新型溫室環(huán)境因子調控裝置設計與研究

許鵬，王先宏，賈民政

（北京工業(yè)職業(yè)技術學院 電氣與信息工程學院，北京， 100042）

0 引言

近年來，我國在智慧溫室環(huán)境因素的精確調控領域發(fā)展有了很大的進步，但真正能夠進行全方位應用的基本都是大型化的植物工廠或農場，中小型和個人農場普及率還是很低。計算機智能控制、通信技術、電氣自動化等高新技術與傳統(tǒng)農業(yè)的契合度還很低。一個主要原因為農業(yè)智能化設施的應用開發(fā)采用的軟硬件模式以及維護等成本相對較高，系統(tǒng)的可擴展性較差，普通中小規(guī)模用戶基本無力承擔。

基于我國農業(yè)發(fā)展中的實情，根據(jù)農作物生長適宜生態(tài)條件，采用低成本、開發(fā)維護簡單的開源微控制器單元作為核心大腦，利用各種外圍傳感器模塊,準確采集環(huán)境因子(光、熱、水、氣、肥等)以及作物生育狀況等參數(shù),建立相關作物生長環(huán)境的數(shù)學模型，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、存儲，根據(jù)作物生長所需最佳條件,設計動態(tài)人工智能控制算法，使有關系統(tǒng)、裝置及設備有規(guī)律運作, 確保一切生產(chǎn)活動科學、有序、規(guī)范、持續(xù)地進行。從而使廣大農戶能夠切實的享受到智慧農業(yè)發(fā)展的果實。

綜上，開發(fā)一套成本低廉、使用簡易且又能滿足數(shù)字化、智能化控制要求的新型溫室監(jiān)測、調控裝置，真正能讓技術嵌入到普通溫室種植用戶中去，是有其非凡意義的。既能滿足普通單片機控制器的所有控制要求，又兼顧了多媒體電腦的諸多處理能力。系統(tǒng)軟件設計可實現(xiàn)模塊化調用，功能升級方便，可操控性強。該設計系統(tǒng)完全可滿足對作物生長環(huán)境的智能化控制和作物的科學管理,實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置,以達到作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代精細化農業(yè)要求。

1 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)設計分為兩部分：

第一部分為總體監(jiān)控設備部。設一臺工控主機，承擔全場區(qū)的總體監(jiān)視功能。管理人員可隨時通過主機調取各溫室的各采集單元環(huán)境因子數(shù)據(jù)，生成趨勢曲線、報表等實時數(shù)據(jù)。同時總監(jiān)部也具有控制全局控制權限，在高級用戶登錄后，便可對各控制部的參數(shù)進行修改或執(zhí)行控制動作。界面使用HMI液晶觸摸或顯示大屏。利用組態(tài)軟件作為開發(fā)IDE來實施開發(fā)。

第二部分為各溫室控制部。各控制部以開源控制器Raspberry Pi 4B作為核心控制服務器。該控制器為卡片式電腦，擁有具有豐富I/O接口和開發(fā)功能，使得開發(fā)的系統(tǒng)具有較強的移植性，便于系統(tǒng)后期一系列擴展需求。40針GPIO接口既有串行通訊接口，也包含了豐富的控制接口。可直接連接各種串行通信傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)設置各種算法來實施控制卷簾步進電機、排氣風機的各運轉功能。

每個控制部的界面采用Python自帶GUI（圖形用戶接口）工具tkinter進行開發(fā)。圖形界面簡單直觀，適合中小型農業(yè)現(xiàn)場控制區(qū)域部署。控制部核心嵌入了各農作物的環(huán)境影響因子算法，可方便地根據(jù)設定條件，自動化、智能化地控制風機、電機等電氣設備。

該系統(tǒng)分為控制核心、傳感單元電路、控制電路三部分。控制核心采用開源電腦控制平臺，平臺自帶GPIO控制接口。傳感單元包括通過485有線連接和無線Lora通信兩種方式。無線通信需要通過智能采集器進行485-Lora-485的協(xié)議轉換。控制器將實時采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理，采用模糊融合決策機制向相應的控制電路發(fā)出控制命令，及時調節(jié)溫室內各種環(huán)境因子以達到精細化種植需要的各種設定條件。

控制部的功能：通過采集各點土壤溫濕度參數(shù)，決策是否該對作物進行節(jié)水灌溉作業(yè)。灌溉溫濕度條件滿足冗余查詢條件時，停止灌溉作業(yè)；溫室空氣溫濕度環(huán)境監(jiān)測參數(shù)作為對通風設備、空氣加溫加濕設備及卷簾機設備等是否啟動以及排風機組工作轉速狀態(tài)進行控制判別條件；光照傳感器單元作為卷簾步進電機工作狀態(tài)以及補光燈設備是否投入運行的判別條件，進行控制作業(yè)；氣體傳感器可根據(jù)所種作物光合作用最佳需求CO2及特殊需求氣體條件進行監(jiān)測，當CO2氣體濃度低于一定條件時即可啟動氣體補充裝置進行二氧化碳施肥，當超標后即啟動排風電機組工作，從而實現(xiàn)智能化的動態(tài)調節(jié)作用。

2 組態(tài)監(jiān)控模塊設計

■2.1 總監(jiān)測部組態(tài)設計

圖3 溫室環(huán)境監(jiān)測組態(tài)窗口

總體監(jiān)測部分設置了各控制部部分的選擇界面，進入相應選擇界面后即可監(jiān)測該溫室的各項環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù)。并開發(fā)了監(jiān)測趨勢線路圖，便于用戶在設定時間段內從整體把握該因子的變化趨勢，為農作物的生長和農業(yè)研究提供重要的資料依據(jù)。

總體監(jiān)測部除了可以監(jiān)測各溫室的控制部數(shù)據(jù)外，也可向指定的或者總體控制部發(fā)送控制命令，進行總體控制。如一鍵關閉/停止，一鍵打開/啟動各子控制單元的功能，簡化操作步驟，縮短整體操控時間。

■2.2 傳感監(jiān)測模塊

(1)傳感器模塊

該監(jiān)控系統(tǒng)包括光照、空氣溫濕度、CO2濃度、土壤溫濕度等傳感單元。可實時監(jiān)測溫室中各環(huán)境因子。并根據(jù)控制策略控制灌溉、卷簾開合度、補光、加溫、加濕、CO2氣肥等一系列措施，動態(tài)調節(jié)各因子，滿足不同作物的生長需求，達到精細化種植的目的。

(2)多傳感器系統(tǒng)的敷設

485布線采用通用的8芯屏蔽雙絞線,可有效防止和屏蔽干擾。總線上最多允許掛接128個總線設備，在不加中繼器的情況下，總線長度不大于1200m，如果更長請選用其它專用485/232轉換器或者加中繼器，并選用更粗的通訊電纜。對于溫室室內設備來說已完全可滿足空間布線需求。

如果成本允許，也可直接用帶Lora通信的傳感器代替有線設備，直接同控制部和主監(jiān)測部通信。

■2.3 數(shù)據(jù)采集/轉換裝置

采用485-Lora集中控制器作為組網(wǎng)核心，該裝置主要作用就是實現(xiàn)多-多的485/Lora之間的數(shù)據(jù)傳輸，將無線Lora協(xié)議轉換為485總線傳輸?shù)臉藴蔒odbus協(xié)議。如圖1總監(jiān)部設計圖所示，利用多個數(shù)據(jù)轉換裝置進行組網(wǎng)，建立農場自己的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。

圖1 總監(jiān)設備部設計方案框圖

圖5 485多設備接線示意圖

圖6 協(xié)議轉換裝置組網(wǎng)

3 精細化控制模塊

■3.1 聯(lián)合控制策略

系統(tǒng)聯(lián)動的控制方法采用一種融合粗糙集與證據(jù)理論的溫室無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境控制決策方法，首先應用無線傳感器網(wǎng)絡構建溫室環(huán)境控制設施，采集溫室環(huán)境信息與控制執(zhí)行機構運行;然后采用模糊C均值聚類方法實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)離散化，利用基于信息熵的屬性約簡算法對專家決策表進行約簡，采用均值劃分的基本可信度分配函數(shù)獲得樣本在各焦元的基本可信度分配值:最后對各約簡屬性集進行證據(jù)合成，依據(jù)最大基本可信度分配函數(shù)法，判定應采取控制方法。具體數(shù)據(jù)處理步驟框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理及決策步驟

控制部通過GPIO接口與電機驅動板進行連接，從而可驅動直流電機、伺服電機、步進電機等裝置，達到精確控制的目的。

■3.2 直流風機轉速控制

控制部Raspberry Pi通過圖8所示電機驅動模塊，可同時驅動兩臺直流電機，控制電機轉動方向，實現(xiàn)溫室的送排風控制。同時可根據(jù)聯(lián)合控制策略對電機進行PWM調速控制。

圖8 電機驅動模塊

調速控制部分程序：

■3.3 卷簾控制裝置設計

卷簾機采用雙極型步進電機，可以通過圖8驅動電路進行驅動控制。通過聯(lián)合控制參數(shù)的設定值，調用不同的實參訪問驅動控制函數(shù)來精確控制卷簾電機的旋轉步進值，從而達到精確控制溫室卷簾開合角度的控制要求。

部分控制程序：

x = int(input('輸入一個整數(shù)（位于-400與400之間）來控制步進電機旋轉：'))

4 控制部GUI設計

控制部圖形用戶接口（GUI）使用的是Python3內嵌的tkinter模塊設計相關程序。如下所示從tkinter庫中引入相關模塊。

系統(tǒng)界面設計步驟及簡單的初始代碼可描述如下：

(1)建立窗口和標簽

from tkinter import *

root=Tk( )

Label(父對象,options)root.mainloop( )

(2)設置相關功能按鈕

Button(父對象,options)

(3)設置不同監(jiān)測數(shù)據(jù)變量類別

系統(tǒng)監(jiān)測各環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)實際需要設定不同類別。tkinter模塊變量類別(Variable Classes)有4個子類別，通過這4個子類別的數(shù)據(jù)于模塊內的Widget控制的相關參數(shù)結合已完全可滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要。4個數(shù)據(jù)類型設置如下：

a=IntVar #整型變量，默認值為0

b=DoubleVar #浮點型變量，默認值為0.0

c=StringVar #字符型變量，默認為" "

d=BooleanVar #布爾型變量，True為1，F(xiàn)alse為0

(4)建立框架標簽

LableFrame(父對象,options)

除了上面的基本步驟外還可以通過Tkinter建立多個事件進行綁定，插入多個容器子控件以及進一步編輯Menu和Toolbars來不斷完善交互界面設置。本系統(tǒng)GUI界面設置示意圖如圖9所示。

圖9 GUI界面示意圖

5 結論

本論文中設計的新型溫室環(huán)境因子調控裝置采用總監(jiān)測部、各控制部的分模塊控制模式。總監(jiān)測部主要負責對整個農場區(qū)域各環(huán)境采集參數(shù)進行全域監(jiān)測，同時還開發(fā)了一鍵功能，可快速部署。各控制部發(fā)揮開源卡片電腦強大的控制算例等功能，部署聯(lián)合控制策略算法，控制各部設備達到對溫室環(huán)境因子精準控制，實現(xiàn)精細化種植的最終目的。整套裝置設計科學合理，各司其職的同時，又注重統(tǒng)籌兼顧原則。采用價格相對較低的卡片電腦既滿足了高水平的控制要求，又實現(xiàn)了產(chǎn)品的低成本化，便于中小農場的部署使用，具有很強地實用價值。