農(nóng)業(yè)種植大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黎龍卓

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程序不斷加深，各種先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，大大提高了生產(chǎn)效率。而農(nóng)業(yè)大棚作為一種重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，其自動(dòng)化管理水平直接體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的水平。本文設(shè)計(jì)了一套更精確可靠的農(nóng)業(yè)種植大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，充分應(yīng)用了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境進(jìn)行了全面監(jiān)控，確保農(nóng)作物始終處于適宜的生長(zhǎng)環(huán)境之中。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)自動(dòng)化；種植大棚；遠(yuǎn)程監(jiān)控

文章編號(hào)：1004-7026（2018）11-0060-02 中國圖書分類號(hào)：TP277；TP391.44；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國是世界農(nóng)業(yè)大國，經(jīng)過幾千年的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸步入自動(dòng)化時(shí)代，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中來，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)省了大量的人力物力[1]。其中最典型的技術(shù)包括機(jī)械自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)信息化、移動(dòng)通信、自動(dòng)化控制技術(shù)等等。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)的進(jìn)一步下降，移動(dòng)終端也開始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛流行，開始出現(xiàn)了基于自動(dòng)化技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系。而農(nóng)業(yè)大棚作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，其遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控更是受到了廣泛的關(guān)注[2，3]。

1 當(dāng)前大棚監(jiān)控系統(tǒng)的不足

1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)尚未標(biāo)準(zhǔn)化

目前的大棚監(jiān)控系統(tǒng)一般由各個(gè)不同的公司開發(fā)，采用的硬件、軟件、通信協(xié)議各不相同，沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，造成了系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)很難進(jìn)行共享，管理起來十分不便。

1.2 平臺(tái)的監(jiān)控依賴于局域網(wǎng)

傳統(tǒng)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)一般通過有線或無線的方式將采集數(shù)據(jù)聚集到附近的監(jiān)控中心進(jìn)行分析與存儲(chǔ)，如果需要查看數(shù)據(jù)，必須到監(jiān)控中心進(jìn)行操作，這使系統(tǒng)的應(yīng)用范圍受到很大的局限。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可靠性不高

受到天氣或人為等因素的影響，很多監(jiān)控系統(tǒng)的通信表現(xiàn)出很差的穩(wěn)定性，通信中斷現(xiàn)象比較常見，造成數(shù)據(jù)丟失的數(shù)據(jù)，使大棚的監(jiān)控不能取得預(yù)期效果。

2 農(nóng)業(yè)種植大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

（1）采集大棚內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度、土壤水分含量和光照度等參數(shù)，并能對(duì)卷簾門、噴淋、光照等開關(guān)量設(shè)備進(jìn)行控制。

（2）下位機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)可以自動(dòng)保存?zhèn)浞莺蜕蟼鳎?/p>

（3）系統(tǒng)不但可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位的內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行使用，還可以在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；

（4）用戶可以通過智能手機(jī)或其它移動(dòng)終端隨時(shí)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和告警數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 關(guān)鍵芯片選型。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，下位機(jī)包括CDMA 無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集單元等部分。CDMA 模塊采用瓦爾公司的NL-886D芯片，該芯片由RS485總線傳輸數(shù)據(jù)；上位機(jī)與下位機(jī)之間采用無線 DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DTU可以自動(dòng)維護(hù)心跳包，簡(jiǎn)化了軟件的編程。考慮到數(shù)據(jù)處理單元的核心地位，其必須同時(shí)擁有20個(gè)以上的IO接口，同時(shí)具備看門狗、定時(shí)器、USART 串行通信、flash、ADC等基本功能，以滿足對(duì)模擬信號(hào)的采集和處理要求。因此本文的數(shù)據(jù)處理單元采用了德州儀器的超低功耗微控制器MSP430F149，該芯片的處理器擁有一套完善的精簡(jiǎn)指令集為程序編寫提供保障，內(nèi)部嵌入了12 位 ADC芯片，多達(dá)48個(gè)IO接口，同時(shí)滿足混合信號(hào)的處理要求，非常適用于本系統(tǒng)的需求。

此外，溫度與濕度度也是本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，考慮到目前市場(chǎng)上的溫濕度計(jì)產(chǎn)品的價(jià)格并不高，同時(shí)為了縮短開發(fā)周期，系統(tǒng)采用了市場(chǎng)上采購的一體化溫濕度計(jì)，這樣也節(jié)省了硬件的開發(fā)成本與通信協(xié)議的設(shè)計(jì)時(shí)間。由于采用了 SHT10 溫濕度數(shù)字芯片，本系統(tǒng)的溫度采集精度可達(dá)±0.5℃，濕度采集精度在±4.5%RH 以內(nèi)，完全滿足農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)控要求。

2.2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)需求，確定硬件系統(tǒng)主要有供電模塊、主控模塊，串行通信模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、人機(jī)接口模塊、與報(bào)警模塊。供電電路采用24V直流開關(guān)電源，主控模塊為MSP430F149單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)所有硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，使之協(xié)調(diào)一致。為了同時(shí)滿足CDMA無線模塊和數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)傳輸要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)RS485串口，采用RS485串行總線的原因主要是考慮到其通信距離較長(zhǎng)，搞干擾性能較強(qiáng)，可以滿足一些大型農(nóng)業(yè)大棚的通信要求。開關(guān)量輸入輸出電路作為硬件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是體現(xiàn)系統(tǒng)控制的重要硬件單元，下位機(jī)包括8 路開關(guān)量輸入輸出接口，通過控制大功率繼電器來達(dá)到驅(qū)動(dòng)卷簾門和風(fēng)機(jī)等農(nóng)機(jī)設(shè)備的目的，同時(shí)這些開頭量的實(shí)時(shí)狀態(tài)也會(huì)被主控單元準(zhǔn)確接收，從而對(duì)監(jiān)控邏輯進(jìn)行判決。人機(jī)接口模塊包括顯示電路、按鍵電路和報(bào)警電路三部分，他們均為監(jiān)控人員對(duì)大棚的管理提供了接口。顯示電路是一塊液晶顯示器，動(dòng)態(tài)地將采集到的溫度、濕度、CO2濃度、土壤水分和光照度等數(shù)據(jù)顯示出來，同時(shí)也會(huì)將相應(yīng)的閾值顯示出來，如果實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)的閾值，聲光報(bào)警器就會(huì)發(fā)出告警信息，提醒管理人員及時(shí)處理。 按鍵電路則可以輸入預(yù)設(shè)的運(yùn)行參數(shù)，或動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)參數(shù)以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。

模擬量采集電路主要用于采集0-5V標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓或4-20mA標(biāo)準(zhǔn)輸出電流，但這與 MSP430F149片內(nèi)的ADC模塊參數(shù)不相配置，為了解決這個(gè)問題，將0-5V信號(hào)變換為0-2.5V以實(shí)現(xiàn)硬件匹配，當(dāng)然，這樣處理損失了。雖然犧牲了ADC模塊的部分分辨率精度，但對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚的應(yīng)用場(chǎng)合影響并不明顯。

2.2.3 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？紤]到系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)軟件的通用性、高效性、移植性和安全性等要求，上位機(jī)軟件平臺(tái)采用了當(dāng)今最流行的Java語言進(jìn)行編寫.軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)采用C/S與B/S相結(jié)合的方法，模塊化編程方法來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)開機(jī)后，將直接進(jìn)入系統(tǒng)預(yù)設(shè)的工作模式，每隔30s會(huì)向服務(wù)器推送一個(gè)數(shù)據(jù)包，同時(shí)在液晶屏上顯示出來。服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)相連，用戶可以用自己的手機(jī)或其它移動(dòng)終端隨時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)查詢大棚各項(xiàng)實(shí)時(shí)參數(shù)，同時(shí)能夠通過移動(dòng)終端對(duì)大棚內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制。具體實(shí)現(xiàn)方法是，用戶在移動(dòng)終端輸入控制指令，指令內(nèi)容首先被保存在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，然后向下位機(jī)發(fā)送，如果下位機(jī)未成功接收，將進(jìn)行第二次發(fā)送，保證指令的成功執(zhí)行。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，軟件采用了定時(shí)輪詢的采集方式，每隔30秒采集一次傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與自動(dòng)決策，如果無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)決策時(shí)將發(fā)出聲光報(bào)警，提示監(jiān)控人員及時(shí)處理。對(duì)于模擬量的采集控制邏輯，考慮到軟件控制比硬件控制方案成本更低，因此設(shè)計(jì)了模擬量采集數(shù)據(jù)算法。以1Hz的頻率采集模擬量并進(jìn)行平均處理，并將前一次計(jì)算的平均值參與計(jì)算，使計(jì)算精度逐步提高。

結(jié)束語

本文根據(jù)農(nóng)業(yè)種植大棚對(duì)環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)上位機(jī)以及下位機(jī)的軟件硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過RS485總線和CDMA無線傳輸模塊的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大棚的集散控制。經(jīng)過三個(gè)月的實(shí)地運(yùn)行，表明本系統(tǒng)性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠、傳輸效率較高，大大提高了大棚自動(dòng)化監(jiān)控水平，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著自動(dòng)化、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也將得到不斷的完善，智能水平越來越高，逐步取代人工操作的控制方式，為全面實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化奠定基礎(chǔ)。

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