基于物聯網的溫室大棚卷簾自動控制系統

劉思晴，解迎剛，沈 彤，劉永強

（北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101）

0 引 言

在我國北方地區，早春、早秋、冬季溫室大棚內氣溫比較低，不適宜農作物的生長。大棚卷簾相當于一層保溫層，在極端天氣下起到重要作用，不僅能夠抵御惡劣天氣，而且能夠起到保溫作用，使得作物不受外界嚴酷環境尤其是溫度的驟然變化影響。而收放卷簾工作是一項重復、費時的工作，使用溫室卷簾機能大幅減少卷放簾時間。目前大棚卷簾多為人工手動控制卷簾機，而一臺卷簾機平均卷放簾子時間為5～6 min，如果使用手動控制方式，每棚用時5～6 min，再加上步行時間約4～5 min，總共用時約為10 min。現以有50個溫室的園區為例，采用手動方式時卷簾工作共需500 min，如果使用5名員工人工操作需要100 min，容易延誤溫室農作物的采光時間，而且如此重復、不便的操作實在過于低效，手動卷簾不適合規模化和集約化生產。

為解決以上問題，本文設計一款基于物聯網的無人值守卷簾機智能控制系統，通過程序自動定時或者遠程調用控制伺服電機轉動，伺服電機帶動卷簾，實現卷簾收放；此外，還可以在農業大棚中加入傳感器，并在卷簾上布置感應節點/模塊，當卷簾收起/放下到一定位置時，系統命令伺服電機停止轉動，以防止旋轉過度。同時，可在卷簾工作完成后，利用已安裝在現場的攝像頭拍攝狀態圖片，實時發送到農戶手機上。無人值守的智能化卷簾機控制系統避免了升降大棚卷簾機的時間對大棚生產的限制，解放了勞動力，解決了設施農業生產者的后顧之憂。既節約了成本，又避免整套更換智能大棚會進一步加大農作物損害的風險。

本文還設計了手機APP或PC端控制系統，當網絡暢通且網關和手機端設備均連接上同一網絡時，實時監測土壤水分、土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、光照強度等數據；并通過人工智能系統對采集的數據進行分析處理，模擬出最適合溫室內農作物生長的環境，進而隨時操控卷簾機收放卷簾，保證溫室大棚內環境最適宜作物生長，為作物高產、優質、高效、生態、安全創造條件。

1 系統設計

目前市場上所使用的卷簾機大部分均為步進電機，因此本設計也使用24 V步進直流電機。單獨使用直流電機顯然不能夠直接實現電機正、反轉，因此必須使用兩路繼電器進行控制。當從繼電器輸入正向電流時，電動機能夠正向轉動；當輸入反向電流時，電動機反轉。本設計采用Cat1云可編程式網關作為核心部件，將電腦與可編程式網關進行連接，在開發模式下將編寫好的核心程序燒寫入網關。確認代碼無誤后，使用網關的開發平臺進行測試，測試代碼是否能夠正常運行，隨后下載至網關內，接通電源后自動運行下載好的程序，根據程序功能即可實現自動運行/自動控制。

要實現自動控制，傳感器是必不可少的。本設計使用溫濕度傳感器、光照強度傳感器和土壤PH酸堿度傳感器對棚內數據進行綜合采集。同樣通過編寫核心程序內的代碼實現與各個傳感器之間的通信/信息傳遞，從傳感器獲取數據后，網關通過編寫的代碼，將相關數值與設置好的閾值進行比較，并判斷是否放下/升起大棚卷簾。例如，當棚內溫度過低時，傳感器向網關傳輸數據，系統通過程序判斷此時大棚正在經歷惡劣天氣，急需保溫，因此通過網關下達指令，令卷簾機放下卷簾，保護大棚內作物的安全和合適的溫濕度。除此之外，通過代碼編程，也可實現調動其內置的通信模塊功能，將采集到的溫濕度等數據自動上傳至阿里云平臺，實現數據可視化。溫室大棚物聯網系統如圖1所示。

圖1 溫室大棚物聯網系統

從整體來看，上述系統實際上就是系統的自動控制支線，系統通過數據、指令自行對卷簾機進行控制，其流程如圖2所示。

圖2 自動控制循環流程

然而，一套完全閉環的自動控制系統顯然存在諸多問題，例如對突發事件的處理等；除此之外，若要實現無人值守系統，整套系統應具備可以通過外部介入（人工控制）控制卷簾機的功能，以此應對極其突發的事件；如果要擁有常用的每日定時功能，就需要一套能夠實現中斷、打斷、優先度更高一級的手機APP小程序。顯然通過手機進行遠程控制一定是優先度最高的，其不能與自動控制的系統沖突。手機APP操作支線路流程如圖3所示。

圖3 手動控制循環流程

2 系統硬件實現

在硬件選型與設計方面，主要的困難點為如何打通從網關到卷簾機、從網關到APP這兩條線路。實際上后者能夠通過后文所介紹的軟件編程進行解決，設備使用的可編程網關自帶SIM卡，編程后可以直接向云端上傳數據。

系統的物理硬件結構如圖4所示，主要的硬件系統選型如下：

圖4 物理硬件結構

（1）可編程網關選型

作為本設計的核心部件，對于可編程器的選擇至關重要。如果選擇C51單片機進行設計和實現，雖然端口也為普通的通信串行口，但設計過于簡陋，存在平臺對接、兼容性以及成本等問題，且C51單片機開發板不具備單獨的通信模塊，不能夠直接將獲取到的數據上傳至云服務器/云平臺。因此本設計采用可編程網關TiGW200（Cat1）作為核心部件，提供整條自動控制支線路的編程控制。

使用網關模塊雖然能夠實現上傳云平臺的通信功能，但是其內部的算法至關重要。除了后文要提到的燒寫入網關的核心算法和代碼之外，還必須具有能夠發出指令控制卷簾機收放卷簾的接口。本設計采用的網關擁有兩路RS 485通信口以及電源供電，通過插入手機SIM卡來確保通信的可靠性。

（2）信號轉換控制器選型

如上文所述，設計使用可編程網關作為核心部件，但由于網關只提供RS 485通信串行口，其5 V的弱電顯然不可能控制強電的24 V電機，因此在兩路繼電器/中繼器之間顯然還缺少一種模塊，它需要實現左側RS 485通信口輸入，將數字量轉化為模擬量后，從右側開關輸出側輸入能夠給予控制繼電器的模擬量。

RS 485轉兩路開關模擬量控制器實現了數字量與模擬量的對接，即網關通過RS 485發出指令信號后，通過轉換器即可轉換為能夠驅動電機的模擬量信號。

（3）兩路控制繼電器選型

若想實現從網關控制卷簾機這一條線路，那么在控制器轉換為開關量后必然需要一個模塊能夠通過正向、反向電流來驅動卷簾機轉動，這便是開關控制模塊。在這里值得一提的是，若選用普通的4～8腳繼電器，則只能實現單向的通電/斷電，無法實現正向電流與反向電流的供給，因此這里選用兩路電路控制器。

3 系統具體實現

本系統的功能如下：

（1）在電動卷簾機的基礎上，推出無人值守的智能化卷簾機控制系統，利用物聯網網關控制農用大棚卷簾機的升降，基于物聯網感知并實時反饋卷簾機卷簾位置，每天定時或根據天氣狀態啟動卷簾，當卷簾機放下或收起達到限定或指定位置后即自行停止；并可在卷簾工作完成后，利用已安裝在現場的攝像頭拍攝狀態圖片，實時發送到農戶手機上，大大解放了勞動力，避免了升降大棚卷簾機時間對群眾大棚生產的限制。溫室大棚卷簾機實物如圖5所示。

圖5 溫室大棚卷簾機實物圖

（2）基于物聯網環境監控，以農業物聯網技術為支撐，通過在溫室安裝各類傳感器，實時監測土壤水分、土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、光照強度等數據；并通過人工智能系統對采集的數據進行分析處理，模擬出最適合溫室內農作物生長的環境，進而對供水系統、卷簾裝備等進行遠程自動化控制，從而改善溫室內部農作物生長環境，達到調節生長周期、改善產品質量、降低生產成本、提高經濟效益等目的。

（3）農戶手機APP監控軟件可以通過APP軟件精確了解溫室內以及農田的環境狀況，并可對溫室的卷簾、水泵等裝置進行控制，以達到植物的最佳生長環境或人為設定環境。手機APP實時數據監測界面如圖6所示。

圖6 手機APP實時數據監測界面

4 結 語

系統以編程網關TiGW200（Cat1）作為核心部件，手機端通過4G網卡連接網關，網關另一側連接傳感器、電機等設備，進而通過手機APP控制大棚卷簾和監測大棚內部的環境，不僅能夠實現早晚定時收放卷簾，遇突發情況手機APP能夠直接控制卷簾收放，還能實時監測農作物的生長環境并把數據反饋到手機APP，通過與數據對比進而控制水泵、卷簾等裝置，創造并維持最佳的植物生長環境。與手動控制的傳統大棚卷簾相比，此設計節約了大量的人力，實現了高效種植；通過提升農業生產智能化水平來降低設施農業生產者的勞動強度和提高時間自由度。實現信息的高效共享，對于農業發展、農民富裕、農村繁榮具有十分重要的意義。