基于FPGA的蔬菜大棚環境參數監控系統

劉艷昌　左現剛　李國厚

摘要：為解決農業蔬菜大棚種植企業對大棚環境參數較難控制問題，設計了一種以FPGA、傳感器、無線模塊、GPRS模塊和執行機構為硬件核心，以Kingview 6.55為軟件平臺的實時環境參數監控系統。該系統通過無線模塊將FPGA采集到的大棚內參數值傳到上位機，并對其采集數據進行分析和處理，實現了數據采集、處理、顯示、存儲及執行機構控制等功能。同時，農場主也可以通過GPRS模塊以短信方式與手機終端實現數據查詢和設備控制等功能。試驗測試結果表明，該系統能夠為農作物提供更佳的生長環境，且操作界面簡單、成本低廉，有利于減輕農民負擔、提高農作物的產量和品質，在農業和牧業領域有良好的的推廣價值和應用前景。

關鍵詞：蔬菜大棚；FPGA；GPRS；組態技術

中圖分類號：S126 ；TP277.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0533-04

收稿日期：2014-11-13

基金項目：國家級大學生創新訓練計劃（編號：201310467043）；河南省科技攻關計劃（編號：132102310030）；河南科技學院高層次人才科研啟動項目（編號：209010611001）。

作者簡介：劉艷昌（1979—），男，河南鶴壁人，碩士，講師，主要從事智能控制與信息檢測技術研究。E-mail：523401923@qq.com。

通信作者：李國厚，博士，教授，主要從事計算機控制、無損檢測、信號處理技術研究。E-mail：liguohou6@163.com在我國各地使用蔬菜大棚種植蔬菜的技術已經普及，尤其在北方地區蔬菜大棚種植已成為農民增加收入的主要途徑之一[1-2]。蔬菜大棚環境參數的監測和控制對大棚內作物的長勢好壞、產品產量和質量的高低起著關鍵作用，它主要受外界氣候條件和大棚內生活環境影響較大，因此，在生產過程中如何及時將大棚內環境參數控制在適合蔬菜生長的范圍內是大棚種植的關鍵。目前我國蔬菜大棚種植環境參數監控多數情況下仍采用人工值守主觀判斷和人工控制來調整各參數的機械設備，存在調節滯后、誤判率高、生產效率低、占用人力資源多等缺點，且不能滿足當前蔬菜大棚種植智能化、信息化的需求，除此之外，目前這類監控系統仍采用專門的通信線路來實現，成本高[3]，不適合廣大農民的需求，因此本研究提出了一種基于FPGA的蔬菜大棚環境參數監控系統。該系統不僅可以實時采集與分析大棚環境參數（溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照度）的測量值，而且還可以根據測量值與設定值的分析結果，將控制指令以無線傳輸的方式傳輸給FPGA來控制驅動各機械設備對大棚環境參數迅速作出調整，另外，該系統還可以通過GPRS模塊，采用定時發送和手機查詢方式將報警信息和大棚環境參數以短信形式發送至農場主手機上，農場主可以在任何時間任何地點及時掌握大棚內農作物的生長環境情況，也可以以短息指令形式對現場設備的啟停進行遠程操作控制，從而實現大棚種植的智能化、信息化的現場管理，進一步提高生產效率。

1系統總體方案

該蔬菜大棚環境參數監控系統的結構如圖1所示，系統硬件主要由上位機、FPGA控制器、傳感器、現場控制設備、無線收發模塊、GPRS模塊等組成。

本系統有手動和自動2種工作模式，在手動工作模式下工作人員可以在現場通過控制面板上的開關按鈕強制對各控制設備進行控制，也可以在監控室通過點擊上位機組屏幕手動控制畫面中的升溫設備啟/停、加濕系統啟/停、循環風機啟/停等模擬開關，從而控制現場各執行部件來改變大棚環境參數，達到滿足作物適宜生長的條件；在自動模式下將空氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器采集到的信息傳送給FPGA控制器進行數據處理后，通過RS232串口將數據傳給無線收發模塊，然后無線收發模塊通過天線以無線方式將采集到的數據傳給上位機，上位機通過Kingview 6.55軟件編制的數據處理程序與用戶設定的上限下限值進行比較，確定是否啟動現場控制設備，若某傳感器采集到的實際值在用戶設定上下限參數范圍之外，則產生對應報警信息指示，同時將相關啟停控制設備指令通過天線以無線方式傳給現場FPGA控制器來實現這些部件的啟停，最終實現蔬菜大棚環境參數的自動控制。

2系統硬件結構

2.1FPGA控制器

為了節省開發時間，保證硬件系統能夠穩定、快速采集和控制蔬菜大棚內各環境參數，較好地滿足大棚每個監控點的需求，該系統下位機控制器采用KX2C5F+型FPGA開發板作為研發平臺，其核心芯片為EP2C5T144。該系統采用FPGA作為主控制芯片，具有內部各功能模塊相互獨立、引腳豐富、編程靈活等特點，且便于電路的功能擴展。比如某站點原來沒有土壤濕度檢測模塊，設計人員只需將設計好的土壤濕度檢測模塊添加進來即可，不用考慮該模塊對其他檢測模塊的影響，設計處理十分靈活。

2.2溫濕度傳感器

系統溫濕度傳感器采用數字信號輸出的溫濕度一體式傳感器DHT11。它采用1-Wire總線接口，測量溫度范圍為 0～50 ℃，精度為±2 ℃，測量濕度范圍為20%～90%RH，精度為±5%RH，信號傳輸距離可達20 m以上，能夠滿足蔬菜大棚的溫濕度測量要求。該系統溫濕度檢測點與FPGA控制器端口PIN_28連接距離小于20 m，則接上5.1 kΩ的上拉電阻即可。溫濕度傳感器的硬件連接如圖2所示。

2.3二氧化碳濃度傳感器

系統二氧化碳傳感器采用紅外CO2濃度傳感器 MH-Z14 。它提供UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式，具有選擇性好、響應時間快、壽命長、功耗低、精度高和抗水汽干擾能力強等特點。其測量范圍為 0～5 000 mg/L ，精度為±50 mg/L，工作環境：溫度范圍為 0～60 ℃ ，濕度范圍為0～95%RH，能夠滿足蔬菜大棚的CO2濃度測量要求。為了使發送和接收采集數據線閑置時其狀態為高電頻，要求各外接1個5.1 kΩ的上拉電阻，其二氧化碳傳感器的硬件連接如圖3所示。