一種智能溫室控制系統的設計

武麗鴻，王海明*，趙晨旭 (河北科技師范學院，河北秦皇島066000)

隨著物聯網技術的發展，其在很多領域的應用研究獲得了迅速發展。“十二五”規劃中更是重點指出要大力發展物聯網產業［1］，目前物聯網技術已被應用在如智能農業、智能家居、智能交通等多個領域。而智能溫室即是智能農業發展下的必然產物［2］，它不僅會成為一種趨勢，更將在未來農業迅速發展中扮演著不可替代的重要角色。智能溫室監控系統是集傳感器技術、自動化控制技術、通訊、計算等技術于一體，通過用戶自定義作物生長所需的適宜環境參數，搭建溫室智能化軟硬件平臺，實現對溫室中溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤濕度等環境因子的自動監測和控制。該系統是基于連棟溫室下設計的，可為植物提供一個理想的生長環境，并起到較少勞動力、提高設備利用率、改善溫室氣候、減少病蟲害、增加作物產量等作用。

1 系統整體架構

該研究所設計的系統采用上、下位機控制方案，下位機部分核心部分為遠程測控終端，其實施對溫室環境參數采集、傳輸、存儲以及執行機構的控制;上位機為系統遠程監控計算機，采用可視化編程語言設計界面，實現對溫室的遠程監控與管理操作。該系統按照預設參數精確測量溫室的環境參數，通過各類傳感器實時采集數據，并可利用手動、自動兩種方式啟動或關閉不同的執行結構。其基本結構框圖見圖1。

2 系統分部結構及流程

2.1 下位機部分 下位機位于溫室控制現場，主要由傳感器部分、遠程測控終端和執行機構3大部分組成。下位機主要實現溫室環境數據實時采集、處理與顯示，以及對溫室環境的調節，通過總線網絡和無線通信模塊，將監測的環境參數傳輸到上位PC機，并接受上位機的控制而產生控制決策，控制執行機構進行調節;下位機控制流程如圖2所示，通過數據處理，發出相應的控制指令，從而改變溫室執行設備狀態來保證最佳的環境。

2.1.1 遠程測控終端。遠程測控終端是下位機系統的核心，采集傳感器的輸出信號，并輸出控制信號對執行系統進行智能控制，該部分的穩定程度決定了整個系統的好壞，因此，必須選擇一款好的遠程測控終端。在該系統選用具有低功耗、節能并方便維護Y－RTU6640－M，其具體功能特點如下［3］:

(1)數據遠程傳輸支持GPRS、以太網等。

(2)帶 RS232、RS485接口。

(3)6路模擬量輸入，可采集4～20 mA工業電流信號;6路繼電器輸出控制、4路光耦輸入輸出控制。

(4)內置大容量SPI－flash，實現數據的長時間本機保存。

(5)可按需定制內置RTC，掉電可自動計時，定時定點喚醒。

(6)寬電壓供電范圍:7～30 V。

(7)傳輸支持多種協議，包括Modbus協議(ASCII、RTU、Modbus TCP)。

2.1.2 傳感器部分。該系統主要針對溫室作物中不可缺少的幾項環境因素進行監控，如溫濕度、土壤濕度、光照，故該研究僅對溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器進行說明。

溫濕度傳感器:對于溫室中農作物生長來說，溫室空氣溫度是植物生長發育的重要因素之一，同時它也是溫室中控制對象的重要參數指標。然而溫度與濕度之間存在強耦合關系，即溫度升高會一定幅度的降低濕度，反之濕度升高則會降低溫度。基于此，該研究選擇溫濕度集成傳感器或溫濕度變送器。該系統選用的是將溫濕度傳感器和變送器進行集成一體化設計的JWSL－2AT型溫濕度變送器［4］，內部采用專用溫度補償電路和線性化處理電路，精度高，低漂移，響應速度快，抗干擾能力強，性能穩定，使用壽命長，可遠距離傳輸，安裝方便。

土壤水分傳感器:該系統選用SMS－II－485土壤水分傳感器，抽真空灌封和優質不銹鋼制作鋼針制作，密封性極好，可長期浸泡水中，并可經受長期電解，更耐土壤中酸堿鹽的腐蝕，適用于各種土質。低功耗，平均電流小于10 mA。具有電源線、地線、信號線多向防誤接保護。可實現以中央探針為中心，直徑為7 cm、高為10 cm的圓柱體區域內的水分測量。

光照傳感器:用于檢測作物生長環境的光照輻射強度，從而決定是否需要采取遮陽或補光操作，調節溫室內的光照強度，以滿足作物生長對光照的需求。本系統采用數字光照傳感器BH1750FVI模塊，內置16位A/D轉換器，接近于視覺靈敏度的分光特性，高精度測量光照強度。

2.1.3 執行機構部分。該系統執行機構主要包括開窗系統、拉幕系統、風機－濕簾降溫系統、加溫系統、灌溉系統。

開窗系統:用于溫室的自然通風。它可以有效調控室內氣溫、濕度和CO2濃度，來滿足室內栽培植物正常生長需求的需要。

拉幕系統:溫室拉幕系統主要用于的外遮陽和內保溫系統中，利用具有一定遮光率的材料將遮擋多余的光照，或利用保溫材料使溫室內形成局部封閉的空間，起到調節光照、降溫或保溫作用。

風機－濕簾降溫系統:風機向室外抽風，使室內空氣形成負壓，將室外干熱空氣加濕降溫后送入溫室中。

加溫系統:該系統采用熱水采暖系統。

灌溉系統:本系統主要采用滴灌系統和微噴灌系統2種方式結合使用，低溫季節采用滴灌系統進行灌溉，高溫干燥季節結合微噴灌進行降溫加濕、調節溫室氣候，從而獲得更好的收成。

利用上位機軟件對遠程測控終端下達指令，通過繼電器控制風機和濕簾、水泵、灌溉系統的電源開關，從而分別實現降溫系統、加溫系統、灌溉系統的自動化，智能化。通過繼電器控制開窗系統和拉幕系統減速電機的正反轉，從而實現開窗系統、外遮陽系統和內保溫系統的自動化和智能化。

然而需注意的是，在冬季溫室環境控制中，默認溫度控制優先的原則［5］。如溫度過低、濕度過大，以保溫和加溫為主導，只有當溫度上升到一定值后，才能通風降濕。另一方面，提高溫度本身就可以降低相對濕度。在夏季降溫加濕的過程中，采用以濕度優先的原則。當濕度過小時，開啟風機－濕簾降溫系統，而當溫度過高需要啟動降溫執行機構時，必須先檢測室內的相對濕度，只有濕度低于某一設定范圍時，才能啟動降溫系統。

2.2 無線通訊部分 該系統無線通訊部分選用廈門靈旗通信有限公司研發的LQ1000－485 GPRS DTU。它是實現串口設備數據通過GPRS無線網絡傳輸的設備，通過特定接口連接遠程測控終端從而進行數據傳輸，除具備DTU均具備的支持TCP/UDP協議，支持動態域名通信方式和固定IP地址訪問。還具有以下功能特性:

(1)提供標準RS232/485數據接口，僅需一次性完成初始化配置，不需要對原有的數據通信內容和用戶設備做改動，并且用戶設備與數據中心通過GPRS無線網絡建立連接后，就可實現數據的全透明雙向傳輸。

(2)支持亞控組態王、三維力控、杰控等市場主流組態軟件。

(3)智能防掉線，支持用戶通過移動客戶端短信遠程控制訪問、超時斷開網絡連接以及語音、數據、SMS等喚醒方式，確保設備永遠在線。

(4)中心軟件可通過DTU發送自定義短信，進行數據傳輸或報警。

(5)支持短信、串口指令配置參數，支持AT命令。

(6)參數特性。①工作環境。工作溫度:－25～75℃;工作濕度:5% ～95%RH;②尺寸。DTU中的最小體積(80×51×16 mm);③電源輸入。輸入電壓:默認8～30 VDC;平均工作電流:35 mA;最大工作電流:100 mA;待機電流20 mA。④串口通訊參數。波特率:1 200～115 200 bit/s，并可設置奇偶校驗。

2.3 上位機部分 該智能溫室監控系統上位機組態軟件選用的是北京亞控公司生產的組態王軟件KingView6.55，該系統是中文界面，具有人機界面友好、結果可視化、通信能力強大;報警和事件管理先進等優點。其組態軟件監控系統功能如圖3 所示［6］。

溫室環境參數部分顯示當前的溫度、濕度、CO2濃度和光照強度，并且用戶可以修改所要求達到的溫度、濕度、CO2濃度和光照強度值。手動自動切換是用以在需要時由自動控制切換到手動控制，比如維護或者出現安全故障時。執行設備狀態顯示部分也就是顯示升溫設備、加濕設備、通風設備等的狀態的。用戶管理部分，是運行狀態時進行用戶登錄、用戶切換、修改密碼、用戶管理等操作的部分，不同用戶有不同的權限，根據權限的不同就可以對系統進行不同的操作。

該組態王命令語言是一種在格式上類似于C語言的腳本程序，對用戶而言，編程和操作均簡單易學。為實現組態王的監控功能，需首先完成2部分操作:①組態王與數據庫的通信;②組態王與下位機通信。

2.3.1 組態王與數據庫的通信。在組態王新建數據庫操作畫面，利用組態王提供的KVADODBGrid控件通過ODBC數據源連接到Access數據庫，從而實現組態王與數據庫的通信，來實現在組態王頁面上可對歷史數據進行存儲查詢、并實時顯示更新各項溫室環境數據等的。

2.3.2 組態王與下位機通信。

(1)關聯遠程測控終端。在組態王工程瀏覽器頁面下，根據設備配置向導的步驟，選擇與設備所連接的串口，找到通訊端口COM后指定設備地址，關聯外部設備實現組態王I/O變量與設備之間的通信。

(2)定義變量。在工程瀏覽器的數據詞典中新建變量，其中包括選擇連接設備、關聯寄存器和選擇數據類型，變量定義等。

(3)動畫連接。通過動畫連接方式來實現環境參數和執行設備的狀態的實時顯示，來表現溫室的狀態。即將下位機采集的數據以文本控件形式的模擬值輸出到畫面，執行部件的實時顯示是通過下位機的狀態反饋，然后通信到組態畫面得以顯示。

(4)通訊設置。組態王與遠程測控終端設置為一致的通訊參數，才能采集和顯示環境參數，才能將用戶輸入組態王的環境參數目標值以模擬值輸出的形式傳輸到遠程測控終端進行自動控制。

3 系統方案評估

該研究所設計的智能溫室控制系統硬件部分通過性能比較均選自精確可靠的設備來完成，具有穩定性;各組成部分只需進行參數的簡單設置，因此具有易操作性和可行性;設備低功耗、壽命長易于維護等特定使系統具有環保性和可持續性;各部分所支持協議之間具有兼容性，因此易于組合;整個系統硬件和軟件部分按需選擇，因此具有經濟實用性。

4 結論

該研究設計了一種用于連棟溫室的智能監控系統，具體介紹了該系統的上位機、下位機以及通訊部分。該系統采用上、下位機控制方案實現對連棟溫室環境參數的監控，上位機部分通過組態王軟件對溫室環境數據實時更新并智能控制，而下位機部分的傳感器模塊、遠程測控終端以及無線通訊部分GPRS模塊的優化選擇，以及各個執行機構設備間的合理化配合工作，不僅實現了對溫室中溫度、濕度、光照等環境因子的自動控制，更節省了人力。與此同時，該系統通過互聯網亦可實現集群化管理，即對不同地區的多個溫室集中統一管理、遠程監控、移動監控。

［1］王剛.工信部發布《物聯網“十二五”發展規劃》［J］.物聯網技術，2012(3):13－15.

［2］張倩，張盛，林孝康.物聯網:發展、應用及關鍵技術［J］.電訊技術，2012(12):1996.

［3］北京聚英翱翔電子有限公司.JY-RTU-6640產品說明書［EB/OL］.http://www.juyingele.com.cn/product/ycck/Modbus/JY －RTU6640 －M.html.

［4］覃貴禮.智能溫室控制系統的研究與開發［D］.南寧:廣西大學，2012:24.

［5］徐玲.模糊控制在智能溫室溫濕度控制中的應用［D］.黑龍江:東北林業大學，2006:7 －9.

［6］何川.基于PLC的智能溫室監控系統［D］.成都:電子科技大學，2010:40－50.