基于物聯網的農業大棚智能管控系統

李興澤，王福平

(北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏銀川 750021)

近年來，農業大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應用。種植環境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環境因子對作物的生產有很大的影響[1]。但溫室環境系統是一個非線性、時變、滯后復雜的大系統，難以建立系統的數學模型，采用常規的控制方法難以獲得滿意的靜、動態性能[2]。根據溫室棚內環境控制的特點，提出了一種基于物聯網的農業大棚智能管控系統的設計。本系統主要分為3個子系統，包括上位機系統、傳輸系統和下位機系統。上位機系統包括控制中心、環境數據分析、環境數據存儲和歷史數據查詢。傳輸系統包括GPRS遠傳模塊、ZigBee節點無線傳輸模塊和RS485有線傳輸模塊，主要是傳輸傳感器采集到的環境信息數據[3]。下位機包括環境信息采集模塊和動作執行模塊，通過多種傳感器采集環境信息并實時上傳，根據上位機發出的指令，執行相應的動作。3個系統相互聯系、相互制約，有共同的目標和核心的控制策略，共同完成農業大棚智能管控任務。這樣提高了農業大棚種植的科學化，管理的智能化。

1 系統總體架構

農業大棚智能管控系統主要包括控制中心模塊、數據存儲模塊、網絡傳輸模塊、現場數據采集模塊和動作執行模塊。其中控制中心模塊是系統的核心部分，它負責對現場數據的分析、存儲和處理，供管理人員實時監測現場環境變化及查詢歷史數據，并作出相應的控制指令調節現場環境因子使其保持科學性。數據存儲模塊主要是對現場的視頻數據、環境因子數據和一些分析報告進行存儲，供管理人員查詢和分析。網絡傳輸模塊由無線ZigBee和有線RS485結合GPRS組成，其功能是傳輸現場各子節點測得的數據信息，以供控制中心分析處理。現場數據采集模塊主要是采集棚內空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度以及視頻數據等的采集和控制。動作執行模塊由自動澆灌子模塊和卷簾控制子模塊組成，根據控制中心發出的命令作出相應的調節棚內環境的動作。系統的總體結構見圖1。

2 系統的硬件設計

2.1 下位機系統

下位機位于控制環境現場，主要由環境信息采集模塊和動作執行模塊組成，其系統結構見圖2。下位機主要實現棚內環境數據實時采集、處理與顯示，以及對溫室環境的調節，通過RS485、ZigBee以及GPRS將測得的棚內參數傳送到上位PC機，并根據上位機的控制決策而產生動作指令，控制執行機構進行調節；具有脫機運行功能，可在上位機關機情況下獨立工作，管理人員或專家通過鍵盤預設環境參數及實時采集的環境參數，自主運行下位機決策程序，實現棚內自動控制[4]。下位機自主控制流程見圖3。

2.2 數據采集控制模塊

2.2.1 傳感器的選擇 傳感器用來對棚內空氣的溫濕度、土壤的溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度等進行數據采集。根據棚內作物生長特點和環境要求，選擇精度較高、運行穩定、性價比較高的傳感器是十分必要的。本系統采用的是搜博公司SM2801B型土壤水分傳感器。SM2801B為搜博自主研發產品，采用工業級精密核心元件使其具有優越的準確性與長期穩定性。該傳感器體積設計小巧，方便安裝和攜帶，結構設計合理且密封良好，不銹鋼探針保證適用性和廣泛性。土壤水分檢測傳感器可長期埋設于土壤和堤壩中使用，與數據采集器配合使用，可作為水分及溫度定點監測或移動測量儀器。SM2801實物及電路如圖4所示。采用WTA-100土壤溫度傳感器，該傳感器采用精密鉑電阻探頭制成，熱響應時間少，減小了動態誤差，可以準確地測量土壤深層、淺層、表層的溫度，并且有著多種信號輸出格式。WAH-C10溫濕度傳感器，采用的是不銹鋼外殼，前端的對流口安裝了過濾網，可有效地阻擋污物，測量精度高，穩定性好。WLS-TH100光照傳感器采用硅光原理，可測量全部太陽和天空向下的輻射，接收的信號經過余弦修正，精度更高；還在傳感器的電纜上加載了一個電阻，使得傳感器的微安級電流轉換成毫伏級電壓信號。WSD-C200風速傳感器采用堅硬的抗腐蝕抗老化的熱塑性塑料，不銹鋼外殼并電鍍鋁，使儀器更加簡單和輕質量；并且輸出信號為標準格式。圖5為土壤溫濕度傳感器節點的硬件實物。

2.2.2 數據采集控制模塊 系統采用DMG-1數據采集控制模塊，其核心為16位超低功耗單片機。它采用MODBUS規約，該規約具有開放、文本易得、協議簡單等優點，是一種通用的數據采集控制模塊。具備RS485接口和RE232接口，在使用RS485接口時具有更高的通信速率和更遠的通信距離。

2.3 執行機構架構

本系統執行機構包括開窗系統、拉幕系統、風機-濕簾降溫系統、溫室加溫系統、溫室灌溉系統和視頻監控系統。這些系統通過上位機對數據采集控制模塊下達指令，利用電磁閥控制相應的系統開關，從而實現各系統的自動化、智能化。

3 系統的軟件設計

3.1 ZigBee無線網絡軟件開發

本系統采用TI公司的CC2530無線芯片作為硬件支持和IAR公司的IAR Embedded Workbench集成編譯環境作為基礎，采用TI Z-Stack軟件作為操作系統，在此基礎上添加用來監測棚內環境的傳感器模塊參數讀取函數，其中包括土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器和二氧化碳濃度傳感器等。傳感器數據的采集根據各傳感器芯片的數據手冊，安裝協議規定的步驟進行數據的讀取。

3.1.1 IAR集成開發環境 IAR Embedded Workbench(簡稱EW)是一套強大的軟件開發工具，用于對匯編、C、C++編寫的嵌入式應用程序進行編譯和調試。該集成開發環境包含了IAR的C/C++優化編譯器、匯編器、鏈接器、文本編輯器、文件管理器、項目工程管理器和C-SPY調試器[5]。程序通過其內置的針對不同芯片的代碼優化器，能夠為處理器芯片生成相當可靠和高效的FLASH/PROMable代碼。圖6為IAR開發環境主界面截圖。

3.1.2 ZigBee協議棧應用 本網絡節點的軟件設計是基于TI公司提供的Z-Stack-CC2530-2.2.2-1.3.0協議棧開發包中包含的項目工程模板創建，在工程模板的應用層框架中添加自己編寫的程序和功能函數模塊，同時TI公司項目工程模板中還提供了與CC2530芯片相關的底層函數庫，如ADC操作函數庫、UART操作函數庫等，用戶可以通過簡單的API接口函數調用來實現自己想要的功能。這樣就極大地方便了項目開發，有效地縮短了項目開發周期。Z-Stack按照IEEE 802.15.4標準以及ZigBee標準的層次結構進行編程實現，主要包括以下幾個模塊：APP應用層、HAL硬件抽象層、MAC媒體介質訪問層、NWK網絡層、OSAL操作系統層和Service服務、Security安全和ZDO等模塊。Z-Stack協議棧采用了具有優先級的事件輪詢機制，在系統初始化完成后即進入系統休眠模式，如有事件發生，則系統被喚醒，然后按照優先級的順序依次對觸發事件進行處理，待所有事件處理完成后，系統將再次進入休眠模式，開始等待下一事件喚醒。通過這種運行機制，Z-Stack協議棧能有效降低系統功耗。

3.2 數據傳輸的軟件設計

各傳感器節點完成數據的采集和轉換后，剩下的工作就是把數據發送給協調器節點進行匯總處理。這就涉及到無線網絡節點之間的數據通信了，傳感器節點以什么樣的格式和順序將數據發送給協調器，協調器如何對收到的數據進行處理，那么就需要設計一個數據通信的協議，也就是確定數據包的幀格式。

3.3 控制算法設計

基于棚內控制方式，我們最終確定用模糊控制算法來設計農業大棚智能管控系統。模糊控制又稱模糊邏輯，它是一種以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的控制技術。最早是由美國的扎德(L.A.Zadeh)在1965年提出了模糊集合論，并在1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關的定理。1974年，英國的Mamdani首次將由模糊語句組成的模糊控制器控制蒸汽機和鍋爐，獲得了實驗室的成功。圖7為模糊控制系統的結構框圖。

本系統將棚內土壤溫濕度作為模糊控制系統的誤差變量，通過一系列的模糊控制規則運算，最后設計出一張模糊控制表，將其存放在控制器的內存中，系統通過采集來的數據進過分析及處理，得出模糊控制表中的數據作為輸出值來控制系統。

4 總結

日新月異的科學技術給農業大棚帶來了更加光明的發展前景，使得農業種植科學利用傳感器結合環境信息作出最優控制策略，實現農業的科學種植。本研究介紹了基于物聯網的農業大棚智能管控技術，采用分布式控制結構，集中操作管理，相對獨立的設計思想，綜合運用計算機網絡通信和模糊控制技術，實現了單個農業大棚的智能管控。

[1]彭其圣，劉松齡.單片機溫室大棚種植參數監控系統[J].中南民族大學學報(自然科學版)，2004，23(2)：52-53，57.

[2]解永輝.基于PLC的智能溫室控制系統的設計[D].濟南：山東大學，2008.

[3]續玲玲，楊景常，郝明剛.基于ZigBee網絡的社區心電監護系統[J].微型機與應用，2012，32(2)：16-17.

[4]周建民，徐冬冬，周其顯，等.現代溫室監控系統的主要架構方案及發展[J].安徽農業科學，2010，38(3)：1440-1441.

[5]欒鑫穎.清華車用集成開發環境的研究與實現[D].長沙：湖南大學，2005.