智能溫室大棚系統設計

陳書欣,馬洪濤,劉 璽

(1.河北科技大學學報編輯部,河北石家莊 050018;2.河北科技大學息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

智能溫室大棚系統設計

陳書欣1,馬洪濤2,劉 璽2

(1.河北科技大學學報編輯部,河北石家莊 050018;2.河北科技大學息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

鑒于目前中國溫室大棚系統科技水平低下的現狀,專門設計了一個采用PC上位機、3G傳輸裝置和嵌入式下位機相結合的智能溫室大棚控制系統,該系統可以智能地調節農作物生長所需的各項環境因數,進而使農作物生長更好,產量更高。此外,由于該系統在上位機和下位機間采用了分散控制,相比于集中控制的溫室大棚系統,該系統的穩定性和使用的靈活性都得到了顯著提高。

智能溫室大棚;分散控制;嵌入式;3G

隨著社會和經濟的發展,人們對物質生活的需求越來越高。中國人口眾多,人均耕地面積很少,如何提高農作物產量,實行耕地面積利用率的最大化十分重要。為了提高單位面積上農作物的產量,國內外紛紛提出了自己的智能溫室大棚系統設計方案。所謂的智能溫室大棚系統設計就是通過現代科學技術手段,調節農作物生長所需的各種環境條件,主要有光照、溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度這4個環境參數,從而使農作物處于最佳的生長環境中,進而最大幅度地提高農作物的產量[1-3]。

目前,國內外智能溫室大棚系統大多采用 PC上位機和單片機下位機相結合的方法。在上位機和下位機之間采用集中控制、有線互聯的方式。其原理是首先由下位機采集數據,然后通過串口傳送到上位機中進行信息處理,接著把處理完的結果傳給下位機,最后再由下位機根據處理完的結果發出控制命令。采用這種處理方法速度較慢,實時性較差。為了滿足實時性和復雜性的數據運算,筆者采用了嵌入式RAM作為下位機進行控制,一臺單獨的嵌入式RAM下位機就能夠獨立完成其所在區域的數據采集、處理和控制工作。然而,集中控制方法過多地依賴于PC上位機,一旦上位機出問題,整個系統就要癱瘓。針對這個問題,本系統采用了分散控制方法。再者,傳統的有線互聯的方式只能適用于面積較小且單一的溫室,對于面積較大且多個處于不同地方的溫室進行控制往往不能實現,因此本系統采用了無線傳輸的方法。

1 系統總體設計

系統主要由PC上位機、3G傳輸裝置和嵌入式下位機3部分組成,上位機和下位機之間采用了分散控制的方法。其結構框圖如圖1所示。

圖1 智能溫室大棚系統設計總框圖Fig.1 System design structure of smart greenhouse

PC上位機用來采集下位機的環境狀態參數并對采集到的數據進行顯示、分析處理,并把優化后的控制方案提供給管理人員供其參考,管理人員除了可以通過PC機的顯示器來實時監控下位機的工作狀況外,還可以依據PC機優化后的控制方案向下位機傳輸不同的控制命令來更新下位機中的各項標準參數。

嵌入式下位機依據PC上位機更新好的標準參數對所管轄范圍內的環境參數進行采集、分析處理,最后控制執行機構完成相應的動作。

數據的傳輸主要由3G傳輸裝置來完成。相比傳統的有線連接方式,該方法具有連接方便、控制范圍廣、使用方便等優點,管理人員即使足不出戶也可以對農作物的生長情況進行監控和測量,對農作物的生長環境進行調控。

2 系統的硬件實現

系統的硬件部分主要由PC上位機、3G傳輸裝置和嵌入式下位機3部分構成。

PC上位機部分主要由 PC機、顯示器、蜂鳴器組成。PC機主要完成各種功能控制:如對下位機進行數據采集;對采集來的數據進行分析處理后送到顯示器進行顯示;向下位機傳輸控制參數,從而完成下位機中標準參數的修改;根據農作物不同的生長季節和時期來對下位機中的農作物生長控制模型進行更新,從而使農作物在不同的季節采用不同的生長控制模型;也可以設置成自動檢測報警方式,這樣PC機會每隔一定的時間對下位機中的數據進行采集,從而判斷下位機所處地點的農作物生長環境是否正常,如果不正常則通過報警器進行報警來通知管理人員。

下位機主要由嵌入式系統、顯示裝置、采集裝置和執行機構組成。嵌入式系統采用的是Samsung公司的S3C2410處理器,它主要用來完成對各個傳感器進行數據的采集、處理、顯示,并控制相應的執行機構完成相應的動作。此外,它還要對處理后的數據進行壓縮,然后發給無線發送模塊進行發送。采集裝置由溫、濕度傳感器DHT81、光強傳感器TSL2561、二氧化碳傳感器MG811組成,用于對各種環境參數進行監控和測量。下位機的處理器首先會依據標準參數對采集來的數據進行處理、優化,最后輸出能使農作物生長達到最佳狀態的控制信號,從而控制執行機構調節光照、溫度、土壤濕度和二氧化碳濃度,進而使農作物處于最佳的生長環境中。

無線傳輸裝置由無線發送模塊、3G網絡和PC機上的“智能溫室控制中心”軟件中的數據監控模塊組成。無線發送模塊先把數據發送到3G網絡,3G網絡基站會依據用戶設定的IP地址把數據上傳到互聯網上,這樣管理員就可以調用“智能溫室控制中心”軟件中的數據監控模塊把數據下載到本地的PC機上進行顯示。無線發送模塊采用的是聯芯科技生產的LC6311芯片,它是一款 TD-HSDPA與 GGE雙模3G模塊。TD-HSDPA是TD-SCDMA進一步深化的技術,可以適用于WCDMA和 TD-SCDMA兩種制式。鑒于目前中國移動推出的 TD-SCDMA早已進入了實用階段,信號覆蓋好,數據傳輸效果比較好,所以選擇TD-SCDMA作為無線通信的3G網絡。其整個硬件系統結構框圖如圖2所示。

圖2 智能溫室大棚系統設計硬件系統結構框圖Fig.2 Hardware design structure of smart greenhouse

3 系統的軟件設計

系統的軟件部分主要由上位機軟件和下位機軟件兩大部分組成。

上位機部分的各種功能都是由“智能溫室控制中心”這個軟件來實現,該軟件由數據采集模塊、數據處理顯示模塊、圖形界面模塊、控制參數更新、SQL數據庫等組成。主要用來完成以下幾個功能:數據采集、數據處理、控制參數更新和自動檢測報警。該軟件采用了圖形界面,在其左邊有5個功能按鈕分別是數據采集、數據處理、數據發送、生長控制模型更新和自動檢測報警。當按下“數據采集”時,PC機首先會向無線傳輸模塊發出接受命令請求,無線傳輸模塊會把從下位機中采集到的當前各個傳感器中的數據值發送給PC機,最后會在PC機上進行顯示。當按下“數據處理”時,PC機會調用數據處理模塊和SQL數據庫對采集到的數據進行處理,最后會把處理好的結果進行顯示。當按下“控制參數更新”時系統會調用控制參數更新模塊對下位機中的標準參數進行更新。在進行“控制參數更新”時系統需要調用“數據發送”模塊。“數據發送”模塊主要用來調用無線傳輸裝置將命令和數據傳達給下位機,從而使下位機發生一定的動作。

下位機軟件部分由應用程序、驅動程序和Linux操作系統3部分組成。當整個下位機初始化后,運行在Linux操作系統之上的應用程序首先會調入標準參數,接著會采集當前的光強信號、二氧化碳濃度、濕度信號和溫度信號,然后它會把當前值和標準參數一起加載到各自對應的控制模塊中,最后處理器會對不同的采集模塊采取不同的控制方法。如對于二氧化碳采用傳統的PID控制和排風控制,二氧化碳控制模塊首先會加載當前二氧化碳濃度值和二氧化碳標準參數到 PID控制算法中,處理器會根據二氧化碳控制模塊最后的處理結果來判讀當前溫室大棚內的二氧化碳濃度到底是偏高還是偏低,如果二氧化碳濃度偏低,則處理器會控制噴頭噴出適量的二氧化碳;如果二氧化碳濃度偏高處理器則會控制排風扇排放二氧化碳。由于向外排風時室內溫度會降低或升高,冬季的時候外邊溫度低,排風后室溫會降低,夏季的時候外邊溫度高,排風后溫度反而會升高。因此排風前需要先把當前的溫度值保存起來,排完風以后再通過加熱器加熱或通過制冷機降溫。對于光照,處理過程與二氧化碳類似,只需要采用調節光亮度的方式和控制遮光窗簾的升降程度的方法即可。對于溫度可通過調節加熱器和制冷機來實現。而對于濕度的控制則采用加濕器和排風控制相結合的方法,這是由于溫度和濕度控制存在大滯后、非線性的特點,所以采用傳統的控制方法無法實現,這里采用了預測控制的方法。所謂預測控制就是根據對象的歷史信息和未來輸入來預測其未來輸出。預測控制常用的控制算法有動態矩陣控制(DMC)、模型算法控制(MAC)和模型預測啟發控制(MPHC),這里選擇動態矩陣控制算法。不論算法如何不同,都應建立在預測模型、滾動優化、反饋校正3項基本原理基礎上。系統首先會依據剛剛采集到的一系列數據建立數學模型,依據數學模型和輸出差值通過反饋對輸入進行反復滾動修正,直到滿足精度要求即可,簡言之就是系統根據輸入的溫度和濕度量通過最優控制執行機構完成相應的動作,從而使農作物所處環境的溫度和濕度達到農作物生長所需的參數指標。由于通風控制會改變溫室的溫度,所以在采用通風控制之前需要先對當前溫度進行保存,通風控制完畢還需控制加熱器加熱或制冷機制冷到通風控制前的溫度。總的來說,系統會針對不同的環境參數采取不同的控制方法,從而使環境參數達到農作物生長所需的最好的參數指標。

驅動程序由傳感器采集驅動和輸出執行驅動2部分組成。傳感器采集驅動又包括了光強采集模塊、二氧化碳采集模塊、濕度采集模塊和溫度采集模塊,它們主要負責完成對外部各個傳感器的數據采集,然后將采集到的數據傳送給操作系統和應用程序進行處理。輸出執行驅動會根據操作系統發來的控制命令控制相應的外部執行機構完成相應的動作。

Linux操作系統位于應用程序和驅動程序之間,用來調度、協調應用程序和驅動程序的相互配合。如通過操作系統的API函數來調出傳感器采集驅動采集到的數據,然后再通過API函數把這些數據傳遞給應用程序,應用程序首先會對數據進行優化處理,然后會根據優化處理結果給輸出執行驅動發送相應的命令,輸出執行驅動會根據發來的控制命令控制相應的外部執行機構完成相應的動作。由于采集到的各種環境參數可能需要發給PC機進行顯示,所以采集完數據以后系統會首先判斷是否有無線請求,如果有無線請求,這些數據會首先發給無線傳輸模塊,然后發給PC機進行顯示。默認情況下這些數據會間隔一定的時間向 PC機發送一次,PC機會根據這些數據進行處理、優化,最后給出標準參數。此外下位機還會把當前的環境參數和標準參數傳到小的液晶屏上進行顯示,這樣即使正在大棚內工作也可以了解當前溫室的環境情況。由于嵌入式下位機采用了操作系統控制方法,它不同于普通單片機單任務的工作方式,它使用的是多任務并行處理的機制,不同的環境參數的采集和控制可以同時進行,這大大提高了調節的效率和準確度。整個智能溫室大棚下位機軟件結構流程圖如圖3所示。

圖3 智能溫室大棚下位機軟件結構流程圖Fig.3 Software structure of lower computer of smart greenhouse

4 結 語

本系統針對目前中國溫室大棚系統智能化水平低下的現狀,提出了一種基于嵌入式下位機、PC上位機、無線傳輸模式以及分散控制方法的智能溫室大棚系統。由于采用了分散控制的控制方法,單個下位機依照PC機傳來的標準參數就能夠獨立完成環境參數的采集和調控,只要在必要的時候更新一下標準參數即可,這樣大大提高了調節的實時性和準確度。PC上位機除了可以隨時監測嵌入式下位機的工作狀態外,還可以直接更新下位機工作所依據的標準參數來間接地控制下位機的工作。此外系統拋棄了傳統的有線方式,采用了3G無線傳輸的方式,方便了對下位機的監控,提高了系統適用的范圍和靈活性。

[1]曹德光,鄧中亮.基于53C2410的智能移動業務終端設計[J].現代電子技術,2008,11(4):18-20.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學出版社,2007.

[3]彭木根,王文博.TD-SCDMA移動通信系統[M].北京:機械工業出版社,2007.

Design of smart greenhouse system

CHEN Shu-xin1,MA Hong-tao2,LIU Xi2
(1.Department of Journal Editorial,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

In light of the low scientific and technological level of greenhouse in the country,a smart control system is designed,which combines the upper PC,the 3G transport equipment and the lower embedded machine.Smart greenhouse system can regulate smartly the environment parameters,which is beneficial to the growth of crops.Besides,a decentralized control measure better than the centralized control measure is adopted between the upper and the lower machines.

smart greenhouse system;decentralized control;embedded machine;3G

TP273+.5;S625

A

1008-1534(2011)04-0240-04

2011-03-16

責任編輯:李 穆

陳書欣(1968-),女,河北吳橋人,編輯,主要從事自動化、計算機方面的信息傳播與研究。