基于 IoT與WIFI的溫室智能控制系統研究與設計

顧金花

摘要：對給予物聯網以及無線通信技術的智能溫室控制系統進行了系統研究，重點解決了傳統溫室控制系統在固定終端訪問以及管理方面存在的局限性，實現了就要移動客戶端對溫室的圖像 、環境因子等變量的遠程訪問，達到了對溫室控制指令的超時間與空間的控制。結論表明，充分利用現代的物聯網技術實現對溫室的移動式控制對于降低人工勞動強度，降低企業的成本，提升溫室管理的科學性與有效性具有重要的意義。

關鍵詞：溫室;移動控制;物聯網;系統;研究

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）35-0254-02

溫室的溫度對于植物的生長效率具有重要的影響。溫室環境控制是基于自然環境，通過溫度控制設備對溫室的環境變量進行智能調節，保證溫室的環境變量都在作物生產的良好區間，通過這樣的方式可以有效提升作物的生產效率，提升農業項目的經濟效益。

目前在現代農業發展過程中，各種新的技術都獲得了廣泛的應用并有力推進了現代農業的發展，現代農業對溫度控制提出了更高的要求，傳統的溫室控制方案存在著諸多亟待解決的現實問題.如基于PLC開發的基于按鈕的控制系統無法實現遠程實時控制，基于單片機的系統無法應對復雜大量數據的運算，同時對工作環境的適應性也較差.目前IoT技術和 WIFI技術由于其在性能方面的技術優勢，為現代農業的新技術開發成為可能。基于以上原因設計一種綜合了IoT技術和 WIFI技術以及工控機于一體的溫室控制系統能夠有效降低溫室控制系統的成本，并有效提升系統的控制性能與環境的適應性。

1 硬件系統

1.1 硬件構成

溫室控制系統采用了SIEMENS S7 -200作為下位機的控制器， SIEMENS S7 -200集成了48位的數字量輸入與輸出，包含了具有16個IO口的EM223模塊，具有兩路模擬信號駛入輸出的EM232CN模塊，同時還具有CP243工業以太網通信模塊，本模塊可以實現溫度環境的數據粗函數、控制算法的編寫、信號的采集以及控制信號的輸出等方面的功能。系統的上位機則使用了WINCC 進行了組態開發，WINCC 具有良好的延續性與可擴展性，同時軟件不受行業的限制，具有較強的通用性，同時系統的可靠性強。溫室控制系統采用JAVA開發，因此系統具有較強的可移植性能，可以提供分布式、多線程、動態化的支持。

1.2 系統構建

本系統的系統框架構建如圖1所示。系統的感知層通過傳感器對溫室的環境變量進行檢測，并通過轉換電路形成無線信號，通過ZigBee無線通信方式實現感知信息的傳輸與匯集，在此基礎上由以太網模塊進行自由通信協議數據的傳輸，工控機接收到對應的環境變量后再通過WiFi將數據傳遞到遠程服務器。溫室控制系統能夠對整個溫室系統進行有效的監控管理，并可以根據實際的使用場景配置不同的傳感器，實現對濕度、光照、二氧化碳等不同變量的檢測。

圖1中控制層主要包含以下機構，首先是具有限位開光的執行機構，其次就是變頻器，用來進行轉速的控制，最后是開光量執行機構，用來控制加熱器、補光燈等設備的工作。

2 軟件設計

2.1 下位機程序

溫室控制系統的程序采用了三種控制方式，控制邏輯遵循以下的優先級，即手機控制模式、遠程終端控制模式以及智能控制模式。在程序運行的過程中，首先是通過串行接口將匯集點的信息傳輸到臨時分配的內存空間，同時按照約定的算法將數據進行解析，并進行上傳與存儲，最后，以此作為依據判斷系統的工作模式，在對應的工作模式下系統調用例子程序對環境數據進行實時處理，并給出操作意見或者對執行機構發出相應的指令。

2.2 上位機程序

上位機控制有首頁、執行機構控制界面以及視頻采集界面等。其中首頁主要是電源控制、模式的選擇以及用戶的設置管理等方面的功能。用戶管理是對用戶的級別、權限進行設置，其中管理用戶可以對系統進行全部的控制，而用戶只能對功能模塊進行操作，不能對信息進行刪改。執行機構的界面則包含了與各個執行機構對應的案例以及工作狀態的指示燈;視頻采集界面包含了對溫室內部情況的實時監控數據;最后就是環境信息的顯示，本系統中采用了數據曲線的顯示方案，可以對數據形成直觀的了解，根據使用的需要還可設置報警記錄對室內環境參數不在作物生長最優范圍的記錄和預警。

3 控制方式

3.1 移動終端控制

系統用戶可以通過手機對服務器的數據進行實時訪問，根據環境數據決定控制的執行機構以及機構的工作參數。最終通過移動終端的界面對服務器發出指令，并通過工控機實現對溫室環境的遠程控制。同時移動終端可以對緊急的事情進行報警并按照預警機制讓用戶進行回應。

3.2 固定終端控制

溫室控制系統工作在固定終端模式的情況下，用戶可以通過控制現場的工控機對溫室內部的環境變量以及執行機構的狀態進行讀取，根據作物的實際需求與控制要求對環境變量做出控制決策。下一步就是通過觸摸屏的按鈕給下位機的控制器發送執行指令，實現加熱器等執行機構的運轉，對溫室的環境變量進行實時的調控。在操作中無法進行辨識的用戶，系統提供了智能控制模式，可以通過軟件的分析自動實現對溫室環境因子的調整，保證最佳的工作狀態。

3.3 智能控制

針對部分的確季節不明顯的情況，工作模式的選擇不適應實際控制的需求。本系統開發了智能控制模式，此模式采用定時控制和模糊自適應控制相結合的控制模型，以此來實現溫室環境的自動調節。感知層能對外界的光照、土壤、溫度等都進行模糊化處理，通過解析模型對數據進行集中處理，保證溫室的環境因子處于最優化狀態，保證作物能夠有最優的生長狀態。

4 結論

智能溫室控制和系統綜合采用IoT技術、 WiFi通信技術，通過上位機以及下位機控制實現了能夠實時響應，成本低、可移植性強、穩定可靠的溫度控制系統，滿足了目前農業溫室控制的基本需求。同時系統具有不同的控制方式，用戶可以根據需求進行移動終端控制、智能化控制以及工控機控制等不同的方案，滿足了不同的應用需求。最后就是系統實現了智能化控制，降低了人力的成本，系統中的變頻方案也節約了溫室運行成本，同時，也使整個系統的使用壽命得到延長。集群化管理方式的應用實現了不同地區的多個溫室得以統一管理。不同作物對不同環境的需求不盡相同，因此，在智能控制系統中，針對作物的特性建立自動控制、遠程監控、移動監控模型都將是未來溫度發展的新趨勢。

參考文獻：

[1] 丁曉穎.物聯網技術在冀東山區日光溫室中環境監控的應用[J].農業工程技術，2017（29）.

[2] 徐嵐俊，李小龍，陳華，等.基于作物長勢實時監測的日光溫室物聯網系統研究[J].蔬菜， 2018（1）.

[3] 崔文順，張芷怡，袁力哲，等.基于云計算的日光溫室群物聯網服務平臺[J].計算機工程，2015（6）.

[4] 李勝利，李明，張濤.持續降雨對下沉式日光溫室的危害及對策建議[J].中國蔬菜，2018（3）.

[5] 陳思寧，黎貞發，柳芳，等.天津新型日光溫室風災風險評估及區劃[J].中國農學通報，2017（2）.

[通聯編輯：朱寶貴]