日光溫室智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建

張艷 于群 柳平增 姜新彤

摘要 針對我國北方日光溫室智能控制水平低的問題，圍繞控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、下位機程序、上位機程序、手機APP四方面闡述日光溫室智能控制系統(tǒng)構(gòu)建過程。該控制系統(tǒng)在德州陵縣西葫蘆主產(chǎn)區(qū)日光溫室大棚已經(jīng)得到應(yīng)用，系統(tǒng)的使用節(jié)省了勞動力，提高了勞動效率，實現(xiàn)了農(nóng)民的增產(chǎn)、增收。

關(guān)鍵詞 智能控制；日光溫室；構(gòu)建

中圖分類號 S126文獻標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0175-05

Abstract Aiming at the relatively low level of intelligent control of solar greenhouse in northern China， the construction process of solar greenhouse intelligent control system was described in hardware design， lower computer program， upper computer program and mobile APP. The control system had been applied in the greenhouse of the main producing area of zucchini in Lingxian，Dezhou. The use of the system can save the labor force， improve the labor efficiency， and realize the farmers increase of production and income.

Key words Intelligent control；Solar greenhouse；Construction

日光溫室作為我國北方地區(qū)獨有的溫室類型，是北方冬季蔬菜的重要種植地來源。近年來設(shè)施園藝技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)進程中發(fā)展迅速，但智能控制水平相對較低，多以人工管理控制為主，影響了設(shè)施作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[1]。物聯(lián)網(wǎng)作為新興起的一種網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)，是指通過具有感覺計算和控制處理能力的各種傳感器來獲取環(huán)境信息，并通過無線通訊的方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的監(jiān)測信息，實現(xiàn)大面積范圍物與物之間信息的交互，以及智能化的識別、定位、監(jiān)控和管理，解決了大型系統(tǒng)實時感知和動態(tài)控制的難題，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[2-3]?；谖锫?lián)網(wǎng)，筆者擬構(gòu)建日光溫室智能控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在德州陵縣西葫蘆主產(chǎn)區(qū)日光溫室大棚中，以期實現(xiàn)農(nóng)民的增產(chǎn)、增收。

1 日光溫室智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

日光溫室智能控制系統(tǒng)構(gòu)建分硬件與軟件兩部分[4]，圖1、2分別是日光溫室控制系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)。整個硬件結(jié)構(gòu)以MSP430F5438A為核心，主要包含信息采集模塊、LCD顯示模塊、繼電器模塊、GPRS模塊、控制模塊五部分；軟件結(jié)構(gòu)主要包含下位機程序、上位機程序、Web程序和手機APP程序四部分。軟硬件協(xié)同工作原理是：采集模塊借助感知結(jié)點傳感器獲取空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度和CO2濃度數(shù)據(jù)，下位機程序按用戶設(shè)定的采集頻率實時采集，采集數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)傳輸協(xié)議借助GPRS模塊實時傳輸給上位機程序，上位機程序按照預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)庫參數(shù)將數(shù)據(jù)保存至MySql數(shù)據(jù)庫。手機APP程序根據(jù)實時數(shù)據(jù)與初始化的指標(biāo)閾值，判定溫室數(shù)據(jù)是否超出指標(biāo)限值，如果超出則上位機程序形成控制指令控制繼電器模塊完成控制終端的打開、關(guān)閉，并給出預(yù)警提示。

2 日光溫室智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)

下位機以MSP430F5438A微處理器為核心，這款微處理器采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；在降低芯片的電源電壓、具備超低功耗和靈活可控的運行時鐘方面比較適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。同時，下位機還集成了DS3231時鐘芯片、2個5 V固態(tài)繼電器、2個TTL電平轉(zhuǎn)485芯片、USB通用串行接口等一系列功能強大的外圍芯片，保證智能終端功能的強大性、低功耗性和可靠性[5-7]。

感知終端設(shè)計中，空氣溫濕度測量選用了SHT11傳感器，該傳感器傳感元件和處理電路集成在一塊微型電路板上，工作電壓為3 V，輸出完全標(biāo)定的兩線數(shù)字信號[8]。其中溫度測量范圍是-40.00～123.80 ℃，測量精度是±0.50 ℃；濕度測量范圍是0～100%RH，測量精度是±4.5%RH。光照強度測量選用的是ARN-GZ光照強度傳感器，其輸出信號為4～20 mA，測量范圍是0～200 klx，精度為±3%。土壤溫度傳感器型號選用TW型，它是一種插入式測量溫度的儀器，可長期埋設(shè)于土壤內(nèi)使用，其測量范圍為-30.00～70.00 ℃，測量精度為±0.15 ℃。土壤濕度傳感器型號為FDS-100，測量值為土壤容積含水量（%，m3/m3），輸出信號為4～20 mA，其測量范圍是 0～100%，非飽和范圍內(nèi)精度為±3%；土壤電導(dǎo)率傳感器選用的是TDR-4，可測量土壤水分的體積百分比，輸出信號為4～20 mA，其測量范圍是 0～100%，精度為±3%；二氧化碳傳感器選用的是中科能慧的NHEY62，輸出信號為4～20 mA，其測量范圍是 0～2 000 μg/g，精度為±2%。

溫濕度傳感器輸出為數(shù)字量信號，其接線如圖3所示。SHT11連接MSP430F5438A控制中心的5 V輸出引腳上，GND與板子共地，SHT11采用串行接口，利用I2C總線協(xié)議進行通訊，不過此傳感器不能按照I2C協(xié)議編制，如果I2C總線上沒有掛別的元件，傳感器可以連接到I2C總線上。其余傳感器均為模擬量傳感器，通過標(biāo)準(zhǔn)插座連接到CPU的AD轉(zhuǎn)換輸入引腳上（圖4）。采集卡和MSP430F5438A通過RS485通信協(xié)議進行通信，因為核心電路板集成了UART轉(zhuǎn)485模塊，只需要把核心電路板的串口0的A線和B線分別和采集卡的A線和B線連接起來就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。采集命令為一串指令碼，分別為ADDR、0x03、0xff、0xff、0x00、0x01、0xff、0xff。

控制部分通過信號放大處理控制繼電器，進而控制草苫、灌溉、天窗的打開和關(guān)閉?？刂撇糠诌B線如圖5所示。因為核心電路板上自帶2個5 V繼電器，用來控制12 V的通斷，其板上還有2個端口的引腳可以外接5 V繼電器，從而很好地實現(xiàn)控制；12 V的直流電接12 V直流，控制220 V交流的繼電器。以灌溉為例，其控制原理如下：核心處理板通過各傳感器和外圍電路采集的溫室數(shù)據(jù)，綜合判斷棚內(nèi)的狀態(tài)，根據(jù)溫室棚內(nèi)土壤濕度，加上預(yù)先設(shè)計好的程序，穩(wěn)定控制澆水時間、澆水量。通過核心電路板P2.6引腳輸出控制5 V繼電器進而控制接觸器，最終控制水泵電機來實現(xiàn)自動和手動灌溉。

2.2 下位機軟件實現(xiàn)

下位機軟件實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)采集和信息控制。其中PC軟件下發(fā)數(shù)據(jù)包與終端應(yīng)答數(shù)據(jù)包格式如表1所示，其中“包頭”以0xA5表示一個數(shù)據(jù)包的開始，以0xAE表示數(shù)據(jù)包結(jié)束。下發(fā)與應(yīng)答格式中數(shù)據(jù)項“校驗和”取2個字節(jié)，值為從“包頭”開始（包括“包頭”）到“校驗和”之前（不包括“校驗和”）所有字節(jié)的代數(shù)和。應(yīng)答格式中“內(nèi)容”項是當(dāng)應(yīng)答格式中“設(shè)置/回讀”為回讀時字節(jié)長度不定，與下發(fā)數(shù)據(jù)格式中“包數(shù)據(jù)”的字節(jié)長度一致，而當(dāng)時設(shè)置是6個字節(jié)。利用上述傳輸協(xié)議感知終端采集空氣溫濕度數(shù)字量信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換及濾波處理的土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度等模擬信息，所有采集到的信息臨時存儲在數(shù)組變量中，根據(jù)上位機設(shè)定的采集頻率通過GPRS模塊傳送給上位機程序。利用上述傳輸協(xié)議中“指令”項指定不同控制指令，通過不同指令內(nèi)容控制終端的打開或關(guān)閉（包括揭蓋苫、天窗和灌溉的打開關(guān)閉）。

2.3 上位機軟件實現(xiàn)

上位機程序利用C#編寫，完成下位機參數(shù)設(shè)置、下位機向上位機上傳數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)庫信息初始化（包括服務(wù)器IP、數(shù)據(jù)庫名稱、用戶名、密碼、DTU標(biāo)識號、采集時間間隔、保存數(shù)據(jù)類型等）；接收下位機傳遞來的空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度數(shù)值，并將數(shù)據(jù)存儲在MySql數(shù)據(jù)庫表中；實時監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫表中表示控制的標(biāo)識字段，如果標(biāo)識字段被設(shè)置為1則發(fā)送相應(yīng)控制指令給下位機程序；根據(jù)西葫蘆不同生長周期閾值指標(biāo)（表2），實時監(jiān)聽采集到的指標(biāo)數(shù)值是否超出閾值，如超出則利用中國網(wǎng)建短信平臺提供的接口自動向種植戶發(fā)送手機短信。上位機軟件部分界面如圖6所示。

2.4 手機APP軟件實現(xiàn)

利用Androidstudio、Androidsdk等工具開發(fā)完成的日光溫室控制系統(tǒng)手機APP，實現(xiàn)了查看不同溫室數(shù)據(jù)、查看當(dāng)前溫室的實時數(shù)據(jù)、以折線圖的方式查看某項數(shù)據(jù)的歷史記錄、圖片抓拍、查看實時監(jiān)控視頻的監(jiān)控、設(shè)備控制和意見反饋等功能。其中設(shè)備控制中需要設(shè)置遠(yuǎn)程控制指令，表3給出部分遠(yuǎn)程控制的設(shè)備及指令。日光溫室控制功能的實現(xiàn)主要通過兩種方式，一種是控制指令，另一種是手機短信。以控制灌溉為例，具體實現(xiàn)過程如下：進入設(shè)備控制頁面后，先調(diào)用類加載頁面，利用其中方法獲取當(dāng)前溫室編號，并將編號保存在變量中。系統(tǒng)根據(jù)編號信息加載設(shè)備開關(guān)按鈕的監(jiān)聽事件。當(dāng)用戶點擊命令按鈕或是輸入澆水指令時，系統(tǒng)觸發(fā)該命令的監(jiān)聽事件，并調(diào)用彈窗輸入驗證碼，待驗證通過后，系統(tǒng)調(diào)用類開啟一個新的線程，并在該線程中使用socket通信將相應(yīng)指令通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到部署于服務(wù)器上的上位機程序。上位機程序在收到用戶的操作指令后，將該指令發(fā)送給位于溫室中的下位機程序，下位機根據(jù)用戶的指令操作溫室設(shè)備做出相應(yīng)的反應(yīng)。而另一種控制方式，以風(fēng)扇控制為例，具體實現(xiàn)過程如下：點擊風(fēng)扇開關(guān)按鈕，系統(tǒng)會創(chuàng)建Sim對象，調(diào)用構(gòu)造函數(shù)（string message）傳入操作指令“打開”或“關(guān)閉”，接著調(diào)用Sim類中的發(fā)送消息方法，使用手機本機號碼向儲存在Sim類中的sim卡號發(fā)送短信（message），設(shè)備在收到短信后，根據(jù)短信內(nèi)容做出相應(yīng)反應(yīng)。手機APP部分界面如圖7所示。

3 結(jié)語

為實現(xiàn)日光溫室精準(zhǔn)控制，感知終端的數(shù)據(jù)采集必須是準(zhǔn)確且有代表性的，那就需要準(zhǔn)確把握感知終端傳感器的放置位置。為降低成本、保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，日光溫室大棚內(nèi)的溫濕度、CO2、光照傳感器均放置在大棚東西方向與南北方向交叉的中心點上，土壤溫濕度傳感器放置在交叉中心點下方土壤深度15 cm處。另外，考慮到影響日光溫室精準(zhǔn)控制的因素較多，且溫室作物對環(huán)境要求比較高，控制過程稍有不甚會危害作物生長，甚至造成作物絕收，因此實際應(yīng)用中對天窗及灌溉控制采用了手動與自動2種模式，用戶可以利用手機終端設(shè)置每項指標(biāo)的手動、自動控制方式，增加控制系統(tǒng)靈活性與安全性。

目前，日光溫室智能控制系統(tǒng)已經(jīng)在德州陵縣西葫蘆主產(chǎn)區(qū)運行1年多的時間，一方面用戶利用手機終端可以查詢歷史及實時溫室環(huán)境數(shù)據(jù)、查看溫室視頻，為種植戶日常生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持，指導(dǎo)作物生產(chǎn)；另一方面，根據(jù)設(shè)定的閾值，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)自動預(yù)警與草苫、天窗、灌溉自動控制，還可利用手機APP實現(xiàn)手動控制，控制方式高效靈活，同時也大大節(jié)省了勞動力，提高了生產(chǎn)效率。

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