智能大棚灌溉一體化工程與設(shè)計

摘 要：隨著不同種類的傳感器的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更加便利，并讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達到了省事省力環(huán)保的效果。通過深入分析大棚環(huán)境參數(shù)特點和控制要求，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架內(nèi)制定了大棚的總體控制方案。本課題綜合運用無線射頻技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，PLC（可編程邏輯控制器） 技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套基于無線通信及計算機Web平臺管理的大棚控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大棚進行近程或遠程智能管理。該系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將大棚現(xiàn)場控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)傳到上位機，上位機監(jiān)控平臺采用Eclipse開發(fā)工具和jsp語言進行開發(fā)設(shè)計，它將接收到的數(shù)據(jù)進行分析判斷，若數(shù)據(jù)超出原先設(shè)定的范圍便進行報警，同時利用無線通信模塊將用戶的決策命令傳給下位機，實現(xiàn)對大棚現(xiàn)場設(shè)備的控制。

關(guān)鍵詞：無線傳輸模塊;PLC;JSP;傳感器

一、背景與介紹

現(xiàn)代大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，如何對其環(huán)境進行智能、有效的監(jiān)控，成為研究的熱點。首先是運用機械化、微電子智能化、計算機等高新技術(shù)，將溫度、濕度、光照、水、肥和氣等環(huán)境因子自動調(diào)控到作物各個生長時期所需的最佳狀態(tài)。其次，計算機技術(shù)的快速發(fā)展有效地延伸了信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，基于Web的各類農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)正在成為重要的研發(fā)與應(yīng)用平臺，通過無線遠程的監(jiān)控技術(shù)，將處于偏遠郊外、相對分散的大棚群進行統(tǒng)一管理，有效實現(xiàn)了異地資源的共享，這不僅節(jié)約了硬件成本，也帶來了極大的便捷性，成為了現(xiàn)代大棚智能化發(fā)展的熱點[1，2]。

隨著我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展，智能控制系統(tǒng)，無線監(jiān)控系統(tǒng)在大棚中的應(yīng)用也越來越普遍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更是早已被國內(nèi)外的專家和學(xué)者重視起來，將其作為今后科技技術(shù)的發(fā)展方向。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)解決了傳統(tǒng)有線傳輸數(shù)據(jù)布線難，擴展不方便等劣勢。所以開發(fā)大棚專家系統(tǒng)與大棚自動化控制技術(shù)相結(jié)合的大棚控制系統(tǒng)成了研究的熱點[3]?？傮w來說，雖然我國大棚產(chǎn)業(yè)起步比較晚，但是發(fā)展的速度卻是驚人的，雖然與發(fā)達國家仍存在一定的差距，但科研人員正致力于研究適合我國國情的智能大棚。

二、技術(shù)框架

（一）需求分析

系統(tǒng)在設(shè)計過程中，分別采用溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照度傳感器對大棚內(nèi)植物生長的環(huán)境參數(shù)進行檢測，將采集的數(shù)據(jù)送單片機處理，最后通過以太網(wǎng)傳到控制中心，供大棚的管理員使用。當(dāng)濕度超過預(yù)先設(shè)定的范圍是，打開下位機的電磁閥，對大棚進行自動灌溉，光照度超過或者低于設(shè)定范圍可以短信通知管理員關(guān)閉或者開啟卷簾門。

1.功能需求分析

論文設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崟r采集蔬菜大棚的幾種參數(shù)，大棚管理員可以通過上位機系統(tǒng)看見大棚的各節(jié)點的參數(shù)值，并且能夠查看歷史的參數(shù)值。當(dāng)檢測到的參數(shù)超過了管理員規(guī)定的范圍時，能夠及時的通過多種方式通知管理員。

大棚監(jiān)控系統(tǒng)的下位機系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下：1.實現(xiàn)對大棚溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度的檢測;2.有一些執(zhí)行機構(gòu)，比如智能的噴淋裝置;3. 能夠定時的將采集的參數(shù)傳送給服務(wù)器，將異常信息及時通知服務(wù)器。

2.系統(tǒng)的性能需求分析

基于環(huán)境參數(shù)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要是對蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行多點監(jiān)控，因此系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有操作簡單、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)測量誤差小、系統(tǒng)建成成本低、能耗低且便于維護等特點。

其一，實時性：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)釆集的實時性是監(jiān)控系統(tǒng)很重要的一個方面，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崟r的從大棚內(nèi)獲取環(huán)境參數(shù)信息。

其二，可靠性及可用性：系統(tǒng)的軟、硬件運行應(yīng)具有較高的可靠性與可用性，避免出現(xiàn)系統(tǒng)硬件的故障與軟件的死機的情況。同時系統(tǒng)的人機界面應(yīng)當(dāng)友好、實用。

3.系統(tǒng)的升級和功能擴充需求

雖然有些功能不屬于當(dāng)前系統(tǒng)的開發(fā)范疇，但是隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科技的不斷發(fā)展，將來可能要對系統(tǒng)的功能進行擴充。因此在蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中要對將來可能的擴充和修改預(yù)作準備，因此節(jié)點子系統(tǒng)的處理器應(yīng)該留有一些接口以及一些通信接口，以便滿足更多信號的釆集和數(shù)據(jù)的多樣化傳輸。服務(wù)器系統(tǒng)在硬件上要留有一定的存儲裕量，滿足軟件系統(tǒng)的升級，合理設(shè)計服務(wù)器軟件的模塊和接口，盡量滿足高內(nèi)聚、低親合的要求，當(dāng)需要功能擴充時，保證在不破壞己開發(fā)的軟件模塊前提下增加新的模塊，完成系統(tǒng)的升級。

（二）系統(tǒng)的設(shè)計思想及總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)釆用模塊化設(shè)計，各模塊之間保持相互的獨立，有利于系統(tǒng)的升級與擴展。該監(jiān)控系統(tǒng)共有三個部分：前端的數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分以及監(jiān)控中心。前端的數(shù)據(jù)采集部分一般負責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集以及初步的數(shù)據(jù)處理來傳輸給上位機;數(shù)據(jù)傳輸部分是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)按照約定的協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C;監(jiān)控中心負責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)控，計算機經(jīng)過對采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理以后，如有發(fā)現(xiàn)異常則釆取相應(yīng)的補救措施。

（三）系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

由系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖可知論文設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具有蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)分布式采集、數(shù)據(jù)采集模塊和服務(wù)器之間的雙工通信、短信報警、自動灌溉、服務(wù)器顯示等功能。因此系統(tǒng)的功能模塊主要可以劃分為：前端數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊以及控制中心模塊五部分。各功能模塊的具體說明：1.前端數(shù)據(jù)采集模塊：前端數(shù)據(jù)采集模塊主要釆用多種傳感器負責(zé)對大棚內(nèi)的環(huán)境溫度，土壤濕度，二氧化碳濃度和光照強度等環(huán)境參數(shù)的采集，由單片機實時處理釆集的環(huán)境參數(shù)和土壤濕度;2.控制模塊：控制模塊主要完成當(dāng)濕度低于下限值的時候通過自定義的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議控制單片機來控制電磁閥實現(xiàn)智能的灌溉;3.網(wǎng)絡(luò)通信模塊：網(wǎng)絡(luò)通信完成上位機與數(shù)據(jù)采集模塊的雙工通信，釆集數(shù)據(jù)模塊依據(jù)設(shè)計的通信協(xié)議將釆集數(shù)據(jù)組幀，通過以太網(wǎng)控制芯片發(fā)往上位機，上位處理后可向下位機發(fā)送灌溉、自檢等控制命令;4.控制中心模塊：控制中心模塊采用的操作系統(tǒng)機作為服務(wù)器，以作為編程語言環(huán)境，接受和處理下位機采集的實時參數(shù)信息。

三、總結(jié)

課題研究通過無線及遠程對大棚實現(xiàn)智能控制的系統(tǒng)，主要開發(fā)了近程監(jiān)控系統(tǒng)和遠程管理系統(tǒng)。只要有網(wǎng)絡(luò)的地方都可以登陸大棚管理系統(tǒng)，進行大棚遠程的監(jiān)測與控制，在大棚附近辦公室的技術(shù)人員則可以直接打開上位機監(jiān)控界面進行大棚現(xiàn)場管理。此課題對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大規(guī)模的展開提供了理論依據(jù)。

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作者簡介：

王保軍，河南省鶴壁市淇河攔河壩管理處職員。