基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚一體化控制系統(tǒng)的設計

尚明華，胥兆麗，尹志豪，秦磊磊

(山東省農(nóng)業(yè)科學院科技信息研究所，山東 濟南 250100)

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，更是安天下、穩(wěn)民心的重要產(chǎn)業(yè)。我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)水平落后，作物生產(chǎn)單一，專用品種缺乏，絕大多數(shù)還是要靠天吃飯，這極大地阻礙了我國經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[1-8]。隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，如何讓農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化，成了我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。溫室大棚可以為設施蔬菜和農(nóng)作物提供適宜的生長環(huán)境，使其不再受季節(jié)的限制，提高其生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。因此，溫室大棚技術(shù)成為了我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點之一。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，將其通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式相結(jié)合，極大地促進了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細化發(fā)展。為了增強現(xiàn)有日光溫室的性能，提高溫室大棚的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)其蔬菜作物種植自動化，我們設計研發(fā)了一套溫室大棚一體化控制系統(tǒng)，通過傳感器節(jié)點構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)對溫室大棚中的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤水分等環(huán)境因子的自動監(jiān)測與控制。

1 一體化控制系統(tǒng)硬件設計

溫室大棚一體化控制系統(tǒng)的硬件部分包括一體化控制器和棚內(nèi)設備。一體化控制器由主控制器、通信模塊、觸摸屏模塊和電源管理模塊組成，通信模塊、本地控制模塊、觸摸屏模塊和電源管理模塊與主控制器連接。棚內(nèi)設備通過通信模塊實現(xiàn)與主控制器通信。

1.1 一體化控制器結(jié)構(gòu)

一體化控制器由4部分組成，分別是控制柜、觸摸屏模塊、按鍵開關和供電系統(tǒng)。控制柜內(nèi)包含主控制器、通信模塊、本地控制模塊和電源管理模塊(圖1)。

一體化控制器集成了空氣溫度、空氣濕度、CO2濃度、光照強度、土壤水分、土壤溫度等控制模塊，可根據(jù)傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，通過人工調(diào)節(jié)或自動調(diào)節(jié)模式輸出控制信號給相應的執(zhí)行單元來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境條件[9-11]。利用該系統(tǒng)能夠使用戶及時了解和調(diào)控農(nóng)作物的生長環(huán)境信息，從而減少勞動成本、提高作物產(chǎn)量、減少農(nóng)藥和化肥使用量。

圖1 一體化控制器外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 主控制器 主控制器用于接收并解析來自通信模塊、觸摸屏模塊的數(shù)據(jù)信息，然后通過自動控制模式進行溫室大棚環(huán)境自我調(diào)控；或通過手動操作本地控制模塊(按鍵開關或觸摸屏)向溫室大棚內(nèi)的相關設備發(fā)送控制指令，設備接收到控制指令后進行相應的動作，同時向主控制器發(fā)送狀態(tài)信息。觸摸屏模塊可用于參數(shù)設置，并將設置好的參數(shù)信息傳至主控制器同時可進行設備的操作。

主控制器通過GPIO口與觸摸屏模塊、電源管理模塊連接，通過SPI總線與通信模塊連接。

1.1.2 通信模塊 通信模塊由433 M無線模塊、以太網(wǎng)模塊、GPRS模塊、WiFi模塊、藍牙模塊、ZigBee模塊或紅外通信模塊組成，用于跟溫室大棚內(nèi)的設備進行通信，對數(shù)據(jù)信息進行加密處理后，將數(shù)據(jù)信息傳至主控制器。加密處理用到的加密算法包括TEA算法、MD5算法。

1.1.3 觸摸屏 采用北京昆侖通態(tài)的液晶屏(圖2)，型號TPC1061Ti。

圖2 TPC1061Ti液晶屏

TPC106Ti是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心(主頻600 MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。采用10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率1 024×600)和四線電阻式觸摸屏(分辨率4 096×4 096)。同時還預裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件(運行版)，具有強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

觸摸屏模塊主要用于人機對話，顯示主控制器發(fā)來的溫室大棚環(huán)境參數(shù)信息、設備運行狀態(tài)信息，同時可進行設備操作、參數(shù)設置。控制模式可選擇本地控制、遠程控制以及自動控制三種。自動控制模式是指主控制器可根據(jù)采集到的溫室大棚環(huán)境信息，利用建立的自動控制算法，進行環(huán)境信息的自我調(diào)控。自動控制算法包括PID控制、模糊控制、解耦控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、非線性控制、自適應控制。遠程控制模式時可通過移動設備來操作溫室大棚內(nèi)的設備。移動設備為手機、PDA或平板電腦，通過通訊模塊與主控制器通信。

1.1.4 電源管理模塊 電源管理模塊通過電力線連接到220 V或380 V交流電源,并與通信模塊、本地控制模塊、觸摸屏模塊連接。

1.2 棚內(nèi)設備

棚內(nèi)設備包括濕簾降溫設備、噴霧降溫設備、遮陽網(wǎng)、卷膜、大棚卷簾和棚內(nèi)參數(shù)采集節(jié)點。通過在棚內(nèi)布置多種傳感器來獲取棚內(nèi)的環(huán)境信息。棚內(nèi)參數(shù)采集節(jié)點包括空氣溫濕度采集節(jié)點、CO2濃度采集節(jié)點、光照強度采集節(jié)點(圖3)。

圖3 棚內(nèi)空氣溫濕度、二氧化碳、光照強度采集節(jié)點

2 一體化控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 MCGS7.7嵌入版組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境

硬件環(huán)境：一般要求主流PC機處理器，2 GB以上的內(nèi)存，10 GB以上的硬盤剩余空間，CD-ROM驅(qū)動器等。

軟件環(huán)境：要求Windows XP以上版本。

2.2 MCGS7.7嵌入版組態(tài)軟件的安裝

打開MCGS7.7安裝文件夾，雙擊“Setup.exe”，彈出安裝對話框(圖4)，根據(jù)向?qū)崾具M行安裝。

圖4 組態(tài)軟件安裝向?qū)?/p>

程序安裝成功后，會在桌面生成快捷方式，如圖5所示，雙擊“MCGSE組態(tài)環(huán)境”圖標即可以運行程序，程序運行首界面如圖6所示。

2.3 溫室大棚一體化控制器系統(tǒng)軟件操作說明

溫室大棚一體化控制器系統(tǒng)軟件開發(fā)完成后，運行于昆侖通態(tài)觸摸屏TPC1061Ti上，觸摸屏通電之后，將自行啟動，啟動畫面默認為“環(huán)境監(jiān)測”模塊。

圖5 桌面快捷方式

圖6 組態(tài)軟件運行界面

2.3.1 環(huán)境監(jiān)測模塊 該模塊主要是用來實時顯示當前的環(huán)境參數(shù)信息，如圖7所示。如果控制器系統(tǒng)未接收到傳感器采集節(jié)點發(fā)來的參數(shù)信息或者傳感器節(jié)點處于離線狀態(tài)，則相應的參數(shù)模塊會處于“連接中…”的狀態(tài)。

當顯示的參數(shù)值在設定的閾值范圍內(nèi)時，參數(shù)值及參數(shù)邊框都會顯示綠色；當顯示的參數(shù)值不在設定的閾值范圍內(nèi)或處于“連接中…”時，參數(shù)值及參數(shù)邊框會顯示紅色，進行警示。

圖7 環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊支持歷史數(shù)據(jù)查詢。例如，當點擊“空氣溫度”標簽時，會彈出空氣溫度歷史曲線界面，可進行歷史數(shù)據(jù)的查看，如圖8所示。

圖8 空氣溫度監(jiān)測歷史曲線

2.3.2 環(huán)境調(diào)控模塊 該模塊主要是用來操控溫室大棚內(nèi)的設備，系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 環(huán)境調(diào)控模塊

以“室外鼓風機控制”為例，當點擊“室外鼓風機控制”標簽時，會進入鼓風機控制界面，如圖10所示。可通過手動或自動模式進行調(diào)控，自動控制模式下，鼓風機控制器可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部設定好的閾值范圍進行自動調(diào)節(jié)控制；手動控制模式下，可通過“打開”或“關閉”按鈕對鼓風機進行控制，同時，此模式還支持多段定時設置，默認情況下只有一個階段的定時設置，用戶可根據(jù)需求進行擴展。

2.3.3 報警信息模塊 該模塊主要用于設置環(huán)境參數(shù)的報警上下限，并支持報警記錄查看，如圖11和圖12所示。

圖10 室外鼓風機控制界面

圖11 報警信息模塊

圖12 報警記錄

2.3.4 語音播報模塊 該模塊可以手動輸入想要播放的內(nèi)容，并支持語音報警功能，如圖13所示。當點擊“播放語音”按鈕時，首先播放輸入框內(nèi)的內(nèi)容，之后播放當前環(huán)境參數(shù)信息。當溫室大棚的環(huán)境參數(shù)超出設定的閾值范圍，也會進行語音報警提示。

圖13 語音播報模塊

3 應用實例

我們在濟南市歷城區(qū)唐王(蔬菜)試驗基地進行了一體化控制系統(tǒng)的實際應用，設備安裝及分布示意圖見圖14—圖16。通過傳感器網(wǎng)絡節(jié)點可將采集到的空氣溫濕度、光照強度、土壤溫度、土壤水分等數(shù)據(jù)，傳輸?shù)街骺刂破髌脚_上顯示(圖17)。通過分析數(shù)據(jù)，一體化控制器可以自動發(fā)送設備控制指令，通過調(diào)節(jié)卷簾設備、卷膜設備和通風機等設備，實現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境條件的一體化控制。

圖14 一體化控制器安裝圖

圖15 唐王(蔬菜)試驗基地控制設備示意圖

圖16 唐王(蔬菜)試驗基地采集設備示意圖

4 結(jié)論

針對溫室大棚勞動成本高、產(chǎn)量低等問題，我們設計研發(fā)了本款溫室大棚一體化控制系統(tǒng)，在濟南市歷城區(qū)唐王(蔬菜)試驗基地的測試應用結(jié)果表明，使用該控制系統(tǒng)能夠使用戶更好地掌握農(nóng)作物生長各階段棚內(nèi)環(huán)境信息，并進行精準調(diào)控，達到減少勞動成本、提高作物產(chǎn)量、減少農(nóng)藥和化肥使用量的目的。

圖17 唐王(蔬菜)試驗基地環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)圖