基于FPGA的花卉溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)

劉艷昌+左現(xiàn)剛+李武舉+宋海建+李國(guó)厚

摘要：針對(duì)花卉溫室環(huán)境參數(shù)較難控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種以FPGA、傳感器、NRF905無(wú)線模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)為硬件核心，以Kingview 6.55為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線方式將采集到的花卉溫室參數(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)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳送、顯示、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。同時(shí)，管理人員也可以借助GSM/GPRS模塊和手機(jī)終端，以短信方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)遠(yuǎn)程查詢(xún)和設(shè)備控制等功能。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?yàn)榛ɑ芴峁└训纳L(zhǎng)環(huán)境，有利于減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，提高花卉的產(chǎn)量和品質(zhì)，降低死亡率，節(jié)約能源和人力成本，在農(nóng)牧業(yè)及其他領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：花卉溫室；FPGA；GPRS；組態(tài)技術(shù)；智能監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)： TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0379-04

鮮花已成為人們?cè)谌粘Ｉ詈凸ぷ鳝h(huán)境中必不可少的美化物品，隨著城市建設(shè)和人們生活質(zhì)量的逐步提高，對(duì)花卉的需求數(shù)量和品種逐步增多，質(zhì)量要求也逐步提高，因此，花卉種植和銷(xiāo)售有著廣泛的市場(chǎng)[1]。針對(duì)目前我國(guó)花卉溫室種植環(huán)境監(jiān)控大多采用的人工檢測(cè)和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備存在調(diào)節(jié)滯后、誤判率高、生產(chǎn)效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題[2]，不能滿足市場(chǎng)對(duì)鮮花的反季節(jié)需求和花卉溫室種植智能化、信息化的需求，為此提出了一種基于FPGA的花卉溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以全天候?qū)ɑ苌L(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，而且還可以將采集值與花卉在不同時(shí)期所需要的最佳生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)值進(jìn)行比較，并將控制指令以無(wú)線方式傳給現(xiàn)場(chǎng)FPGA控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟/停，使其環(huán)境參數(shù)迅速作出調(diào)整，另外，該系統(tǒng)還可以借助GSM/GPRS模塊和手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)查詢(xún)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備啟/?？刂疲瑫r(shí)結(jié)合組態(tài)技術(shù)為管理人員提供良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)花卉種植的智能化、信息化的現(xiàn)場(chǎng)管理，為提高花卉的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益提供科學(xué)的依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體方案

該監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、FPGA控制器、采集模塊、執(zhí)行模塊、無(wú)線模塊、GSM/GPRS模塊等組成（圖1）。該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制工作模式。手動(dòng)工作模式下可以通過(guò)控制現(xiàn)場(chǎng)控制柜面板上的開(kāi)關(guān)按鈕強(qiáng)制對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，便于工藝人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)控，也可以將

上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面切換到手動(dòng)控制模式下，通過(guò)點(diǎn)擊控制畫(huà)面上的加熱系統(tǒng)啟/停、加濕系統(tǒng)啟/停等模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)改變花卉溫室環(huán)境參數(shù)，達(dá)到滿足花卉最佳生長(zhǎng)條件的目的；自動(dòng)工作模式下是將現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳給FPGA控制器進(jìn)行處理，再通過(guò)無(wú)線模塊傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)Kingview 6.55軟件編制的數(shù)據(jù)處理程序與工藝人員預(yù)先設(shè)定的各參數(shù)范圍的臨界值進(jìn)行比較，確定是否啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，若采集的環(huán)境參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，則維持系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，若采集的環(huán)境參數(shù)在設(shè)定范圍之外，則產(chǎn)生超限報(bào)警指示，同時(shí)將相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟/停指令以無(wú)線方式傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)各部件的啟/?？刂?，從而實(shí)現(xiàn)花卉溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器和無(wú)線模塊

系統(tǒng)FPGA控制器采用康芯公司推出的KX-2C5F+型開(kāi)發(fā)板，具有內(nèi)部各功能模塊相互獨(dú)立、引腳豐富、編程靈活、并行處理數(shù)據(jù)快、便于設(shè)計(jì)電路擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線模塊采用挪威公司推出的單片射頻收發(fā)器NRF905，工作電壓為1.9～3.6 V，工作的ISM頻段為433/868/915 MHz[3]，具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。該模塊配吸盤(pán)天線后能夠滿足監(jiān)控室到溫室監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑為500 m范圍的數(shù)據(jù)傳輸及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制功能。無(wú)線收發(fā)模塊的硬件連接如圖2所示。

2.2 采集電路

采集電路如圖3所示，主要采用溫濕度、光照等傳感器模塊對(duì)花卉環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集?？諝獾臏貪穸群凸庹帐腔ɑ苌L(zhǎng)和發(fā)育的重要環(huán)境參數(shù)，空氣溫濕度傳感器采用1-Wire 總線接口、集數(shù)字輸出溫度和濕度為一體的DHT11傳感器，測(cè)量溫度范圍為0～50 ℃，精度為±2 ℃，相對(duì)濕度范圍為20%～90%，精度為±5%[4-5]；光照度傳感器采用兩線式串行總線接口、數(shù)字信號(hào)輸出的BH1750FVI型傳感器，輸入光范圍為1～65 535 lx[6]。土壤濕度是維持花卉生命活動(dòng)的重要條件，為提高土壤水分檢測(cè)精度，土壤濕度傳感器采用模擬量輸出接口的YL-69型傳感器，具有2根探針，工作電壓為3.3～5.0 V[7]。室內(nèi)CO2濃度是影響花卉產(chǎn)量和觀賞品質(zhì)的一個(gè)重要因素，CO2濃度傳感器采用紅外MH-Z14型傳感器，測(cè)量范圍為0～5 000 mL/m3，精度為±50 mL/m3[8]，其數(shù)據(jù)傳輸采用UART通信協(xié)議，為使發(fā)送和接收采集數(shù)據(jù)線閑置時(shí)狀態(tài)為高電平，通信線上需外接5.1 kΩ的上拉電阻。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

由于FPGA控制器的工作電壓為3.3 V且端口輸出電流達(dá)不到繼電器閉合時(shí)所需的電流，而室內(nèi)風(fēng)機(jī)、天窗電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作電壓為220 V甚至為380 V高電壓，因此控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟/停信號(hào)經(jīng)過(guò)FPGA控制器處理后，須加驅(qū)動(dòng)電路來(lái)完成相應(yīng)操作，從而實(shí)現(xiàn)花卉溫室環(huán)境控制。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。光耦4N25能夠有效抑制繼電器觸點(diǎn)通斷時(shí)線圈兩端產(chǎn)生的較大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)FPGA控制器的輸出信號(hào)干擾；續(xù)流二極管IN4007為SRD-05VDC-SL-C繼電器斷電時(shí)提供釋放回路，避免反向電動(dòng)勢(shì)過(guò)高擊穿驅(qū)動(dòng)三極管Q1[9]；R3和C1組成阻容電路并接在觸點(diǎn)K1兩端，能夠延長(zhǎng)繼電器觸點(diǎn)壽命；在執(zhí)行回路中串接熔絲F1能夠有效避免電流過(guò)大燒壞執(zhí)行機(jī)構(gòu)和觸點(diǎn)[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

借助Quartus Ⅱ 9.0軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用verilog HDL編程語(yǔ)言分別對(duì)下位機(jī)各采集傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和NRF905無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行模塊化編程。下位機(jī)控制器主要對(duì)花卉溫室內(nèi)空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集處理的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳給上位機(jī)，上位機(jī)將采集值與之對(duì)應(yīng)參數(shù)的設(shè)定值范圍進(jìn)行比較，若采集值在設(shè)定范圍外，則向下位機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)控制設(shè)備的啟/停指令；若采集值在設(shè)定范圍內(nèi)，則現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維持當(dāng)前狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)花卉溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制。圖5為花卉溫室系統(tǒng)控制流程。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

花卉溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用北京亞控公司的Kingview 6.55組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)分析的設(shè)計(jì)，該監(jiān)控界面能夠準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地顯示參數(shù)當(dāng)前值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況。管理人員通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)控制模式實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的設(shè)置、各變量的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢(xún)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟/停控制等操作?；ɑ軠厥噎h(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6所示。

農(nóng)場(chǎng)主或管理人員除在監(jiān)控室和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)花卉溫室環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控外，還可以借助GPRS模塊、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)終端對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行短信查詢(xún)，也可以根據(jù)室內(nèi)外氣候條件及花卉所需的最佳生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)各參數(shù)設(shè)定范圍，也可以通過(guò)發(fā)送短信控制指令實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟/?？刂乒δ堋D7為短信發(fā)送和接收信息界面，其中圖7-a為農(nóng)場(chǎng)主通過(guò)手機(jī)終端向上位機(jī)發(fā)送“站點(diǎn)一數(shù)據(jù)查詢(xún)”短信指令后，收到當(dāng)前環(huán)境參數(shù)值為“站點(diǎn)一：溫度25.3 ℃，空氣相對(duì)濕度73.2%，光照度15 680.4 lx，CO2濃度863.5 mL/m3，土壤相對(duì)濕度62.1%；圖7-b為農(nóng)場(chǎng)主通過(guò)手機(jī)終端向上位機(jī)發(fā)送“站點(diǎn)一灌溉水泵啟動(dòng)”短信指令后，收到“站點(diǎn)一灌溉水泵已啟動(dòng)”內(nèi)容，同時(shí)灌溉設(shè)備工作且監(jiān)控界面上對(duì)應(yīng)灌溉水泵指示燈變?yōu)榫G色。

4 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性、有效性和實(shí)用性，本系統(tǒng)以種植蝴蝶蘭開(kāi)花期時(shí)的某站點(diǎn)一為檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)溫室內(nèi)溫度、空氣濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)設(shè)置范圍為：溫度18～28 ℃，空氣相對(duì)濕度65%～90%，土壤相對(duì)濕度70%～85%，CO2濃度300～1 000 mL/m3，光照度15 000～25 000 lx。表1為24 h內(nèi)花卉溫室環(huán)境參數(shù)變化情況，其中每次采樣時(shí)間間隔為1 h。

從表1溫度采集數(shù)據(jù)可知，08：00—19：00溫室溫度控制在21.6～29.6 ℃之間，且平均溫度為25.9 ℃，20：00—07：00溫室溫度控制在17.6～19.8 ℃之間，且平均溫度18.5 ℃，與蝴蝶蘭生長(zhǎng)所需最佳的白天溫度26 ℃和夜間溫度19 ℃相比上下波動(dòng)較小，有利于蝴蝶蘭健壯生長(zhǎng)和葉色純正。從表1空氣濕度采集數(shù)據(jù)可知，24 h內(nèi)溫室相對(duì)濕度控制在66.1%～88.7%之間，且平均空氣相對(duì)濕度為77.7%，能夠自動(dòng)維持溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度在65%～90%之間，有利于蝴蝶蘭植株生長(zhǎng)、花梗抽出和花朵膨大。從表1 土壤濕度采集數(shù)據(jù)可知，24 h內(nèi)平均土壤相對(duì)濕度78.5%，且在09：00和17：00[CM（23*3]澆水時(shí)土壤濕度達(dá)到最大（83.6%），有利于土壤濕潤(rùn)透氣，避免爛根，降低死亡率。從表1中CO2濃度采集數(shù)據(jù)可知，24 h內(nèi)溫室CO2濃度控制在315.4～966.2 mL/m3之間，且CO2平均濃度為570.2 mL/m3，有利于促進(jìn)蝴蝶蘭光合作用，提高產(chǎn)量和增加抗病性能。從表1光照度采集數(shù)據(jù)可知，24 h 內(nèi)溫室光照度控制在15 234～24 826 lx之間，平均光照度為19 813.6 lx，與蝴蝶蘭花期生長(zhǎng)發(fā)育最適宜的光照度20 000 lx 相比上下波動(dòng)較小，可見(jiàn)光照度比較穩(wěn)定，能夠滿足蝴蝶蘭制造養(yǎng)分的能源需求，有利于生長(zhǎng)、花芽分化和開(kāi)花。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠及時(shí)分析和處理采集到的環(huán)境參數(shù)值，并實(shí)時(shí)有效地控制溫室各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟/停操作，使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到蝴蝶蘭所需最佳生長(zhǎng)條件，從而實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的智能控制。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)花卉溫室種植環(huán)境參數(shù)較難控制的問(wèn)題，本試驗(yàn)在綜合考慮空氣溫濕度、土壤相對(duì)濕度、光照度和CO2濃度等環(huán)境因素相互影響的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種以FPGA為控制核心的花卉溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。管理人員和農(nóng)場(chǎng)主可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)、監(jiān)控機(jī)和手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)、環(huán)境參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟/停動(dòng)態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能，一旦環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定范圍，該系統(tǒng)能夠自行啟/停各相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整環(huán)境參數(shù)。

上位機(jī)采用Kingview 6.55組態(tài)軟件為技術(shù)管理人員提供了良好的人機(jī)界面，方便技術(shù)管理人員隨時(shí)查看各類(lèi)信息，有利于花卉種植戶集中管理，實(shí)現(xiàn)花卉溫室種植的智能化和現(xiàn)代化。同時(shí)，種植戶可以通過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)不同品種、不同生長(zhǎng)階段、不同時(shí)期的生長(zhǎng)特點(diǎn)和管理規(guī)律，有利于種植戶獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)應(yīng)用于該校產(chǎn)學(xué)研園藝花卉種植試驗(yàn)基地，試測(cè)結(jié)果表明，相比以往種植，蝴蝶蘭產(chǎn)量提高了20%，能源成本節(jié)約8%，死亡率降低了10%，人力成本節(jié)約了60%，證實(shí)系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。此外，該系統(tǒng)還具有智能化程度高、功能強(qiáng)大、可移植性強(qiáng)、操作方便、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適合中小型種植規(guī)模用戶，在農(nóng)牧業(yè)及其他領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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