基于物聯網的植物生長控制系統研究

雷桂斌　王淑青　黃華達　江燎源　黃志威

摘要化學方法調節蔬菜水果的生長，對人體健康的影響，還有待人類更多的研究和認識。我國農業產業集中度低，農業科技的推廣嚴重受到成本的制約。在溫室內建立索道，用繩索牽引吊掛在索道上帶傳感器生長控制器，實現溫室任意位置、準確和有效數據采集，減少了生長控制系統的成本。植物生長控制系統將植物栽培技術和嵌入式控制技術結合，預測剩余生長期的生長環境參數，執行裝置運行控制命令，確保溫室的環境變量在需要的區間內波動。同時，它降低工人的勞動強度，提高植物生長期控制精度，實現農產品的附加值最大化。

關鍵詞環境變量；生長控制；性價比；物聯網；嵌入式系統

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07662-03

國際電信聯盟將物聯網定義為：通過二維標識碼識讀設備、射頻識別（RFID） 裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，物聯網中所有的元素，所有的設備、資源及通信等，都是個性化和私有化的。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。支撐層、感知層、傳輸層、平臺層和應用層構成物聯網產業5個層級，分別是物聯網產業規模的2.7%、22.0%、33.1%、37.5%和4.7%，參與物聯網感知層、傳輸層競爭的廠商眾多，成為產業中競爭最為激烈的領域，技術進步較快。

蔬菜、水果和花卉在現在人們日常生活中是必不可少的物品，隨著城市建設和人們生活質量的逐步提高，蔬菜、水果和花卉的需求數量和品種逐步增多，質量要求也逐漸提高，而且市場需求反季節條件下蔬菜、水果和花卉進行產出，傳統栽培方式在這樣的社會需求下已無法滿足要求，因此需要更精確地對作物生長進行控制，因此良好的溫室智能控制與管理系統對于蔬菜、水果和花卉來說是不可缺少的。我國蔬菜、水果和花卉種植面積是世界上最多的國家之一，種類豐富，有些是我國特有的品種，可以出口創匯創造很好的經濟效益；蔬菜、水果和花卉是附加值較高的作物，更多的回報可以來自于智能控制和管理上的投入和建設。但是，目前我國花舟溫室自動化程度還很低，現代化溫室比例僅有2%，所以溫室自動控制和管理系統在設施園藝方面的應用前景非常廣闊[1-4]。

隨著農業現代化的發展，溫室種植因其涉及學科廣、科技含量高、與人民生活關系密切，已越來越受到世界各國的重視。在溫室條件下，通過檢測控制植物生長的溫度、濕度、光照、水肥量等植物生長條件，從而定量控制植物生長，能有效提高農產品的附加值，如定量控制花卉的生長期，能確保某一時間段的花期，避免因環境因素的改變而使花期提前或延后，使生產效益最大化。我國農業產業分散，集中度低，農業科技的推廣嚴重受到成本的制約[5-9]。為此，筆者開展基于物聯網的植物生長控制系統研究，旨在為精度控制植物生長狀況及實現農產品附加值最大化提供參考。

1系統的總體設計

溫室系統是耦合性的不均勻的非線性的慣性系統，智能溫室的核心技術就是通過控制系統對溫室的環境變量進行檢測和調節達到適宜作物生長環境的目的。溫室系統是非線性系統，很難建立精確的模型來定性地研究。溫室內部的小氣候是個復雜的能量和物質轉化系統，環境變量種類多，不確定因素多，各變量之間進行著能量傳遞和物質交換。溫室系統是不均勻的系統，即便是小型的溫室也具有較大的面積，溫室內部各個部分的環境變量分布不均勻，比如溫室內不同的高度、同一位置不同時間點的溫度都是不同的，而且引起這些溫度變化的誘因是多方面的，有光照、氣流、濕度等多種因素。

溫室系統環境變量具有慣性。它并不是對外部調節立即響應，而是經過一段時間后才進行響應，溫室內部環境變量響應外部調節的過程有一定的時滯。比如夏天室外溫度過高導致溫室內溫度過高，通常要打開水簾和風機對室溫進行降低，當水簾和風機打開后并不是馬上就能降低溫度，而是在水簾風機工作一段時間后溫室內部的溫度才會降低。

溫室系統環境變量具有耦合性。溫室系統包含了多個環境變量，其中一個變量改變，會影響其他變量發生相應的變化，各變量之間是相關的，各個變量的控制過程是彼此耦合在一起的。

由上述特點可知，溫室系統是一個復雜的大系統，其具有多個輸入量和輸出量，對溫室系統提出的控制要求又因不同的作物而又有所區別，因此建立精確的控制模型是高成本的、不適用的。通常，在溫室控制當中往往采用的是區間控制，比如某作物只要外部的溫度在一定的溫度區間內就能很好地生長，在溫室控制當中只要保證溫室內部溫度調控在這一區間即可，而沒必要過分追求對溫度的精確控制。

如圖1、2所示，溫室系統是不均勻系統，為了數據足夠且準確有效，需要采集溫室多個數據采集點的數據，增加采集點就增加硬件，就會增加系統成本。環境數據變化較慢，間隔一定時間采集數據是可行的方案。為了減少成本，在溫室內建立索道，用繩索牽引吊掛的帶傳感器控制器，控制器可以在溫室水平面內任意位置停留下來采集數據，在采集數據期間，控制器靠充電電池提供電源。照度傳感器能調整方位角，采集不同方位角的光強。在停靠站，控制器連接充電器自動充電，減少維護工作量；控制器連接執行裝置執行控制命令，調節溫室的環境變量；控制器連接網絡向管理人員手機發送檢測數據，向服務器查詢最佳控制參數。溫室控制器控制運動控制子系統，運動控制子系統安裝在停靠站。繩索的運動由步進電機牽引，運動控制子系統單片機控制步進電機的運動速度、停留和采集數據的時間間隔。

圖1溫室立面圖2溫室平面2系統的硬件設計

控制系統包括主控制器和輔控制器。主控制器包括ARM處理器、存儲器、液晶顯示屏、有線網卡、無線網卡、GPRS模塊、攝像頭、檢測裝置和改變環境變量的執行裝置。檢測裝置包括空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、照度傳感器；執行裝置包括升溫設備、降溫設備、灌溉設備、噴霧設備、移動溫室覆蓋物電機和溫室通風設備電機（圖3）。輔控制器由AT89C52單片機、電源驅動模塊和步進電機組成，接受主控制器的指令，控制步進電機的運動速度、停留、采集數據的時間間隔和協同主控制器采集數據。主控制器采用三星的S3C2440A處理器、TSL2561光強度傳感器、SHT11溫濕度傳感器、TGS4160二氧化碳傳感器。