多環(huán)境參數(shù)蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永帥 王文偉 吳永章

摘要：為改善目前蔬菜大棚控制系統(tǒng)中監(jiān)控參數(shù)少及較難遠(yuǎn)程控制等情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)更加完善的系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)人機(jī)交互界面良好、操作簡(jiǎn)單方便、自動(dòng)化程度較高，有利于蔬菜大棚的智能化和統(tǒng)一化管理，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：蔬菜大棚;多環(huán)境參數(shù);智能;應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2015）02-0446-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.049

Designing Control System for Vegetable Greenhouse Based On

Multiple Environmental Parameters

WANG Yong-shuai1，WANG Wen-wei1，WU Yong-zhang2

（1.School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China;

2. Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： In order to improve the case that the monitoring parameters are not enough and the control system of remotely controlling the vegetable greenhouse， a more perfect system was designed. The results showed that the system was a good man-machine interface with simple and convenient operation， high degree of automation， conduciving to intelligent vegetable greenhouses and unified management. It will have good prospects for popularization.

Key words： vegetable greenhouse; multiple environmental parameters; intelligent; prospects

目前，保溫大棚技術(shù)種植蔬菜在我國(guó)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，尤其是在我國(guó)北方地區(qū)。但是現(xiàn)在還有不少種植戶沿用人工值守的辦法管理蔬菜大棚，或者使用的蔬菜大棚控制系統(tǒng)不太完善，不僅浪費(fèi)了大量人力、物力，而且對(duì)大棚各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)控也并不理想，并因此可能造成蔬菜的減產(chǎn)[1]。因此，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)更加完善的智能控制系統(tǒng)，以保證蔬菜良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)主要部分為上位機(jī)、下位機(jī)和傳輸總線（圖1）。上位機(jī)放置于控制室，通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行各大棚數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)數(shù)據(jù)的分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)大棚環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;下位機(jī)放置于各大棚內(nèi)，主要包括數(shù)據(jù)采集、顯示和驅(qū)動(dòng)等模塊[2]。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)利用PC及自帶的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，通過(guò)RS-232/485轉(zhuǎn)換即可組成RS-485總線與下位機(jī)STM32連接，構(gòu)成一個(gè)農(nóng)業(yè)綜合數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[3]。RS-485總線最大優(yōu)點(diǎn)在于其多點(diǎn)總線互相連接功能，可以連接一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)終端同時(shí)通信。本系統(tǒng)通訊協(xié)議用于大棚控制系統(tǒng)主板與PC機(jī)通訊、主板與傳感器采集節(jié)點(diǎn)通訊。該協(xié)議適用RS-485通訊，并參照大棚控制原有協(xié)議和Modbus協(xié)議，結(jié)合實(shí)際情況修改而來(lái)，采用主從結(jié)構(gòu)，主機(jī)設(shè)備發(fā)送一個(gè)信息，從機(jī)設(shè)備返回一個(gè)相應(yīng)的信息。

2.2 ?下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其主要功能如下所示。

1）控制主機(jī)。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，控制性能良好、操作簡(jiǎn)單方便，并內(nèi)置32～128 K的閃存。主機(jī)故選擇STM32，主要完成對(duì)各參數(shù)信號(hào)的處理比較，并對(duì)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出的指令。

2）RAM擴(kuò)展。由于系統(tǒng)對(duì)多區(qū)域多大棚控制，數(shù)據(jù)量較大，因此外擴(kuò)6264 RAM芯片來(lái)存放程序變量和數(shù)據(jù)。

3）信號(hào)采集。大棚內(nèi)設(shè)置多個(gè)溫濕度、光照度和CO2等傳感器，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～5 V信號(hào)經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理。

4）執(zhí)行電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MOC3041芯片，該芯片既有光電耦合，能進(jìn)行強(qiáng)電與弱電隔離;同時(shí)具有觸發(fā)晶閘管的功能，便于接通卷簾機(jī)、加濕器等，還有對(duì)超過(guò)預(yù)定傳感器參數(shù)范圍的報(bào)警功能[2]。

5）顯示器電路。各大棚采用LED顯示實(shí)時(shí)溫濕度、CO2濃度等傳感器參數(shù)。

6）串口接口電路。使用MAX485串口轉(zhuǎn)換芯片完成單片機(jī)和上位機(jī)的RS-485間通信。MAX485串口轉(zhuǎn)換芯片是RS-485通信的低功率收發(fā)器，最大傳輸速率可達(dá)2.5 Mb/s，傳輸距離為1.2 km，雙線半雙工方式[2]。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主程序框圖見(jiàn)圖3，其主要功能模塊如下所示。

1）參數(shù)配置模塊。即后臺(tái)采集配置模塊，配置系統(tǒng)所需參數(shù)，包括大棚區(qū)域、大棚號(hào)、數(shù)據(jù)庫(kù)配置、短信報(bào)警配置、通訊端口配置以及傳感器參數(shù)配置。大棚區(qū)域用于劃分大棚所在區(qū)域;大棚號(hào)為區(qū)域內(nèi)每個(gè)大棚編號(hào);數(shù)據(jù)庫(kù)配置用于保存連接數(shù)據(jù)庫(kù)所用的信息;短信報(bào)警配置用于保存報(bào)警所需的信息，如電話號(hào)碼和發(fā)送信息的端口等;通訊端口配置用于保存與各個(gè)大棚通訊采集數(shù)據(jù)所需的端口信息;傳感器參數(shù)配置則用于保存采集數(shù)據(jù)所需的傳感器信息，如溫濕度、光照度等。

2）Web程序模塊。采用瀏覽器方式，可以遠(yuǎn)程查看大棚采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)大棚節(jié)點(diǎn)發(fā)送監(jiān)控指令，進(jìn)而控制執(zhí)行電路。Web程序和后臺(tái)采集控制程序之間采用Socket通訊方式[4]，由Web發(fā)布平臺(tái)遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令給后臺(tái)采集配置程序，后臺(tái)采集配置程序接收到正確指令之后控制執(zhí)行電路完成相應(yīng)指令，并返回給Web發(fā)布平臺(tái)說(shuō)明指令完成情況。該模塊設(shè)有自動(dòng)控制功能，當(dāng)設(shè)定好參數(shù)范圍之后啟用自動(dòng)控制功能，系統(tǒng)則與采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)比較，若超出范圍值，則發(fā)送指令[5-11]。

3）數(shù)據(jù)采集模塊。為每個(gè)區(qū)域建立一個(gè)線程，區(qū)域線程循環(huán)采集本區(qū)域內(nèi)所有的大棚傳感器數(shù)據(jù)[3]。如果在循環(huán)采集數(shù)據(jù)時(shí)接收到Web發(fā)送的控制指令，則暫停數(shù)據(jù)采集，優(yōu)先處理Web控制指令，處理完Web控制指令后繼續(xù)數(shù)據(jù)采集。

4）溫濕度、光照度等模塊。將采集到的數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表中，并實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)，以便于Web程序查看數(shù)據(jù)。

3.2 ?下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)發(fā)送的不同指令，包括數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行電路的控制指令、顯示和零點(diǎn)對(duì)時(shí)等。數(shù)據(jù)采集部分主要是當(dāng)接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集指令之后，將由相應(yīng)傳感器獲取到的數(shù)據(jù)返回給上位機(jī);控制指令主要是完成上位機(jī)發(fā)送的相應(yīng)控制動(dòng)作，如啟動(dòng)卷簾機(jī)打開(kāi)保溫被、啟動(dòng)加濕器增加濕度等;顯示部分將傳感器數(shù)據(jù)顯示在該大棚內(nèi)，便于查看;零點(diǎn)對(duì)時(shí)則是每天零點(diǎn)時(shí)由上位機(jī)統(tǒng)一給每個(gè)區(qū)域各個(gè)大棚發(fā)送對(duì)時(shí)指令，使整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一。

4 ?小結(jié)

該系統(tǒng)不僅具有智能化程度高、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定可靠、成本低、人機(jī)界面良好、操作簡(jiǎn)單方便，還具有以下幾大優(yōu)勢(shì)：

1）該系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)控蔬菜大棚所需要的多環(huán)境參數(shù)，并能隨時(shí)增減，可以同時(shí)滿足不同大棚的需求。

2）由于通過(guò)Web平臺(tái)發(fā)布，前臺(tái)展示采用了瀏覽器方式，故手機(jī)等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可隨時(shí)查詢、方便快捷。

3）當(dāng)用戶設(shè)定好傳感器參數(shù)范圍后開(kāi)啟自動(dòng)控制，系統(tǒng)可以自行檢測(cè)數(shù)據(jù)并及時(shí)反饋給后臺(tái)采集配置程序進(jìn)而控制執(zhí)行電路自動(dòng)處理。

4）當(dāng)大棚傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警值和報(bào)警消除時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提供報(bào)警短信提醒，用戶可及時(shí)了解蔬菜大棚的狀態(tài)。

經(jīng)試用證明可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，在廣大農(nóng)村地區(qū)有著良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值，可以解決蔬菜大棚大規(guī)模生產(chǎn)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梁萬(wàn)用，王 ?凱.蔬菜大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（19）：9138-9139，9185.

[2] 李曉梅，劉海燕，朱園麗.蔬菜大棚的智能化管理系統(tǒng)[J].電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2005，18（10）：38-39.

[3] 李江全，鄧紅濤，劉 ?巧，等.Visual C#.NET串口通信及測(cè)控應(yīng)用典型實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 周存杰. Visual C#.NET網(wǎng)絡(luò)核心編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5] JESSE L， DAN H， DAN M.Programming ASP.NET 3.5 [M]. 第四版.覃彬彬，鄒建強(qiáng)，李 ?潘，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] 曾建華. Visual Studio 2010（C#）Windows數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[7] GEORGE S. ASP.NET 4從入門到精通[M].張大威，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[8] 楊 ?建，李 ?華，張勝利，等.ASP.NET 2.0課程設(shè)計(jì)案例精編[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[9] 薩師煊，王 ?珊.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論 [M].第三版.北京：高等教育出版社，2006.

[10] 胡國(guó)勝，易著梁.數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與應(yīng)用：SQL Server2008[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[11] ERIK B.C# Windows Forms程序設(shè)計(jì)[M].朱毓斌，吳 ?飛，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2003.