智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)
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智能溫室是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)等發(fā)展起來的一種高效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。隨著智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通訊技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能溫室監(jiān)控研究向合理化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[1,2]。齊文新等（2004）[3]研制了分布式智能型溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由中心計(jì)算機(jī)和單片機(jī)組成主從式結(jié)構(gòu)智能控制系統(tǒng)；周國祥等[4]應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田水利設(shè)施等的遠(yuǎn)程監(jiān)控；左志宇等（2005）[5]將Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中； Roblin P[6]實(shí)現(xiàn)了溫室的智能化、自動(dòng)化。李建軍等[7]介紹了日光溫室番茄長季節(jié)生產(chǎn)專家系統(tǒng)的研制方法，以及開發(fā)過程。這些系統(tǒng)存在溫室控制功能單一，結(jié)構(gòu)難擴(kuò)展；價(jià)格較貴，難以推廣等缺陷，因此，研究并開發(fā)結(jié)構(gòu)合理、成本低、控制方便、適合不同用戶群，集控制、智能決策與無線網(wǎng)絡(luò)于一體的智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在現(xiàn)行的溫室控制系統(tǒng)中，多采用基于PLC的溫室控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)操作不便、控制精度低、成本過高，且通信方式不靈活 [2]。為有效解決上述不足，本文采用如圖1所示的上、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)。其突出優(yōu)點(diǎn)是能根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的控制方案，對大型連棟溫室可采用上、下位機(jī)結(jié)合控制方案；對小規(guī)模農(nóng)家溫室，僅需要選擇下位機(jī)系統(tǒng)單獨(dú)完成溫室控制。上、下位機(jī)采用RS-232串行通信或基于802.11b的無線通信，上位機(jī)系統(tǒng)通過Internet與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)互連，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境與設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2 下位機(jī)設(shè)計(jì)
下位機(jī)位于溫室控制現(xiàn)場，由傳感器、前端控制器和控制設(shè)備組成，如圖2所示。主要實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理與顯示；通過RS-232接口或無線通信模塊，將監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)缴衔籔C機(jī)，并接受上位機(jī)的控制而產(chǎn)生控制決策；具有脫機(jī)運(yùn)行功能，可在上位PC關(guān)機(jī)情況下獨(dú)立工作，用戶或者專家通過鍵盤預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)及實(shí)時(shí)采集的環(huán)境參數(shù)，自主運(yùn)行下位機(jī)決策程序，通過模糊運(yùn)算產(chǎn)生智能決策，實(shí)現(xiàn)溫室模糊智能控制。
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2.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)
2.1.1傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)溫室作物生長特點(diǎn)和環(huán)境要求，選擇性價(jià)比較優(yōu)的傳感器，如溫度、濕度、光照、二氧化碳等類型的，設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路，使傳感器采集的信息以0～10mA的電流信號形式輸出，作為前端控制器的輸入。
2.1.2前端控制器設(shè)計(jì)
前端控制器是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ)，外加傳感器輸入接口、控制輸出接口、鍵盤接口以及LED接口電路等組成。選用ATMEL公司的ATmel48單片機(jī)系統(tǒng)， ATmel48通用性、可擴(kuò)展性強(qiáng)、性價(jià)比高，內(nèi)部集成4K的flash ROM及8路10位AD轉(zhuǎn)換，與傳統(tǒng)8位ADC相比，具有采集精度精確，控制精度更高的特點(diǎn)。[!--empirenews.page--]
2.1.3通信模塊設(shè)計(jì)
為滿足不同控制需要，提高通信質(zhì)量，設(shè)計(jì)通信子模塊，提供有線通信和無線通信兩種通信方式，方便的實(shí)現(xiàn)下位機(jī)之間、下位機(jī)與上位機(jī)的通信。
（1）基于RS-232串行通信 是溫室控制中廣泛采用的通信方式。其特點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡單，但抗干擾能力差，容易出錯(cuò)，且傳輸距離短（最長15m）、傳輸速率低（最高20kbit/s）。因此，基于RS-232串行通信僅適于溫室規(guī)模不大、控制可靠性要求不高的情況。
（2）802.11b無線通信 是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的通信方式。其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送可靠，采用2.4GHz直接序列擴(kuò)頻，傳輸無須直線傳播，距離長、速率高（最高11Mb/s） [8]。無線通信的設(shè)計(jì)，主要是通過主控器ATmel48單片機(jī)的I/O口，模擬SPI （Serial Program Interface）接口與無線模塊（BGW200）通信。
2.1.4控制設(shè)備接口
在下位機(jī)的控制過程中，要根據(jù)需要對水泵、溫控、光控等設(shè)施控制部件的開啟、關(guān)閉等。選擇合適的繼電器型號，設(shè)計(jì)繼電器接口電路，實(shí)現(xiàn)前端控制器對機(jī)械設(shè)備的控制作用。
2.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)軟件固化在Flash ROM中，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)一管理。設(shè)計(jì)目標(biāo)：主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)、狀態(tài)檢測、掉電保護(hù)；模擬信號的采集、轉(zhuǎn)換、對照、存儲以及控制信號的輸出；通過模糊算法實(shí)現(xiàn)模糊控制；與上位機(jī)通信以及通信異常處理；相關(guān)環(huán)境參數(shù)處理與顯示。采用C語言編寫，使用仿真器在線調(diào)試，以及無線模塊現(xiàn)場測試。采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)主程序和模糊控制子程序、I/O控制、A/D采樣、時(shí)鐘子程序、通信子程序，顯示子程序等。程序采用基于查詢和中斷結(jié)合的運(yùn)行機(jī)制。串口以及無線模塊通信采用中斷方式，A/D采集采用查詢方式。
3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
上位機(jī)位于管理室，由PC機(jī)組成，是整個(gè)系統(tǒng)的管理核心，主要由數(shù)據(jù)庫管理、通信管理、控制決策生成等功能模塊組成。采用可視化編程語言VB6.0和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL SEVER 2000，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)管理。
（1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) 建立作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)表，存儲下位機(jī)采集來的溫室現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)溫室歷史數(shù)據(jù)表，存儲每日平均環(huán)境數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)溫室控制信息狀態(tài)表，存儲溫室設(shè)備的開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)；設(shè)計(jì)溫室空閑表，存儲溫室種植的作物種類以及作物生長運(yùn)行時(shí)間等；設(shè)計(jì)專家數(shù)據(jù)表，存儲各作物生長的專家級數(shù)據(jù)，為控制決策提供依據(jù)。
（2）通信功能設(shè)計(jì) 基于Internet的遠(yuǎn)程通信子程序，應(yīng)用控件Winsock（在TCP、UDP的協(xié)議基礎(chǔ)上）實(shí)現(xiàn)；基于RS-232串行通信子程序設(shè)計(jì)，應(yīng)用串行通信控件MSComm實(shí)現(xiàn)；基于802.11b的無線通信子程序設(shè)計(jì)，使用SocketWrench控件，發(fā)TCP/IP協(xié)議包到下位機(jī)的BGW200模塊。
（3）控制決策生成 基于智能控制的思想，結(jié)合作物生長專家系統(tǒng)采取線性插值、相似度計(jì)算等方法，形成控制決策，并通過RS-232串口通信或無線通信模塊傳送到下位機(jī)。
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4結(jié)語
本文是在分析溫室控制現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在問題的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)合理、完整的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行系統(tǒng)研制。經(jīng)過反復(fù)多次改進(jìn)和完善，智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示。開發(fā)過程中多次到溫室現(xiàn)場測試，開發(fā)完成后也在我校設(shè)施農(nóng)業(yè)專業(yè)教學(xué)基地試運(yùn)行。結(jié)果表明，系統(tǒng)在實(shí)用性、穩(wěn)定性、可靠性等方面滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。圖3為溫室系統(tǒng)實(shí)物圖，圖4為上位機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制界面，圖5為溫室實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與管理界面；圖6為查詢溫室內(nèi)作物生長狀態(tài)界面。該系統(tǒng)并在2005年11月楊凌的國際農(nóng)業(yè)高新技術(shù)博覽會(huì)上展出，受到廣大農(nóng)戶以及公司的普遍關(guān)注。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：系統(tǒng)各模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，具有較大的靈活性和擴(kuò)展性；集成無線通信模塊，通信便捷可靠；上位機(jī)集成作物生長專家數(shù)據(jù)庫使控制決策達(dá)到了專家級水平；下位機(jī)采用單片機(jī)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)增設(shè)模糊控制模塊，確保了下位機(jī)單獨(dú)工作時(shí)也可實(shí)現(xiàn)智能控制。
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