新型溫室環境因子調控裝置設計與研究

許鵬，王先宏，賈民政

（北京工業職業技術學院 電氣與信息工程學院，北京， 100042）

0 引言

近年來，我國在智慧溫室環境因素的精確調控領域發展有了很大的進步，但真正能夠進行全方位應用的基本都是大型化的植物工廠或農場，中小型和個人農場普及率還是很低。計算機智能控制、通信技術、電氣自動化等高新技術與傳統農業的契合度還很低。一個主要原因為農業智能化設施的應用開發采用的軟硬件模式以及維護等成本相對較高，系統的可擴展性較差，普通中小規模用戶基本無力承擔。

基于我國農業發展中的實情，根據農作物生長適宜生態條件，采用低成本、開發維護簡單的開源微控制器單元作為核心大腦，利用各種外圍傳感器模塊,準確采集環境因子(光、熱、水、氣、肥等)以及作物生育狀況等參數,建立相關作物生長環境的數學模型，并對數據進行統計分析、存儲，根據作物生長所需最佳條件,設計動態人工智能控制算法，使有關系統、裝置及設備有規律運作, 確保一切生產活動科學、有序、規范、持續地進行。從而使廣大農戶能夠切實的享受到智慧農業發展的果實。

綜上，開發一套成本低廉、使用簡易且又能滿足數字化、智能化控制要求的新型溫室監測、調控裝置，真正能讓技術嵌入到普通溫室種植用戶中去，是有其非凡意義的。既能滿足普通單片機控制器的所有控制要求，又兼顧了多媒體電腦的諸多處理能力。系統軟件設計可實現模塊化調用，功能升級方便，可操控性強。該設計系統完全可滿足對作物生長環境的智能化控制和作物的科學管理,實現資源的優化配置,以達到作物穩產、高產、高效的現代精細化農業要求。

1 系統功能設計

系統設計分為兩部分：

第一部分為總體監控設備部。設一臺工控主機，承擔全場區的總體監視功能。管理人員可隨時通過主機調取各溫室的各采集單元環境因子數據，生成趨勢曲線、報表等實時數據。同時總監部也具有控制全局控制權限，在高級用戶登錄后，便可對各控制部的參數進行修改或執行控制動作。界面使用HMI液晶觸摸或顯示大屏。利用組態軟件作為開發IDE來實施開發。

第二部分為各溫室控制部。各控制部以開源控制器Raspberry Pi 4B作為核心控制服務器。該控制器為卡片式電腦，擁有具有豐富I/O接口和開發功能，使得開發的系統具有較強的移植性，便于系統后期一系列擴展需求。40針GPIO接口既有串行通訊接口，也包含了豐富的控制接口。可直接連接各種串行通信傳感器實時監測數據，并根據監測的數據設置各種算法來實施控制卷簾步進電機、排氣風機的各運轉功能。

每個控制部的界面采用Python自帶GUI（圖形用戶接口）工具tkinter進行開發。圖形界面簡單直觀，適合中小型農業現場控制區域部署?？刂撇亢诵那度肓烁鬓r作物的環境影響因子算法，可方便地根據設定條件，自動化、智能化地控制風機、電機等電氣設備。

該系統分為控制核心、傳感單元電路、控制電路三部分?？刂坪诵牟捎瞄_源電腦控制平臺，平臺自帶GPIO控制接口。傳感單元包括通過485有線連接和無線Lora通信兩種方式。無線通信需要通過智能采集器進行485-Lora-485的協議轉換。控制器將實時采集的數據進行分析、處理，采用模糊融合決策機制向相應的控制電路發出控制命令，及時調節溫室內各種環境因子以達到精細化種植需要的各種設定條件。

控制部的功能：通過采集各點土壤溫濕度參數，決策是否該對作物進行節水灌溉作業。灌溉溫濕度條件滿足冗余查詢條件時，停止灌溉作業；溫室空氣溫濕度環境監測參數作為對通風設備、空氣加溫加濕設備及卷簾機設備等是否啟動以及排風機組工作轉速狀態進行控制判別條件；光照傳感器單元作為卷簾步進電機工作狀態以及補光燈設備是否投入運行的判別條件，進行控制作業；氣體傳感器可根據所種作物光合作用最佳需求CO2及特殊需求氣體條件進行監測，當CO2氣體濃度低于一定條件時即可啟動氣體補充裝置進行二氧化碳施肥，當超標后即啟動排風電機組工作，從而實現智能化的動態調節作用。

2 組態監控模塊設計

■2.1 總監測部組態設計

圖3 溫室環境監測組態窗口

總體監測部分設置了各控制部部分的選擇界面，進入相應選擇界面后即可監測該溫室的各項環境因子監測數據。并開發了監測趨勢線路圖，便于用戶在設定時間段內從整體把握該因子的變化趨勢，為農作物的生長和農業研究提供重要的資料依據。

總體監測部除了可以監測各溫室的控制部數據外，也可向指定的或者總體控制部發送控制命令，進行總體控制。如一鍵關閉/停止，一鍵打開/啟動各子控制單元的功能，簡化操作步驟，縮短整體操控時間。

■2.2 傳感監測模塊

(1)傳感器模塊

該監控系統包括光照、空氣溫濕度、CO2濃度、土壤溫濕度等傳感單元?？蓪崟r監測溫室中各環境因子。并根據控制策略控制灌溉、卷簾開合度、補光、加溫、加濕、CO2氣肥等一系列措施，動態調節各因子，滿足不同作物的生長需求，達到精細化種植的目的。

(2)多傳感器系統的敷設

485布線采用通用的8芯屏蔽雙絞線,可有效防止和屏蔽干擾。總線上最多允許掛接128個總線設備，在不加中繼器的情況下，總線長度不大于1200m，如果更長請選用其它專用485/232轉換器或者加中繼器，并選用更粗的通訊電纜。對于溫室室內設備來說已完全可滿足空間布線需求。

如果成本允許，也可直接用帶Lora通信的傳感器代替有線設備，直接同控制部和主監測部通信。

■2.3 數據采集/轉換裝置

采用485-Lora集中控制器作為組網核心，該裝置主要作用就是實現多-多的485/Lora之間的數據傳輸，將無線Lora協議轉換為485總線傳輸的標準Modbus協議。如圖1總監部設計圖所示，利用多個數據轉換裝置進行組網，建立農場自己的數據傳輸網絡。

圖1 總監設備部設計方案框圖

圖5 485多設備接線示意圖

圖6 協議轉換裝置組網

3 精細化控制模塊

■3.1 聯合控制策略

系統聯動的控制方法采用一種融合粗糙集與證據理論的溫室無線傳感器網絡環境控制決策方法，首先應用無線傳感器網絡構建溫室環境控制設施，采集溫室環境信息與控制執行機構運行;然后采用模糊C均值聚類方法實現連續數據離散化，利用基于信息熵的屬性約簡算法對專家決策表進行約簡，采用均值劃分的基本可信度分配函數獲得樣本在各焦元的基本可信度分配值:最后對各約簡屬性集進行證據合成，依據最大基本可信度分配函數法，判定應采取控制方法。具體數據處理步驟框圖如圖7所示。

圖7 數據處理及決策步驟

控制部通過GPIO接口與電機驅動板進行連接，從而可驅動直流電機、伺服電機、步進電機等裝置，達到精確控制的目的。

■3.2 直流風機轉速控制

控制部Raspberry Pi通過圖8所示電機驅動模塊，可同時驅動兩臺直流電機，控制電機轉動方向，實現溫室的送排風控制。同時可根據聯合控制策略對電機進行PWM調速控制。

圖8 電機驅動模塊

調速控制部分程序：

■3.3 卷簾控制裝置設計

卷簾機采用雙極型步進電機，可以通過圖8驅動電路進行驅動控制。通過聯合控制參數的設定值，調用不同的實參訪問驅動控制函數來精確控制卷簾電機的旋轉步進值，從而達到精確控制溫室卷簾開合角度的控制要求。

部分控制程序：

x = int(input('輸入一個整數（位于-400與400之間）來控制步進電機旋轉：'))

4 控制部GUI設計

控制部圖形用戶接口（GUI）使用的是Python3內嵌的tkinter模塊設計相關程序。如下所示從tkinter庫中引入相關模塊。

系統界面設計步驟及簡單的初始代碼可描述如下：

(1)建立窗口和標簽

from tkinter import *

root=Tk( )

Label(父對象,options)root.mainloop( )

(2)設置相關功能按鈕

Button(父對象,options)

(3)設置不同監測數據變量類別

系統監測各環境參數數據根據實際需要設定不同類別。tkinter模塊變量類別(Variable Classes)有4個子類別，通過這4個子類別的數據于模塊內的Widget控制的相關參數結合已完全可滿足系統數據需要。4個數據類型設置如下：

a=IntVar #整型變量，默認值為0

b=DoubleVar #浮點型變量，默認值為0.0

c=StringVar #字符型變量，默認為" "

d=BooleanVar #布爾型變量，True為1，False為0

(4)建立框架標簽

LableFrame(父對象,options)

除了上面的基本步驟外還可以通過Tkinter建立多個事件進行綁定，插入多個容器子控件以及進一步編輯Menu和Toolbars來不斷完善交互界面設置。本系統GUI界面設置示意圖如圖9所示。

圖9 GUI界面示意圖

5 結論

本論文中設計的新型溫室環境因子調控裝置采用總監測部、各控制部的分模塊控制模式?？偙O測部主要負責對整個農場區域各環境采集參數進行全域監測，同時還開發了一鍵功能，可快速部署。各控制部發揮開源卡片電腦強大的控制算例等功能，部署聯合控制策略算法，控制各部設備達到對溫室環境因子精準控制，實現精細化種植的最終目的。整套裝置設計科學合理，各司其職的同時，又注重統籌兼顧原則。采用價格相對較低的卡片電腦既滿足了高水平的控制要求，又實現了產品的低成本化，便于中小農場的部署使用，具有很強地實用價值。