溫室大棚氣象環境監測網絡系統設計

劉俊宏 裴翀 盧會國 李從英

摘要：溫室大棚在農業生產中可以有效減少自然災害的影響，因此溫室大棚的氣象要素監測成為了迫切的需要。本設計中大棚不再是1個孤立的個體，而是將大棚組合為1個網絡，單個大棚是1個節點，單個區域也可以是1個節點。設計了基于ADAM-4000系列的溫室大棚氣象環境監測網絡系統，系統由環境參數采集端和監控中心2部分組成，采集終端以ADAM-4000系列為控制核心，負責采集溫室大棚內的環境信息，通過串口把監測到的數據傳送到監控中心上進行顯示，并備份到數據庫SQL Server里進行歷史數據查詢。

關鍵詞：溫室大棚；氣象環境；監測網絡

中圖分類號：S24文獻標志碼：A論文編號：2013-0847

0引言

隨著科技的進步，農業科學化程度的提高，自然環境的日益惡化，為了滿足人們生活的需要，人們必須改變靠天吃飯的局面，同樣為了提高產量，減少農作物受自然災害的影響，溫室大棚種植農作物已經在中國逐漸普及。因此，溫室大棚的氣象要素監測成為了迫切的需要。通過監測作物生長環境的氣象條件和大棚外部環境，及時地利用自然環境或隔離外部自然環境對作物的傷害成為智能農業的一個永恒課題。

目前，國內外對溫室大棚的研究[1]已經邁入了網絡化、智能化階段[2-4]，利用計算機技術和數據采集控制技術對溫室環境進行控制，并實現了作業機械化、自動化等控制功能[5-6]。而在農業生產中，有許多因素影響著農作物的生長和產量，比如，環境溫度﹑濕度﹑CO2濃度及光照強度等。然而，由于溫室大棚的分散性﹑區域化較強，給環境數據采集帶來了很大的不便。因此，本研究重視溫室大棚內外的氣象環境監測，然后根據實際氣象環境條件進行調節控制，做到可脫離人工干預的自動調節，不再把大棚作為同一個孤立的個體，將其組合為1個網絡，設計了1套基于ADAM-4000系列的溫室大棚監測網絡系統[7]，滿足了遠距離條件下溫室環境信息監測的需要，采用該套系統可以將遠程溫室大棚內外的實時環境信息通過無線網絡[8-10]傳輸到監控中心，監控中心的軟件能夠對這些數據進行顯示、存儲和查詢等工作，以便指導農業生產活動來提高農業產值。

1系統總體設計

目前中國的溫室環境自動控制系統，一般通過采集溫度﹑濕度﹑光照﹑CO2等氣候條件實現通過滴灌﹑微灌技術對營養液﹑溫度﹑光照﹑CO2﹑施肥的遠程控制等。本研究采用對大棚內的溫度﹑濕度﹑光照和大棚外風速﹑風向的采集，以便監控大棚內外的氣象環境參數的變化情況。

溫室大棚環境監測網絡系統由多個大棚和1個中心站組成，每1個大棚又是以氣象環境參數采集傳感器﹑采集器（ADAM-4000系列）和控制分中心組成。系統分層結構如圖1所示。

氣象環境參數采集端主要負責通過各種傳感器獲取溫室大棚內的溫度、濕度和光強數據和大棚外的風速風向數據，并將這些數據通過無線通道傳送到監控中心；監控中心主要負責接收環境參數采集終端返回來的數據，系統樹型邏輯圖如圖2所示。采用Visual Studio平臺下C#語言設計的監控軟件，具有動態曲線顯示、數據備份等功能，該系統能為研究農作物的生長提供強有力的數據支持。

2詳細設計

2.1氣象要素傳感器選擇

2.1.1溫濕傳感器溫室大棚需要獲取溫度、濕度參數信息，才能更好地掌握植物生長環境，但要求精度并不高，溫度的精度1℃，濕度的精度達到5%基本可以滿足需求，從性價比綜合分析考慮，選擇了JWSL-6ACW溫濕變送器，它是傳感、變送一體化設計的，適用于暖通級室內環境及通風管道的溫濕度測量。采用DC24V供電，范圍±10%；溫度量程0~50℃，濕度量程0~100% RH；溫度準確度±0.5℃，濕度準確度±3% RH。這里輸出電流信號。

2.1.2光照植物的生長離不開光照，沒有足夠的光照就不能產生光合作用，產生光合作用最有效的波段在可見光波段，為了便于研究在不同光照強度下植物生長的情況，選擇了TBQ-2總輻射表作為光照傳感器，其測量原理為熱電效應，感應元件采用繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。熱接點在感應面上，而冷結點則位于機體內，冷熱接點產生溫差電勢。在線性范圍內，輸出信號與太陽輻照度成正比。為減小溫度的影響則配有溫度補償線路，為了防止環境對其性能的影響，則用兩層石英玻璃罩，罩是經過精密光學冷加工磨制而成的。

測量的光譜范圍為280~3000 nm，靈敏度為13.039 μV/Wm2。在線性范圍內，輸出信號與太陽輻照度呈正比。

2.1.3風速風向傳感器為了充分利用大自然環境，溫室大棚經常需要打開窗戶交換氣體，但過小的風速無法快速有效地交換能量，可能需要采用排氣扇幫助交換，過大的風速在打開窗戶的情況下可能會造成大棚的損傷，需要及時關閉窗戶或者通風門，因此檢測大棚外的風速、風向十分必要而重要的事，本設計選擇長春氣象儀器廠生產的EZC-1型風速風向傳感器，其中：

（1）風速傳感器。EZC-1型風速傳感器是一種高響應、低門限、三風杯的光電型風速計。傳感器使用DC12V電源，風速信號為時間軸上的12 V脈沖頻率信號，輸出頻率與風速成正比的信號。

風速與脈沖頻率的轉換，見公式(1)。

V(m/s)=0.1f(Hz)…(1)

即每10個脈沖為1 m/s的風速量。

（2）風向傳感器。EZC-1型風向傳感器也是光電型傳感器，由單風標、格雷碼盤、光電組件組成。輸出對應當時風向的幅度為12 V的7位格雷碼（每位格雷碼只有電平高低的區別，習慣上高電平為1，低電平為0，轉動時風向信號以2.8°的分辨率為步進變化，測量范圍為0~360°）。

2.2數據采集和通信模塊選擇

根據系統總體結構圖溫室大棚的數據采集包括溫度、濕度、光照、風向、風速、CO2，這些傳感器的信號類型匯總，見表1。

考慮到研究經費的有限，本設計未購買CO2傳感器，通過調研發現大多CO2傳感器輸出信號為電壓和電流形式，因此為CO2留出采集端口。為了實現這些信號的采集通過查閱ADAM4000資料[11-13]，決定選擇以下模塊來實現。

2.2.1ADAM-4117模塊ADAM-4117是16位A/D 8通道的模擬量輸入模塊，可以采用電壓、電流等模擬量輸入信號。ADAM-4117支持8路差分信號，具有4~20 mA、0~20 mA、±20 mA等電流量程。本研究選擇4~20 mA量程。

如果測試電流信號，需在該通道的輸入端口并聯1個125 Ω的精密電阻。在電路中，分別并聯了1只100 Ω的精密電阻，采用該模塊采集3個電流信號和1個電壓信號，即將溫度﹑濕度﹑CO2和光照傳感器接入ADAM-4117采集，如圖3所示。

2.2.2ADAM-4080模塊ADAM-4080有2個獨立的32位計數器輸入通道（計數器0與計數器1），可計數也可測量頻率，采取非隔離輸入方式，選擇0-10V量程。

提供TTL輸入和光隔離輸入2種信號接口方式，并分別提供接線端口。接好線后，需要編程來確定哪種輸入方式被激活。本研究采取非隔離輸入方式來采集風速傳感器信號。

2.2.3ADAM-4050模塊ADAM-4050提供7路數字量輸入和8路數字量輸出，輸入支持干節點和濕節點，對濕節點輸入電壓+3.5~30 V為高電平；低電平為0~+1 V。輸出0~30 V集電極開路。7路數字量輸入正好接入風向的7位格雷碼數據采集，8路數字量輸出用于控制其他設備（加溫器、加濕器、燈光、排風扇、天窗等）。

2.2.4WSN-4520模塊WSN-4520模塊[14]是研華為物聯網應用開發的無線網關，集成ZigBee無線功能﹑支持省電管理和多種I/O拓撲結構。基于IEEE802.15.4無線標準[15]，易于網絡部署和擴充。通過工業通訊協議Modbus-RTU，WSN-4520可與研華其他產品，如ADAM等，組成SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition系統，即數據采集與監視控制系統）。

WSN-4520模塊工作在2.4 GHz頻段，室外傳輸距離為250 m（2dBl天線），串口通訊的端口類型為RS-485串口。

2.2.5系統連線環境參數采集端硬件主要包括ADAM-4520串口轉換模塊、溫濕度傳感器JWSL-6ACW、光強傳感器（總輻射表TBQ-2）、風速風向傳感器(EZC-1)以及ADAM-4000系列的數據采集等模塊組成。系統連線如圖3所示。

3系統實現

系統初步實現實時顯示個氣象要素的值，包括讀取溫度、濕度、風速、風向及光照強度的顯示，以及溫濕度、風速風向的實時曲線圖。通過曲線圖，各氣象要素值的變化趨勢一目了然，便于更好的大棚內外的環境要素。

3.1數據讀取與顯示

將各傳感器采集到的環境參數輸出的信號，通過ADAM-4000模塊的采集，采用RS-485方式接入WSN-4520模塊，WSN-4520模塊通過無線傳輸到連接計算機端的另一個WSN-4520模塊，然后通過PC端軟件自動讀取，顯示在軟件界面上，如圖4所示。

3.2實時曲線圖

在C#中，繪制曲線圖需要使用Graphics類提供的DrawLine方法和使用Pen類繪制線條。將讀到的溫度﹑濕度﹑風速﹑風向分別存入1個一維數組，在畫點連線時，再讀出這些字符串。大棚內溫濕度實時曲線和大棚外風速風向實時曲線如圖5所示。

4結束語

本設計主要是模擬多個溫室大棚，并將這些大棚編號，為方便讀取到大棚內外的氣象環境參數，使用了多種傳感器，并將這些數據通過無線發送到監控中心的計算機上。設計在系統界面和功能上還有許多不足之處，并且在控制大棚方面沒有相應的措施，還需要在后期的工作中不斷完善。但是，此設計基本實現了所需要的功能，為大棚氣象環境參數的獲取的控制提供了便利。

參考文獻

[1] 李偉,段翠芳,滑偉娟.溫室監控系統在國內外的發展現狀與趨勢[J].中國果蔬,2010(6):3-5.

[2] 康東,嚴海磊.遠程溫室大棚控制系統設計[J].控制工程,2009,16(S3):8-10.

[3] 李敏,孟臣.溫室大棚計算機測控系統的研制[J].計算機與農業,2001(6):9-11.

[4] 畢衛紅,陳鑫.基于GSM的智能溫室監測系統[J].電子測量技術,2009,34(3):114-116.

[5] 董文國.蔬菜溫室大棚智能控制系統的設計[D].曲阜:曲阜師范大學,2012:25-39.

[6] 汪小星,丁為民.溫室環境控制技術探討[J].農機化研究,2000(4):41-45.

[7] 白云洲.基于W5100的網絡化溫室大棚環境監測系統制造業自動化[J].制造業自動化,2011(2):21-22,28.

[8] 李立揚,王華斌,白鳳山.基于Zig Bee和GPRS網絡的溫室大棚無線監測系統設計[J].計算機測量與控制,2012,20(12):3148-3150.

[9] 曹新,董瑋.基于無線傳感網絡的智能溫室大棚監控系統[J].電子設計應用,2012,38(2):84-87.

[10] 王福祿.基于無線傳感器網絡技術的溫室大棚環境監測系統研究[J].自動化技術與應用,2009,28(10):61-63.

[11] 蔡福貴,黃大貴.基于模塊化設計思想的測控系統框架設計[J].計算機應用研究,2004(5):178-180.

[12] 王銀鎖.基于ADAM4000液位DDC控制系統的研發[J].自動化與儀器發表,2013(2):147-148.

[13] ADVANTECH.ADAM 4000 data acquisition modules users manual[Z].2008.

[14] 岳青.基于WSN的溫室環境智能監控研究[D].陜西:西北農林科技大學,2011:7-15.

[15] 酈亮.IEEE802.15.4標準及其應用[J].電子設計應用,2003(5):26-28.