基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尚明華，胥兆麗，尹志豪，秦磊磊

(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，山東 濟(jì)南 250100)

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，更是安天下、穩(wěn)民心的重要產(chǎn)業(yè)。我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)水平落后，作物生產(chǎn)單一，專用品種缺乏，絕大多數(shù)還是要靠天吃飯，這極大地阻礙了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[1-8]。隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，如何讓農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化，成了我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。溫室大棚可以為設(shè)施蔬菜和農(nóng)作物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，使其不再受季節(jié)的限制，提高其生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。因此，溫室大棚技術(shù)成為了我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，將其通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式相結(jié)合，極大地促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化發(fā)展。為了增強(qiáng)現(xiàn)有日光溫室的性能，提高溫室大棚的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)其蔬菜作物種植自動(dòng)化，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了一套溫室大棚一體化控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚中的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、土壤水分等環(huán)境因子的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。

1 一體化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫室大棚一體化控制系統(tǒng)的硬件部分包括一體化控制器和棚內(nèi)設(shè)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(nèi)設(shè)備通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)與主控制器通信。

1.1 一體化控制器結(jié)構(gòu)

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(kāi)關(guān)和供電系統(tǒng)。控制柜內(nèi)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(qiáng)度、土壤水分、土壤溫度等控制模塊，可根據(jù)傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)人工調(diào)節(jié)或自動(dòng)調(diào)節(jié)模式輸出控制信號(hào)給相應(yīng)的執(zhí)行單元來(lái)調(diào)節(jié)溫室環(huán)境條件[9-11]。利用該系統(tǒng)能夠使用戶及時(shí)了解和調(diào)控農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息，從而減少勞動(dòng)成本、提高作物產(chǎn)量、減少農(nóng)藥和化肥使用量。

圖1 一體化控制器外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 主控制器 主控制器用于接收并解析來(lái)自通信模塊、觸摸屏模塊的數(shù)據(jù)信息，然后通過(guò)自動(dòng)控制模式進(jìn)行溫室大棚環(huán)境自我調(diào)控；或通過(guò)手動(dòng)操作本地控制模塊(按鍵開(kāi)關(guān)或觸摸屏)向溫室大棚內(nèi)的相關(guān)設(shè)備發(fā)送控制指令，設(shè)備接收到控制指令后進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)向主控制器發(fā)送狀態(tài)信息。觸摸屏模塊可用于參數(shù)設(shè)置，并將設(shè)置好的參數(shù)信息傳至主控制器同時(shí)可進(jìn)行設(shè)備的操作。

主控制器通過(guò)GPIO口與觸摸屏模塊、電源管理模塊連接，通過(guò)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(wú)線模塊、以太網(wǎng)模塊、GPRS模塊、WiFi模塊、藍(lán)牙模塊、ZigBee模塊或紅外通信模塊組成，用于跟溫室大棚內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行通信，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理后，將數(shù)據(jù)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(tài)的液晶屏(圖2)，型號(hào)TPC1061Ti。

圖2 TPC1061Ti液晶屏

TPC106Ti是一套以先進(jìn)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(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件(運(yùn)行版)，具有強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

觸摸屏模塊主要用于人機(jī)對(duì)話，顯示主控制器發(fā)來(lái)的溫室大棚環(huán)境參數(shù)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，同時(shí)可進(jìn)行設(shè)備操作、參數(shù)設(shè)置。控制模式可選擇本地控制、遠(yuǎn)程控制以及自動(dòng)控制三種。自動(dòng)控制模式是指主控制器可根據(jù)采集到的溫室大棚環(huán)境信息，利用建立的自動(dòng)控制算法，進(jìn)行環(huán)境信息的自我調(diào)控。自動(dòng)控制算法包括PID控制、模糊控制、解耦控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、非線性控制、自適應(yīng)控制。遠(yuǎn)程控制模式時(shí)可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備來(lái)操作溫室大棚內(nèi)的設(shè)備。移動(dòng)設(shè)備為手機(jī)、PDA或平板電腦，通過(guò)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(guò)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(nèi)設(shè)備

棚內(nèi)設(shè)備包括濕簾降溫設(shè)備、噴霧降溫設(shè)備、遮陽(yáng)網(wǎng)、卷膜、大棚卷簾和棚內(nèi)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)。通過(guò)在棚內(nèi)布置多種傳感器來(lái)獲取棚內(nèi)的環(huán)境信息。棚內(nèi)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)包括空氣溫濕度采集節(jié)點(diǎn)、CO2濃度采集節(jié)點(diǎn)、光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)(圖3)。

圖3 棚內(nèi)空氣溫濕度、二氧化碳、光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)

2 一體化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 MCGS7.7嵌入版組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

硬件環(huán)境：一般要求主流PC機(jī)處理器，2 GB以上的內(nèi)存，10 GB以上的硬盤(pán)剩余空間，CD-ROM驅(qū)動(dòng)器等。

軟件環(huán)境：要求Windows XP以上版本。

2.2 MCGS7.7嵌入版組態(tài)軟件的安裝

打開(kāi)MCGS7.7安裝文件夾，雙擊“Setup.exe”，彈出安裝對(duì)話框(圖4)，根據(jù)向?qū)崾具M(jìn)行安裝。

圖4 組態(tài)軟件安裝向?qū)?/p>

程序安裝成功后，會(huì)在桌面生成快捷方式，如圖5所示，雙擊“MCGSE組態(tài)環(huán)境”圖標(biāo)即可以運(yùn)行程序，程序運(yùn)行首界面如圖6所示。

2.3 溫室大棚一體化控制器系統(tǒng)軟件操作說(shuō)明

溫室大棚一體化控制器系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)完成后，運(yùn)行于昆侖通態(tài)觸摸屏TPC1061Ti上，觸摸屏通電之后，將自行啟動(dòng)，啟動(dòng)畫(huà)面默認(rèn)為“環(huán)境監(jiān)測(cè)”模塊。

圖5 桌面快捷方式

圖6 組態(tài)軟件運(yùn)行界面

2.3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊 該模塊主要是用來(lái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)信息，如圖7所示。如果控制器系統(tǒng)未接收到傳感器采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的參數(shù)信息或者傳感器節(jié)點(diǎn)處于離線狀態(tài)，則相應(yīng)的參數(shù)模塊會(huì)處于“連接中…”的狀態(tài)。

當(dāng)顯示的參數(shù)值在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)時(shí)，參數(shù)值及參數(shù)邊框都會(huì)顯示綠色；當(dāng)顯示的參數(shù)值不在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)或處于“連接中…”時(shí)，參數(shù)值及參數(shù)邊框會(huì)顯示紅色，進(jìn)行警示。

圖7 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊支持歷史數(shù)據(jù)查詢。例如，當(dāng)點(diǎn)擊“空氣溫度”標(biāo)簽時(shí)，會(huì)彈出空氣溫度歷史曲線界面，可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查看，如圖8所示。

圖8 空氣溫度監(jiān)測(cè)歷史曲線

2.3.2 環(huán)境調(diào)控模塊 該模塊主要是用來(lái)操控溫室大棚內(nèi)的設(shè)備，系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 環(huán)境調(diào)控模塊

以“室外鼓風(fēng)機(jī)控制”為例，當(dāng)點(diǎn)擊“室外鼓風(fēng)機(jī)控制”標(biāo)簽時(shí)，會(huì)進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)控制界面，如圖10所示。可通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)控，自動(dòng)控制模式下，鼓風(fēng)機(jī)控制器可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定好的閾值范圍進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制；手動(dòng)控制模式下，可通過(guò)“打開(kāi)”或“關(guān)閉”按鈕對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)，此模式還支持多段定時(shí)設(shè)置，默認(rèn)情況下只有一個(gè)階段的定時(shí)設(shè)置，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展。

2.3.3 報(bào)警信息模塊 該模塊主要用于設(shè)置環(huán)境參數(shù)的報(bào)警上下限，并支持報(bào)警記錄查看，如圖11和圖12所示。

圖10 室外鼓風(fēng)機(jī)控制界面

圖11 報(bào)警信息模塊

圖12 報(bào)警記錄

2.3.4 語(yǔ)音播報(bào)模塊 該模塊可以手動(dòng)輸入想要播放的內(nèi)容，并支持語(yǔ)音報(bào)警功能，如圖13所示。當(dāng)點(diǎn)擊“播放語(yǔ)音”按鈕時(shí)，首先播放輸入框內(nèi)的內(nèi)容，之后播放當(dāng)前環(huán)境參數(shù)信息。當(dāng)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定的閾值范圍，也會(huì)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示。

圖13 語(yǔ)音播報(bào)模塊

3 應(yīng)用實(shí)例

我們?cè)跐?jì)南市歷城區(qū)唐王(蔬菜)試驗(yàn)基地進(jìn)行了一體化控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)備安裝及分布示意圖見(jiàn)圖14—圖16。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可將采集到的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤水分等數(shù)據(jù)，傳輸?shù)街骺刂破髌脚_(tái)上顯示(圖17)。通過(guò)分析數(shù)據(jù)，一體化控制器可以自動(dòng)發(fā)送設(shè)備控制指令，通過(guò)調(diào)節(jié)卷簾設(shè)備、卷膜設(shè)備和通風(fēng)機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚環(huán)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(yàn)基地控制設(shè)備示意圖

圖16 唐王(蔬菜)試驗(yàn)基地采集設(shè)備示意圖

4 結(jié)論

針對(duì)溫室大棚勞動(dòng)成本高、產(chǎn)量低等問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了本款溫室大棚一體化控制系統(tǒng)，在濟(jì)南市歷城區(qū)唐王(蔬菜)試驗(yàn)基地的測(cè)試應(yīng)用結(jié)果表明，使用該控制系統(tǒng)能夠使用戶更好地掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)各階段棚內(nèi)環(huán)境信息，并進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，達(dá)到減少勞動(dòng)成本、提高作物產(chǎn)量、減少農(nóng)藥和化肥使用量的目的。

圖17 唐王(蔬菜)試驗(yàn)基地環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖