多環境參數蔬菜大棚控制系統設計

王永帥 王文偉 吳永章

摘要：為改善目前蔬菜大棚控制系統中監控參數少及較難遠程控制等情況，設計了一個更加完善的系統。結果表明，該系統人機交互界面良好、操作簡單方便、自動化程度較高，有利于蔬菜大棚的智能化和統一化管理，具有很好的應用前景。

關鍵詞：蔬菜大棚;多環境參數;智能;應用前景

中圖分類號：TP273 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）02-0446-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.049

Designing Control System for Vegetable Greenhouse Based On

Multiple Environmental Parameters

WANG Yong-shuai1，WANG Wen-wei1，WU Yong-zhang2

（1.School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China;

2. Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： In order to improve the case that the monitoring parameters are not enough and the control system of remotely controlling the vegetable greenhouse， a more perfect system was designed. The results showed that the system was a good man-machine interface with simple and convenient operation， high degree of automation， conduciving to intelligent vegetable greenhouses and unified management. It will have good prospects for popularization.

Key words： vegetable greenhouse; multiple environmental parameters; intelligent; prospects

目前，保溫大棚技術種植蔬菜在我國已經廣泛應用，尤其是在我國北方地區。但是現在還有不少種植戶沿用人工值守的辦法管理蔬菜大棚，或者使用的蔬菜大棚控制系統不太完善，不僅浪費了大量人力、物力，而且對大棚各項參數的監控也并不理想，并因此可能造成蔬菜的減產[1]。因此，本研究設計了一個更加完善的智能控制系統，以保證蔬菜良好的生長環境。

1 ?系統結構

系統架構主要部分為上位機、下位機和傳輸總線（圖1）。上位機放置于控制室，通過PC機進行各大棚數據的采集以及對數據的分析，并根據分析結果對大棚環境參數進行遠程控制;下位機放置于各大棚內，主要包括數據采集、顯示和驅動等模塊[2]。

2 ?系統硬件設計

2.1 ?上位機系統

上位機利用PC及自帶的RS-232標準串行接口，通過RS-232/485轉換即可組成RS-485總線與下位機STM32連接，構成一個農業綜合數據監控網絡[3]。RS-485總線最大優點在于其多點總線互相連接功能，可以連接一臺主機和多臺終端同時通信。本系統通訊協議用于大棚控制系統主板與PC機通訊、主板與傳感器采集節點通訊。該協議適用RS-485通訊，并參照大棚控制原有協議和Modbus協議，結合實際情況修改而來，采用主從結構，主機設備發送一個信息，從機設備返回一個相應的信息。

2.2 ?下位機系統

下位機系統結構見圖2，其主要功能如下所示。

1）控制主機。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，控制性能良好、操作簡單方便，并內置32～128 K的閃存。主機故選擇STM32，主要完成對各參數信號的處理比較，并對執行驅動電路發出的指令。

2）RAM擴展。由于系統對多區域多大棚控制，數據量較大，因此外擴6264 RAM芯片來存放程序變量和數據。

3）信號采集。大棚內設置多個溫濕度、光照度和CO2等傳感器，實時采集數據，并將采集到的數據信號轉化為0～5 V信號經ADC0809轉換進行處理。

4）執行電路。系統設計采用MOC3041芯片，該芯片既有光電耦合，能進行強電與弱電隔離;同時具有觸發晶閘管的功能，便于接通卷簾機、加濕器等，還有對超過預定傳感器參數范圍的報警功能[2]。

5）顯示器電路。各大棚采用LED顯示實時溫濕度、CO2濃度等傳感器參數。

6）串口接口電路。使用MAX485串口轉換芯片完成單片機和上位機的RS-485間通信。MAX485串口轉換芯片是RS-485通信的低功率收發器，最大傳輸速率可達2.5 Mb/s，傳輸距離為1.2 km，雙線半雙工方式[2]。

3 ?系統軟件設計

3.1 ?上位機軟件設計

上位機軟件主程序框圖見圖3，其主要功能模塊如下所示。

1）參數配置模塊。即后臺采集配置模塊，配置系統所需參數，包括大棚區域、大棚號、數據庫配置、短信報警配置、通訊端口配置以及傳感器參數配置。大棚區域用于劃分大棚所在區域;大棚號為區域內每個大棚編號;數據庫配置用于保存連接數據庫所用的信息;短信報警配置用于保存報警所需的信息，如電話號碼和發送信息的端口等;通訊端口配置用于保存與各個大棚通訊采集數據所需的端口信息;傳感器參數配置則用于保存采集數據所需的傳感器信息，如溫濕度、光照度等。

2）Web程序模塊。采用瀏覽器方式，可以遠程查看大棚采集到的實時數據和歷史數據，并可根據實時數據對大棚節點發送監控指令，進而控制執行電路。Web程序和后臺采集控制程序之間采用Socket通訊方式[4]，由Web發布平臺遠程發送控制指令給后臺采集配置程序，后臺采集配置程序接收到正確指令之后控制執行電路完成相應指令，并返回給Web發布平臺說明指令完成情況。該模塊設有自動控制功能，當設定好參數范圍之后啟用自動控制功能，系統則與采集到的數據自動比較，若超出范圍值，則發送指令[5-11]。

3）數據采集模塊。為每個區域建立一個線程，區域線程循環采集本區域內所有的大棚傳感器數據[3]。如果在循環采集數據時接收到Web發送的控制指令，則暫停數據采集，優先處理Web控制指令，處理完Web控制指令后繼續數據采集。

4）溫濕度、光照度等模塊。將采集到的數據保存到相應的數據庫表中，并實時刷新數據，以便于Web程序查看數據。

3.2 ?下位機軟件設計

本系統設計下位機主要實現上位機發送的不同指令，包括數據采集、執行電路的控制指令、顯示和零點對時等。數據采集部分主要是當接收到上位機的數據采集指令之后，將由相應傳感器獲取到的數據返回給上位機;控制指令主要是完成上位機發送的相應控制動作，如啟動卷簾機打開保溫被、啟動加濕器增加濕度等;顯示部分將傳感器數據顯示在該大棚內，便于查看;零點對時則是每天零點時由上位機統一給每個區域各個大棚發送對時指令，使整個系統時間統一。

4 ?小結

該系統不僅具有智能化程度高、功能強大、性能穩定可靠、成本低、人機界面良好、操作簡單方便，還具有以下幾大優勢：

1）該系統可以同時監控蔬菜大棚所需要的多環境參數，并能隨時增減，可以同時滿足不同大棚的需求。

2）由于通過Web平臺發布，前臺展示采用了瀏覽器方式，故手機等移動網絡設備可隨時查詢、方便快捷。

3）當用戶設定好傳感器參數范圍后開啟自動控制，系統可以自行檢測數據并及時反饋給后臺采集配置程序進而控制執行電路自動處理。

4）當大棚傳感器采集到的數據超過報警值和報警消除時，系統會提供報警短信提醒，用戶可及時了解蔬菜大棚的狀態。

經試用證明可以應用于實際生產中，在廣大農村地區有著良好的應用前景和推廣價值，可以解決蔬菜大棚大規模生產問題。

參考文獻：

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