遠程農業大棚監控系統設計

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，哈爾濱 150080）

農作物種子萌芽階段是在特定的環境中進行的，在萌芽過程中受到外界環境各種因素的影響，其中影響最大的是溫度與濕度[1]。特別是在我國東北地區，初春時晝夜溫差與濕度的變化起伏巨大，對種子萌芽及其不利。因此必須對溫度和濕度進行監查和控制，使其在健康的環境中生長，提高種子的成活率。而隨著傳感技術和網絡水平的不斷提高，無線通訊技術在很多領域已經相當成熟，在農業方面實行新技術的規?；a已是發展的必然趨勢。本文從控制系統和監察系統2個方面對農業大棚監控系統進行設計。在控制系統方面應用解耦控制技術對大棚內的溫濕度參數進行控制；在監控系統方面，利用上位機和WiFi模塊結合Android手機2種監控手段對控制系統進行了直觀遠程的監控。

1 控制系統的設計

1.1 溫濕度解耦電路設計

控制系統主要采用解耦控制原理。在大棚內溫度的變化與濕度的變化存在強耦合關系，當大棚內加熱設備進行工作時，大棚內的溫度會升高，同時濕度會相對降低；當大棚內的加濕設備進行工作時，大棚內濕度會增高，與此同時溫度會降低[2]。其溫濕度解耦控制示意圖如圖1所示。

圖1 大棚內溫濕度解耦示意Fig.1 Schematic diagram of the temperature and humidity decoupling in greenhouse

圖1中，棚內的溫度和濕度可以進行相互之間的補償，通過溫度的變化去影響濕度的改變，其作用是相互的。由于對溫度、濕度控制不準確，只能知道其相互之間存在著強耦合的關系，而采用解耦的PID控制方法，就能實現對溫濕度的準確控制，從而對溫濕度的控制達到很好的效果。

1.2 溫濕度對角解耦原理及設計

解耦控制系統[3]是多輸入輸出系統綜合理論中的重要組成部分。對于常用的多輸入輸出控制系統來說，系統的每個輸入分量常與系統的各輸出分量存在耦合關系，即一個輸出分量可以受到多個輸入分量控制。這給系統的設計與分析帶來了很大的困擾。解耦的目的是通過計算分析尋求適當的控制率，使輸入輸出相關聯的多變量系統實現每個輸出僅受一個輸入的控制，每一個輸入也只能控制一個輸出。在大棚內使溫度、濕度的輸出受本身溫濕給定值的控制，其解耦控制原理如圖2所示。

圖2 大棚溫濕度解耦控制原理Fig.2 Decoupling control of the greenhouse temperature and humidity

其中，PID1和PID2分別為溫度控制器與濕度控制器；F11（S）、F21（S）、F12（S）、F22（S）均為設計的解耦器；G11（S）、G21（S）、G12（S）、G22（S）分別為溫度、溫度與濕度、濕度與溫度、濕度控制對象的傳遞函數。設定輸入調節量，輸出控制量 Y=，根據圖2可知大棚溫濕度解耦系統的傳遞矩陣函數為

故輸出控制量Y與輸入調節量U的關系為

對角解耦的原理就是將系統的傳遞矩陣變成對角矩陣，即：

設F（S）為解耦器的矩陣模型，則根據式（3）可以得出 F（S）為

求解出F（S）就可以得出解耦器的矩陣函數模型，從而得出對角解耦的結果。

通過式（2）、式（3）可以得出輸出控制量Y與輸入調節量U的解耦關系為

解耦后的等效原理圖如圖3所示。

在溫濕度控制系統中將PID控制器與對角矩陣運算相結合，所得到的解耦系統是一個對角矩陣，運算實現了一個輸入量只控制一個輸出量，最終實現了將耦合系統解耦的效果[4]。

圖3 解耦溫濕度等效原理Fig.3 Equivalent diagram of decoupling temperature and humidity

2 監察系統的設計

現今是信息技術蓬勃發展的時代，隨著現代計算機技術、通信技術、控制技術及圖形技術的發展，監察系統的設計也越來越靈活化、多變化[5]。本套監查系統采用實現最流行的無線WiFi通信技術和Android手機應用平臺，設計選用溫度傳感器AD590、濕度傳感器HS1101對棚內溫濕度進行采集，硬件選用上主要圍繞著高速IAP15F2K61S2單片機為控制核心，WiFi通信模塊選用USR-WIFI232-G模塊，由于監控系統工作在農間大棚，故選用太陽能供電方式進行供電，系統的總體框架圖如圖4所示。

圖4 監察系統總體框架Fig.4 Overall frame diagram of the system

根據圖4所示：首先通過溫度、濕度等傳感器采集棚內各項數據，數據經過信號調節傳送給單片機，單片機內事前設定出給定值比較出的偏差值，并進行數字解耦PID運算。通過單片機判斷大棚環境是否正常并將信號通過無線WiFi傳送到遠程上位機和Android手持設備。在WiFi覆蓋的范圍內，用戶可以通過上位機實時明確地觀測控制系統的運行效果。并且可以通過手持Android設備對大棚內的環境變化進行遠程監控。

2.1 Android客戶端設計

2.1.1 Android客戶端功能構架

Android是一種使用于移動設備基于Linux平臺的開源嵌入式操作系統[6]。該平臺主要由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件4部分組成，采用軟件疊層的（Software Stack）方式構建。設計系統采用客戶機/服務器的模式，客戶機端部分采用Java語言進行開發，數據存儲則利用Android自身數據庫SQLite來實現，結合Socket完成網絡通信；服務器端部分采用VB結合SQL以及Socket編程實現。最終編譯結果打包生成APK文件，該文件可以在Android手機上直接安裝并運行。相比于傳統的農業大棚無線監控系統，本設計在用戶手持設備上設計控制界面，具有不受時間、環境、地域位置等因素限制的優點，操作方便靈活。

2.1.2 Android客戶端界面設計

Android系統采用XML布局文件和Java語言混合完成界面設計，把行為比較固定的組件放在XML布局文件中管理，行為比較復雜的交給Java代碼進行管理[7]。系統主要包括登錄界面、控制界面和主功能界面。在主功能界面中，可以通過點擊方式進入各級控制界面。1號大棚節點的主控制界面如圖5所示。在該控制界面可以實時接收1號大棚內的溫濕度參數并顯示，用戶還可以手動改變棚內的溫度與濕度，根據自行要求對棚內進行升/降溫和加/減濕度的操作。

圖5 大棚Android控制界面Fig.5 Android control interface of greenhouse

2.2 Socket通信設計

在多個設備之間實現相互通信，常見的方法有2種：Socket通信與UDP通信[7]。Socket是一種基于TCP/IP協議，在通信兩端各建立一個Socket，從而通信兩端形成網絡虛擬鏈路，其具有安全性高等優點。本設計選用Socket通信方式，建立Socket客戶端，客戶端的主機名為服務器的IP地址，客戶端的端口號是服務器用來監聽該程序的端口，通過服務器的IP和端口號使客戶端與服務器相連接，使用Socket獲取輸入流讀取數據，在建立的Android項目程序界面中包含文本框用于顯示從服務器端讀取的字符串數據，從而接受服務器傳送過來的棚內溫濕度環境參數。利用消息Message處理來接收數據并進行顯示。

2.3 溫濕度數據處理設計

在局域網Socket連接問題上，要使Activity之間公用一個Socket連接，通常使用Application的方法，在Android中的不同Activity中傳遞變量，通常使用Intent中Bundle添加變量的操作方法[8]。在向目標Activity內保存參數數據，其他Activity可以從目標Activity中讀取參數。在本設計中具體的操作為分別向目標Activity中傳遞棚內溫度和濕度的實時數據，其它Activity從目標Activity中讀取溫濕度參數。在從服務器端讀取的字符串數據經分割處理后結合數據單位送往界面進行顯示。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計部分主要包括2部分，分別是單片機控制系統的軟件設計和基于Android系統的手機監控軟件設計。在單片機控制部分，主要有系統的溫濕度測量與數據處理，控制程序功能包括定時與數據處理、PID控制程序與解耦程序等；手機監控部分設計監控平臺軟件，實現數據的顯示和歷史數據的存儲。

3.1 系統控制軟件設計

系統的控制部分主要包括：系統溫度的升/降，濕度的加/減，控制程序功能包括定時與數據處理、PID控制程序與解耦程序等。這一系列的操作都是在單片機的控制下完成的操作，無需工作人員進行手動控制，現場的溫濕度控制要求嚴格，種子的萌芽對溫濕度的要求很高，所以在進行控制時一定要將誤差控制在合理的范圍之內，在傳感器的誤差允許范圍之內，進行精準的控制和調節。系統控制流程如圖6所示。

圖6 系統控制流程Fig.6 System control flow chart

3.2 Android手機監控平臺軟件設計

本設計的亮點在于Android的手機應用平臺的設計，實現農業的移動化和智能化、精準化。手機客戶端的數據來源是下位的數據采集部分的數據，傳輸的手段是無線傳輸，無線傳輸的設備是WiFi和路由，智能手機可以直接訪問路由節點，即可訪問上傳來的數據。本部分的軟件設計應用的語言是Java高級語言。Android應用程序的開發屬于第4層次。應用的開發軟件是Eclipse 4.0。圖7為Android程序流程。

圖7 Android程序流程Fig.7 Android program flow chart

4 實驗結果與數據分析

在寶泉嶺農場某實驗大棚根據種子萌芽時所需的溫濕度的要求對監控系統進行了調試，溫度的給定值為32℃，濕度的給定值為50%，溫度控制器PID 的各項參數設定為 P=35%、I=80 s、D=20 s；濕度控制器各項參數設定為 P=45%、I=30 s、D=40 s，現場采集數值并進行分析。系統采集一天內不同時段的溫濕度數據，通過上位機或手持Android設備進行觀察，其數據如表1所示。

表1 檢測結果Tab.1 Test results

根據表1所示，證明系統設計良好，可以滿足對大棚內溫濕度的嚴格控制。大棚內溫度的誤差不大于0.3℃，濕度誤差不大于3%，具有良好的效果，符合大棚內種子萌芽的標準。

5 結語

本文從大棚內種子萌芽溫濕度監控的角度出發，使用溫濕度解耦PID的方法控制溫濕度設備，從而保證了大棚內的良好環境。并結合通信技術、控制技術及圖形技術提出了基于Android手機對農業大棚實行遠程監控。操作簡單方便、應用性好，通過實驗證明對大棚溫濕度的檢測精度高，大棚內溫度的誤差不大于0.3℃，濕度不大于3%，具有良好的效果，為農業大棚監控系統提供了一個新的方案。

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