基于FPGA的花卉溫室環境智能監控系統

劉艷昌+左現剛+李武舉+宋海建+李國厚

摘要：針對花卉溫室環境參數較難控制問題，設計一種以FPGA、傳感器、NRF905無線模塊和執行機構為硬件核心，以Kingview 6.55為上位機軟件開發平臺的實時環境參數智能監控系統。該系統通過無線方式將采集到的花卉溫室參數值傳到上位機，并對其采集數據進行分析和處理，實現數據的實時采集、傳送、顯示、存儲及遠程監控等功能。同時，管理人員也可以借助GSM/GPRS模塊和手機終端，以短信方式實現參數遠程查詢和設備控制等功能。結果表明，該系統能夠為花卉提供更佳的生長環境，有利于減輕農民負擔，提高花卉的產量和品質，降低死亡率，節約能源和人力成本，在農牧業及其他領域具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：花卉溫室；FPGA；GPRS；組態技術；智能監控

中圖分類號： TP277.2 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0379-04

鮮花已成為人們在日常生活和工作環境中必不可少的美化物品，隨著城市建設和人們生活質量的逐步提高，對花卉的需求數量和品種逐步增多，質量要求也逐步提高，因此，花卉種植和銷售有著廣泛的市場[1]。針對目前我國花卉溫室種植環境監控大多采用的人工檢測和控制現場設備存在調節滯后、誤判率高、生產效率低、成本高、勞動強度大等問題[2]，不能滿足市場對鮮花的反季節需求和花卉溫室種植智能化、信息化的需求，為此提出了一種基于FPGA的花卉溫室環境智能監控系統。該系統不僅可以全天候對花卉生長環境參數進行實時采集，而且還可以將采集值與花卉在不同時期所需要的最佳生長環境參數值進行比較，并將控制指令以無線方式傳給現場FPGA控制器來驅動各執行機構啟/停，使其環境參數迅速作出調整，另外，該系統還可以借助GSM/GPRS模塊和手機終端實現用戶遠程環境參數查詢和現場設備啟/停控制，同時結合組態技術為管理人員提供良好的人機交互界面，實現花卉種植的智能化、信息化的現場管理，為提高花卉的產量、品質和經濟效益提供科學的依據。

1 系統總體方案

該監控系統主要由上位機、FPGA控制器、采集模塊、執行模塊、無線模塊、GSM/GPRS模塊等組成（圖1）。該系統具有手動和自動2種控制工作模式。手動工作模式下可以通過控制現場控制柜面板上的開關按鈕強制對各執行機構進行控制，便于工藝人員現場對溫室環境進行檢測和調控，也可以將

上位機組態畫面切換到手動控制模式下，通過點擊控制畫面上的加熱系統啟/停、加濕系統啟/停等模擬開關實現遠程手動控制各執行機構來改變花卉溫室環境參數，達到滿足花卉最佳生長條件的目的；自動工作模式下是將現場傳感器采集到的數據傳給FPGA控制器進行處理，再通過無線模塊傳給上位機，上位機通過Kingview 6.55軟件編制的數據處理程序與工藝人員預先設定的各參數范圍的臨界值進行比較，確定是否啟動現場控制設備，若采集的環境參數在設定范圍內，則維持系統當前狀態，若采集的環境參數在設定范圍之外，則產生超限報警指示，同時將相關執行機構的啟/停指令以無線方式傳給現場控制器來驅動各部件的啟/停控制，從而實現花卉溫室環境參數的自動控制。

2 系統硬件設計

2.1 控制器和無線模塊

系統FPGA控制器采用康芯公司推出的KX-2C5F+型開發板，具有內部各功能模塊相互獨立、引腳豐富、編程靈活、并行處理數據快、便于設計電路擴展等優點。無線模塊采用挪威公司推出的單片射頻收發器NRF905，工作電壓為1.9～3.6 V，工作的ISM頻段為433/868/915 MHz[3]，具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾性強等特點。該模塊配吸盤天線后能夠滿足監控室到溫室監測點半徑為500 m范圍的數據傳輸及執行機構的控制功能。無線收發模塊的硬件連接如圖2所示。

2.2 采集電路

采集電路如圖3所示，主要采用溫濕度、光照等傳感器模塊對花卉環境參數進行實時采集。空氣的溫濕度和光照是花卉生長和發育的重要環境參數，空氣溫濕度傳感器采用1-Wire 總線接口、集數字輸出溫度和濕度為一體的DHT11傳感器，測量溫度范圍為0～50 ℃，精度為±2 ℃，相對濕度范圍為20%～90%，精度為±5%[4-5]；光照度傳感器采用兩線式串行總線接口、數字信號輸出的BH1750FVI型傳感器，輸入光范圍為1～65 535 lx[6]。土壤濕度是維持花卉生命活動的重要條件，為提高土壤水分檢測精度，土壤濕度傳感器采用模擬量輸出接口的YL-69型傳感器，具有2根探針，工作電壓為3.3～5.0 V[7]。室內CO2濃度是影響花卉產量和觀賞品質的一個重要因素，CO2濃度傳感器采用紅外MH-Z14型傳感器，測量范圍為0～5 000 mL/m3，精度為±50 mL/m3[8]，其數據傳輸采用UART通信協議，為使發送和接收采集數據線閑置時狀態為高電平，通信線上需外接5.1 kΩ的上拉電阻。

2.3 驅動電路

由于FPGA控制器的工作電壓為3.3 V且端口輸出電流達不到繼電器閉合時所需的電流，而室內風機、天窗電機等執行機構工作電壓為220 V甚至為380 V高電壓，因此控制現場設備的啟/停信號經過FPGA控制器處理后，須加驅動電路來完成相應操作，從而實現花卉溫室環境控制。驅動電路如圖4所示。光耦4N25能夠有效抑制繼電器觸點通斷時線圈兩端產生的較大感應電動勢對FPGA控制器的輸出信號干擾；續流二極管IN4007為SRD-05VDC-SL-C繼電器斷電時提供釋放回路，避免反向電動勢過高擊穿驅動三極管Q1[9]；R3和C1組成阻容電路并接在觸點K1兩端，能夠延長繼電器觸點壽命；在執行回路中串接熔絲F1能夠有效避免電流過大燒壞執行機構和觸點[10]。

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

借助Quartus Ⅱ 9.0軟件開發平臺，采用verilog HDL編程語言分別對下位機各采集傳感器、執行機構和NRF905無線數據傳輸等模塊的驅動進行模塊化編程。下位機控制器主要對花卉溫室內空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照度進行數據采集，并將采集處理的數據以無線方式傳給上位機，上位機將采集值與之對應參數的設定值范圍進行比較，若采集值在設定范圍外，則向下位機發出對應控制設備的啟/停指令；若采集值在設定范圍內，則現場設備維持當前狀態，從而實現花卉溫室環境參數的自動控制。圖5為花卉溫室系統控制流程。

3.2 上位機軟件設計

花卉溫室環境監控系統采用北京亞控公司的Kingview 6.55組態軟件，實現對上位機監控界面和數據分析的設計，該監控界面能夠準確、動態、實時地顯示參數當前值和執行機構的運行狀況。管理人員通過手動或自動控制模式實現對環境參數的設置、各變量的實時變化趨勢和歷史數據存儲查詢、執行機構的啟/停控制等操作。花卉溫室環境參數監控系統界面如圖6所示。

農場主或管理人員除在監控室和現場對花卉溫室環境參數實時監控外，還可以借助GPRS模塊、移動網絡和手機終端對環境參數進行短信查詢，也可以根據室內外氣候條件及花卉所需的最佳生長環境調節各參數設定范圍，也可以通過發送短信控制指令實現現場設備的啟/停控制功能。圖7為短信發送和接收信息界面，其中圖7-a為農場主通過手機終端向上位機發送“站點一數據查詢”短信指令后，收到當前環境參數值為“站點一：溫度25.3 ℃，空氣相對濕度73.2%，光照度15 680.4 lx，CO2濃度863.5 mL/m3，土壤相對濕度62.1%；圖7-b為農場主通過手機終端向上位機發送“站點一灌溉水泵啟動”短信指令后，收到“站點一灌溉水泵已啟動”內容，同時灌溉設備工作且監控界面上對應灌溉水泵指示燈變為綠色。

4 結果與分析

為了驗證該系統的可行性、有效性和實用性，本系統以種植蝴蝶蘭開花期時的某站點一為檢測點，對溫室內溫度、空氣濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照度進行試驗測試和數據分析。溫室內環境參數設置范圍為：溫度18～28 ℃，空氣相對濕度65%～90%，土壤相對濕度70%～85%，CO2濃度300～1 000 mL/m3，光照度15 000～25 000 lx。表1為24 h內花卉溫室環境參數變化情況，其中每次采樣時間間隔為1 h。

從表1溫度采集數據可知，08：00—19：00溫室溫度控制在21.6～29.6 ℃之間，且平均溫度為25.9 ℃，20：00—07：00溫室溫度控制在17.6～19.8 ℃之間，且平均溫度18.5 ℃，與蝴蝶蘭生長所需最佳的白天溫度26 ℃和夜間溫度19 ℃相比上下波動較小，有利于蝴蝶蘭健壯生長和葉色純正。從表1空氣濕度采集數據可知，24 h內溫室相對濕度控制在66.1%～88.7%之間，且平均空氣相對濕度為77.7%，能夠自動維持溫室內空氣相對濕度在65%～90%之間，有利于蝴蝶蘭植株生長、花梗抽出和花朵膨大。從表1 土壤濕度采集數據可知，24 h內平均土壤相對濕度78.5%，且在09：00和17：00[CM（23*3]澆水時土壤濕度達到最大（83.6%），有利于土壤濕潤透氣，避免爛根，降低死亡率。從表1中CO2濃度采集數據可知，24 h內溫室CO2濃度控制在315.4～966.2 mL/m3之間，且CO2平均濃度為570.2 mL/m3，有利于促進蝴蝶蘭光合作用，提高產量和增加抗病性能。從表1光照度采集數據可知，24 h 內溫室光照度控制在15 234～24 826 lx之間，平均光照度為19 813.6 lx，與蝴蝶蘭花期生長發育最適宜的光照度20 000 lx 相比上下波動較小，可見光照度比較穩定，能夠滿足蝴蝶蘭制造養分的能源需求，有利于生長、花芽分化和開花。上述試驗結果表明，該系統能夠及時分析和處理采集到的環境參數值，并實時有效地控制溫室各執行機構的啟/停操作，使室內環境達到蝴蝶蘭所需最佳生長條件，從而實現溫室環境參數的智能控制。

5 結語

針對花卉溫室種植環境參數較難控制的問題，本試驗在綜合考慮空氣溫濕度、土壤相對濕度、光照度和CO2濃度等環境因素相互影響的基礎上設計一種以FPGA為控制核心的花卉溫室環境智能監控系統。管理人員和農場主可以通過現場控制臺、監控機和手機終端實現環境參數預設、環境參數和執行機構啟/停動態監控、歷史數據查詢等功能，一旦環境參數超出設定范圍，該系統能夠自行啟/停各相關執行機構調整環境參數。

上位機采用Kingview 6.55組態軟件為技術管理人員提供了良好的人機界面，方便技術管理人員隨時查看各類信息，有利于花卉種植戶集中管理，實現花卉溫室種植的智能化和現代化。同時，種植戶可以通過上位機數據庫查詢不同品種、不同生長階段、不同時期的生長特點和管理規律，有利于種植戶獲得更高的經濟效益。該系統應用于該校產學研園藝花卉種植試驗基地，試測結果表明，相比以往種植，蝴蝶蘭產量提高了20%，能源成本節約8%，死亡率降低了10%，人力成本節約了60%，證實系統的可行性和實用性。此外，該系統還具有智能化程度高、功能強大、可移植性強、操作方便、性能穩定可靠等優點，特別適合中小型種植規模用戶，在農牧業及其他領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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