蔬菜種植數(shù)字化監(jiān)控平臺的設計與實現(xiàn)研究

武立波 徐通 郝炎炎 臨淄區(qū)農(nóng)業(yè)技術服務中心 張敬智 山東思遠農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司

王新亮 淄博新潤農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司 馬江濤 臨淄區(qū)鳳凰鎮(zhèn)秀全家庭農(nóng)場

現(xiàn)階段，我國蔬菜種植已經(jīng)基本實現(xiàn)了數(shù)字化控制，能夠?qū)ΨN植的溫濕度以及二氧化碳濃度進行調(diào)節(jié)、控制及管理，不過其智能化程度還有待于提升。ZigBee 技術屬于無線傳感通信技術，有著低功耗、短距離以及低速率等優(yōu)點[1]。將該技術用于蔬菜種植監(jiān)控平臺中，能夠?qū)κ卟朔N植環(huán)境進行動態(tài)調(diào)控，使得蔬菜種植的光照、溫濕度、CO2濃度等得到合理調(diào)整，從而確保各類蔬菜生長、繁育環(huán)境的穩(wěn)定，還能將外界不利因素消除，到達高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)的目的。

一、總體設計

設計人員在設計監(jiān)控平臺系統(tǒng)時前需要對市場需求進行合理分析，然后開展系統(tǒng)總體架構設計工作，在此基礎上進行分區(qū)設計，尤其是上下位機模塊設計，完成設計工作之后設計人員需要對系統(tǒng)進行調(diào)試，在調(diào)試中修正各項技術缺陷，從而完成監(jiān)控平臺控制系統(tǒng)的構建，后續(xù)將系統(tǒng)用于實際生產(chǎn)中[2]。

一般而言，系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構的劃分因需求而異，但是大體上主要包含以下幾個組成：系統(tǒng)控制中心、無線監(jiān)控網(wǎng)絡、5G 控制網(wǎng)絡以及環(huán)境因子控制。在這些架構之中，無線監(jiān)控網(wǎng)絡的構建主要以ZigBee 協(xié)調(diào)器為主，形成覆蓋性強的通訊網(wǎng)絡。無線網(wǎng)絡的個節(jié)點主要分布于蔬菜生長區(qū)域，節(jié)點的作用是對蔬菜生長環(huán)境的溫度、光強、濕度、CO2濃度、土壤濕度、營養(yǎng)液pH 值和EC值等進行動態(tài)調(diào)控，同時還能監(jiān)測室外氣象條件。傳感器在獲取數(shù)據(jù)后會將相關數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心[3]。在整個系統(tǒng)架構之中，無線監(jiān)控網(wǎng)絡是主體組成。ARM+linux 平臺是控制中心的基礎構造，能夠?qū)Ω黜棻O(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效管理，并生成決策數(shù)據(jù)，幫助人們動態(tài)調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境。通過RS232 指令可以將控制中心的控制信息傳送到繼電器系統(tǒng)中，然后對植物生長溫度、濕度等各項生長要素進行調(diào)節(jié)。5G 控制網(wǎng)絡能夠24 小時不間斷地對植物生長情況進行監(jiān)測。通過應用5G 技術以及ZigBee 網(wǎng)絡可以使得植物生產(chǎn)質(zhì)量得到提升。

二、上位機模塊

在監(jiān)控平臺上位機結(jié)構中，主要以PC機為主，上位機的主要功能有四個：第一，通過TCP/IP 實現(xiàn)上位機與ZigBee 網(wǎng)連接進行信息傳遞，然后將下位機數(shù)據(jù)獲取，同時根據(jù)實際情況向下位機下達調(diào)控指令；第二，在收到相關數(shù)據(jù)后通過屏幕將數(shù)據(jù)顯示出來，并對數(shù)據(jù)進行解碼保存；第三，分析歷史數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)后處理異常數(shù)據(jù)，對控制信息進行更新；第四，為使用者提供數(shù)據(jù)調(diào)取服務，同時可以將歷史數(shù)據(jù)曲線顯示在屏幕上。

三、下位機模塊

下位機主要存在與蔬菜種植基內(nèi)設置的Zigbee 節(jié)點上，其核心部件選用的是意法公司ARM 微控制器。下位機可以采集植物溫濕度、檢測光照強度、檢測空氣中CO2濃度、檢測土壤含水量等，然后將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至ARM 控制器內(nèi)部，然后對其進行調(diào)控。在下位機結(jié)構構造中，主要以Zigbee節(jié)點為主，借助于分布在區(qū)域的傳感器對植物生長的溫濕度、CO2信息以及光照強度等進行檢測，然后借助于模糊算法能夠動態(tài)的調(diào)節(jié)植物生長的溫度、濕度。而LCD 顯示器可以將感器獲取的環(huán)境信息現(xiàn)實出來，操作人員也可以使用鍵盤對現(xiàn)場參數(shù)進行調(diào)節(jié)控制，而ZigBee 模塊能夠?qū)崟r與上位機進行信息傳遞，可以將各類采集的信息發(fā)送到上位機，然后由上位機下達控制指令。

四、上、下位機通信

在控制平臺中，實現(xiàn)上位機與下位機通過的主要網(wǎng)絡是ZigBee 無線通網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡可以全天候不中斷進行通訊。ZigBee 網(wǎng)絡術語近距離無線傳感器網(wǎng)絡，其優(yōu)勢在于功耗非常地、成本投入少并且可靠性更高。相比用戶RS-485 網(wǎng)絡或者是RS-232 網(wǎng)絡，采用ZigBee 網(wǎng)絡的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)監(jiān)測、控制于一體，極大優(yōu)化了系統(tǒng)運行的效率。

五、監(jiān)控平臺功能

采集終端的形式為嵌入式，能夠穩(wěn)定地將傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)接收到，然后將數(shù)據(jù)保存顯示。通過該平臺能夠?qū)⒚總€溫室內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)進行動態(tài)分析處理。如果平臺獲取遠程終端請求指令，則可以以短信的形式進行相關數(shù)據(jù)傳輸，使得用戶通過手機則可以查看具體的情況。平臺可以根據(jù)預先設定好的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整，如果某一項參數(shù)出現(xiàn)異常將會觸發(fā)報警機制，相關人員可以通過警報類型分析具體的問題并提出針對性改進措施。技術人員可以借助于PC 機、5G手機通在web 服務器上進行操控，從而解決相關問題。通過這種形式，能夠?qū)崿F(xiàn)預期功能建設的目標，所以在設計監(jiān)控平臺時，應該進一步將網(wǎng)絡工具應用，特別是5G 技術，能夠極大地優(yōu)化網(wǎng)絡平臺的轉(zhuǎn)速度，解決數(shù)據(jù)傳輸不及時的問題，進而實現(xiàn)高質(zhì)量管控的目標。

六、結(jié)束語

總而言之，將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用在蔬菜種植數(shù)字化監(jiān)控平臺設計之中，并對監(jiān)控平臺控制流程進行優(yōu)化，合理地構建上位機、下位機，借助于5G 網(wǎng)絡技術控制信息傳傳遞，可以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文主機研究了ZigBee 網(wǎng)絡下蔬菜監(jiān)控平臺構建方案，旨在進一步優(yōu)化平臺的結(jié)構組成，使得平臺能夠發(fā)揮出其最大的作用，確保各項調(diào)控內(nèi)容的穩(wěn)定，這對于蔬菜種植質(zhì)量的提升十分重要。