基于物聯網的溫室大棚一體化控制系統的設計

尚明華，胥兆麗，尹志豪，秦磊磊

(山東省農業科學院科技信息研究所，山東 濟南 250100)

農業是國民經濟的基礎，更是安天下、穩民心的重要產業。我國傳統農業技術水平落后，作物生產單一，專用品種缺乏，絕大多數還是要靠天吃飯，這極大地阻礙了我國經濟的持續穩定發展[1-8]。隨著農業科技的不斷發展，如何讓農業走向現代化，成了我國農業發展的重中之重。溫室大棚可以為設施蔬菜和農作物提供適宜的生長環境，使其不再受季節的限制，提高其生產效率和產量。因此，溫室大棚技術成為了我國農業發展的重點之一。

近年來，物聯網技術快速發展，將其通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術與農業生產模式相結合，極大地促進了我國農業生產的精細化發展。為了增強現有日光溫室的性能，提高溫室大棚的生產效率，實現其蔬菜作物種植自動化，我們設計研發了一套溫室大棚一體化控制系統，通過傳感器節點構成監測網絡，進而實現對溫室大棚中的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤水分等環境因子的自動監測與控制。

1 一體化控制系統硬件設計

溫室大棚一體化控制系統的硬件部分包括一體化控制器和棚內設備。一體化控制器由主控制器、通信模塊、觸摸屏模塊和電源管理模塊組成，通信模塊、本地控制模塊、觸摸屏模塊和電源管理模塊與主控制器連接。棚內設備通過通信模塊實現與主控制器通信。

1.1 一體化控制器結構

一體化控制器由4部分組成，分別是控制柜、觸摸屏模塊、按鍵開關和供電系統。控制柜內包含主控制器、通信模塊、本地控制模塊和電源管理模塊(圖1)。

一體化控制器集成了空氣溫度、空氣濕度、CO2濃度、光照強度、土壤水分、土壤溫度等控制模塊，可根據傳感器采集到的環境參數數據，通過人工調節或自動調節模式輸出控制信號給相應的執行單元來調節溫室環境條件[9-11]。利用該系統能夠使用戶及時了解和調控農作物的生長環境信息，從而減少勞動成本、提高作物產量、減少農藥和化肥使用量。

圖1 一體化控制器外部及內部結構示意圖

1.1.1 主控制器 主控制器用于接收并解析來自通信模塊、觸摸屏模塊的數據信息，然后通過自動控制模式進行溫室大棚環境自我調控；或通過手動操作本地控制模塊(按鍵開關或觸摸屏)向溫室大棚內的相關設備發送控制指令，設備接收到控制指令后進行相應的動作，同時向主控制器發送狀態信息。觸摸屏模塊可用于參數設置，并將設置好的參數信息傳至主控制器同時可進行設備的操作。

主控制器通過GPIO口與觸摸屏模塊、電源管理模塊連接，通過SPI總線與通信模塊連接。

1.1.2 通信模塊 通信模塊由433 M無線模塊、以太網模塊、GPRS模塊、WiFi模塊、藍牙模塊、ZigBee模塊或紅外通信模塊組成，用于跟溫室大棚內的設備進行通信，對數據信息進行加密處理后，將數據信息傳至主控制器。加密處理用到的加密算法包括TEA算法、MD5算法。

1.1.3 觸摸屏 采用北京昆侖通態的液晶屏(圖2)，型號TPC1061Ti。

圖2 TPC1061Ti液晶屏

TPC106Ti是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心(主頻600 MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。采用10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率1 024×600)和四線電阻式觸摸屏(分辨率4 096×4 096)。同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件(運行版)，具有強大的圖像顯示和數據處理功能。

觸摸屏模塊主要用于人機對話，顯示主控制器發來的溫室大棚環境參數信息、設備運行狀態信息，同時可進行設備操作、參數設置。控制模式可選擇本地控制、遠程控制以及自動控制三種。自動控制模式是指主控制器可根據采集到的溫室大棚環境信息，利用建立的自動控制算法，進行環境信息的自我調控。自動控制算法包括PID控制、模糊控制、解耦控制、神經網絡控制、非線性控制、自適應控制。遠程控制模式時可通過移動設備來操作溫室大棚內的設備。移動設備為手機、PDA或平板電腦，通過通訊模塊與主控制器通信。

1.1.4 電源管理模塊 電源管理模塊通過電力線連接到220 V或380 V交流電源,并與通信模塊、本地控制模塊、觸摸屏模塊連接。

1.2 棚內設備

棚內設備包括濕簾降溫設備、噴霧降溫設備、遮陽網、卷膜、大棚卷簾和棚內參數采集節點。通過在棚內布置多種傳感器來獲取棚內的環境信息。棚內參數采集節點包括空氣溫濕度采集節點、CO2濃度采集節點、光照強度采集節點(圖3)。

圖3 棚內空氣溫濕度、二氧化碳、光照強度采集節點

2 一體化控制系統軟件設計

2.1 MCGS7.7嵌入版組態軟件開發環境

硬件環境：一般要求主流PC機處理器，2 GB以上的內存，10 GB以上的硬盤剩余空間，CD-ROM驅動器等。

軟件環境：要求Windows XP以上版本。

2.2 MCGS7.7嵌入版組態軟件的安裝

打開MCGS7.7安裝文件夾，雙擊“Setup.exe”，彈出安裝對話框(圖4)，根據向導提示進行安裝。

圖4 組態軟件安裝向導

程序安裝成功后，會在桌面生成快捷方式，如圖5所示，雙擊“MCGSE組態環境”圖標即可以運行程序，程序運行首界面如圖6所示。

2.3 溫室大棚一體化控制器系統軟件操作說明

溫室大棚一體化控制器系統軟件開發完成后，運行于昆侖通態觸摸屏TPC1061Ti上，觸摸屏通電之后，將自行啟動，啟動畫面默認為“環境監測”模塊。

圖5 桌面快捷方式

圖6 組態軟件運行界面

2.3.1 環境監測模塊 該模塊主要是用來實時顯示當前的環境參數信息，如圖7所示。如果控制器系統未接收到傳感器采集節點發來的參數信息或者傳感器節點處于離線狀態，則相應的參數模塊會處于“連接中…”的狀態。

當顯示的參數值在設定的閾值范圍內時，參數值及參數邊框都會顯示綠色；當顯示的參數值不在設定的閾值范圍內或處于“連接中…”時，參數值及參數邊框會顯示紅色，進行警示。

圖7 環境監測模塊

環境監測模塊支持歷史數據查詢。例如，當點擊“空氣溫度”標簽時，會彈出空氣溫度歷史曲線界面，可進行歷史數據的查看，如圖8所示。

圖8 空氣溫度監測歷史曲線

2.3.2 環境調控模塊 該模塊主要是用來操控溫室大棚內的設備，系統界面如圖9所示。

圖9 環境調控模塊

以“室外鼓風機控制”為例，當點擊“室外鼓風機控制”標簽時，會進入鼓風機控制界面，如圖10所示。可通過手動或自動模式進行調控，自動控制模式下，鼓風機控制器可根據系統內部設定好的閾值范圍進行自動調節控制；手動控制模式下，可通過“打開”或“關閉”按鈕對鼓風機進行控制，同時，此模式還支持多段定時設置，默認情況下只有一個階段的定時設置，用戶可根據需求進行擴展。

2.3.3 報警信息模塊 該模塊主要用于設置環境參數的報警上下限，并支持報警記錄查看，如圖11和圖12所示。

圖10 室外鼓風機控制界面

圖11 報警信息模塊

圖12 報警記錄

2.3.4 語音播報模塊 該模塊可以手動輸入想要播放的內容，并支持語音報警功能，如圖13所示。當點擊“播放語音”按鈕時，首先播放輸入框內的內容，之后播放當前環境參數信息。當溫室大棚的環境參數超出設定的閾值范圍，也會進行語音報警提示。

圖13 語音播報模塊

3 應用實例

我們在濟南市歷城區唐王(蔬菜)試驗基地進行了一體化控制系統的實際應用，設備安裝及分布示意圖見圖14—圖16。通過傳感器網絡節點可將采集到的空氣溫濕度、光照強度、土壤溫度、土壤水分等數據，傳輸到主控制器平臺上顯示(圖17)。通過分析數據，一體化控制器可以自動發送設備控制指令，通過調節卷簾設備、卷膜設備和通風機等設備，實現了溫室大棚環境條件的一體化控制。

圖14 一體化控制器安裝圖

圖15 唐王(蔬菜)試驗基地控制設備示意圖

圖16 唐王(蔬菜)試驗基地采集設備示意圖

4 結論

針對溫室大棚勞動成本高、產量低等問題，我們設計研發了本款溫室大棚一體化控制系統，在濟南市歷城區唐王(蔬菜)試驗基地的測試應用結果表明，使用該控制系統能夠使用戶更好地掌握農作物生長各階段棚內環境信息，并進行精準調控，達到減少勞動成本、提高作物產量、減少農藥和化肥使用量的目的。

圖17 唐王(蔬菜)試驗基地環境監測數據圖