基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王峰

摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚溫度的自動(dòng)控制，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在Visual DSP平臺(tái)下進(jìn)行控制器的系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)采用嵌入式ARM Cortex?M0作為主控系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)體系下進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的農(nóng)業(yè)大棚溫度數(shù)據(jù)在主控模塊中進(jìn)行信息加工和識(shí)別，構(gòu)建大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制單元、溫度A/D采集單元、中央控制器等單元，通過物聯(lián)網(wǎng)下各個(gè)傳感器把大棚溫度數(shù)據(jù)傳送給主控單片機(jī)，單片機(jī)通過執(zhí)行模塊進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定自動(dòng)控制性能。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 農(nóng)業(yè)大棚； 溫度自動(dòng)控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN02?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）13?0152?03

Abstract： In order to realize the automatic temperature control of agricultural greenhouse， a design scheme of Internet of Things （IOT） based automatic temperature control system for agricultural greenhouse is put forward. The system development of the controller was performed in Visual DSP platform. The embedded ARM Cortex?M0 is taken as the main control system of the system to acquire the temperature data under IOT system. The information processing and recognition for the acquired agricultural greenhouse temperature data were carried out in the main control module. The execution control unit， temperature A/D acquisition unit and central control unit of the greenhouse automatic temperature control system were constructed. The greenhouse temperature data is transmitted to the main control SCM through each sensor under IOT. The temperature is adjusted through the execution unit of SCM to realize the automatic temperature adjustment of agricultural greenhouse. The system test results show that the automatic temperature control system for agricultural greenhouse has stable automatic control performance.

Keywords： Internet of Things； agricultural greenhouse； automatic temperature control； system design

0 引 言

農(nóng)業(yè)大棚溫度的精確控制要求較高，需要對(duì)農(nóng)業(yè)大棚中各個(gè)區(qū)域的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，保障大棚中各個(gè)區(qū)域的植物正常生長，采用傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚各個(gè)溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度采集，建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，采用無線射頻設(shè)備和ZigBee組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚溫度的自動(dòng)實(shí)時(shí)控制。在農(nóng)業(yè)大棚中布設(shè)多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)，不斷查詢各節(jié)點(diǎn)溫度，結(jié)合RFID閱讀器、電子標(biāo)簽等物聯(lián)網(wǎng)信息識(shí)別和自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)大棚溫度自動(dòng)控制，研究農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)在提高大棚種植產(chǎn)量和生成效率方面具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)方法中，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)采用PCI總線控制方法，通過外部單片機(jī)控制模塊、繼電器模塊進(jìn)行大棚溫度的多傳感器控制，但該控制方法不能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的全方位溫度自動(dòng)控制[2]，對(duì)此，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

1.1 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及功能模塊

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚溫度的信息化管理和自動(dòng)控制，進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚溫度的網(wǎng)絡(luò)控制和智能監(jiān)測，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用Web構(gòu)架方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚溫度的傳感器節(jié)點(diǎn)部署和RFID無線射頻識(shí)別，農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層三層[3]。基于Open Core核心的Android平臺(tái)建立農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件監(jiān)測服務(wù)層，在APP終端中進(jìn)行大棚溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測與實(shí)時(shí)控制，將多個(gè)RFID節(jié)點(diǎn)通過無線射頻識(shí)別物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)連接起來，在RFID平臺(tái)中采用IPv6實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)控制系統(tǒng)的邏輯控制程序設(shè)計(jì)，開放式應(yīng)用編程接口設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)原理，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合大棚溫度自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度的自動(dòng)控制和信息識(shí)別，采用傳輸控制協(xié)議（TCP）建立物聯(lián)網(wǎng)模型，采用嵌入式Linux控制技術(shù)進(jìn)行大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息交換和通信控制[4]。綜上分析，農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能主要包括：大棚溫度的傳感信息采集和識(shí)別功能；物聯(lián)網(wǎng)信息接入功能；Browser/Server結(jié)構(gòu)模型下單片機(jī)控制和組件傳輸功能；多通道的溫度信息記錄和回放功能；根據(jù)超聲波和紅外等多種傳感器進(jìn)行大棚溫度識(shí)別和監(jiān)測功能。

1.2 開發(fā)環(huán)境描述

在對(duì)農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)建立在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式Linux內(nèi)核的開發(fā)平臺(tái)上，農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分，采用嵌入式ARM Cortex?M0作為主控系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)體系下進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，選擇合適的單片機(jī)作為核心控制單元，結(jié)合DSP集成信號(hào)處理芯片進(jìn)行溫度信息和環(huán)境信息的智能處理，采用溫度傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集層，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為個(gè)，采用RFID閱讀器作為物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的傳輸層，在應(yīng)用層中創(chuàng)建RTP管理器，在混合射頻識(shí)別技術(shù)下制定Savi信息傳輸模型，進(jìn)行溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)[5]。

在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型下，進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境和硬件環(huán)境分析，系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境建立在Linux嵌入式平臺(tái)中，系統(tǒng)的硬件外圍器件選擇ADI公司的A/D和D/A進(jìn)行溫度信息采樣，DSP信號(hào)處理器設(shè)計(jì)的采樣頻率不低于8位，接收信號(hào)范圍為12～24 dB，在FLASH中控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行大棚溫度的分區(qū)監(jiān)測和控制，D/A芯片選用ADI的bootloader芯片進(jìn)行中斷控制，對(duì)采集的農(nóng)業(yè)大棚溫度信息進(jìn)行數(shù)字FIR濾波，在開關(guān)控制模塊輸出多路回波信號(hào)，農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的DAM控制器由外部脈沖源驅(qū)動(dòng)AD7767?1進(jìn)行中間組件控制和信息跟蹤監(jiān)測，編寫添加驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和信息存儲(chǔ)，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的集成開發(fā)和遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件開發(fā)部分

在農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體模型架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的功能模塊化設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，采用3G?ZigBee的多點(diǎn)傳感器監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)分布式結(jié)構(gòu)模型[6]，進(jìn)行大棚溫度的分布式采樣和數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)采用嵌入式ARM Cortex?M0作為主控系統(tǒng)，以TMS320VC5409A作為數(shù)字信息處理芯片，對(duì)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)的A/D采集單元、執(zhí)行控制單元、中央控制器等硬件電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)描述。大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的溫度監(jiān)測總線一共有1條程序總線，3條數(shù)據(jù)總線。為用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提供方便，采用VIX總線設(shè)計(jì)方法建立23根地址總線進(jìn)行大棚溫度的自動(dòng)控制和多方位多通道監(jiān)測，溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)描述如下：

首先進(jìn)行A/D采集單元設(shè)計(jì)，大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的A/D采集單元是進(jìn)行溫度控制數(shù)據(jù)采集單元，是實(shí)現(xiàn)大棚溫度自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，根據(jù)溫度數(shù)據(jù)采集速度、信號(hào)處理速度的要求，在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)下，選擇40位的TMS320VC5409A溫度采集傳感器作為A/D采集的傳感器節(jié)點(diǎn)，選擇2個(gè)獨(dú)立的40位累加器進(jìn)行溫度信息融合。在A/D芯片的片內(nèi)設(shè)置32 KB的尋址范圍（地址范圍0080H～7FFFH），TMS320VC5409A通過JTAG口對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性采樣，通過CPLD編程進(jìn)行多通道緩沖串口McBSPs的邏輯控制[7]，在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸出終端進(jìn)行溫度過高和過低的聲光報(bào)警，輸出溫度信息采集的正弦擬合波形，得到本文設(shè)計(jì)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的A/D模塊硬件結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

然后進(jìn)行執(zhí)行控制單元設(shè)計(jì)。執(zhí)行控制單元是農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，采用CPU與DAM控制器進(jìn)行溫度自動(dòng)控制過程中的自主調(diào)節(jié)，采用串行D/A轉(zhuǎn)換器控制AD5545的執(zhí)行器控制單元，在A/D電路中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，是控制端信號(hào)。當(dāng)輸入輸出接口的大于二極管D1，D2的導(dǎo)通電壓時(shí)，通過電流調(diào)節(jié)執(zhí)行控制單元與上、下位機(jī)進(jìn)行通信，基于ZigBee和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息組網(wǎng)，結(jié)合大棚溫度監(jiān)測的位置信息、農(nóng)作物的適應(yīng)溫度信息進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，得到溫度自動(dòng)控制的執(zhí)行控制指令表見表1。

在溫度自動(dòng)控制的執(zhí)行控制指令表中，VDD（6腳）表示自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)輸入端，一般取5 V，調(diào)節(jié)控制器的電壓，選擇復(fù)位信號(hào)輸出反饋端， （4腳）鎖存溫度自動(dòng)控制信號(hào)的輸入端，當(dāng)時(shí)，傳感溫度反饋到執(zhí)行單元，傳感溫度反饋不起作用，當(dāng)=時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)DMA控制器加載到ROM中，CPU與DAM控制器讀取/寫入DRR，可接收TTL電平信號(hào)，外部脈沖源（4，2，3，10，14，15）通過（R/X）DATDLY輸出DSP的串口碼字，在3.590 0 MHz時(shí)， 發(fā)送信息采樣值1110010，DSP采樣BMODE2?0管腳，從而決定程序加載方式。綜上設(shè)計(jì)，通過各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)下的傳感器把大棚溫度數(shù)據(jù)傳送給主控單片機(jī)，單片機(jī)通過執(zhí)行模塊進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.2 軟件開發(fā)部分

農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)建立在Visual DSP集成開發(fā)平臺(tái)上，能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件仿真（Simulator）和硬件在線編程（Emulator）。采用C5409A XDS510 Emulator仿真器完成大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序編輯、編譯連接和接口控制，在C5409 Device Simulator仿真環(huán)境下執(zhí)行中斷程序和。對(duì)INTM和IMR初始化，置中斷向量地址位INTM=0，置IMR的中斷相應(yīng)位=1，采用AODV路由協(xié)議構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，創(chuàng)建RTP管理器，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為200個(gè)，采用UDP，RTP/AVP協(xié)議配置大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的管理信息寫入，采用交叉編譯方式進(jìn)行程序加載，加載程序代碼如下：

Busybox Settings ???>

[*] Unit construction for /etfegyki/nucrhgkes

[*] vi?stevreconstruction implementation comsgtes

[*] Tab main control module

[*] U coupled network

[*] Fancy various physical pts

ShedfreeSs ???>

由此完成農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

3 系統(tǒng)測試

在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)下進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)測試，系統(tǒng)測試的實(shí)驗(yàn)環(huán)境描述見表2。

根據(jù)上述仿真環(huán)境設(shè)定進(jìn)行大棚溫度自動(dòng)控制仿真測試，得到采用本文方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行溫度控制的收斂曲線對(duì)比，如圖4所示。

分析圖4結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行大棚溫度自動(dòng)控制的誤差較小，收斂性較好，性能可靠穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在Visual DSP平臺(tái)下進(jìn)行控制器的系統(tǒng)開發(fā)，采用嵌入式ARM Cortex?M0作為主控系統(tǒng)，構(gòu)建大棚溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制單元、溫度A/D采集單元、中央控制器等單元，通過各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)下的傳感器把大棚溫度數(shù)據(jù)傳送給主控單片機(jī)，單片機(jī)通過執(zhí)行模塊進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效進(jìn)行大棚溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，誤差較低，收斂性和穩(wěn)定性較好。

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