基于物聯網的智能溫室測控系統構建

李勝　劉娜　王彥等

摘要：根據外部信息網與內部測控網及其交互方式的不同，比較分析了3種典型的物聯網溫室智能監控系統方案，分別是成本較低、簡便、維護少的串行總線/以太網方案，以現場服務器和Web中央服務器為核心進行智能控制的基于Web的方案，充分利用無線通信技術的無線傳感器網絡/3G網絡方案。3種方案很好地將測控網絡與互聯網融合，達到了溫室網絡遠程監控的目的。

關鍵詞：物聯網；智能溫室；測控

中圖分類號：S126；TP393.03 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）19-4822-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.043

Abstract： According to the external information network， internal monitoring network， and the differences in interactive mode between them， this article analyzed three kinds of plan of typical greenhouse intelligent monitoring system based on internet of things： plan of serial bus/ethernet that is low cost， simple and less maintenance； plan based on web that can intelligently control the greenhouse with the field server and web central server as the core； plan of wireless sensor network/3G network that fully use wireless communication technology. It indicated that they all made good fusion of measuring and control network with internet， achieving the aim of remote network monitoring of greenhouse.

Key words： internet of things； greenhouse； monitoring and control

物聯網是通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術、全球定位系統、紅外傳感器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息與互聯網結成的一個巨大的網絡。其目的是實現物與物、物與人、所有物品與網絡的連接，方便識別、管理與控制[1]。物聯網的核心和基礎是互聯網，不過用戶端不僅局限于個人電腦，而是延伸到任何需要實時管理的物品與物品之間[2]。

傳統的智能控制系統多采用私有協議，彼此間難以互通，導致結構不透明，靈活性、擴充性不佳。從長遠看，智能控制系統的發展趨勢是走向開放，尤其是智能控制與互聯網的融合是其中一個重要發展趨勢。

物聯網智能溫室系統是將物聯網信息傳感設備及控制平臺、互聯網平臺及終端、視頻監控平臺及終端以及農業自動化機械設備組合起來，從遠程獲取溫室內環境參數、遠程自動操作控制外部配套設備、遠程診斷農作物病變3個方面入手，進行系統配置，實現遠程、適時、便捷的控制功能[3]。結合中國的實際情況，從農業、農村、農民的實際需要出發，利用目前前沿的物聯網技術、有線和無線傳感器技術、嵌入式技術、GPRS/3G等網絡平臺等為廣大農戶提供多種類型的集數據采集、傳輸、處理和業務管理的溫室智能監控系統，使分散的溫室的遠程監控與無處不在的互聯網技術緊密的結合起來，服務“三農”。

目前的物聯網智能溫室系統外部信息網絡主要是采用GPRS、3G移動互聯網或有線的以太網通過TCP/IP協議接入Internet。內部測控網絡一般采用基于串行總線的集散控制網絡、各種現場總線網絡或Zigbee無線自組織網絡。根據具體應用選擇不同的內外部網絡及其網絡間交互方式，產生了各種不同的智能溫室系統。本研究對比分析了3種有代表性的物聯網智能溫室系統的實現方案。

1 系統構建方案

目前中國建設的連棟溫室面積多在1～4 km2。這類溫室面積適中，對溫室的智能控制有比較迫切的需求。如何為這類溫室提供可靠、經濟的智能監控系統成為研究的重點。

1.1 串行總線/以太網方案

串行總線/以太網方案綜合利用目前比較成熟的數字傳感器技術、串行總線技術、嵌入式技術、TCP/IP協議和以太網的數據傳輸技術，為以較低的成本實現溫室的網絡智能控制提供了可行的方案。該智能監控系統上位機為遠程PC，下位機包括單片機數據采集終端、繼電器控制電路等，下位機通過網絡接口模塊直接接入以太網。該方案的主體結構如圖1所示[4]。該方案是采用高速以太網作為上層信息網的核心，便于實現系統的遠程控制，底層控制網仍然采用低速的串行總線網絡。基于LPC2132Z主控芯片的數據采集終端起到了嵌入式網關的作用。RS232主要用于系統調試，也可以與采用RS232通訊方式的設備相連。RS485作為網關的輸入輸出通道。遠程數據采集系統通過網絡接口模塊與以太網相連，由遠程計算機發送任務請求或由采集系統主動傳遞數據給遠程監控計算機，從而實現設備與Internet的互聯[4]。

該方案具有布線簡單、使用方便、系統控制器穩定、數據傳輸可靠性高，所需維護少等特點。采用有線方式很好地克服了無線網絡抗干擾能力差、受障礙物影響大、信號傳輸不可靠、經常需要更換電池等缺點。對于傳感器數量不多且位置較為集中的溫室是一種較為經濟的方案。

此外，很多方案也將網絡接口模塊設計成支持無線網絡，將有線的傳感器連接方式改為無線方式。

1.2 現場服務器/Web服務器方案

以太網/串行總線的混合控制網絡通過嵌入式網關能夠實現TCP/IP協議到串行總線協議的轉換，進而達到高速的以太網和相對低速現場設備之間互連的目的。但是嵌入式網關的具體實現方法非常復雜和困難，而且協議的轉換和信息的收發途徑決定了其相對低下的通信效率[5]。將這些工作交給上位機溫室現場服務器來處理是一種較好的解決辦法。

現場服務器方案的上層信息網由Web中央服務器和現場服務器兩層服務器組成。中央服務器一方面向溫室現場服務器傳遞來自客戶的請求和控制指令，另一方面將溫室的各種環境信息反饋給網絡用戶。現場服務器主要負責控制溫室現場設備，使其不僅能夠按照用戶的控制指令實現設備的開關等控制，而且還可以脫離用戶自主完成默認的控制任務，同時還發送溫室環境信息。客戶端則僅僅需要瀏覽器，無需安裝任何軟件，即可在Internet上通過訪問中央服務器實現對遠程溫室的控制。該控制系統的結構如圖2所示[6]。

溫室現場控制系統由溫室現場服務器（上位機）、溫室控制器（下位機）、繼電器箱、各種傳感器和加溫調濕等設備組成，結構如圖3所示[6]。溫室現場服務器中運行著溫室管理和控制程序，由數據采集、設備控制、默認控制邏輯及網絡通信4部分組成。用戶控制信息和溫室環境信息由中央服務器傳遞。無連接或網路中斷、阻塞時，溫室現場服務器執行內部默認的控制策略[6]。

很多系統采用的是“操作者—Internet—遠程設備”的體系結構，將Web中央服務器的功能集成到了客戶端和現場服務器上。這樣的結構不利于系統的動態調整和溫室的集群管理。

1.3 無線傳感器網絡/3G網絡方案

該方案為中國電信的智能大棚方案[3]，主要分為大棚現場、采集傳輸、業務平臺和終端展現4層架構，如圖4所示。

大棚現場主要負責大棚內部環境參數的采集和控制設備的執行。傳感器的數據上傳有Zigbee模式和RS485模式兩種，RS485模式中數據信號通過有線的方式傳送，涉及大量的通訊布線。在Zigbee傳輸模式中，傳感器數據通過Zigbee發送模塊傳送到Zigbee中心節點上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過Zigbee發送模塊傳送到中心節點上，省卻了通訊線纜的部署工作。中心節點再經過邊緣網關將傳感器數據、控制指令封裝并發送到位于Internet上的系統業務平臺。用戶可以通過有線網絡/無線網絡訪問系統業務平臺，實時監測大棚現場的傳感器參數，控制大棚現場的相關設備。Zigbee模式具有部署靈活、擴展方便等優點。

控制系統主要由一體化控制器、執行設備和相關線路組成，通過一體化控制器可以自由控制各種農業生產執行設備，包括噴水系統和空氣調節系統等，噴水系統可支持噴淋、滴灌等多種設備，空氣調節系統可支持卷簾、風機等設備。

采集傳輸部分主要將設備采集到的數值傳送到服務器上，現有大棚設備支持3G、有線等多種數據傳輸方式，在傳輸協議上支持IPv4現網協議及下一代互聯網IPv6協議。

業務平臺負責對用戶提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環境數據監測、數據空間/時間分布、歷史數據、超閾值告警和遠程控制5個方面。用戶還可以根據需要添加視頻設備實現遠程視頻監控功能。上述功能均可以讓用戶通過瀏覽器實時觀看。

系統能夠通過PC機IE瀏覽器（IE7.0版本以上）、Android操作系統（2.0.1版本以上）智能3G手機實時訪問農業大棚內傳感器數據，能夠對農業大棚卷簾、噴淋等設備進行實時控制。

該方案較適于多座溫室的規模化部署，對于規模較小的示范性溫室也能起到很好的展示作用。系統的網絡拓撲結構如圖5所示。

2 結論

比較分析了3種典型的基于物聯網的溫室智能測控方案。它們都將傳感器網絡和互聯網很好地融合在一起，并各具特色。由于溫室的環境、規模、投資等因素各有不同，具體的智能監控方案不盡相同，需要針對不同的情況采用不同的內外部網絡結構及其交互方式。如何構建更加簡單、開放、經濟的物聯網智能溫室系統值得我們繼續深入研究。

參考文獻：

[1] 徐彩娟.物聯網技術在農業大棚中的應用研究[J].科技信息，2012（3）：302，305.

[2] 金 攀.“物聯網”在設施農業方面的應用[J].農業工程技術·農產品加工業，2010（5）：40-41.

[3] 李國軍.基于物聯網技術的智能溫室系統[J].甘肅農業科技， 2012（4）：22-25.

[4] 侯建華.智能溫室遠程控制系統的設計與實現——基于LPC2132[J].農機化研究，2010，32（12）：150-153，159.

[5] 陳建恩，王立人.基于以太網的溫室測控系統架構方案[J].農機化研究，2003（4）：49-51.

[6] 蘇曉峰，孫忠富，張百海，等.一種基于Web的溫室遠程監控系統方案設計[J].農業網絡信息，2006（1）：18-21.