基于多網融合的溫室環境監控系統的研究與設計

陰國富++朱創錄

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.109

摘要：為了適應西北地區多變的氣候環境，提升農產品質量產量，溫室種植農作物逐漸受到農民重視，通過溫室內穩定的氣候狀態及可預期的生長時間，調節農產品產量及生長周期，使農業生產者降低生產成本提高收益。利用溫室環境監控軟件結合JAVA動態服務器建立了一套可同時在遠程監控多個溫室的移動溫室環境監控系統；該系統整合多個溫室的環境與設備狀況，并根據外界環境變化自動調節溫室內部環境，使其達到適合農作物生長的目的。在設計中采用客服/服務器模式，可實時將最新的動態信息顯示于客戶端，便于管理者實時監控，當外界環境變化異常時，系統會自動在客戶端進行預警，并通過手機短信提示溫室管理員，管理員可在遠程登錄主控計算機進行系統控制參數變更，達到有效監控的目的。研究結果顯示，利用環境監控系統與監控網絡相結合，能使管理者不受時間和地域的限制獲得有效的監控管理效果，將有助于溫室農業生產環境的精細化、實時性監控管理。

關鍵詞：溫室；環境監控；農業生產管理

中圖分類號： S24文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0371-04

收稿日期：2016-05-05

基金自助：國家自然科學基金（ 編號：11304230）；渭南師范學院科研項目（編號：15YKF006）。

作者簡介：陰國富（1980—），男，陜西富平人，博士，教授，主要從事智慧農業與物聯網工程的研究。Tel：（0913）2088723；E-mail：yinguofu@126.com。隨著人們生活水平的逐年提升，消費者對于農產品的品質需求不斷提高，為了使農產品在激烈的市場競爭中占有一席之地，除了要求農產品產量要高外，更需要有良好的農產品管理和控制，因此促進了農業科技自動化的進步與發展。通過溫室設備能夠構建作物生長所需最佳環境，通過農業物聯網工程達到監控目的，形成適合農作物生長的微氣候環境，確保作物的產期與產量。由于作物的種類、栽培時期、栽培方式的多樣化，在惡劣環境中隱藏著許多的生長障礙，對于作物生長的影響極大，因此必須了解最佳作物生長環境對環境監控的要求，然后控制環境，給予作物生長上最適合的條件，達到最佳的生長狀態。因此必須研究溫度、光照、水分對作物的影響。當環境因子改變時，作物的生長會隨之變化并適時地表現出不同的反應，比如不同的生物種類、同種類但不同的生態、變換的環境因子、變化的強弱程度與持續時間等，這些因素的改變造成農作物有著不同的反應，但一些較廣泛的普遍性原則仍然是通用的，通過對多種植物的研究，可以發現其對溫度、濕度等的不同要求，達到精準控制的目的。

早期的溫室自動控制多采用繼電器、定時器等傳統的控制電路，控制復雜且死板；之后發展為結合可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱PLC）的自動控制模式，然而PLC的控制接口復雜，管理者往往需要經過一定的專業訓練才能熟悉其操控方法，這對大部分管理者而言無疑是一種負擔；當前很多溫室的控制主機通常都置于溫室內部，通過外接監控面板讓管理者實時控制，雖然平時溫室整體設備的運轉采用周期循環的方式，但是遇到氣候異常時，則必須通過管理者的經驗數據手動控制，為此需要管理者長時間待命，勞動效率較低[1]。因此，利用計算機強大的運算功能，建立計算機及手機終端與主控系統結合的網絡接口監控軟件，整合主控系統的設備監控部分及環境因子感測部分，不但能實時顯示和紀錄環境變化情形，并能最快地作出響應；將圖形監控接口設計成窗口化模式，利用圖形和文字相結合的呈現方式，管理者能很快熟悉監控設備的控制方法。同時配合互聯網的應用，管理者可通過網絡以遠程計算機或手機來監視和控制溫室的環境[1]。除此之外，主控計算機還可整合多個溫室內部傳送來的各項信息，讓管理員易于同時監控大規模或多個溫室的現況，減輕管理人員的負擔。

1溫室環境監控系統總體設計

溫室的遠程自動監視和控制主要包括2個部分內容，其一，在較為正常的氣候環境下，自動控制系統根據溫室內的各項參數自動選擇灌溉時間、日射量控制、通風控制等，這部分功能的實現是在軟件選擇自動模式的情況下溫室群服務器根據所采集到的參數自動進行控制，其關鍵參數是各項指標控制門限值的選擇；其二，在經驗控制模式下，管理者通過遠程的各種客戶終端實現溫室群的監視和控制，則必須將溫室內的溫度、濕度、日照強度等主要參數傳遞給遠程的管理者，并將管理者的指令正確傳遞給溫室群服務器控制端。

以上2個部分內容實現依靠智能溫室監控系統來實現，總體架構包括：溫室環境的感知和控制、網絡傳輸、總控中心及各平臺軟件4個模塊組成（圖1）。

（1）溫室環境的感知和控制模塊：由分布式傳感器節點及相應控制器構成組成，完成溫室內信息的采集及控制功能，采集到的信息通過網絡傳遞到數據中心，由數據中心進行分

析判斷或發布人工操作指令。

（2）網絡傳輸模塊：智慧溫室中的各種監測信息及操作指令通過Wi-Fi網絡、無線傳感器網絡進行匯總，通過光載無線交換機實現到數據中心的信息傳遞，這樣可以實現復雜環境下多溫室的異構網絡的通信匯總。

（3）總控中心：對接收到的傳感器信息進行分析判斷，由決策系統生成控制策略，提供PLC控制通斷繼電器的基本指令，同時還為管理系統及操作平臺提供數據服務。

（4）平臺軟件：對光載無線交換機傳遞的各種信息通過友好的人機交互界面呈現給用戶，并且方便地進行人工操作指令的干預。

本研究利用溫室環境監視與控制裝置與計算機圖形軟件并結合Web服務器和數據綜合管理服務器建立一套可同時在遠程監控多個溫室的移動溫室環境監視與控制系統，并結合SQL Server數據庫，可實時將最新的動態信息顯示于網站及客戶端上，便于管理者實時監控，當外界環境變化異常時，管理者可在遠程登錄主控計算機進行系統控制參數變更，達到移動監控的效果。

本研究使用的設備包含：

（1）溫室設備。試驗溫室4個：本試驗溫室位于陜西省蒲城縣椿林鎮，為蔬菜育苗溫室，溫室長88 m、寬18.6 m、高 4.5 m，內部設備有循環風扇21臺（18″，鐵葉扇，單向，220 V）、軸流機6臺（12″，500 W，單向，220 V）、通風窗12扇（位于溫室兩側）、外遮陽網2張（鎖結針織網，50%）。計算機：微型機5臺，智能手機3部，服務器計算機2臺。溫室設備控制器：Eldar Shany Agricultural Control-Galileo32，規格：EMD-01（32 Outputs，8 Discrete、32 Analog Inputs）。溫室外部氣象感測站：溫度計，型號PT-100，可設定-50～51、0～104、0～211、-100～104 ℃ 4種測量范圍，準確度0.05%，反應時間160 s；濕度計，標準偏差±3%，4～20 mA模擬輸出；日射計，光合有效輻射（PAR）0～2 000 μmol/（m2·s）；風速計，4～20 mA模擬輸出，啟動風速 0.78 m/s，最大風速 4467 m/s；風向計，4～20 mA模擬輸出，10 ∶4 mA，1 800 ∶12 mA，3 600 ∶20 mA；雨量傳感器。 溫室內部氣象傳感器：溫度計3組（PT-100），濕度計1組。

（2）物聯網通信設備。光載無線交換機及控制系統1套：支持光電/電光轉換無線信號，Wi-Fi信號本地產生和處理，本地可對所有Wi-Fi信號集中和統一管理，實現可管、可控、可測，支持射頻交換，支持遠距離傳輸。控制系統支持信息平臺射頻參數管理和控制，頻道設置，安全密碼設置，網段管理，無線網絡管理，信號強度和防干擾管理，接入設置管理，射頻交換管理可實現光載無線傳輸鏈路按需選擇，其模擬光纖傳輸距離最大為5 000 m。遠端射頻單元2臺，支持信號分路，可將射頻信號分為多路，支持遠端信號發射與接收，帶寬為54 Mb/s（802.11 g），覆蓋半徑室內為50 m、室外為100 m。有線網絡交換機1臺，24個10/100 Mb/s自適應RJ45端口。

（3）軟件系統。操作系統：Microsoft Windows Server 2010。溫室控制軟件：Elder Shany Greenhouse Climate control。 光載無線網絡管理軟件1套：Microsoft SQL Server 2008。

2溫室環境監控系統實現及關鍵問題的解決

2.1實現方法與步驟

本研究是在前期研究[2]的基礎上，實現對智慧溫室內微氣候環境下的控制方法及控制軟硬件環境進行整合并改進，主要實現步驟是：首先對原溫室內的各種傳感器及網絡設備進行整合，以達到能夠進行精準控制及有效通信的目的。其次，建立控制策略和控制方法，實現溫室內微氣候環境的建模。再次，根據模型自動判別及手動指令下達方式，通過控制系統及客戶端軟件，達到溫室內小氣候環境的精準控制的目的，使溫室生產環境能夠更高效地滿足作物的生長。整個過程的數據通過數據庫服務器進行記錄，以達到控制及經驗積累的目的。主要步驟如下：

2.1.1溫室設備、溫室控制器及網絡設備的整合由于本研究溫室是在原有的智慧溫室基礎上進行改造試驗的，原來設備控制方式采用半自動調節的控制方法，與本試驗希望能達到的控制模式有所出入，因此對4棟溫室首先進行設備的改造和網絡綜合布線的改造，以滿足精準控制的目的。原有的通風窗由于育苗溫室面積較為廣大，共分8面且采用手動方式開關，改造后將所有的通風窗視為1項設備組件，接入PLC控制電路，增加了溫室管理者操作上的便利性。外遮陽網的部分，分為溫室的前半段與后半段兩面；循環風扇共21臺，依據放置的位置分為3組控制，而軸流風機每個溫室分為2組進行控制；原溫室的噴霧裝置主要用來噴灑營養液等，對其進行改造使其滿足降溫需求。原溫室有一部分采用Zigbee網絡進行組網及數據傳輸，還有一部分設備采用WiFi網絡進行組網連接，為達到多種異構設備能夠進行統一控制的目的，采用了光載無線交換機及控制系統作為網絡整合的數據交換設備，可以達到集群管理的目的。

2.1.2溫室控制系統的內部連接與控制策略的建立將規劃好的設備接點與傳感器接點設置在控制軟件中，通過軟件本身鏈接的功能，將各設備與相對應的傳感器鏈接，以達到控制目標；并設計內部控制策略及控制模式，使該育苗溫室的運轉控制形成一個完整的周期系統。再將所有連結完成的設備及傳感器通過環境因子的變化加以測試，檢查所有設備是否正常運轉及停止，并測試設備運轉異常時警報系統是否輸出警報。

2.1.3建構主控計算機的客戶/服務器模式主控計算機實現控制溫室集群所有監控信息的匯總，通過相應的控制策略實現對不同溫室的控制，控制系統軟件雖然采用商業軟件并能夠實現基本的控制策略的設定，但對于定制化的控制策略則通過軟件提供的應用程序接口實現功能的擴充。信息系統的構建，首先將預計呈現的頁面建構成實體畫面，并將JSP程序鑲入頁面畫面中，形成動態網頁。并將溫室自動控制軟件所接收的數據經過整理后鏈接至SQL Server數據庫中，方便作為歷史數據查詢，以及分析統計。最后通過ADO對象及ODBE與OLE-DB技術，連接JSP網頁及SQL Server數據庫，構成1個完整的監控系統。

2.2系統實現關鍵問題解決方法

本研究在智慧農業物聯網溫室控制系統的基礎上，利用系統平臺開放的應用程序接口對已有的溫室控制系統的改良，實現不同通信網絡環境下多溫室的信息聚合，達到統一控制的目的，實現過程中主要采用J2EE技術開發，通過J2EE技術在JAVA平臺的基礎上構建用于Web應用及Android智能終端開發的應用類庫。系統在J2EE架構的基礎上整合了Java for android、XML、Ajax Java json等技術，建立互動數據通道及動態網頁訪問。所有資料的存儲與訪問采用SQL Server數據庫，形成溫室環境管控的數據中心，能夠與客戶端及管理服務器進行交互，并且將所有的歷史數據記錄在資料庫中。

2.2.1溫室設備與控制器的整合溫室設備控制器：Eldar Shany Agricultural Control-Galileo 32 EMD-01共包含有32點輸出接點、8點數字輸入、32點模擬輸入，將預先規劃好的設備與氣象站及溫室內傳感器配置在控制器接點中，研究中所使用的溫室控制軟件，由若干已定義的對象組成，多個對象運行時形成進程，當對象被某個進程使用時，此程序使用該對象的優先權會大于直接控制此對象，有時不同對象間又會相互影響彼此的運轉狀態，因此在設定頁面時應該格外注意。

試驗中以通風窗為對象，因其為1個可分段改變其開度的對象，假設起始狀態為通風窗停在某一級開度，然后判斷此開度是否是被某個程序所限制，如圖2所示，若其判斷值為“是”，則因為優先權的影響，使得通風窗持續停在此開度。若其判斷值為“否”，則利用設定的溫度區間作為調整開度的依據，當室內溫度介于區間內，則開度維持不變，并且持續進行上述的判斷流程；當室內溫度高過設定溫度（設定頁面中的開窗溫度）時，使通風窗之開度大一級，而當室內溫度低于關窗條件（開窗溫度減去降溫程度）時，則使通風窗的開度小一級，當開度變化后，必須等待一段設定的延遲時間后，再持續進行上述的判斷流程[3]。這段延遲時間的設定主要是避免通風窗啟閉過于頻繁，而傳感器也有其反應時間，因此在設定此延遲時間時，必須要大于傳感器的反應時間，在本研究中溫度傳感器的反應時間為160 s，因此延遲時間的最小設定值即定為此值。

當對象同時受2項以上的范圍值限定時，則依照范圍較低的最大值及較高的最小值作為此對象的范圍值。例如通風窗原始開度為0～5，當通風窗處于上風狀態時，依據風力級數的不同而依次遞減通風窗的最大開度0～4，若再限制通風扇運行時，通風窗的最小開度為2，則該通風窗的開度限制，在處于上風處同時通風扇運轉時，由原來的0～5，縮短為2～4。

2.2.2環境控制方法在以往的控制方法中，通常將實際的控制輸入運行后控制環境才能得到足夠的信息獲得相應的控制結果。在農業生產控制現場要得到即將加載的控制信息前，必須對控制的效果進行全面掌握，因此必須建立溫度和濕度的控制模型，在研究中采用了Pasgianos等提出的關于溫濕度動態控制的模型[4]，如式（1）所示：

dTin（t）dt=1ρCpVT·[Qheater（t）+Si（t）-λQfog]-VR（t）VT·[Vin（t）-Tout（t）]-UAρCVT·[Tin（t）-Tout（t）]；（1）

dAωin（t）dt=Qfog（t）VH+1VH[E（Si（t），ωin（t））]-VR（t）VH·[ωin（t）-ωout（t）]。（2）

其中E[Si（t），ωin（t）]=αSi（t）λ-βTωin（t），公式中的符號如表1所示。

表1溫濕度變化量計算中的符號表示

符號含義單位Tin 溫室內的溫度 ℃Tout 溫室外的溫度 g/（min·m3）UA熱交換系數 W/KV溫室的體積 m3ρ 大氣密度 1.2 kg/m3Cp 空氣的比熱 1 006 J/（kg·K）Qheater 加熱功率WQfog 噴霧系統水容量 g/sSi 日照輻射能量Wλ潛在的熱蒸騰 2 257 J/gVR 通風率 m3/sE（Si，ωin） 蒸騰損失率 -α和βT 調整參數-VT、VH溫和濕度混合空氣體積60%～70%

在溫室基本參數確定的情況下（溫室體積、熱交換系數），根據公式（1）和公式（2）可以計算出溫室噴霧、改變通風量及加熱等因素變化時溫室內部的溫度和濕度的變化量。

2.2.3溫室環境監控系統軟件設置

2.2.3.1控制室軟件溫室控制系統不僅為溫室各個控制設備，如通風窗、風機、循環風機、降溫設備、內外遮陽、施加 CO2 設備、加溫設備以及霧化設備等提供各自獨立運行的控制程序，而且還為不同控制設備共同參與協調運行的綜合氣候控制過程提供了統一的控制程序。軟件的可視化界面為用戶提供了方便的操作和直觀的信息。用戶既可以選擇使用控制器面板進行控制操作，也可以使用與控制器連接的PC 機及手機APP實時控制溫室氣候。圖3是溫室氣候控制系統PC軟件主屏幕。首頁將溫室內外的動態數據置于中央，按照溫室控制器獲取數據的時間間隔，作為動態數據更新的依據，目前預設的更新時間為10 min/次。網頁中所呈現的實時數據，除了室內溫度為設備中3個溫度傳感器的平均值外，其余數據都是依照原始數據庫內的數據顯示。

客戶端軟件給用戶提供了很多舒適的人性化操作界面。用戶在程序主屏幕上通過鼠標單擊相應的控制設備圖標即可進入該設備的程序設置屏幕，也可以通過點擊控制菜單欄內的菜單選項（如“主菜單”）從出現的下拉式菜單中選擇進入氣候控制設備程序屏幕，如圖4所示，當點擊“風機”設備圖標時即可進入該風機的程序設置屏幕。

2.2.3.2遠程控制遠程控制采用2種控制方法，其一為遠程桌面連接，其二為通過Web或手機客戶端遠程控制。遠程計算機可以利用遠程桌面的方法與固定IP的服務器設備進行信息交換，首先輸入主控計算機管理者所授權的用戶賬號及密碼，完成認證手續后，方能登入主控計算機端，進行對溫室的控制以及更改設定（圖5）。針對Web的內容，使用者的權限層級分配分為3級模式。依據溫室控制器所接收到的傳感器數據，當轉換成數據庫的資料時，按照其字段傳遞給動態網頁相對應的目標位置，由于在溫室控制器所傳送的資料數據中，已經先為其他傳感器作字段的預留，因此在數據庫編排中，必須將該字段計算其中，否則當動態網頁擷取數據庫的數據時，會依據相對應的字段讀取，造成數據錯誤的情形。在數據的動態顯示上采用每30 s刷新1次界面的方案，以保障數據的動態更新（圖6、圖7）。

3結論

本研究以開放型育苗溫室為試驗對象，利用溫室控制器Eldar Shany Agricultural control-Galileo 32與溫室內部環控設備的結合，通過控制器的輸出指令，在控制管理上均達到預期的目標。

在溫室系統遠程控制部分，利用動態網頁及數據庫的建立，可以順利地將溫室控制器所接收到的數據轉換為數據庫的格式儲存，并且當遠程設備通過網絡連接主控計算機的伺服網頁時，提供最新的溫室環境現況；另可依照使用者的分級，而給予不同的瀏覽及控制權限。然而，即使利用限制使用者身份的方式加以控制權限，仍不免因為用戶密碼被盜用的可能性，因此在主控計算機端，仍擁有最高管理控制權限，并

可以隨時中斷遠程計算機的控制；且在絕大部分的時間，遠程計算機改變主控計算機端的溫室控制設定功能并不開放，只有在主控計算機端將此權限開放時，遠程計算機才能在默認的用戶登錄時，改變主控計算機的控制策略或是修改控制器程序。本研究所建立的遠程監控部分，雖已可通過網絡執行，但網絡安全性仍不甚完整，未來將加強網絡加密以及對主控優先權排定功能方面進行改善，以建構更完整、更安全的溫室移動環控系統。通過JSP動態網頁結合溫室環控系統的建立，將來可將管理的范圍擴大至更廣泛的環境集群中，便于專家隨時針對各個農場的異常情形實時解決問題，減低農民的損失。

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