智能大棚灌溉一體化工程與設(shè)計(jì)

摘 要：隨著不同種類的傳感器的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更加便利，并讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達(dá)到了省事省力環(huán)保的效果。通過深入分析大棚環(huán)境參數(shù)特點(diǎn)和控制要求，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架內(nèi)制定了大棚的總體控制方案。本課題綜合運(yùn)用無線射頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，PLC（可編程邏輯控制器） 技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于無線通信及計(jì)算機(jī)Web平臺(tái)管理的大棚控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對大棚進(jìn)行近程或遠(yuǎn)程智能管理。該系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將大棚現(xiàn)場控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)采用Eclipse開發(fā)工具和jsp語言進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，它將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若數(shù)據(jù)超出原先設(shè)定的范圍便進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)利用無線通信模塊將用戶的決策命令傳給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對大棚現(xiàn)場設(shè)備的控制。

關(guān)鍵詞：無線傳輸模塊;PLC;JSP;傳感器

一、背景與介紹

現(xiàn)代大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，如何對其環(huán)境進(jìn)行智能、有效的監(jiān)控，成為研究的熱點(diǎn)。首先是運(yùn)用機(jī)械化、微電子智能化、計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)，將溫度、濕度、光照、水、肥和氣等環(huán)境因子自動(dòng)調(diào)控到作物各個(gè)生長時(shí)期所需的最佳狀態(tài)。其次，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展有效地延伸了信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，基于Web的各類農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)正在成為重要的研發(fā)與應(yīng)用平臺(tái)，通過無線遠(yuǎn)程的監(jiān)控技術(shù)，將處于偏遠(yuǎn)郊外、相對分散的大棚群進(jìn)行統(tǒng)一管理，有效實(shí)現(xiàn)了異地資源的共享，這不僅節(jié)約了硬件成本，也帶來了極大的便捷性，成為了現(xiàn)代大棚智能化發(fā)展的熱點(diǎn)[1，2]。

隨著我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展，智能控制系統(tǒng)，無線監(jiān)控系統(tǒng)在大棚中的應(yīng)用也越來越普遍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更是早已被國內(nèi)外的專家和學(xué)者重視起來，將其作為今后科技技術(shù)的發(fā)展方向。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)解決了傳統(tǒng)有線傳輸數(shù)據(jù)布線難，擴(kuò)展不方便等劣勢。所以開發(fā)大棚專家系統(tǒng)與大棚自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合的大棚控制系統(tǒng)成了研究的熱點(diǎn)[3]?？傮w來說，雖然我國大棚產(chǎn)業(yè)起步比較晚，但是發(fā)展的速度卻是驚人的，雖然與發(fā)達(dá)國家仍存在一定的差距，但科研人員正致力于研究適合我國國情的智能大棚。

二、技術(shù)框架

（一）需求分析

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，分別采用溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照度傳感器對大棚內(nèi)植物生長的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測，將采集的數(shù)據(jù)送單片機(jī)處理，最后通過以太網(wǎng)傳到控制中心，供大棚的管理員使用。當(dāng)濕度超過預(yù)先設(shè)定的范圍是，打開下位機(jī)的電磁閥，對大棚進(jìn)行自動(dòng)灌溉，光照度超過或者低于設(shè)定范圍可以短信通知管理員關(guān)閉或者開啟卷簾門。

1.功能需求分析

論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)采集蔬菜大棚的幾種參數(shù)，大棚管理員可以通過上位機(jī)系統(tǒng)看見大棚的各節(jié)點(diǎn)的參數(shù)值，并且能夠查看歷史的參數(shù)值。當(dāng)檢測到的參數(shù)超過了管理員規(guī)定的范圍時(shí)，能夠及時(shí)的通過多種方式通知管理員。

大棚監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下：1.實(shí)現(xiàn)對大棚溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度的檢測;2.有一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比如智能的噴淋裝置;3. 能夠定時(shí)的將采集的參數(shù)傳送給服務(wù)器，將異常信息及時(shí)通知服務(wù)器。

2.系統(tǒng)的性能需求分析

基于環(huán)境參數(shù)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要是對蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)控，因此系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有操作簡單、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)測量誤差小、系統(tǒng)建成成本低、能耗低且便于維護(hù)等特點(diǎn)。

其一，實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)釆集的實(shí)時(shí)性是監(jiān)控系統(tǒng)很重要的一個(gè)方面，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崟r(shí)的從大棚內(nèi)獲取環(huán)境參數(shù)信息。

其二，可靠性及可用性：系統(tǒng)的軟、硬件運(yùn)行應(yīng)具有較高的可靠性與可用性，避免出現(xiàn)系統(tǒng)硬件的故障與軟件的死機(jī)的情況。同時(shí)系統(tǒng)的人機(jī)界面應(yīng)當(dāng)友好、實(shí)用。

3.系統(tǒng)的升級和功能擴(kuò)充需求

雖然有些功能不屬于當(dāng)前系統(tǒng)的開發(fā)范疇，但是隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科技的不斷發(fā)展，將來可能要對系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)充。因此在蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中要對將來可能的擴(kuò)充和修改預(yù)作準(zhǔn)備，因此節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)的處理器應(yīng)該留有一些接口以及一些通信接口，以便滿足更多信號的釆集和數(shù)據(jù)的多樣化傳輸。服務(wù)器系統(tǒng)在硬件上要留有一定的存儲(chǔ)裕量，滿足軟件系統(tǒng)的升級，合理設(shè)計(jì)服務(wù)器軟件的模塊和接口，盡量滿足高內(nèi)聚、低親合的要求，當(dāng)需要功能擴(kuò)充時(shí)，保證在不破壞己開發(fā)的軟件模塊前提下增加新的模塊，完成系統(tǒng)的升級。

（二）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)釆用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間保持相互的獨(dú)立，有利于系統(tǒng)的升級與擴(kuò)展。該監(jiān)控系統(tǒng)共有三個(gè)部分：前端的數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分以及監(jiān)控中心。前端的數(shù)據(jù)采集部分一般負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集以及初步的數(shù)據(jù)處理來傳輸給上位機(jī);數(shù)據(jù)傳輸部分是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)按照約定的協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī);監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，計(jì)算機(jī)經(jīng)過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以后，如有發(fā)現(xiàn)異常則釆取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

（三）系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖可知論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具有蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)分布式采集、數(shù)據(jù)采集模塊和服務(wù)器之間的雙工通信、短信報(bào)警、自動(dòng)灌溉、服務(wù)器顯示等功能。因此系統(tǒng)的功能模塊主要可以劃分為：前端數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊以及控制中心模塊五部分。各功能模塊的具體說明：1.前端數(shù)據(jù)采集模塊：前端數(shù)據(jù)采集模塊主要釆用多種傳感器負(fù)責(zé)對大棚內(nèi)的環(huán)境溫度，土壤濕度，二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的采集，由單片機(jī)實(shí)時(shí)處理釆集的環(huán)境參數(shù)和土壤濕度;2.控制模塊：控制模塊主要完成當(dāng)濕度低于下限值的時(shí)候通過自定義的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議控制單片機(jī)來控制電磁閥實(shí)現(xiàn)智能的灌溉;3.網(wǎng)絡(luò)通信模塊：網(wǎng)絡(luò)通信完成上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊的雙工通信，釆集數(shù)據(jù)模塊依據(jù)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議將釆集數(shù)據(jù)組幀，通過以太網(wǎng)控制芯片發(fā)往上位機(jī)，上位處理后可向下位機(jī)發(fā)送灌溉、自檢等控制命令;4.控制中心模塊：控制中心模塊采用的操作系統(tǒng)機(jī)作為服務(wù)器，以作為編程語言環(huán)境，接受和處理下位機(jī)采集的實(shí)時(shí)參數(shù)信息。

三、總結(jié)

課題研究通過無線及遠(yuǎn)程對大棚實(shí)現(xiàn)智能控制的系統(tǒng)，主要開發(fā)了近程監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。只要有網(wǎng)絡(luò)的地方都可以登陸大棚管理系統(tǒng)，進(jìn)行大棚遠(yuǎn)程的監(jiān)測與控制，在大棚附近辦公室的技術(shù)人員則可以直接打開上位機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行大棚現(xiàn)場管理。此課題對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大規(guī)模的展開提供了理論依據(jù)。

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作者簡介：

王保軍，河南省鶴壁市淇河攔河壩管理處職員。