日光溫室智能控制系統的構建

張艷 于群 柳平增 姜新彤

摘要 針對我國北方日光溫室智能控制水平低的問題，圍繞控制系統的硬件設計、下位機程序、上位機程序、手機APP四方面闡述日光溫室智能控制系統構建過程。該控制系統在德州陵縣西葫蘆主產區日光溫室大棚已經得到應用，系統的使用節省了勞動力，提高了勞動效率，實現了農民的增產、增收。

關鍵詞 智能控制；日光溫室；構建

中圖分類號 S126文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0175-05

Abstract Aiming at the relatively low level of intelligent control of solar greenhouse in northern China， the construction process of solar greenhouse intelligent control system was described in hardware design， lower computer program， upper computer program and mobile APP. The control system had been applied in the greenhouse of the main producing area of zucchini in Lingxian，Dezhou. The use of the system can save the labor force， improve the labor efficiency， and realize the farmers increase of production and income.

Key words Intelligent control；Solar greenhouse；Construction

日光溫室作為我國北方地區獨有的溫室類型，是北方冬季蔬菜的重要種植地來源。近年來設施園藝技術在我國農業進程中發展迅速，但智能控制水平相對較低，多以人工管理控制為主，影響了設施作物的產量與品質[1]。物聯網作為新興起的一種網絡信息管理系統，是指通過具有感覺計算和控制處理能力的各種傳感器來獲取環境信息，并通過無線通訊的方式形成一個多跳的自組織網絡系統，從而協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域的監測信息，實現大面積范圍物與物之間信息的交互，以及智能化的識別、定位、監控和管理，解決了大型系統實時感知和動態控制的難題，在農業領域具有廣泛應用[2-3]。基于物聯網，筆者擬構建日光溫室智能控制系統，并將其應用在德州陵縣西葫蘆主產區日光溫室大棚中，以期實現農民的增產、增收。

1 日光溫室智能控制系統總體結構

日光溫室智能控制系統構建分硬件與軟件兩部分[4]，圖1、2分別是日光溫室控制系統硬件和軟件結構。整個硬件結構以MSP430F5438A為核心，主要包含信息采集模塊、LCD顯示模塊、繼電器模塊、GPRS模塊、控制模塊五部分；軟件結構主要包含下位機程序、上位機程序、Web程序和手機APP程序四部分。軟硬件協同工作原理是：采集模塊借助感知結點傳感器獲取空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度和CO2濃度數據，下位機程序按用戶設定的采集頻率實時采集，采集數據根據相應傳輸協議借助GPRS模塊實時傳輸給上位機程序，上位機程序按照預先設定的數據庫參數將數據保存至MySql數據庫。手機APP程序根據實時數據與初始化的指標閾值，判定溫室數據是否超出指標限值，如果超出則上位機程序形成控制指令控制繼電器模塊完成控制終端的打開、關閉，并給出預警提示。

2 日光溫室智能控制系統實現

2.1 硬件系統實現

下位機以MSP430F5438A微處理器為核心，這款微處理器采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數尋址、4 種目的操作數尋址）、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；在降低芯片的電源電壓、具備超低功耗和靈活可控的運行時鐘方面比較適合農業生產。同時，下位機還集成了DS3231時鐘芯片、2個5 V固態繼電器、2個TTL電平轉485芯片、USB通用串行接口等一系列功能強大的外圍芯片，保證智能終端功能的強大性、低功耗性和可靠性[5-7]。

感知終端設計中，空氣溫濕度測量選用了SHT11傳感器，該傳感器傳感元件和處理電路集成在一塊微型電路板上，工作電壓為3 V，輸出完全標定的兩線數字信號[8]。其中溫度測量范圍是-40.00～123.80 ℃，測量精度是±0.50 ℃；濕度測量范圍是0～100%RH，測量精度是±4.5%RH。光照強度測量選用的是ARN-GZ光照強度傳感器，其輸出信號為4～20 mA，測量范圍是0～200 klx，精度為±3%。土壤溫度傳感器型號選用TW型，它是一種插入式測量溫度的儀器，可長期埋設于土壤內使用，其測量范圍為-30.00～70.00 ℃，測量精度為±0.15 ℃。土壤濕度傳感器型號為FDS-100，測量值為土壤容積含水量（%，m3/m3），輸出信號為4～20 mA，其測量范圍是 0～100%，非飽和范圍內精度為±3%；土壤電導率傳感器選用的是TDR-4，可測量土壤水分的體積百分比，輸出信號為4～20 mA，其測量范圍是 0～100%，精度為±3%；二氧化碳傳感器選用的是中科能慧的NHEY62，輸出信號為4～20 mA，其測量范圍是 0～2 000 μg/g，精度為±2%。

溫濕度傳感器輸出為數字量信號，其接線如圖3所示。SHT11連接MSP430F5438A控制中心的5 V輸出引腳上，GND與板子共地，SHT11采用串行接口，利用I2C總線協議進行通訊，不過此傳感器不能按照I2C協議編制，如果I2C總線上沒有掛別的元件，傳感器可以連接到I2C總線上。其余傳感器均為模擬量傳感器，通過標準插座連接到CPU的AD轉換輸入引腳上（圖4）。采集卡和MSP430F5438A通過RS485通信協議進行通信，因為核心電路板集成了UART轉485模塊，只需要把核心電路板的串口0的A線和B線分別和采集卡的A線和B線連接起來就可以進行數據的傳輸。采集命令為一串指令碼，分別為ADDR、0x03、0xff、0xff、0x00、0x01、0xff、0xff。

控制部分通過信號放大處理控制繼電器，進而控制草苫、灌溉、天窗的打開和關閉。控制部分連線如圖5所示。因為核心電路板上自帶2個5 V繼電器，用來控制12 V的通斷，其板上還有2個端口的引腳可以外接5 V繼電器，從而很好地實現控制；12 V的直流電接12 V直流，控制220 V交流的繼電器。以灌溉為例，其控制原理如下：核心處理板通過各傳感器和外圍電路采集的溫室數據，綜合判斷棚內的狀態，根據溫室棚內土壤濕度，加上預先設計好的程序，穩定控制澆水時間、澆水量。通過核心電路板P2.6引腳輸出控制5 V繼電器進而控制接觸器，最終控制水泵電機來實現自動和手動灌溉。

2.2 下位機軟件實現

下位機軟件實現終端數據采集和信息控制。其中PC軟件下發數據包與終端應答數據包格式如表1所示，其中“包頭”以0xA5表示一個數據包的開始，以0xAE表示數據包結束。下發與應答格式中數據項“校驗和”取2個字節，值為從“包頭”開始（包括“包頭”）到“校驗和”之前（不包括“校驗和”）所有字節的代數和。應答格式中“內容”項是當應答格式中“設置/回讀”為回讀時字節長度不定，與下發數據格式中“包數據”的字節長度一致，而當時設置是6個字節。利用上述傳輸協議感知終端采集空氣溫濕度數字量信息，經過A/D轉換及濾波處理的土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度等模擬信息，所有采集到的信息臨時存儲在數組變量中，根據上位機設定的采集頻率通過GPRS模塊傳送給上位機程序。利用上述傳輸協議中“指令”項指定不同控制指令，通過不同指令內容控制終端的打開或關閉（包括揭蓋苫、天窗和灌溉的打開關閉）。

2.3 上位機軟件實現

上位機程序利用C#編寫，完成下位機參數設置、下位機向上位機上傳數據時數據庫信息初始化（包括服務器IP、數據庫名稱、用戶名、密碼、DTU標識號、采集時間間隔、保存數據類型等）；接收下位機傳遞來的空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度數值，并將數據存儲在MySql數據庫表中；實時監聽數據庫表中表示控制的標識字段，如果標識字段被設置為1則發送相應控制指令給下位機程序；根據西葫蘆不同生長周期閾值指標（表2），實時監聽采集到的指標數值是否超出閾值，如超出則利用中國網建短信平臺提供的接口自動向種植戶發送手機短信。上位機軟件部分界面如圖6所示。

2.4 手機APP軟件實現

利用Androidstudio、Androidsdk等工具開發完成的日光溫室控制系統手機APP，實現了查看不同溫室數據、查看當前溫室的實時數據、以折線圖的方式查看某項數據的歷史記錄、圖片抓拍、查看實時監控視頻的監控、設備控制和意見反饋等功能。其中設備控制中需要設置遠程控制指令，表3給出部分遠程控制的設備及指令。日光溫室控制功能的實現主要通過兩種方式，一種是控制指令，另一種是手機短信。以控制灌溉為例，具體實現過程如下：進入設備控制頁面后，先調用類加載頁面，利用其中方法獲取當前溫室編號，并將編號保存在變量中。系統根據編號信息加載設備開關按鈕的監聽事件。當用戶點擊命令按鈕或是輸入澆水指令時，系統觸發該命令的監聽事件，并調用彈窗輸入驗證碼，待驗證通過后，系統調用類開啟一個新的線程，并在該線程中使用socket通信將相應指令通過TCP/IP協議發送到部署于服務器上的上位機程序。上位機程序在收到用戶的操作指令后，將該指令發送給位于溫室中的下位機程序，下位機根據用戶的指令操作溫室設備做出相應的反應。而另一種控制方式，以風扇控制為例，具體實現過程如下：點擊風扇開關按鈕，系統會創建Sim對象，調用構造函數（string message）傳入操作指令“打開”或“關閉”，接著調用Sim類中的發送消息方法，使用手機本機號碼向儲存在Sim類中的sim卡號發送短信（message），設備在收到短信后，根據短信內容做出相應反應。手機APP部分界面如圖7所示。

3 結語

為實現日光溫室精準控制，感知終端的數據采集必須是準確且有代表性的，那就需要準確把握感知終端傳感器的放置位置。為降低成本、保證采集數據的準確性，日光溫室大棚內的溫濕度、CO2、光照傳感器均放置在大棚東西方向與南北方向交叉的中心點上，土壤溫濕度傳感器放置在交叉中心點下方土壤深度15 cm處。另外，考慮到影響日光溫室精準控制的因素較多，且溫室作物對環境要求比較高，控制過程稍有不甚會危害作物生長，甚至造成作物絕收，因此實際應用中對天窗及灌溉控制采用了手動與自動2種模式，用戶可以利用手機終端設置每項指標的手動、自動控制方式，增加控制系統靈活性與安全性。

目前，日光溫室智能控制系統已經在德州陵縣西葫蘆主產區運行1年多的時間，一方面用戶利用手機終端可以查詢歷史及實時溫室環境數據、查看溫室視頻，為種植戶日常生產提供數據支持，指導作物生產；另一方面，根據設定的閾值，實現環境數據自動預警與草苫、天窗、灌溉自動控制，還可利用手機APP實現手動控制，控制方式高效靈活，同時也大大節省了勞動力，提高了生產效率。

參考文獻

[1] 李萍萍，王紀章.溫室環境信息智能化管理研究進展[J].農業機械學報，2014，45（4）：236-243.

[2] 王向軍，劉志剛，李榮，等.日光溫室物聯網設計研究：基于傳感器智能網絡操控系統[J].農機化研究，2014（8）：189-192.

[3] 趙同林，劉志剛，徐偉恒，等.復雜大系統條件下日光溫室農業物聯網設計[J].農機化研究，2014，36（8）：202-205，209.

[4] 張智，鄒志榮.基于單片機的日光溫室控制系統的設計[J].微計算機信息，2006，22（35）：77-78.

[5] 李亞迪，苗騰，朱超，等.北方日光溫室智能監控系統的設計與實現[J].中國農業科技導報，2016，18（5）：94-101.

[6] 李莉，張彥娥，汪懋華，等.現代通信技術在溫室中的應用[J].農業機械學報，2007，38（2）：195-200.

[7] 馬海龍，張長利，鄭博元，等.基于ZigBee技術的日光溫室環境監控系統研究[J].農機化研究，2015（6）：221-224.

[8] 王立舒，楊廣林，徐向峰，等.日光溫室溫、濕度模糊控制系統研究[J].東北農業大學學報，2005，36（5）：625-627.