(tǒng)。

2.2 無線通訊部分 該系統(tǒng)無線通訊部分選用廈門靈旗通信有限公司研發(fā)的LQ1000－485 GPRS DTU。它是實現(xiàn)串口設(shè)備數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)備，通過特定接口連接遠程測控終端從而進行數(shù)據(jù)傳輸，除具備DTU均具備的支持TCP/UDP協(xié)議，支持動態(tài)域名通信方式和固定IP地址訪問。還具有以下功能特性:

(1)提供標準RS232/485數(shù)據(jù)接口，僅需一次性完成初始化配置，不需要對原有的數(shù)據(jù)通信內(nèi)容和用戶設(shè)備做改動，并且用戶設(shè)備與數(shù)據(jù)中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)建立連接后，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明雙向傳輸。

(2)支持亞控組態(tài)王、三維力控、杰控等市場主流組態(tài)軟件。

(3)智能防掉線，支持用戶通過移動客戶端短信遠程控制訪問、超時斷開網(wǎng)絡(luò)連接以及語音、數(shù)據(jù)、SMS等喚醒方式，確保設(shè)備永遠在線。

(4)中心軟件可通過DTU發(fā)送自定義短信，進行數(shù)據(jù)傳輸或報警。

(5)支持短信、串口指令配置參數(shù)，支持AT命令。

(6)參數(shù)特性。①工作環(huán)境。工作溫度:－25～75℃;工作濕度:5% ～95%RH;②尺寸。DTU中的最小體積(80×51×16 mm);③電源輸入。輸入電壓:默認8～30 VDC;平均工作電流:35 mA;最大工作電流:100 mA;待機電流20 mA。④串口通訊參數(shù)。波特率:1 200～115 200 bit/s，并可設(shè)置奇偶校驗。

2.3 上位機部分 該智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)上位機組態(tài)軟件選用的是北京亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件KingView6.55，該系統(tǒng)是中文界面，具有人機界面友好、結(jié)果可視化、通信能力強大;報警和事件管理先進等優(yōu)點。其組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖3 所示［6］。

溫室環(huán)境參數(shù)部分顯示當前的溫度、濕度、CO2濃度和光照強度，并且用戶可以修改所要求達到的溫度、濕度、CO2濃度和光照強度值。手動自動切換是用以在需要時由自動控制切換到手動控制，比如維護或者出現(xiàn)安全故障時。執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)顯示部分也就是顯示升溫設(shè)備、加濕設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等的狀態(tài)的。用戶管理部分，是運行狀態(tài)時進行用戶登錄、用戶切換、修改密碼、用戶管理等操作的部分，不同用戶有不同的權(quán)限，根據(jù)權(quán)限的不同就可以對系統(tǒng)進行不同的操作。

該組態(tài)王命令語言是一種在格式上類似于C語言的腳本程序，對用戶而言，編程和操作均簡單易學(xué)。為實現(xiàn)組態(tài)王的監(jiān)控功能，需首先完成2部分操作:①組態(tài)王與數(shù)據(jù)庫的通信;②組態(tài)王與下位機通信。

2.3.1 組態(tài)王與數(shù)據(jù)庫的通信。在組態(tài)王新建數(shù)據(jù)庫操作畫面，利用組態(tài)王提供的KVADODBGrid控件通過ODBC數(shù)據(jù)源連接到Access數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)組態(tài)王與數(shù)據(jù)庫的通信，來實現(xiàn)在組態(tài)王頁面上可對歷史數(shù)據(jù)進行存儲查詢、并實時顯示更新各項溫室環(huán)境數(shù)據(jù)等的。

2.3.2 組態(tài)王與下位機通信。

(1)關(guān)聯(lián)遠程測控終端。在組態(tài)王工程瀏覽器頁面下，根據(jù)設(shè)備配置向?qū)У牟襟E，選擇與設(shè)備所連接的串口，找到通訊端口COM后指定設(shè)備地址，關(guān)聯(lián)外部設(shè)備實現(xiàn)組態(tài)王I/O變量與設(shè)備之間的通信。

(2)定義變量。在工程瀏覽器的數(shù)據(jù)詞典中新建變量，其中包括選擇連接設(shè)備、關(guān)聯(lián)寄存器和選擇數(shù)據(jù)類型，變量定義等。

(3)動畫連接。通過動畫連接方式來實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)和執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)的實時顯示，來表現(xiàn)溫室的狀態(tài)。即將下位機采集的數(shù)據(jù)以文本控件形式的模擬值輸出到畫面，執(zhí)行部件的實時顯示是通過下位機的狀態(tài)反饋，然后通信到組態(tài)畫面得以顯示。

(4)通訊設(shè)置。組態(tài)王與遠程測控終端設(shè)置為一致的通訊參數(shù)，才能采集和顯示環(huán)境參數(shù)，才能將用戶輸入組態(tài)王的環(huán)境參數(shù)目標值以模擬值輸出的形式傳輸?shù)竭h程測控終端進行自動控制。

3 系統(tǒng)方案評估

該研究所設(shè)計的智能溫室控制系統(tǒng)硬件部分通過性能比較均選自精確可靠的設(shè)備來完成，具有穩(wěn)定性;各組成部分只需進行參數(shù)的簡單設(shè)置，因此具有易操作性和可行性;設(shè)備低功耗、壽命長易于維護等特定使系統(tǒng)具有環(huán)保性和可持續(xù)性;各部分所支持協(xié)議之間具有兼容性，因此易于組合;整個系統(tǒng)硬件和軟件部分按需選擇，因此具有經(jīng)濟實用性。

4 結(jié)論

該研究設(shè)計了一種用于連棟溫室的智能監(jiān)控系統(tǒng)，具體介紹了該系統(tǒng)的上位機、下位機以及通訊部分。該系統(tǒng)采用上、下位機控制方案實現(xiàn)對連棟溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，上位機部分通過組態(tài)王軟件對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實時更新并智能控制，而下位機部分的傳感器模塊、遠程測控終端以及無線通訊部分GPRS模塊的優(yōu)化選擇，以及各個執(zhí)行機構(gòu)設(shè)備間的合理化配合工作，不僅實現(xiàn)了對溫室中溫度、濕度、光照等環(huán)境因子的自動控制，更節(jié)省了人力。與此同時，該系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)亦可實現(xiàn)集群化管理，即對不同地區(qū)的多個溫室集中統(tǒng)一管理、遠程監(jiān)控、移動監(jiān)控。

［1］王剛.工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012(3):13－15.

［2］張倩，張盛，林孝康.物聯(lián)網(wǎng):發(fā)展、應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)［J］.電訊技術(shù)，2012(12):1996.

［3］北京聚英翱翔電子有限公司.JY-RTU-6640產(chǎn)品說明書［EB/OL］.http://www.juyingele.com.cn/product/ycck/Modbus/JY －RTU6640 －M.html.

［4］覃貴禮.智能溫室控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.南寧:廣西大學(xué)，2012:24.

［5］徐玲.模糊控制在智能溫室溫濕度控制中的應(yīng)用［D］.黑龍江:東北林業(yè)大學(xué)，2006:7 －9.

［6］何川.基于PLC的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2010:40－50.