基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉海泉+楊盛泉+黃姝娟+劉萍萍

摘要： 針對(duì)目前溫室大棚使用運(yùn)行中出現(xiàn)的人工強(qiáng)度大、測(cè)量與控制精度低、產(chǎn)量與質(zhì)量不穩(wěn)定等現(xiàn)象，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)溫室大棚的遠(yuǎn)程測(cè)量與控制系統(tǒng)。文中首先講述了溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)，詳細(xì)地設(shè)計(jì)出包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等三層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，繼而討論了傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，最后論述了溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)并講述了系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)情況。

Abstract： In view of the phenomenon of high labor intensity， low measure and control accuracy and production and quality instability in the operation of greenhouse， this paper proposes the design and development of remote greenhouse measure and control system based on Internet of things technology. Firstly the article describes the overall architecture of greenhouse IOT system， and three architecture layers including the perception layer， network layer， application layer are designed in detail in the paper. Secondly it discusses the hardware design of the sensor node and the coordinator node. Finally it discusses the detailed design of the greenhouse IOT system software and describes the actual application development of the system.

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；傳感器；協(xié)調(diào)器

Key words： Internet of Things；greenhouse；sensor；coordinator

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）17-0108-03

0 引言

溫室大棚是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)反季節(jié)蔬菜生產(chǎn)的重要場(chǎng)所，它通過(guò)合適的手段來(lái)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的溫度、濕度、二氧化碳濃度、土壤水分等來(lái)創(chuàng)造出適合植物生長(zhǎng)的人工氣象環(huán)境[1]。傳統(tǒng)的溫室大棚主要靠人工憑經(jīng)驗(yàn)觀察室內(nèi)的溫度計(jì)、濕度計(jì)進(jìn)行手工方法除濕、灑水、天窗光照等手段進(jìn)行，這種控制方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、容易受主觀因素影響、控制精度低，因而導(dǎo)致溫室大棚的蔬菜生產(chǎn)數(shù)量、質(zhì)量均不穩(wěn)定，很難適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效、優(yōu)質(zhì)、量產(chǎn)要求。

物聯(lián)網(wǎng)定義為物與物相互連接的網(wǎng)絡(luò)，其英文為Internet Of Things，簡(jiǎn)稱為IOT。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前微電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等交叉聯(lián)合發(fā)展的產(chǎn)物，是測(cè)量與控制技術(shù)發(fā)展的又一次產(chǎn)業(yè)革命。本文研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)溫室大棚基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量與控制，它對(duì)于降低人力成本、提高測(cè)控精度、穩(wěn)定大棚質(zhì)量與產(chǎn)量等具有非常重要的經(jīng)濟(jì)與現(xiàn)實(shí)意義。

1 溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代溫室大棚根據(jù)植物的生長(zhǎng)規(guī)律，需要模擬出符合其發(fā)芽、生長(zhǎng)、成熟的不同生長(zhǎng)周期的人工環(huán)境。溫室大棚的控制工藝主要包括現(xiàn)場(chǎng)布置包括溫度、濕度、CO2等若干的傳感器，測(cè)量得到的各種數(shù)值跟植物要求的參數(shù)對(duì)比，如果出現(xiàn)偏差，就需要立刻驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制調(diào)整。溫室大棚的整個(gè)控制過(guò)程，就是使得傳感器測(cè)量值與設(shè)定值動(dòng)態(tài)一致的過(guò)程。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的原理與溫室大棚的工藝流程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出如圖1所示的包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的3層溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]。

系統(tǒng)的最低層為感知層，它包括若干的傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，主要有：溫度傳感節(jié)點(diǎn)、電熱冷風(fēng)節(jié)點(diǎn)、濕度傳感節(jié)點(diǎn)、加濕除濕節(jié)點(diǎn)、CO2傳感節(jié)點(diǎn)、CO2控制節(jié)點(diǎn)、土壤傳感節(jié)點(diǎn)、土壤噴水節(jié)點(diǎn)、光照傳感節(jié)點(diǎn)、遮光補(bǔ)陽(yáng)節(jié)點(diǎn)等[2]。感知層的主要功能是采集現(xiàn)場(chǎng)物理傳感器信號(hào)，通過(guò)無(wú)線Zigbee協(xié)議傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的調(diào)控指令控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)的中間層為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，又稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，主要包含：溫度控制協(xié)調(diào)器、濕度控制協(xié)調(diào)器、CO2控制協(xié)調(diào)器、土壤水分協(xié)調(diào)器、光照控制協(xié)調(diào)器等。系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)這些協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)它允許與其相關(guān)聯(lián)同種控制屬性的所有傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入到無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)并成為其子節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)定期輪詢采集并控制各自對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫室大棚工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并發(fā)出控制指令傳遞給動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，另外它還負(fù)責(zé)與最上層物聯(lián)網(wǎng)本地應(yīng)用層控制中心進(jìn)行RS485有線串口通信。

系統(tǒng)的最上層為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層人機(jī)交互界面，它為整個(gè)溫室大棚控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制中心，它為一臺(tái)高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其英文為Industry Personal Computer，簡(jiǎn)稱IPC。因?yàn)闇厥掖笈锏拿總€(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)距離控制中心機(jī)房距離長(zhǎng)短不定，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，采用RS485串口通信連接到各個(gè)溫室大棚的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚所有的協(xié)調(diào)器進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、溫室工藝畫(huà)面顯示、傳感測(cè)量動(dòng)態(tài)曲線、溫室生長(zhǎng)工藝參數(shù)設(shè)置等功能。

1.2 溫室大棚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性，傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都采用了德州儀器（TI）公司2.4GHz 頻段CC2530 ZigBee協(xié)議芯片，CC2530支持以非常低的材料成本和極低的功耗建立功能強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空等得到了廣泛的應(yīng)用[2]。另外2.4GHz頻段為開(kāi)放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)的ISM（Industrial Scientific Medical）Free License頻段，它不需得到政府授權(quán)許可即可在工業(yè)控制或者物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)使用。

本系統(tǒng)傳感器與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中采用的CC2530芯片的外圍連接電路如圖2所示，芯片工作時(shí)XTAL1 為節(jié)點(diǎn)提供的頻率為32MHz無(wú)源晶振，XTAL1由2個(gè)C221 和C231電容跟1個(gè)頻率為32MHz石英諧振器組成；另外XTAL2 提供頻率為32.768kHz時(shí)鐘晶振，XTAL2由2 個(gè)C321 和C331電容與1 個(gè)32.768kHz的石英諧振器組成，同時(shí)內(nèi)部集成了高性能射頻（Radio Frequency ， RF）收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 可編程的高性能單片機(jī)、 256KB Flash ROM（Read-Only Memory）只讀存儲(chǔ)器和 8KB RAM（Random Access Memory）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。

設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)它主要包含溫度、濕度等類型的傳感器芯片、節(jié)點(diǎn)USB接口模塊、模擬量輸入A/D模塊、模擬量輸出D/A模塊、節(jié)點(diǎn)供電管理模塊、CC2530 ZigBee模塊、開(kāi)關(guān)量I/O控制模塊、天線單元模塊等。

設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)它主要由Flash Memory儲(chǔ)存模塊、CC2530 ZigBee模塊、鍵盤Key觸摸模塊、節(jié)點(diǎn)USB接口模塊、節(jié)點(diǎn)LCD顯示接口模塊、節(jié)點(diǎn)供電管理模塊、RS232轉(zhuǎn)RS485模塊以及節(jié)點(diǎn)電源管理模塊等組成。

2 溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件包括底層的傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)以及應(yīng)用層溫室大棚控制中心IPC 人機(jī)界面上位軟件設(shè)計(jì)[1]。

2.1 傳感器與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)都類似，都是基于CC2530連接到外圍多個(gè)擴(kuò)展模塊，其程序設(shè)計(jì)也類似，都是基于CC2530協(xié)議棧與內(nèi)置8051單片機(jī)MCU編程，其內(nèi)部有很多類似子程序組成[3]。

本系統(tǒng)為傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了10個(gè)主要的子程序，主要如下：①main 主調(diào)循環(huán)子程序；②ZigBeeInit 芯片初始化子程序；③IOProce 開(kāi)關(guān)量輸入子程序；④ADProce模擬量輸入子程序；⑤DAProce 模擬量輸出子程序；⑥ControlProce 數(shù)據(jù)處理或者工藝控制子程序；⑦RS485Proce 串口通信子程序；⑧ZigBeeProce 無(wú)線通信子程序；⑨KeyPressProce 按鍵處理子程序；⑩LCDShowProce 數(shù)據(jù)顯示處理子程序；這些不同的子程序在不同的性質(zhì)節(jié)點(diǎn)中可設(shè)置處于激活或者休眠等不同的狀態(tài)。

2.2 應(yīng)用層溫室大棚控制中心軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層溫室大棚控制中心需要通過(guò)串口通信RS485采集各個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并可以遠(yuǎn)程控制它。該軟件是系統(tǒng)的控制中心。其軟件框圖如圖3所示，設(shè)計(jì)的模塊主要有：協(xié)調(diào)器通信收發(fā)處理模塊、數(shù)據(jù)濾波處理存儲(chǔ)模塊、溫室大棚工藝畫(huà)面顯示模塊、動(dòng)態(tài)曲線顯示模塊、溫室預(yù)警控制處理模塊、溫室大棚參數(shù)設(shè)置模塊等。

本系統(tǒng)采用典型的工業(yè)控制C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)的采用著名的Embarcadero RAD Studio XE面向?qū)ο缶W(wǎng)絡(luò)編程集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其編程語(yǔ)法為Object Pacal，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL 5.6，其實(shí)際開(kāi)發(fā)的主畫(huà)面如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述的采用感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層這種層次化方式設(shè)計(jì)溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行，它目前在國(guó)內(nèi)多個(gè)農(nóng)場(chǎng)部署實(shí)施，運(yùn)行一年多來(lái)系統(tǒng)反饋良好，它很大程度上改變了溫室大棚傳統(tǒng)人工控制過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、控制精度低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等眾多缺點(diǎn)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用與推廣價(jià)值。

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