基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚卷簾自動(dòng)控制系統(tǒng)

劉思晴，解迎剛，沈 彤，劉永強(qiáng)

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 引 言

在我國(guó)北方地區(qū)，早春、早秋、冬季溫室大棚內(nèi)氣溫比較低，不適宜農(nóng)作物的生長(zhǎng)。大棚卷簾相當(dāng)于一層保溫層，在極端天氣下起到重要作用，不僅能夠抵御惡劣天氣，而且能夠起到保溫作用，使得作物不受外界嚴(yán)酷環(huán)境尤其是溫度的驟然變化影響。而收放卷簾工作是一項(xiàng)重復(fù)、費(fèi)時(shí)的工作，使用溫室卷簾機(jī)能大幅減少卷放簾時(shí)間。目前大棚卷簾多為人工手動(dòng)控制卷簾機(jī)，而一臺(tái)卷簾機(jī)平均卷放簾子時(shí)間為5～6 min，如果使用手動(dòng)控制方式，每棚用時(shí)5～6 min，再加上步行時(shí)間約4～5 min，總共用時(shí)約為10 min?，F(xiàn)以有50個(gè)溫室的園區(qū)為例，采用手動(dòng)方式時(shí)卷簾工作共需500 min，如果使用5名員工人工操作需要100 min，容易延誤溫室農(nóng)作物的采光時(shí)間，而且如此重復(fù)、不便的操作實(shí)在過(guò)于低效，手動(dòng)卷簾不適合規(guī)?；图s化生產(chǎn)。

為解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一款基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)人值守卷簾機(jī)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)程序自動(dòng)定時(shí)或者遠(yuǎn)程調(diào)用控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)帶動(dòng)卷簾，實(shí)現(xiàn)卷簾收放；此外，還可以在農(nóng)業(yè)大棚中加入傳感器，并在卷簾上布置感應(yīng)節(jié)點(diǎn)/模塊，當(dāng)卷簾收起/放下到一定位置時(shí)，系統(tǒng)命令伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止旋轉(zhuǎn)過(guò)度。同時(shí)，可在卷簾工作完成后，利用已安裝在現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭拍攝狀態(tài)圖片，實(shí)時(shí)發(fā)送到農(nóng)戶(hù)手機(jī)上。無(wú)人值守的智能化卷簾機(jī)控制系統(tǒng)避免了升降大棚卷簾機(jī)的時(shí)間對(duì)大棚生產(chǎn)的限制，解放了勞動(dòng)力，解決了設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的后顧之憂(yōu)。既節(jié)約了成本，又避免整套更換智能大棚會(huì)進(jìn)一步加大農(nóng)作物損害的風(fēng)險(xiǎn)。

本文還設(shè)計(jì)了手機(jī)APP或PC端控制系統(tǒng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)暢通且網(wǎng)關(guān)和手機(jī)端設(shè)備均連接上同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分、土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)；并通過(guò)人工智能系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，模擬出最適合溫室內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，進(jìn)而隨時(shí)操控卷簾機(jī)收放卷簾，保證溫室大棚內(nèi)環(huán)境最適宜作物生長(zhǎng)，為作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上所使用的卷簾機(jī)大部分均為步進(jìn)電機(jī)，因此本設(shè)計(jì)也使用24 V步進(jìn)直流電機(jī)。單獨(dú)使用直流電機(jī)顯然不能夠直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，因此必須使用兩路繼電器進(jìn)行控制。當(dāng)從繼電器輸入正向電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)能夠正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)輸入反向電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)采用Cat1云可編程式網(wǎng)關(guān)作為核心部件，將電腦與可編程式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，在開(kāi)發(fā)模式下將編寫(xiě)好的核心程序燒寫(xiě)入網(wǎng)關(guān)。確認(rèn)代碼無(wú)誤后，使用網(wǎng)關(guān)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試代碼是否能夠正常運(yùn)行，隨后下載至網(wǎng)關(guān)內(nèi)，接通電源后自動(dòng)運(yùn)行下載好的程序，根據(jù)程序功能即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行/自動(dòng)控制。

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，傳感器是必不可少的。本設(shè)計(jì)使用溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和土壤PH酸堿度傳感器對(duì)棚內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合采集。同樣通過(guò)編寫(xiě)核心程序內(nèi)的代碼實(shí)現(xiàn)與各個(gè)傳感器之間的通信/信息傳遞，從傳感器獲取數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關(guān)通過(guò)編寫(xiě)的代碼，將相關(guān)數(shù)值與設(shè)置好的閾值進(jìn)行比較，并判斷是否放下/升起大棚卷簾。例如，當(dāng)棚內(nèi)溫度過(guò)低時(shí)，傳感器向網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)程序判斷此時(shí)大棚正在經(jīng)歷惡劣天氣，急需保溫，因此通過(guò)網(wǎng)關(guān)下達(dá)指令，令卷簾機(jī)放下卷簾，保護(hù)大棚內(nèi)作物的安全和合適的溫濕度。除此之外，通過(guò)代碼編程，也可實(shí)現(xiàn)調(diào)動(dòng)其內(nèi)置的通信模塊功能，將采集到的溫濕度等數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至阿里云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

從整體來(lái)看，上述系統(tǒng)實(shí)際上就是系統(tǒng)的自動(dòng)控制支線(xiàn)，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)、指令自行對(duì)卷簾機(jī)進(jìn)行控制，其流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)控制循環(huán)流程

然而，一套完全閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)顯然存在諸多問(wèn)題，例如對(duì)突發(fā)事件的處理等；除此之外，若要實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守系統(tǒng)，整套系統(tǒng)應(yīng)具備可以通過(guò)外部介入（人工控制）控制卷簾機(jī)的功能，以此應(yīng)對(duì)極其突發(fā)的事件；如果要擁有常用的每日定時(shí)功能，就需要一套能夠?qū)崿F(xiàn)中斷、打斷、優(yōu)先度更高一級(jí)的手機(jī)APP小程序。顯然通過(guò)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制一定是優(yōu)先度最高的，其不能與自動(dòng)控制的系統(tǒng)沖突。手機(jī)APP操作支線(xiàn)路流程如圖3所示。

圖3 手動(dòng)控制循環(huán)流程

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

在硬件選型與設(shè)計(jì)方面，主要的困難點(diǎn)為如何打通從網(wǎng)關(guān)到卷簾機(jī)、從網(wǎng)關(guān)到APP這兩條線(xiàn)路。實(shí)際上后者能夠通過(guò)后文所介紹的軟件編程進(jìn)行解決，設(shè)備使用的可編程網(wǎng)關(guān)自帶SIM卡，編程后可以直接向云端上傳數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的物理硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要的硬件系統(tǒng)選型如下：

圖4 物理硬件結(jié)構(gòu)

（1）可編程網(wǎng)關(guān)選型

作為本設(shè)計(jì)的核心部件，對(duì)于可編程器的選擇至關(guān)重要。如果選擇C51單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，雖然端口也為普通的通信串行口，但設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)陋，存在平臺(tái)對(duì)接、兼容性以及成本等問(wèn)題，且C51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板不具備單獨(dú)的通信模塊，不能夠直接將獲取到的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器/云平臺(tái)。因此本設(shè)計(jì)采用可編程網(wǎng)關(guān)TiGW200（Cat1）作為核心部件，提供整條自動(dòng)控制支線(xiàn)路的編程控制。

使用網(wǎng)關(guān)模塊雖然能夠?qū)崿F(xiàn)上傳云平臺(tái)的通信功能，但是其內(nèi)部的算法至關(guān)重要。除了后文要提到的燒寫(xiě)入網(wǎng)關(guān)的核心算法和代碼之外，還必須具有能夠發(fā)出指令控制卷簾機(jī)收放卷簾的接口。本設(shè)計(jì)采用的網(wǎng)關(guān)擁有兩路RS 485通信口以及電源供電，通過(guò)插入手機(jī)SIM卡來(lái)確保通信的可靠性。

（2）信號(hào)轉(zhuǎn)換控制器選型

如上文所述，設(shè)計(jì)使用可編程網(wǎng)關(guān)作為核心部件，但由于網(wǎng)關(guān)只提供RS 485通信串行口，其5 V的弱電顯然不可能控制強(qiáng)電的24 V電機(jī)，因此在兩路繼電器/中繼器之間顯然還缺少一種模塊，它需要實(shí)現(xiàn)左側(cè)RS 485通信口輸入，將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量后，從右側(cè)開(kāi)關(guān)輸出側(cè)輸入能夠給予控制繼電器的模擬量。

RS 485轉(zhuǎn)兩路開(kāi)關(guān)模擬量控制器實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量與模擬量的對(duì)接，即網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS 485發(fā)出指令信號(hào)后，通過(guò)轉(zhuǎn)換器即可轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的模擬量信號(hào)。

（3）兩路控制繼電器選型

若想實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)關(guān)控制卷簾機(jī)這一條線(xiàn)路，那么在控制器轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量后必然需要一個(gè)模塊能夠通過(guò)正向、反向電流來(lái)驅(qū)動(dòng)卷簾機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這便是開(kāi)關(guān)控制模塊。在這里值得一提的是，若選用普通的4～8腳繼電器，則只能實(shí)現(xiàn)單向的通電/斷電，無(wú)法實(shí)現(xiàn)正向電流與反向電流的供給，因此這里選用兩路電路控制器。

3 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的功能如下：

（1）在電動(dòng)卷簾機(jī)的基礎(chǔ)上，推出無(wú)人值守的智能化卷簾機(jī)控制系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)控制農(nóng)用大棚卷簾機(jī)的升降，基于物聯(lián)網(wǎng)感知并實(shí)時(shí)反饋卷簾機(jī)卷簾位置，每天定時(shí)或根據(jù)天氣狀態(tài)啟動(dòng)卷簾，當(dāng)卷簾機(jī)放下或收起達(dá)到限定或指定位置后即自行停止；并可在卷簾工作完成后，利用已安裝在現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭拍攝狀態(tài)圖片，實(shí)時(shí)發(fā)送到農(nóng)戶(hù)手機(jī)上，大大解放了勞動(dòng)力，避免了升降大棚卷簾機(jī)時(shí)間對(duì)群眾大棚生產(chǎn)的限制。溫室大棚卷簾機(jī)實(shí)物如圖5所示。

圖5 溫室大棚卷簾機(jī)實(shí)物圖

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，通過(guò)在溫室安裝各類(lèi)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分、土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)；并通過(guò)人工智能系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，模擬出最適合溫室內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，進(jìn)而對(duì)供水系統(tǒng)、卷簾裝備等進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，從而改善溫室內(nèi)部農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，達(dá)到調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等目的。

（3）農(nóng)戶(hù)手機(jī)APP監(jiān)控軟件可以通過(guò)APP軟件精確了解溫室內(nèi)以及農(nóng)田的環(huán)境狀況，并可對(duì)溫室的卷簾、水泵等裝置進(jìn)行控制，以達(dá)到植物的最佳生長(zhǎng)環(huán)境或人為設(shè)定環(huán)境。手機(jī)APP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

圖6 手機(jī)APP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)以編程網(wǎng)關(guān)TiGW200（Cat1）作為核心部件，手機(jī)端通過(guò)4G網(wǎng)卡連接網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)另一側(cè)連接傳感器、電機(jī)等設(shè)備，進(jìn)而通過(guò)手機(jī)APP控制大棚卷簾和監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)部的環(huán)境，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)早晚定時(shí)收放卷簾，遇突發(fā)情況手機(jī)APP能夠直接控制卷簾收放，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境并把數(shù)據(jù)反饋到手機(jī)APP，通過(guò)與數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)而控制水泵、卷簾等裝置，創(chuàng)造并維持最佳的植物生長(zhǎng)環(huán)境。與手動(dòng)控制的傳統(tǒng)大棚卷簾相比，此設(shè)計(jì)節(jié)約了大量的人力，實(shí)現(xiàn)了高效種植；通過(guò)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化水平來(lái)降低設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高時(shí)間自由度。實(shí)現(xiàn)信息的高效共享，對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民富裕、農(nóng)村繁榮具有十分重要的意義。