基于FPGA的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

劉艷昌　左現(xiàn)剛　李國(guó)厚

摘要：為解決農(nóng)業(yè)蔬菜大棚種植企業(yè)對(duì)大棚環(huán)境參數(shù)較難控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以FPGA、傳感器、無(wú)線(xiàn)模塊、GPRS模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)為硬件核心，以Kingview 6.55為軟件平臺(tái)的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊將FPGA采集到的大棚內(nèi)參數(shù)值傳到上位機(jī)，并對(duì)其采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等功能。同時(shí)，農(nóng)場(chǎng)主也可以通過(guò)GPRS模塊以短信方式與手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢(xún)和設(shè)備控制等功能。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供更佳的生長(zhǎng)環(huán)境，且操作界面簡(jiǎn)單、成本低廉，有利于減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，在農(nóng)業(yè)和牧業(yè)領(lǐng)域有良好的的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：蔬菜大棚；FPGA；GPRS；組態(tài)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：S126 ；TP277.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0533-04

收稿日期：2014-11-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（編號(hào)：201310467043）；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃（編號(hào)：132102310030）；河南科技學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（編號(hào)：209010611001）。

作者簡(jiǎn)介：劉艷昌（1979—），男，河南鶴壁人，碩士，講師，主要從事智能控制與信息檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail：523401923@qq.com。

通信作者：李國(guó)厚，博士，教授，主要從事計(jì)算機(jī)控制、無(wú)損檢測(cè)、信號(hào)處理技術(shù)研究。E-mail：liguohou6@163.com在我國(guó)各地使用蔬菜大棚種植蔬菜的技術(shù)已經(jīng)普及，尤其在北方地區(qū)蔬菜大棚種植已成為農(nóng)民增加收入的主要途徑之一[1-2]。蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制對(duì)大棚內(nèi)作物的長(zhǎng)勢(shì)好壞、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的高低起著關(guān)鍵作用，它主要受外界氣候條件和大棚內(nèi)生活環(huán)境影響較大，因此，在生產(chǎn)過(guò)程中如何及時(shí)將大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)控制在適合蔬菜生長(zhǎng)的范圍內(nèi)是大棚種植的關(guān)鍵。目前我國(guó)蔬菜大棚種植環(huán)境參數(shù)監(jiān)控多數(shù)情況下仍采用人工值守主觀(guān)判斷和人工控制來(lái)調(diào)整各參數(shù)的機(jī)械設(shè)備，存在調(diào)節(jié)滯后、誤判率高、生產(chǎn)效率低、占用人力資源多等缺點(diǎn)，且不能滿(mǎn)足當(dāng)前蔬菜大棚種植智能化、信息化的需求，除此之外，目前這類(lèi)監(jiān)控系統(tǒng)仍采用專(zhuān)門(mén)的通信線(xiàn)路來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本高[3]，不適合廣大農(nóng)民的需求，因此本研究提出了一種基于FPGA的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)采集與分析大棚環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照度）的測(cè)量值，而且還可以根據(jù)測(cè)量值與設(shè)定值的分析結(jié)果，將控制指令以無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞絺鬏斀oFPGA來(lái)控制驅(qū)動(dòng)各機(jī)械設(shè)備對(duì)大棚環(huán)境參數(shù)迅速作出調(diào)整，另外，該系統(tǒng)還可以通過(guò)GPRS模塊，采用定時(shí)發(fā)送和手機(jī)查詢(xún)方式將報(bào)警信息和大棚環(huán)境參數(shù)以短信形式發(fā)送至農(nóng)場(chǎng)主手機(jī)上，農(nóng)場(chǎng)主可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)及時(shí)掌握大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境情況，也可以以短息指令形式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，從而實(shí)現(xiàn)大棚種植的智能化、信息化的現(xiàn)場(chǎng)管理，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

1系統(tǒng)總體方案

該蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)、FPGA控制器、傳感器、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、GPRS模塊等組成。

本系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)2種工作模式，在手動(dòng)工作模式下工作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)控制面板上的開(kāi)關(guān)按鈕強(qiáng)制對(duì)各控制設(shè)備進(jìn)行控制，也可以在監(jiān)控室通過(guò)點(diǎn)擊上位機(jī)組屏幕手動(dòng)控制畫(huà)面中的升溫設(shè)備啟/停、加濕系統(tǒng)啟/停、循環(huán)風(fēng)機(jī)啟/停等模擬開(kāi)關(guān)，從而控制現(xiàn)場(chǎng)各執(zhí)行部件來(lái)改變大棚環(huán)境參數(shù)，達(dá)到滿(mǎn)足作物適宜生長(zhǎng)的條件；在自動(dòng)模式下將空氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器采集到的信息傳送給FPGA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)傳給無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，然后無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊通過(guò)天線(xiàn)以無(wú)線(xiàn)方式將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)Kingview 6.55軟件編制的數(shù)據(jù)處理程序與用戶(hù)設(shè)定的上限下限值進(jìn)行比較，確定是否啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，若某傳感器采集到的實(shí)際值在用戶(hù)設(shè)定上下限參數(shù)范圍之外，則產(chǎn)生對(duì)應(yīng)報(bào)警信息指示，同時(shí)將相關(guān)啟?？刂圃O(shè)備指令通過(guò)天線(xiàn)以無(wú)線(xiàn)方式傳給現(xiàn)場(chǎng)FPGA控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些部件的啟停，最終實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1FPGA控制器

為了節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，保證硬件系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、快速采集和控制蔬菜大棚內(nèi)各環(huán)境參數(shù)，較好地滿(mǎn)足大棚每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的需求，該系統(tǒng)下位機(jī)控制器采用KX2C5F+型FPGA開(kāi)發(fā)板作為研發(fā)平臺(tái)，其核心芯片為EP2C5T144。該系統(tǒng)采用FPGA作為主控制芯片，具有內(nèi)部各功能模塊相互獨(dú)立、引腳豐富、編程靈活等特點(diǎn)，且便于電路的功能擴(kuò)展。比如某站點(diǎn)原來(lái)沒(méi)有土壤濕度檢測(cè)模塊，設(shè)計(jì)人員只需將設(shè)計(jì)好的土壤濕度檢測(cè)模塊添加進(jìn)來(lái)即可，不用考慮該模塊對(duì)其他檢測(cè)模塊的影響，設(shè)計(jì)處理十分靈活。

2.2溫濕度傳感器

系統(tǒng)溫濕度傳感器采用數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度一體式傳感器DHT11。它采用1-Wire總線(xiàn)接口，測(cè)量溫度范圍為 0～50 ℃，精度為±2 ℃，測(cè)量濕度范圍為20%～90%RH，精度為±5%RH，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上，能夠滿(mǎn)足蔬菜大棚的溫濕度測(cè)量要求。該系統(tǒng)溫濕度檢測(cè)點(diǎn)與FPGA控制器端口PIN_28連接距離小于20 m，則接上5.1 kΩ的上拉電阻即可。溫濕度傳感器的硬件連接如圖2所示。

2.3二氧化碳濃度傳感器

系統(tǒng)二氧化碳傳感器采用紅外CO2濃度傳感器 MH-Z14 。它提供UART、模擬電壓信號(hào)、PWM波形等多種輸出方式，具有選擇性好、響應(yīng)時(shí)間快、壽命長(zhǎng)、功耗低、精度高和抗水汽干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其測(cè)量范圍為 0～5 000 mg/L ，精度為±50 mg/L，工作環(huán)境：溫度范圍為 0～60 ℃ ，濕度范圍為0～95%RH，能夠滿(mǎn)足蔬菜大棚的CO2濃度測(cè)量要求。為了使發(fā)送和接收采集數(shù)據(jù)線(xiàn)閑置時(shí)其狀態(tài)為高電頻，要求各外接1個(gè)5.1 kΩ的上拉電阻，其二氧化碳傳感器的硬件連接如圖3所示。